JP2005302674A - Fuel cell provided with porous separator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、多孔質のセパレータを備える燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell including a porous separator.
燃料電池は、複数のセルを含んでおり、隣接する2つのセルの間には、セパレータが設けられている。 The fuel cell includes a plurality of cells, and a separator is provided between two adjacent cells.
特許文献1では、隣接する2つのセルの間には、2つのセパレータが設けられている。各セパレータは、双方の面に複数の凸部を有しており、凹部によって流路が形成されている。第1のセパレータは、第1の面側に形成された複数の凸部において第1のMEA(イオン交換膜電解質/電極組立体)と接触しており、第1のセパレータと第1のMEAとの間には、凹部によって水素ガスが通る水素ガス流路が形成されている。同様に、第2のセパレータは、第1の面側に形成された複数の凸部において第2のMEAと接触しており、第2のセパレータと第2のMEAとの間には、凹部によって空気(酸素ガス)が通る酸素ガス流路が形成されている。また、第1のセパレータの第2の面側に形成された複数の凸部は、第2のセパレータの第2の面側に形成された複数の凸部と接触しており、2つのセパレータの間には、対向する凹部によって冷却水が通る冷却水流路が形成される。 In Patent Document 1, two separators are provided between two adjacent cells. Each separator has a plurality of convex portions on both surfaces, and a flow path is formed by the concave portions. The first separator is in contact with the first MEA (ion exchange membrane electrolyte / electrode assembly) at the plurality of convex portions formed on the first surface side, and the first separator, the first MEA, A hydrogen gas flow path through which hydrogen gas passes is formed between the recesses. Similarly, the second separator is in contact with the second MEA at the plurality of convex portions formed on the first surface side, and a concave portion is provided between the second separator and the second MEA. An oxygen gas flow path through which air (oxygen gas) passes is formed. In addition, the plurality of convex portions formed on the second surface side of the first separator are in contact with the plurality of convex portions formed on the second surface side of the second separator, and the two separators A cooling water flow path through which the cooling water passes is formed between the concave portions facing each other.
カソードで生成された水(生成水)は、多孔質の第2のセパレータを透過して、冷却水流路へ移動する。これにより、酸素ガス流路内におけるフラッディング状態の発生を抑制することができる。なお、生成水の移動は、酸素ガスの圧力と冷却水の圧力との間に、所定の圧力差を発生させることによって、実現されている。 The water (generated water) generated at the cathode permeates the porous second separator and moves to the cooling water flow path. Thereby, generation | occurrence | production of the flooding state in an oxygen gas flow path can be suppressed. The movement of the generated water is realized by generating a predetermined pressure difference between the pressure of the oxygen gas and the pressure of the cooling water.
しかしながら、従来の技術では、カソードで生成された水を多孔質のセパレータを介して効率よく除去することが困難であるという問題があった。これは、多孔質のセパレータが、水分を効率よく取り込むことが困難であることに起因する。 However, the conventional technique has a problem that it is difficult to efficiently remove water generated at the cathode through the porous separator. This is because the porous separator is difficult to efficiently take in moisture.
この発明は、従来技術における上述の課題を解決するためになされたものであり、電極で生成された水分をセパレータを介して効率よく除去することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems in the prior art, and an object thereof is to efficiently remove moisture generated by an electrode through a separator.
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の装置は、燃料電池であって、
電解質層と、
前記電解質層の一方の側に設けられた電極層と、
前記電解質層の前記一方の側に設けられ、前記電解質層との間で前記電極層を挟むガス拡散層と、
前記電解質層の前記一方の側に設けられ、前記電極層との間で前記ガス拡散層を挟むセパレータであって、前記セパレータには、前記ガス拡散層を介して前記電極層に反応ガスを供給するための反応ガス通路が形成されており、前記セパレータは、前記ガス拡散層に対向して前記反応ガス通路の一部を構成する凸部を有する多孔質部を含む、前記セパレータと、
前記ガス拡散層と前記多孔質部との間に設けられた導電性を有する網状部材と、
を備えることを特徴とする。
In order to solve at least a part of the problems described above, an apparatus of the present invention is a fuel cell,
An electrolyte layer;
An electrode layer provided on one side of the electrolyte layer;
A gas diffusion layer provided on the one side of the electrolyte layer and sandwiching the electrode layer with the electrolyte layer;
A separator provided on the one side of the electrolyte layer and sandwiching the gas diffusion layer with the electrode layer, wherein a reactive gas is supplied to the electrode layer via the gas diffusion layer And the separator includes a porous portion having a convex portion that constitutes a part of the reaction gas passage so as to face the gas diffusion layer; and
A mesh member having conductivity provided between the gas diffusion layer and the porous portion;
It is characterized by providing.
この装置では、ガス拡散層と多孔質部との間に網状部材が設けられているため、多孔質部の凸部に押圧されることによって、ガス拡散層が変形するのを抑制することができる。このため、ガス拡散層は、水分を効率よく蓄えることができ、多孔質部は、その凸部から、ガス拡散層に蓄えられた水分を網状部材を介して効率よく取り込むことができる。この結果、セパレータは、電極で生成された水分を効率よく除去することが可能となる。 In this apparatus, since the mesh member is provided between the gas diffusion layer and the porous portion, it is possible to suppress the gas diffusion layer from being deformed by being pressed by the convex portion of the porous portion. . For this reason, the gas diffusion layer can efficiently store moisture, and the porous portion can efficiently take in moisture stored in the gas diffusion layer from the convex portion via the mesh member. As a result, the separator can efficiently remove moisture generated by the electrode.
上記の装置において、
前記網状部材は、金属製の部材であることが好ましい。
In the above device,
The mesh member is preferably a metal member.
こうすれば、網状部材は、比較的高い導電性を発揮することができる。 By doing so, the mesh member can exhibit relatively high conductivity.
なお、金属部材としては、例えば、チタンを含有する部材を用いることができる。ただし、電解質層がフッ素原子を含有する場合には、網状部材は、チタン含有基材にフッ素に対する耐食性を有するメッキが形成された部材であることが好ましい。 In addition, as a metal member, the member containing titanium can be used, for example. However, when the electrolyte layer contains fluorine atoms, the network member is preferably a member in which a titanium-containing substrate is formed with plating having corrosion resistance to fluorine.
上記の装置において、
前記網状部材は、前記多孔質部に対応する領域に設けられており、
前記網状部材に含まれる前記多孔質部の前記凸部に対応する部分領域には、親水処理が施されていることが好ましい。
In the above device,
The mesh member is provided in a region corresponding to the porous portion,
It is preferable that a hydrophilic treatment is applied to a partial region corresponding to the convex portion of the porous portion included in the mesh member.
こうすれば、水分が網状部材の部分領域に保持され易くなるため、多孔質部は、水分をより効率よく取り込むことができる。 If it carries out like this, since a water | moisture content will become easy to be hold | maintained at the partial area | region of a mesh member, the porous part can take in a water | moisture content more efficiently.
上記の装置において、
前記網状部材は、前記多孔質部の前記凸部に対応する領域に選択的に設けられていてもよい。
In the above device,
The mesh member may be selectively provided in a region corresponding to the convex portion of the porous portion.
こうすれば、網状部材の使用量を低減させることができるため、燃料電池の製造コストを低下させることができる。 By doing so, the amount of the mesh member used can be reduced, and the manufacturing cost of the fuel cell can be reduced.
なお、この発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、該燃料電池を備える燃料電池システム、該燃料電池システムを搭載した移動体などの装置等の形態で実現することができる。 Note that the present invention can be realized in various forms, for example, in the form of a fuel cell, a fuel cell system including the fuel cell, and a device such as a moving body equipped with the fuel cell system. be able to.
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づき以下の順序で説明する。
A.第1実施例:
A−1.燃料電池システムの全体構成:
A−2.セルの概略構成:
A−3.セルの具体的な構成:
B.第2実施例:
C.第3実施例:
Next, embodiments of the present invention will be described in the following order based on examples.
A. First embodiment:
A-1. Overall configuration of the fuel cell system:
A-2. Schematic configuration of the cell:
A-3. Specific cell configuration:
B. Second embodiment:
C. Third embodiment:
A.第1実施例:
A−1.燃料電池システムの全体構成:
図1は、第1実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。なお、この燃料電池システムは、車両に搭載されている。
A. First embodiment:
A-1. Overall configuration of the fuel cell system:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of the fuel cell system in the first embodiment. The fuel cell system is mounted on a vehicle.
燃料電池システムは、燃料電池スタック100と、燃料電池スタックに燃料ガス(水素ガス)を供給するための燃料ガス供給系と、燃料電池スタックに空気を供給するための空気供給系と、燃料電池スタックに冷却液を供給するための冷却液供給系と、を備えている。また、燃料電池システムは、システム全体の動作を制御するためのコントローラ600を備えている。
The fuel cell system includes a
燃料電池スタック(以下、単に「スタック」とも呼ぶ)100は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池である。スタック100は、積層された複数のセルを含んでいる。また、スタック100内部には、複数の内部通路が設けられている。具体的には、スタック内部には、燃料ガスが通る内部燃料ガス通路210と、酸化ガス(空気)が通る内部酸化ガス通路220と、冷却液が通る内部冷却液通路230と、冷却ガス(空気)が通る内部冷却ガス通路240と、が設けられている。
A fuel cell stack (hereinafter also simply referred to as “stack”) 100 is a polymer electrolyte fuel cell that is relatively small and excellent in power generation efficiency. The
燃料ガス供給系は、水素タンク302と、減圧弁304と、流量制御弁306と、を備えている。水素タンク302は、水素ガス(燃料ガス)を比較的高い圧力で貯蔵している。減圧弁304は、水素タンク302から供給された燃料ガスを所定の圧力に減圧する。流量制御弁306は、燃料ガスの流量を調整する。燃料ガスは、燃料ガス通路310を介してスタック100に供給される。燃料ガスは、内部燃料ガス通路210を通る際に、スタック内部での電気化学反応に利用される。内部燃料ガス通路210を通過した使用済みの燃料オフガスは、燃料オフガス通路390を介して外部に排出される。燃料オフガス通路390には、遮断弁392が設けられている。遮断弁392は、間欠的に開状態に設定され、これにより、燃料オフガスがスタック100から排出される。
The fuel gas supply system includes a
空気供給系は、空気ブロワ402を備えている。空気は、空気通路を介してスタック100に供給される。ここで、空気通路は、スタック外部に設けられた第1および第2の外部空気通路410,420と、内部冷却ガス通路240と、を含んでいる。空気は、内部冷却ガス通路240を通る際には、冷却ガスとして機能し、スタック100を冷却する。また、空気は、内部酸化ガス通路220を通る際には、酸化ガスとして機能し、スタック内部での電気化学反応に利用される。内部酸化ガス通路220を通過した使用済みの空気(酸化オフガス)は、酸化オフガス通路490を介して外部に排出される。
The air supply system includes an
冷却液供給系は、循環ポンプ502と、熱交換器504と、を備えている。循環ポンプ502は、スタック外部に設けられた循環通路510と、内部冷却液通路230と、の間で冷却液(例えば水)を循環させる。冷却液は、内部冷却液通路230を通る際に、スタック100を冷却する。熱交換器504は、スタック100から排出された比較的温度の高い冷却液を冷却する。
The coolant supply system includes a
なお、本実施例では、内部冷却ガス通路240を経由した空気が、内部酸化ガス通路220に供給されているが、これに代えて、内部酸化ガス通路220と内部冷却ガス通路240とには、独立して、空気が供給されるようにしてもよい。
In this embodiment, the air passing through the internal
また、本実施例では、内部冷却ガス通路240を経由した空気は、第2の外部空気通路420を介して、内部酸化ガス通路220に供給されているが、第2の外部空気通路420に代えて、スタック内部に、内部冷却ガス通路240を経由した空気を内部酸化ガス通路220に供給するための空気通路を設けるようにしてもよい。
In this embodiment, the air that has passed through the internal
A−2.セルの概略構成:
図2は、燃料電池スタック100内部のセルの構成を模式的に示す説明図である。図示するように、セル110は、膜−電極アセンブリ(MEA:Membrane-Electrode Assembly )120と、2つのガス拡散層130,140と、2つのセパレータ150,160と、を備えている。
A-2. Schematic configuration of the cell:
FIG. 2 is an explanatory diagram schematically showing the configuration of cells inside the
MEA120は、電解質膜122と、電解質膜の両側に形成された2つの電極層(触媒層)124,126と、を備えている。第1の電極層124は、アノード(水素極)であり、第2の電極層126は、カソード(酸素極)である。なお、電解質膜としては、フッ素系樹脂などの固体高分子材料で形成された膜を用いることができ、例えば、デュポン社製のナフィオン(Nafion)膜を用いることができる。また、電極層としては、カーボン粒子に白金などの触媒を担持させた触媒層を用いることができる。
The
2つのガス拡散層(以下、単に「拡散層」とも呼ぶ)130,140は、MEA120を挟む。アノード側拡散層130は、外部から供給された燃料ガスを拡散させてアノード124に供給する機能を有し、カソード側拡散層140は、外部から供給された空気(酸素ガス)を拡散させてカソード126に供給する機能を有する。なお、拡散層は、炭素繊維を織成したカーボンクロスや、カーボンペーパ、カーボンフエルトなどの充分なガス拡散性および導電性を有する材料で形成されている。
Two gas diffusion layers (hereinafter also simply referred to as “diffusion layers”) 130 and 140 sandwich the
2つのセパレータ150,160は、MEA120および2つの拡散層130,140を挟む。アノード側セパレータ150とカソード側セパレータ160とには、複数の孔や凹部が形成されている。複数の孔や凹部は、内部通路210,220,230,240(図1)を形成する。具体的には、各セパレータの一対の孔は、複数のセルを積層したときに、複数のセルを貫くように設けられている。すなわち、各セパレータの一対の孔は、上流側のセル間通路と下流側のセル間通路とを形成する。また、各セパレータの凹部は、一対の孔間を接続するように設けられている。すなわち、各セパレータの凹部は、上流側のセル間通路と下流側のセル間通路との間で流体を流通可能とするセル内通路を形成する。
The two
より具体的には、各セパレータ150,160には、上流側および下流側のセル間燃料ガス通路210a,210cを構成する一対の孔と、上流側および下流側のセル間酸化ガス通路220a,220cを構成する一対の孔と、が形成されている。また、各セパレータ150,160には、上流側および下流側のセル間冷却液通路230a,230cを構成する一対の孔と、上流側および下流側のセル間冷却ガス通路240a,240cを構成する一対の孔と、が形成されている。
More specifically, each
図3は、カソード側セパレータ160を模式的に示す説明図である。図3(A),(B)は、それぞれ、図2に示すカソード側セパレータ160の第1の面Sc1と第2の面Sc2とを示している。図示するように、カソード側セパレータの第1の面Sc1には、セル内酸化ガス通路(カソード側通路)220bを構成する凹部が形成されている。また、第2の面Sc2には、セル内冷却液通路230bを構成する凹部と、セル内冷却ガス通路240bを構成する凹部と、が形成されている。なお、セル内冷却液通路230bを構成する凹部は、セル内酸化ガス通路220bを構成する凹部の上流側部分の背面に形成されており、セル内冷却ガス通路240bを構成する凹部は、セル内酸化ガス通路220bを構成する凹部の下流側部分の背面に形成されている。
FIG. 3 is an explanatory view schematically showing the
アノード側セパレータ150は、カソード側セパレータ160と同様である。ただし、アノード側セパレータの第1の面Sa1には、セル内燃料ガス通路(アノード側通路)を構成する凹部が形成されている。また、第2の面Sa2には、セル内冷却液通路230bを構成する凹部と、セル内冷却ガス通路240bを構成する凹部と、が形成されている。
The
なお、実際には、セル内ガス通路210b,220b,240bを構成する各凹部には、複数の凸部が設けられている。
In practice, a plurality of convex portions are provided in each concave portion constituting the in-
図4は、セル110の断面を模式的に示す説明図である。図示するように、セル内燃料ガス通路(アノード側通路)210bは、アノード側セパレータ150の第1の面Sa1に設けられた凹部とアノード側拡散層130との間に形成されており、セル内酸化ガス通路(カソード側通路)220bは、カソード側セパレータ160の第1の面Sc1に設けられた凹部とカソード側拡散層140との間に形成されている。また、セル内冷却液通路230bとセル内冷却ガス通路240bとは、2つのセパレータ150,160の第2の面Sa2,Sc2に設けられた凹部が組み合わされて形成されている。なお、上流側および下流側のセル間酸化ガス通路220a,220cは、各セパレータ150,160に設けられた一対の孔によって形成されている。
FIG. 4 is an explanatory diagram schematically showing a cross section of the
ところで、アノード側セパレータ150は、緻密質領域のみを含む部材である。一方、カソード側セパレータ160は、緻密質領域161と多孔質領域162とを含む複合部材である。なお、緻密質領域161と多孔質領域162とは、それぞれ、カソード側セパレータ160の第1の面Sc1側から第2の面Sc2側まで連続する。このため、カソード側セパレータ160の表面には、緻密質領域161と多孔質領域162との双方が現れる。なお、多孔質領域162は、図2,図3に示す領域Pに設けられている。
By the way, the anode-
2つのセパレータ150,160に含まれる緻密質領域は、比較的小さな気孔率を有しており、水およびガスを透過させない性質を有している。一方、カソード側セパレータ160に含まれる多孔質領域は、比較的大きな気孔率を有しており、水およびガスが透過可能な性質を有している。
The dense regions included in the two
なお、緻密質領域と多孔質領域とは、導電性材料を用いて形成される。具体的には、緻密質領域と多孔質領域とは、それぞれ、カーボン粉末とバインダとの混合物を圧縮成形して得られる緻密質部材と多孔質部材とを用いて形成される。なお、多孔質領域の気孔率は、カーボン粉末の形状やサイズ、カーボン粉末とバインダとの混合比率などを調整することによって変更可能である。カソード側セパレータ160は、例えば、個別に準備された緻密質部材と多孔質部材とを組み合わせ、バインダの溶融温度以上に加熱することによって、形成可能である。
Note that the dense region and the porous region are formed using a conductive material. Specifically, the dense region and the porous region are respectively formed using a dense member and a porous member obtained by compression molding a mixture of carbon powder and a binder. Note that the porosity of the porous region can be changed by adjusting the shape and size of the carbon powder, the mixing ratio of the carbon powder and the binder, and the like. The cathode-
上記のようなセパレータ150,160を用いれば、セル内冷却ガス通路240bに冷却ガス(空気)を供給することによって、スタックを冷却することができる。また、セル内冷却ガス通路240bに冷却ガス(空気)を供給することによって、カソード126で生成された水分を多孔質領域162を介して除去することができる。具体的には、カソード126で生成された水分は、カソード側拡散層140に蓄えられる。多孔質領域162は、毛管吸引力によって、カソード側拡散層140に蓄えられた水分を内部に取り込む。水分は、多孔質領域162内部を移動して、セル内冷却ガス通路240bを流れる冷却ガス(空気)中に排出される。
By using the
また、本実施例では、多孔質領域162は、セル内酸化ガス通路220bの下流側部分と、セル内冷却ガス通路240bと、の間に設けられているため、スタック内部で発生した水分を多孔質領域162を介して効率よく除去することができる。具体的には、スタック内部で発生した水分は、セル内酸化ガス通路220bを通る酸化ガス中に気化して、該酸化ガスと共に下流に向かう。このため、セル内酸化ガス通路220bでは、上流側部分の水分量が比較的少なく、下流側部分の水分量が比較的多い。したがって、セル内酸化ガス通路220bの下流側部分に多孔質領域162を設けることにより、スタック内部で発生した水分を多孔質領域162を介して効率よく除去することが可能となる。
In the present embodiment, since the
さらに、本実施例では、セル内冷却ガス通路240bを経由して加湿された酸化ガスが、セル内酸化ガス通路220bに供給されている。このため、加湿された酸化ガスは、水分量が比較的少ないセル内酸化ガス通路220bの上流側部分に、水分を与えることができ、該上流側部分の乾燥を抑制することができる。
Further, in this embodiment, the humidified oxidizing gas is supplied to the in-cell oxidizing
A−3.セルの具体的な構成:
図5は、比較例におけるセル110Zの具体的な構造を示す説明図である。図5では、図4に示すカソード側セパレータ160の多孔質領域(多孔質部)162付近が拡大して描かれている。燃料電池スタックでは、複数のセルは、その両端に設けられた図示しない締付部材によって、両側から加圧される。このため、図示するように、拡散層130,140は、それぞれ、セパレータ150,160の凸部によって押圧されて変形している。このように、セルの積層方向に圧力を加えることによって、アノード124とアノード側セパレータ150との間、および、カソード126とカソード側セパレータ160との間の導電性が高められている。
A-3. Specific cell configuration:
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a specific structure of the
図6は、第1実施例におけるセル110の具体的な構造を示す説明図である。図6は、図5とほぼ同じであるが、導電性を有する網状部材170が追加されている。網状部材170は、カソード側拡散層140とカソード側セパレータ160との間に設けられている。より具体的には、カソード側セパレータ160は、図4で説明したように、緻密質部161と多孔質部162とを備えており、網状部材170は、カソード側拡散層140と多孔質部162との間に設けられている。なお、多孔質部162の第1の面Sc1側の凸部162aの頂面は、カソード側拡散層140に対向して網状部材170と接触する対向面であり、凸部162aの側面と凸部162aの周囲の底面(すなわち凹部の底面)とは、網状部材170と接触せずに、セル内酸化ガス通路220bの壁面を構成する通路形成面である。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a specific structure of the
図7は、網状部材170の一部を拡大して示す説明図である。網状部材170は、網状のチタン(Ti)含有基材(Ti基材またはTi合金基材)に白金(Pt)メッキが形成された部材である。網状部材170の各開口のサイズは、例えば、約1mm×約1mmに設定されている。なお、網状部材170は、複数の切れ目(ミシン目)が形成されたTi含有シートを切れ目と直交する方向に拡張することによって得られたTi含有基材に、Ptメッキを施すことによって得られる。
FIG. 7 is an explanatory view showing a part of the
ところで、比較例(図5)では、カソード側拡散層140は、多孔質部162の凸部162aによって押圧されており、変形している。カソード側拡散層140は、前述のように、例えばカーボンクロスで形成されており、凸部162aによって押圧されると、凸部162aの頂面に対応する領域CAにおいて、カソード側拡散層140内の気孔、換言すれば、炭素繊維間の隙間が潰れてしまう。一方、本実施例(図6)では、カソード側拡散層140と多孔質部162との間には、網状部材170が設けられている。このため、カソード側拡散層140が凸部162aによって押圧されても、カソード側拡散層140の変形は抑制される。より具体的には、凸部162aの頂面に対応する領域CAにおいて、カソード側拡散層140内の気孔が潰れてしまうのが抑制される。
By the way, in the comparative example (FIG. 5), the cathode
本実施例の構成を採用すれば、カソード126で生成された水分をセル内冷却ガス通路240bへ効率よく排出することができる。すなわち、前述のように、カソード126で生成された水分は、カソード側拡散層140内に蓄えられる。また、カソード側拡散層140は、セル内酸化ガス通路220b中に気化した水分を捕獲して蓄える。多孔質部162は、凸部162aの頂面を介して、カソード側拡散層140内に蓄えられた水分を取り込む。そして、吸収された水分は、多孔質部162内部を移動し、セル内冷却ガス通路240b内に排出される。仮に、網状部材170が設けられていない場合には、多孔質部162は、凸部162aの頂面を介して、水分を効率よく取り込むことが困難である。これは、カソード側拡散層140の対応領域CA内の気孔が潰れてしまうことによって、水分が対応領域CAを透過し難くなると共に、水分が対応領域CAに蓄えられ難くなるためである。しかしながら、本実施例では、カソード側拡散層140と多孔質部162との間には、網状部材170が設けられている。このため、カソード側拡散層140の対応領域CA内の気孔が潰れてしまうのが抑制され、水分は、対応領域CAを透過し易くなると共に、対応領域CAに蓄えられ易くなる。したがって、多孔質部162は、その凸部162aから、カソード側拡散層140に蓄えられた水分を網状部材170を介して効率よく取り込むことができる。この結果、カソード側セパレータ160は、カソード126で生成された水分をセル内冷却ガス通路240bへ効率よく排出することができ、セル内酸化ガス通路220bにおけるフラッディング状態の発生を抑制することができる。
If the configuration of the present embodiment is employed, moisture generated at the
また、本実施例では、網状部材170が設けられているため、スタック100の出力特性を向上させることができる。すなわち、図5に示すように、網状部材170が設けられていない場合には、酸素ガスは、カソード側拡散層140の対応領域CAを介して、凸部162aの頂面付近の電極反応場RFに供給され難く、該電極反応場RFに供給される酸素ガス量は比較的小さい。このため、カソードの濃度過電圧が大きくなり、この結果、スタックの出力電圧が低くなってしまう。一方、本実施例のように、網状部材170が設けられている場合には、酸素ガスは、網状部材170とカソード側拡散層140の対応領域CAとを介して、凸部162aの頂面付近の電極反応場RFへ供給され易く、該電極反応場RFに供給される酸素ガス量は比較的大きい。このため、カソードの濃度過電圧を比較的小さくすることができ、この結果、スタックの出力電圧の低下を抑制することができる。
In the present embodiment, since the
なお、本実施例では、前述のように、多孔質部162は、セル内酸化ガス通路220bの下流側部分に設けられているため、多孔質部162付近の酸素ガスの分圧は比較的低い。このため、網状部材170が設けられていない場合には、酸素ガスは、特に、電極反応場RFに供給され難い。すなわち、本実施例のように、多孔質部162がセル内酸化ガス通路220bの下流側部分に設けられる場合には、網状部材170を設けることに伴う上記の効果は、顕著となる。
In this embodiment, as described above, since the
さらに、本実施例では、網状部材170を設けることによって、カソード側拡散層140が受ける圧縮方向の応力集中が緩和される。より具体的には、網状部材170が設けられていない場合には、カソード側拡散層140の対応領域CAに応力が集中してしまうが、網状部材170を設けることによって、カソード側拡散層140の応力分布が均一化される。このため、電解質膜122の機械的なダメージを緩和することができ、この結果、電解質膜122の寿命を長期化することができる。
Furthermore, in this embodiment, by providing the
ところで、本実施例の網状部材170は、前述のように、網状のTi含有基材にPtメッキが形成された部材である。Ti含有基材は高い強度を有するため、カソード側拡散層140が受ける応力集中を効率よく緩和することができる。また、Ti含有基材は比重が小さいため、スタック100を軽量化することができる。ただし、本実施例では、電解質膜122として、パーフルオロ型膜として知られるフッ素樹脂系イオン交換膜(ナフィオン膜)が利用されている。このように、電解質膜122がフッ素原子を含有している場合には、Ti含有基材は、フッ素に起因して腐食してしまう。そこで、本実施例では、Ti含有基材には、フッ素に対する耐食性を有するPtメッキが施されている。
By the way, the
B.第2実施例:
図8は、第2実施例におけるセル110Bの具体的な構造を示す説明図である。図8は、図6とほぼ同じであるが、網状部材170Bが変更されている。
B. Second embodiment:
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a specific structure of the
本実施例では、網状部材170Bは、親水処理が施された親水処理層171を備えている。具体的には、網状部材170のうち、多孔質部162の凸部162aに対応する部分領域には、親水処理が施されている。なお、親水処理層171は、網状部材170Bの該部分領域にナフィオン液とカーボンとを含む塗布剤を選択的に塗布することによって、得られる。
In this embodiment, the
本実施例の構成を採用すれば、水分は親水処理層171に保持され易くなるため、多孔質部162は、親水処理層171を介して、水分をより効率よく取り込むことができる。
If the configuration of this example is adopted, moisture is easily retained in the
C.第3実施例:
図9は、第3実施例におけるセル110Cの具体的な構造を示す説明図である。図9は、図6とほぼ同じであるが、網状部材170Cが変更されている。
C. Third embodiment:
FIG. 9 is an explanatory diagram showing a specific structure of the
第1実施例では、網状部材170は、多孔質部162の全体に対応する領域に設けられているが、本実施例では、網状部材170Cは、多孔質部162の凸部162aに対応する領域のみに選択的に設けられている。
In the first embodiment, the
本実施例の構成を採用する場合にも、第1実施例と同様に、カソード側拡散層140の変形を抑制することができる。また、網状部材170Cの使用量を低減させることができるため、スタックの製造コストを低下させることができる。
Even when the configuration of the present embodiment is adopted, the deformation of the cathode
なお、第2実施例と同様に、網状部材170Cには、親水処理が施されていてもよい。
Similar to the second embodiment, the
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。 In addition, this invention is not restricted to said Example and embodiment, In the range which does not deviate from the summary, it can be implemented in a various aspect, For example, the following deformation | transformation is also possible.
(1)上記実施例では、網状部材として、網状のTi含有基材にPtメッキが形成された部材が用いられているが、これに代えて、網状のステンレス鋼基材に金(Au)メッキが形成された部材や、網状の金(Au)部材を用いるようにしてもよい。一般には、網状部材は、スタック内部の環境に対する耐食性を有する金属部材であればよい。 (1) In the above embodiment, a member in which Pt plating is formed on a reticulated Ti-containing base material is used as the reticulated member. Instead, gold (Au) plating is applied to a reticulated stainless steel base material. Alternatively, a member formed with, or a net-like gold (Au) member may be used. In general, the net member may be a metal member having corrosion resistance to the environment inside the stack.
(2)上記実施例では、網状部材として、複数の切れ目が形成された金属シートを拡張した部材(エキスパンド部材)が用いられているが、網状部材は、複数の線材が網状に織られた部材であってもよい。また、網状部材は、金属シートに複数の開口(例えばパンチ孔)が設けられた部材であってもよい。 (2) In the above embodiment, a member (expanded member) obtained by expanding a metal sheet having a plurality of cut lines is used as the mesh member. It may be. Further, the net member may be a member in which a plurality of openings (for example, punch holes) are provided in a metal sheet.
また、上記実施例では、略正方形の開口を有する網状部材が用いられているが、これに代えて、他の形状の開口を有する網状部材が用いられてもよい。図10は、網状部材170’の一部を拡大して示す説明図である。図示するように、網状部材170’は、略長方形の開口を有している。なお、この網状部材170’は、枠状の線材の内側に複数の線材を配列することによって形成されている。このような網状部材170’を用いる場合にも、カソード側拡散層140の変形を抑制することができる。
Moreover, in the said Example, although the net-like member which has a substantially square opening is used, it replaces with this and the net-like member which has an opening of another shape may be used. FIG. 10 is an explanatory view showing an enlarged part of the
一般には、網状部材は、任意の形状を有する複数の開口を備えていればよい。 In general, the net member only needs to have a plurality of openings having an arbitrary shape.
(3)上記実施例では、網状部材として、金属部材が用いられているが、網状部材としては、カーボン部材が用いられてもよい。カーボン部材は、カソード側拡散層140よりも高い剛性を有することが好ましい。なお、網状のカーボン部材としては、複数の開口が形成されたカーボンペーパを用いることができる。ただし、金属製の網状部材は、比較的高い導電性を発揮することができるという利点がある。
(3) In the said Example, although the metal member is used as a mesh member, a carbon member may be used as a mesh member. The carbon member preferably has higher rigidity than the cathode
一般には、ガス拡散層と多孔質部との間には、導電性を有する網状の部材が設けられていればよい。 In general, a net-like member having conductivity may be provided between the gas diffusion layer and the porous portion.
(4)上記実施例では、各セパレータの成形材料は、カーボン粉末と樹脂バインダとを含んでいるが、他の成形材料を利用してもよい。例えば、成形材料は、金属材料(金属粉末)と樹脂バインダとを含んでいてもよい。また、各セパレータを構成する緻密質領域は、金属部材であってもよい。 (4) In the above embodiment, the molding material for each separator contains carbon powder and a resin binder, but other molding materials may be used. For example, the molding material may include a metal material (metal powder) and a resin binder. Further, the dense region constituting each separator may be a metal member.
(5)上記実施例では、多孔質部は、凸部が略矩形の断面形状を有する凹凸面を備えているが、これに代えて、凸部が波形(すなわち山形)の断面形状を有する凹凸面を備えていてもよい。一般には、多孔質部は、カソード拡散層に対向する凸部を有していればよい。 (5) In the above embodiment, the porous portion has an uneven surface in which the convex portion has a substantially rectangular cross-sectional shape. A surface may be provided. Generally, the porous part should just have the convex part which opposes a cathode diffusion layer.
(6)上記実施例では、カソード側セパレータが多孔質部を備えているが、これに代えて、あるいは、これと共に、アノード側セパレータが多孔質部を備えるようにしてもよい。この場合には、例えば、アノード側拡散層130とアノード側セパレータの多孔質部との間に、網状部材が設けられていればよい。
(6) In the above embodiment, the cathode-side separator includes the porous portion. However, instead of this, the anode-side separator may include the porous portion. In this case, for example, a net-like member may be provided between the anode
100…燃料電池スタック
110,B,C,Z…セル
120…MEA
122…電解質膜
124…電極層(アノード)
126…電極層(カソード)
130…アノード側拡散層
140…カソード側拡散層
142,142C…被接触層
144…親水処理層
146…撥水処理抑制層
147…撥水処理層
150…アノード側セパレータ
160…カソード側セパレータ
161…緻密質領域(緻密質部)
162…多孔質領域(多孔質部)
162a…凸部
170,B,C,170’…網状部材
171…親水処理層
210…内部燃料ガス通路
210a,210c…セル間燃料ガス通路
210b…セル内燃料ガス通路(アノード側通路)
220…内部酸化ガス通路
220a,220c…セル間酸化ガス通路
220b…セル内酸化ガス通路(カソード側通路)
230…内部冷却液通路
230a,230c…セル間冷却液通路
230b…セル内冷却液通路
240…内部冷却ガス通路
240a,240c…セル間冷却ガス通路
240b…セル内冷却ガス通路
302…水素タンク
304…減圧弁
306…流量制御弁
310…燃料ガス通路
390…燃料オフガス通路
392…遮断弁
402…空気ブロワ
410,420…外部空気通路
490…酸化オフガス通路
502…循環ポンプ
504…熱交換器
510…循環通路
600…コントローラ
100 ...
122 ...
126 ... Electrode layer (cathode)
DESCRIPTION OF
162 ... porous region (porous portion)
162a ...
220 ... Internal oxidizing
230 ...
Claims (4)
電解質層と、
前記電解質層の一方の側に設けられた電極層と、
前記電解質層の前記一方の側に設けられ、前記電解質層との間で前記電極層を挟むガス拡散層と、
前記電解質層の前記一方の側に設けられ、前記電極層との間で前記ガス拡散層を挟むセパレータであって、前記セパレータには、前記ガス拡散層を介して前記電極層に反応ガスを供給するための反応ガス通路が形成されており、前記セパレータは、前記ガス拡散層に対向して前記反応ガス通路の一部を構成する凸部を有する多孔質部を含む、前記セパレータと、
前記ガス拡散層と前記多孔質部との間に設けられた導電性を有する網状部材と、
を備えることを特徴とする燃料電池。 A fuel cell,
An electrolyte layer;
An electrode layer provided on one side of the electrolyte layer;
A gas diffusion layer provided on the one side of the electrolyte layer and sandwiching the electrode layer with the electrolyte layer;
A separator provided on the one side of the electrolyte layer and sandwiching the gas diffusion layer with the electrode layer, wherein a reactive gas is supplied to the electrode layer via the gas diffusion layer And the separator includes a porous portion having a convex portion that constitutes a part of the reaction gas passage so as to face the gas diffusion layer; and
A mesh member having conductivity provided between the gas diffusion layer and the porous portion;
A fuel cell comprising:
前記網状部材は、金属製の部材である、燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein
The net member is a fuel cell, which is a metal member.
前記網状部材は、前記多孔質部に対応する領域に設けられており、
前記網状部材に含まれる前記多孔質部の前記凸部に対応する部分領域には、親水処理が施されている、燃料電池。 The fuel cell according to claim 1 or 2,
The mesh member is provided in a region corresponding to the porous portion,
A fuel cell, wherein a hydrophilic region is applied to a partial region corresponding to the convex portion of the porous portion included in the mesh member.
前記網状部材は、前記多孔質部の前記凸部に対応する領域に選択的に設けられている、燃料電池。 The fuel cell according to claim 1 or 2,
The net member is a fuel cell that is selectively provided in a region corresponding to the convex portion of the porous portion.
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