JP2006049184A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池に関するものであり、特に撥水層を備えた燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a fuel cell provided with a water repellent layer.
燃料極(アノード)に水素、酸化剤極(カソード)に空気または酸素を供給し、発電する燃料電池ではカソードにおいて水が生成する。特に水が生成しやすい高加湿及び高電流密度運転においては、カソードの生成水が電解層に溜まり、生成水に阻害されて反応物が電極に十分に供給されず、電池出力が低下するフラッティング現象が起こる。そのため、燃料電池の高出力化のためには、カソードからの水の排出が必要である。 In a fuel cell that generates hydrogen by supplying hydrogen to the fuel electrode (anode) and supplying air or oxygen to the oxidant electrode (cathode), water is generated at the cathode. Especially in high humidification and high current density operation where water is easily generated, the generated water of the cathode accumulates in the electrolytic layer, and is blocked by the generated water, so that the reactant is not sufficiently supplied to the electrode, and the battery output is reduced. A phenomenon occurs. Therefore, in order to increase the output of the fuel cell, it is necessary to discharge water from the cathode.
従来、カソードから水を排水するためにカソードの触媒層とガス拡散層の間に撥水層を設け、その撥水層の撥水剤重量に傾斜を付け、撥水性を向上させるものが、特許文献1に開示されている。
しかし、撥水層中の撥水剤は、燃料電池の長時間運転により溜まった生成水の影響により、ガス流路または触媒層へ溶出する現象が生じる。その結果、撥水層の撥水効果が低減し、フラティング現象が生じやすくなる。特に上記の発明のように撥水層の撥水剤重量に傾斜を付けた場合には、撥水剤重量が大きい部位は撥水剤を設けたカーボン粒子間の空孔径が大きく、撥水剤重量が小さい部位は空孔径が小さい。そのため撥水剤重量が大きい部位の撥水剤粒子が溶出した場合には空孔が広がり、次々に撥水剤が撥水層から溶出を始め撥水層の耐久性が悪くなるといった問題点がある。 However, a phenomenon occurs that the water repellent in the water repellent layer is eluted to the gas flow path or the catalyst layer due to the influence of the generated water accumulated by the long operation of the fuel cell. As a result, the water repellent effect of the water repellent layer is reduced, and a flattening phenomenon is likely to occur. In particular, when the water repellent weight of the water repellent layer is inclined as in the above-described invention, the portion where the water repellent weight is large has a large pore diameter between the carbon particles provided with the water repellent, and the water repellent. The portion having a small weight has a small pore diameter. For this reason, when water repellent particles in a portion having a large water repellent weight are eluted, pores spread, and the water repellent begins to elute from the water repellent layer one after another, resulting in poor durability of the water repellent layer. is there.
本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、撥水層から撥水剤の溶出を抑制することを目的とする。 The present invention has been invented to solve such problems, and aims to suppress elution of the water repellent from the water repellent layer.
本発明では、燃料電池のアノードまたはカソードの触媒層とガス拡散層間の間に配置され、燃料電池の排水性を高める撥水層を備えた燃料電池において、撥水層は、導電性粒子と導電性粒子に付着させた撥水剤から構成する第1の層と、導電性粒子から構成する第2の層と、を積層して構成する。 In the present invention, in a fuel cell having a water-repellent layer disposed between the anode or cathode catalyst layer and the gas diffusion layer of the fuel cell and improving the drainage of the fuel cell, the water-repellent layer is composed of conductive particles and conductive layers. The first layer composed of the water repellent adhered to the conductive particles and the second layer composed of the conductive particles are laminated.
本発明によると、燃料電池からの排水性を高めるために設けた撥水層を、撥水剤を有する第1の層と、撥水剤を有しない第2の層で構成するので、撥水剤が第1の層から乖離した場合でも撥水剤を有さない第2の層によって撥水剤が溶出するのを抑制することができる。 According to the present invention, the water repellent layer provided to enhance drainage from the fuel cell is composed of the first layer having a water repellent and the second layer having no water repellent. Even when the agent deviates from the first layer, it is possible to suppress the elution of the water repellent by the second layer not having the water repellent.
本発明の第1実施形態の燃料電池1を有する燃料電池システムの構成を図1の概略図を用いて説明する。この燃料電池システムは、燃料電池1と、燃料電池1のアノード2に水素を供給する水素ボンベ3と、カソード4に空気を供給するコンプレッサ5を備える。また、燃料電池1の両端には燃料電池1で発電された電力を取り出す集電板6を備え、燃料電池1で発電された電力は負荷7によって消費される。
A configuration of a fuel cell system including the fuel cell 1 according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to the schematic diagram of FIG. This fuel cell system includes a fuel cell 1, a hydrogen cylinder 3 that supplies hydrogen to the anode 2 of the fuel cell 1, and a compressor 5 that supplies air to the
水素ボンベ3から水素供給マニホールド8を介してアノード2に供給された水素は燃料電池1で消費され、燃料電池1で消費されなかった残留水素は、水素排出マニホールド9を介して排出水素として燃料電池1から排出される。水素ボンベ3と水素供給マニホールド8の間には、アノード2への水素供給を選択的に切り換えるシャットオフ弁10を備え、また水素排出マニホールド9の下流にはアノード2から外部への排出水素の排出を選択的に切り換えるシャットオフ弁11を備える。燃料電池1の停止時にはシャットオフ弁10、11を閉じることでアノード2に水素を充填することができ、外部からアノード2への空気の混入を防止する。アノード2に空気が混入しないので、次回の起動時などにアノード2で水素と空気中の酸素を反応させずに燃料電池1を起動させることができ、燃料電池1の劣化を防止することができる。また、シャットオフ弁10、11を制御することで、アノード2の圧力を制御することができる。
Hydrogen supplied from the hydrogen cylinder 3 to the anode 2 via the hydrogen supply manifold 8 is consumed by the fuel cell 1, and residual hydrogen not consumed by the fuel cell 1 is discharged as hydrogen through the hydrogen discharge manifold 9 to the fuel cell. 1 is discharged. A
コンプレッサ5から空気供給マニホールド12を介してカソード4に供給された空気は燃料電池1で消費され、燃料電池1で消費されなかった残留空気は、空気排出マニホールド13を介して排出空気として燃料電池1から排出される。コンプレッサ5と空気供給マニホールド12との間には空気供給を選択的に切り換えるシャットオフ弁14を備え、また空気排出マニホールド13の下流にはカソード4から外部への排出空気の排出を選択的に切り換えるシャットオフ弁15を備える。シャットオフ弁14、15を制御することで、カソード4の圧力を制御することができる。
Air supplied from the compressor 5 to the
さらに燃料電池1の起動状態から水素流量を制御する流量コントローラ16と、空気流量を制御するコンプレッサ5を制御し、シャット弁10、11、14、15を制御するコントローラ60を備える。
Furthermore, a
ここで燃料電池1について図2の概略図を用いて説明する。燃料電池1は単位セル500を積層して構成される。単位セル50は高分子電解質膜20(以下、電解質膜とする)と、電解質膜20の一方の面に設けたアノード2と、電解質膜20のもう一方の面に設けたカソード4と、水素が流れる水素流路29を有するセパレータ28と、空気が流れる空気流路30を有するセパレータ31によって構成される。なお、図2のセパレータ28、30では1つの面に水素流路29、または空気流路31を設けているが、水素流路29、または空気流路31を設けた面と逆の面にも水素、または空気が流れる流路を設けてもよい。
The fuel cell 1 will now be described with reference to the schematic diagram of FIG. The fuel cell 1 is configured by stacking unit cells 500. The
アノード2は例えば白金などの触媒層21と、触媒層21に水素を拡散するガス拡散層22と、触媒層21とガス拡散層22の間に撥水層23を積層し構成する。触媒層21とガス拡散層22の間に撥水層23を設けることで、例えばカソード4によって生成された水が電解質膜20を通ってアノード2に浸透した場合にも浸透した水の排水性を向上することができ、フラッティングを防止することができる。また、水素を加湿して、電解質膜20の乾燥を防ぐ場合にも電解質膜20を均一に加湿することができる。
The anode 2 is configured by stacking a
カソード4は例えば白金などの触媒層25と、触媒層25に水素を拡散するガス拡散層26と、触媒層25とガス拡散層26の間に撥水層27を積層し構成する。触媒層25とガス拡散層26の間に撥水層27を設けることで、カソード4で生成された水の排水性を向上することができる。
The
次に、この実施形態の撥水層23、27について図3の概略図を用いて詳しく説明する。なお、図3はアノード2の撥水層23についての概略図であるが、カソード4の撥水層27についても同様の構成とする。
Next, the water-
触媒層21とガス拡散層22の間に設けられた撥水層23はカーボン粒子(導電性粒子)32のみで構成されるカーボン層(第2の層)33と、撥水剤34とカーボン粒子32から構成されるカーボン撥水層(第1の層)35を積層して構成する。なお、ここではカーボン粒子32としてはカーボンブラックを使用し、撥水剤34としてはPTFEを使用するが、これ以外の材料を用いてもよい。
The
カーボン層33を上面から見た状態の概略図を図4に示す。カーボン層33は隣り合うカーボン粒子32が接するように配置され、隣り合うカーボン粒子32の間に空孔36を有する。なお、カーボン粒子32は図4の配置に限られることはない。
A schematic view of the
カーボン撥水層35も図4と同様に撥水剤34を有するカーボン粒子32が互いに接するように、つまり撥水剤34同士が接するように配置される。撥水剤34の粒径はカーボン層33のカーボン粒子32によって構成される空孔36よりも大きく構成する。これによって例えば燃料電池1を長時間起動時した場合に撥水剤34がカーボン粒子32から乖離した場合でも撥水剤34が空孔36から溶出するのを防ぐことができる。ここでカーボン層33は、触媒層21、ガス拡散層22と接するように積層する。つまり撥水層23の積層方向両端をカーボン層33とし、カーボン撥水層35が触媒層21、ガス拡散層22と直接接しないようにする。これによって撥水剤34が撥水層23から溶出するのを防ぐことができる。なお、カーボン層33とカーボン撥水層35は交互、または所定の間隔で積層することが望ましい。これによってカーボン粒子32から乖離した撥水剤34の移動を制限し、撥水剤34の偏在を少なくし、燃料電池1の電気的抵抗を小さくすることができる。
Similarly to FIG. 4, the carbon
撥水層23の製造方法としては、ガス拡散層22にカーボン粒子32を含んだスラリーを塗布、乾燥させ、その後カーボン粒子32と撥水剤34を含んだスラリーを塗布、乾燥する。これらの行程を繰り返し行い、撥水層23を作成する。なお、最後はカーボン粒子32からなるスラリーを塗布する。これによって触媒層21と接する層がカーボン層33となり撥水剤34と溶出を防ぐことができる。触媒層21と接する層とガス拡散層22と接する層以外の層をカーボン撥水層31としても良いし、所定の積層間隔でカーボン層33とカーボン撥水層35を交互に積層しても良い。なお塗布装置としては、バーコータ等のコータ装置を用いる。またスラリーを乾燥後粉砕した粉末を散布しても良い。
As a method for producing the
本発明の第1実施形態の効果について説明する。 The effect of 1st Embodiment of this invention is demonstrated.
本発明を用いない場合の撥水層23、27について図5を用いて説明する。図5はアノード2の撥水層23の概略図である。ここでは触媒層21とガス拡散層22の間に設けた撥水層23にカーボン粒子32のみからなるカーボン層33を設けずに、カーボン粒子32と撥水剤34からなるカーボン撥水層35によって撥水層23を構成する。カーボン粒子32は撥水剤34を有しているので、カーボン粒子32間の距離が長くなる。そのため撥水剤34がカーボン粒子32から乖離した場合に、撥水剤34がカーボン粒子32の間を通り、撥水層23から溶出する可能性がある。また撥水剤34の電気的抵抗が大きい場合には、溶出した撥水剤34が偏在すると撥水層23の電気的抵抗、つまり燃料電池1の電気的抵抗を大きくする可能性があり、燃料電池1の発電効率を低下させる可能性がある。
The water-
この実施形態では撥水層23をカーボン粒子32からなるカーボン層33と、撥水剤34を有するカーボン粒子32からなるカーボン撥水層35を積層する。カーボン層33ではカーボン粒子32間の空孔36が撥水剤34よりも小さいので、カーボン粒子32から撥水剤34が乖離した場合でも撥水剤34が撥水層23から溶出するのを防ぐことができる。また、乖離した撥水剤34の偏在を防止することができ、燃料電池1の電気的抵抗が大きくなるのを防ぐことができ、燃料電池1の発電効率の低下を防止することができる。
In this embodiment, the
撥水層23の一部を導電性の高いカーボン層33を設けることで撥水層31の電気的抵抗を小さくすることができ、燃料電池1の発電効率を良くすることができる。
By providing a
また、触媒層21、またはガス拡散層22と接する層をカーボン層33とすることで、撥水剤34の溶出を確実に防止することができる。
Moreover, elution of the
次に本発明の第2実施形態について図6の概略図を用いて説明する。なお、図6はアノード2の撥水層23についての概略図であるが、カソード4の撥水層27についても同様の構成とする。この実施形態では撥水層23において、触媒層21、またはガス拡散層22と接する層に粒径の小さい微小カーボン粒子37から構成する微小カーボン層38を設ける。これによって微小カーボン粒子37間の空孔39はより小さくなる。そのため、撥水剤34の溶出をより防ぐことができる。その他の構成については第1実施形態と同じであるのでここでの説明は省略する。なお、この微小カーボン層38は触媒層21、またはガス拡散層22と接する層以外にも設けてもよい。
Next, a second embodiment of the present invention will be described using the schematic diagram of FIG. 6 is a schematic view of the
撥水層23の製造方法としては、ガス拡散層22に粒径の小さい微小カーボン粒子37からなるスラリーを塗布し、その後カーボン粒子32と撥水剤34からなるスラリーを塗布する。そして、カーボン粒子32からなるスラリー、またはカーボン粒子32と撥水剤34からなるスラリーの塗布を繰り返す。そして最後に再び微小カーボン粒子37からなるスラリーを塗布し、撥水層23を作成する。これによって触媒層21、またはガス拡散層22と接する層が微小カーボン層38となり撥水剤34の溶出をより防ぐことができる。なお、塗布装置としては、バーコータ等のコータ装置を用いる。またスラリーを乾燥後粉砕した粉末を散布しても良い。
As a method for producing the
本発明の第2実施形態の効果について説明する。 The effect of 2nd Embodiment of this invention is demonstrated.
この実施形態では第1実施形態の効果に加え、触媒層21、またはガス拡散層22と接する層が粒径の小さい微小カーボン層38となり、微小カーボン層38の間の空孔39が小さくなり、撥水剤34の溶出をより防止することができる。また、触媒層21、またはガス拡散層22との接触抵抗を小さくすることができ、燃料電池1の発電効率を良くすることができる。
In this embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, the layer in contact with the
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。 It goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modifications and improvements that can be made within the scope of the technical idea.
燃料電池を搭載した様々な分野に利用することができる。 It can be used in various fields equipped with fuel cells.
1 燃料電池
2 アノード
3 カソード
23 撥水層
27 撥水層
32 カーボン粒子(粒子)
33 カーボン層(第2の層)
34 撥水剤
35 カーボン撥水層(第1の層)
36 空孔
37 微小カーボン粒子
39 空孔
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell 2 Anode 3
33 Carbon layer (second layer)
34
36
Claims (4)
前記撥水層は、
導電性粒子と前記導電性粒子に付着させた撥水剤から構成する第1の層と、
前記導電性粒子から構成する第2の層と、を積層して構成することを特徴とする燃料電池。 In a fuel cell comprising a water repellent layer disposed between a catalyst layer and a gas diffusion layer of an anode or a cathode of the fuel cell and enhancing the drainage of the fuel cell,
The water repellent layer is
A first layer composed of conductive particles and a water repellent adhering to the conductive particles;
A fuel cell comprising: a second layer composed of the conductive particles.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004230636A JP2006049184A (en) | 2004-08-06 | 2004-08-06 | Fuel cell |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004230636A JP2006049184A (en) | 2004-08-06 | 2004-08-06 | Fuel cell |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2006049184A true JP2006049184A (en) | 2006-02-16 |
Family
ID=36027484
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2004230636A Pending JP2006049184A (en) | 2004-08-06 | 2004-08-06 | Fuel cell |
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Country | Link |
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JP (1) | JP2006049184A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007250279A (en) * | 2006-03-14 | 2007-09-27 | Honda Motor Co Ltd | Membrane-electrode structural body for solid polymer fuel cell |
US9484583B2 (en) | 2013-10-14 | 2016-11-01 | Nissan North America, Inc. | Fuel cell electrode catalyst having graduated layers |
-
2004
- 2004-08-06 JP JP2004230636A patent/JP2006049184A/en active Pending
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JP2007250279A (en) * | 2006-03-14 | 2007-09-27 | Honda Motor Co Ltd | Membrane-electrode structural body for solid polymer fuel cell |
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