JP5542278B2 - Gas diffusion layer for fuel cell and polymer electrolyte fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池用ガス拡散層および固体高分子型燃料電池に係り、特に、触媒層とガス流路層との間に、両側から圧縮された状態で配置される燃料電池用ガス拡散層および当該ガス拡散層を備えた固体高分子型燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell gas diffusion layer and a polymer electrolyte fuel cell, and more particularly to a fuel cell gas diffusion layer disposed between a catalyst layer and a gas flow path layer in a compressed state from both sides. The present invention also relates to a polymer electrolyte fuel cell including the gas diffusion layer.
燃料電池の単セル(以下、燃料電池セルとする)は、電解質膜と、電解質膜の両側に設けられる触媒層と、触媒層の外側に設けられ、ガス流路を有するセパレータとを備え、さらに、触媒層とセパレータのガス流路との間にガス拡散層を備えている。一般的に、自動車等の車両に搭載される燃料電池は、複数の燃料電池セルが積層された燃料電池スタックとして使用されている。そして、燃料電池スタックは、各燃料電池セル内および各燃料電池セル間の接触抵抗を低く抑えるために、両側から予め定められた所定圧で圧縮されている。具体的には、各燃料電池セルを構成する各層の界面にかかる面圧が所定圧となるように、燃料電池スタックの両側に設けられるエンドプレートがボルト等の締結部材で強く締結されている。 A single cell of a fuel cell (hereinafter referred to as a fuel cell) includes an electrolyte membrane, a catalyst layer provided on both sides of the electrolyte membrane, and a separator provided on the outside of the catalyst layer and having a gas flow path. A gas diffusion layer is provided between the catalyst layer and the gas flow path of the separator. In general, a fuel cell mounted on a vehicle such as an automobile is used as a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are stacked. The fuel cell stack is compressed with a predetermined pressure determined in advance from both sides in order to keep the contact resistance in each fuel cell and between each fuel cell low. Specifically, the end plates provided on both sides of the fuel cell stack are strongly fastened with fastening members such as bolts so that the surface pressure applied to the interface of each layer constituting each fuel battery cell becomes a predetermined pressure.
近年、燃料電池セルの大面積化が進むにつれ締結部材の締結力も大きくなり、締結部材の大きさや重量の増大が問題視されてきている。そこで、この締結力を小さくすることが求められている。一方、ガス流路は、厚み方向に凹凸のある溝構造が一般的であるから、ガス流路の凸部に接触する部分の面圧が高くなり、ガス流路の凹部に対応する部分の面圧が低くなる。ゆえに、締結部材の締結力を小さくして燃料電池セルの面圧を低くすると、ガス流路の凹部に対応する部分では面圧が不足し、特にガス拡散層と触媒層との界面において局所的な触抵抵抗の増大が起こり易くなる。また、ガス拡散層および触媒層にも表面凹凸が存在し、この表面凹凸も低面圧条件における局所的な接触抵抗増大の要因となる。 In recent years, as the fuel cell increases in area, the fastening force of the fastening member increases, and an increase in the size and weight of the fastening member has been regarded as a problem. Therefore, it is required to reduce this fastening force. On the other hand, since the gas flow channel generally has a groove structure with unevenness in the thickness direction, the surface pressure of the portion that contacts the convex portion of the gas flow channel increases, and the surface of the portion corresponding to the concave portion of the gas flow channel Pressure is lowered. Therefore, if the fastening force of the fastening member is reduced to reduce the surface pressure of the fuel cell, the surface pressure is insufficient at the portion corresponding to the recess of the gas flow path, and particularly at the interface between the gas diffusion layer and the catalyst layer. Increase in contact resistance is likely to occur. Further, surface irregularities also exist in the gas diffusion layer and the catalyst layer, and these surface irregularities also cause a local contact resistance increase under low surface pressure conditions.
本発明に関連する技術として、ガス流路側に設けられた硬質層と、触媒層側に設けられた圧縮性の層とを備えた燃料電池のガス拡散媒体が特許文献1に開示されている。また、特許文献1には、典型的な拡散媒体は、圧縮荷重が0.34〜2.76MPaの範囲のときに10〜50%の範囲の圧縮歪みを示すこと、そして、硬質層によって拡散媒体のガス流路中への浸入を防止できることが開示されている。さらに、特許文献1には、硬質層は、圧縮性の層よりも少なくとも6倍大きな弾性率を有すること、そして、硬質層の厚さは、拡散媒体の全厚さの8%であり、および70%以下であることが開示されている。
As a technique related to the present invention,
上記のように、特許文献1の技術は、圧縮性の高い拡散媒体がガス流路に浸入することを防止するために硬質層を設けたものであって、例えば、0.3MPa以下のように、燃料電池セルの面圧を低く設定することについては考慮していない。したがって、特許文献1を含む従来の技術では、低面圧条件において、燃料電池セル、特にガス拡散層と触媒層との接触抵抗の増加を抑制するための有効な手段は開示されていない。
As described above, the technique of
本発明の目的は、燃料電池セルの面圧を低減した場合であっても、触媒層との界面において、局所的な面圧の低下を回避して局所的な接触抵抗の増大を防止し、接触抵抗を低い状態に維持することが可能な燃料電池用ガス拡散層を提供することである。また、当該ガス拡散層を備えた固体高分子型燃料電池を提供することである。 The object of the present invention is to prevent an increase in local contact resistance by avoiding a decrease in local surface pressure at the interface with the catalyst layer even when the surface pressure of the fuel cell is reduced. To provide a gas diffusion layer for a fuel cell capable of maintaining a low contact resistance. Moreover, it is providing the polymer electrolyte fuel cell provided with the said gas diffusion layer.
本発明に係る燃料電池用ガス拡散層は、ガス流路層と、表面凹凸深さHcを有する触媒層との間に、両側から予め定められた所定の圧力で圧縮された状態で配置され、ガス流路層を流れるガスを触媒層に拡散供給するための燃料電池用ガス拡散層において、ガス流路層側に設けられ、表面凹凸深さHbを有する硬質層と、触媒層側に設けられ、厚み方向の弾性率が硬質層の厚み方向の弾性率の1/12未満である軟質層と、を備え、軟質層は、触媒層の厚み方向の弾性率をEzc、面方向の弾性率をExcとし、硬質層の厚み方向の弾性率をEzb、面方向の弾性率をExbとして、Hc×(Ezc/Exc)+Hb×(Ezb/Exb)を超える厚みを有し、硬質層の表面凹凸深さの1/10未満で、且つ触媒層の表面凹凸深さよりも大きな粒子径を有する粒子状の導電性材料、又は硬質層の表面凹凸深さの1/10未満で、且つ触媒層の表面凹凸深さよりも大きな繊維径を有する繊維状の導電性材料と、絶縁性樹脂と、から構成されることを特徴とする。 The fuel cell gas diffusion layer according to the present invention is disposed between the gas flow path layer and the catalyst layer having the surface unevenness depth Hc in a state of being compressed at a predetermined pressure determined in advance from both sides. In a gas diffusion layer for a fuel cell for diffusing and supplying a gas flowing through a gas flow path layer to a catalyst layer, a hard layer provided on the gas flow path layer side and having a surface unevenness depth Hb, and provided on the catalyst layer side A soft layer whose elastic modulus in the thickness direction is less than 1/12 of the elastic modulus in the thickness direction of the hard layer, and the soft layer has an elastic modulus in the thickness direction of the catalyst layer as Ezc and an elastic modulus in the surface direction. and exc, EZB elastic modulus in the thickness direction of the hard layer, the elastic modulus of the surface direction EXB, have a thickness of greater than Hc × (Ezc / exc) + Hb × (Ezb / Exb), surface irregularity depth of the hard layer Less than 1 / 10th of the thickness and larger than the surface irregularity depth of the catalyst layer A particulate conductive material having a particle diameter, or a fibrous conductive material having a fiber diameter that is less than 1/10 of the surface irregularity depth of the hard layer and larger than the surface irregularity depth of the catalyst layer; And a resin .
上記構成によれば、硬質層の厚み方向の弾性率の1/12未満である厚み方向の弾性率と、Hc×(Ezc/Exc)+Hb×(Ezb/Exb)を超える厚みとを有する軟質層によって、燃料電池セルの面圧を、例えば、0.3MPa以下のような低面圧に設定した場合であっても、硬質層、触媒層、およびガス流路層の表面凹凸の影響を十分に緩和することができる。即ち、軟質層は、低面圧条件であっても、硬質層および触媒層の表面凹凸部分に十分入り込み、硬質層および触媒層との大きな接触面積を確保することができる。したがって、ガス拡散層の軟質層と触媒層との界面、および軟質層と硬質層との界面において、面圧の均一化を図り、局所的な面圧の低下を回避して局所的な接触抵抗の増大を防止することが可能になる。 According to the said structure, the soft layer which has the elasticity modulus of the thickness direction which is less than 1/12 of the elasticity modulus of the thickness direction of a hard layer, and the thickness exceeding Hcx (Ezc / Exc) + Hbx (Ezb / Exb) Even if the surface pressure of the fuel cell is set to a low surface pressure such as 0.3 MPa or less, the influence of the surface unevenness of the hard layer, the catalyst layer, and the gas flow path layer is sufficiently affected. Can be relaxed. That is, the soft layer can sufficiently enter the surface irregularities of the hard layer and the catalyst layer even under low surface pressure conditions, and can ensure a large contact area with the hard layer and the catalyst layer. Therefore, at the interface between the soft layer and the catalyst layer of the gas diffusion layer and at the interface between the soft layer and the hard layer, the surface pressure is made uniform, and the local contact resistance is avoided by avoiding the decrease in the local surface pressure. It is possible to prevent an increase in
また、本発明に係る固体高分子型燃料電池は、ガス流路層と、表面凹凸深さHcを有する触媒層との間に、両側から予め定められた所定の圧力で圧縮された状態で配置され、ガス流路層を流れるガスを触媒層に拡散供給するための燃料電池用ガス拡散層を備える固体高分子型燃料電池において、ガス拡散層が、ガス流路層側に設けられ、表面凹凸深さHbを有する硬質層と、触媒層側に設けられ、厚み方向の弾性率が硬質層の厚み方向の弾性率の1/12未満である軟質層と、を備え、軟質層は、触媒層の厚み方向の弾性率をEzc、面方向の弾性率をExcとし、硬質層の厚み方向の弾性率をEzb、面方向の弾性率をExbとして、Hc×(Ezc/Exc)+Hb×(Ezb/Exb)を超える厚みを有し、硬質層の表面凹凸深さの1/10未満で、且つ触媒層の表面凹凸深さよりも大きな粒子径を有する粒子状の導電性材料、又は硬質層の表面凹凸深さの1/10未満で、且つ触媒層の表面凹凸深さよりも大きな繊維径を有する繊維状の導電性材料と、絶縁性樹脂と、から構成されることを特徴とする。
Further, the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention is disposed between the gas flow path layer and the catalyst layer having the surface unevenness depth Hc in a compressed state from both sides at a predetermined pressure. is, in a polymer electrolyte fuel cell comprising a fuel cell gas diffusion layer for diffusing supply gas flowing in the gas flow path layer in the catalyst layer, gas diffusion layer is provided on the gas flow path layer side surface a hard layer having an uneven depth Hb, provided the catalyst layer side, and a soft layer is less than 1/12 of the thickness direction of the elastic modulus in the thickness direction of the elastic modulus is hard layer, a soft electrolyte layer is Assuming that the elastic modulus in the thickness direction of the catalyst layer is Ezc, the elastic modulus in the surface direction is Exc, the elastic modulus in the thickness direction of the hard layer is Ezb, and the elastic modulus in the surface direction is Exb, Hc × (Ezc / Exc) + Hb × ( EZB / EXB) have a thickness of greater than, the surface roughness depth of the
本発明に係る燃料電池用ガス拡散層によれば、燃料電池セルの面圧を低減した場合であっても、特に触媒層との界面において、局所的な面圧の低下を回避して局所的な接触抵抗の増大を防止し、接触抵抗を低い状態に維持することが可能になる。したがって、燃料電池セルの締結力を小さくすることができ、締結部材の小型化や軽量化を実現することができる。 According to the gas diffusion layer for a fuel cell according to the present invention, even when the surface pressure of the fuel cell is reduced, a local surface pressure is prevented from being lowered, particularly at the interface with the catalyst layer. It is possible to prevent an increase in contact resistance and maintain a low contact resistance. Therefore, the fastening force of the fuel cell can be reduced, and the fastening member can be reduced in size and weight.
図面を用いて、本発明に係る燃料電池用ガス拡散層および当該ガス拡散層を備えた固体高分子型燃料電池の実施形態につき、以下詳細に説明する。なお、以下では、本発明に係る燃料電池用ガス拡散層は、車両用燃料電池スタック10(以下、燃料電池スタック10とする)を構成する各燃料電池セル11に適用されるガス拡散層30として説明するが、適用範囲は車両用の燃料電池に限定されない。
Hereinafter, embodiments of a gas diffusion layer for a fuel cell and a polymer electrolyte fuel cell including the gas diffusion layer according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Hereinafter, the gas diffusion layer for a fuel cell according to the present invention is referred to as a
図1に示すように、燃料電池スタック10は、積層された複数の燃料電池セル11、燃料電池セル11の両側に配置された一対のエンドプレート12、および図示しない締結部材やマニホールド等から構成されている。エンドプレート12は、各燃料電池セル11内および各燃料電池セル11間の接触抵抗を低く抑えるために、図示しない締結部材を用いて燃料電池セル11の積層体を圧縮している。なお、圧縮状態で燃料電池セル11の各層にかかる面圧としては、0.05MPa〜0.5MPaが例示でき、0.1MPa〜0.3MPaであることがより好ましい。以下では、燃料電池セル11は、0.3Mpa以下の面圧で圧縮されているものとして説明する。
As shown in FIG. 1, the
また、燃料電池スタック10には、いずれも図示しない、燃料ガスである水素ガスの供給装置、酸化ガスである空気の供給流路、および冷却水の供給装置等がマニホールドを介して接続されている。
The
燃料電池セル11は、固体高分子型燃料電池であって、高分子膜である電解質膜13と、電解質膜13の両側に設けられる触媒層14と、触媒層14の外側に設けられるセパレータ15と、触媒層14とセパレータ15との間に設けられるガス拡散層30とを備える。そして、セパレータ15は、ガス拡散層30と接する面に、水素ガス又は空気を流すためのガス流路16を有している。
The
電解質膜13は、湿潤状態で水素イオン(以下、プロトンとする)を選択的に透過するイオン交換膜であって、アノード電極で生成したプロトンをカソード電極へと移動させる機能を有する。電解質膜13としては、例えば、ナフィオン(デュポン社の登録商標)等のスルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体などの高分子膜を用いることができる。
The
触媒層14は、電解質膜13の両側に設けられる層であって、アノード電極側とカソード電極側とでは関与する反応が異なる。アノード電極側の触媒層14は、ガス流路16からガス拡散層30を通って供給された水素ガスをプロトンと電子とに電離させる機能を有する。一方、カソード電極側の触媒層14では、アノード電極側で電離したプロトンおよび電子が、ガス流路16からガス拡散層30を通って供給された空気中の酸素と反応して水が生成される。そして、この一連の反応により起電力が発生する。なお、いずれの触媒層14も、例えば、白金、ルテニウム、又はロジウム等の貴金属触媒を担持した、カーボンブラック、アセチレンブラック、又はカーボンナノチューブ等のカーボン(以下、担持カーボンとする)を主成分とする。触媒層14は、溶媒中に分散させた担持カーボンを電解質膜13の両面に塗布した後、例えば、ホットプレス等を用いて形成することができる。
The
触媒層14は、例えば、5μm〜30μm程度の厚みを有し、特に10μm程度の厚みが好適である。また、詳しくは後述するように、触媒層14のガス拡散層30側の面は、平坦ではなく表面凹凸が存在する。
The
セパレータ15は、水素ガスと空気との混流を防止する機能と、電解質膜13および触媒層14における反応によって発電された電気を集電する機能とを有する。また、一般的に、セパレータ15には、図示しない冷却水流路が形成されており、燃料電池セル11を冷却する機能も有している。また、セパレータ15は、例えば、ステンレス薄板から構成されており、ガス拡散層30を介して電解質膜13および触媒層14を挟持するように燃料電池セル11の両端に設けられている。
The
ガス流路16は、上記のように、水素ガス又は空気を流すため流路であって、セパレータ15のガス拡散層30に接する面に形成される。具体的には、アノード電極側のガス流路16に水素ガスが流れ、カソード電極側のガス流路16に空気が流れる。また、いずれのガス流路16も、厚み方向に凹凸を有する溝が形成された構造、例えば、サーペンタイン流路構造やストレート流路構造を採用することができ、凸部がガス拡散層30と接触している。
As described above, the
ガス拡散層30は、セパレータ15の表面のガス流路16を流れる水素ガス又は空気を触媒層14に拡散させて供給(拡散供給)する機能を有し、ガス流路層であるガス流路16と、触媒層14との間に設けられている。また、ガス拡散層30は、触媒層14とセパレータ15との間の電子伝達媒体としての役割も担う。ゆえに、ガス拡散層30は、触媒層14とセパレータ15との間、特に接触抵抗が上昇し易い触媒層14との間の接触抵抗を低く維持するために、予め定められた所定の圧力で圧縮されて配置されている。具体的には、上記のように、一対のエンドプレート22により燃料電池セル11の全体が圧縮されている。
The
また、ガス拡散層30は、例えば、0.3MPa以下のような低面圧条件であっても、面圧の均一化を図り、特に触媒層14との界面において局所的な面圧の低下を回避して局所的な接触抵抗の増大を防止する機能を有する。この機能を実現するために、ガス拡散層30は、ガス流路16側に設けられる硬質層31と、触媒層14側に設けられる軟質層32とから構成された2層構造を有し、軟質層32の厚み方向の弾性率および厚みを後述するように規定している。
In addition, the
硬質層31は、ガス流路16と接触する層であって、軟質層32よりも硬く弾性率が高い層である。なお、本明細書において、弾性率とは、圧縮力をひずみで除して得られるヤング率を意味する。硬質層31としては、例えば、カーボンペーパ、カーボンクロス、カーボンフェルトなどの繊維状の導電性材料から構成され、好ましくは、ポリテトラフルオロエチレンなどの絶縁性樹脂でコーティングされた導電性材料が用いられる。また、硬質層31は、カーボンブラックなどの粒子状の導電性材料と、ポリテトラフルオロエチレンなどの絶縁性樹脂とから構成することもできる。また、繊維状の導電性材料に、粒子状の導電性材料、さらには絶縁性材料を混練したペーストを塗布してもよい。硬質層31は、例えば、繊維状の導電性材料を軟質層32の構成材料とラミネートする、或いは硬質層31又は軟質層32の一方の構成材料を他方の構成材料に塗布することで作製される。
The
硬質層31は、例えば、100μm〜300μm程度の厚みを有し、特に150μm〜200μm程度の厚みが好適である。また、詳しくは後述するように、硬質層31の表面は、平坦ではなく表面凹凸が存在する。
The
軟質層32は、触媒層14と接触する層であって、硬質層31よりも柔軟性があり圧縮し易い層である。また、軟質層32は、触媒層14よりも柔軟性が高い。即ち、軟質層32の弾性率は、硬質層31および触媒層14よりも低く、特に厚み方向の弾性率(Eza)は、式(1)に示すように、硬質層31の厚み方向の弾性率(Ezb)の1/12未満であることが要求される。
Eza<Ezb/12・・・・・(1)
なお、弾性率(Eza)の好ましい範囲としては、弾性率(Ezb)の1/12未満〜1/24が例示でき、例えば、0.1MPa〜10MPaの範囲で設定される。
The
Eza <Ezb / 12 (1)
In addition, as a preferable range of an elasticity modulus (Eza), less than 1/12-1/24 of an elasticity modulus (Ezb) can be illustrated, for example, it sets in the range of 0.1 MPa-10 MPa.
軟質層32の弾性率(Eza)を規定する式(1)は、ホルムの接触抵抗理論等に基づく演算結果、また、種々の弾性率におけるシミュレーション結果および実際の実験結果によって導出されたものである。即ち、実験結果等によれば、軟質層32は、弾性率(Eza)が式(1)の条件を満たし、且つ後述するように、厚みTaが式(2)を満たす場合に、0.3MPa以下のような低面圧条件においても接触抵抗の増大を防止することができる。一方、弾性率(Eza)が式(1)の条件を満たさない場合、即ち弾性率(Eza)が硬質層31の弾性率(Ezb)の1/12以上である場合は、低面圧条件で接触抵抗の増大を防止できない。
The expression (1) that defines the elastic modulus (Eza) of the
なお、軟質層32としては、硬質層31と同様の繊維状又は粒子状の導電性材料から構成することができる。但し、弾性率(Eza)を硬質層31よりも小さくするために、例えば、繊維密度の低い材料や柔軟性の高い材料が用いられ、特にカーボンブラック等の粒子状の導電性材料が好適である。また、軟質層32は、面圧の均一化等の観点から、硬質層31の表面凹凸深さHbの1/10未満で、且つ触媒層14の表面凹凸深さHcよりも大きな粒子径を有する粒子状の導電性材料、又は硬質層31の表面凹凸深さHbの1/10未満で、且つ触媒層14の表面凹凸深さHcよりも大きな繊維径を有する繊維状の導電性材料と、ポリテトラフルオロエチレンなどの絶縁性樹脂とから構成されることが好ましい。なお、当該粒子径および繊維径の条件も、上記の演算結果、また、シミュレーション結果および実験結果によって導出されたものである。
The
ここで、図2を用いて、ガス拡散層30の構成、特に軟質層32の構成をさらに説明する。なお、図2は、軟質層32と触媒層14との界面および軟質層32と硬質層31との界面の状態を示す断面図であり、図2(a)は未圧縮状態、図2(b)が圧縮状態をそれぞれ示している。
Here, the configuration of the
図2(a)に示すように、軟質層32が接触する触媒層14の表面および硬質層31の表面には、表面凹凸が存在する。触媒層14の表面凹凸深さHcおよび硬質層31の表面凹凸深さHbは、それぞれの厚みによっても異なるが、通常、硬質層31の方が分厚いので、表面凹凸深さはHc<Hbの関係となる。なお、後述の式(2)で用いられる表面凹凸深さHc,Hbとは、未圧縮状態或いは非常に低い圧縮状態(以下、微圧縮状態と略記)における厚み方向の表面凹凸の長さであって、例えば、光学顕微鏡や走査型電子顕微鏡(SEM)、プローブの針先端圧を0.01〜0.1MPaに制御した先端径10μm以下の表面粗さ計や走査型プローブ顕微鏡(SPM)などを用いて測定することができる。
As shown in FIG. 2A, surface irregularities exist on the surface of the
そして、軟質層32は、触媒層14および硬質層31の表面凹凸に基づいて、式(2)の条件を満たす厚みTaを有している。なお、厚みTaとは、未圧縮状態或いは微圧縮状態における厚みを意味する。
Ta>{Hc×(Exc/Ezc)}+{Hb×(Exb/Ezb)}・・・(2)
ここで、Ex1は、触媒層14の面方向の弾性率、Ex2:硬質層31の面方向の弾性率である。また、Hc,Hbは、上記のように、未圧縮状態或いは微圧縮状態における触媒層14および硬質層31の表面凹凸深さであり、式(2)においては、例えば、表面凹凸深さの最大値、中央値、最頻値、又は平均値などを用いることができる。これらのうち、中央値、最頻値、又は平均値を用いることが好ましく、平均値を用いることがより好ましい。
The
Ta> {Hc × (Exc / Ezc)} + {Hb × (Exb / Ezb)} (2)
Here, Ex1 is the elastic modulus in the surface direction of the
軟質層32の厚みTaを規定する式(2)は、ポアソン比に基づく演算により導出され、種々の厚みにおけるシミュレーションおよび実際の実験によって裏付けられたものである。式(2)の(Exc/Ezc)および(Exb/Ezb)は、触媒層14および硬質層31の圧縮状態において、各層の面方向への伸びと厚み方向への伸びとの比率を表すものである。そして、未圧縮状態或いは微圧縮状態の表面凹凸深さに当該比率を乗じることにより、圧縮状態における各層の表面凹凸深さを推定することができる。即ち、軟質層32の厚みTaは、圧縮状態における触媒層14の表面凹凸深さと硬質層32の表面凹凸深さとの和を超える厚みを有することが要求される。
Expression (2) that defines the thickness Ta of the
即ち、軟質層32は、弾性率(Eza)が式(1)の条件を満たし、厚みTaが式(2)を満たす場合に限り、図2(b)に示すように、0.3MPa以下のような低面圧条件においても触媒層14の表面凹凸と硬質層31の表面凹凸に対応し、両層と隙間なく接触する。一方、厚みTaが式(2)の条件を満たさない場合は、弾性率(Eza)が式(1)の条件を満たしている場合でも、低面圧条件で接触抵抗の増大を防止できない。
That is, as shown in FIG. 2B, the
なお、ガス拡散層30の厚みは、ガス拡散性等の観点から、50μm〜500μmであることが好ましく、100μm〜300μmであることがより好ましい。そして、軟質層32の厚みTaとしては、ガス拡散層30全体の厚みによっても異なるが、50〜200μmであることが好ましく、70〜100μmであることがより好ましい。
The thickness of the
ここで、図2と、比較例として図6とを用いて、上記構成を備えるガス拡散層30の作用効果、特に軟質層32の作用効果について説明する。なお、図6は、図2に対応する図であり、軟質層32に代えて、式(2)の条件を満たさない軟質層51を用いた場合の界面状態を示す図である。
Here, with reference to FIG. 2 and FIG. 6 as a comparative example, the function and effect of the
図2(a)に示すように、弾性率(Eza)が式(1)の条件を満たし、且つ厚みTaが式(2)の条件を満たす軟質層32は、図2(b)に示すように、例えば、0.3MPaのような低面圧条件であっても、触媒層14および硬質層31の表面凹凸部分に十分入り込むことができる。即ち、軟質層32は、触媒層14および硬質層31と隙間なく接触して、低面圧条件においても両層との大きな接触面積を確保することができる。したがって、ガス拡散層30を用いれば、局所的な面圧の低下を回避して局所的な接触抵抗の増大を防止し、接触抵抗を低い状態に維持することが可能になる。
As shown in FIG. 2A, the
一方、図6(a)に示すように、軟質層51の厚みが式(2)の条件を満たさない場合には、図6(b)に示すように、軟質層51が触媒層14および硬質層31の表面凹凸部分に十分入り込まず、両層との間に大きな隙間が生じて、特に低面圧条件では大きな接触面積を確保することができない。したがって、図6に示すガス拡散層50を用いた場合には、面圧が不均一となり、局所的な接触抵抗の増大を引き起こす。
On the other hand, as shown in FIG. 6A, when the thickness of the
次に、図3〜図5と、比較例として図7とを用いて、ガス拡散層30の作用効果をさらに説明する。各図では、▲が実測値、点線が計算値をそれぞれ示している。
Next, the function and effect of the
なお、図3は、ガス拡散層30と触媒層14との界面における面圧と接触抵抗との関係を示す図であり、図4および図5は、ガス拡散層30と触媒層14との界面における面圧が0.1MPaの条件下で、軟質層32の厚みと接触抵抗との関係および軟質層32の弾性率と接触抵抗との関係をそれぞれ示す図である。また、図7は、図3に対応する図であり、軟質層32に代えて、式(2)の条件を満たさない軟質層51を用いた場合を示す図である。
3 is a diagram showing the relationship between the contact pressure and the contact pressure at the interface between the
図3に示すように、弾性率(Eza)が式(1)の条件を満たし、且つ厚みTaが式(2)の条件を満たす軟質層32(Eza=1MPa,Ta=98μm)を用いた場合には、0.3MPaのような低面圧条件であっても、接触抵抗の増大が殆どなく、低接触抵抗を維持できている。一方、図7に示すように、式(1)および式(2)の条件を満たさない軟質層52を用いた場合には、面圧が0.3MPaより小さくなると、接触抵抗の急激な上昇を引き起こす。 As shown in FIG. 3, when the soft layer 32 (Eza = 1 MPa, Ta = 98 μm) in which the elastic modulus (Eza) satisfies the condition of the expression (1) and the thickness Ta satisfies the condition of the expression (2) is used. Even under low surface pressure conditions such as 0.3 MPa, the contact resistance hardly increases and the low contact resistance can be maintained. On the other hand, as shown in FIG. 7, when the soft layer 52 that does not satisfy the conditions of the expressions (1) and (2) is used, if the surface pressure becomes smaller than 0.3 MPa, the contact resistance increases rapidly. cause.
また、図4に示すように、式(1)および式(2)の条件を満たす軟質層32(Eza=1MPa)を用いた場合には、その厚みTaが厚くなるほど接触抵抗が低くなる傾向が得られた。具体的には、厚みTaを52μmから98μmに変化させると、接触抵抗が85mΩ・cm2から40mΩ・cm2に変化し、厚みTaを約2倍にすると接触抵抗が約1/2になるという結果が得られた。なお、図4に例示する傾向は、厚みTaが50μm〜100μm程度において、軟質層32が式(1)および(2)の条件を満たす範囲で、触媒層14の表面凹凸深さHc、硬質層32の表面凹凸深さHb、又は硬質層31の弾性率(Ezb)を変化させても殆ど変化しない。
Further, as shown in FIG. 4, when the soft layer 32 (Eza = 1 MPa) satisfying the conditions of the expressions (1) and (2) is used, the contact resistance tends to decrease as the thickness Ta increases. Obtained. Specifically, when the thickness Ta is changed from 52 μm to 98 μm, the contact resistance is changed from 85 mΩ · cm 2 to 40 mΩ · cm 2 , and when the thickness Ta is about doubled, the contact resistance is about ½. Results were obtained. In addition, the tendency illustrated in FIG. 4 shows that the thickness Ta of the
また、図5に示すように、式(1)および式(2)の条件を満たす軟質層32(Ta=98μm)を用いた場合には、その弾性率(Eza)が低くなる、即ち柔軟性が高くなるほど接触抵抗が低くなる傾向が得られた。具体的には、弾性率(Eza)を10MPaから1MPaに変化させると、接触抵抗が50mΩ・cm2から40mΩ・cm2に変化するという結果が得られた。なお、図5に例示する傾向は、弾性率(Eza)が1MPa〜10MPa程度において、軟質層32が式(1)および(2)の条件を満たす範囲で、触媒層14の表面凹凸深さHc、硬質層32の表面凹凸深さHb、又は硬質層31の弾性率(Ezb)を変化させても殆ど変化しない。
Further, as shown in FIG. 5, when the soft layer 32 (Ta = 98 μm) satisfying the conditions of the expressions (1) and (2) is used, the elastic modulus (Eza) is lowered, that is, the flexibility. The higher the value, the lower the contact resistance. Specifically, varying elastic modulus (Eza) from 10MPa to 1 MPa, the contact resistance results in changes from 50 m [Omega · cm 2 to 40m · cm 2 was obtained. In addition, the tendency illustrated in FIG. 5 shows that the surface unevenness depth Hc of the
以上のように、固体高分子型燃料電池のガス拡散層として、硬質層31と、式(1)および式(2)の条件を満たす軟質層32とを備えたガス拡散層30を用いれば、燃料電池セルの面圧を低減した場合であっても、局所的な面圧の低下を回避して局所的な接触抵抗の増大を防止し、接触抵抗を低い状態に維持することが可能になる。したがって、燃料電池セルの締結力を小さくすることができ、締結部材の小型化や軽量化を実現することができる。
As described above, if the
なお、上記では、セパレータ15にガス流路16が形成されるものとして説明したが、本発明のガス拡散層が適用される燃料電池としては、セパレータと別部材のガス流路層を備える燃料電池であってもよい。
In the above description, the
10 燃料電池スタック、11 燃料電池セル、12 エンドプレート、13 電解質膜、14 触媒層、15 セパレータ、16 ガス流路、30 ガス拡散層、31 硬質層、32 軟質層、Hc 触媒層の表面凹凸深さ、Hb 硬質層の表面凹凸深さ、Ta 軟質層の厚み。
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記ガス流路層側に設けられ、表面凹凸深さHbを有する硬質層と、
前記触媒層側に設けられ、厚み方向の弾性率が前記硬質層の厚み方向の弾性率の1/12未満である軟質層と、を備え、
前記軟質層は、
前記触媒層の厚み方向の弾性率をEzc、面方向の弾性率をExcとし、前記硬質層の厚み方向の弾性率をEzb、面方向の弾性率をExbとして、Hc×(Ezc/Exc)+Hb×(Ezb/Exb)を超える厚みを有し、
前記硬質層の表面凹凸深さの1/10未満で、且つ前記触媒層の表面凹凸深さよりも大きな粒子径を有する粒子状の導電性材料、又は前記硬質層の表面凹凸深さの1/10未満で、且つ前記触媒層の表面凹凸深さよりも大きな繊維径を有する繊維状の導電性材料と、
絶縁性樹脂と、
から構成されることを特徴とする燃料電池用ガス拡散層。 And a gas flow path layer, between the catalyst layer having a surface roughness depth Hc, is disposed in a compressed state at a predetermined pressure that is determined in advance from both sides, the catalyst layer of the gas flowing through the gas flow path layer In the fuel cell gas diffusion layer for diffusion supply to
Provided in the gas flow path layer side, and a hard layer having a surface roughness depth Hb,
Provided on the catalyst layer side, comprises a soft layer elastic modulus in the thickness direction is less than 1/12 of the elastic modulus in the thickness direction of the hard layer, and
The soft layer is
EZC the thickness direction of the elastic modulus of the catalyst layer, the elastic modulus of the surface direction and Exc, the thickness direction of the elastic modulus of the hard layer EZB, the elastic modulus of the surface direction Exb, Hc × (Ezc / Exc ) + Hb have a thickness of more than × (Ezb / Exb),
Particulate conductive material having a particle diameter that is less than 1/10 of the surface unevenness depth of the hard layer and larger than the surface unevenness depth of the catalyst layer, or 1/10 of the surface unevenness depth of the hard layer Less than and a fibrous conductive material having a fiber diameter larger than the surface irregularity depth of the catalyst layer;
An insulating resin;
A gas diffusion layer for a fuel cell, comprising:
前記ガス拡散層が、前記ガス流路層側に設けられ、表面凹凸深さHbを有する硬質層と、前記触媒層側に設けられ、厚み方向の弾性率が硬質層の厚み方向の弾性率の1/12未満である軟質層と、を備え、
前記軟質層は、
前記触媒層の厚み方向の弾性率をEzc、面方向の弾性率をExcとし、前記硬質層の厚み方向の弾性率をEzb、面方向の弾性率をExbとして、Hc×(Ezc/Exc)+Hb×(Ezb/Exb)を超える厚みを有し、
前記硬質層の表面凹凸深さの1/10未満で、且つ前記触媒層の表面凹凸深さよりも大きな粒子径を有する粒子状の導電性材料、又は前記硬質層の表面凹凸深さの1/10未満で、且つ前記触媒層の表面凹凸深さよりも大きな繊維径を有する繊維状の導電性材料と、
絶縁性樹脂と、
から構成されることを特徴とする固体高分子型燃料電池。 And a gas flow path layer, between the catalyst layer having a surface roughness depth Hc, is disposed in a compressed state at a predetermined pressure that is determined in advance from both sides, the catalyst layer of the gas flowing through the gas flow path layer In a polymer electrolyte fuel cell comprising a gas diffusion layer for a fuel cell for diffusion supply to
The gas diffusion layer is provided in the gas flow path layer side, and a hard layer having a surface roughness depth Hb, provided the catalyst layer side, in the thickness direction modulus of elasticity in the thickness direction of the hard layer A soft layer that is less than 1/12,
The soft layer is
EZC the thickness direction of the elastic modulus of the catalyst layer, the elastic modulus of the surface direction and Exc, the thickness direction of the elastic modulus of the hard layer EZB, the elastic modulus of the surface direction Exb, Hc × (Ezc / Exc ) + Hb have a thickness of more than × (Ezb / Exb),
Particulate conductive material having a particle diameter that is less than 1/10 of the surface unevenness depth of the hard layer and larger than the surface unevenness depth of the catalyst layer, or 1/10 of the surface unevenness depth of the hard layer Less than and a fibrous conductive material having a fiber diameter larger than the surface irregularity depth of the catalyst layer;
An insulating resin;
A polymer electrolyte fuel cell comprising:
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