JP2005310586A - Fuel battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体高分子型電解質を用いた燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell using a solid polymer electrolyte.
固体高分子型燃料電池は、プロトン導電性の固体高分子膜とその両側にそれぞれ配置されるアノードおよびカソードとからなる単位燃料電池(セル)をセパレータによって挟持することにより燃料電池スタックとして構成されている。 A polymer electrolyte fuel cell is configured as a fuel cell stack by sandwiching unit fuel cells (cells) each composed of a proton-conductive solid polymer membrane and an anode and a cathode respectively disposed on both sides thereof with a separator. Yes.
この種の燃料電池において、アノードに供給された燃料ガス、例えば、水素ガスは、触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された高分子膜を介してカソード側へと移動する。その際、生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。カソードには、酸化剤ガス、例えば、酸素ガスあるいは空気が供給されているために、このカソードにおいて、水素イオン(プロトン)、電子および酸素が反応して水が生成される。 In this type of fuel cell, a fuel gas, for example, hydrogen gas, supplied to the anode is hydrogen ionized on the catalyst electrode and moves to the cathode side through a polymer film that is appropriately humidified. At that time, the generated electrons are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy. Since an oxidant gas, for example, oxygen gas or air is supplied to the cathode, water is generated by reaction of hydrogen ions (protons), electrons, and oxygen at the cathode.
プロトン導電性の固体高分子膜は、プロトン導電性を保持するため十分に加湿させておく必要がある。このため、一般的には、燃料電池の外部に設けられているガス加湿装置を用いて酸化剤ガスと燃料ガスとを加湿し、加湿された反応ガスを燃料電池に供給することにより、固体高分子膜を加湿するように構成されている。 The proton conductive solid polymer membrane needs to be sufficiently humidified in order to maintain proton conductivity. For this reason, in general, by using a gas humidifier provided outside the fuel cell, the oxidant gas and the fuel gas are humidified, and the humidified reaction gas is supplied to the fuel cell. The molecular film is configured to be humidified.
固体高分子型燃料電池は、作動温度が比較的低温(例えば、80〜100〔℃〕)であるため、加湿用に供給された水分のなかで高分子膜に吸収されなかった水分や、反応によって生成された水分が、液体(水)の状態で存在することがある。この水は、ガス拡散層のガス通路を閉塞してしまい、反応ガスである燃料ガスおよび酸化剤ガスの電極触媒層への拡散性が低下し、セル性能が著しく悪くなるという問題が指摘されている。 Since the polymer electrolyte fuel cell has a relatively low operating temperature (for example, 80 to 100 [° C.]), the moisture that has not been absorbed by the polymer membrane among the moisture supplied for humidification, and the reaction The water produced by may be present in a liquid (water) state. This water clogs the gas passage of the gas diffusion layer, and the diffusibility to the electrode catalyst layer of the fuel gas and the oxidant gas as the reaction gas is lowered, and the cell performance is markedly deteriorated. Yes.
例えば、液体として存在する水によりガス拡散層内のガス流路が塞がれた場合(フラッディング)には、触媒層のカーボンが腐食されるなどの劣化が進行する。従って、固体高分子型燃料電池においては、液水の排出能力を高める技術が必要となる。 For example, when the gas flow path in the gas diffusion layer is blocked by water existing as a liquid (flooding), deterioration such as corrosion of carbon in the catalyst layer proceeds. Therefore, in the polymer electrolyte fuel cell, a technique for increasing the liquid water discharge capability is required.
このため、ガス流路の壁面に入口側から出口側にかけて連続する排水用溝を設けた燃料電池が開示されている(特許文献1)。
しかしながら、上記従来の燃料電池においては、ガス流路壁面に設けられた排水用溝がそれぞれ独立して入口から出口まで連続した構成であるので、反応により生成された水を排水用溝に効率よく取り込むことができないという問題点があった。 However, in the above-described conventional fuel cell, the drainage grooves provided on the wall surface of the gas flow path are independent and continuous from the inlet to the outlet, so that the water generated by the reaction is efficiently transferred to the drainage grooves. There was a problem that it could not be imported.
また、取り込まれた水は細い排水用溝にて毛細管現象により出口まで運ばれるが、ガス拡散面付近に細溝が複数あったとしても、特にガス出口付近ではガス中の水蒸気凝結分と発電による生成水により毛細管現象が機能しなくなるおそれがあり、排水の確実性という点で不十分である。 In addition, the taken-in water is transported to the outlet by capillary action in a narrow drainage groove, but even if there are multiple narrow grooves near the gas diffusion surface, especially in the vicinity of the gas outlet, due to water vapor condensation in the gas and power generation The capillarity may not function due to the generated water, which is insufficient in terms of the certainty of drainage.
上記問題点を解決するために、本発明は、固体高分子電解質膜の両側に触媒層およびガス拡散層、さらにこれらを挟持するようにセパレータを配置した燃料電池において、前記ガス拡散層に孔を設け、該孔を貫通して、前記セパレータのガス拡散層側リブ部と、前記固体電解質膜または前記触媒層とを接続するとともに毛細管現象を有する接続部材を設けたことを要旨とする。 In order to solve the above problems, the present invention provides a fuel cell in which a catalyst layer and a gas diffusion layer are disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, and a separator is disposed so as to sandwich the catalyst layer and the gas diffusion layer. The gist is that a connecting member having a capillary action is provided while connecting the gas diffusion layer side rib portion of the separator and the solid electrolyte membrane or the catalyst layer through the hole.
本発明によれば、触媒層ならびにガス拡散層内に液体として存在する水は、接続部材の毛細管作用によって、セパレータのガス流路側に円滑に排水されるという効果がある。従って、液体状の水によるガス通路の閉塞を防ぐことができ、燃料電池の発電状態を安定的に維持することができるという効果がある。 According to the present invention, water existing as a liquid in the catalyst layer and the gas diffusion layer has an effect of being smoothly drained to the gas flow path side of the separator by the capillary action of the connecting member. Therefore, the gas passage can be prevented from being blocked by liquid water, and the power generation state of the fuel cell can be stably maintained.
次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明に係る燃料電池を構成する燃料電池単位ユニット(燃料電池セル)の垂直方向概略断面図である。図1において、燃料電池単位ユニットは、固体高分子膜10の両面にアノード触媒層11a及びカソード触媒層11cが形成され、さらに外側にそれぞれアノードガス拡散層12a及びカソードガス拡散層12cが配置された膜電極接合体と、これを挟持するようにアノードセパレータ13a、カソードセパレータ13cが配置される。
FIG. 1 is a schematic vertical sectional view of a fuel cell unit unit (fuel cell) constituting a fuel cell according to the present invention. In FIG. 1, in the fuel cell unit, the
尚、特に限定されないが、本実施形態では、燃料電池は、燃料ガスとして水素、酸化剤ガスとして空気を使用するものとする。従って、以下の説明では、燃料ガス流路を水素流路、酸化剤ガス流路を空気流路と呼んでいる。 Although not particularly limited, in this embodiment, the fuel cell uses hydrogen as the fuel gas and air as the oxidant gas. Therefore, in the following description, the fuel gas channel is called a hydrogen channel, and the oxidant gas channel is called an air channel.
アノードセパレータ13aのアノードガス拡散層側の面には、リブ部20と水素ガスが流れる水素流路21とが交互に形成されている。またアノードセパレータ13aのアノードガス拡散層側の反対面には、冷却媒体流路22が形成されている。
On the surface of the
一方、カソードセパレータ13cのカソードガス拡散層側の面には、リブ部14または15と、酸化剤ガスとしての空気が流れる空気流路16とが交互に形成されている。リブ部15には、毛細管作用を有する接続部材17が配置されている。毛細管作用を有する接続部材17は、1つでもよいし、互いに独立に複数あってもよい。また、空気流路16には排水溝18が形成されている。
On the other hand, on the cathode gas diffusion layer side surface of the
尚、シール部材23,24,25は、膜電極接合体(10、11,12)と、アノードセパレータ13a、カソードセパレータ13cとを積層して燃料電池スタックを構成する際に、反応ガス及び冷却媒体のシールを行うものである。
The
カソードガス拡散層12cには、接続部材17に相当する位置に孔19が設けられている。接続部材17は、カソードガス拡散層12cの孔19を貫通して、カソードセパレータ13cと、カソード触媒層11cまたは固体高分子膜10とを接続している。接続部材17は、毛細管作用を有する部材、例えば多孔質部材、繊維を束ねた繊維集成部材等で構成されている。多孔質部材としては、多孔質炭素、多孔質セラミック等が使用可能である。繊維を束ねた繊維集成部材としては、アクリル、レーヨン、ナイロン等の化学繊維や、炭素繊維を束ねたものを使用可能である。
The cathode
接続部材17は、毛細管作用を備えているので、カソード触媒層11cまたは固体高分子膜10に存在する過剰な水分を毛細管作用により吸い出して、カソードセパレータ13cの空気流路16へ排出することができる。
Since the connecting
図2は、本発明に係る燃料電池の実施例1を示す要部拡大断面図であり、図1におけるカソードセパレータ13c周辺の拡大図である。
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a main part showing the first embodiment of the fuel cell according to the present invention, and is an enlarged view around the
図2において、繊維を柱状に束ねた接続部材17は、カソードセパレータ13cのリブ部15の先端に設置され、カソードガス拡散層12cを貫通して固体高分子膜10の表面に形成されたカソード触媒層11cに到達している。カソード触媒層11cにおいて水素イオンと電子と酸素との反応により生成された水は、接続部材17の毛細管作用によってカソード触媒層11c側からカソードセパレータ13c側に移動して排出される。この毛細管作用を有する接続部材17による排水により、液水による触媒層やガス拡散層の閉塞が防止できるため、反応ガスはガス拡散層を介して円滑に供給され、燃料電池の発電状態を安定的に維持することができるという効果がある。
In FIG. 2, a connecting
図3は、本発明に係る燃料電池の実施例2を説明する燃料電池セル概略断面図であり、図1に示した燃料電池セルの水平方向断面図である。 FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a fuel cell for explaining Example 2 of the fuel cell according to the present invention, and is a horizontal cross-sectional view of the fuel cell shown in FIG.
図3において、カソードセパレータ13cのリブ部15に毛細管作用を有する複数の接続部材17が離散的に設置されている。そして接続部材17がカソードガス拡散層12cを貫通する部分の形状を例えば、円錐、円柱、角錐、角柱等とすることで、カソードガス拡散層12c内部における面方向のガス移動を妨げることなく、液水の排出能力を高めることができる。
In FIG. 3, a plurality of connecting
図4は、本発明に係る燃料電池の実施例3を示す要部拡大断面図であり、図1におけるカソードガス拡散層12c周辺の拡大図である。
FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of a main part showing a third embodiment of the fuel cell according to the present invention, and is an enlarged view around the cathode
繊維を束ねて形成された接続部材17は、カソードガス拡散層12を貫通して、その先端部は、カソード触媒層11c内で放射状に分岐し、それぞれが枝状にカソード触媒層11cの中へ延びるようにすることで、カソード触媒層11cの液水排出可能領域を広げることができる。
The
尚、本実施例では、接続部材17の先端部がカソード触媒層11c内で放射状に分岐する例を示したが、これに限らず、固体高分子膜10に接する部分で放射状に分岐するようにしても同様の効果が期待できる。
In the present embodiment, an example is shown in which the tip of the connecting
図5は、本発明に係る燃料電池の実施例4を示すセパレータ平面図であり、図1に示したカソードセパレータの例を示している。 FIG. 5 is a separator plan view showing Example 4 of the fuel cell according to the present invention, and shows an example of the cathode separator shown in FIG.
燃料電池のセパレータに形成するガス流路は、図5(a)に示すガス流路が並行する並行溝型、図5(b)、(c)に示すガス流路が蛇行する蛇行溝型が知られている。図5(c)の蛇行溝型は、互いに並行する複数のガス流路が蛇行するタイプである。 The gas flow path formed in the separator of the fuel cell is a parallel groove type in which the gas flow paths shown in FIG. 5 (a) are parallel, and a meandering groove type in which the gas flow paths shown in FIGS. 5 (b) and 5 (c) meander. Are known. 5 (c) is a type in which a plurality of gas flow paths parallel to each other meander.
本実施例においては、図5(a)、(b)、(c)にそれぞれ示すように、カソードセパレータの空気流路16を隔てるリブ部15に、複数の接続部材17を離散的に配置する際に、ガス入口31に近い上流側より、ガス出口32に近い下流側で接続部材17の配置密度を高めている。
In this embodiment, as shown in FIGS. 5A, 5B, and 5C, a plurality of connecting
本実施例によれば、セル内反応ガスの出口側で毛細管作用を有する接続部材の配置密度を高めたので、フラッディングが問題となりやすいセル内反応ガス出口側での排水性を高めることができる。反応ガスの相対湿度は流れ方向とともに増加し、触媒層やガス拡散層に存在する水分は反応ガス出口側で多くなる。従って、セパレータリブ部に設けられた毛細管作用を有する接続部材の配置密度を反応ガス出口側で高めることで、フラッディングを効果的に抑制できるという効果がある。 According to this embodiment, since the arrangement density of the connecting members having a capillary action on the outlet side of the reaction gas in the cell is increased, the drainage property on the outlet side of the reaction gas in the cell where flooding is likely to be a problem can be improved. The relative humidity of the reaction gas increases with the flow direction, and the moisture present in the catalyst layer and the gas diffusion layer increases on the reaction gas outlet side. Therefore, there is an effect that flooding can be effectively suppressed by increasing the arrangement density of the connecting members having a capillary action provided in the separator rib portion on the reaction gas outlet side.
以上説明したように本発明によれば、触媒層ならびにガス拡散層からの排水性を高めることができ、さらに排水された液水は排水溝を通って円滑に除去することが可能となる。これにより、フラッディングの防止が可能となり、フラッディングに起因する燃料電池の不安定な運転を防止するとともに、燃料電池の劣化を抑制できるという効果がある。 As described above, according to the present invention, the drainage from the catalyst layer and the gas diffusion layer can be enhanced, and the drained liquid water can be smoothly removed through the drainage groove. As a result, flooding can be prevented, and an unstable operation of the fuel cell due to flooding can be prevented, and deterioration of the fuel cell can be suppressed.
10…固体高分子膜
11a…アノード触媒層
11c…カソード触媒層
12a…アノードガス拡散層
12c…カソードガス拡散層
13a…アノードセパレータ
13c…カソードセパレータ
14,15…リブ部
16…空気流路
17…接続部材
18…排水溝
19…孔
20…リブ部
21…水素流路
22…冷却媒体流路
23,24,25…シール部材
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記ガス拡散層に孔を設け、
該孔を貫通して、前記セパレータのガス拡散層側リブ部と、前記固体電解質膜または前記触媒層とを接続するとともに毛細管現象を有する接続部材を設けたことを特徴とする燃料電池。 In a fuel cell in which a catalyst layer and a gas diffusion layer are disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, and a separator is disposed so as to sandwich them,
Providing a hole in the gas diffusion layer;
A fuel cell comprising a connecting member penetrating the hole to connect the gas diffusion layer side rib portion of the separator and the solid electrolyte membrane or the catalyst layer and having a capillary action.
Priority Applications (1)
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2007074934A1 (en) * | 2005-12-27 | 2007-07-05 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Method for producing diffusion layer for fuel cell and diffusion layer for fuel cell |
JP2010231922A (en) * | 2009-03-26 | 2010-10-14 | Honda Motor Co Ltd | Fuel cell |
US8372560B2 (en) | 2008-10-29 | 2013-02-12 | Hyundai Motor Company | Separator for fuel cell |
JP2017510967A (en) * | 2014-03-28 | 2017-04-13 | ユニヴァーシティー オブ ケープタウン | Fuel cell MEA combining a metal gas diffusion layer and a microporous layer |
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2004
- 2004-04-22 JP JP2004126817A patent/JP2005310586A/en active Pending
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