JP2016058206A - 燃料電池セル - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電解質膜10と、アノード触媒層21及びカソード触媒層22と、アノードガス拡散層31及びカソードガス拡散層32と、第1セパレータ41及び第2セパレータ42と、を備え、第1セパレータ41(第2セパレータ42)は、第1凸部411(第2凸部421)を有し、第1凸部411(第2凸部421)は、第1セパレータ41(第2セパレータ42)の端部近傍に延設される第1端部凸部411a(第2端部凸部421a)と、内側に延設される第1内側凸部411b(第2内側凸部421b)と、を含み、第1端部凸部411a(第2端部凸部421a)は、第1内側凸部411b(第2内側凸部421b)よりも、先端から電解質膜10までの積層方向における距離が短い燃料電池セル1。
【選択図】図1B
Description
これにより、ガス拡散層が平面方向の内側よりも端部近傍において、セパレータにより強く積層方向から挟持されるので、ガス拡散層の端部近傍から電解質膜内へガスが拡散し難くなる。本発明に係る燃料電池セルは、電解質膜に燃料ガス(水素)及び酸化剤ガス(酸素)が拡散し難くなることで、これらのガスが反応することによってヒドロキシルラジカルが生成するのを抑えることができる。従って、本発明に係る燃料電池セルは電解質膜の化学的な劣化を抑えることができる。
図1A及び図1Bは、本発明の一実施形態に係る燃料電池セル1の断面図である。この燃料電池セル1は、例えば電極面を水平にして鉛直方向に複数積層されることで、燃料電池スタックを構成する。積層された燃料電池セル1には、所定の締め付け荷重が付与されるため、燃料電池セル1の電極面には所定の面圧が付与される。
アノードガス拡散層31は、電解質膜10よりも平面寸法が小さく、アノード触媒層21よりも平面寸法が大きい。
カソードガス拡散層32は、電解質膜10と平面寸法が同じであり、アノード触媒層21よりも平面寸法が大きい。
第1凸部411は、第1セパレータ41の端部近傍に延設される第1端部凸部411aと、第1端部凸部411aよりも第1セパレータ41の平面方向の内側に延設される第1内側凸部411bと、を含む。第1端部凸部411aは、アノードガス拡散層31の端部を押圧する。より具体的には、第1端部凸部411aは、アノード触媒層21よりも平面方向の外側においてアノードガス拡散層31を押圧する。
第2凸部421は、第2セパレータ42の端部近傍に延設される第2端部凸部421aと、第2端部凸部421aよりも第2セパレータ42の平面方向の内側に延設される第2内側凸部421bと、を含む。第2端部凸部421aは、膜電極構造体50を介して第1端部凸部411aと対向し、カソードガス拡散層32の端部を押圧する。より具体的には、第2端部凸部421aは、カソード触媒層22よりも平面方向の外側においてカソードガス拡散層32を押圧する。第2内側凸部421bは、膜電極構造体50を介して第1内側凸部411bと対向する。
まず、膜電極構造体50を作製する。具体的には、アノード触媒又はカソード触媒と、溶媒との混合物に、バインダー溶液を投入し、所定のインク粘度になるまで混合することで、アノード電極インク及びカソード電極インクを調製する。
次いで、調製した各電極インクを、PETフィルムからなるPETシート上にスクリーン印刷により塗工することで、アノード電極シート及びカソード電極シートを作製する。
次いで、両電極シートで電解質膜10(例えばデュポン社製の「ナフィオン」)を挟持してホットプレスする。その後、PETシートを剥がすことにより、電解質膜10の一方の面にアノード触媒層21が形成され、他方の面にカソード触媒層22が形成される。
以上により、本実施形態に係る燃料電池セル1が作製され、これをスタックすることで燃料電池スタックが作製される。
まず、図示しない酸化剤ガス供給装置により、酸化剤ガスを燃料電池スタックに供給する。すると、供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路423を流通する。これにより、カソード電極52に酸化剤ガスが供給される。なお、酸化剤ガスは、カソードガス拡散層32の端部と外側シール部材62との間に形成される空間にも若干流通する。
一方、図示しない燃料ガス供給装置により、燃料ガスを燃料電池スタックに供給する。すると、供給された燃料ガスは、燃料ガス流路413を流通する。これにより、アノード電極51に燃料ガスが供給される。なお、燃料ガスは、アノードガス拡散層31の端部と内側シール部材61との間に形成される空間にも若干流通する。
本実施形態では、第1端部凸部411a(第2端部凸部421a)の先端から電解質膜10までの積層方向における距離D11(距離D21)を、第1内側凸部411b(第2内側凸部421b)の先端から電解質膜10までの積層方向における距離D12(距離D22)よりも短くした。
これにより、アノードガス拡散層31(カソードガス拡散層32)が平面方向の内側よりも端部近傍において、第1セパレータ41(第2セパレータ42)により強く積層方向から挟持されるので、アノードガス拡散層31(カソードガス拡散層32)の端部近傍から電解質膜10内へガスが拡散し難くなる(図1B)。燃料電池セル1は、電解質膜10に燃料ガス(水素)及び酸化剤ガス(酸素)が拡散し難くなることで、これらのガスが反応することによってヒドロキシルラジカルが生成するのを抑えることができる。従って、燃料電池セル1は電解質膜10の化学的な劣化を抑えることができる。
アノードガス拡散層31(カソードガス拡散層32)の端部付近において、アノード触媒層21(カソード触媒層22)を介さずに電解質膜10に接触する部分が存在する場合、電解質膜10にガスが拡散しやすくなる。本実施形態では、このような燃料電池セル1において、アノードガス拡散層31(カソードガス拡散層32)の電解質膜10に直接接触する部分を第1端部凸部411a(第2端部凸部421a)で押圧することで、電解質膜10の化学的な劣化を抑える効果をより顕著に発揮できる。
これにより、第1端部凸部411a(第2端部凸部421a)の延設方向全体に亘って電解質膜10の端部に燃料ガス(水素)及び酸化剤ガス(酸素)が拡散し難くなることから、これらのガスが反応することによってヒドロキシルラジカルが生成するのをより強く抑えることができる。従って、燃料電池セル1は電解質膜10の化学的な劣化をより強く抑えることができる。
上記実施形態においては、第1セパレータ41及び第2セパレータ42が金属セパレータであるものとしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、第1セパレータ41及び第2セパレータ42を、カーボンからなる薄板を切削加工することで製造されるカーボンセパレータとしてもよい。
10…電解質膜
21…アノード触媒層(触媒層)
22…カソード触媒層(触媒層)
31…アノードガス拡散層(拡散層)
32…カソードガス拡散層(拡散層)
41…第1セパレータ(セパレータ)
411…第1凸部(凸部)
411a…第1端部凸部(端部凸部)
411b…第1内側凸部(内側凸部)
42…第2セパレータ(セパレータ)
421…第2凸部(凸部)
421a…第2端部凸部(端部凸部)
421b…第2内側凸部(内側凸部)
Claims (3)
- 電解質膜と、
前記電解質膜の両面に積層される一対の触媒層と、
前記一対の触媒層の外側面に積層される一対のガス拡散層と、
前記一対のガス拡散層の外側面に積層される一対のセパレータと、を備え、
前記一対のセパレータは、ガス拡散層側に向かって突出して延設され且つ先端が前記ガス拡散層を押圧する複数の凸部を有し、
前記凸部は、前記セパレータの端部近傍に延設される端部凸部と、前記端部凸部よりも前記セパレータの平面方向の内側に延設される内側凸部と、を含み、
前記端部凸部は、前記内側凸部よりも、先端から前記電解質膜までの積層方向における距離が短い燃料電池セル。 - 前記ガス拡散層は、該ガス拡散層の積層される前記触媒層よりも平面寸法が大きく、
前記端部凸部は、前記触媒層よりも平面方向の外側において前記ガス拡散層を押圧する請求項1記載の燃料電池セル。 - 前記端部凸部は、延設方向全体に亘って前記内側凸部よりも先端から前記電解質膜までの積層方向における距離が短い請求項1又は2記載の燃料電池セル。
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