JP2008243403A - Fuel cell and fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
【課題】生成水の排出を容易とし発電性能を高めた上で、その発電性能が最大限に発揮されるよう最適化された燃料電池セル及び燃料電池スタックを提供すること。
【解決手段】本発明の燃料電池セルによれば、構成要素の1つである導電性網材は、導電性を有する繊維から3次元網目構造に形成され、多数の空孔を内部に有する板状の網材であり、空孔の気孔率が50%〜95%であると共に、導電性網材を構成する導電性繊維の繊維相当直径が60μm〜150μmである。かかる導電性網材を使用することにより、優れた発電性能を示す燃料電池セル及び燃料電池スタックを提供することができる。
【選択図】図6To provide a fuel cell and a fuel cell stack that are optimized so that the generated water can be easily discharged and the power generation performance is enhanced, and the power generation performance is maximized.
According to a fuel battery cell of the present invention, a conductive mesh material which is one of the constituent elements is formed into a three-dimensional network structure from conductive fibers and has a large number of pores inside. In addition, the porosity of the pores is 50% to 95%, and the fiber equivalent diameter of the conductive fibers constituting the conductive network material is 60 μm to 150 μm. By using such a conductive mesh material, a fuel cell and a fuel cell stack exhibiting excellent power generation performance can be provided.
[Selection] Figure 6
Description
本発明は、固体高分子型の燃料電池セル及び燃料電池スタックに関し、特に、優れた発電性能を発揮し得る燃料電池セル及び燃料電池スタックに関するものである。 The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell and a fuel cell stack, and more particularly to a fuel cell and a fuel cell stack that can exhibit excellent power generation performance.
固体高分子型燃料電池の単位セルは、アノード電極(燃料極)とカソード電極(酸化剤極)との間に固体高分子電解質膜を挟持した構成を有し、アノード電極へ供給される燃料ガス(例えば、水素)とカソード電極へ供給される酸化剤ガス(例えば、空気)とを電気化学的に反応させることにより発電を行う。 A unit cell of a polymer electrolyte fuel cell has a configuration in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between an anode electrode (fuel electrode) and a cathode electrode (oxidant electrode), and fuel gas supplied to the anode electrode Power generation is performed by electrochemically reacting (for example, hydrogen) and an oxidant gas (for example, air) supplied to the cathode electrode.
具体的には、固体高分子型燃料電池の単位セルは、アノード電極及びカソード電極でそれぞれ生じる以下の電極反応の結果として、全体として、水素と酸素とによる水生成反応が進行して起電力を発生する。 Specifically, as a result of the following electrode reactions that occur at the anode electrode and the cathode electrode, the unit cell of the polymer electrolyte fuel cell, as a whole, undergoes water generation reaction with hydrogen and oxygen to generate electromotive force. appear.
アノード電極: H2→2H++2e−
カソード電極: (1/2)O2+2H++2e−→H2O
Anode electrode: H 2 → 2H + + 2e −
Cathode electrode: (1/2) O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O
従来において一般的な固体高分子型燃料電池としては、例えば、特許文献1に記載される固体高分子電解質膜燃料電池などが挙げられる。ここで、図13及び図14を参照して、従来において一般的な固体高分子型燃料電池の単位セルである燃料電池セル100の構成について説明する。
Conventionally, as a general polymer electrolyte fuel cell, for example, a polymer electrolyte membrane fuel cell described in
図13は、燃料電池セル100の分解斜視図であり、図14は、燃料電池セル100で使用される膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly)110を模式的に示す拡大一部断面図である。
FIG. 13 is an exploded perspective view of the
図13に示すように、燃料電池セル100は、導電性の材料から形成される一対のセパレータ120と、その一対のセパレータ120に挟持される膜電極接合体110とから構成される。
As shown in FIG. 13, the
セパレータ120における膜電極接合体110のカソード電極110bに対向する側の面には、一方向(図13における上下方向)に延びるリブを並列して設けることによって複数の溝状の酸化剤ガス流路120aが形成されている。
On the surface of the
一方、セパレータ120における、膜電極接合体110のアノード電極110cに対向する側の面には、酸化剤ガス流路120aと直交する方向(図13に示すセパレータ120の手前側から奥側へ向かう方向)に延びるリブを並列して設けることによって、酸化剤ガス流路120aと直交する方向に延びる複数の溝状の燃料ガス流路120bが形成されている。
On the other hand, on the surface of the
酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路120aを流通することによって、膜電極接合体110のカソード電極110bへ供給され、燃料ガスは、燃料ガス流路120bを流通することによって、膜電極接合体110のアノード電極110cへ供給される。
The oxidant gas is supplied to the
膜電極接合体110は、図14に示すように、Nafion(登録商標:デュポン社製)やAciplex(登録商標:旭化成(株)製)などの固体高分子電解質膜110aと、その固体高分子電解質膜110aの片面に当接されるカソード電極110bと、固体高分子電解質膜110aにおけるカソード電極110bが当接された面とは反対側の面に当接されるアノード電極110cとから構成される。
As shown in FIG. 14, the
カソード電極110bは、固体高分子電解質膜110aに当接される触媒層130aと、その触媒層130aにおける固体高分子電解質膜110aに当接された面とは反対側の面に当接されるガス拡散層130bとから構成される。
The
アノード電極110cは、固体高分子電解質膜110aに当接される触媒層140aと、その触媒層140aにおける固体高分子電解質膜110aに当接された面とは反対側の面に当接されるガス拡散層140bとから構成される。
The
触媒層130a,140aは、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応を促進する層であり、触媒担持カーボンと電解質とを含んで構成される層である。また、ガス拡散層130bは、カソード電極110bへ供給された酸化剤ガスを拡散させる層であり、ガス拡散層140bは、アノード電極110cへ供給された燃料ガスを拡散させる層である。これらのガス拡散層130b,140bは、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロスなどの炭素系材料、又は金属メッシュや金属多孔体などが用いられる。
The
上述のように、酸化剤ガスが、酸化剤ガス流路120aを流通することによってカソード電極110bへ供給され、その一方で、燃料ガスが、燃料ガス流路120bを流通することによってアノード電極110cへ供給されると、カソード電極110bとアノード電極110cとで生じる電気化学反応の結果として、起電力を生じる。
しかしながら、上述した燃料電池セル100のように、酸化剤ガス流路120aや燃料ガス流路120bが溝状に構成される単位セルの場合、発電原理となる電気化学反応により生成した水が、溝状のガス流路120a,120bの下流側に液体水として溜まり易く、その結果として、ガス流路120a,120bや、ガス流路120a,120bに隣接する電極110b,110cにおけるガス(酸化剤ガス又は燃料ガス)の流路が閉塞されるおそれがあるという問題点があった。
However, in the case of a unit cell in which the oxidant
ガス流路120a,120bや、電極110b,110cにおけるガス流路が液体水によって閉塞されると、ガスの流れと水の流れとの混在によって反応が生じない部位が生じるので、発電性能の低下を招く。
When the
また、上述した燃料電池セル100のように、酸化剤ガス流路120aや燃料ガス流路120bが溝状に構成される単位セルの場合、酸化剤ガス流路120a及び燃料ガス流路120bのピッチや溝深さ(流路深さ、流路高さ)の最適化が、集電性の向上に寄与する。
In addition, in the case of a unit cell in which the oxidant
しかし、その一方で、ガス流路120a,120bのピッチや溝深さは、燃料電池セル100における集電性などに影響を及ぼし易い。即ち、ガス流路120a,120bのピッチや溝深さは、ガスと電極110b,110cとの接触面積の低下や膜電極接合体110の乾燥などの影響を及ぼし易いので、ガス流路120a,120bのピッチや溝深さが、燃料電池セル100における発電ロスを招き易いという問題点があった。
However, on the other hand, the pitches and groove depths of the
なお、実用的には、複数の燃料電池セル100が直列接続されたスタック(図示せず)の形態が採用されるが、かかるスタックにおいても、構成要素である燃料電池セル100に起因する上述した問題点が生じる。
Practically, a form of a stack (not shown) in which a plurality of
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、生成水の排出を容易とし発電性能を高めた上で、その発電性能が最大限に発揮されるよう最適化された燃料電池セル及び燃料電池スタックを提供することを目的としている。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and is a fuel optimized to maximize the power generation performance while facilitating the discharge of generated water and improving the power generation performance. It aims at providing a battery cell and a fuel cell stack.
この目的を達成するために、請求項1記載の燃料電池用電極は、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の一方に当接し触媒を含有する、アノード触媒層と、前記固体高分子電解質膜の他方に当接し触媒を含有する、カソード触媒層と、表面に親水性を有し、前記カソード触媒層の前記固体高分子電解質膜に当接される面とは反対の面に電気的に接続された状態で配設され、3次元網目構造により酸化剤ガスの流路となる多数の空孔が形成された導電性繊維からなる板状の導電性網材と、前記導電性網材における前記カソード触媒層を向く面とは反対の面に当接し、ガス遮断性を有する導電性のプレートとを備え、前記導電性網材は、前記導電性繊維の繊維相当直径が、60μm以上、かつ、150μm以下であり、前記空孔による気孔率が、50%以上、かつ、95%以下である。
In order to achieve this object, an electrode for a fuel cell according to
請求項2記載の燃料電池セルは、請求項1記載の燃料電池セルにおいて、前記酸化剤ガスの流路の流路高さが0.3mm以上である。
The fuel cell according to
請求項3記載の燃料電池スタックは、請求項1又は請求項2に記載の燃料電池セルを複数備え、前記複数のセルを電気的に直列接続することによって構成される。 A fuel cell stack according to a third aspect includes a plurality of fuel battery cells according to the first or second aspect, and is configured by electrically connecting the plurality of cells in series.
請求項1記載の燃料電池セルによれば、固体高分子電解質膜の両面には、それぞれ、触媒を含有するカソード触媒層とアノード触媒層とが配設されており、カソード触媒層における固体高分子電解質膜とは反対側の面には、導電性網材が、該カソード触媒層と電気的に接続された状態で配設されている。さらに、導電性網材におけるカソード触媒層を向く面とは反対の面には、ガス遮断性を有する導電性のプレートに当接されている。
According to the fuel cell of
なお、請求項1において、導電性網材が「電気的に接続された状態で配設される」とは、導電性網材が触媒層及び/又はプレートに当接して配設されることと、導電性網材が導電性の部材を介して触媒層及び/又はプレートとの間に電気的に接続された状態が形成されることとの両方が含まれることを意図する。
In addition, in
ここで、導電性網材は、導電性を有する繊維から3次元網目構造に形成され、相互に連通する多数の空孔を内部に有する板状の網材であり、触媒層とガス遮断性を有するプレートとの間に配設されることにより、導電性網材の内部に存在する多数の空孔を酸化剤ガス又は燃料ガスの流路として機能させることができる。 Here, the conductive mesh material is a plate-shaped mesh material formed in a three-dimensional network structure from conductive fibers and having a large number of pores communicating with each other, and has a gas barrier property with the catalyst layer. By being disposed between the plate and the plate, it is possible to make a large number of holes existing inside the conductive mesh member function as a flow path for the oxidant gas or the fuel gas.
また、導電性網材は表面に親水性を有するので、反応により生成した水を網材の表面張力によってその厚さ方向に拡散させることができ、液体水による酸化剤ガス流路の閉塞を有効に防止し得る。よって、燃料電池セルの酸化剤ガス流路が液体水によって閉塞されることを防止することができるので、酸化剤ガス流路の閉塞による酸化剤ガスの圧力損失及びフラッディングを抑制することができ、その結果、発電性能の低下を抑制することができるという効果がある。 In addition, since the conductive mesh material has hydrophilicity on the surface, water generated by the reaction can be diffused in the thickness direction by the surface tension of the mesh material, effectively blocking the oxidant gas flow path with liquid water. Can be prevented. Therefore, since it is possible to prevent the oxidant gas flow path of the fuel cell from being blocked by liquid water, the pressure loss and flooding of the oxidant gas due to the blockage of the oxidant gas flow path can be suppressed, As a result, there is an effect that a decrease in power generation performance can be suppressed.
また、請求項1記載の燃料電池セルによれば、導電性網材における空孔による気孔率が、50%以上とされるので、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧力損失を低く抑制することができ、優れた発電性能を発揮させることができるという効果がある。
According to the fuel cell of
また、導電性網材空孔における空孔による気孔率が、95%以下とされるので、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧力損失を低く抑制することができる上に、導電性網材の製造コストの著しい高騰を抑制することができるという効果がある。 In addition, since the porosity due to the pores in the conductive mesh material pores is 95% or less, the pressure loss of the oxidant gas flowing through the oxidant gas flow path can be suppressed, and the conductivity can be reduced. There is an effect that it is possible to suppress a significant increase in the production cost of the net material.
さらに、請求項1記載の燃料電池セルによれば、導電性網材を構成する導電性を有する繊維の繊維相当直径が、60μm以上とされるので、かかる繊維によって3次元網目構造に形成された導電性網材に対し、外部から印加された荷重(分担荷重)に十分耐え得る強度及び弾性を付与することができる。
Furthermore, according to the fuel cell of
よって、燃料電池セルの構成時における印加荷重によって変形されたことによる導電性網材の荷重抜けが抑制されるので、導電性網材の荷重抜けによる発電性能の低下を抑制できるという効果がある。 Therefore, since the load loss of the conductive net material due to the deformation by the applied load at the time of the configuration of the fuel cell is suppressed, there is an effect that it is possible to suppress a decrease in power generation performance due to the load loss of the conductive net material.
加えて、請求項1記載の燃料電池セルによれば、導電性網材を構成する導電性を有する繊維の繊維相当直径が、150μm以下とされるので、導電性網材を構成する繊維間のピッチを集電効率の上で適切な間隔とすることができ、優れた発電性能を発揮させることができるという効果がある。
In addition, according to the fuel battery cell of
なお、請求項1において、「繊維相当直径」とは、繊維の周長(外周の長さ)を円周とみなし、その円周に対応する直径である。即ち、繊維相当直径をRとし、繊維の周長をLとした場合、R=L/πである。
In addition, in
請求項2記載の燃料電池セルによれば、請求項1記載の燃料電池セルの奏する効果に加えて、次の効果を奏する。酸化剤ガスの流路の流路高さが0.3mm以上とされるので、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧力損失を低く抑制することができ、優れた発電性能を発揮できるという効果がある。
According to the fuel cell of
請求項3記載の燃料電池スタックによれば、請求項1又は請求項2記載の燃料電池セルが電気的に直列接続されて構成されているので、請求項1又は請求項2記載の燃料電池セルが奏する効果と同様の効果を奏する。
According to the fuel cell stack according to claim 3, the fuel cells according to
以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照して説明する。図1は、本発明の一実施形態における燃料電池スタック50から構成される燃料電池システム1を示す模式図である。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a schematic diagram showing a
燃料電池システム1は、図2を参照しつつ後述する燃料電池スタック50と、水素タンク33と、空気ファン34と、循環ポンプ36を介して燃料電池スタック50の所定箇所(例えば、下部)に接続されるラジエータ37とから主に構成される。
The
この燃料電池システム1において、水素タンク33は、燃料ガス(本実施形態では、水素)を貯蔵するタンクであり、バルブ32を介して、燃料電池スタック50における燃料ガス供給口50c(図2参照)に接続されている。バルブ32を開放することにより、水素タンク33に貯蔵されている水素を燃料電池スタック50の内部へ供給することができる。
In this
空気ファン34は、酸化剤ガス(本実施形態では、空気)を外界から取り込み、酸化剤供給口50a(図2参照)へ送風することにより、酸化剤ガスを燃料電池スタック50の内部へ供給するものである。
The
詳細は後述するが、空気ファン34を作動させて酸化剤ガスが酸化剤供給口50aへ供給され、一方で、バルブ32の開放によって水素タンク33から燃料ガスが燃料ガス供給口50cへ供給されると、燃料電池スタック50を構成する各燃料電池セル10(図2参照)が発電する。
As will be described in detail later, the
燃料電池スタック50は、各燃料電池セル10で発電された電気を集電し、電流取り出し部である集電端子50e,50f(いずれも図2参照)から直流電流を取り出すことができる。燃料電池スタック50から取り出された直流電流は、燃料電池スタック50と電気的に接続される負荷35(例えば、自動車のモータなど)へ供給され、その結果として、負荷35を駆動することができる。
The
図2は、本実施形態の燃料電池スタック50を模式的に示す斜視図である。図2に示すように、燃料電池スタック50は、後述する燃料電池セル10の複数個が矢印X−X方向に積層された積層体である。燃料電池スタック50において、隣接する燃料電池セル10は、導電性を有するセパレータ20により電気的に直列接続されている。
FIG. 2 is a perspective view schematically showing the
この燃料電池スタック50では、各燃料電池セル10のカソード電極13(図6(b)参照)へ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路が、各セパレータ20間を連通する流路23d,23eと、その流路23d,23eに連通するカソード電極13における第1網材21a(図6(b)参照)の空孔とから形成される。
In this
なお、本実施形態の燃料電池スタック50において、図2における最も手前側に位置するセパレータ20の露出表面には、流路23dに連通する酸化剤ガス供給口50aが開口されており、空気ファン34により取り込まれた酸化剤ガスは、この酸化剤ガス供給口50aから燃料電池スタック50内部へ供給される。
In the
一方で、図2における最も奥側に位置するセパレータ20の露出表面には、流路23eに連通する酸化剤ガス排出口50b(図2では燃料電池スタック50の裏面側となるため図示されず)が開口されている。酸化剤ガス供給口50aから燃料電池スタック50の内部へ供給された酸化剤ガスは、燃料電池スタック50内の酸化剤ガス流路を通過した後、この酸化剤ガス排出口50bから排出される。
On the other hand, on the exposed surface of the
また、燃料電池スタック50では、各燃料電池セル10のアノード電極14(図6(b)参照)へ燃料ガスを供給する燃料ガス流路が、各セパレータ20間を連通する流路(図示せず)と、その図示されない流路に連通するアノード電極14における第2網材22a(図6(b)参照)の空孔とから形成される。
Further, in the
なお、本実施形態の燃料電池スタック50において、図2における最も手前側に位置するセパレータ20の露出表面には、燃料ガス流路に連通する燃料供給口50cが設けられている。一方、図2における最も奥側に位置するセパレータ20の露出表面には、燃料ガス流路に連通する燃料排出口50d(図2では燃料電池スタック50の裏面側となるため図示されず)が設けられている。
In the
燃料電池スタック50の内部へは、燃料ガス供給口50cを介して水素タンク33から燃料ガスを供給することができる。そして、燃料電池スタック50の内部へ供給された燃料ガスは、燃料電池スタック50内の燃料ガス流路を通過した後、この燃料ガス排出口50dから排出される。
Fuel gas can be supplied from the
よって、酸化剤ガス供給口50a及び燃料ガス供給口50cから、それぞれ、酸化剤ガス及び燃料ガスを燃料電池スタック50の内部へ供給すると、酸化剤ガス及び燃料ガスが、それぞれ、燃料電池スタック50内の酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路を流通し、その結果として、各燃料電池セル10を発電させることができる。
Therefore, when the oxidant gas and the fuel gas are respectively supplied from the oxidant
次に、図3から図6を参照して、本発明の一実施形態における燃料電池セル10について説明する。図3は、本発明の一実施形態における燃料電池セル10のカソード電極13(図6(b)参照)の一部を構成する第1多孔体21を模式的に示す断面図である。
Next, with reference to FIGS. 3 to 6, the
図3に示すように、第1多孔体21は、第1網材21aと、その第1網材21における一方の面(図3における左側の面)に形成された細孔層21bとから構成される板状の部材である。
As shown in FIG. 3, the first
第1網材21aは、導電性を有する繊維(導電性繊維)から3次元網目構造に形成され、相互に連通する空孔(例えば、最小内径が50μm〜500μm程度の空孔)を有する板状の部材である。本実施形態では、第1網材21aを構成する導電性繊維として、チタン繊維を採用し、第1網材21aをチタン繊維焼結板として構成した。なお、第1網材21aを構成する導電性繊維としては、チタン繊維以外にも、例えば、SUS、タンタル、又はハステロイなどの腐食性及び導電性を有する金属繊維や、ニッケル又はカーボンなどの導電性繊維を採用することができる。
The first
この第1網材21aにおける空孔の気孔率は、50%〜95%程度であることが好ましく、70〜85%程度であることがより好ましい。この第1網材21aの空孔は、燃料電池セル10における酸化剤ガス流路の一部として機能する。よって、第1網材21aにおける空孔の気孔率を、約50%以上とすることにより、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧力損失を低く抑制することができるので、燃料電池セル10に優れた発電性能を発揮させることができる。
The porosity of the pores in the first
一方で、第1網材21aにおける空孔の気孔率を、約95%以下とすることにより、第1網材21aの製造コストの著しい高騰を抑制できるので、燃料電池セル10の製造コストの高騰を抑制できる。
On the other hand, by setting the porosity of the pores in the
また、第1網材21aを構成する導電性繊維の繊維相当直径は、60μm〜150μm程度であることが好ましい。なお、「繊維相当直径」は、導電性繊維の周長(外周の長さ)を円周とみなし、その円周に対応する直径である。即ち、繊維相当直径をRとし、繊維の周長をLとした場合、R=L/πである。
Moreover, it is preferable that the fiber equivalent diameter of the electroconductive fiber which comprises the 1st net |
第1網材21aを構成する導電性繊維の繊維相当直径を約60μm以上とすることにより、かかる導電性繊維によって3次元網目構造に形成された第1網材21aに高い強度と高い弾性を付与することができる。よって、燃料電池セル10の構成時に第1網材21aへ印加された分担荷重により第1網材21aに荷重抜けが発生することを防止できるので、燃料電池セル10に優れた発電性能を発揮させることができる。
By setting the fiber equivalent diameter of the conductive fibers constituting the
一方で、第1網材21aを構成する導電性繊維の繊維相当直径を約150μm以下とすることにより、第1網材21aを構成する繊維間のピッチが過度に広がらず、集電効率の上で適切な間隔とすることができるので、燃料電池セル10に優れた発電性能を発揮させることができる。
On the other hand, by setting the equivalent fiber diameter of the conductive fibers constituting the
また、第1網材21aを構成する導電性繊維の繊維相当直径を約150μm以下とすることにより、第1網材21aを構成する繊維間のピッチが過度に広がらず、触媒層26との接触面積を十分に確保することができるので、かかる触媒層26との接合不良を防止できる。
Further, by setting the fiber equivalent diameter of the conductive fibers constituting the
細孔層(MPL:Micro Porous Layer)21bは、導電性を有すると共に、相互に連通する多くの空孔を有する層であり、例えば、約200μm以下の厚さに形成される。なお、細孔層21bにおける空孔は、上述した第1網材21aの空孔より小さい細孔(例えば、最小内径が0.01μm〜数μm程度であり、ピークが2μm程度より小さい空孔)である。
The pore layer (MPL: Micro Porous Layer) 21b is a layer having many pores communicating with each other and having a thickness of, for example, about 200 μm or less. The pores in the
細孔層21bは、触媒層26と第1網材21aとを連通する細孔を有しているので、膜電極接合体24の触媒層26(図5参照)から第1網材21aへ電子を移動させ易くすると共に、触媒層26内の水を細孔層21bへ移動させて、適度に触媒層26を保水しつつ余剰水を系外に排出し、水によって触媒層26での電気化学反応が阻害されることを抑制する機能を担う。
Since the
細孔層21bとしては、水の接触角が約120°以上となる撥水性を有することが好ましく、例えば、カーボン粒子とPTFE(ポリテトラフルオロエチレン(Polytetrafluoroethylene))とを含んで構成される撥水性の細孔層を採用することができる。このとき、PTFEの混合量は20〜60質量%程度であることが好ましい。
The
また、細孔層21bは、第1網材21aに食い込みつつ配置されていることが好ましい。例えば、細孔層21bが第1網材21aに約30μm以上食い込みつつ配置されていることが好ましい。その一方で、細孔層21bにおける第1網材21aとは反対側の面は平滑性を有していることが好ましい。
Moreover, it is preferable that the
なお、本実施形態の燃料電池10におけるアノード電極14(図6(b)参照)の一部を構成する第2多孔体22もまた、図3に示す第1多孔体21と同様に構成される。図3における丸かっこ内に記載される番号は、第2網材22に適用される付番である。なお、上述した第1網材21の説明を第2網材22に適用させる場合には、(1)「第1多孔体21」を「第2多孔体22」に読み換え、(2)「第1網材21a」を「第2網材22a」に読み換え、(3)「細孔層21b」を「細孔層22b」に読み換え、(4)「触媒層26(図5参照)」を「触媒層27(図5参照)」に読み換え、(5)「酸化剤ガス」を「燃料ガス」と読み換えればよい。
In addition, the 2nd
図4は、本実施形態の燃料電池セル10におけるセパレータ20を模式的に示す断面図である。図4に示すように、セパレータ20は、上述した第1多孔体21及び第2多孔体22と、これらの多孔体21,22を収納する導電性のプレート23とから構成される。
FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing the
セパレータ20を構成する導電性のプレート23は、導電性材料から作製された板状の部材であり、その一面側(図4における左側)には、第1多孔体21を収納する第1凹部23aが凹設されている。また、プレート23の他面側(図4における右側)には、第2多孔体22を収納する第2凹部23bと、後述する膜電極接合体24(図5参照)を収納する第3凹部23cとが凹設されている。
The
さらに、プレート23には、第1凹部23aの両端に連通する一対の酸化剤ガス用の流路23d,23eが貫設されている。また、プレート23には、第2凹部23bの両端に連通する一対の図示されない燃料ガス用の流路も貫設されている。酸化剤ガス用の流路23d,23eと燃料ガス用の流路とは、互いに90度ずれた位置に貫設されており、かかる位置関係によって、第1多孔体21(第1網材21a)へ供給される酸化剤ガスの供給方向と、第2多孔体22(第2網材22a)へ供給される燃料ガスの供給方向が互いに直交する向きとされる。
Further, the
かかる構成を有するプレート23の第1凹部23aには、第1多孔体21が収納される。その際、第1多孔体21は、細孔層21bの配設されていない側の面が第1凹部23aの底面に当接し、細孔層21bが外側を向くように第1凹部23aに収納される。
The first
また、プレート23の第2凹部23bには、第2多孔体22が収納される。その際、第2多孔体22は、細孔層22bの配設されていない側の面が第2凹部23bの底面に当接し、細孔層22bが外側を向くように第2凹部23bに収納される。
Further, the second
図5は、膜電極接合体24を模式的に示す断面図である。図5に示すように、固体高分子電解質膜25と、その固体高分子電解質膜25における一方の面(図5における右側の面)に当接する触媒層26と、固体高分子電解質膜25における他方の面(図5における左側の面)に当接する触媒層27とから構成される積層体である。
FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing the
このように、本実施形態の燃料電池セル10に採用される膜電極接合体24は、従来の膜電極接合体110(図14参照)と異なり、触媒層26,27に隣接するカーボンペーパーやカーボンクロスなどのガス拡散層130b,140b(図14参照)を有さない構成とされている。
As described above, the
固体高分子電解質膜25としては、例えば、Nafion(登録商標:デュポン社製)やAciplex(登録商標:旭化成(株)製)など、固体高分子型燃料電池に適用可能な固体高分子電解質膜を使用することができる。
Examples of the solid
触媒層26,27としては、例えば、カーボン粒子にプラチナなどの触媒が担持された触媒担持カーボンと電解質とを含んで構成された触媒層を採用することができる。かかる触媒層26,27は、それぞれ、カソード電極13及びアノード電極14(図6(b)参照)の一部を構成する層であり、燃料電池セル10にて生じる酸素と水素との電気化学反応を促進する機能を担う。
As the catalyst layers 26 and 27, for example, a catalyst layer including a catalyst-supporting carbon in which a catalyst such as platinum is supported on carbon particles and an electrolyte can be employed. The catalyst layers 26 and 27 are layers constituting part of the
図6(a)は、燃料電池セル10を模式的に示す断面図であり、図6(b)は、図6(a)におけるE部の拡大断面図である。
6A is a cross-sectional view schematically showing the
図6(a)に示すように、燃料電池セル10は、2つの隣接するセパレータ20と、それらのセパレータ20の間に配置される膜電極接合体24とから構成される。より具体的には、燃料電池セル10は、一方のセパレータ20(図6(a)における右側のセパレータ20)の片面に露出する第1多孔体21と、他方のセパレータ20(図6(a)における左側のセパレータ20)の第3凹部23cに収納された膜電極接合体24とを当接させることによって構成される。
As shown in FIG. 6A, the
なお、燃料電池スタック50において、隣接する燃料電池セル10は、セパレータ20を共通とする。即ち、例えば、図6(a)に示す燃料電池セル10の右側に隣接する燃料電池セル10は、図6(a)における右側のセパレータ20を共通とする。
In the
ここで、プレート23の第3凹部23cに膜電極接合体24を収納する際には、触媒層27が細孔層22b(第2多孔体22の一部)に当接し、触媒層26が外側を向くように収納される。よって、2つの隣接するセパレータ20と膜電極接合体24とから燃料電池セル10を構成した場合、触媒層26は、細孔層21b(第1多孔体21の一部)に当接される(図6(b)参照)。
Here, when the
上述したように、セパレータ20における流路23dを矢印の向きに流通する酸化剤ガスは、第1多孔体21(第1網材21a)へ供給され、第1網材21a内の空孔を矢印の方向に流通し、流路23eへ排出されて、流路23eを矢印の方向に流通する。一方で、図示されない燃料ガス用の流路から第2多孔体22(第2網材22a)へ供給された燃料ガスは、第2網材22a内の空孔を流通する。
As described above, the oxidant gas flowing through the
その結果、本実施形態の燃料電池セル10において、第1多孔体21及び触媒層26は、カソード電極13として機能し、第2多孔体22及び触媒層27は、アノード電極14として機能し、第1多孔体21(第1網材21a)へ供給された酸化剤ガスと、第2多孔体(第2網材22a)供給された燃料ガスとの電気化学反応の結果として、起電力を発生させる(発電させる)ことができる。
As a result, in the
図6(a)に示す本実施形態の燃料電池セル10によれば、第1多孔体21の第1網材21a、及び第2多孔体22の第2網材22aの内部に相互に連通する空孔が存在することにより、かかる空孔を酸化剤ガス及び燃料ガスの流路として機能させることができると共に、反応により生成した水を網材の表面張力によって導電性網材の厚さ方向に拡散させることができる。その結果、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応の結果として生成された水(液体水)によるガス流路の閉塞を防止することができる。よって、ガス流路(酸化剤ガス流路又は燃料ガス流路)におけるガス(酸化剤ガス又は燃料ガス)の圧力損失を抑制することができるので、発電性能の低下を抑制することができる。
According to the
なお、燃料電池セル10のカソード電極13において、触媒層26へ供給される酸化剤ガスの流路の流路高さ(第1網材21aの厚さ)h1は、約0.3mm以上であることが好ましい。酸化剤ガスの流路の流路高さh1を約0.3mm以上に構成することにより、酸化剤ガスの圧力損失を好適な低さに抑制することができる。
In addition, in the
同様に、燃料電池セル10のアノード電極14において、触媒層27へ供給される燃料ガスの流路の流路高さ(第2網材22aの厚さ)h2もまた、約0.3mm以上であることが好ましい。燃料ガスの流路の流路高さh2を約0.3mm以上に構成することにより、燃料ガスの圧力損失を好適な低さに抑制することができる。
Similarly, in the
また、流路高さh1,h2は、低ければ低いほど出力密度が向上するために有利となる。特に、流路高さh1,h2は、約1.5mm以下であることが好ましい。流路高さh1,h2を約1.5mm以下に構成することにより、出力密度の向上など発電性能が好適に向上する。 In addition, the lower the flow path heights h1 and h2, the more advantageous the output density. In particular, the channel heights h1 and h2 are preferably about 1.5 mm or less. By configuring the flow path heights h1 and h2 to be about 1.5 mm or less, the power generation performance such as an improvement in output density is preferably improved.
さらに、図6(a)及び図6(b)に示す本実施形態の燃料電池セル10によれば、カソード電極13の一部である第1網材21、及び、アノード電極14の一部である第2網材22が、ガス流路として機能する。よって、本実施形態の燃料電池セル10では、従来において一般的な固体高分子型燃料電池であるセル100(図13参照)のように、セパレータ120にリブを並設して酸化剤ガス流路120aや燃料ガス流路120bを形成する必要がない。その分、セパレータ20を薄く構成することができるので、燃料電池セル10の薄型化を図ることができ、その結果として、出力密度を向上させることができる。
Furthermore, according to the
以上説明したように、本実施形態の燃料電池セル10によれば、電極13,14の一部である網材21a,22aにおける空孔の気孔率を、約50%以上とすることにより、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧力損失を低く抑制することができるので、燃料電池セル10に優れた発電性能を発揮させることができる。
As described above, according to the
また、電極13,14の一部である網材21a,22aにおける空孔の気孔率を、約95%以下とすることにより、第1網材21aの製造コストの著しい高騰を抑制できるので、燃料電池セル10の製造コストの高騰を抑制できる。
Moreover, since the porosity of the pores in the
さらに、網材21a,22aを構成する導電性繊維の繊維相当直径を約60μm以上とすることにより、かかる導電性繊維によって3次元網目構造に形成された網材21a,22aに高い強度と高い弾性を付与することができる。よって、燃料電池セル10の構成時に網材21a,22aへ印加された分担荷重により網材21a,22aに荷重抜けが発生することを防止できるので、燃料電池セル10に優れた発電性能を発揮させることができる。
Furthermore, by setting the fiber equivalent diameter of the conductive fibers constituting the
また、網材21a,22aを構成する導電性繊維の繊維相当直径を約150μm以下とすることにより、網材21a,22aを構成する繊維間のピッチが過度に広がらず、集電効率の上で適切な間隔とすることができるので、燃料電池セル10に優れた発電性能を発揮させることができる。
Further, by setting the equivalent fiber diameter of the conductive fibers constituting the
加えて、燃料電池セル10のカソード電極13において、触媒層26へ供給される酸化剤ガスの流路の流路高さを約0.3mm以上に構成することにより、ガスの圧力損失を好適な低さに抑制することができる。
In addition, in the
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。 As described above, the present invention has been described based on the embodiments, but the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various improvements and modifications can be easily made without departing from the spirit of the present invention. It can be guessed.
例えば、上記実施形態では、第1網材21aの片面に細孔層21bを形成したものを第1多孔体21としたが、第1網材21aの片面に細孔層21bを形成せず、第1網材21aそのものを第1多孔体21としてもよい。同様に、第2多孔体22についても、第2網材22aの片面に細孔層22bを形成せず、第2網材22aそのものを第2多孔体22としてもよい。また、第1多孔体21及び第2多孔体22のうち、一方のみが細孔層21b,22bを有し、他方は細孔層21b,22bを有さない構成としてもよい。
For example, in the above embodiment, the first
また、上記実施形態では、第1,2網材21a,22aの片面に形成された細孔層21b,22bを触媒層26,27に当接させる構成としたが、第1,2網材21a,22aを直接触媒層26,27に当接させる構成としてもよい。また、第1多孔体21及び第2多孔体22のうち、一方のみが細孔層21b,22bと触媒層26,27とを当接させ、他方は第1,2網材21a,22aと触媒層26,27とを当接させるように構成してもよい。
In the above embodiment, the pore layers 21b and 22b formed on one side of the first and second
また、上記実施形態では、細孔層21b,22bを第1,2網材21a,22a上に形成したが、触媒層26,27の外側表面に細孔層21b,22bを形成したり、細孔層21b,22bが単独で存在するものとして構成してもよい。
In the above embodiment, the pore layers 21b and 22b are formed on the first and
また、上記実施形態では、触媒層26,27は、膜接合電極24の一部として構成したが、触媒層26,27を、第1,第2多孔体21,22の最外層に配設するように構成してもよい。例えば、第1,第2多孔体21,22における細孔層21b,22bの外側に触媒層26,27を配設したり、細孔層21b,22bを有さない場合に第1,2網材21a,22a上に触媒層26,27を配設するように構成してもよい。
In the above embodiment, the catalyst layers 26, 27 are configured as a part of the
また、上記実施形態では、第1,第2多孔体21,22を、第1,2網材21a,22aと細孔層21b,22bとから構成したが、第1,2網材21a,22aにおける細孔層21b,22bとは反対側の面に、親水性を有する層を排水層として構成してもよい。第1,2多孔体21,22が排水層を有する場合には、第1,2凹部23a,23bの底面には、排水層が当接されるように配置される。
Moreover, in the said embodiment, although the 1st, 2nd
第1,2網材21a,22aにおける細孔層21b,22bとは反対側の面に排水層を設けることにより、かかる排水層が、第1,2網材21a,22aの厚さ方向に拡散した水(液体水)を集め、水の自重や酸化剤ガスの圧力によって水の流れを作り出し、系外へ排出するよう機能する。なお、かかる排水層は、親水性に加え、吸水性も有することが好ましい。
By providing a drainage layer on the surface of the first and second
また、排水層を、第1,2網材21a,22aにおける細孔層21b,22bとは反対側の面に形成することに換えて、又は、第1,2網材21a,22aにおける細孔層21b,22bとは反対側の面に形成すると共に、第1,2凹部23a,23bの底面の親水処理や親水性ポリマーの被覆により形成するようにしてもよい。
Moreover, it replaces with forming a drainage layer in the surface on the opposite side to the pore layers 21b and 22b in the 1st and 2nd
なお、上記各実施形態として例示した本発明の燃料電池セル及び燃料電池スタックは、電気自動車などの移動用電源、屋外据え置き用電源、ポータブル電源、携帯電子機器用電源などの各種電源として利用可能である。 The fuel cell and the fuel cell stack of the present invention exemplified as the above embodiments can be used as various power sources such as a moving power source for an electric vehicle, an outdoor stationary power source, a portable power source, and a portable electronic device power source. is there.
以下に、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に基づいて限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples, but the present invention is not limited to these examples.
[実施例1,比較例1]
実施例1として、本発明の燃料電池セル10を含む燃料電池スタック50を使用し、比較例1として、図13に示した従来の燃料電池セル100を含む燃料電池スタックを使用し、同じ条件下でI−V特性を比較した。
[Example 1, Comparative Example 1]
As Example 1, the
その結果を図7に示す。図7は、実施例1及び比較例1におけるI−V特性を示すグラフである。図7のグラフにおいて、横軸は、単位面積あたりの電流I(単位:A/cm2)を示し、縦軸は、電圧(単位:V)を示す。 The result is shown in FIG. FIG. 7 is a graph showing IV characteristics in Example 1 and Comparative Example 1. In the graph of FIG. 7, the horizontal axis indicates current I (unit: A / cm 2 ) per unit area, and the vertical axis indicates voltage (unit: V).
図7のグラフから明らかなように、実施例1の燃料電池スタック50及び比較例1の燃料電池スタックの両方とも、低電流領域では、ほぼ同等のI−V特性を示すが、高電流領域において両者の差が生じた。図7のグラフに示すように、V=0.6となるIの値は、比較例1の燃料電池スタックにおいて1.0であったのに対し、実施例1の燃料電池スタックにおいて1.4であった。
As apparent from the graph of FIG. 7, both the
即ち、実施例1の燃料電池スタック50の方が、比較例1の燃料電池スタックに比べ、高電流領域における電圧降下が小さく、優れたI−V特性を示した。これは、実施例1の燃料電池スタック50を構成する燃料電池セル10の水の排出性が、比較例1の燃料電池スタックを構成する燃料電池セル100の排出性より向上したためであると考えられる。つまり、燃料電池セル10の水の排出性が向上したことにより、燃料電池セル10のガス流路が水によって閉塞されず、その結果、触媒層26,27へのガス供給性が向上し、また、酸化剤ガスの圧力損失が低く抑制されたためであると考えられる。
That is, the
[実施例2,比較例2]
実施例2として、第1,2多孔体21,22を構成する第1,2網材21a,22aに対する荷重試験を行った。
[Example 2, Comparative Example 2]
As Example 2, a load test was performed on the first and second
この実施例2では、第1,2網材21a,22aとして、繊維相当直径70μmのチタン繊維から作製されたチタン焼結板を供試体とした。供試体へ印加する荷重量(面圧の大きさ)は徐々に増加させつつ、荷重印加時及びその荷重を除荷した時(除荷時)における供試体の厚さの測定を行った。そして、所定の荷重量に到達した後、印加する荷重量を徐々に減少させつつ、再度、荷重印加時及び除荷時における供試体の厚さの測定を行った。
In Example 2, a titanium sintered plate made of titanium fibers having a fiber equivalent diameter of 70 μm was used as the specimens as the first and second
その結果を図8に示す。図8は、実施例2の荷重試験における、面圧と供試体の厚さとの関係を示すグラフである。ここで、図8のグラフにおいて、横軸は、面圧(単位:kgf/cm2)を示し、図8における向かって左から右の方向へ向かうほど印加された面圧が大きいことを示す。また、縦軸は、供試体の厚さ(単位:mm)を示す。なお、図8のグラフにおいて、シンボル「■」は、荷重印加時の測定値であり、シンボル「●」は、除荷時の測定値である。 The result is shown in FIG. FIG. 8 is a graph showing the relationship between the surface pressure and the thickness of the specimen in the load test of Example 2. Here, in the graph of FIG. 8, the horizontal axis indicates the surface pressure (unit: kgf / cm 2 ), and the applied surface pressure increases from the left to the right in FIG. The vertical axis indicates the thickness (unit: mm) of the specimen. In the graph of FIG. 8, the symbol “■” is a measured value at the time of applying a load, and the symbol “●” is a measured value at the time of unloading.
図8のグラフから明らかなように、繊維相当直径70μmのチタン繊維から作製された供試体は、供試体へ印加する面圧の増加過程においても、その後の減少過程においても、印加された荷重(面圧)を除荷した場合に、供試体の厚さが十分に復元することを示した。 As is apparent from the graph of FIG. 8, the specimen prepared from titanium fiber having a fiber equivalent diameter of 70 μm is applied with an applied load (in the increasing process of the surface pressure applied to the specimen and in the subsequent decreasing process) It was shown that the thickness of the specimen was fully restored when the surface pressure was unloaded.
一方、比較例2として、繊維相当直径40μmのチタン繊維から作製されたチタン焼結板を供試体とし、実施例2と同様の荷重試験を行った。 On the other hand, as Comparative Example 2, a load test similar to that of Example 2 was performed using a titanium sintered plate made of titanium fiber having a fiber equivalent diameter of 40 μm as a specimen.
その結果を図9に示す。図9は、比較例2の荷重試験における、面圧と供試体の厚さとの関係を示すグラフである。ここで、図9において、横軸は、面圧(単位:kgf/cm2)を示し、図8と同様に向かって左から右の方向へ向かうほど印加された面圧が大きいことを示す。また、縦軸は、供試体の厚さ(単位:mm)を示す。なお、図9のグラフにおいて、シンボル「■」は、荷重印加時の測定値であり、シンボル「●」は、除荷時の測定値である。 The result is shown in FIG. FIG. 9 is a graph showing the relationship between the surface pressure and the thickness of the specimen in the load test of Comparative Example 2. Here, in FIG. 9, the horizontal axis indicates the surface pressure (unit: kgf / cm 2 ), and indicates that the applied surface pressure increases from left to right as in FIG. 8. The vertical axis indicates the thickness (unit: mm) of the specimen. In the graph of FIG. 9, the symbol “■” is a measured value at the time of applying a load, and the symbol “●” is a measured value at the time of unloading.
図9のグラフから明らかなように、繊維相当直径40μmのチタン繊維から作製された供試体は、特に、供試体へ印加する面圧の減少過程において、除荷時に供試体の厚さが殆ど復元しなくなることを示した。 As is apparent from the graph of FIG. 9, the specimen made from titanium fiber having a fiber equivalent diameter of 40 μm is almost restored to the thickness of the specimen at the time of unloading, particularly in the process of decreasing the surface pressure applied to the specimen. Showed that it will not.
よって、実施例2及び比較例2の結果から、第1,2網材21a,22aを構成するチタン繊維の繊維相当直径を約60μm以上とすることにより、燃料電池セルの構成時に印加された分担荷重による荷重抜けの発生を好適に防止できるのに十分な強度及び弾性を第1,2網材21a,22aに付与できると考えられる。
Therefore, based on the results of Example 2 and Comparative Example 2, by making the fiber equivalent diameter of the titanium fibers constituting the first and
[実施例3]
実施例3として、第1,2網材21a,22aを構成するチタン繊維の繊維相当直径が違う以外は同じ条件下で、燃料電池スタック50のI−V特性を確認した。
[Example 3]
As Example 3, the IV characteristics of the
その結果を図10に示す。図10は、燃料電池スタック50のI−V特性を示すグラフである。図10のグラフにおいて、横軸は、単位面積あたりの電流I(単位:A/cm2)を示し、図10における向かって左から右の方向へ向かうほど高電流であることを示す。また、縦軸は、電圧(単位:V)を示す。
The result is shown in FIG. FIG. 10 is a graph showing the IV characteristics of the
図10のグラフにおいて、シンボル「●」は、繊維相当直径がR1であるチタン繊維から作製された第1,2網材21a,22aを供試体とした場合の測定値であり、シンボル「○」は、繊維相当直径がR2であるチタン繊維から作製された第1,2網材21a,22aを供試体とした場合の測定値である。なお、繊維相当直径R2は、繊維相当直径R1より大きい径である(即ち、R2>R1)。
In the graph of FIG. 10, the symbol “●” is a measured value when the first and
図10のグラフから明らかなように、低電流側(図10のグラフにおける左側)では、繊維相当直径の違いによるI−V特性の差は殆ど生じなかったが、高電流側(図10のグラフにおける右側)繊維相当直径の違いによる差が生じた。即ち、供試体を構成する繊維相当直径が大きくなる程、高電流側での電圧降下が大きくなることを示した。 As apparent from the graph of FIG. 10, on the low current side (left side in the graph of FIG. 10), there was almost no difference in IV characteristics due to the difference in fiber equivalent diameter, but on the high current side (graph of FIG. 10). A difference due to the difference in fiber equivalent diameter occurred. That is, it was shown that the voltage drop on the high current side increases as the fiber equivalent diameter constituting the specimen increases.
この結果は、供試体を構成する繊維相当直径が大きくなる程、供試体の繊維間ピッチが広がり、集電効率が低下したことに起因すると考えられる。よって、第1,2網材21a,22aを構成するチタン繊維の繊維相当直径は、太すぎると集電効率の低下を招くために好ましくなく、約150μm以下であることが好ましいと推定される。
This result is considered to be due to the fact that the fiber-to-fiber pitch of the specimen increases and the current collection efficiency decreases as the equivalent fiber diameter constituting the specimen increases. Therefore, if the fiber equivalent diameter of the titanium fiber constituting the first and second
[実施例4]
実施例4として、第1,2網材21a,22aにおける空孔の気孔率と、燃料電池セル10におけるガスの圧力損失との関係について確認を行った。具体的には、第2網材22aにおける空孔の気孔率は一定とする一方で、第1網材21a(約40mm×約40mm×約1mm)における空孔の気孔率を変化させた複数の燃料電池セル10を供試体として作製し、各供試体における常温での乾燥ガス(乾燥した酸化剤ガス)の圧力損失を、3種類の異なる電流量について測定した。ガスの流入量は、3.3リットル(normal)/minとした。
[Example 4]
As Example 4, the relationship between the porosity of the pores in the first and second
その結果を図11に示す。図11は、第1網材21aの気孔率とガスの圧力損失との関係を示すグラフである。図11のグラフにおいて、横軸は、気孔率(単位:%)を示す。また、縦軸は、ガスの圧力損失(単位:Pa)を示し、図11における下から上へ向かうほど圧力損失が大きいことを示す。
The result is shown in FIG. FIG. 11 is a graph showing the relationship between the porosity of the first
なお、図11のグラフにおいて、曲線J1は、電流量が1A/cm2の場合における、第1網材21aの気孔率とガスの圧力損失との関係を示す曲線であり、曲線J2は、電流量が2A/cm2の場合における、第1網材21aの気孔率とガスの圧力損失との関係を示す曲線であり、曲線J3は、電流量が3A/cm2の場合における、第1網材21aの気孔率とガスの圧力損失との関係を示す曲線である。
In the graph of FIG. 11, the curve J1 is a curve showing the relationship between the porosity of the
図11のグラフから明らかなように、曲線J1,J2,J3はいずれも、第1網材21aの気孔率が50%以下となった場合に、ガスの圧力損失が急激に増大した。よって、第1網材21a(又は、第2網材22a)における空孔の気孔率を約50%以上とすることにより、酸化剤ガス流路(又は、燃料ガス流路)を流通する酸化剤ガス(又は、燃料ガス)の圧力損失を低く抑制することができるので、燃料電池セル10、特に、常圧系で作動する燃料電池セル10であっても優れた発電性能を発揮させることができると考えられる。
As is clear from the graph of FIG. 11, in all of the curves J1, J2, and J3, when the porosity of the first
[実施例5]
実施例5として、燃料電池セル10におけるガス流路の流路高さ(酸化剤ガスの流路の流路高さh1,燃料ガスの流路の流路高さh2)と、燃料電池セル10におけるガスの圧力損失との関係について確認を行った。
[Example 5]
As Example 5, the height of the gas flow path in the fuel battery cell 10 (the flow path height h2 of the oxidant gas flow path, the flow path height h2 of the fuel gas flow path), and the
具体的には、燃料電池セル10におけるアノード電極14側における流路高さh2(第2網材22aの厚さ)を一定(1.5mm)とする一方で、カソード電極13側における流路高さh1(第1網材21aの厚さ)を変化させた複数の燃料電池セル10を供試体として作製し、各供試体における常温での乾燥ガス(乾燥した酸化剤ガス)の圧力損失を測定した。なお、ガスの流入量は、3.3リットル(normal)/minとした。また、第1,2網材21a,22aとして約40mm×約40mm四方のものを用いた。
Specifically, the flow path height h2 (thickness of the second
その結果を図12に示す。図12は、燃料電池セル10におけるカソード電極13側における流路高さh1と、ガスの圧力損失との関係を示すグラフである。図12のグラフにおいて、横軸は、カソード電極13側における流路高さh1(単位:mm)を示し、縦軸は、ガスの圧力損失(単位:Pa)を示す。
The result is shown in FIG. FIG. 12 is a graph showing the relationship between the flow path height h1 on the
図12のグラフから明らかなように、燃料電池セル10におけるカソード電極14側の流路高さh1が0.3mm以下となった場合に、ガスの圧力損失が急激に増大した。よって、燃料電池セル10におけるガス流路の流路高さ(酸化剤ガスの流路の流路高さh1)を約0.3mm以上とすることにより、ガス流路(酸化剤ガス流路)を流通するガス(酸化剤ガス)の圧力損失を低く抑制することができるので、燃料電池セル10、特に、常圧系で作動する燃料電池セル10であっても優れた発電性能を発揮させることができると考えられる。
As is apparent from the graph of FIG. 12, when the flow path height h1 on the
10 燃料電池セル
21a 第1網材(導電性網材)
22a 第2網材(導電性網材)
23 プレート
25 固体高分子電解質膜
26 触媒層(カソード触媒層)
27 触媒層(アノード触媒層)
50 燃料電池スタック
10
22a Second mesh material (conductive mesh material)
23
27 Catalyst layer (Anode catalyst layer)
50 Fuel cell stack
Claims (3)
前記固体高分子電解質膜の一方に当接し触媒を含有する、アノード触媒層と、
前記固体高分子電解質膜の他方に当接し触媒を含有する、カソード触媒層と、
表面に親水性を有し、前記カソード触媒層の前記固体高分子電解質膜に当接される面とは反対の面に電気的に接続された状態で配設され、3次元網目構造により酸化剤ガスの流路となる多数の空孔が形成された導電性繊維からなる板状の導電性網材と、
前記導電性網材における前記カソード触媒層を向く面とは反対の面に当接し、ガス遮断性を有する導電性のプレートとを備え、
前記導電性網材は、前記導電性繊維の繊維相当直径が、60μm以上、かつ、150μm以下であり、前記空孔による気孔率が、50%以上、かつ、95%以下であることを特徴とする燃料電池セル。 A solid polymer electrolyte membrane;
An anode catalyst layer in contact with one of the solid polymer electrolyte membranes and containing a catalyst;
A cathode catalyst layer in contact with the other of the solid polymer electrolyte membrane and containing a catalyst;
The surface has hydrophilicity and is disposed in a state of being electrically connected to the surface of the cathode catalyst layer opposite to the surface in contact with the solid polymer electrolyte membrane. A plate-like conductive net material made of conductive fibers in which a large number of pores serving as gas flow paths are formed;
A conductive plate having a gas barrier property in contact with a surface opposite to the surface facing the cathode catalyst layer in the conductive mesh material;
The conductive mesh material has a fiber equivalent diameter of the conductive fibers of 60 μm or more and 150 μm or less, and a porosity due to the pores is 50% or more and 95% or less. Fuel cell.
前記複数のセルを電気的に直列接続することによって構成される燃料電池スタック。
A plurality of fuel cells according to claim 1 or 2,
A fuel cell stack configured by electrically connecting the plurality of cells in series.
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