JP2004355848A

JP2004355848A - Power generation unit and solid polymer type fuel cell and hydrolytic method thereof

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Publication number: JP2004355848A
Application number: JP2003149541A
Authority: JP
Inventors: Hideichiro Hirai; 秀一郎平井; Shoji Tsushima; 将司津島; Kazuhiro Teranishi; 一浩寺西
Original assignee: Seika Sangyo Co Ltd
Current assignee: Seika Sangyo Co Ltd
Priority date: 2003-05-27
Filing date: 2003-05-27
Publication date: 2004-12-16

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid high polymer type fuel cell that dispenses with separately providing and operating a device, contributes to the miniaturization of a fuel cell and the reduction of costs by a simple configuration, and can improve generation efficiency; and to provide a hydration method of the solid high polymer type fuel cell. <P>SOLUTION: A fuel cell 1 has a solid polymer electrolytic film 10 and electrodes (a fuel electrode 11, an air electrode 12) arranged on each of surfaces; and generates electric power by supplying a hydrogen gas 8b and an oxygen gas 9b to the electrodes (11, 12). The area of electrode on the opposing surfaces (10a, 10b) of the solid polymer electrolytic film 10 facing the electrodes (11, 12) each is larger than that of film opposing surfaces (11a, 12a) of the electrodes (11, 12) facing the solid polymer electrolytic film 10. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電ユニット、固体高分子形燃料電池、及び、その固体高分子形燃料電池の加水方法に係り、特に自動車用動力源・家庭用電源として自動車・携帯電話・その他の電気製品等に使用され、固体高分子電解質膜の両面が電極によって挟持されるとともにその電極にガス及び水分が供給されて発電を行う固体高分子形燃料電池に備えられる発電ユニット、その発電ユニットを備えた固体高分子形燃料電池、その固体高分子形燃料電池の加水方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高分子とは分子量が約１万以上の化合物であり、種々の機能を備えた機能性高分子材料が知られている。この機能性高分子材料の１つである高分子膜は、その厚さに比べて表面積の大きな材料である。この高分子膜を隔てて、両側の物質間に電気化学ポテンシャルが存在すると、膜電位、電気浸透、体積流束、熱浸透等の様々な膜現象が発生する。この膜現象は、高分子膜内を透過する物質の拡散速度の差によって誘起されるものである。
【０００３】
近年、このような物質透過性を有する高分子膜は燃料電池に利用されている。この高分子膜が使用された燃料電池は、高分子電解質形燃料電池（ＰｏｌｙｍｅｒＥｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅＦｕｅｌＣｅｌｌ：ＰＥＦＣ）又は固体高分子形燃料電池と呼ばれ、この固体高分子形燃料電池において使用される高分子膜は、固体高分子電解質膜（ＰｏｌｙｍｅｒＥｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅＭｅｍｂｒａｎｅ：ＰＥＭ）と呼ばれている。固体高分子形燃料電池は固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）等の他の形式の燃料電池と比較した場合、８０℃〜１００℃程度の比較的低温において動作可能であるうえに高発電効率が期待されることから、自動車用の動力源や家庭用電源に適していると考えられ、注目されている。
【０００４】
固体高分子形燃料電池は、通常、単セルと呼ばれるユニットが積層された燃料電池スタックを備えて構成される。各単セルは、膜電極複合体（ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）と、この両面を挟持するとともに水素ガス又は酸素ガスの供給流路が形成されたセパレータとを有して構成されている。膜電極複合体は、板状のＰＥＭと、このＰＥＭの両面を挟持したガス拡散電極（燃料極、空気極）を有して構成されている。
【０００５】
そして、固体高分子形燃料電池の発電時には、燃料極側において水素が水素イオンと電子とに分解される。この電子は、外部回路を経由して空気極に移動する。一方、水素イオンはＰＥＭ中を空気極側に移動し、空気極側において酸素及び電子と反応して水を生成する。
【０００６】
ところでこの水素イオンは、ＰＥＭ中において水と水和している。そして、固体高分子形燃料電池の発電時に水素イオンが燃料極から空気極に移動するとともにその水素イオンと水和した水分子も付随して空気極に移動する。同時に空気極では水の生成反応が起こっているため、ＰＥＭ中で水の分布に偏りが生じることが予想される。この水の不均一な分布によって燃料極側に水が拡散していくと考えられている。さらに、発電時の発熱により水が蒸発し、ＰＥＭ外への水の流出も生じていると考えられている。
【０００７】
また、水素イオンがＰＥＭ中を燃料極から空気極に移動するためには、ＰＥＭが適度な湿潤状態にあることが必要となる。すなわち、ＰＥＭ中の水素イオンの移動性はＰＥＭの含水状態に依存しているので、ＰＥＭが乾燥してくると電気抵抗が増加し、その結果水素イオンの移動性が低下する。このため、一般にＰＥＭを適切な湿潤状態に維持するべくＰＥＭに供給する水素ガス又は酸素ガスは適宜加湿されて、水の管理が行われている。この水素ガス、酸素ガスの加湿は、別途設けられた加湿装置によって行われることが多い。
【０００８】
ＰＥＭに水分を供給する構成は従来から種々考案されている（例えば、特許文献１，２）。この特許文献１に開示のものによれば、固体高分子電解質中に水溶性の糸を埋め込んで成形した後、その糸を溶出除去することにより固体高分子電解質に水を供給するための細い通路を設けている。また、特許文献２に開示のものによれば、イオン交換樹脂膜／電極接合体の少なくとも一面またはそのイオン交換樹脂膜／電極接合体の外縁に吸水性シートを額縁形状に配置して、吸水性シートが含む水分により供給ガスを加湿している。
【０００９】
【特許文献１】
特開平６―１９６１８２号公報
【特許文献２】
特開２０００−３２３１５９号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
この固体高分子形燃料電池は現段階では開発の余地が充分にあり、さらなる性能向上が期待されている。特に自動車の動力源や家庭用電源として用いる場合には、小型化・発電効率の向上とともに簡単な構造であることや低コストであることも必要とされ、そのような固体高分子形燃料電池の登場が産業界からも大きく期待されている。
【００１１】
発電効率を向上させるためには、ＰＥＭを含水してその電気抵抗を低減させる必要がある。しかしながら、ＰＥＭを含水するために加湿装置を設けて水素ガス、酸素ガスを加湿する構成によれば、別途加湿装置を必要とするので、装置自体も大きくなってしまい、また、コストもかかってしまうという問題がある。そのうえ、加湿装置を作動させるためのエネルギが必要となり、燃料電池としての発電効率が低下してしまう。
【００１２】
上記特許文献１，２に開示のものによれば、固体高分子電解質に細い通水路を設けたり、イオン交換樹脂膜／電極接合体の外縁等に吸水性シートを額縁形状に配置する必要があり、構造自体が複雑なものとなってしまっている。加工が困難であり、製作に手間も費用もかかってしまうという問題がある。
【００１３】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、別途装置を設けたり動作させたりする必要がなく、簡単な構造によって小型化・低コスト化に寄与しつつ発電効率の向上を実現することができる固体高分子形燃料電池の発電ユニット、その発電ユニットを備えた固体高分子形燃料電池、及び、その加水方法を提供することを例示的目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の例示的目的を達成するために、本発明の一側面としての発電ユニットは、固体高分子電解質膜と、その両面に配置された電極とを有し、電極に所定のガスと水分とが供給されることにより発電する固体高分子形燃料電池において、電極に対向する固体高分子電解質膜の電極対向面の面積が、固体高分子電解質膜に対向する電極の膜対向面の面積よりも大きいことを特徴とする。
【００１５】
本発明の別の側面としての、固体高分子形燃料電池の加水方法は、固体高分子電解質膜と、その両面に配置された電極とを有する固体高分子形燃料電池に水分を供給する固体高分子形燃料電池の加水方法であって、固体高分子電解質膜の外縁に対して水分を供給することを特徴とする。
【００１６】
本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下添付図面を参照して説明される好ましい実施例によって明らかにされるであろう。
【００１７】
【発明の実施の形態】
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係る固体高分子形燃料電池（以下、単に燃料電池という。）１を示す図で、図１（ａ）はその外観斜視図であり、図１（ｂ）は、その内部に備えられた発電ユニット６の構成を示す概略ブロック図である。この燃料電池１は、ハウジング２の内部に発電ユニット６を備えた燃料電池スタック３を有して概略構成される。ハウジング２は、例えばアルミニウム・鉄等の金属材料を用いて形成されるが、アクリル・ポリカーボネート等の樹脂材料を用いて形成されてもよい。
【００１８】
図に示すように、ハウジング２の上部には水素ガス供給管２ａと酸素ガス供給管２ｂとが設けられ、ハウジング２の下部には水素ガス排気管２ｃと酸素ガス排気管２ｄとが設けられている。この水素ガス供給管２ａは、燃料電池スタック３の燃料極４側に所定のガスの一部としての水素ガス（燃料ガス）８ｂを供給するためのもので、図示しない水素ボンベ等の水素供給手段に接続されている。水素ガス排気管２ｃは、燃料電池スタック３を経た後の水素ガス８ｂを排気するためのものである。
【００１９】
酸素ガス供給管２ｂは、燃料電池スタック３の空気極５側に所定のガスの一部としての酸素ガス９ｂを供給するためのものである。例えば、図示しない酸素ボンベ等の酸素供給手段に接続されてその酸素供給手段から酸素ガス９ｂが供給されるように構成されてもよいし、酸素ガス供給管２ｂが大気に開放されて、大気中から酸素を取り込むように構成されていてもよい。
【００２０】
燃料電池スタック３は、単セルと呼ばれる発電ユニット６が一般に複数積層されて構成されるが、本実施の形態１においては簡単のために１つの発電ユニット６によって燃料電池スタック３が構成されていると仮定して説明する。この発電ユニット６は、図１（ｂ）に示すように膜電極複合体（以下、ＭＥＡと略す。）７、燃料極側セパレータ８、空気極側セパレータ９を有して大略構成される。そのＭＥＡ７は、固体高分子電解質膜（以下、ＰＥＭと略す。）１０及び電極としての燃料極１１と空気極１２とを有して大略構成される。
【００２１】
この燃料極側セパレータ８は、空気極側セパレータ９とともにＭＥＡ７を保持するためのものであり、グラファイト等の導電性材料で構成されている。燃料極側セパレータ８には燃料極１１に当接する面に通気路８ａが形成されており、その通気路８ａを水素ガス８ｂが燃料極１１に接触しつつ通過することにより燃料極１１に水素ガス８ｂが供給されるように構成されている。
【００２２】
空気極側セパレータ９もグラファイト等の導電性材料で構成され、空気極側セパレータ９は、空気極１２に当接する面に通気路９ａが形成されている。その通気路９ａを酸素ガス８ｂが空気極１２に接触しつつ通過することにより空気極１２に酸素ガス９ｂが供給されるように構成されている。
【００２３】
燃料極１１、空気極１２は、例えば多孔質のカーボン等を材料とする導電体で形成された電極であり（図４も参照）、ＰＥＭ１０を挟むようにその両面に配置されている。本実施の形態１においては、このＰＥＭ１０とその両面に配置された燃料極１１、空気極１２とはヒートプレスにより熱圧着されている。図２に示すように、燃料極１１の膜対向面１１ａとＰＥＭ１０の燃料極対向面（電極対向面）１０ａとは互いに対向し、空気極１２の膜対向面１２ａとＰＥＭ１０の空気極対向面（電極対向面）１０ｂとは互いに対向している。この膜対向面１１ａと燃料極対向面１０ａとが接触し、膜対向面１２ａと空気極対向面１０ｂとが接触して、水素イオン（Ｈ^＋）が燃料極１１からＰＥＭ１０を通って空気極１２へと至るように構成されている。
【００２４】
図３（ａ）及び図３（ｂ）にその正面図及び側面図を示すように、この発電ユニット６においてはＰＥＭ１０の燃料極対向面１０ａ及び空気極対向面１０ｂの面積がそれぞれ燃料極１１の膜対向面１１ａ及び空気極１２の膜対向面１２ａの面積よりも大きいものとされている。本実施の形態１においては、この空気極対向面１０ｂの面積は膜対向面１２ａの面積の１．１倍以上とされている。
【００２５】
後述するように、膜対向面１２ａの面積を大きくしないでも、空気極対向面１０ｂの面積を大きくするにしたがってこの燃料電池１の発電力が増加する（図９参照）。この両者の面積比が６倍程度になっても空気極対向面１０ｂの増加に従って燃料電池１の発電力は増加する傾向にあるが、次第に増加分が減少して飽和状態となることが判明している。したがって、燃料電池１の装置全体のサイズが許容する範囲において、この空気極対向面１０ｂの面積は膜対向面１２ａの面積の１．１倍〜６倍程度とすることが望ましい。もちろんさらなる発電力の増加を望む場合は、空気極対向面１０ｂの面積を膜対向面１２ａの面積の６倍以上とすることももちろん可能である。
【００２６】
この空気極１２側における構成については、燃料極１１側についての構成もほぼ同様である。したがって、燃料極１１側についてはその説明を省略する。なお、以下の説明において、燃料極１１と空気極１２とを区別する必要がない場合は、それらを総称して「電極」と記載することとする。また、本実施の形態１においては、ＰＥＭ１０の燃料極側対向面１０ａの面積と空気極側対向面１０ｂの面積とは同面積であるので、特に燃料極１１側と空気極１２側とを区別する必要がない場合は、その面積を「ＰＥＭ１０の面積」と記載することとする。
【００２７】
ＰＥＭ１０の外縁１０ｃには、このＰＥＭ１０に水分を供給するための加水手段１３が設けられている。加水手段１３は、タンク１４内に所定の溶液１５が貯留されて構成され、その溶液１５内に外縁１０ｃが浸漬されている。この溶液１５としては、例えば水等の中性溶液、酢酸水溶液等の酸性溶液、水酸化カリウム水溶液等のアルカリ性溶液など種々の溶液が考えられる。このように構成することにより、水素ガス８ｂや酸素ガス９ｂを加湿装置により加湿する必要もなく、簡便にＰＥＭ１０への水分の供給すなわち加水を行うことができ、ひいては小型化・低コスト化・発電効率向上に寄与することができる。
【００２８】
ここで本願において外縁とは、ＰＥＭ１０の外周端面部分のみを示すものでなく、電極１１，１２が接触していないＰＥＭ１０の周囲部分（例えば図３（ｂ）に示す外縁１０ｄに相当する部分）を含むものである。本実施の形態１においては、図２及び図３において加水手段１３により外縁１３ｃを加水しているが、他の形式の加水手段により外縁１０ｄを加水することももちろん本発明の意図するところである。また、この実施の形態１においては加水手段１３はタンク１４と溶液１５とを有して構成され、溶液１５中に外縁１３ｃを浸漬してＰＥＭ１０の加水を行っているが、もちろん加水手段１３はそのようなものに限られるものでなく、例えばチューブ等によって外縁１０ｃに溶液１５が導かれるようになっていても、蒸気や氷のように気相、固相の水分が外縁１０ｃに接触するようになっていてもよい。要は、いかなる形態であっても水分が外縁１０ｃに接触するように構成されていればよいのである。
【００２９】
次に、この燃料電池１の動作について説明する。図４は、この燃料電池１による発電の様子を説明する要部拡大図であり、図５は、この燃料電池１を加水しつつ発電させる手順を説明するフローチャートである。
【００３０】
この燃料電池１の燃料極側セパレータ８と空気極側セパレータ９とを電気抵抗体（例えば電球）１６を介して電線１７により接続する（Ｓ．１）。続いて、タンク１４に貯留された溶液１５に、燃料電池１のＰＥＭ１０の外縁１０ｃを浸漬する（Ｓ．２）。これにより、複雑な構造や他の動力源を要することなく簡便にＰＥＭ１０を加水することができる。その結果、ＰＥＭ１０の電気抵抗を低減することができて燃料電池１の発電効率の向上に寄与することができる。
【００３１】
図示しない水素ガス供給手段により燃料極側セパレータ８の通気路８ａに水素ガス８ｂを供給し（Ｓ．３）、図示しない酸素ガス供給手段により空気極側セパレータ９の通気路９ａに酸素ガス９ｂを供給する（Ｓ．４）。
【００３２】
水素ガス８ｂは、多孔質の燃料極１１を通過しつつ、水素イオン（Ｈ^＋）と電子（ｅ⁻）とに分離される。この分離反応は、Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻として表される。水素イオン（Ｈ^＋）はＰＥＭ１０を通過して空気極１２へと至る。一方、分離された電子（ｅ⁻）は燃料極１１に接続された電線１７を通り、電球１６を経由して空気極１２へと至る。
【００３３】
空気極１２においては、ＰＥＭ１０を通過してきた水素イオン（Ｈ^＋）と電線１７を通ってきた電子（ｅ⁻）と通気路９ａに供給された酸素ガス９ｂとによって水を生成する反応が生じる。この生成反応はＯ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏとして表される。このようにして水素ガス８ｂ及び酸素ガス９ｂが燃料電池１に継続的に供給される限り、電子（ｅ⁻）が連続して電線１７及び電球１６を通過することとなり、燃料電池１による発電が開始される（Ｓ．５）。
【００３４】
なお、ＰＥＭ１０の浸積（Ｓ．２）、水素ガス８ｂの供給（Ｓ．３）、酸素ガス９ｂの供給（Ｓ．４）、燃料電池１による発電（Ｓ．５）の順序は、図５に示した順序に限られるものではない。
【００３５】
この燃料電池１の発電力は、上記分離反応及び生成反応がいかに効率よく行われるかに依存する。言い換えると、水素イオン（Ｈ^＋）がＰＥＭ１０を次々と通過することにより分離反応が促進されて単位時間あたりに分離する電子（ｅ⁻）の個数が多くなると、燃料電池１の発電力が増大することとなる。すなわち、単位時間あたりにＰＥＭ１０を通過する水素イオン（Ｈ^＋）の個数を増大させることが発電効率の向上に大きく寄与する。
【００３６】
燃料電池１においては、燃料極１１の膜対向面１１ａから空気極１２の膜対向面１２ａへ向けて殆どの水素イオン（Ｈ^＋）がＰＥＭ１０内を略直線的に移動する。しかしながら、図４中曲線矢印Ｊで示すように、膜対向面１１ａから膜対向面１２ａへ向けて回り込むように曲線的に移動する水素イオン（Ｈ^＋）も存在すると考えられる。このような水素イオン（Ｈ^＋）の回り込みによる移動を増大させることにより、燃料電池１の発電力が増大すると考えられる。
【００３７】
本実施の形態１においては、電極１１，１２の各膜対向面１１ａ，１２ａの面積を増大させることなくＰＥＭ１０の面積を増大させ、ＰＥＭ１０の面積を電極１１，１２の各膜対向面１１ａ，１２ａの面積よりも大きく構成している。それにより、簡単な構造で水素イオン（Ｈ^＋）の回り込みを増大させることができるので、ＰＥＭ１０の面積を電極１１，１２の各膜対向面１１ａ，１２ａの面積と同等とした場合に比べ、大きな発電力を得ることができる。
【００３８】
一般に、水素イオン（Ｈ^＋）が燃料極１１から空気極１２へと移動する際には水分子（Ｈ_２Ｏ）を随伴し、燃料極１１側の水分量が低減する。さらに、空気極１２側においては生成反応により水（Ｈ_２Ｏ）が生成されるので、ＰＥＭ１０内では燃料極１１側と空気極１２側とで水分量の不均衡が生じる。しかしながら、この燃料電池１においては、ＰＥＭ１０の外縁１０ｃをタンク１４内の溶液１５に浸漬しているので充分な加水が行われ、ＰＥＭ１０の乾燥による電気抵抗値の上昇を防止することができる。
【００３９】
［変形例］
例えば図６（ａ）及び図６（ｂ）にその正面図及び側面図を示すように、燃料極側セパレータ８が当接して配置された燃料極１１と空気極側セパレータ９が当接して配置された空気極１２とがそれぞれ複数（この変形例においてはそれぞれ４個）とされてＰＥＭ１０の両面に配置されていてもよい。この場合、各燃料極１１どうし、及び各空気極１２どうしは所定の間隔をあけて離間して配置されるのが好ましい。そうすることにより、各燃料極１１からの水素イオン（Ｈ^＋）の回り込みを一層増大させることができ、この燃料電池１の発電力をさらに増大させることができる。
【００４０】
［実施の形態２］
上記実施の形態１においては、電極１１，１２の面積と各セパレータ８，９の面積とを略同様の面積として構成し、ＰＥＭ１０の面積のみをそれらの面積よりも大きいものとした。しかしながら、実際の製品にこの燃料電池１を適用する場合には、図７に示すように面積の大きなセパレータ８’，９’を用い、ＰＥＭ１０の外縁１０ｃがセパレータ８，９からはみ出さないように構成してもよい。
【００４１】
この図７においては、膜対向面１１ａ，１２ａよりも面積の大きいＰＥＭ１０の両面から燃料極１１と空気極１２とがヒートプレスされてＭＥＡ７が形成され、さらにＰＥＭ１０の面積と略同面積の燃料極側セパレータ８’と空気極側セパレータ９’とがそのＭＥＡ７を挟持するように構成されている。ＰＥＭ１０の外縁１０ｃ近傍には、加水手段としての流路１３’が設けられ、その流路１３’内を水等の溶液１５が通ってＰＥＭ１０を加水するようになっている。外縁１０ｃ近傍にはさらにシール材１８も設けられており、この燃料極側セパレータ８’と空気極側セパレータ９’とがＭＥＡ７を挟持した際にＰＥＭ１０や電極１１，１２が外部からシールされるようになっている。
【００４２】
この実施の形態２においては、ＰＥＭ１０と各セパレータ８’，９’の面積が略同面積であり、電極１１，１２の面積がそれよりも小さい。したがって、セパレータ８’，９’によってＭＥＡ７を挟持した際に、ＰＥＭ１０と各セパレータ８’，９’との間に隙間が形成される。流路１３’やシール材１８は、ＰＥＭ１０ｃの外縁１０ｃ近傍であって、この隙間に設けられているので、ＰＥＭ１０、流路１３’、シール材１８はセパレータ８’，９’からはみ出すことはなく、この発電ユニット６’は大変取扱性のよいものとなっている。
【００４３】
図８に示すように、この発電ユニット６’が複数積層されて燃料電池スタック３’とされ、その燃料電池スタック３’がハウジング２’内に備えられて燃料電池１’が構成される。
【００４４】
［実験１］
図１に示した燃料電池１を用いて、ＰＥＭ１０の面積を種々変化させた場合の発電力を図９に示した。図９において、縦軸は燃料電池１の出力電圧（Ｖ）を示し、横軸は電極の単位面積あたりの電流値（Ａ／ｃｍ^２）を示す。電極１１，１２としては、膜対向面１１ａ，１２ａの面積がそれぞれ１５ｍｍ×１５ｍｍのものを用い、ＰＥＭ１０の面積を２０ｍｍ×２０ｍｍ（図中Ａ）、３０ｍｍ×３０ｍｍ（図中Ｂ）、３０ｍｍ×４０ｍｍ（図中Ｃ）と変化させて実験を行った。
【００４５】
図９より明らかなように、膜対向面１１ａ，１２ａの面積が一定であっても、ＰＥＭ１０の面積が増大すると、燃料電池１の発電力が増大する。この理由はＰＥＭ１０の面積が膜対向面１１ａ，１２ａの面積よりも大きいと水素イオン（Ｈ^＋）の回り込みが生じ易くなるためであると考えられる。したがって、ＰＥＭ１０の面積が大きくなるにつれて水素イオン（Ｈ^＋）の回り込みが増大し、燃料電池１の発電力が増大する。
【００４６】
しかしながら、ＰＥＭ１０の面積（３０ｍｍ×４０ｍｍ）が膜対向面１１ａ，１２ａの面積（１５ｍｍ×１５ｍｍ）の６倍近くになると、燃料電池１の発電力の増加分が減少していき飽和状態となる。したがって、ＰＥＭ１０の面積は膜対向面１１ａ，１２ａの面積の１．１倍〜６倍程度とすることが望ましい。それによって簡単な構造により燃料電池１の発電力を増大させることができる。
【００４７】
［実験２］
図１に示した燃料電池１を用いて、ＰＥＭ１０の加水をしない場合（図１０（ａ）中Ｄ及び図１０（ｂ）中Ｆ）とＰＥＭ１０の外縁１０ｃを加水手段１３により浸積加水した場合（図１０（ａ）中Ｅ及び図１０（ｂ）中Ｇ）の比較を図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示した。この図１０（ａ）及び図１０（ｂ）において、縦軸は燃料電池１の出力電圧（Ｖ）を示し、横軸は電極の単位面積あたりの電流値（Ａ／ｃｍ^２）を示す。電極１１，１２の膜対向面１１ａ，１２ａの面積は１５ｍｍ×１５ｍｍであり、図１０（ａ）はＰＥＭ１０の面積が３０ｍｍ×３０ｍｍのもの、図１０（ｂ）はＰＥＭ１０の面積が３０ｍｍ×４０ｍｍのものを用いている。
【００４８】
図１０（ａ），（ｂ）より明らかなように、加水しない場合に比較してＰＥＭ１０の外縁１０ｃを浸積加水した場合は燃料電池１の発電力が増大している。これは、外縁１０ｃの加水によりＰＥＭ１０の電気抵抗値が低減したことがその理由と考えられる。したがって、この結果よりＰＥＭ１０の外縁１０ｃを浸積加水するという簡便な加水方法によっても、燃料電池１の発電力を増大させることができ、発電効率の向上に寄与することができるということが明らかとなった。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の一側面としての発電ユニットによれば、電極に対向する固体高分子電解質膜の電極対向面の面積が、固体高分子電解質膜に対向する電極の膜対向面の面積よりも大きいので、別途装置を設けたり動作させたりすることなく、簡単な構造で発電ユニットの発電力を増大させることができる。その結果、発電ユニットの小型化・低コスト化にも寄与することができ、発電効率の高い発電ユニットとすることができる。
【００５０】
固体高分子電解質膜の電極対向面の面積が、電極の膜対向面の面積の１．１倍以上である場合は、さらに高効率の発電効率を得ることができる。電極の膜対向面の面積を小さく、かつ、固体高分子電解質膜の電極対向面の面積を大きくすることにより、発電ユニットの小型化を実現しつつ発電力の増大が可能となる。また、固体高分子電解質膜の電極対向面の面積が電極の膜対向面の面積の１．１〜６倍程度以内である場合は、面積比の増大に伴う発電力の増大は飽和せず、高発電効率を得ることができる。さらに加水手段に浸漬するための固体高分子電解質膜の外縁のスペースも充分確保することができる。
【００５１】
固体高分子電解質膜の外縁に対して水分の供給が行われる場合は、別途加湿のための装置を設けたり動作させたりすることなく、簡単な構造で固体高分子電解質膜の電気抵抗を低減することができる。その結果、発電ユニットの小型化・低コスト化にも寄与することができ、発電効率の高い発電ユニットとすることができる。
【００５２】
固体高分子電解質膜の外縁が、所定の溶液に浸漬されることにより水分の供給が行われる場合は、さらに簡単な構造で上記の効果を得ることができる。発電ユニット全体が非常に単純な構造となり、装置コストの低減や小型化を容易に実現することができる。
【００５３】
固体高分子形燃料電池が上記の特徴を有する発電ユニットを備えている場合は、簡単な構造で燃料電池の発電力を増大させることができる。その結果、燃料電池の小型化・低コスト化にも寄与することができ、発電効率の高い燃料電池とすることができる。
【００５４】
本発明の別の側面としての固体高分子形燃料電池の加水方法によれば、固体高分子電解質膜の外縁に対して水分を供給するので、別途加湿のための装置を設けたり動作させたりすることなく、簡単な構造で固体高分子電解質膜の電気抵抗を低減することができる。その結果、燃料電池の小型化・低コスト化にも寄与することができ、発電効率の高い発電ユニットとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る固体高分子形燃料電池を示し、（ａ）はその外観斜視図であり、（ｂ）は内部に備えられた発電ユニットの構成を示す概略ブロック図である。
【図２】図１に示す発電ユニットの構成を説明するための分解図である。
【図３】図１に示す発電ユニットの構成を説明するための図であって、（ａ）は発電ユニットの正面図であり、（ｂ）は発電ユニットの側面図である。
【図４】図１に示す燃料電池による発電の様子を説明する要部拡大図である。
【図５】図１に示す燃料電池を加水しつつ発電させる手順を説明するフローチャートである。
【図６】本発明の変形例に係る固体高分子形燃料電池の発電ユニットを示し、（ａ）はその発電ユニットの正面図であり、（ｂ）はその発電ユニットの側面図である。
【図７】本発明の実施の形態２に係る固体高分子形燃料電池の発電ユニットの概略構成を示す正面図である。
【図８】図７に示す発電ユニットが複数積層されて、固体高分子形燃料電池が構成される様子を説明するための図である。
【図９】実験１の結果を示す図であって、ＰＥＭの面積を変化させた場合の燃料電池の発電力を示す。
【図１０】実験２の結果を示す図であって、（ａ）は、３０ｍｍ×３０ｍｍの面積のＰＥＭを加水しない場合と浸積加水した場合との燃料電池の発電力の比較を示し、（ｂ）は、３０ｍｍ×４０ｍｍの面積のＰＥＭを加水しない場合と浸積加水した場合との燃料電池の発電力の比較を示す。
【符号の説明】
１，１’：燃料電池（固体高分子形燃料電池）
２，２’：ハウジング
３，３’：燃料電池スタック
４：燃料極
５：空気極
６，６’：発電ユニット（単セル）
７：膜電極複合体（ＭＥＡ）
８，８’：燃料極側セパレータ
８ａ：通気路
８ｂ：水素ガス（所定のガスの一部、燃料ガス）
９，９’：空気極側セパレータ
９ａ：通気路
９ｂ：酸素ガス（所定のガスの一部）
１０：固体高分子電解質膜（ＰＥＭ）
１０ａ：燃料極対向面（電極対向面）
１０ｂ：空気極対向面（電極対向面）
１０ｃ，１０ｄ：外縁
１１：燃料極（電極）
１１ａ：膜対向面
１２：空気極（電極）
１２ａ：膜対向面
１３：加水手段
１３’：流路（加水手段）
１４：タンク
１５：溶液
１６：電球（電気抵抗体）
１７：電線
１８：シール材[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a power generation unit, a polymer electrolyte fuel cell, and a method of adding the polymer electrolyte fuel cell, and particularly to an automobile, a mobile phone, and other electric products as a power source for an automobile and a power source for home use. A power generation unit that is used and is provided in a polymer electrolyte fuel cell in which both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane are sandwiched by electrodes and gas and moisture are supplied to the electrodes to generate power, and a solid height having the power generation unit is provided. The present invention relates to a molecular fuel cell and a method for adding water to the polymer electrolyte fuel cell.
[0002]
[Prior art]
A polymer is a compound having a molecular weight of about 10,000 or more, and functional polymer materials having various functions are known. A polymer film, which is one of the functional polymer materials, is a material having a large surface area compared to its thickness. If an electrochemical potential exists between the materials on both sides of the polymer membrane, various membrane phenomena such as membrane potential, electroosmosis, volume flux, and heat infiltration occur. This film phenomenon is induced by a difference in the diffusion speed of a substance passing through the polymer film.
[0003]
In recent years, polymer membranes having such a material permeability have been used for fuel cells. A fuel cell using the polymer membrane is called a polymer electrolyte fuel cell (Polymer Electrolyte Fuel Cell: PEFC) or a polymer electrolyte fuel cell, and the polymer used in the polymer electrolyte fuel cell is called a polymer electrolyte fuel cell. The membrane is called a solid polymer electrolyte membrane (Polymer Electrolyte Membrane: PEM). When compared with other types of fuel cells such as solid oxide fuel cells (SOFCs), polymer electrolyte fuel cells can operate at a relatively low temperature of about 80 ° C. to 100 ° C. and have high power generation efficiency. Because of this expectation, it is considered to be suitable as a power source for automobiles and a home power supply, and is attracting attention.
[0004]
A polymer electrolyte fuel cell is usually provided with a fuel cell stack in which units called single cells are stacked. Each single cell is configured to include a membrane electrode assembly (MEA) and a separator sandwiching both surfaces thereof and having a hydrogen gas or oxygen gas supply channel formed therein. The membrane electrode assembly includes a plate-shaped PEM and gas diffusion electrodes (fuel electrode and air electrode) sandwiching both sides of the PEM.
[0005]
During power generation of the polymer electrolyte fuel cell, hydrogen is decomposed into hydrogen ions and electrons on the fuel electrode side. The electrons move to the cathode via an external circuit. On the other hand, hydrogen ions move to the air electrode side in the PEM, and react with oxygen and electrons on the air electrode side to generate water.
[0006]
The hydrogen ions are hydrated with water in the PEM. When the polymer electrolyte fuel cell generates power, hydrogen ions move from the fuel electrode to the air electrode, and the hydrogen ions and hydrated water molecules also move to the air electrode. At the same time, since a water production reaction is occurring at the air electrode, it is expected that the distribution of water in the PEM will be biased. It is considered that the water is diffused to the fuel electrode side due to the uneven distribution of the water. Further, it is considered that water evaporates due to heat generated at the time of power generation, and water flows out of the PEM.
[0007]
Further, in order for hydrogen ions to move from the fuel electrode to the air electrode in the PEM, the PEM needs to be in an appropriate wet state. That is, since the mobility of hydrogen ions in the PEM depends on the water content of the PEM, when the PEM dries, the electric resistance increases, and as a result, the mobility of the hydrogen ions decreases. For this reason, in general, hydrogen gas or oxygen gas supplied to the PEM is appropriately humidified to maintain the PEM in an appropriate wet state, and water is managed. The humidification of the hydrogen gas and the oxygen gas is often performed by a separately provided humidifier.
[0008]
Various configurations for supplying moisture to the PEM have been conventionally devised (for example, Patent Documents 1 and 2). According to the technique disclosed in Patent Literature 1, a water-soluble yarn is embedded in a solid polymer electrolyte, formed, and then formed into a narrow passage for supplying water to the solid polymer electrolyte by eluting and removing the yarn. Is provided. Further, according to Patent Document 2, a water absorbing sheet is arranged in a frame shape on at least one surface of the ion exchange resin membrane / electrode assembly or on the outer edge of the ion exchange resin membrane / electrode assembly, and The supply gas is humidified by the moisture contained in the sheet.
[0009]
[Patent Document 1]
JP-A-6-196182
[Patent Document 2]
JP 2000-323159 A
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
This polymer electrolyte fuel cell has ample room for development at this stage, and further improvement in performance is expected. In particular, when used as a power source for a car or a home power source, it is necessary to have a simple structure and low cost as well as miniaturization and improvement of power generation efficiency. The appearance is greatly expected from the industry.
[0011]
In order to improve the power generation efficiency, it is necessary to contain PEM to reduce its electric resistance. However, according to a configuration in which a humidifying device is provided to contain PEM to humidify hydrogen gas and oxygen gas, a separate humidifying device is required, so that the device itself becomes large and costs increase. There is a problem. In addition, energy for operating the humidifier is required, and the power generation efficiency of the fuel cell is reduced.
[0012]
According to the above-mentioned Patent Documents 1 and 2, it is necessary to provide a thin water passage in the solid polymer electrolyte or to arrange a water-absorbing sheet in a frame shape at the outer edge of the ion exchange resin membrane / electrode assembly. However, the structure itself is complicated. There is a problem that processing is difficult, and the production is troublesome and expensive.
[0013]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is not necessary to separately provide or operate a device, and it is possible to realize an improvement in power generation efficiency while contributing to miniaturization and cost reduction by a simple structure. It is an exemplary object to provide a power generation unit of a polymer electrolyte fuel cell, a polymer electrolyte fuel cell provided with the power generation unit, and a method of adding water.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above-described exemplary object, a power generation unit according to one aspect of the present invention includes a solid polymer electrolyte membrane and electrodes disposed on both surfaces thereof, and a predetermined gas and moisture are applied to the electrodes. In a polymer electrolyte fuel cell that generates electricity by being supplied, the area of the electrode facing surface of the solid polymer electrolyte membrane facing the electrode is larger than the area of the membrane facing surface of the electrode facing the solid polymer electrolyte membrane. It is characterized by the following.
[0015]
As another aspect of the present invention, a method for adding water to a solid polymer electrolyte fuel cell includes a solid polymer electrolyte fuel cell, and a solid polymer fuel cell having electrodes disposed on both sides thereof. A method for adding water to a molecular fuel cell, comprising supplying water to the outer edge of a solid polymer electrolyte membrane.
[0016]
Further objects and other features of the present invention will become apparent from preferred embodiments described below with reference to the accompanying drawings.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a diagram showing a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter, simply referred to as a fuel cell) 1 according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 1A is an external perspective view thereof, and FIG. (b) is a schematic block diagram showing the configuration of the power generation unit 6 provided therein. This fuel cell 1 is schematically configured having a fuel cell stack 3 having a power generation unit 6 inside a housing 2. The housing 2 is formed using, for example, a metal material such as aluminum or iron, but may be formed using a resin material such as acryl or polycarbonate.
[0018]
As shown in the figure, a hydrogen gas supply pipe 2a and an oxygen gas supply pipe 2b are provided at an upper part of the housing 2, and a hydrogen gas exhaust pipe 2c and an oxygen gas exhaust pipe 2d are provided at a lower part of the housing 2. I have. The hydrogen gas supply pipe 2a is for supplying a hydrogen gas (fuel gas) 8b as a part of a predetermined gas to the fuel electrode 4 side of the fuel cell stack 3 and a hydrogen supply means such as a hydrogen cylinder (not shown). It is connected to the. The hydrogen gas exhaust pipe 2c is for exhausting the hydrogen gas 8b after passing through the fuel cell stack 3.
[0019]
The oxygen gas supply pipe 2 b is for supplying oxygen gas 9 b as a part of a predetermined gas to the air electrode 5 side of the fuel cell stack 3. For example, it may be configured to be connected to an oxygen supply means such as an oxygen cylinder (not shown) to supply the oxygen gas 9b from the oxygen supply means, or to open the oxygen gas supply pipe 2b to the atmosphere and It may be configured to take in oxygen from.
[0020]
The fuel cell stack 3 is generally configured by stacking a plurality of power generation units 6 called single cells, but in the first embodiment, the fuel cell stack 3 is configured by one power generation unit 6 for simplicity. It will be described on the assumption that As shown in FIG. 1B, the power generation unit 6 is generally configured to include a membrane electrode assembly (hereinafter abbreviated as MEA) 7, a fuel electrode side separator 8, and an air electrode side separator 9. The MEA 7 is generally configured to include a solid polymer electrolyte membrane (hereinafter abbreviated as PEM) 10, and a fuel electrode 11 and an air electrode 12 as electrodes.
[0021]
The fuel electrode side separator 8 is for holding the MEA 7 together with the air electrode side separator 9 and is made of a conductive material such as graphite. An air passage 8a is formed in the fuel electrode side separator 8 on a surface in contact with the fuel electrode 11, and the hydrogen gas 8b passes through the air passage 8a while being in contact with the fuel electrode 11, so that the hydrogen gas flows into the fuel electrode 11. 8b is supplied.
[0022]
The air electrode side separator 9 is also made of a conductive material such as graphite, and the air electrode side separator 9 has a ventilation path 9 a formed on a surface that contacts the air electrode 12. The oxygen gas 8b is supplied to the air electrode 12 by passing the oxygen gas 8b through the ventilation path 9a while contacting the air electrode 12.
[0023]
The fuel electrode 11 and the air electrode 12 are electrodes formed of a conductor made of, for example, porous carbon or the like (see also FIG. 4), and are disposed on both sides of the PEM 10 with the PEM 10 interposed therebetween. In the first embodiment, the PEM 10 and the fuel electrode 11 and the air electrode 12 disposed on both surfaces thereof are thermocompression-bonded by a heat press. As shown in FIG. 2, the membrane facing surface 11a of the fuel electrode 11 and the fuel electrode facing surface (electrode facing surface) 10a of the PEM 10 face each other, and the membrane facing surface 12a of the air electrode 12 and the air electrode facing surface of the PEM 10 ( (Electrode facing surface) 10b. The membrane facing surface 11a comes into contact with the fuel electrode facing surface 10a, the membrane facing surface 12a comes into contact with the air electrode facing surface 10b, and hydrogen ions (H ⁺ ) Is configured to reach from the fuel electrode 11 through the PEM 10 to the air electrode 12.
[0024]
As shown in the front view and the side view in FIGS. 3A and 3B, in the power generation unit 6, the area of the fuel electrode facing surface 10 a and the area of the air electrode facing surface 10 b of the PEM 10 are respectively equal to those of the fuel electrode 11. The area is larger than the areas of the membrane facing surface 11a and the membrane facing surface 12a of the air electrode 12. In the first embodiment, the area of the air electrode facing surface 10b is at least 1.1 times the area of the membrane facing surface 12a.
[0025]
As will be described later, even if the area of the membrane facing surface 12a is not increased, the power generation of the fuel cell 1 increases as the area of the air electrode facing surface 10b increases (see FIG. 9). Even when the area ratio between the two becomes about six times, the power generation of the fuel cell 1 tends to increase as the air electrode facing surface 10b increases, but it is found that the increase gradually decreases and becomes saturated. ing. Therefore, it is desirable that the area of the air electrode facing surface 10b be about 1.1 to 6 times the area of the membrane facing surface 12a within a range allowed by the size of the entire device of the fuel cell 1. Of course, if a further increase in power generation is desired, the area of the air electrode facing surface 10b can be set to be at least six times the area of the membrane facing surface 12a.
[0026]
As for the configuration on the air electrode 12 side, the configuration on the fuel electrode 11 side is almost the same. Therefore, the description of the fuel electrode 11 side is omitted. In the following description, when it is not necessary to distinguish between the fuel electrode 11 and the air electrode 12, they are collectively referred to as "electrode". In the first embodiment, since the area of the fuel electrode side facing surface 10a of the PEM 10 is the same as the area of the air electrode side facing surface 10b, the fuel electrode 11 side and the air electrode 12 side are particularly distinguished. If it is not necessary to perform the operation, the area is described as “the area of the PEM10”.
[0027]
At the outer edge 10c of the PEM 10, a water adding means 13 for supplying moisture to the PEM 10 is provided. The water adding means 13 is configured by storing a predetermined solution 15 in a tank 14, and the outer edge 10 c is immersed in the solution 15. Examples of the solution 15 include various solutions such as a neutral solution such as water, an acidic solution such as an acetic acid aqueous solution, and an alkaline solution such as a potassium hydroxide aqueous solution. With such a configuration, it is not necessary to humidify the hydrogen gas 8b or the oxygen gas 9b with a humidifier, so that the water can be easily supplied to the PEM 10, that is, water can be easily supplied. It can contribute to efficiency improvement.
[0028]
Here, in the present application, the outer edge does not mean only the outer peripheral end face portion of the PEM 10 but refers to the peripheral portion of the PEM 10 where the electrodes 11 and 12 are not in contact (for example, a portion corresponding to the outer edge 10d shown in FIG. 3B). Including. In the first embodiment, the outer edge 13c is watered by the watering means 13 in FIGS. 2 and 3, but it is of course intended by the present invention to water the outer edge 10d by another type of watering means. Further, in the first embodiment, the water adding means 13 is configured to have the tank 14 and the solution 15, and the outer edge 13 c is immersed in the solution 15 to water the PEM 10. The present invention is not limited to such a case. For example, even when the solution 15 is guided to the outer edge 10c by a tube or the like, moisture in a gas phase or a solid phase such as steam or ice contacts the outer edge 10c. It may be. The point is that any configuration is acceptable as long as moisture is brought into contact with the outer edge 10c.
[0029]
Next, the operation of the fuel cell 1 will be described. FIG. 4 is an enlarged view of a main part for explaining a state of power generation by the fuel cell 1, and FIG. 5 is a flowchart for explaining a procedure for generating power while adding fuel to the fuel cell 1.
[0030]
The fuel electrode side separator 8 and the air electrode side separator 9 of this fuel cell 1 are connected by an electric wire 17 via an electric resistor (for example, a light bulb) 16 (S.1). Subsequently, the outer edge 10c of the PEM 10 of the fuel cell 1 is immersed in the solution 15 stored in the tank 14 (S.2). Thereby, the PEM 10 can be easily added without a complicated structure or another power source. As a result, the electric resistance of the PEM 10 can be reduced, which can contribute to the improvement of the power generation efficiency of the fuel cell 1.
[0031]
Hydrogen gas 8b is supplied to the ventilation path 8a of the fuel electrode side separator 8 by hydrogen gas supply means (not shown) (S.3), and oxygen gas 9b is supplied to the ventilation path 9a of the air electrode side separator 9 by oxygen gas supply means (not shown). Supply (S.4).
[0032]
The hydrogen gas 8b passes through the porous fuel electrode 11 and receives hydrogen ions (H ⁺ ) And electrons (e ⁻ ) And separated into This separation reaction is ₂ → 2H ⁺ + 2e ⁻ Is represented as Hydrogen ion (H ⁺ ) Passes through the PEM 10 and reaches the cathode 12. On the other hand, the separated electrons (e ⁻ ) Passes through the electric wire 17 connected to the fuel electrode 11 and reaches the air electrode 12 via the electric bulb 16.
[0033]
At the air electrode 12, hydrogen ions (H ⁺ ) And the electrons (e) passing through the electric wire 17 ⁻ ) And the oxygen gas 9b supplied to the ventilation path 9a, a reaction for generating water occurs. This formation reaction is O ₂ + 4H ⁺ + 4e ⁻ → 2H ₂ Expressed as O. As long as the hydrogen gas 8b and the oxygen gas 9b are continuously supplied to the fuel cell 1, the electrons (e ⁻ ) Continuously passes through the electric wire 17 and the light bulb 16, and the power generation by the fuel cell 1 is started (S.5).
[0034]
The order of immersion of PEM 10 (S.2), supply of hydrogen gas 8b (S.3), supply of oxygen gas 9b (S.4), and power generation by fuel cell 1 (S.5) are shown in FIG. The order is not limited to the order shown in FIG.
[0035]
The power generated by the fuel cell 1 depends on how efficiently the above separation reaction and production reaction are performed. In other words, hydrogen ions (H ⁺ ) Pass through the PEM 10 one after another to accelerate the separation reaction and separate electrons (e) separated per unit time. ⁻ When the number of parentheses increases, the power generated by the fuel cell 1 increases. That is, hydrogen ions (H) passing through the PEM 10 per unit time ⁺ ) Greatly contributes to the improvement of power generation efficiency.
[0036]
In the fuel cell 1, most hydrogen ions (H 2) are directed from the membrane facing surface 11 a of the fuel electrode 11 to the membrane facing surface 12 a of the air electrode 12. ⁺ ) Moves substantially linearly in the PEM 10. However, as shown by the curved arrow J in FIG. 4, the hydrogen ions (H ⁺ ) Is also thought to exist. Such hydrogen ions (H ⁺ It is considered that the power generation of the fuel cell 1 increases by increasing the movement due to the roundabout.
[0037]
In the first embodiment, the area of the PEM 10 is increased without increasing the area of the film facing surfaces 11a and 12a of the electrodes 11 and 12, and the area of the PEM 10 is reduced by the film facing surfaces 11a and 12a of the electrodes 11 and 12. It is configured to be larger than the area of. Thereby, the hydrogen ion (H ⁺ ) Can be increased, so that a larger power generation can be obtained as compared with the case where the area of the PEM 10 is equal to the area of the film facing surfaces 11a and 12a of the electrodes 11 and 12.
[0038]
Generally, hydrogen ions (H ⁺ ) Moves from the fuel electrode 11 to the air electrode 12 when water molecules (H ₂ O) is accompanied, and the water content on the fuel electrode 11 side is reduced. Further, on the air electrode 12 side, water (H ₂ O) is generated, so that in the PEM 10, an imbalance in water content occurs between the fuel electrode 11 side and the air electrode 12 side. However, in the fuel cell 1, since the outer edge 10 c of the PEM 10 is immersed in the solution 15 in the tank 14, sufficient water is added, and an increase in the electric resistance value due to the drying of the PEM 10 can be prevented.
[0039]
[Modification]
For example, as shown in the front view and the side view in FIGS. 6A and 6B, the fuel electrode 11 in which the fuel electrode side separator 8 is in contact and the air electrode side separator 9 are in contact with each other. A plurality of air electrodes 12 (four in this modification) may be provided on both surfaces of the PEM 10. In this case, it is preferable that the respective fuel electrodes 11 and the respective air electrodes 12 are arranged at a predetermined interval. By doing so, the hydrogen ions (H ⁺ ) Can be further increased, and the power generation of the fuel cell 1 can be further increased.
[0040]
[Embodiment 2]
In the first embodiment, the area of the electrodes 11 and 12 and the area of each of the separators 8 and 9 are configured to be substantially the same, and only the area of the PEM 10 is larger than those areas. However, when the fuel cell 1 is applied to an actual product, as shown in FIG. 7, separators 8 ′ and 9 ′ having a large area are used so that the outer edge 10c of the PEM 10 does not protrude from the separators 8 and 9. You may comprise.
[0041]
In FIG. 7, the MEA 7 is formed by heat-pressing the fuel electrode 11 and the air electrode 12 from both sides of the PEM 10 having an area larger than the membrane facing surfaces 11a and 12a, and further, the fuel electrode having an area substantially equal to the area of the PEM 10. The side separator 8 ′ and the air electrode side separator 9 ′ are configured to sandwich the MEA 7. In the vicinity of the outer edge 10c of the PEM 10, a flow path 13 'as a water adding means is provided, and a solution 15 such as water passes through the flow path 13' to water the PEM 10. A sealing material 18 is further provided near the outer edge 10c so that the PEM 10 and the electrodes 11, 12 are sealed from the outside when the fuel electrode side separator 8 'and the air electrode side separator 9' sandwich the MEA 7. It has become.
[0042]
In the second embodiment, the area of the PEM 10 and each of the separators 8 'and 9' are substantially the same, and the areas of the electrodes 11 and 12 are smaller than that. Therefore, when the MEA 7 is sandwiched between the separators 8 'and 9', a gap is formed between the PEM 10 and each of the separators 8 'and 9'. Since the flow path 13 'and the sealing material 18 are provided in this gap near the outer edge 10c of the PEM 10c, the PEM 10, the flow path 13', and the sealing material 18 do not protrude from the separators 8 ', 9'. The power generation unit 6 'is very easy to handle.
[0043]
As shown in FIG. 8, a plurality of power generation units 6 'are stacked to form a fuel cell stack 3', and the fuel cell stack 3 'is provided in a housing 2' to constitute a fuel cell 1 '.
[0044]
[Experiment 1]
FIG. 9 shows the generated power when the area of the PEM 10 was variously changed using the fuel cell 1 shown in FIG. In FIG. 9, the vertical axis represents the output voltage (V) of the fuel cell 1, and the horizontal axis represents the current value (A / cm) per unit area of the electrode. ² ). As the electrodes 11 and 12, those having an area of the film facing surfaces 11a and 12a of 15 mm × 15 mm are used, and the area of the PEM 10 is set to 20 mm × 20 mm (A in the figure), 30 mm × 30 mm (B in the figure), and 30 mm × 40 mm. (C in the figure) and an experiment was conducted.
[0045]
As is clear from FIG. 9, even if the areas of the membrane facing surfaces 11a and 12a are constant, when the area of the PEM 10 increases, the power generation of the fuel cell 1 increases. The reason for this is that if the area of the PEM 10 is larger than the areas of the membrane facing surfaces 11a and 12a, hydrogen ions (H ⁺ It is considered that this is because the wraparound of) is likely to occur. Therefore, as the area of the PEM 10 increases, hydrogen ions (H ⁺ ) Increases, and the power generation of the fuel cell 1 increases.
[0046]
However, when the area (30 mm × 40 mm) of the PEM 10 becomes nearly six times the area (15 mm × 15 mm) of the membrane facing surfaces 11a and 12a, the amount of increase in the power generated by the fuel cell 1 decreases and becomes saturated. Therefore, it is desirable that the area of the PEM 10 is about 1.1 to 6 times the area of the film facing surfaces 11a and 12a. Thereby, the power generation of the fuel cell 1 can be increased with a simple structure.
[0047]
[Experiment 2]
Using the fuel cell 1 shown in FIG. 1, when the PEM 10 is not watered (D in FIG. 10A and F in FIG. 10B) and when the outer edge 10 c of the PEM 10 is immersed by the watering means 13. (E in FIG. 10 (a) and G in FIG. 10 (b)) are shown in FIGS. 10 (a) and 10 (b). 10 (a) and 10 (b), the vertical axis represents the output voltage (V) of the fuel cell 1, and the horizontal axis represents the current value (A / cm) per unit area of the electrode. ² ). The areas of the film facing surfaces 11a and 12a of the electrodes 11 and 12 are 15 mm × 15 mm. FIG. 10A shows a PEM 10 having an area of 30 mm × 30 mm, and FIG. 10B shows a PEM 10 having an area of 30 mm × 40 mm. I use something.
[0048]
As is clear from FIGS. 10A and 10B, the power generation of the fuel cell 1 increases when the outer edge 10c of the PEM 10 is immersed and added, as compared with the case where no water is added. This is probably because the electric resistance of the PEM 10 was reduced by the addition of water to the outer edge 10c. Therefore, it is clear from this result that the power generation of the fuel cell 1 can be increased and the power generation efficiency can be improved by a simple watering method of immersing the outer edge 10c of the PEM 10 by water. became.
[0049]
【The invention's effect】
As described above, according to the power generation unit as one aspect of the present invention, the area of the electrode facing surface of the solid polymer electrolyte membrane facing the electrode is equal to the area of the membrane facing surface of the electrode facing the solid polymer electrolyte membrane. Since the area is larger than the area, the power generation of the power generation unit can be increased with a simple structure without providing or operating a separate device. As a result, the power generation unit can be reduced in size and cost, and a power generation unit with high power generation efficiency can be obtained.
[0050]
When the area of the electrode facing surface of the solid polymer electrolyte membrane is 1.1 times or more the area of the electrode facing surface of the electrode, higher power generation efficiency can be obtained. By reducing the area of the electrode facing surface of the electrode and increasing the area of the electrode facing surface of the solid polymer electrolyte membrane, it is possible to increase the power generation while realizing the miniaturization of the power generation unit. Further, when the area of the electrode facing surface of the solid polymer electrolyte membrane is within about 1.1 to 6 times the area of the electrode facing surface of the electrode, the increase in power generation with the increase in the area ratio is not saturated, High power generation efficiency can be obtained. Further, a sufficient space at the outer edge of the solid polymer electrolyte membrane to be immersed in the water adding means can be secured.
[0051]
When water is supplied to the outer edge of the solid polymer electrolyte membrane, the electric resistance of the solid polymer electrolyte membrane is reduced with a simple structure without providing or operating a separate humidifying device. be able to. As a result, the power generation unit can be reduced in size and cost, and a power generation unit with high power generation efficiency can be obtained.
[0052]
When water is supplied by immersing the outer edge of the solid polymer electrolyte membrane in a predetermined solution, the above effects can be obtained with a simpler structure. The entire power generation unit has a very simple structure, so that reduction in device cost and miniaturization can be easily realized.
[0053]
When the polymer electrolyte fuel cell includes the power generation unit having the above characteristics, the power generation of the fuel cell can be increased with a simple structure. As a result, it is possible to contribute to downsizing and cost reduction of the fuel cell, and a fuel cell with high power generation efficiency can be obtained.
[0054]
According to the water supply method for a polymer electrolyte fuel cell as another aspect of the present invention, since water is supplied to the outer edge of the polymer electrolyte membrane, a device for humidification is separately provided or operated. Without a simple structure, the electric resistance of the solid polymer electrolyte membrane can be reduced. As a result, the size and cost of the fuel cell can be reduced, and a power generation unit with high power generation efficiency can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a polymer electrolyte fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention, (a) is an external perspective view thereof, and (b) is a schematic block diagram showing a configuration of a power generation unit provided therein. FIG.
FIG. 2 is an exploded view for explaining the configuration of the power generation unit shown in FIG.
3A and 3B are diagrams for explaining the configuration of the power generation unit shown in FIG. 1, wherein FIG. 3A is a front view of the power generation unit, and FIG. 3B is a side view of the power generation unit.
FIG. 4 is an enlarged view of a main part for explaining a state of power generation by the fuel cell shown in FIG. 1;
FIG. 5 is a flowchart illustrating a procedure for generating power while adding water to the fuel cell shown in FIG. 1;
6A and 6B show a power generation unit of a polymer electrolyte fuel cell according to a modification of the present invention. FIG. 6A is a front view of the power generation unit, and FIG. 6B is a side view of the power generation unit.
FIG. 7 is a front view showing a schematic configuration of a power generation unit of a polymer electrolyte fuel cell according to Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 8 is a diagram for explaining a state in which a plurality of power generation units shown in FIG. 7 are stacked to configure a polymer electrolyte fuel cell.
FIG. 9 is a diagram showing the results of Experiment 1, and shows the power generation of the fuel cell when the area of the PEM is changed.
FIG. 10 is a view showing the results of Experiment 2, in which (a) shows a comparison of the power generation of the fuel cell between the case where the PEM having an area of 30 mm × 30 mm is not added and the case where the PEM is immersed and added; b) shows a comparison of the power generated by the fuel cell between the case where the PEM having an area of 30 mm × 40 mm is not added and the case where the PEM is immersed.
[Explanation of symbols]
1,1 ': fuel cell (polymer electrolyte fuel cell)
2, 2 ': Housing
3, 3 ': fuel cell stack
4: Fuel electrode
5: air electrode
6, 6 ': Power generation unit (single cell)
7: Membrane electrode assembly (MEA)
8, 8 ': fuel electrode side separator
8a: ventilation path
8b: hydrogen gas (part of the predetermined gas, fuel gas)
9, 9 ': air electrode side separator
9a: ventilation path
9b: oxygen gas (part of the predetermined gas)
10: Solid polymer electrolyte membrane (PEM)
10a: fuel electrode facing surface (electrode facing surface)
10b: air electrode facing surface (electrode facing surface)
10c, 10d: outer rim
11: Fuel electrode (electrode)
11a: membrane facing surface
12: Air electrode (electrode)
12a: membrane facing surface
13: Water adding means
13 ': flow path (water adding means)
14: Tank
15: Solution
16: Light bulb (electrical resistor)
17: Electric wire
18: Sealing material

Claims

In a power generation unit of a polymer electrolyte fuel cell, which has a solid polymer electrolyte membrane and electrodes disposed on both surfaces thereof and generates power by supplying a predetermined gas and moisture to the electrodes,
A solid polymer fuel cell, wherein an area of the electrode facing surface of the solid polymer electrolyte membrane facing the electrode is larger than an area of the membrane facing surface of the electrode facing the solid polymer electrolyte membrane. Power generation unit.

The solid polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the area of the electrode facing surface of the polymer electrolyte membrane is 1.1 times or more the area of the electrode facing surface of the electrode. Power generation unit.

The power generation unit of a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the supply of the water is performed to an outer edge of the polymer electrolyte membrane.

The power generation unit of a polymer electrolyte fuel cell according to claim 3, wherein the supply of the water is performed by immersing the outer edge in a predetermined solution.

A polymer electrolyte fuel cell comprising the power generation unit according to any one of claims 1 to 4.

A polymer electrolyte membrane, and a method for adding water to a polymer electrolyte fuel cell having electrodes disposed on both surfaces thereof, and supplying water to the polymer electrolyte fuel cell,
A method for watering a polymer electrolyte fuel cell, comprising supplying the water to an outer edge of the polymer electrolyte membrane.