JP2004185904A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明はスタック構造を有する燃料電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、エネルギー変換効率が高く、かつ発電反応により有害物質を発生しない電源として、燃料電池が注目を浴びている。こうした燃料電池の一つとして、100℃以下の低温で作動する固体高分子型燃料電池が知られている。
【0003】
図7は、従来の一般的な固体高分子型燃料電池の原理を説明するための説明図である。
【0004】
固体高分子型燃料電池は、図7に示すように、電解質膜である固体高分子膜を燃料極と空気極との間に配した基本構造を有し、燃料極に水素、空気極に酸素を供給し、以下の電気化学反応により発電する装置である。
【0005】
燃料極:H2→2H++2e− (1)
空気極:1/2O2+2H++2e−→H2O (2)
燃料極および空気極は、触媒層とガス拡散層が積層した構造からなる。各電極の触媒層が固体高分子膜を挟んで対向配置され、燃料電池を構成する。触媒層は、触媒を担持した炭素粒子がイオン交換樹脂により結着されてなる層である。ガス拡散層は酸素や水素の通過経路となる。発電反応は、触媒層における触媒、イオン交換樹脂および水素のいわゆる三相界面において進行する。
【0006】
燃料極においては、供給された燃料中に含まれる水素が上記式(1)に示されるように水素イオンと電子に分解される。このうち水素イオンは固体高分子電解質膜の内部を酸素極に向かって移動し、電子は外部回路を通って酸化剤極(空気極)に移動する。一方、酸化剤極においては、酸素極(空気極)に供給された酸化剤(空気)に含まれる酸素が燃料極から移動してきた水素イオンおよび電子と反応し、上記式(2)に示されるように水が生成する。このように、外部回路では燃料極から空気極に向かって電子が移動するため、電力が取り出される。
【0007】
図8は、スタック構造燃料電池を構成する単位セルの構造を示す図である。この単位セルでは、固体の高分子膜の一方の面に燃料極触媒層とガス拡散層を、かつ他方の面に空気極触媒層とガス拡散層を配した構造を有する。この構造を(MEA/Membrane Electrode Assembly)とよぶ。このMEAと、反応ガスである燃料ガスの流路を含む燃料極セパレータと、空気の流路を含む空気極セパレータとが積層して単位セルを構成する。単位セル間には、水セパレータ(冷却板)が配設される。
【0008】
図9は、セルスタック構成を示す断面図である。図9に示すように、電池本体を形成するセルスタックは、図8に示すような基本的なセルを複数個積層して成る(但し、図9に記載のセルは、図8に記載のセルとは完全に同じ構成ではない)。セルスタックの両端には金属の集電板を配置し、これを外部電流取り出し端子としている。
【0009】
こうしたセルスタックにおいては、セル内の発熱を抑えることが重要な技術的課題となる。空気極においては水を精製する発熱反応が進行する。この発熱によりセル内の水分が蒸発して、空気極や燃料極のガスにより蒸発した水分が外部へ排出されるようになる。こうしてセル内の水分が不足がちになると、水素イオン導電性が低下し、電池の出力が低下することとなる。こうしたことからセルの発熱を効果的に抑制する技術が求められている。
【0010】
特許文献1には、こうした電池反応による発熱を抑制する技術の一例が記載されている。この文献に記載されている燃料電池は、単位セルと燃料電池用セパレータとを交互に積層した燃料電池スタック本体を有しており、単位セルや燃料電池用セパレータの積層方向に沿って冷却水を通すための冷却水用マニホールドが設けられている。
【0011】
【特許文献1】
特開2001−6714号公報
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献1の記載にみられるような従来の技術では、必ずしも充分な冷却効率を得ることは困難であった。特に、発熱反応量の多い空気極側において発熱による水分の乾燥が顕著となる。
【0013】
また、従来の燃料電池にあっては、燃料電池の作動条件管理が複雑になり、特に水分管理が難しくなる。このため、電池出力を安定化させることは容易ではなかった。さらに、上記従来の燃料電池にあっては、燃料電池全体の発熱量が高まるので、充分な冷却能力を得ようとすると、そのために要する機構が複雑で大規模となり、装置の小型化が困難となる。
【0014】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、燃料電池の発熱を有効に抑え、使用中の出力低下が効果的に抑制された燃料電池を提供することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池は、固体電解質膜の一方の面に燃料極、他方の面に空気極を配した複数の単位セルが複数積層され、一の単位セルの空気極と、隣接する他の単位セルの燃料極との間に冷却流路が配置されたスタック構造の燃料電池であって、
前記一の単位セルの空気極および前記他の単位セルの燃料極のうち、いずれか一方の電極に対する前記冷却流路の除熱能力が、他方の電極に対する前記冷却流路の除熱能力よりも大きくなるように構成されたことを特徴とする。
【0016】
本発明によれば、冷却流路に隣接する一方の電極に対して他方の電極よりも優先的に冷却するように構成されている。一般に、燃料電池の各電極は、一方が他方よりもより多く発熱する。水素を燃料とする場合、空気極の発熱が大きくなり、メタノール等の液体燃料を用いる場合、燃料極の発熱が大きくなる。本発明は、こうした、より発熱の大きい電極に対し冷却効果を多く配分するものである。これにより、燃発熱量が大きい電極側の温度上昇を有効に抑制することができる。この結果、電池使用時において、電池出力が経時的に低下することを有効に抑制することができる。
【0017】
本発明の燃料電池において、前記一方の電極は、前記他方の電極よりも、高い熱伝導性を有する構成とすることができる。こうすることにより、空気極側の温度上昇をより効果的に抑制することができる。
たとえば、前記一方の電極の厚みが、前記他方の電極の厚みよりも薄い構成とすることができる。電極を構成する材料がほぼ同じであれば厚みを薄くすることにより熱伝導性を向上させることができる。
また、前記一方の電極は、良熱伝導性充填材を含むガス拡散層を備える構成とすることができる。電極は、通常、ガス拡散層と触媒層とを含む構成を有しており、このガス拡散層に良熱伝導性充填材を導入することにより熱伝導性を向上させることができる。
【0018】
また本発明の燃料電池において、前記一方の電極と前記冷却流路との間の距離が、前記他方の電極と前記冷却流路との間の距離よりも短い構成とすることができる。こうすることにより、空気極側の温度上昇をより効果的に抑制することができる。ここでいう「距離」とは、各電極を固体電解質膜の側から触媒層および拡散層がこの順で積層した構成とする場合は拡散層と冷却流路との距離をいうが、さらに触媒層から冷却流路との距離に着目し、前記一方の電極の触媒層と前記冷却流路との間の距離が、前記他方の電極の触媒層と前記冷却流路との間の距離よりも短い構成とすれば、より確実に本発明の意図する冷却効果が得られる。
【0019】
また本発明において、前記一の単位セルと前記他の単位セルとの間に前記冷却流路を備える冷却プレートが配置されており、前記冷却プレートは、前記一方の電極に隣接する、空気の流路および冷却水の通る流路溝を有する第一のプレートと、前記他方の電極に隣接する、燃料ガスの流路および冷却水の通る流路溝を有する第二のプレートとが、前記流路溝の設けられた面同士が当接する状態で積層した構造を有し、それぞれのプレートの流路溝が一体となって前記冷却流路を構成しているようにすることができる。この構成を採用した場合、一つのプレートに冷却水の通る流路溝と燃料ガスや空気の通る流路とが形成されるため、冷却流路による冷却効果がより顕著となる。このため、電池使用時において、電池出力が経時的に低下することをさらに有効に抑制することができる。
本発明において、前記一方の電極が空気極であり、前記他方の電極が燃料極である構成とすることができる。燃料を水素とする場合、空気極側の発熱が燃料極側の発熱より大きくなるため、かかる構成が有効である。
本発明において、前記一方の電極が燃料極であり、前記他方の電極が空気極である構成とすることができる。燃料をメタノール等の液体燃料とする場合、燃料極側の発熱が空気極側の発熱より大きくなるため、かかる構成が有効である。
【0020】
【発明の実施の形態】
本発明は、単位セルの構成部材のうち、特に発熱量の大きい空気電極の冷却効率を高めるものである。具体的手段として以下のものが例示される。
【0021】
(i)空気極側、特にガス拡散層の熱伝導性を燃料極側、特にガス拡散層の熱伝導性よりも高くする。さらに、これを具体化する手段として、空気極のガス拡散層の厚みを燃料極のガス拡散層の厚みよりも薄くしたり、空気極触媒層とそのガス拡散層に、燃料極触媒層とそのガス拡散層よりも多くの良熱伝導性材料を加えたり、気孔率を下げたりする。
【0022】
(ii)空気極と冷却水との間の物理的な距離を、燃料極と冷却水との間の物理的な距離よりも短くすることにより、冷却水による空気極における冷却効果を燃料極における冷却効果よりも高める。
【0023】
(iii)空気極側の冷却水と冷却プレートとの接触面積を燃料極側の冷却水と冷却プレートとの接触面積よりも大きくする。
【0024】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【0025】
〔第1の実施形態〕
本実施形態は、スタックを構成する各単位セルの空気極を燃料極よりも薄く形成することにより、空気極の熱伝導性を燃料極のそれよりも高くし、空気極の冷却効率を高めている。
【0026】
図1は、第1の実施形態の燃料電池の単位セルを示す構成図である。
【0027】
同図において、本実施形態の燃料電池の単位セルは、固体高分子で形成された電解質膜10と、電解質膜10の一方の側に配置された燃料極11と、電解質膜10の他方の側に配置された空気極12とを備えて構成されている。
【0028】
空気極12のガス拡散層の厚みは、燃料極11のガス拡散層の厚みよりも薄く形成するものとする。なお、この厚みの低減率は、少なくとも2割以上となるように構成することが可能である。
【0029】
電解質膜10は、イオン交換樹脂を用いて形成することが可能である。
【0030】
以下、本実施形態の燃料電池の単位セル回りの冷却効果に関する機能を説明する。
【0031】
空気極12のガス拡散層の厚みは、燃料極11のガス拡散層の厚みよりも薄くなるように形成されているので、空気極12側のガス拡散層の熱伝導性は、燃料極11側のガス拡散層の熱伝導性よりも高くなる(この場合は熱伝導速度が速まる)。このため、冷却水からの冷却効果は、空気極12側において大きくなり、発熱量の大きい空気極12側の温度上昇を抑制することができる。
【0032】
図2は、第1の実施形態に係る単位セルを用いた燃料電池の断面構造を模式的に示す。
【0033】
図2に示す燃料電池は、平板状の単位セル150を備え、この単位セル150の両側にはセパレータ134およびセパレータ136が設けられる。この例では1つの単位セル150のみを示すが、セパレータ134やセパレータ136を介して複数の単位セル150を積層して、燃料電池が構成されてもよい(後述の図4参照)。
【0034】
単位セル150は、固体高分子から成る電解質膜10、燃料極11および空気極12とを有する(図1参照)。
【0035】
なお、図2では理解の容易のため燃料極11と空気極12とに厚みの差は見られないように描かれているが、本実施形態の場合、実際には、図1に示したように燃料極11よりも空気極12の厚みは薄く形成されている。
【0036】
燃料極11は、積層した触媒層130およびガス拡散層132を有し、空気極12も、積層した触媒層126およびガス拡散層128を有する。燃料極11の触媒層130と空気極12の触媒層126は、固体高分子から成る電解質膜10を挟んで対向するように設けられる。
【0037】
燃料極11側に設けられるセパレータ136にはガス流路140が設けられており、このガス流路140を通じて単位セル150に燃料ガスが供給される。同様に、空気極12側に設けられるセパレータ134にもガス流路138が設けられ、このガス流路138を通じて単位セル150に酸素が供給される。より具体的には、この燃料電池の運転時、ガス流路140から燃料極11に改質ガス、例えば水素ガスが供給され、ガス流路138から空気極12に酸化剤ガス、例えば空気が供給される。これにより、単位セル150内で発電反応が生じる。
【0038】
ガス拡散層132を介して触媒層130に水素ガスが供給されると、ガス中の水素がプロトンとなり、このプロトンが固体高分子から成る電解質膜10中を空気極12側へ移動する。このとき燃料極11から放出される電子は外部回路に移動し、外部回路を介して空気極12に流れ込む。一方、ガス拡散層128を介して触媒層126に空気が供給されると、酸素イオンがプロトンと結合して水となる。この結果、外部回路においては燃料極11から空気極12に向かって電子が流れることとなり、電力を取り出すことができる。
【0039】
固体高分子から成る電解質膜10は、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示し、燃料極11および空気極12の間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能する。この電解質膜10は、含フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成することが可能であり、例えば、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例として、ナフィオン(デュポン社製:登録商標)112などが挙げられる。
【0040】
燃料極11におけるガス拡散層132および空気極12におけるガス拡散層128は、供給される水素ガス又は空気を触媒層130および触媒層126に供給する機能をもつ。また発電反応により生じる電荷を外部回路に移動させる機能や、水や未反応ガスなどを外部に放出する機能ももつ。ガス拡散層132およびガス拡散層128は、電子伝導性を有する多孔体で構成されることが好ましく、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロスなどで構成することができる。
【0041】
燃料極11における触媒層130および空気極12における触媒層126は、多孔膜であり、イオン交換樹脂粒子と、触媒を担持した炭素粒子とから構成されるのが好ましい。イオン交換樹脂粒子は、触媒を担持した炭素粒子と固体高分子から成る電解質膜10を電気的に接続させる機能をもつ。燃料極11においてはプロトン透過性を要求され、また空気極12においては酸素透過性を要求される。イオン交換樹脂粒子は、電解質膜10と同様の高分子材料から形成されてよい。触媒としては、白金、ルテニウム、ロジウムあるいはこれらの合金等が例示される。また触媒を担持する炭素粒子としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブなどが例示される。なお、空気極12における触媒層126には、適宜、熱伝導性を向上させる添加剤を加えてもよい。
【0042】
以下、単位セル150の作製方法の一例を示す。まず、燃料極11および空気極12を作製するべく、白金などの触媒を、例えば含浸法を用いて炭素粒子に担持させる。次に、触媒を担持する炭素粒子とイオン交換樹脂粒子とを溶媒に分散させて触媒インクを生成する。この触媒インクをガス拡散層となる例えばカーボンペーパーに塗布して加熱、乾燥させることにより、燃料極11および空気極12を作製する。塗布方法は、例えば刷毛塗りやスプレー塗布の技術を用いてもよい。
【0043】
続いて、固体高分子から成る電解質膜10を、燃料極11の触媒層130と空気極12の触媒層126とで挟み、ホットプレスして接合する。これにより、単位セル150が作製される。固体高分子から成る電解質膜10や、触媒層130および触媒層126におけるイオン交換樹脂粒子を軟化点やガラス転移のある高分子材料で構成する場合、軟化温度やガラス転移温度を超える温度でホットプレスを行うことが好ましい。
【0044】
図3は、第1の実施形態に係る単位セルの詳細断面構造を模式的に示す。
【0045】
図4は、第1の実施形態に係る燃料電池のスタック構造の構成を模式的に示す。
【0046】
前述の図1に示す単位セルは、図4の単位セル15に対応し、固体高分子で形成された電解質膜10と、この電解質膜10の一方の側に配置された燃料極11の触媒層および拡散層16と、電解質膜10の他方の側に配置された空気極12の触媒層および拡散層16とからなっている。単位セル15の空気極側には空気流路18を備えたプレートが配され、燃料極側には燃料流路17を備えたプレートが配されている。このプレートと接するように循環水流路151の設けられたプレートが配されている。
【0047】
この実施形態によれば、空気極12のガス拡散層の厚みを、燃料極11のガス拡散層の厚みよりも薄く形成したことにより、空気極12側のガス拡散層の熱伝導性を、燃料極11側のガス拡散層の熱伝導性よりも高くすることができる。このため、冷却水等の冷却水による冷却効果は、空気極12側において大きくなり、燃料極11側に比べて発熱量の大きい空気極12側の温度上昇をより効果的に抑制することができる。この結果、電池使用時において、電池出力が経時的に低下することを有効に抑制することができる。
【0048】
なお、本実施形態では、空気極12側の熱伝導度を高める手段として、空気極12のガス拡散層の厚みを燃料極11の厚みよりも薄くしたが、一般に、本発明では、双方の電極の形状やサイズ、材質を違えることにより、発熱量の大きい電極の温度上昇を抑止することが可能である。
また、空気極12のガス拡散層に、カーボン等の良熱伝導性充填材を含有させてもよい。こうすることによって、空気極の冷却をより効率的に行うことができる。
【0049】
〔第2の実施形態〕
図5は、第2の実施形態の燃料電池の構成を模式的に示す。
【0050】
同図において、本実施形態の燃料電池は、複数の単位セルと、燃料流路23と、空気流路24と、循環水流路25と、ガスケット26と、燃料極冷却プレート27と、空気極冷却プレート28とを具備して構成される。
【0051】
単位セルは、固体高分子で形成された電解質膜20と、電解質膜20の一方の側に配置された燃料極21と、電解質膜20の他方の側に配置された空気極22とを具備する。
【0052】
燃料流路23は、燃料極21を格納した燃料極冷却プレート27内に形成されている。また、空気流路24は、空気極22を格納した空気極冷却プレート28内に形成されている。循環水流路25の配置は、循環水流路25と燃料極21との間の物理的な距離をaとし、循環水流路25と空気極22との間の物理的な距離をbとする時、a>bなる条件を満たす配置とする。また、本実施形態では、燃料極21および空気極22は、いずれも固体電解質膜の側から触媒層および拡散層がこの順で積層した構成となっており、循環水流路25と燃料極21触媒層との間の物理的な距離をAとし、循環水流路25と空気極22触媒層との間の物理的な距離をBとする時、A>Bなる条件も満たしている。なお、aはbよりも少なくとも2割以上長くなるように構成するとよい。またAはBよりも少なくとも2割以上長くなるように構成するとよい。図5にも見られるように、循環水流路25を空気極冷却プレート28内だけに配置することも可能である。電解質膜20は、イオン交換樹脂を用いて形成することが可能である。
【0053】
なお、本実施形態に係る燃料電池の断面構造は図2に示す燃料電池の断面構造に、セルの断面構造は図3に示すセルの断面構造に、スタック構造は図4に示す燃料電池のスタック構造に、それぞれ準ずるものであるので、説明は省略する。
【0054】
以下、本実施形態の燃料電池の単位セル回りの冷却効果に関する機能を説明する。
【0055】
循環水流路25と空気極22との間の物理的な距離bは、循環水流路25と燃料極21との間の物理的な距離aよりも短いので、空気極22の方が燃料極21よりも近い距離で冷却水と接することになり、空気極22の方が燃料極21よりも冷却水の冷却効果が大きく作用することになる。その結果、発熱量の大きい空気極22側の温度上昇を有効に抑制することができる。
【0056】
すなわち本実施形態によれば、循環水流路25と空気極22との間の物理的な距離bは、循環水流路25と燃料極21との間の物理的な距離aよりも短く形成したことにより、冷却水による空気極22の冷却効果を、燃料極21の冷却効果よりも高めることができる。このため、燃料極21側に比べて発熱量の大きい空気極22側の温度上昇を抑制するので、電池使用時において、電池出力が経時的に低下することを有効に抑制することができる。
【0057】
〔第3の実施形態〕
本実施形態は、一の単位セルの空気極と、他の単位セルの燃料極との間に循環水流路を設けたものである。この循環水流路を前記空気極よりに設けている。図6は、本実施形態の燃料電池の構成を模式的に示す。同図において、本実施形態の燃料電池は、複数の単位セルと、燃料流路33と、空気流路34と、循環水流路35と、ガスケット36と、燃料極冷却プレート37と、空気極冷却プレート38とを具備して構成される。単位セルは、固体高分子で形成された電解質膜30と、電解質膜30の一方の側に配置された燃料極31と、電解質膜30の他方の側に配置された空気極32とを具備する。
【0058】
燃料流路33は、燃料極31を格納した燃料極冷却プレート37内に形成されている。また、空気流路34は、空気極32を格納した空気極冷却プレート38内に形成されている。セルを冷却するための循環水流路35は、燃料極冷却プレート37及び空気極冷却プレート38の張り合わせ部39に形成される。即ち、燃料極冷却プレート37に形成された溝状の流路と、空気極冷却プレート38に形成された溝状の水流路とが張り合わせ部39において合体し、循環水流路35が構成されるようになっている。空気極側の水流路が燃料極側の水流路よりも深溝に形成されているため、空気極32の方が燃料極31よりも近い距離で冷却水(水)と接することとなる。この結果、空気極32の方が燃料極31よりもより有効に温度上昇が抑制される。
【0059】
なお、本実施形態に係る燃料電池の断面構造は図2に示す燃料電池の断面構造に、セルの断面構造は図3に示すセルの断面構造に、スタック構造は図4に示す燃料電池のスタック構造に、それぞれ準ずるものであるので、説明は省略する。
【0060】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の燃料電池によれば、固体高分子形燃料電池において、冷却水による空気極の冷却効果を、冷却水による燃料極の冷却効果よりも高めることができる。このため、燃料極側に比べて発熱量が大きい空気極側の温度上昇を抑制することができるので、電池使用時において、電池出力が経時的に低下することを有効に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態の燃料電池の単位セルを示す構成図である。
【図2】第1の実施形態に係る単位セルを用いた燃料電池の断面構造を模式的に示す図である。
【図3】第1の実施形態に係る単位セルの詳細断面構造を模式的に示す図である。
【図4】第1の実施形態に係る燃料電池のスタック構造の構成を模式的に示す図である。
【図5】第2の実施形態の燃料電池の構成を模式的に示す図である。
【図6】第3の実施形態の燃料電池の構成を模式的に示す図である。
【図7】従来の一般的な固体高分子型燃料電池の原理を説明するための説明図である。
【図8】従来の一般的な固体高分子型燃料電池の基本的な単位セルの構成を示す断面図である。
【図9】従来の一般的な固体高分子型燃料電池の本体におけるセルスタック構成を示す断面図である。
【符号の説明】
10 電解質膜、 11 燃料極、 12 空気極、 15 単位セル、 16 拡散層、 17 燃料流路、 18 空気流路、 20 電解質膜、 21燃料極、 22 空気極、 23 燃料流路、 24 空気流路、 25 循環水流路、 26 ガスケット、 27 燃料極冷却プレート、 28 空気極冷却プレート、 30 電解質膜、 31 燃料極、 32 空気極、 33 燃料流路、 34 空気流路、 35 循環水流路、 36 ガスケット、 37 燃料極冷却プレート、 38 空気極冷却プレート、 39 張り合わせ部、 126 触媒層、 130 触媒層、 132 ガス拡散層、 134 セパレータ、 138 ガス流路、 140 ガス流路、 128 ガス拡散層、
150 単位セル、 151 循環水流路。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell having a stack structure.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, fuel cells have attracted attention as a power source that has high energy conversion efficiency and does not generate harmful substances due to power generation reactions. As one of such fuel cells, a polymer electrolyte fuel cell that operates at a low temperature of 100 ° C. or less is known.
[0003]
FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining the principle of a conventional general polymer electrolyte fuel cell.
[0004]
As shown in FIG. 7, the polymer electrolyte fuel cell has a basic structure in which a solid polymer membrane, which is an electrolyte membrane, is disposed between a fuel electrode and an air electrode. Is a device that generates electricity by the following electrochemical reaction.
[0005]
Fuel electrode: H 2 → 2H + + 2e - (1)
Air electrode: 1 / 2O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O (2)
The fuel electrode and the air electrode have a structure in which a catalyst layer and a gas diffusion layer are stacked. The catalyst layers of the respective electrodes are opposed to each other with the solid polymer film interposed therebetween, and constitute a fuel cell. The catalyst layer is a layer formed by binding carbon particles carrying a catalyst with an ion exchange resin. The gas diffusion layer serves as a passage for oxygen and hydrogen. The power generation reaction proceeds at a so-called three-phase interface between the catalyst, the ion exchange resin, and hydrogen in the catalyst layer.
[0006]
At the fuel electrode, hydrogen contained in the supplied fuel is decomposed into hydrogen ions and electrons as shown in the above formula (1). Among them, hydrogen ions move inside the solid polymer electrolyte membrane toward the oxygen electrode, and electrons move to the oxidant electrode (air electrode) through an external circuit. On the other hand, in the oxidant electrode, oxygen contained in the oxidant (air) supplied to the oxygen electrode (air electrode) reacts with the hydrogen ions and electrons moved from the fuel electrode, and is expressed by the above equation (2). Water is produced. As described above, in the external circuit, the electrons move from the fuel electrode toward the air electrode, so that electric power is extracted.
[0007]
FIG. 8 is a diagram showing a structure of a unit cell constituting a stack structure fuel cell. This unit cell has a structure in which a fuel electrode catalyst layer and a gas diffusion layer are arranged on one surface of a solid polymer film, and an air electrode catalyst layer and a gas diffusion layer are arranged on the other surface. This structure is called (MEA / Membrane Electrode Assembly). The MEA, a fuel electrode separator including a flow path of fuel gas as a reaction gas, and an air electrode separator including a flow path of air are stacked to form a unit cell. A water separator (cooling plate) is provided between the unit cells.
[0008]
FIG. 9 is a sectional view showing a cell stack configuration. As shown in FIG. 9, the cell stack forming the battery main body is formed by stacking a plurality of basic cells as shown in FIG. 8 (however, the cell shown in FIG. 9 is replaced by the cell shown in FIG. 8). Is not exactly the same configuration). Metal current collectors are arranged at both ends of the cell stack, and these are used as external current extraction terminals.
[0009]
In such a cell stack, suppressing heat generation in the cell is an important technical problem. At the air electrode, an exothermic reaction for purifying water proceeds. Due to this heat generation, the water in the cell evaporates, and the water evaporated by the gas of the air electrode or the fuel electrode is discharged to the outside. When the water content in the cell tends to be insufficient, the hydrogen ion conductivity decreases, and the output of the battery decreases. Therefore, there is a need for a technique for effectively suppressing the heat generation of the cell.
[0010]
Patent Literature 1 describes an example of a technique for suppressing heat generation due to such a battery reaction. The fuel cell described in this document has a fuel cell stack body in which unit cells and fuel cell separators are alternately stacked, and supplies cooling water along the stacking direction of the unit cells and the fuel cell separator. A cooling water manifold for passage is provided.
[0011]
[Patent Document 1]
JP 2001-6714 A
[Problems to be solved by the invention]
However, it is difficult to always obtain sufficient cooling efficiency with the conventional technology as described in Patent Document 1. In particular, drying of moisture due to heat generation becomes remarkable on the air electrode side where the amount of exothermic reaction is large.
[0013]
Further, in the conventional fuel cell, management of operating conditions of the fuel cell becomes complicated, and particularly, moisture management becomes difficult. For this reason, stabilizing the battery output has not been easy. Further, in the above-mentioned conventional fuel cell, the amount of heat generated by the entire fuel cell increases, so that in order to obtain a sufficient cooling capacity, the mechanism required for that becomes complicated and large-scale, and it is difficult to reduce the size of the device. Become.
[0014]
The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and has as its object to provide a fuel cell in which heat generation of the fuel cell is effectively suppressed, and a decrease in output during use is effectively suppressed. .
[0015]
[Means for Solving the Problems]
The fuel cell according to the present invention has a fuel electrode on one surface of a solid electrolyte membrane, a plurality of unit cells having an air electrode disposed on the other surface, a plurality of unit cells are stacked, and the air electrode of one unit cell and the other adjacent cells are stacked. A fuel cell having a stack structure in which a cooling channel is arranged between a fuel electrode of a unit cell,
Of the air electrode of the one unit cell and the fuel electrode of the other unit cell, the heat removal capacity of the cooling flow path for one of the electrodes is smaller than the heat removal capacity of the cooling flow path for the other electrode. It is characterized in that it is configured to be large.
[0016]
According to the present invention, it is configured that one electrode adjacent to the cooling channel is cooled more preferentially than the other electrode. Generally, each electrode of a fuel cell generates more heat on one side than on the other. When hydrogen is used as the fuel, the heat generated at the air electrode increases. When a liquid fuel such as methanol is used, the heat generated at the fuel electrode increases. The present invention distributes a large amount of the cooling effect to such an electrode generating more heat. As a result, it is possible to effectively suppress the temperature rise on the electrode side where the amount of heat generated by combustion is large. As a result, when the battery is used, it is possible to effectively prevent the battery output from decreasing with time.
[0017]
In the fuel cell according to the aspect of the invention, the one electrode may be configured to have higher thermal conductivity than the other electrode. By doing so, the temperature rise on the air electrode side can be suppressed more effectively.
For example, the thickness of the one electrode may be smaller than the thickness of the other electrode. If the materials forming the electrodes are substantially the same, the thermal conductivity can be improved by reducing the thickness.
Further, the one electrode may be provided with a gas diffusion layer containing a good heat conductive filler. The electrode usually has a configuration including a gas diffusion layer and a catalyst layer, and the thermal conductivity can be improved by introducing a good thermal conductive filler into the gas diffusion layer.
[0018]
Further, in the fuel cell of the present invention, the distance between the one electrode and the cooling channel may be shorter than the distance between the other electrode and the cooling channel. By doing so, the temperature rise on the air electrode side can be suppressed more effectively. The term “distance” as used herein refers to the distance between the diffusion layer and the cooling channel when each electrode is formed by laminating a catalyst layer and a diffusion layer in this order from the solid electrolyte membrane side. Paying attention to the distance from the cooling channel, the distance between the catalyst layer of the one electrode and the cooling channel is shorter than the distance between the catalyst layer of the other electrode and the cooling channel. With this configuration, the cooling effect intended by the present invention can be obtained more reliably.
[0019]
Further, in the present invention, a cooling plate including the cooling flow path is disposed between the one unit cell and the other unit cell, and the cooling plate is disposed adjacent to the one electrode and has a flow of air. A first plate having a flow path and a flow groove for cooling water, and a second plate having a flow path for fuel gas and a flow path for cooling water adjacent to the other electrode, the flow path comprising: It has a structure in which the surfaces provided with the grooves are stacked in contact with each other, and the cooling channels can be configured such that the channel grooves of the respective plates are integrated. When this configuration is adopted, the flow channel through which the cooling water flows and the flow channel through which the fuel gas and the air pass are formed in one plate, so that the cooling effect by the cooling flow channel becomes more remarkable. Therefore, when the battery is used, it is possible to more effectively suppress the battery output from decreasing over time.
In the present invention, the one electrode may be an air electrode, and the other electrode may be a fuel electrode. When the fuel is hydrogen, the heat generation on the air electrode side is larger than the heat generation on the fuel electrode side, so this configuration is effective.
In the present invention, the one electrode may be a fuel electrode, and the other electrode may be an air electrode. When the fuel is a liquid fuel such as methanol or the like, the heat generation on the fuel electrode side is larger than the heat generation on the air electrode side, so this configuration is effective.
[0020]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The present invention improves the cooling efficiency of an air electrode that generates a large amount of heat, among the constituent members of a unit cell. The following are exemplified as specific means.
[0021]
(I) The thermal conductivity of the air electrode side, especially the gas diffusion layer, is made higher than the thermal conductivity of the fuel electrode side, especially the gas diffusion layer. Further, as a means for realizing this, the thickness of the gas diffusion layer of the air electrode is made smaller than the thickness of the gas diffusion layer of the fuel electrode, or the fuel electrode catalyst layer and its Add more thermally conductive material than the gas diffusion layer or reduce porosity.
[0022]
(Ii) By making the physical distance between the air electrode and the cooling water shorter than the physical distance between the fuel electrode and the cooling water, the cooling effect of the cooling water at the air electrode by the cooling water at the fuel electrode is reduced. Increase than the cooling effect.
[0023]
(Iii) The contact area between the cooling water on the air electrode side and the cooling plate is made larger than the contact area between the cooling water on the fuel electrode side and the cooling plate.
[0024]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0025]
[First Embodiment]
In the present embodiment, by forming the air electrode of each unit cell constituting the stack thinner than the fuel electrode, the heat conductivity of the air electrode is made higher than that of the fuel electrode, and the cooling efficiency of the air electrode is increased. I have.
[0026]
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating a unit cell of the fuel cell according to the first embodiment.
[0027]
In FIG. 1, a unit cell of the fuel cell according to the present embodiment includes an
[0028]
It is assumed that the thickness of the gas diffusion layer of the
[0029]
The
[0030]
Hereinafter, functions related to the cooling effect around the unit cell of the fuel cell according to the present embodiment will be described.
[0031]
Since the thickness of the gas diffusion layer of the
[0032]
FIG. 2 schematically shows a cross-sectional structure of a fuel cell using the unit cells according to the first embodiment.
[0033]
The fuel cell shown in FIG. 2 includes a
[0034]
The
[0035]
In FIG. 2, for the sake of easy understanding, the
[0036]
The
[0037]
A
[0038]
When hydrogen gas is supplied to the
[0039]
The
[0040]
The
[0041]
The
[0042]
Hereinafter, an example of a method for manufacturing the
[0043]
Subsequently, the
[0044]
FIG. 3 schematically shows a detailed cross-sectional structure of the unit cell according to the first embodiment.
[0045]
FIG. 4 schematically illustrates a configuration of a stack structure of the fuel cell according to the first embodiment.
[0046]
The unit cell shown in FIG. 1 corresponds to the
[0047]
According to this embodiment, the thickness of the gas diffusion layer of the
[0048]
In the present embodiment, the thickness of the gas diffusion layer of the
Further, the gas diffusion layer of the
[0049]
[Second embodiment]
FIG. 5 schematically shows a configuration of the fuel cell according to the second embodiment.
[0050]
In the figure, the fuel cell according to the present embodiment includes a plurality of unit cells, a
[0051]
The unit cell includes an
[0052]
The
[0053]
The sectional structure of the fuel cell according to this embodiment is the sectional structure of the fuel cell shown in FIG. 2, the sectional structure of the cell is the sectional structure of the cell shown in FIG. 3, and the stack structure is the stack of the fuel cell shown in FIG. Since the structure conforms to the respective structures, the description is omitted.
[0054]
Hereinafter, functions related to the cooling effect around the unit cell of the fuel cell according to the present embodiment will be described.
[0055]
Since the physical distance b between the circulating
[0056]
That is, according to the present embodiment, the physical distance b between the circulating
[0057]
[Third embodiment]
In this embodiment, a circulating water flow path is provided between the air electrode of one unit cell and the fuel electrode of another unit cell. This circulating water flow path is provided from the air electrode. FIG. 6 schematically illustrates the configuration of the fuel cell according to the present embodiment. In the figure, the fuel cell according to the present embodiment includes a plurality of unit cells, a
[0058]
The
[0059]
The sectional structure of the fuel cell according to this embodiment is the sectional structure of the fuel cell shown in FIG. 2, the sectional structure of the cell is the sectional structure of the cell shown in FIG. 3, and the stack structure is the stack of the fuel cell shown in FIG. Since the structure conforms to the respective structures, the description is omitted.
[0060]
【The invention's effect】
As described above, according to the fuel cell of the present invention, in the polymer electrolyte fuel cell, the effect of cooling the air electrode by the cooling water can be higher than the effect of cooling the fuel electrode by the cooling water. For this reason, it is possible to suppress a temperature rise on the air electrode side, which generates a larger amount of heat than on the fuel electrode side, and it is possible to effectively suppress a decrease in battery output over time when the battery is used.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating a unit cell of a fuel cell according to a first embodiment.
FIG. 2 is a diagram schematically illustrating a cross-sectional structure of a fuel cell using a unit cell according to the first embodiment.
FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a detailed cross-sectional structure of a unit cell according to the first embodiment.
FIG. 4 is a diagram schematically showing a configuration of a stack structure of the fuel cell according to the first embodiment.
FIG. 5 is a diagram schematically illustrating a configuration of a fuel cell according to a second embodiment.
FIG. 6 is a diagram schematically showing a configuration of a fuel cell according to a third embodiment.
FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining the principle of a conventional general polymer electrolyte fuel cell.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing the configuration of a basic unit cell of a conventional general polymer electrolyte fuel cell.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a cell stack configuration in a main body of a conventional general polymer electrolyte fuel cell.
[Explanation of symbols]
150 unit cells, 151 circulating water flow path.
Claims (8)
前記一の単位セルの空気極および前記他の単位セルの燃料極のうち、いずれか一方の電極に対する前記冷却流路の除熱能力が、他方の電極に対する前記冷却流路の除熱能力よりも大きくなるように構成されたことを特徴とする燃料電池。A plurality of unit cells each having a fuel electrode on one side of the solid electrolyte membrane and an air electrode on the other side are stacked, and a plurality of unit cells are stacked between the air electrode of one unit cell and the fuel electrode of another adjacent unit cell. A fuel cell having a stack structure in which cooling channels are arranged in
Of the air electrode of the one unit cell and the fuel electrode of the other unit cell, the heat removal capacity of the cooling flow path for one of the electrodes is smaller than the heat removal capacity of the cooling flow path for the other electrode. A fuel cell characterized by being configured to be large.
前記一方の電極は、前記他方の電極よりも、高い熱伝導性を有することを特徴とする燃料電池。The fuel cell according to claim 1,
The fuel cell according to claim 1, wherein the one electrode has higher thermal conductivity than the other electrode.
前記一方の電極の厚みは、前記他方の電極の厚みよりも薄いことを特徴とする燃料電池。The fuel cell according to claim 1, wherein
The fuel cell according to claim 1, wherein a thickness of the one electrode is smaller than a thickness of the other electrode.
前記一方の電極は、良熱伝導性充填材を含むガス拡散層を備えることを特徴とする燃料電池。The fuel cell according to any one of claims 1 to 3,
The fuel cell according to claim 1, wherein the one electrode includes a gas diffusion layer containing a good heat conductive filler.
前記一方の電極と前記冷却流路との間の距離が、前記他方の電極と前記冷却流路との間の距離よりも短いことを特徴とする燃料電池。The fuel cell according to any one of claims 1 to 4,
A fuel cell, wherein a distance between the one electrode and the cooling channel is shorter than a distance between the other electrode and the cooling channel.
前記一の単位セルと前記他の単位セルとの間に前記冷却流路を備える冷却プレートが配置されており、前記冷却プレートは;
前記一方の電極に隣接する、空気の流路および冷却水の通る流路溝を有する第一のプレートと、
前記他方の電極に隣接する、燃料ガスの流路および冷却水の通る流路溝を有する第二のプレートとが、前記流路溝の設けられた面同士が当接する状態で積層した構造を有し、
それぞれのプレートの流路溝が一体となって前記冷却流路を構成していることを特徴とする燃料電池。The fuel cell according to claim 5,
A cooling plate including the cooling channel is disposed between the one unit cell and the other unit cell, and the cooling plate includes:
A first plate having a flow path for air and a flow path for cooling water adjacent to the one electrode;
It has a structure in which a second plate having a flow path for fuel gas and a flow path for cooling water adjacent to the other electrode is laminated in a state where the surfaces provided with the flow path grooves are in contact with each other. And
A fuel cell, wherein the flow channel of each plate is integrated to form the cooling flow channel.
前記一方の電極が空気極であり、前記他方の電極が燃料極であることを特徴とする燃料電池。The fuel cell according to any one of claims 1 to 6,
A fuel cell, wherein the one electrode is an air electrode and the other electrode is a fuel electrode.
前記一方の電極が燃料極であり、前記他方の電極が空気極であることを特徴とする燃料電池。The fuel cell according to any one of claims 1 to 6,
A fuel cell, wherein the one electrode is a fuel electrode and the other electrode is an air electrode.
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