JP2009048905A - Fuel cell - Google Patents
Fuel cell Download PDFInfo
- Publication number
- JP2009048905A JP2009048905A JP2007214861A JP2007214861A JP2009048905A JP 2009048905 A JP2009048905 A JP 2009048905A JP 2007214861 A JP2007214861 A JP 2007214861A JP 2007214861 A JP2007214861 A JP 2007214861A JP 2009048905 A JP2009048905 A JP 2009048905A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- cathode
- anode
- layer
- electrode
- fuel cell
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 52
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 49
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims abstract description 39
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 34
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 22
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 55
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims description 51
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 50
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 48
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 31
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 claims description 12
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 8
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 claims description 6
- 239000005871 repellent Substances 0.000 abstract description 78
- 230000002940 repellent Effects 0.000 abstract description 22
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 abstract description 7
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 abstract description 4
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 abstract description 4
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 abstract description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 abstract description 3
- 238000010030 laminating Methods 0.000 abstract 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 13
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 7
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 7
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 7
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 7
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 7
- -1 hydrogen ions Chemical class 0.000 description 7
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 6
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 6
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 6
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 3
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 description 3
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 description 3
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 2
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 239000002003 electrode paste Substances 0.000 description 2
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 2
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 229920001973 fluoroelastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000006260 foam Substances 0.000 description 1
- 239000003014 ion exchange membrane Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 239000012466 permeate Substances 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 1
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 1
- 230000036647 reaction Effects 0.000 description 1
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Inert Electrodes (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Description
本発明は、アノード電極とカソード電極との間に、水を介してプロトンを伝導する電解質膜が配された燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell in which an electrolyte membrane that conducts protons through water is disposed between an anode electrode and a cathode electrode.
燃料電池においては、アノード電極、電解質膜、カソード電極により構成させる電解質膜・電極接合体において電気化学反応が行われる。具体的な反応は、例えば、以下の通りである。アノード電極に水素ガスを供給することにより、水素ガスを水素イオンと電子とに電離する反応が起こり、電離した水素イオンが電解質膜中をカソード電極側に移動する。また、カソード電極に酸素を供給することにより、酸素、水素イオン及び電子から水を生成する反応が起きる。 In a fuel cell, an electrochemical reaction is performed in an electrolyte membrane / electrode assembly composed of an anode electrode, an electrolyte membrane, and a cathode electrode. A specific reaction is, for example, as follows. By supplying hydrogen gas to the anode electrode, a reaction occurs in which the hydrogen gas is ionized into hydrogen ions and electrons, and the ionized hydrogen ions move through the electrolyte membrane to the cathode electrode side. Further, when oxygen is supplied to the cathode electrode, a reaction for generating water from oxygen, hydrogen ions and electrons occurs.
このような燃料電池のうち、固体高分子形燃料電池の電気化学反応では、アノード電極で電離される水素イオンは、電解質膜中の水と水和することにより、電解質膜中をアノード電極からカソード電極に移動する。このため、電解質膜のアノード電極側では、上述の電気化学反応の進行に伴って含水率が減少する。このように、電解質膜の含水率が減少した状態(ドライアップ)が生じると、水素イオンが移動するための水が不足する。その結果、水素イオンが電解質膜を透過する際の抵抗が大きくなって、燃料電池の発電効率が低下する要因となる。 Among such fuel cells, in the polymer reaction of a polymer electrolyte fuel cell, hydrogen ions ionized at the anode electrode hydrate with water in the electrolyte membrane, so that the electrolyte membrane moves from the anode electrode to the cathode. Move to the electrode. For this reason, on the anode electrode side of the electrolyte membrane, the water content decreases as the above-described electrochemical reaction proceeds. Thus, when the state (dry-up) in which the moisture content of the electrolyte membrane is reduced occurs, water for moving hydrogen ions is insufficient. As a result, the resistance when hydrogen ions permeate the electrolyte membrane increases, which causes a reduction in the power generation efficiency of the fuel cell.
一方、水が生成されるカソード電極側では、高負荷運転により大量に生成水が発生するなどして、カソード電極の近傍に生成した水が滞留する場合がある。このように、水が過剰に滞留した状態(フラッディング)が生じると、水が酸素の供給経路を塞ぎ、カソード電極を構成する触媒層への酸素の供給が阻害される。その結果、カソード電極での反応が低下し、燃料電池の発電効率が低下する要因となる。 On the other hand, on the cathode electrode side where water is generated, the generated water may stay in the vicinity of the cathode electrode due to a large amount of generated water generated due to high load operation. Thus, when a state where water is excessively retained (flooding) occurs, the water blocks the oxygen supply path, and the supply of oxygen to the catalyst layer constituting the cathode electrode is hindered. As a result, the reaction at the cathode electrode is reduced, which causes a reduction in the power generation efficiency of the fuel cell.
このように、固体高分子形燃料電池においては、電解質膜・電極接合体の含水率を適正に確保することが本質的な課題となっており、当該課題に対して、様々な対策が講じられている。例えば、下記特許文献1では、アノード電極よりもカソード電極の温度を高くする温度調節手段を備えた燃料電池を開示している。これは、高温ほど多くの水を含むことができる電解質膜の性質を利用するものであり、カソード電極の温度をアノード電極よりも高くすることで、カソード電極側で高く、アノード電極側で低い水濃度勾配をさらに大きくして、フラッディングの恐れのあるカソード側の生成水が、ドライアップの恐れのあるアノード側に拡散しやすい環境を作りだし、フラッディング及びドライアップを抑制する技術である。上述の温度調節手段としては、以下の2手段が示されている。
(1)第1の手段:アノード側、カソード側のセパレータのそれぞれに、熱伝導率の異なる材料を用いる。
(2)第2の手段:セパレータの内部に、2系統の冷却水流路を備え、アノード側流路とカソード側流路とで、異なる温度の冷却水を流す。
As described above, in the polymer electrolyte fuel cell, it is an essential problem to appropriately secure the moisture content of the electrolyte membrane / electrode assembly, and various countermeasures are taken against the problem. ing. For example, Patent Document 1 below discloses a fuel cell provided with temperature adjusting means for raising the temperature of the cathode electrode higher than that of the anode electrode. This utilizes the property of the electrolyte membrane that can contain more water at higher temperatures. By making the temperature of the cathode electrode higher than that of the anode electrode, the water is higher on the cathode electrode side and lower on the anode electrode side. This technique further increases the concentration gradient and creates an environment in which the water produced on the cathode side that may be flooded is likely to diffuse to the anode side that is likely to be dry-up, and suppresses flooding and dry-up. The following two means are shown as the temperature adjusting means.
(1) First means: Materials having different thermal conductivities are used for each of the anode side and cathode side separators.
(2) Second means: Two cooling water flow paths are provided inside the separator, and cooling water having different temperatures is allowed to flow between the anode side flow path and the cathode side flow path.
しかしながら、上述の第1の手段では、セパレータの材料として優れた導電性や耐食性が求められる中で、材料の選択の自由度は小さくなってしまう。また、上述の第2の手段では、冷却水循環系統の装置が複雑になり、高コスト化、制御の複雑化などを招いていた。 However, in the above-mentioned first means, while excellent conductivity and corrosion resistance are required as a material for the separator, the degree of freedom in selecting the material is reduced. Further, in the second means described above, the cooling water circulation system is complicated, resulting in high cost and complicated control.
上述の種々の問題を考慮し、本発明が解決しようとする課題は、燃料電池の重量化、大型化、複雑化、高コスト化を抑制しつつ、簡単な構成でアノード電極側のドライアップ及びカソード電極側のフラッディングの発生を抑制することである。 In view of the above-mentioned various problems, the problem to be solved by the present invention is to reduce the weight, size, complexity, and cost of the fuel cell while keeping the anode electrode side dry and This is to suppress the occurrence of flooding on the cathode electrode side.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
[適用例1]アノード電極とカソード電極との間に、水を介してプロトンを伝導する電解質膜が配された燃料電池であって、
燃料ガスを供給するアノード側ガス拡散層と前記アノード電極との間に配され、前記アノード側ガス拡散層から前記アノード電極に前記燃料ガスを受け渡すアノード側気孔層と、
酸化ガスを供給するカソード側ガス拡散層と前記カソード電極との間に配され、前記カソード側ガス拡散層から前記カソード電極に前記酸化ガスを受け渡すカソード側気孔層と
を備え、
前記カソード側気孔層は、前記アノード側気孔層よりも大きい熱抵抗を有する
燃料電池。
Application Example 1 A fuel cell in which an electrolyte membrane that conducts protons through water is disposed between an anode electrode and a cathode electrode,
An anode-side pore layer disposed between an anode-side gas diffusion layer for supplying fuel gas and the anode electrode, and delivering the fuel gas from the anode-side gas diffusion layer to the anode electrode;
A cathode-side pore layer that is disposed between a cathode-side gas diffusion layer that supplies an oxidizing gas and the cathode electrode, and delivers the oxidizing gas from the cathode-side gas diffusion layer to the cathode electrode;
The cathode-side pore layer has a larger thermal resistance than the anode-side pore layer.
かかる構成の燃料電池は、カソード側気孔層が、アノード側気孔層よりも大きな熱抵抗を有するので、アノード電極、電解質膜及びカソード電極における電気化学反応により発生した熱は、カソード電極側の方がアノード電極側よりも放熱されにくく、カソード電極側の温度がアノード電極側の温度よりも高くなる。その結果、電解質膜は、生成水が生成されるアカソード側でより多くの水を含むことができるようになり、カソード電極側で高く、アノード電極側で低い水濃度勾配が大きくなるので、水がカソード電極側からアノード電極側へ拡散しやすい環境を作り出すことができる。したがって、簡単な構成で、アノード電極側でのドライアップ及びカソード電極側でのフラッディングの少なくとも一方の発生を抑制することができる。 In the fuel cell having such a configuration, the cathode-side pore layer has a larger thermal resistance than the anode-side pore layer. Therefore, the heat generated by the electrochemical reaction in the anode electrode, the electrolyte membrane, and the cathode electrode is more on the cathode electrode side. It is less likely to dissipate heat than the anode electrode side, and the temperature on the cathode electrode side becomes higher than the temperature on the anode electrode side. As a result, the electrolyte membrane can contain more water on the cathode side where the generated water is generated, and a high water concentration gradient on the cathode electrode side and a low water concentration gradient on the anode electrode side increases. It is possible to create an environment that easily diffuses from the cathode electrode side to the anode electrode side. Accordingly, it is possible to suppress at least one of dry-up on the anode electrode side and flooding on the cathode electrode side with a simple configuration.
[適用例2]適用例1記載の燃料電池であって、アノード側気孔層及びカソード側気孔層は、カーボン部材を含み、カソード側気孔層のカーボン部材の粒径は、アノード側気孔層のカーボン部材の粒径よりも小さい燃料電池。 [Application Example 2] The fuel cell according to Application Example 1, wherein the anode side pore layer and the cathode side pore layer include a carbon member, and the particle size of the carbon member of the cathode side pore layer is the carbon of the anode side pore layer. A fuel cell smaller than the particle size of the member.
かかる構成の燃料電池は、カソード側気孔層が含むカーボン部材の粒径が、アノード側気孔層が含むカーボン部材の粒径よりも小さいので、カソード側気孔層の方がアノード側気孔層よりもカーボン部材同士の接触点が多くなり、熱抵抗が大きくなる。したがって、カソード電極側の温度がアノード電極側の温度よりも高くなるので、カーボン部材の粒径を小さくするという極めて簡単な構成のみで、アノード電極側でのドライアップ及びカソード電極側でのフラッディングの少なくとも一方の発生を抑制することができる。なお、燃料電池の重量化、大型化、複雑化、高コスト化を招くこともない。 In the fuel cell having such a configuration, since the particle size of the carbon member included in the cathode side pore layer is smaller than the particle size of the carbon member included in the anode side pore layer, the cathode side pore layer is more carbon than the anode side pore layer. The contact point between members increases and thermal resistance becomes large. Therefore, since the temperature on the cathode electrode side becomes higher than the temperature on the anode electrode side, the dryness on the anode electrode side and the flooding on the cathode electrode side can be prevented with only a very simple configuration of reducing the particle size of the carbon member. At least one of the occurrences can be suppressed. The fuel cell is not increased in weight, size, complexity, and cost.
[適用例3]アノード側気孔層が含むカーボン部材は、カーボン長繊維を含む適用例2記載の燃料電池。 Application Example 3 The fuel cell according to Application Example 2, wherein the carbon member included in the anode-side pore layer includes carbon long fibers.
かかる構成の燃料電池は、アノード側気孔層が含むカーボン部材に、カーボン長繊維を含むので、アノード側気孔層のカーボン部材同士の接触点が少なくなり、熱抵抗が小さくなる。その結果、アノード側気孔層とカソード側気孔層との熱抵抗の差が大きくなり、しいては、アノード側気孔層とカソード側気孔層の温度差が大きくなるので、より効果的に、アノード電極側でのドライアップ及びカソード電極側でのフラッディングの少なくとも一方の発生を抑制することができる。 In the fuel cell having such a configuration, since the carbon member included in the anode-side pore layer includes carbon long fibers, the number of contact points between the carbon members of the anode-side pore layer is reduced, and the thermal resistance is reduced. As a result, the difference in thermal resistance between the anode-side pore layer and the cathode-side pore layer is increased, and the temperature difference between the anode-side pore layer and the cathode-side pore layer is increased. Generation of at least one of dry-up on the side and flooding on the cathode electrode side can be suppressed.
[適用例4]カソード側気孔層の厚みは、アノード側気孔層の厚みよりも厚い適用例1ないし適用例3のいずれか記載の燃料電池。 Application Example 4 The fuel cell according to any one of Application Examples 1 to 3, wherein the cathode-side pore layer is thicker than the anode-side pore layer.
かかる構成の燃料電池は、カソード側気孔層の厚みがアノード側気孔層の厚みよりも厚いので、カソード側気孔層の方がアノード側気孔層よりも熱抵抗が大きくなる。したがって、カソード電極側の温度がアノード電極側の温度よりも高くなるので、気孔層の厚みを調整する簡単な構成のみで、アノード電極側でのドライアップ及びカソード電極側でのフラッディングの少なくとも一方の発生を抑制することができる。 In the fuel cell having such a configuration, the cathode-side pore layer has a larger thermal resistance than the anode-side pore layer because the cathode-side pore layer is thicker than the anode-side pore layer. Accordingly, since the temperature on the cathode electrode side is higher than the temperature on the anode electrode side, at least one of dry-up on the anode electrode side and flooding on the cathode electrode side can be achieved with only a simple configuration for adjusting the thickness of the pore layer. Occurrence can be suppressed.
[適用例5]適用例1ないし適用例4のいずれか記載の燃料電池であって、少なくとも、カソード側気孔層は、カーボン部材よりも熱抵抗の大きい他の部材を含み、カソード側気孔層における他の部材の混入率は、アノード側気孔層における他の部材の混入率よりも高い燃料電池。 [Application Example 5] The fuel cell according to any one of Application Example 1 to Application Example 4, wherein at least the cathode-side pore layer includes another member having a thermal resistance higher than that of the carbon member. A fuel cell in which the mixing ratio of other members is higher than the mixing ratio of other members in the anode-side pore layer.
かかる構成の燃料電池は、カーボン部材よりも熱抵抗の大きい他の部材の混入率がアノード側気孔層よりもカソード側気孔層で高いので、カソード側気孔層の方がアノード側気孔層よりも熱抵抗が大きくなる。したがって、カソード電極側の温度がアノード電極側の温度よりも高くなるので、他の部材を混入させる簡単な構成のみで、アノード電極側でのドライアップ及びカソード電極側でのフラッディングの少なくとも一方の発生を抑制することができる。 In the fuel cell having such a configuration, since the mixing rate of other members having a higher thermal resistance than the carbon member is higher in the cathode side pore layer than in the anode side pore layer, the cathode side pore layer is hotter than the anode side pore layer. Resistance increases. Therefore, since the temperature on the cathode electrode side is higher than the temperature on the anode electrode side, at least one of dry-up on the anode electrode side and flooding on the cathode electrode side occurs only with a simple configuration in which other members are mixed. Can be suppressed.
A.実施例:
本発明の実施例について説明する。図1は、本発明の実施例としての燃料電池10の構成を示す説明図である。燃料電池10は、固形高分子形の燃料電池である。かかる燃料電池10は、アノード側ガス拡散層31、アノード側撥水層33、電解質膜・電極接合体20、カソード側撥水層34、カソード側ガス拡散層32、セパレータ40が繰り返し複数積層されて構成される。図1には、その積層される一部分を示している。
A. Example:
Examples of the present invention will be described. FIG. 1 is an explanatory diagram showing the configuration of a fuel cell 10 as an embodiment of the present invention. The fuel cell 10 is a solid polymer fuel cell. The fuel cell 10 has a plurality of anode side
電解質膜・電極接合体20は、燃料電池の電気化学反応が行われる部位であり、アノード電極21、電解質膜22、カソード電極23により構成される。電解質膜22は、固体高分子材料により形成されたイオン交換膜であり、湿潤状態では、水と親和したプロトンを良好に伝導する。本実施例においては、フッ素系樹脂を用いた。
The electrolyte membrane /
アノード電極21及びカソード電極23は、導電性を有する担体上に触媒を担持させることによって形成される。本実施例においては、白金触媒を担持したカーボン粒子と、電解質膜22を構成する電解質と同一材質の電解質とを用いて電極ペーストを作製し、この電極ペーストを、電解質膜22に塗布し、乾燥・固着させたものを用いた。
The
アノード側ガス拡散層31及びカソード側ガス拡散層32は、電解質膜・電極接合体20での電気化学反応に供される反応ガス(水素を含有する燃料ガスあるいは酸素を含有する酸化ガス)の流路になると共に、集電を行なうものである。本実施例においては、カーボンペーパーを用いたが、ガス透過性を有する他の導電性部材、例えば、カーボンクロス、カーボンナノチューブ、メタルファイバークロス、金属製多孔体(発泡金属)などを用いてもよい。
The anode-side
アノード側撥水層33及びカソード側撥水層34は、アノード側ガス拡散層31及びカソード側ガス拡散層32よりも微細な気孔を有しており、反応ガスをアノード側ガス拡散層31またはカソード側ガス拡散層32から、アノード電極21またはカソード電極23に受け渡す役割を果たす層であり、特許請求の範囲の気孔層に相当する。また、アノード側撥水層33及びカソード側撥水層34は、電解質膜22の水分量を調節する水分調節機能と、アノード電極21とアノード側ガス拡散層31、あるいはカソード電極23とカソード側ガス拡散層32とが良好に導電するために必要な接触面積を確保する導電機能と、燃料電池10の両端からの締結力等により、アノード側ガス拡散層31及びカソード側ガス拡散層32が電解質膜・電極接合体20を損傷させることを防止する損傷防止機能とも有している。
The anode-side water-
このアノード側撥水層33及びカソード側撥水層34の詳細を図2に示す。本実施例においては、アノード側撥水層33及びカソード側撥水層34は、図示するように、同じ厚みでそれぞれアノード側ガス拡散層31とアノード電極21との間、カソード側ガス拡散層32とカソード電極23との間に形成されている。なお、上述の厚みは、数十μm〜数百μm程度とすることができるが、本実施例においては50μmとした。
Details of the anode-side water-
アノード側撥水層33とカソード側撥水層34は、いずれも、カーボン部材と撥水材を含んで形成される。本実施例においては、カーボン部材としてカーボンブラック、撥水材としてPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)を用いたが、上述の機能を確保できれば、他の材質を用いてもよい。なお、上述の水分量調節機能は必須のものではないので、アノード側撥水層33またはカソード側撥水層34に撥水材を含んでいることも必須ではない。これらのアノード側撥水層33及びカソード側撥水層34は、例えば、上述の材質からなるペーストをアノード電極21またはカソード電極23に吹き付けたり、印刷したりすることにより製造することができる。これらの撥水層が有する気孔は、例えば、0.1μm〜10μm程度である。
Both the anode-side water-
このアノード側撥水層33とカソード側撥水層34は、それぞれが含むカーボン部材の粒径が異なる点に特徴を有する。すなわち、カソード側撥水層34に含まれるカーボン部材の粒径は、アノード側撥水層33に含まれるカーボン部材の粒径よりも小さいものとなっている。その効果については、本発明の効果として後述する。上述のカーボン部材の粒径は、カソード電極23及びカソード側ガス拡散層32、または、アノード電極21及びアノード側ガス拡散層31との接触性(導電性)などを考慮して適宜設定すればよいが、一般的には、0.5μm〜25μm程度で設定される。本実施例においては、カソード側撥水層34のカーボン部材の粒径は1μm、アノード側撥水層33のカーボン部材の粒径は20μmとした。
The anode-side water-
なお、本実施例においては、アノード側撥水層33及びカソード側撥水層34は、アノード側ガス拡散層31及びカソード側ガス拡散層32とは独立した層として形成したが、アノード側ガス拡散層31またはカソード側ガス拡散層32に、上述の反応ガス受け渡し機能、水分調節機能、導電機能、損傷防止機能の少なくとも一つを持たせて、アノード側ガス拡散層31とアノード側撥水層33、カソード側ガス拡散層32とカソード側撥水層34の少なくとも一方を一体的な層として形成してもよい。
In this embodiment, the anode-side water-
ここで説明を図1に戻す。セパレータ40は、反応ガスの流路となるアノード側ガス拡散層31及びカソード側ガス拡散層32の壁面を成す部位であり、集電機能も果たす。電解質膜22に酸性を示す材質を用いる場合には、耐食性も必要となる。本実施例においては、チタンを用いたが、ガス不透過な導電性部材、例えば、ステンレス鋼や、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン、焼成カーボンなどであってもよい。
Here, the description returns to FIG. The
また、セパレータ40は、燃料電池の運転温度を調節するための冷却水流路42をその内部に備えている。本実施例においては、セパレータ40として、アノード電極21側に設けられる平坦なプレートと、カソード電極23側に設けられる平坦なプレートと、それらの間に配置されて、冷却流路となる所定形状の貫通孔が形成された中間プレートとが一体となった3層セパレータを用いた。なお、セパレータ40は、このような構成に限られるものではないく、例えば、表面に凹凸形状を有する2つのプレートが一体となって、その凹凸形状が冷却流路となるものなど、種々の構成のセパレータを用いることができる。
In addition, the
また、各々のセパレータ40の間であって、電解質膜・電極接合体20、アノード側ガス拡散層31及びカソード側ガス拡散層32の外周部には、セル内ガス流路におけるシール性を確保するためのシール部50が、電解質膜・電極接合体20と一体で設けられている。本実施例においては、フッ素ゴムを用いた。
In addition, between the
上述のセパレータ40及びシール部50には、貫通孔が設けられており、これらが連通して、酸化ガス供給マニホールド44、酸化ガス排出マニホールド46を形成している。図示するとおり、酸化ガス供給マニホールド44に供給された酸化ガスとしての酸素は、セパレータ40の内部を通って、カソード側ガス拡散層32に供給され、カソード電極23での燃料電池反応に供される。そして、その排ガス(カソード排ガス)は、カソード側ガス拡散層32からセパレータ40の内部を経由して、酸化ガス排出マニホールド46へと排出される。なお、説明は省略するが、燃料ガスや冷却水についても、図示していない他の断面においてセパレータ40及びシール部50に形成されたマニホールドを通じて、アノード電極21または冷却水流路42に供給され、排出される。
The
かかる構成の燃料電池10は、カソード側撥水層34が含むカーボン部材の粒径が、アノード側撥水層33が含むカーボン部材の粒径よりも小さいので、カソード側撥水層34の方がアノード側撥水層33よりもカーボン部材同士の接触点が多くなり、熱抵抗が大きくなる。すなわち、電気化学反応で生じた熱は、カソード電極23側の方がアノード電極21側よりも放熱されにくく、カソード電極23側の温度がアノード電極21側の温度よりも高くなる。その結果、電解質膜は、生成水が生成されるカソード電極23側でより多くの水を含むことができるようになり、カソード電極23側で高く、アノード電極21側で低い水濃度勾配がさらに大きくなるので、フラッディングの恐れのあるカソード電極23で生成された生成水が、カソード電極23から、ドライアップの恐れのあるアノード電極21側へ拡散しやすい環境を作り出すことができる。したがって、カーボン部材の粒径を小さくするという極めて簡単な構成のみで、アノード電極21側でのドライアップ及びカソード電極23側でのフラッディングの少なくとも一方を抑制することができる。また、カーボン部材の粒径を調整するだけであるので、燃料電池の重量化、大型化、複雑化、高コスト化を招くこともなく、製造も容易であり、燃料電池の部材に求められる導電性にも悪影響を与えない。
In the fuel cell 10 having such a configuration, the particle size of the carbon member included in the cathode side
また、アノード側撥水層33及びカソード側撥水層34のカーボン粒径を調節することで、カソード電極23側とアノード電極21側の温度差を生じさせるので、セパレータ40に、アノード電極21側とカソード電極23側とで異なる材質を用いて温度差を生じさせる場合と比べて、セパレータ40の材質の選択の自由が大きくなり、セパレータ40の低コスト化や軽量化が可能となる。さらに、セパレータ40に金属部材を用いる場合には、アノード電極21側とカソード電極23側とで異なる材質を用いる場合と比べて、アノード電極21側とカソード電極23側との接合が行いやすい。
Further, by adjusting the carbon particle size of the anode-side water-
また、かかる構成の燃料電池10は、燃料電池10のアノード電極21と比べて、反応が起こりにくく、高い活性が必要なカソード電極23側の温度が、アノード電極21側の温度よりも高くなることで、相対的に、カソード電極23の活性を高めることができる。したがって、電気化学反応の反応性を向上させて、効率的な運転を行うことができる。また、同様の理由から、燃料電池10の立ち上げ運転に要する時間を短縮することができる。
Further, in the fuel cell 10 having such a configuration, the reaction is less likely to occur and the temperature on the
B.変形例:
本発明のいくつかの変形例について説明する。
B−1.変形例1:
本実施例においては、アノード側撥水層33とカソード側撥水層34とは、同じカーボン部材(実施例ではカーボンブラック)のみで構成したが、このような構成に限るものではない。例えば、アノード側撥水層33には、カーボンブラックにカーボン長繊維を添加してもよい。カーボン長繊維としては、VGCF(気相成長炭素繊維)、カーボンナノチューブなど種々のものを用いることができる。
B. Variations:
Several modifications of the present invention will be described.
B-1. Modification 1:
In this embodiment, the anode-side water-
このようにすれば、カーボン長繊維には、その繊維長の長さに起因して、カーボン部材間の接触点を減らし、熱抵抗を小さくする効果があるので、アノード側撥水層33の熱抵抗を低減させることができ、実施例に比べて、アノード側撥水層33とカソード側撥水層34との熱抵抗の差を大きくすることができる。すなわち、アノード電極21側の温度とカソード電極23側の温度差を大きくすることができる。したがって、より効果的に、アノード電極21側のドライアップ及びカソード電極23側のフラッディングを抑制することができる。
In this way, the carbon long fiber has the effect of reducing the contact point between the carbon members and reducing the thermal resistance due to the length of the fiber length, so the heat of the anode-side
B−2.変形例2:
本実施例においては、カソード側撥水層34の熱抵抗をアノード側撥水層33よりも大きくする手段として、アノード側撥水層33とカソード側撥水層34に、粒径が異なるカーボン部材(実施例ではカーボンブラック)を用いたが、このような構成に限るものではない。例えば、カソード側撥水層34の、燃料電池10の積層方向の厚みをアノード側撥水層33の厚みよりも厚くする構成としてもよい。例えば、カソード側撥水層34の厚み50μmに対して、アノード側撥水層33の厚みを100μmとしてもよい。カソード側撥水層34の厚みは、カソード電極23における排水性に支障を生じない範囲で、適宜設定すればよい。
B-2. Modification 2:
In this embodiment, as a means for increasing the thermal resistance of the cathode-side water-
このようにしても、厚みの厚いカソード側撥水層34が、アノード側撥水層33よりも熱抵抗が大きくなり、カソード電極23側の温度がアノード電極21側の温度よりも高くなる。したがって、厚みの調整という簡単な構成のみで、アノード電極21側のドライアップ及びカソード電極23側のフラッディングを抑制することができる。勿論、実施例で示した、カソード側撥水層34にアノード側撥水層33よりも粒径が小さいカーボン部材を用いる構成に加え、さらに、本変形例のカソード側撥水層34の厚みをアノード側撥水層33よりも厚くする構成とすれば、より効果的であることは言うまでもない。
Even in this case, the thick cathode-side water-
B−3.変形例3:
また、カソード側撥水層34の熱抵抗をアノード側撥水層33よりも大きくする手段として、少なくとも、カソード側撥水層34にカーボン部材よりも熱抵抗の大きい部材を混入させて、カソード側撥水層34における当該部材の混入率が、アノード側撥水層33よりも高くなるような構成としてもよい。アノード側撥水層33には、当該部材は、カソード側撥水層34よりも低い割合で混入させてもよいし、全く混入させなくてもよい。当該部材としては、例えば、実施例において、アノード側撥水層33及びカソード側撥水層34に添加したPTFEでもよいし、他の樹脂等であってもよい。
B-3. Modification 3:
Further, as a means for increasing the thermal resistance of the cathode-side water-
このようにしても、熱抵抗の大きい部材がより多く混入したカソード側撥水層34が、アノード側撥水層33よりも熱抵抗が大きくなり、カソード電極23側の温度がアノード電極21側の温度よりも高くなる。したがって、混入率の調整という簡単な構成のみで、アノード電極21側のドライアップ及びカソード電極23側のフラッディングを抑制することができる。勿論、実施例や他の変形例の構成と併せた構成とすれば、より効果的であることは言うまでもない。
Even in this case, the cathode-side water-
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を脱しない範囲において、種々なる態様で実施できることは勿論である。例えば、本発明は、実施例に示した水素ガスを燃料とした固体高分子形燃料電池に限らず、ダイレクトメタノール形燃料電池など、水を介してプロトンを伝導する電解質膜を用いた種々の燃料電池に適用することができる。 The embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to such an example, and it is needless to say that the present invention can be implemented in various modes without departing from the gist of the present invention. For example, the present invention is not limited to the polymer electrolyte fuel cell using hydrogen gas as a fuel shown in the examples, but various fuels using an electrolyte membrane that conducts protons through water, such as a direct methanol fuel cell. It can be applied to batteries.
10…燃料電池
20…電解質膜・電極接合体
21…アノード電極
22…電解質膜
23…カソード電極
31…アノード側ガス拡散層
32…カソード側ガス拡散層
33…アノード側撥水層
34…カソード側撥水層
40…セパレータ
42…冷却水流路
44…酸化ガス供給マニホールド
46…酸化ガス排出マニホールド
50…シール部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ...
Claims (5)
燃料ガスを供給するアノード側ガス拡散層と前記アノード電極との間に配され、前記アノード側ガス拡散層から前記アノード電極に前記燃料ガスを受け渡すアノード側気孔層と、
酸化ガスを供給するカソード側ガス拡散層と前記カソード電極との間に配され、前記カソード側ガス拡散層から前記カソード電極に前記酸化ガスを受け渡すカソード側気孔層と
を備え、
前記カソード側気孔層は、前記アノード側気孔層よりも大きい熱抵抗を有する
燃料電池。 A fuel cell in which an electrolyte membrane that conducts protons through water is disposed between an anode electrode and a cathode electrode,
An anode-side pore layer disposed between an anode-side gas diffusion layer for supplying fuel gas and the anode electrode, and delivering the fuel gas from the anode-side gas diffusion layer to the anode electrode;
A cathode-side pore layer that is disposed between a cathode-side gas diffusion layer that supplies an oxidizing gas and the cathode electrode, and delivers the oxidizing gas from the cathode-side gas diffusion layer to the cathode electrode;
The cathode-side pore layer has a larger thermal resistance than the anode-side pore layer.
前記アノード側気孔層及び前記カソード側気孔層は、カーボン部材を含み、
前記カソード側気孔層のカーボン部材の粒径は、前記アノード側気孔層のカーボン部材の粒径よりも小さい
燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein
The anode side pore layer and the cathode side pore layer include a carbon member,
The fuel cell, wherein a particle size of the carbon member of the cathode side pore layer is smaller than a particle size of the carbon member of the anode side pore layer.
少なくとも、前記カソード側気孔層は、前記カーボン部材よりも熱抵抗の大きい他の部材を含み、
前記カソード側気孔層における前記他の部材の混入率は、前記アノード側気孔層における前記他の部材の混入率よりも高い
燃料電池。 A fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein
At least the cathode-side pore layer includes another member having a higher thermal resistance than the carbon member,
The fuel cell has a higher mixing rate of the other member in the cathode-side pore layer than a mixing rate of the other member in the anode-side pore layer.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007214861A JP2009048905A (en) | 2007-08-21 | 2007-08-21 | Fuel cell |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007214861A JP2009048905A (en) | 2007-08-21 | 2007-08-21 | Fuel cell |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2009048905A true JP2009048905A (en) | 2009-03-05 |
Family
ID=40500935
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2007214861A Pending JP2009048905A (en) | 2007-08-21 | 2007-08-21 | Fuel cell |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2009048905A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2014209441A (en) * | 2013-03-26 | 2014-11-06 | 本田技研工業株式会社 | Electrolyte membrane-electrode structure |
JP2018014338A (en) * | 2013-03-26 | 2018-01-25 | 本田技研工業株式会社 | Manufacturing method of electrolyte membrane / electrode structure |
-
2007
- 2007-08-21 JP JP2007214861A patent/JP2009048905A/en active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2014209441A (en) * | 2013-03-26 | 2014-11-06 | 本田技研工業株式会社 | Electrolyte membrane-electrode structure |
JP2018014338A (en) * | 2013-03-26 | 2018-01-25 | 本田技研工業株式会社 | Manufacturing method of electrolyte membrane / electrode structure |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4956870B2 (en) | Fuel cell and fuel cell manufacturing method | |
JP2010021056A (en) | Fuel cell and method for manufacturing same | |
JP5210096B2 (en) | Direct oxidation fuel cell | |
JP2009026762A (en) | Porous transportation structure for direct oxidization fuel cell system operated by enriched fuel | |
JP5198044B2 (en) | Direct oxidation fuel cell | |
JP2010205723A (en) | Mea for fuel cell and fuel cell stack containing this | |
JP5124900B2 (en) | Fuel cell having a stack structure | |
KR100969476B1 (en) | Membrane-electrode assembly for fuel cell and fuel cell | |
JP5310730B2 (en) | Fuel cell | |
JP2008027810A (en) | Fuel cell, membrane-electrode assembly for fuel cell, and method for producing fuel cell | |
JP5066911B2 (en) | FUEL CELL AND METHOD FOR PRODUCING THE FUEL CELL | |
JP2009048905A (en) | Fuel cell | |
JP2005222720A (en) | Fuel cell | |
JP2009043688A (en) | Fuel cell | |
JP5029897B2 (en) | Fuel cell | |
JP4476558B2 (en) | Fuel cell and manufacturing method thereof | |
JP4923386B2 (en) | Fuel cell with porous separator | |
JP2008041352A (en) | Gas diffusion layer and fuel cell | |
JP2008146897A (en) | Fuel cell separator and fuel cell | |
JP4635462B2 (en) | Fuel cell with porous separator | |
CN100405647C (en) | direct fuel cell | |
JP2009043623A (en) | Fuel cell | |
JP2013097872A (en) | Fuel cell separator | |
JP2006012546A (en) | Fuel cell | |
JP2009146700A (en) | Fuel cell |