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JP2007273326A - Fuel cell - Google Patents

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JP2007273326A
JP2007273326A JP2006098894A JP2006098894A JP2007273326A JP 2007273326 A JP2007273326 A JP 2007273326A JP 2006098894 A JP2006098894 A JP 2006098894A JP 2006098894 A JP2006098894 A JP 2006098894A JP 2007273326 A JP2007273326 A JP 2007273326A
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region
fuel cell
gas
drainage channel
diffusion layer
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Withdrawn
Application number
JP2006098894A
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Japanese (ja)
Inventor
Masashi Maeda
正史 前田
Masahiro Shiozawa
方浩 塩澤
Tsutomu Ochi
勉 越智
Hiroya Nakaji
宏弥 中路
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Soken Inc
Original Assignee
Nippon Soken Inc
Toyota Motor Corp
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Publication date
Application filed by Nippon Soken Inc, Toyota Motor Corp filed Critical Nippon Soken Inc
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

【課題】発電中に生成した生成水によるフラッディングを防止して、ガスの供給を円滑に行う。
【解決手段】例えば燃料電池セルのカソード側において、膜−電極アッセンブリ16のカソードガス拡散層14bに、カソード側セパレータ22のリブ22b対向する領域に、発電中に生成した生成水50を優先的に通過させて酸化剤ガス流路22aへ排水するための排水路領域30を形成した構成とする。これにより、生成水50は排水路領域30を優先的に通過して排水される。また、酸化剤ガス流路22aからの酸化剤ガスは、ガス通過領域40を優先的に通過して、カソード触媒層14aに向かって供給される。
【選択図】図2
[PROBLEMS] To prevent flooding due to generated water generated during power generation and smoothly supply gas.
For example, on the cathode side of a fuel cell, generated water 50 generated during power generation is preferentially applied to a cathode gas diffusion layer 14b of a membrane-electrode assembly 16 and a region facing a rib 22b of a cathode side separator 22. A drainage channel region 30 is formed for passing through and draining to the oxidant gas channel 22a. Thereby, the generated water 50 passes through the drainage channel region 30 preferentially and is drained. Further, the oxidant gas from the oxidant gas flow path 22a preferentially passes through the gas passage region 40 and is supplied toward the cathode catalyst layer 14a.
[Selection] Figure 2

Description

本発明は、燃料電池セルに関し、特に燃料電池セルにおける発電中の生成水のフラッディング防止に関する。   The present invention relates to a fuel battery cell, and more particularly to prevention of flooding of generated water during power generation in the fuel battery cell.

環境問題や資源問題への対策の一つとして、酸素や空気等の酸化性ガスと、水素やメタン等の還元性ガス(燃料ガス)あるいはメタノール等の液体燃料等とを原料として電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換して発電する燃料電池が注目されている。   As one of the countermeasures for environmental problems and resource problems, an electrochemical reaction using an oxidizing gas such as oxygen or air and a reducing gas such as hydrogen or methane (fuel gas) or a liquid fuel such as methanol as raw materials A fuel cell that generates electric power by converting chemical energy into electric energy has attracted attention.

一般的に、固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電極アッセンブリ(MEA:Membrane-Electrode Assembly)をセパレータで挟んで構成した燃料電池セルを、複数個積層して構成される。燃料電池セルにおける膜−電極アッセンブリは、高分子イオン交換膜からなる高分子電解質膜の両側に、それぞれ水素極(アノード極)及び空気極(カソード極)を対設した構造をとる。水素極(アノード極)及び空気極(カソード極)は、それぞれ、高分子電解質膜上に形成された触媒層と、さらにその上に形成されたガス拡散層とからなる。すなわち、膜−電極アッセンブリは、高分子電解質膜を触媒層で挟み、さらにガス拡散層で挟んで一体化した構成となっている。   In general, a solid polymer electrolyte fuel cell is configured by stacking a plurality of fuel cells each having a membrane-electrode assembly (MEA) sandwiched between separators. A membrane-electrode assembly in a fuel cell has a structure in which a hydrogen electrode (anode electrode) and an air electrode (cathode electrode) are respectively provided on both sides of a polymer electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane. Each of the hydrogen electrode (anode electrode) and the air electrode (cathode electrode) includes a catalyst layer formed on the polymer electrolyte membrane and a gas diffusion layer formed thereon. That is, the membrane-electrode assembly has a structure in which the polymer electrolyte membrane is sandwiched between the catalyst layers and further sandwiched between the gas diffusion layers.

固体高分子型燃料電池の発電時において、各燃料電池セルにおける水素極側では、水素ガスを燃料ガス(アノードガス)として供給し、水素イオンと電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中を空気極側に移動し、電子は外部回路を通じて空気極に到達する。一方、各燃料電池セルにおける空気極側では、酸素ガスあるいは空気を酸化剤ガス(カソードガス)として供給し、水素イオン、電子及び酸素が反応して水を生成する反応が行われる。   During power generation of a polymer electrolyte fuel cell, hydrogen gas is supplied as a fuel gas (anode gas) on the hydrogen electrode side of each fuel cell, and a reaction to convert hydrogen ions into electrons is performed. The inside moves to the air electrode side, and the electrons reach the air electrode through an external circuit. On the other hand, on the air electrode side in each fuel cell, oxygen gas or air is supplied as an oxidant gas (cathode gas), and hydrogen ions, electrons, and oxygen react to generate water.

ところで、固体高分子形燃料電池では、イオン伝導性を維持するために、電解質膜を適度に加湿しておく必要があり、一般に、燃料ガス及び酸化剤ガスは予め加湿した状態で燃料電池セル内に供給される。すなわち、各燃料電池セル内の電解質膜には、加湿のために水を存在させておく必要がある。   By the way, in the polymer electrolyte fuel cell, in order to maintain ionic conductivity, it is necessary to appropriately humidify the electrolyte membrane. In general, the fuel gas and the oxidant gas are previously humidified in the fuel cell. To be supplied. That is, water needs to be present in the electrolyte membrane in each fuel cell for humidification.

そこで、固体高分子膜及び電極触媒層の湿潤性を均一化することによって、安定して優れた特性で発電できる燃料電池の構造として、例えば下記特許文献1に記載の技術が提案されている。この技術では、カソード触媒層とカソード側セパレータ板とに挟まれたガス拡散層において、酸化剤ガスの入口側から一定の範囲では、酸化剤ガス流路と対向する領域がリブと対向する領域に比べて保水性が高くなるように調整される。これにより、固体高分子膜及び電極触媒層が、酸化剤ガス流路に対向する領域においてリブに対向する領域よりも乾燥しやすいという傾向を抑え、これらをより均一的に保湿するようにしている。   Therefore, as a structure of a fuel cell that can generate power stably and with excellent characteristics by making the wettability of the solid polymer membrane and the electrode catalyst layer uniform, for example, a technique described in Patent Document 1 has been proposed. In this technique, in the gas diffusion layer sandwiched between the cathode catalyst layer and the cathode separator plate, the region facing the oxidant gas flow path is the region facing the rib within a certain range from the oxidant gas inlet side. It is adjusted so that water retention is higher than that. As a result, the tendency that the solid polymer membrane and the electrode catalyst layer are more likely to dry in the region facing the oxidant gas flow path than the region facing the rib is suppressed, and these are more uniformly moisturized. .

特開2002−124270号公報JP 2002-124270 A

ところで、上記のように燃料電池セル内(触媒層)で発電に伴い水が生成すると、生成水の一部が、膜−電極アッセンブリのガス拡散層内で凝縮する。このとき、ガス拡散層内で水が凝縮して滞留してしまうと、この滞留する水によって、空気極側での酸化剤ガス(カソードガス)の供給が妨げられてしまう。そして、その結果、フラッディングが起こり、発電性能の低下を招くこととなる。したがって、生成水は、極力、燃料電池セル(空気極側)から排出して、ガス拡散層内に滞留しないようにするのが好ましい。   By the way, when water is generated in the fuel cell (catalyst layer) with power generation as described above, a part of the generated water is condensed in the gas diffusion layer of the membrane-electrode assembly. At this time, if water condenses and stays in the gas diffusion layer, the staying water hinders the supply of the oxidant gas (cathode gas) on the air electrode side. As a result, flooding occurs and power generation performance is reduced. Therefore, it is preferable that the generated water is discharged from the fuel cell (air electrode side) as much as possible so as not to stay in the gas diffusion layer.

しかしながら、上記のような従来の技術では、酸化剤ガス流路と対向する領域がガス拡散層における保水性の高い領域となっているため、この領域中(ガス拡散層中)や、この領域におけるガス拡散層と触媒層の界面に水が滞留し、フラッディングを起こすといった事態が生じ得る。特に、発電時に水が多量に生成するような燃料電池の高負荷条件下では、フラッディングを起こして発電性能が低下するといった事態は生じ易い。   However, in the conventional technology as described above, the region facing the oxidant gas flow path is a region having high water retention in the gas diffusion layer, so in this region (in the gas diffusion layer) or in this region There may occur a situation in which water stays at the interface between the gas diffusion layer and the catalyst layer and causes flooding. In particular, under a high load condition of a fuel cell in which a large amount of water is generated during power generation, a situation in which power generation performance is degraded due to flooding is likely to occur.

本発明の目的は、発電中のフラッディングを防止し、ガスの供給を円滑に行うことを可能とする燃料電池セルを提供することにある。   An object of the present invention is to provide a fuel cell that prevents flooding during power generation and enables smooth gas supply.

本発明は、電解質膜と、前記電解質膜を挟む触媒層およびガス拡散層からなる一対の電極と、を有する膜−電極アッセンブリと、前記膜−電極アッセンブリのガス拡散層と対向する面に、ガスが流通する複数のガス流路と、ガス流路の間に形成されたリブと、を有する一対のセパレータと、を有し、前記膜−電極アッセンブリが前記一対のセパレータにより挟持される燃料電池セルであって、前記ガス拡散層における前記リブと対向する領域に、発電中に生成した生成水を優先的に通過させてガス流路へ排水するための排水路領域を形成したことを特徴とするものである。   The present invention provides a membrane-electrode assembly having an electrolyte membrane, and a pair of electrodes comprising a catalyst layer and a gas diffusion layer sandwiching the electrolyte membrane, and a surface facing the gas diffusion layer of the membrane-electrode assembly. And a pair of separators having a rib formed between the gas passages, and the membrane-electrode assembly is sandwiched between the pair of separators. In the gas diffusion layer, a drainage channel region for preferentially passing the generated water generated during power generation and draining the gas channel is formed in a region facing the rib in the gas diffusion layer. Is.

ここで、前記排水路領域は、前記リブよりも幅広であり、排水路領域の少なくとも一端側が前記ガス流路に接しているのが好ましい。   Here, it is preferable that the drainage channel region is wider than the rib, and at least one end side of the drainage channel region is in contact with the gas channel.

また、前記排水路領域は、前記ガス拡散層における他の領域に比べて、気孔径が大きいのが好ましい。   Moreover, it is preferable that the said drainage channel area | region has a large pore diameter compared with the other area | region in the said gas diffusion layer.

また、前記ガス拡散層における前記排水路領域の触媒層側の領域に、前記排水路領域よりも小さい気孔径の領域を形成した構成とするのが好ましい。   Moreover, it is preferable that a region having a pore diameter smaller than that of the drainage channel region is formed in a region on the catalyst layer side of the drainage channel region in the gas diffusion layer.

また、前記排水路領域は、前記ガス拡散層における他の領域に比べて親水性が高いのが好ましい。   Moreover, it is preferable that the said drainage channel area | region is highly hydrophilic compared with the other area | region in the said gas diffusion layer.

また、前記ガス拡散層における前記排水路領域の触媒層側の領域に、前記排水路領域よりも親水性の低い領域を形成した構成とするのが好ましい。   Moreover, it is preferable that a region having a lower hydrophilicity than the drainage channel region is formed in a region on the catalyst layer side of the drainage channel region in the gas diffusion layer.

また、前記ガス拡散層における前記排水路領域以外の領域は、撥水性を有するのが好ましい。   Moreover, it is preferable that regions other than the drainage channel region in the gas diffusion layer have water repellency.

また、前記セパレータは、前記排水路領域よりも高い親水性を有するのが好ましい。   The separator preferably has a higher hydrophilicity than the drainage channel region.

本発明によれば、発電中に生成した生成水によるフラッディングを防止することができ、また酸化剤ガスの供給を円滑に行うことができる。   According to the present invention, flooding due to generated water generated during power generation can be prevented, and oxidant gas can be supplied smoothly.

本発明の実施の形態について以下説明する。   Embodiments of the present invention will be described below.

図1は、本発明の実施形態における燃料電池セルの構成の一例を示す。図1に示すように、燃料電池セル1は、電解質膜10と水素極(アノード極)12と空気極(カソード極)14とを有する膜−電極アッセンブリ16(MEA:Membrane-Electrode Assembly)と、アノード側セパレータ20と、カソード側セパレータ22と、を有する。   FIG. 1 shows an example of the configuration of a fuel cell in an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the fuel cell 1 includes a membrane-electrode assembly 16 (MEA: Membrane-Electrode Assembly) having an electrolyte membrane 10, a hydrogen electrode (anode electrode) 12, and an air electrode (cathode electrode) 14; An anode side separator 20 and a cathode side separator 22 are included.

水素極(アノード極)12は、アノード触媒層12aとアノードガス拡散層12bとを含む構成となっている。また、空気極(カソード極)14は、カソード触媒層14aとカソードガス拡散層14bとを含む構成となっている。   The hydrogen electrode (anode electrode) 12 includes an anode catalyst layer 12a and an anode gas diffusion layer 12b. The air electrode (cathode electrode) 14 includes a cathode catalyst layer 14a and a cathode gas diffusion layer 14b.

また、アノード側セパレータ20は、アノードガス拡散層12bと対向する面に、燃料ガス(アノードガス)が流通する複数の燃料ガス流路20aと、各燃料ガス流路20aの間に形成されたリブ20bと、を有する構成となっている。また同様に、カソード側セパレータ22は、カソードガス拡散層14bと対向する面に、酸化剤ガス(カソードガス)が流通する複数の酸化剤ガス流路22aと、各酸化剤ガス流路22aの間に形成されたリブ22bと、を有する構成となっている。そして、各セパレータ20,22のリブ20b,22bがガス拡散層12b,14bに接触した状態で、各セパレータ20,22が膜−電極アッセンブリ16を挟んだ構成となっている。   The anode-side separator 20 has a plurality of fuel gas passages 20a through which fuel gas (anode gas) flows and ribs formed between the fuel gas passages 20a on the surface facing the anode gas diffusion layer 12b. 20b. Similarly, the cathode-side separator 22 has a plurality of oxidant gas passages 22a through which an oxidant gas (cathode gas) flows on the surface facing the cathode gas diffusion layer 14b, and between the oxidant gas passages 22a. And a rib 22b formed on the surface. The separators 20 and 22 sandwich the membrane-electrode assembly 16 with the ribs 20b and 22b of the separators 20 and 22 in contact with the gas diffusion layers 12b and 14b.

ここで、本実施形態における燃料電池セル1のガス拡散層12b,14bでは、ガス拡散層12b,14b内におけるリブ20b,22bと対向する領域に、発電中に生成した生成水をガス流路へ排水するための領域(排水路領域)30を形成し、一方、ガス拡散層12b,14b内におけるガス流路20a,22aと対向する領域に、ガス流路20a,22aから触媒層12a,14aに向かってガスを供給する(通過させる)ための領域(ガス通過領域)40を形成することとした。   Here, in the gas diffusion layers 12b and 14b of the fuel cell 1 in the present embodiment, the generated water generated during the power generation is supplied to the gas flow path in the region facing the ribs 20b and 22b in the gas diffusion layers 12b and 14b. An area (drainage area) 30 for draining is formed, while the gas flow paths 20a, 22a to the catalyst layers 12a, 14a are formed in areas facing the gas flow paths 20a, 22a in the gas diffusion layers 12b, 14b. A region (gas passage region) 40 for supplying (passing) gas toward the surface is formed.

図2は、本発明の実施形態における燃料電池セルのガス拡散層の構成の一例を示す。なお、図2では、カソードガス拡散層14bの構成を示す。   FIG. 2 shows an example of the configuration of the gas diffusion layer of the fuel cell in the embodiment of the present invention. FIG. 2 shows the configuration of the cathode gas diffusion layer 14b.

図2に示すように、カソードガス拡散層14b内の酸化剤ガス流路側において、リブ22bと対向する領域(リブ対向領域)では、酸化剤ガス流路22aと対向する領域(ガス流路対向領域)に比べて、気孔径が大きく形成されている。これにより、リブ対向領域ではガス流路対向領域に比べて、生成水50が通過し易くなる。つまり、生成水50はリブ対向領域を優先的に通過することとなる。またこのとき、ガス流路対向領域では気孔径が小さいため、生成水50は通過しにくくなるが、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路22aからカソード触媒層14aに向かって容易に通過することができる。したがって、ガス流路対向領域における気孔径が小さいことが、酸化剤ガスの供給の妨げになることはない。そして、生成水50はリブ対向領域を優先的に通過することで、ガス流路対向領域には生成水50が滞留しにくくなるため、このガス流路対向領域では、酸化剤ガス流路22aからカソード触媒層14aに向かって酸化剤ガスを優先的に通過させることが可能となる。   As shown in FIG. 2, on the oxidant gas flow path side in the cathode gas diffusion layer 14b, in a region facing the rib 22b (rib opposed region), a region facing the oxidant gas flow channel 22a (gas flow channel facing region). ), The pore diameter is larger. Thereby, compared with a gas flow path opposing area | region, the produced | generated water 50 becomes easy to pass in a rib opposing area | region. That is, the produced water 50 passes through the rib facing region with priority. At this time, since the pore diameter is small in the gas flow channel facing region, the generated water 50 is difficult to pass through, but the oxidant gas easily passes from the oxidant gas flow channel 22a toward the cathode catalyst layer 14a. Can do. Therefore, a small pore diameter in the gas channel facing region does not hinder the supply of the oxidant gas. Since the generated water 50 preferentially passes through the rib facing area, the generated water 50 is less likely to stay in the gas flow path facing area. Therefore, in the gas flow path facing area, the oxidant gas flow path 22a It becomes possible to pass the oxidant gas preferentially toward the cathode catalyst layer 14a.

なお、気孔径の調整は、例えば、ガス流路対向領域にペースト状の塗布剤(例えばペースト状の撥水コート剤など)を塗布することで、ガス流路対向領域における気孔径を小さくすれば良い。これにより、リブ対向領域ではガス流路対向領域に比べて気孔径が大きくなるように、気孔径を調整できる。   The pore diameter can be adjusted by, for example, applying a paste-like coating agent (for example, a paste-like water-repellent coating agent) to the gas channel facing region to reduce the pore size in the gas channel facing region. good. Accordingly, the pore diameter can be adjusted so that the pore diameter is larger in the rib facing area than in the gas flow path facing area.

以上のように、生成水50をカソード触媒層14aから酸化剤ガス流路22aに排水するために優先的に通過させる領域(排水路領域)30と、酸化剤ガスを酸化剤ガス流路22aからカソード触媒層14aへ供給するために優先的に通過させる領域(ガス通過領域)40とを、カソードガス拡散層14b内に区分して形成することにより、発電中のフラッディングを防止しつつ、酸化剤ガスの供給を円滑に行うことができる。特に、高負荷条件下において水が多量に生成する場合には、このような構造は特に効果的である。   As described above, in order to drain the generated water 50 from the cathode catalyst layer 14a to the oxidant gas flow path 22a, the area 30 (drainage area) is preferentially passed, and the oxidant gas is passed from the oxidant gas flow path 22a. A region (gas passage region) 40 that is preferentially passed to be supplied to the cathode catalyst layer 14a is formed in the cathode gas diffusion layer 14b so as to prevent flooding during power generation, and an oxidant. Gas can be supplied smoothly. Such a structure is particularly effective when a large amount of water is generated under high load conditions.

また、本実施形態におけるカソードガス拡散層14bでは、上記のように形成された排水路領域30の幅は、リブ22bの幅よりも広く設定されており、排水路領域30の両端部分が酸化剤ガス流路22aと接するように配置されている。一方、ガス通過領域40の幅は、酸化剤ガス流路22aの幅よりも狭く設定されている。排水路領域30およびガス通過領域40の幅を以上のように設定することで、排水路領域30を通過した生成水は、排水路領域30の両端部分から酸化剤ガス流路22a内に、リブ22bの壁面(酸化剤ガス流路22aの内壁)に沿ってスムーズに排水されることが可能となる。なお、図では排水路領域30の両端部分が酸化剤ガス流路22aと接するように配置されているが、一端側の部分だけが酸化剤ガス流路22aと接するように配置されても良い。   Further, in the cathode gas diffusion layer 14b in the present embodiment, the width of the drainage channel region 30 formed as described above is set wider than the width of the rib 22b, and both end portions of the drainage channel region 30 are oxidizers. It arrange | positions so that the gas flow path 22a may be contact | connected. On the other hand, the width of the gas passage region 40 is set to be narrower than the width of the oxidant gas flow path 22a. By setting the widths of the drainage channel region 30 and the gas passage region 40 as described above, the generated water that has passed through the drainage channel region 30 is ribbed from both ends of the drainage channel region 30 into the oxidant gas channel 22a. It becomes possible to drain smoothly along the wall surface 22b (the inner wall of the oxidant gas flow path 22a). In addition, although the both ends of the drainage channel area | region 30 are arrange | positioned so that the oxidant gas flow path 22a may be contacted in the figure, you may arrange | position so that only the part of one end side may contact | connect the oxidant gas flow path 22a.

さらに本実施形態では、図に示すように、カソードガス拡散層14b内におけるカソード触媒層14a側に、全面的に気孔径が小さい領域(上記のガス流路対向領域と略同一の大きさの領域)が形成されている。すなわち、排水路領域30のカソード触媒層14a側には、ガス通過領域40と同様の、生成水50が通過しにくい領域が形成されている。   Further, in the present embodiment, as shown in the figure, an area having a small pore diameter on the entire surface on the cathode catalyst layer 14a side in the cathode gas diffusion layer 14b (an area having approximately the same size as the gas flow channel facing area). ) Is formed. That is, a region where the generated water 50 is difficult to pass is formed on the cathode catalyst layer 14 a side of the drainage channel region 30, similar to the gas passage region 40.

このような構成にすることにより、カソード触媒層14aにて生成した生成水50が、カソードガス拡散層14bの方よりも電解質膜10の方に移動し易くなるため、電解質膜10の加湿状態を保持するために生成水50を利用することが可能となる。   With this configuration, the generated water 50 generated in the cathode catalyst layer 14a is more easily moved toward the electrolyte membrane 10 than in the cathode gas diffusion layer 14b, so that the humidified state of the electrolyte membrane 10 is changed. The generated water 50 can be used for holding.

また、電解質膜10に含まれる水分がカソード触媒層14a及びカソードガス拡散層14bを経て酸化剤ガス流路22aに排水されることを防止できるため、電解質膜10の加湿状態を維持することが可能となる。   Further, the moisture contained in the electrolyte membrane 10 can be prevented from being drained to the oxidant gas flow path 22a via the cathode catalyst layer 14a and the cathode gas diffusion layer 14b, so that the humidified state of the electrolyte membrane 10 can be maintained. It becomes.

また、図2に示す構成においても、生成水50の一部は、このカソードガス拡散層14b内におけるカソード触媒層14a側に全面的に形成された気孔径の小さな領域を越えて、カソードガス拡散層14b内に移動していく。特に、高負荷条件下において水が多量に生成した場合などには、多量の生成水50がカソードガス拡散層14b内に流入していく。このときには、カソードガス拡散層14b内に流入した生成水50は、排水路領域30を通過し、排水路領域30の両端部分から酸化剤ガス流路22a内に、リブ22bの壁面に沿ってスムーズに排水される。一方、酸化剤ガスは、ガス通過領域40を通過して、酸化剤ガス流路22aからカソード触媒層14aに向かって供給される。   In the configuration shown in FIG. 2 as well, a part of the generated water 50 passes through the cathode gas diffusion layer 14b across the small area of the pore diameter formed on the cathode catalyst layer 14a side. It moves into the layer 14b. In particular, when a large amount of water is generated under high load conditions, a large amount of generated water 50 flows into the cathode gas diffusion layer 14b. At this time, the generated water 50 that has flowed into the cathode gas diffusion layer 14b passes through the drainage channel region 30 and smoothly enters the oxidant gas channel 22a from both ends of the drainage channel region 30 along the wall surface of the rib 22b. To be drained. On the other hand, the oxidant gas passes through the gas passage region 40 and is supplied from the oxidant gas flow path 22a toward the cathode catalyst layer 14a.

以上述べたように、カソードガス拡散層14b内に排水路領域30とガス通過領域40とを区分して形成することにより、発電中のフラッディングを防止しつつ、酸化剤ガスの供給を円滑に行うことができる。高負荷条件下において水が多量に生成する場合には、このような構造は特に効果的である。   As described above, by forming the drainage channel region 30 and the gas passage region 40 separately in the cathode gas diffusion layer 14b, the oxidant gas can be supplied smoothly while preventing flooding during power generation. be able to. Such a structure is particularly effective when a large amount of water is produced under high load conditions.

また、カソードガス拡散層14b内におけるカソード触媒層14a側に、全面的に、ガス通過領域40と同様の、生成水50が通過しにくい領域を形成することで、カソード触媒層14aにて生成した生成水50が、カソードガス拡散層14bの方よりも電解質膜10の方に移動し易くなり、生成水50を利用して電解質膜10の加湿状態を保持することが可能となる。また、電解質膜10に含まれる水分がカソード触媒層14a及びカソードガス拡散層14bを経て酸化剤ガス流路22aに排水されることを防止できるため、電解質膜10の加湿状態を維持することが可能となる。   Further, a region similar to the gas passage region 40 through which the generated water 50 is difficult to pass is formed on the entire surface of the cathode gas diffusion layer 14b on the cathode catalyst layer 14a side, thereby generating the cathode catalyst layer 14a. The generated water 50 moves more easily toward the electrolyte membrane 10 than the cathode gas diffusion layer 14b, and the humidified state of the electrolyte membrane 10 can be maintained using the generated water 50. Further, the moisture contained in the electrolyte membrane 10 can be prevented from being drained to the oxidant gas flow path 22a via the cathode catalyst layer 14a and the cathode gas diffusion layer 14b, so that the humidified state of the electrolyte membrane 10 can be maintained. It becomes.

なお、排水路領域30とガス通過領域40とを区分して形成する方法としては、上記の実施形態のように気孔径を異ならせる以外の方法を用いても良い。   In addition, as a method of forming the drainage channel region 30 and the gas passage region 40 separately, a method other than changing the pore diameter as in the above-described embodiment may be used.

例えば、ガス流路対向領域に形成されるガス通過領域40は、撥水コーティングなどの撥水処理を施すことで撥水性の高い(親水性の低い)領域とする。一方、リブ対向領域に形成される排水路領域30は、撥水処理を施さずに、あるいは親水性を高める処理を行う等して、ガス通過領域40に比べて撥水性の低い(親水性の高い)領域にする。   For example, the gas passage region 40 formed in the gas flow channel facing region is a region having high water repellency (low hydrophilicity) by performing water repellent treatment such as water repellent coating. On the other hand, the drainage channel region 30 formed in the rib-facing region has lower water repellency (hydrophilicity) than the gas passage region 40 without performing water repellency treatment or by performing treatment for increasing hydrophilicity. High) area.

以上のような構造によれば、生成水50はガス通過領域40には存在し難いため、排水路領域30内を優先的に通過することとなる。また、生成水50がガス通過領域40に存在し難いことから、酸化剤ガスは酸化剤ガス流路22aからカソード触媒層14aへ通過し易くなる。したがって、このような撥水性の高低を利用した構造によっても、上記実施形態と同様に、発電中のフラッディングを防止しつつ、酸化剤ガスの供給を円滑に行うことができる。   According to the above structure, the generated water 50 is unlikely to be present in the gas passage region 40, and therefore preferentially passes through the drainage channel region 30. Further, since the generated water 50 is unlikely to exist in the gas passage region 40, the oxidant gas easily passes from the oxidant gas flow path 22a to the cathode catalyst layer 14a. Accordingly, even with such a structure utilizing water repellency, the oxidant gas can be supplied smoothly while preventing flooding during power generation, as in the above embodiment.

なお、このときカソードガス拡散層14b内におけるカソード触媒層14a側の領域は、カソード触媒層14aに沿って全面的に撥水処理を行い、撥水性の高い(親水性の低い)領域とする。これにより、カソード触媒層14aにて生成した生成水50は、カソードガス拡散層14bの方よりも電解質膜10の方に移動し易くなるため、電解質膜10の加湿状態を保持するために生成水50を利用することが可能となる。また、電解質膜10に含まれる水分がカソード触媒層14a及びカソードガス拡散層14bを経て酸化剤ガス流路22aに排水されることを防止できるため、電解質膜10の加湿状態を維持することも可能となる。   At this time, the region on the cathode catalyst layer 14a side in the cathode gas diffusion layer 14b is subjected to a water repellency treatment entirely along the cathode catalyst layer 14a to be a region having high water repellency (low hydrophilicity). Thereby, the generated water 50 generated in the cathode catalyst layer 14a is more easily moved toward the electrolyte membrane 10 than in the cathode gas diffusion layer 14b. Therefore, the generated water 50 is maintained in order to maintain the humidified state of the electrolyte membrane 10. 50 can be used. Further, since moisture contained in the electrolyte membrane 10 can be prevented from draining into the oxidant gas flow path 22a through the cathode catalyst layer 14a and the cathode gas diffusion layer 14b, the humidified state of the electrolyte membrane 10 can be maintained. It becomes.

また、さらに排水路領域30における親水性よりも高い親水性の素材によるカソード側セパレータ22を用いるのが好適である。これによれば、親水性の高低を利用して、生成水50が排水路領域30からカソード側セパレータ22の方へ移動し易くなり、ひいては、排水路領域30からカソード側セパレータ22の酸化剤ガス流路22a内への排水が一層スムーズになる。   Further, it is preferable to use the cathode separator 22 made of a hydrophilic material higher than the hydrophilicity in the drainage channel region 30. According to this, the generated water 50 easily moves from the drainage channel region 30 toward the cathode side separator 22 by utilizing the level of hydrophilicity, and as a result, the oxidant gas of the cathode side separator 22 from the drainage channel region 30. Drainage into the flow path 22a becomes even smoother.

なお、上記の実施形態においては、カソードガス拡散層14bの構成について説明しているが、同様の構成をアノードガス拡散層12bに適用しても良いのは勿論である。   In the above-described embodiment, the configuration of the cathode gas diffusion layer 14b has been described. Of course, the same configuration may be applied to the anode gas diffusion layer 12b.

本発明の実施の形態に係る燃料電池セルの構成の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of a structure of the fuel cell concerning embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る燃料電池セルのガス拡散層の構成の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of a structure of the gas diffusion layer of the fuel battery cell which concerns on embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池セル、10 電解質膜、12 水素極(アノード極)、12a アノード触媒層、12b アノードガス拡散層、14 空気極(カソード極)、14a カソード触媒層、14b カソードガス拡散層、16 膜−電極アッセンブリ、20 アノード側セパレータ、20a 燃料ガス流路、20b リブ、22 カソード側セパレータ、22a 酸化剤ガス流路、22b リブ、30 排水路領域、40 ガス通過領域、50 生成水。

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell, 10 Electrolyte membrane, 12 Hydrogen electrode (anode electrode), 12a Anode catalyst layer, 12b Anode gas diffusion layer, 14 Air electrode (cathode electrode), 14a Cathode catalyst layer, 14b Cathode gas diffusion layer, 16 Membrane- Electrode assembly, 20 anode side separator, 20a fuel gas flow path, 20b rib, 22 cathode side separator, 22a oxidant gas flow path, 22b rib, 30 drainage channel area, 40 gas passage area, 50 product water.

Claims (8)

電解質膜と、前記電解質膜を挟む触媒層およびガス拡散層からなる一対の電極と、を有する膜−電極アッセンブリと、
前記膜−電極アッセンブリのガス拡散層と対向する面に、ガスが流通する複数のガス流路と、ガス流路の間に形成されたリブと、を有する一対のセパレータと、
を有し、前記膜−電極アッセンブリが前記一対のセパレータにより挟持される燃料電池セルであって、
前記ガス拡散層における前記リブと対向する領域に、発電中に生成した生成水を優先的に通過させてガス流路へ排水するための排水路領域を形成した、
ことを特徴とする燃料電池セル。
A membrane-electrode assembly having an electrolyte membrane and a pair of electrodes comprising a catalyst layer and a gas diffusion layer sandwiching the electrolyte membrane;
A pair of separators having a plurality of gas passages through which a gas flows and ribs formed between the gas passages on a surface facing the gas diffusion layer of the membrane-electrode assembly;
And the membrane-electrode assembly is sandwiched between the pair of separators,
In the region facing the rib in the gas diffusion layer, a drainage channel region for preferentially passing the generated water generated during power generation and draining it to the gas channel was formed.
The fuel cell characterized by the above-mentioned.
請求項1に記載の燃料電池セルであって、
前記排水路領域は、前記リブよりも幅広であり、排水路領域の少なくとも一端側が前記ガス流路に接している、
ことを特徴とする燃料電池セル
The fuel cell according to claim 1,
The drainage channel region is wider than the rib, and at least one end side of the drainage channel region is in contact with the gas channel,
Fuel cell
請求項1または2に記載の燃料電池セルであって、
前記排水路領域は、前記ガス拡散層における他の領域に比べて、気孔径が大きいことを特徴とする燃料電池セル。
The fuel cell according to claim 1 or 2,
The fuel cell according to claim 1, wherein the drainage channel region has a larger pore diameter than other regions in the gas diffusion layer.
請求項3に記載の燃料電池セルであって、
前記ガス拡散層における前記排水路領域の触媒層側の領域に、前記排水路領域よりも小さい気孔径の領域を形成した、
ことを特徴とする燃料電池セル。
The fuel cell according to claim 3,
In the region of the gas diffusion layer on the catalyst layer side of the drainage channel region, a region having a pore diameter smaller than the drainage channel region was formed.
The fuel cell characterized by the above-mentioned.
請求項1から4のいずれか一つに記載の燃料電池セルであって、
前記排水路領域は、前記ガス拡散層における他の領域に比べて親水性が高いことを特徴とする燃料電池セル。
A fuel cell according to any one of claims 1 to 4,
The fuel cell according to claim 1, wherein the drainage channel region has higher hydrophilicity than other regions in the gas diffusion layer.
請求項1から5のいずれか一つに記載の燃料電池セルであって、
前記ガス拡散層における前記排水路領域の触媒層側の領域に、前記排水路領域よりも親水性の低い領域を形成した、
ことを特徴とする燃料電池セル。
A fuel cell according to any one of claims 1 to 5,
In the region on the catalyst layer side of the drainage channel region in the gas diffusion layer, a region having a lower hydrophilicity than the drainage channel region was formed,
The fuel cell characterized by the above-mentioned.
請求項1から6のいずれか一つに記載の燃料電池セルであって、
前記ガス拡散層における前記排水路領域以外の領域は、撥水性を有する、
ことを特徴とする燃料電池セル。
The fuel cell according to any one of claims 1 to 6,
A region other than the drainage channel region in the gas diffusion layer has water repellency,
The fuel cell characterized by the above-mentioned.
請求項1から7のいずれか一つに記載の燃料電池セルであって、
前記セパレータは、前記排水路領域よりも高い親水性を有する、
ことを特徴とする燃料電池セル。





The fuel cell according to any one of claims 1 to 7,
The separator has a higher hydrophilicity than the drainage channel region;
The fuel cell characterized by the above-mentioned.





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