JP2006120402A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池に関し、特に、発電性能を向上させることが可能な燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a fuel cell capable of improving power generation performance.
固体高分子型燃料電池(以下において、「PEFC(Polymer Electrolyte Fuel Cell)」と記述する。)は、各種の燃料電池の中でも、低温領域での運転が可能であるとともに、50〜60%の高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車の最適な動力源として注目されている。このPEFCの電解質は、陽イオン交換樹脂膜を、カチオン伝導性膜として使用するものである。PEFCのカチオン伝導性膜は、分子中にプロトン(水素イオン(H+))交換基を有しており、これを飽和状態に含水させることにより、常温で20Ω・cm以下の比抵抗を示し、プロトン伝導性電解質として機能している。そして、電解質膜の飽和含水量は、温度によって可逆的に変化する。すなわち、PEFCの運転中においては、電解質膜からの蒸散を防止するために燃料ガス中および酸化ガス中に水蒸気の形で添加された加湿水と、カソード側における電気化学反応によって生成される水とによって常に飽和状態が維持される。 A polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as “PEFC (Polymer Electrolyte Fuel Cell)”) can be operated in a low temperature region among various fuel cells and has a high value of 50 to 60%. It shows energy conversion efficiency, has a short start-up time, and has a small and light system, and has attracted attention as an optimal power source for electric vehicles. This PEFC electrolyte uses a cation exchange resin membrane as a cation conductive membrane. The cation conductive membrane of PEFC has proton (hydrogen ion (H + )) exchange group in the molecule, and shows a specific resistance of 20 Ω · cm or less at room temperature by containing water in a saturated state. It functions as a proton conductive electrolyte. The saturated water content of the electrolyte membrane changes reversibly with temperature. That is, during operation of the PEFC, humidified water added in the form of water vapor in the fuel gas and oxidizing gas to prevent transpiration from the electrolyte membrane, and water generated by an electrochemical reaction on the cathode side By means of this, saturation is always maintained.
プロトンの電気浸透によるアノードからカソードへの移動には水がプロトンと水和して同伴する必要があるため、膜/電極接合体(以下において、「MEA(Membrane Electrode Assembly)」と記述する。)のプロトン伝導度は、含有する水分量に影響を受ける。また、上述のように、燃料電池の各ユニットセルへと供給されるガスは水蒸気を用いて加湿されているが、通常、これらのガス中に含まれる水蒸気量は飽和水蒸気量に満たない。そのため、例えば、カソード及びアノードのガス供給路入口近傍等では、当該供給路内を流れるガスによって水分が持ち去られやすく、MEA内の含水率にバラツキが生じやすい。ここに、MEA内での含水率のバラツキも、プロトン伝導度に大きく影響する。MEA内に部分的に含水率の低い領域があると、その領域でのプロトン伝導度が低下し、燃料電池全体としての発電効率が下がってしまう。したがって、PEFCの発電性能の向上を図るためには、MEAの含水率分布を一定に保つことが重要である。 Membrane / electrode assembly (hereinafter referred to as “MEA (Membrane Electrode Assembly)”) is necessary because water needs to be hydrated with protons to move from the anode to the cathode by proton electroosmosis. The proton conductivity of is affected by the amount of water contained. Further, as described above, the gas supplied to each unit cell of the fuel cell is humidified using water vapor, but usually the amount of water vapor contained in these gases is less than the saturated water vapor amount. Therefore, for example, in the vicinity of the gas supply path inlets of the cathode and the anode, moisture is easily taken away by the gas flowing in the supply path, and the moisture content in the MEA is likely to vary. Here, the variation in the moisture content in the MEA also greatly affects the proton conductivity. If there is a region having a low moisture content in the MEA, the proton conductivity in that region is lowered, and the power generation efficiency of the entire fuel cell is lowered. Therefore, in order to improve the power generation performance of PEFC, it is important to keep the MEA moisture content distribution constant.
電解質膜の乾燥を抑制する等の手段により燃料電池の発電性能を向上させることを目的とした技術は、これまでにいくつか開示されてきている。例えば、特許文献1には、カソードガスの流れに沿って、カソードガス導入口付近に対向するアノードガス拡散層の領域を第1領域、これ以外の領域を第2領域とするとき、第1領域の水分透過性を第2領域の水分透過性よりも向上させることで、固体高分子膜を全体にわたって均一的に湿潤状態に保ち、安定した発電をし得るようにした燃料電池に関する技術が開示されている。また、特許文献2には、触媒層と拡散層との間に配置される層を、ガス出口側部分よりもガス入口側部分の気孔率を小さく構成することで、電解質膜の乾燥を防止し得るようにした燃料電池に関する技術が開示されている。さらに、特許文献3には、アノードガス拡散層を形成する少なくとも1つの多孔質層の平均気孔径を、カソードガス拡散層を形成する多孔質層の平均気孔径よりも小さくすることで、電極反応部の含水量の面内分布を抑制し得るようにした燃料電池に関する技術が開示されている。
ここに、アノードで生じたプロトンは、水と水和した状態で高分子電解質膜内をアノード側からカソード側に、電気浸透により移動する。一方、カソードで生成した水の一部は、ガス拡散層を経て燃料電池外部へと排出され、残りの一部は、濃度勾配によってアノード方向へと逆拡散する。このように、燃料電池内部の含水率分布は上記のような対向する水移動のバランスによって決定される。そのため、特許文献1に開示されている、拡散層の面内で水分透過性を変化させる技術のみでは、MEAの含水率分布を一定に保つことは困難であり、燃料電池の発電性能を向上させ難いという問題があった。また、特許文献2及び特許文献3に開示されている技術によっても、MEAの含水率分布を一定に保つことは困難であり、燃料電池の発電性能を向上させ難いという問題があった。
Here, protons generated at the anode move by electroosmosis from the anode side to the cathode side in the polymer electrolyte membrane in a hydrated state with water. On the other hand, a part of the water generated at the cathode is discharged to the outside of the fuel cell through the gas diffusion layer, and the remaining part is reversely diffused toward the anode due to the concentration gradient. Thus, the moisture content distribution inside the fuel cell is determined by the balance of the opposing water movements as described above. Therefore, it is difficult to keep the moisture content distribution of MEA constant only by the technique disclosed in
そこで本発明は、発電性能を向上させることが可能な燃料電池を提供することを課題とする。 Then, this invention makes it a subject to provide the fuel cell which can improve electric power generation performance.
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
請求項1に記載の発明は、電解質層、該電解質層の両側に設けられるアノード及びカソード、並びに、該アノード及び該カソードの外側に設けられるセパレータ、を備え、アノード及びカソードは、触媒層と拡散層とを備えるとともに、アノードの拡散層の撥水性が、カソードの拡散層の撥水性よりも高いことを特徴とする、燃料電池により、上記課題を解決する。
ここに、本発明及び以下に示す発明において、触媒層は、例えば、通常のPEFCにおいて使用される触媒層を使用することができ、その具体例としては、白金系の触媒を担持した炭素粒子とプロトン伝導性樹脂とを混合して形成される、触媒層等を挙げることができる。
In order to solve the above problems, the present invention takes the following means. That is,
The invention according to
Here, in the present invention and the invention shown below, the catalyst layer can be, for example, a catalyst layer used in ordinary PEFC, and specific examples thereof include carbon particles supporting a platinum-based catalyst and Examples thereof include a catalyst layer formed by mixing with a proton conductive resin.
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の燃料電池において、アノード及びカソードの拡散層は、基材と、該基材とアノード及びカソードの触媒層との間に設けられる撥水層とを備え、アノードの撥水層の撥水性が、カソードの撥水層の撥水性よりも高いことを特徴とする。
ここに、本発明及び以下に示す発明において、基材は、例えば、通常のPEFCにおいて使用される、反応ガス等を効果的に拡散させ得る物質により形成されていれば、基材を形成し得る物質は特に限定されるものではなく、当該物質としてはカーボンペーパーやカーボンクロス等により形成された多孔体等を挙げることができる。さらに、本発明及び以下に示す発明において、撥水層は、例えば、通常のPEFCにおいて使用される撥水層を使用することができ、その具体例としては、カーボン粒子とポリテトラフルオロエチレン樹脂(PTFE)等のフッ素系樹脂とを混合して形成される撥水層等を挙げることができる。
According to a second aspect of the present invention, in the fuel cell according to the first aspect, the anode and cathode diffusion layers are a base material and a water repellent layer provided between the base material and the catalyst layers of the anode and the cathode. The water repellency of the water repellent layer of the anode is higher than the water repellency of the water repellent layer of the cathode.
Here, in the present invention and the invention shown below, the base material can be formed if it is formed of a substance that can effectively diffuse reaction gas or the like used in, for example, ordinary PEFC. The substance is not particularly limited, and examples of the substance include a porous body formed of carbon paper or carbon cloth. Furthermore, in the present invention and the invention shown below, the water-repellent layer can be, for example, a water-repellent layer used in ordinary PEFC. Specific examples thereof include carbon particles and polytetrafluoroethylene resin ( And a water repellent layer formed by mixing with a fluororesin such as PTFE).
請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の燃料電池において、アノードの基材とカソードの基材とが、同一の物質により形成されていることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the fuel cell of the second aspect, the anode base material and the cathode base material are formed of the same material.
請求項4に記載の発明は、請求項2又は3に記載の燃料電池において、アノード及びカソードの撥水層が、撥水性樹脂と導電性物質とを含み、撥水性樹脂の質量Aと導電性物質の質量Bとの比A/BをXとするとき、アノードの撥水層のX値が、カソードの撥水層のX値よりも大きいことを特徴とする。
ここに、本発明において、撥水性樹脂は、撥水性を有し、かつ、通常のPEFCにおいて使用可能な樹脂であれば、特に限定されるものではなく、その具体例としては、PTFE等のフッ素系樹脂等を挙げることができる。一方、本発明において、導電性物質は、上記撥水性樹脂に導電性を付与しうる物質であれば特に限定されるものではなく、その具体例としては、カーボン粒子や金属粉等を挙げることができる。また、当該導電性物質の形態も特に限定されるものではなく、その具体例としては、繊維状、粒子状、粉状等を挙げることができる。
According to a fourth aspect of the present invention, in the fuel cell according to the second or third aspect, the water repellent layer of the anode and the cathode includes a water repellent resin and a conductive substance, and the mass A of the water repellent resin and the conductivity When the ratio A / B to the mass B of the substance is X, the X value of the water repellent layer of the anode is larger than the X value of the water repellent layer of the cathode.
Here, in the present invention, the water-repellent resin is not particularly limited as long as it has water repellency and can be used in ordinary PEFC. Specific examples thereof include fluorine such as PTFE. Based resins and the like. On the other hand, in the present invention, the conductive substance is not particularly limited as long as it is a substance that can impart conductivity to the water-repellent resin, and specific examples thereof include carbon particles and metal powder. it can. Further, the form of the conductive substance is not particularly limited, and specific examples include fibrous, particulate, and powdery forms.
請求項1に記載の発明によれば、アノードの拡散層の撥水性がカソードの拡散層の撥水性よりも高いので、カソードの触媒層にて生成された水が、アノード側へと移動しやすくなる。カソードの触媒層にて生成された水がアノード側へと移動すれば、アノードの含水率を高く保つことが可能になり、MEAの含水率を高く保つことが可能になる結果、アノードへの水の逆拡散を促進することも可能になる。当該逆拡散を促進することが可能になれば、MEAの含水率分布を一定に保つことが可能になるほか、MEAの高含水率状態を長期間に亘って維持することも可能になる。したがって、請求項1に記載の発明によれば、MEAの含水率分布を一定に保つことが可能になり、相対湿度に対するロバスト性を向上させることが可能になるため、発電性能を向上させ得る燃料電池を提供することが可能になる。 According to the first aspect of the present invention, since the water repellency of the anode diffusion layer is higher than the water repellency of the cathode diffusion layer, the water generated in the cathode catalyst layer easily moves to the anode side. Become. If the water generated in the catalyst layer of the cathode moves to the anode side, the water content of the anode can be kept high, and the water content of the MEA can be kept high. It is also possible to promote despreading. If it becomes possible to promote the reverse diffusion, the moisture content distribution of the MEA can be kept constant, and the high moisture content state of the MEA can be maintained for a long period of time. Therefore, according to the first aspect of the invention, the moisture content distribution of the MEA can be kept constant, and the robustness against the relative humidity can be improved, so that the fuel that can improve the power generation performance A battery can be provided.
請求項2に記載の発明によれば、アノードの撥水層の撥水性をカソードの撥水層の撥水性よりも高くすることで、カソードの触媒層にて生成された水が、アノード側へと移動しやすくなり、当該水が、アノードの触媒層と撥水層との界面まで移動することが容易になる。カソードの触媒層にて生成された水がアノードの触媒層まで移動すれば、MEAの含水率分布を一定に保つことが可能になる。したがって、かかる構成とすることで、相対湿度に対するロバスト性を向上させることが可能になるため、発電性能を向上させ得る燃料電池を提供することが可能になる。 According to the second aspect of the present invention, the water repellency of the water repellent layer of the anode is made higher than the water repellency of the water repellent layer of the cathode, so that the water generated in the catalyst layer of the cathode moves to the anode side. This makes it easier for the water to move to the interface between the anode catalyst layer and the water repellent layer. If the water generated in the cathode catalyst layer moves to the anode catalyst layer, the water content distribution of the MEA can be kept constant. Therefore, by adopting such a configuration, it is possible to improve the robustness with respect to the relative humidity, and thus it is possible to provide a fuel cell that can improve the power generation performance.
請求項3に記載の発明によれば、アノードの基材とカソードの基材とが、同一の物質により形成されている。したがって、かかる構成とすれば、発電性能を向上させ得る燃料電池を低コストで提供することが可能になる。 According to the third aspect of the present invention, the anode base material and the cathode base material are formed of the same material. Therefore, with such a configuration, it becomes possible to provide a fuel cell capable of improving the power generation performance at a low cost.
請求項4に記載の発明によれば、アノードの撥水層の撥水性をカソードの撥水層の撥水性よりも高くすることが可能になる。したがって、かかる構成とすることで、相対湿度に対するロバスト性を向上させることが可能になるため、発電性能を向上させ得る燃料電池を容易に提供することが可能になる。加えて、かかる構成とすることで、アノード及びカソードの撥水層を同一の製造装置を用いて製造することが容易になる。 According to the fourth aspect of the present invention, the water repellency of the water repellent layer of the anode can be made higher than the water repellency of the water repellent layer of the cathode. Therefore, with this configuration, it is possible to improve the robustness against relative humidity, and thus it is possible to easily provide a fuel cell that can improve the power generation performance. In addition, this configuration makes it easy to manufacture the anode and cathode water-repellent layers using the same manufacturing apparatus.
一般に、カソードではアノードからの水の移動と電極反応による水の生成があるのに対して、アノードでは電気浸透により水が持ち去られ、逆拡散によってのみ水の供給を受けることができる。このため、MEA内の水分布はカソード側が優勢である。
このため、MEAを保湿するためには、逆拡散を効果的に得ることが重要である。逆拡散を促進するためにはMEAそのものの水拡散係数を高く保つ必要があり、これにはMEAの含水率自身が非常に重要となる。すなわち、含水率を高く保つことができれば、拡散係数を高く保つことができる。もし、水分布において劣勢なアノードの含水率が低下してしまうと、電気浸透により水が奪われることで、よりアノード含水率が低下してしまうこととなり、含水率低下により水拡散係数が低下する結果、逆拡散による水の供給を受けられなくなり、さらにアノードの含水率が低下してしまうという悪循環に陥ってしまうことになる。
発明者は検討の結果、特にアノードの含水率を高く保つことができれば逆拡散を促進できることに着目し、結果燃料電池の高性能化に大きく貢献することを発見した。そして、このような含水率分布を与えるには、拡散層中撥水層のカーボン/フッ素比率の寄与が高いことを見出した。本発明の構成によれば、フラッディングとドライアップの両方を解消し、幅広い加湿領域において高性能な燃料電池を得ることができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明では、本発明をPEFCに適用した場合について記述する。
In general, while there is water movement from the anode and generation of water due to electrode reaction at the cathode, water is taken away by electroosmosis and can be supplied only by back diffusion. For this reason, the cathode distribution is dominant in the water distribution in the MEA.
For this reason, in order to keep the MEA moist, it is important to obtain reverse diffusion effectively. In order to promote reverse diffusion, it is necessary to keep the water diffusion coefficient of the MEA itself high, and for this purpose, the water content of the MEA itself is very important. That is, if the moisture content can be kept high, the diffusion coefficient can be kept high. If the water content of the anode, which is inferior in the water distribution, is reduced, water is taken away by electroosmosis, so that the water content of the anode is further reduced, and the water diffusion coefficient is reduced due to the reduction of the water content. As a result, it becomes impossible to receive the supply of water due to reverse diffusion, and the water content of the anode further falls, resulting in a vicious circle.
As a result of the study, the inventor has focused on the fact that the reverse diffusion can be promoted if the moisture content of the anode can be kept high, and has found that the result greatly contributes to the enhancement of the performance of the fuel cell. And in order to give such a moisture content distribution, it discovered that the contribution of the carbon / fluorine ratio of the water-repellent layer in a diffused layer was high. According to the configuration of the present invention, both flooding and dry-up can be eliminated, and a high-performance fuel cell can be obtained in a wide humidified region.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, the case where the present invention is applied to PEFC will be described.
図1は、本発明の燃料電池を構成すべきユニットセルの態様例を概略的に示す断面図である。第1実施形態にかかる本発明のユニットセル100は、電解質膜1と、当該電解質膜1の両側に設けられるカソード6及びアノード7と、当該カソード6及びアノード7の外側に設けられるセパレータ8a及び8bとを備えている。カソード6は、触媒層2aと拡散層3aとを備え、拡散層3aは、撥水層4aと基材5aとを備えている。一方、アノード7は、触媒層2bと拡散層3bとを備え、拡散層3bは、撥水層4bと基材5bとを備えている。そして、MEA10は、電解質膜1と、触媒層2a及び2bとを備えている。上記カソード6及びアノード7の外側に設けられているセパレータ8a及び8bには、基材5a、5b側に反応ガス供給路9a、9a、…、9b、9b、…が形成されており、その反対側には冷却水流路9c、9c、…が形成されている。なお、図1において、図の左右方向が拡散層3a、3bの積層方向である。
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an exemplary embodiment of a unit cell that is to constitute the fuel cell of the present invention. The
図1に示すユニットセル100において、アノード側の反応ガス供給路9b、9b、…から拡散層3bへと供給される燃料ガス(以下において、「水素」と記述する。)は、アノード側の基材5b及び撥水層4bを介してアノード側の触媒層2bへと供給され、当該触媒層2bの触媒上において、水素が水素イオンと電子とに分解される。そして、上記触媒層2bにて発生した水素イオンは、電解質膜1を通ってカソード側の触媒層2aへと到達する。一方、カソード側の反応ガス供給路9a、9a、…から拡散層3aへと供給される酸化ガス(以下において、「酸素」と記述することがある。)は、カソード側の基材5a及び撥水層4aを介してカソード側の触媒層2aへと供給され、当該触媒層2aの触媒上において、水素イオン、酸素、及び電子が反応することにより水(水蒸気)が生成される。ここに、ユニットセル100には、加湿された水素及び酸素(以下において、水素及び酸素をまとめて「供給ガス」と記述することがある。)が供給されているが、燃料電池の通常運転時において、これらの供給ガス中に含まれる水蒸気は飽和水蒸気量に満たないことが多い。そのため、電解質膜1内の水分はカソード6及びアノード7内へと供給される供給ガスにより持ち去られやすく、MEA10内の含水率にバラツキが生じやすい。また、ユニットセル100内が低湿度環境である場合には、特にアノード7側が乾燥しやすいことが知られている。そこで、本実施形態では、アノード側の撥水層4bの撥水性をカソード側の撥水層4aの撥水性よりも高くし、アノード側の拡散層3bの撥水性をカソード側の拡散層3aの撥水性よりも高くすることで、カソード側の触媒層2aにて生成された水をアノード7側へと移動させ得る燃料電池としている。かかる構成とすれば、触媒層2a内の生成水によってアノード7側の乾燥を抑制することが可能になるとともに、MEA10内の含水率分布を一定に保つことが可能になる。したがって、第1実施形態によれば、セル100内部の含水率分布を是正することができ、セル100内が低相対湿度域であっても電解質膜1の乾燥等に起因する発電効率の低下を抑制することが可能になるので、相対湿度に対するロバスト性を向上させることが可能になる。すなわち、第1実施形態によれば、発電性能を向上させ得る燃料電池を提供することが可能になる。
In the
以下に、各層を構成する材料及びそれらの製造方法につき項分けして詳細に説明する。
1.拡散層
1.1.撥水層
本実施形態において、撥水層4a及び4bは、撥水性並びに良好な導電性及び通気性を有し、かつ、燃料電池内の環境に耐え得る物質により形成することができる。かかる物質の具体例としては、撥水性樹脂と導電性物質との混合物等を挙げることができる。第1実施形態にかかる撥水層4a及び4bを構成し得る撥水性樹脂の具体例としては、ポリテトラフルオロエチレン樹脂(PTFE)やテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体樹脂(FEP)等のフッ素系樹脂を挙げることができる。また、本実施形態にかかる撥水層4b及び4aを構成し得る導電性物質の具体例としては、カーボンブラックやグラファイト、又は金属繊維や金属微粒子等を挙げることができる。
Hereinafter, the materials constituting each layer and the manufacturing methods thereof will be described in detail.
1. Diffusion layer 1.1. Water-repellent layer In the present embodiment, the water-
本実施形態にかかる撥水層4a及び4bが、上記撥水性樹脂と導電性物質とを含む場合、撥水層4aに含まれる撥水性樹脂及び導電性物質の質量をAa及びBa、撥水層4bに含まれる撥水性樹脂及び導電性物質の質量をAb及びBbとし、Ab/Bb=Xb、Aa/Ba=Xaするとき、
Xb > Xa (1)
を満たすことが好ましい。上記式1が満たされるように撥水層4a及び4bを構成すれば、アノード側の撥水層4bの撥水性をカソード側の撥水層4aの撥水性よりも高くすることが可能になるため、MEA10の含水率分布を一定に保つことが可能になる。したがって、上記式1を満たす構成とすることで、相対湿度に対するロバスト性が向上した高性能な燃料電池を提供することが可能になる。なお、撥水層4a、4bが、撥水性樹脂と導電性物質とを含む場合、導電性物質に対する撥水性樹脂の質量を多くし過ぎると、撥水層4a、4bの集電能が低下する虞がある。したがって、撥水層4a、4bに含有させる撥水性樹脂の質量は、当該撥水層4a、4bの集電能に注意しながら、燃料電池の発電効率を低下させない程度の量とする。
When the water-
Xb> Xa (1)
It is preferable to satisfy. If the
1.2.基材
本実施形態において、基材5a及び5bは、良好な導電性及び通気性を有し、かつ、燃料電池内の環境に耐え得る物質により形成することができる。かかる物質の具体例としては、カーボンペーパー等の電気伝導性多孔質織布、カーボンクロス等の電気伝導性多孔質不織布、メッキ法、発泡法等により製造される発泡金属、焼結金属、あるいは金属フェルト等を挙げることができる。また、第1実施形態にかかる基材5a及び5bは、それぞれ別々の物質により形成されていても良いが、同一の物質により形成することが好ましい。かかる構成とすることで、燃料電池の製造コストを低減することが可能になる。なお、かかる物質等により形成される基材5a及び5bは、良好な通気性を有する基材5a及び5bにするという観点から、その空孔率は50%以上であることが好ましい。より好ましくは、70%以上である。
1.2. Base Material In the present embodiment, the
なお、上記説明では、便宜上、基材と撥水層とを備える形態の燃料電池について記述したが、本発明は、撥水層を備えない形態の燃料電池にも適用することができる。本発明を当該形態にかかる燃料電池へと適用する場合には、アノード側の拡散層を構成する物質に、カソード側の拡散層を構成する物質よりも多くの撥水性樹脂を含有させる等の方法により、アノード側の拡散層の撥水性をカソード側の拡散層の撥水性よりも高くすればよい。かかる構成とすることで、相対湿度に対するロバスト性を向上させることが可能になり、発電性能を向上させ得る燃料電池とすることが可能になる。 In the above description, for convenience, a fuel cell having a base material and a water repellent layer is described. However, the present invention can also be applied to a fuel cell having no water repellent layer. When the present invention is applied to the fuel cell according to the embodiment, a method of causing the material constituting the anode-side diffusion layer to contain more water-repellent resin than the material constituting the cathode-side diffusion layer. Thus, the water repellency of the anode-side diffusion layer may be made higher than that of the cathode-side diffusion layer. With such a configuration, it is possible to improve the robustness with respect to the relative humidity, and it is possible to obtain a fuel cell that can improve the power generation performance.
1.3.拡散層の作製方法
本実施形態にかかる燃料電池において、上記撥水層4a及び基材5aを備える拡散層3a、並びに上記撥水層4b及び基材5bを備える拡散層3bの作製方法は、特に限定されるものではなく、通常のPEFCにかかる拡散層の作製方法等を好適に使用することができる。第1実施形態にかかる拡散層3a及び3bの作製方法の具体例としては、基材5a及び5bが触媒層2a及び2bと対向すべき面の表面に撥水層4a及び4bを塗布後、乾燥させて基材5a及び5bの表面に撥水層4a及び4bを固定化することにより本発明にかかる拡散層3a及び3bとする方法等を挙げることができる。
1.3. Method for Producing Diffusion Layer In the fuel cell according to the present embodiment, the method for producing the
2.他の構成部材
本発明にかかる燃料電池は、アノード側の拡散層の撥水性がカソード側の拡散層の撥水性よりも高くなるように構成されていれば、他の構成部材である電解質膜1、触媒層2a、2b、及びセパレータ8a、8bの態様は、特に限定されるものではない。そこで、以下に、これらの部材の構成物質及び作製方法等について説明する。
2. Other Constituent Members The fuel cell according to the present invention has the
2.1.電解質膜
電解質膜1の構成物質は、プロトンを伝導するポリマー(以下において、「プロトン伝導性ポリマー」と記述することがある。)を有していれば特に限定されるものではないが、含フッ素高分子を骨格として少なくともスルホン酸基、ホスホン酸基、及びリン酸基のうちから一種を有するポリマーを有することが好ましい。このほか、ポリオレフィンのような炭化水素を骨格とするポリマーを有していても良い。電解質膜1を構成し得る含フッ素高分子の具体例としては、以下に示す第1群モノマーと以下に示す第2群モノマーとから選ばれた、少なくとも1種以上の第2群モノマーを含む2種若しくは3種以上のモノマーの共重合体、又は、少なくとも1種以上の第2群モノマーの共重合体等を挙げることができる。上記第1群モノマーとしては、テトラフルオロエチレン、トリフルオロモノクロロエチレン、トリフルオロエチレン、フッ化ビニリデン、1,1−ジフルオロ−2,2−ジクロロエチレン、1,1−ジフルオロ−2−クロロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、1,1,1,3,3−ペンタフルオロプロピレン、オクタフルオロイソブチレン、エチレン、塩化ビニル、及びアルキルビニルエステル等を挙げることができる。また、上記第2群モノマーとしては、下記一般式2
Y−(CF2)a−(CFRf)b−(CFR´f)c−O−
−〔CF(CF2X)−CF2−O〕n−CF=CF2 (2)
で表わされるモノマーを挙げることができる。ここで、上記式2において、
Yは、−SO2F、−SO3NH、−COOH、−CN、−COF、−COOR(Rは炭素数1から10のアルキル基)、−PO3H2、−PO3H、
a及びbは0〜6の整数であるとともに、cは0又は1であり、a+b+cは0ではない。また、
nは0〜6の整数であり、Xは、n>1の時、Cl、Br、F、又はこれらの混合物である。さらに、
Rf及びR´fは、独立に、F、Cl、約1〜10個の炭素原子を有するフルオロアルキル基、及び1〜10個の炭素原子を有するフルオロクロロアルキル基からなる群から選択される。
上記電解質膜1は、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンの重合体を有することが好ましい。
2.1. Electrolyte Membrane The constituent material of the
Y- (CF 2) a - ( CFRf) b - (CFR'f) c -O-
- [CF (CF 2 X) -CF 2 -O ] n-CF = CF 2 (2 )
The monomer represented by these can be mentioned. Here, in the above equation 2,
Y is, -SO 2 F, -SO 3 NH , -COOH, -CN, -COF, -COOR (R is an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms), - PO 3 H 2, -PO 3 H,
a and b are integers of 0 to 6, c is 0 or 1, and a + b + c is not 0. Also,
n is an integer of 0 to 6, and X is Cl, Br, F, or a mixture thereof when n> 1. further,
Rf and R′f are independently selected from the group consisting of F, Cl, a fluoroalkyl group having about 1-10 carbon atoms, and a fluorochloroalkyl group having 1-10 carbon atoms.
The
電解質膜1において、重合体は、2分子以上のモノマーが結合することにより構成されていれば良いが、耐久性の観点から、その分子量は5000以上であることが好ましい。さらに、かかる重合体と低分子量化合物とを混合すれば、後述するEWが適宜調整された電解質膜1とすることもできる。
In the
電解質膜1の厚みは、十分な機械的強度を確保するという観点から10μm以上であることが好ましく、電気抵抗を抑制するという観点から100μm以下であることが好ましい。また、電解質膜1のEWは、十分な機械的強度を確保するとともにフラッディングを抑制するという観点から500以上であることが好ましい。より好ましくは、600以上である。一方、良好なプロトン伝導性を確保し実用に供し得る電解質膜1にするという観点から、上記EWは1500以下であることが好ましい。より好ましくは、1300以下である。ここで、EWとは、プロトン伝導性を有する交換基の当量重量(Equivalent Weight)を表している。この当量重量は、イオン交換基1当量あたりのプロトン伝導性ポリマーの乾燥重量のことであり、「g/当量」の単位で表される。
The thickness of the
2.2.触媒層
触媒層2a、2bは、プロトン伝導性ポリマーと、触媒材料と、導電性物質とを含んでいる。本発明において、触媒材料は、アノード及びカソードにおいて水素の酸化反応及び酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば、特に限定されるものではない。本発明にかかる触媒材料の具体例としては、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスニウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、又はこれらの合金等を挙げることができる。また、本発明にかかる触媒材料の形状は、特に限定されるものではなく、当該形状の具体例としては粒子状等を挙げることができる。本発明において、粒子状の上記触媒の粒径は、作製可能な大きさにするという観点から、10Å以上であることが好ましい。より好ましくは、15Å以上である。一方、良好な触媒効率を確保し高い電池電圧を得るという観点から、上記粒径は300Å以下であることが好ましい。より好ましくは、150Å以下である。さらに、触媒層2a、2bに坦持される触媒の担持量は、触媒の性能を有効に発揮し得る量にするという観点から、0.01mg/cm2以上であることが好ましい。より好ましくは、0.1mg/cm2以上である。一方、製造費用を抑制するとともに十分な費用対効果を得るという観点から、上記触媒の担持量は5mg/cm2以下であることが好ましい。より好ましくは、1mg/cm2以下である。なお、本発明において、触媒材料は、上記酸化反応及び還元反応に効果的に寄与し得る態様で含まれていれば、その存在態様は特に限定されるものではない。触媒材料の存在態様の具体例としては、導電性物質に担持されている態様等を挙げることができる。
2.2. Catalyst Layer The catalyst layers 2a and 2b include a proton conductive polymer, a catalyst material, and a conductive substance. In the present invention, the catalyst material is not particularly limited as long as it has a catalytic action on the oxidation reaction of hydrogen and the reduction reaction of oxygen at the anode and the cathode. Specific examples of the catalyst material according to the present invention include metals such as platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, and aluminum, or These alloys can be mentioned. In addition, the shape of the catalyst material according to the present invention is not particularly limited, and specific examples of the shape include particles. In the present invention, the particle size of the particulate catalyst is preferably 10 mm or more from the viewpoint of making it possible to produce the catalyst. More preferably, it is 15 mm or more. On the other hand, from the viewpoint of securing good catalyst efficiency and obtaining a high battery voltage, the particle size is preferably 300 mm or less. More preferably, it is 150 mm or less. Further, the amount of the catalyst supported on the catalyst layers 2a and 2b is preferably 0.01 mg / cm 2 or more from the viewpoint of making the amount capable of effectively exhibiting the performance of the catalyst. More preferably, it is 0.1 mg / cm 2 or more. On the other hand, from the viewpoint of suppressing manufacturing costs and obtaining sufficient cost effectiveness, the supported amount of the catalyst is preferably 5 mg / cm 2 or less. More preferably, it is 1 mg / cm 2 or less. In the present invention, the presence of the catalyst material is not particularly limited as long as the catalyst material is included in an aspect that can effectively contribute to the oxidation reaction and the reduction reaction. Specific examples of the presence mode of the catalyst material include a mode where the catalyst material is supported on a conductive material.
本発明において、触媒層2a、2bに含まれる導電性物質は、燃料電池内の環境に耐え得る電子伝導性物質であれば、特に限定されるものではない。当該導電性物質の具体例としては、ファーネスブラック、チャンネルブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラックや、活性炭、黒鉛、又は各種金属等を挙げることができる。さらに、本発明において、触媒層2a、2bに含まれるプロトン伝導性ポリマーは、電解質膜1に含まれるプロトン伝導性ポリマーと同様のものを使用することができる。
In the present invention, the conductive substance contained in the catalyst layers 2a and 2b is not particularly limited as long as it is an electron conductive substance that can withstand the environment in the fuel cell. Specific examples of the conductive material include carbon black such as furnace black, channel black, acetylene black, and ketjen black, activated carbon, graphite, and various metals. Furthermore, in the present invention, the proton conductive polymer contained in the catalyst layers 2 a and 2 b can be the same as the proton conductive polymer contained in the
他方、これらの物質を含む触媒層2a、2bの成形法は、特に限定されるものではない。成形法の具体例としては、プロトン伝導性ポリマーと、触媒材料と、導電性物質とを混合して成形する方法や、予めプロトン伝導性ポリマー以外の物質を混合・成形したものに、プロトン伝導性ポリマーを含侵させることにより触媒層を成形する方法等を挙げることができる。ここに、プロトン伝導性ポリマーの中でも、パーフルオロスルホン酸等のプロトン伝導性ポリマーは、ポリマー自体に結着剤としての機能を備えている。そのため、かかるプロトン伝導性ポリマーを用いれば、触媒材料及び導電性物質とともに安定なマトリックスを形成した触媒層とすることができる。このほか、さらに撥水性を有する触媒層とする場合には、フッ素系樹脂等を含む触媒層とすることができる。かかるフッ素系樹脂は、融点が400℃以下であることが好ましく、当該樹脂の具体例としては、PTFEやテトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体樹脂(PFA)等を挙げることができる。 On the other hand, the method for forming the catalyst layers 2a and 2b containing these substances is not particularly limited. Specific examples of the molding method include a method in which a proton conductive polymer, a catalyst material, and a conductive material are mixed and molded, or a material in which materials other than the proton conductive polymer are mixed and molded in advance. The method of shape | molding a catalyst layer by impregnating a polymer can be mentioned. Here, among proton conductive polymers, proton conductive polymers such as perfluorosulfonic acid have a function as a binder in the polymer itself. Therefore, when such a proton conductive polymer is used, a catalyst layer in which a stable matrix is formed together with the catalyst material and the conductive material can be obtained. In addition, when a catalyst layer having further water repellency is used, a catalyst layer containing a fluorine resin or the like can be used. Such a fluororesin preferably has a melting point of 400 ° C. or lower, and specific examples of the resin include PTFE and tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer resin (PFA).
本発明にかかる触媒層2a、2bは、一般に知られている各種方法(噴霧法、転写法、スクリーン印刷法、ローリング法等)により作製することが可能である。以下に、作製法の具体例について述べる。
エタノール等の低級アルコールを主成分とする溶媒に溶解させたプロトン伝導性ポリマー、触媒材料、導電性物質と、さらに必要に応じて撥水性ポリマーとを含む触媒分散液を充分に攪拌し、PTFEのような円滑なシート上におけるある形状の面積に当該触媒分散液を塗布・乾燥することにより、触媒層を形成させる(転写法)。
このようにして作製される触媒層では、さらに、プロトン伝導性ポリマーのEWをアノードとカソードとで傾斜させたり、同一面内にて傾斜させたりしても良い。なお、本発明にかかる触媒層2a、2bに含まれるプロトン伝導性ポリマーのEWは、上記電解質膜のEWと以下同様に、500以上1500以下であることが好ましい。より好ましいEWは、600以上1300以下である。
The catalyst layers 2a and 2b according to the present invention can be produced by various generally known methods (a spraying method, a transfer method, a screen printing method, a rolling method, etc.). A specific example of the manufacturing method is described below.
A catalyst dispersion containing a proton conductive polymer, a catalyst material, a conductive substance, and a water-repellent polymer, if necessary, dissolved in a solvent mainly composed of a lower alcohol such as ethanol is sufficiently stirred, and PTFE A catalyst layer is formed by applying and drying the catalyst dispersion on an area of a certain shape on such a smooth sheet (transfer method).
In the catalyst layer thus produced, the EW of the proton conductive polymer may be further inclined between the anode and the cathode, or may be inclined in the same plane. In addition, it is preferable that EW of the proton conductive polymer contained in the catalyst layers 2a and 2b according to the present invention is 500 or more and 1500 or less similarly to the EW of the electrolyte membrane. More preferable EW is 600 or more and 1300 or less.
上記触媒層内に分散させるプロトン伝導性ポリマーの質量は、充分な触媒利用率を確保するという観点から、触媒層内に含まれる触媒材料との質量比で0.1以上とすることが好ましい。一方、反応ガスを効果的に拡散させるという観点から、上記質量は上記触媒材料との質量比で10以下とすることが好ましい。 The mass of the proton conductive polymer dispersed in the catalyst layer is preferably 0.1 or more in terms of a mass ratio with the catalyst material contained in the catalyst layer from the viewpoint of securing a sufficient catalyst utilization rate. On the other hand, from the viewpoint of effectively diffusing the reaction gas, the mass is preferably 10 or less by mass ratio with the catalyst material.
2.3.セパレータ
本発明にかかるセパレータ8a、8bは、通常のPEFCにおいて好適に使用され得る物質により形成することができる。当該物質の具体例としては、チタン合金やステンレス鋼等に代表される金属、カーボン、導電性樹脂等を挙げることができる。なお、便宜上、上記第1実施形態にかかる燃料電池の説明では、セパレータ8a、8bに反応ガス供給路が形成されている形態について説明したが、本発明では、通常のPEFCに適用可能な形態のセパレータであれば、好適に使用することができる。図2に、本発明を適用し得る他の形態例を概略的に示す。なお、図2において、図1と同じ構成を採る部位には同じ符号を付し、その説明を省略する。図2において、図の左右方向が拡散層の積層方向である。
図2は、本発明の燃料電池を構成すべきユニットセルの態様例を概略的に示す断面図である。第2実施形態にかかる本発明のユニットセル200は、電解質膜1と、当該電解質膜1の両側に設けられるカソード6’及びアノード7’と、当該カソード6’及びアノード7’の外側に設けられるフラットタイプのセパレータ8c、8dとを備えている。本実施形態にかかるセル200において、セパレータ8c、8dには冷却水流路9c、9c、…が形成されている一方、反応ガス供給路が形成されておらず、焼結金属等の多孔体により形成される拡散層3c、3dに反応ガスが供給されている。そして、本実施形態にかかる拡散層3cは、撥水層4c及び基材5cを備える一方、拡散層3dは、撥水層4d及び基材5dを備えており、セル20におけるカソード6’は触媒層2a及び拡散層3cを備え、同アノード7’は触媒層2b及び拡散層3dを備えている。かかる形態のユニットセル200であっても、アノード側の拡散層3dの撥水性をカソード側の拡散層3cの撥水性よりも高くすることで、MEA10内の含水率分布を一定に保つことが可能になる。
2.3. Separator The
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing an example of a unit cell that is to constitute the fuel cell of the present invention. The unit cell 200 of the present invention according to the second embodiment is provided on the
3.燃料電池の製造方法
本発明にかかる燃料電池は、PEFCの一般的な製造方法により製造することができる。製造方法の具体例を概略的に以下に記す。
上記電解質膜1の両面に、触媒層を形成させたシート上の触媒層面を上記膜1側にして重ね合わせ、加圧・加熱下で触媒層を電解質膜1に接合させることにより、MEA10とする。ここで、上記接合時の圧力及び温度は、上記電解質膜1と、上記触媒層2a、2bとが相互に充分な密着性を付加される条件から適宜選択することができる。なお、パーフルオロスルホン酸ポリマーを電解質膜1として用いる場合、上記温度はガラス転移温度以上であれば特に限定されるものではないが、高効率の燃料電池を得るという観点から、当該温度は100〜200℃であることが好ましい。
その後、このようにして作製されたMEA10の両側に、上記方法により作製した拡散層3aと拡散層3bとを配置し、さらにその外側にセパレータ8a、8bを配置することで、ユニットセル100を得ることができる。なお、ユニットセル100内の接触抵抗を低減するという観点から、通常、ユニットセル100を備える燃料電池では、その両側(両端のエンドプレート側)から内側へと向かう方向に締結圧力が加えられる。
3. Manufacturing Method of Fuel Cell The fuel cell according to the present invention can be manufactured by a general manufacturing method of PEFC. A specific example of the production method is schematically described below.
The catalyst layer surface on the sheet on which the catalyst layer is formed is superimposed on both surfaces of the
Then, the
1.試験用セルの作製
1.1.実施例用セルの作製
40質量%の白金触媒担持カーボンに、プロトンタイプパーフルオロスルホン酸ポリマー樹脂の5質量%溶液を、白金触媒と当該ポリマーとの質量比が2:1となるように添加し、均一に分散させてインクを調整した。このインクを、ドクターブレード法によりポリテトラフルオロエチレンシート上に塗布した後、N2雰囲気中において100℃で乾燥・固定化し、白金担持量0.2mg/cm2のカソード触媒シートを得た。アノード触媒シートも同様の手順で作製した。
1. Production of test cell 1.1. Production of Example Cell To 40% by mass of platinum catalyst-supporting carbon, a 5% by mass solution of proton type perfluorosulfonic acid polymer resin was added so that the mass ratio of the platinum catalyst to the polymer was 2: 1. The ink was prepared by uniformly dispersing the ink. This ink was applied onto a polytetrafluoroethylene sheet by the doctor blade method, and then dried and fixed at 100 ° C. in an N 2 atmosphere to obtain a cathode catalyst sheet having a platinum loading of 0.2 mg / cm 2 . An anode catalyst sheet was prepared in the same procedure.
これらのカソード触媒シート及びアノード触媒シートを向かい合わせ、その間に、EW(プロトン伝導性を有する交換基の当量重量(g/当量))が1100、厚みが50μmのパーフルオロスルホン酸膜を挟み、150℃、圧力4.9MPaでホットプレスした後、両側のポリテトラフルオロエチレンシートを剥がすことにより、MEAを作製した。 These cathode catalyst sheet and anode catalyst sheet face each other, and a perfluorosulfonic acid membrane having an EW (equivalent weight (g / equivalent) of exchange group having proton conductivity) of 1100 and a thickness of 50 μm is sandwiched therebetween, 150 After hot pressing at ° C. and a pressure of 4.9 MPa, MEA was produced by peeling off the polytetrafluoroethylene sheets on both sides.
他方、カーボンブラックとPTFEとの質量比が4:6となるようにこれらを添加し、均一に分散させることにより撥水インクを調整した。このインクをスクリーン印刷法により、カーボン材からなる拡散層基材上に塗布し、乾燥させることにより撥水層を備えるアノード側の拡散層を作製した。これに対し、撥水層を備えるカソード側の拡散層には、カーボンブラックとPTFEとの質量比が8:2となるように調整した撥水インクを使用し、当該インクをスクリーン印刷法により、カーボン材からなる拡散層基材上に塗布して乾燥させることにより作製した。そして、このようにして作製したMEA及び拡散層を燃料電池セルに組み込み、実施例用セルを作製した。 On the other hand, these were added so that the mass ratio of carbon black and PTFE was 4: 6, and the water-repellent ink was adjusted by uniformly dispersing them. This ink was applied on a diffusion layer substrate made of a carbon material by screen printing, and dried to prepare an anode-side diffusion layer having a water-repellent layer. On the other hand, for the diffusion layer on the cathode side provided with the water repellent layer, a water repellent ink adjusted so that the mass ratio of carbon black and PTFE is 8: 2 is used, and the ink is screen-printed. It produced by apply | coating on the diffusion layer base material which consists of carbon materials, and making it dry. Then, the MEA and the diffusion layer produced in this way were incorporated into a fuel cell, and an example cell was produced.
1.2.比較例用セルの作製
カーボンブラックとPTFEとの質量比が5:5となるようにこれらを添加し、均一に分散させることにより調整した撥水インクを用いて、撥水層を備えるアノード側の拡散層及びカソード側の拡散層を作製したほかは、上記実施例用セルと同様の手順を用いて、比較例1にかかるセルを作製した。
これに対し、カーボンブラックとPTFEとの質量比が8:2となるようにこれらを添加し、均一に分散させることにより調整した撥水インクを用いて、撥水層を備えるアノード側の拡散層及びカソード側の拡散層を作製したほかは、上記実施例用セルと同様の手順を用いて、比較例2にかかるセルを作製した。
1.2. Preparation of Cell for Comparative Example Using a water repellent ink prepared by adding and uniformly dispersing carbon black and PTFE in a mass ratio of 5: 5, the anode side provided with a water repellent layer was used. A cell according to Comparative Example 1 was produced using the same procedure as the above example cell except that the diffusion layer and the cathode side diffusion layer were produced.
On the other hand, a diffusion layer on the anode side provided with a water repellent layer using a water repellent ink prepared by adding and uniformly dispersing carbon black and PTFE so as to have a mass ratio of 8: 2. A cell according to Comparative Example 2 was produced using the same procedure as the above example cell except that the diffusion layer on the cathode side was produced.
2.試験条件
燃料ガスとして水素を、酸化ガスとして空気ガスを、それぞれ用い、2026hPa、セル温度80℃の条件下で単セル評価を行った。実施例及び比較例にかかるセルの電極面積は13cm2であり、両極ともに、50〜80℃で加湿を行ったガスを使用した。なお、水素ガス流量は1.0L/min、空気ガス流量は2.0L/minとした。
2. Test conditions Hydrogen was used as the fuel gas and air gas was used as the oxidizing gas, and single cell evaluation was performed under the conditions of 2026 hPa and a cell temperature of 80 ° C. The electrode area of the cell concerning an Example and a comparative example is 13 cm < 2 >, The gas which humidified at 50-80 degreeC was used for both electrodes. The hydrogen gas flow rate was 1.0 L / min, and the air gas flow rate was 2.0 L / min.
3.結果
実施例、比較例1、及び比較例2の結果を、図3にあわせて示す。図3において、実線は実施例の結果を、二点鎖線は比較例1の結果を、一点鎖線は比較例2の結果を、それぞれ示している。なお、図3の横軸は両極のガスを加湿した温度(両極加湿温度)、同縦軸は、実施例、比較例1、及び比較例2の各セルにおける限界電流密度(A/cm2)である。
3. Result The result of an Example, the comparative example 1, and the comparative example 2 is shown according to FIG. In FIG. 3, the solid line shows the result of the example, the two-dot chain line shows the result of Comparative Example 1, and the one-dot chain line shows the result of Comparative Example 2. The horizontal axis in FIG. 3 is the temperature at which the gas of both electrodes is humidified (bipolar humidification temperature), and the vertical axis is the limiting current density (A / cm 2 ) in each cell of Example, Comparative Example 1, and Comparative Example 2. It is.
図3より、比較例1にかかるセルは、50℃の低加湿領域における発電性能は優れていたが、80℃の高加湿領域では発電性能が低下した。高加湿領域における発電性能の低下は、フラッディングに起因すると考えられる。また、比較例2にかかるセルは、80℃の高加湿領域における発電性能は優れていたが、50℃の低加湿領域では発電性能が低下した。低加湿領域における発電性能の低下は、セル内のドライアップに起因すると考えられる。これに対し、図3より、実施例にかかるセルは、50〜80℃の広範な加湿域における運転に対するロバスト性が失われず、安定に発電することができ、優れた限界電流密度値を示した。これは、高加湿領域では、カソードの触媒層にて生成された水がアノード側へと移動し、含水率分布を是正することでフラッディングを抑制する一方、低加湿領域では、カソードの触媒層にて生成された水がアノード側へと移動し、含水率分布を是正することでセル内のドライアップを抑制したためであると考えられる。したがって、本発明によれば、幅広い運転条件において安定に発電し得る燃料電池を提供できることが確認された。 From FIG. 3, the cell according to Comparative Example 1 was excellent in power generation performance in the low humidification region of 50 ° C., but the power generation performance was reduced in the high humidification region of 80 ° C. The decrease in power generation performance in the highly humidified region is considered to be caused by flooding. Moreover, although the cell concerning the comparative example 2 was excellent in the power generation performance in a 80 degreeC high humidification area | region, the power generation performance fell in the 50 degreeC low humidification area | region. The decrease in power generation performance in the low humidification region is considered to be caused by dry-up in the cell. On the other hand, from FIG. 3, the cell according to the example did not lose robustness to the operation in a wide humidified region of 50 to 80 ° C., and was able to generate power stably and showed an excellent limit current density value. . This is because water generated in the cathode catalyst layer moves to the anode side in the high humidification region, and flooding is suppressed by correcting the moisture content distribution, while in the low humidification region, the cathode catalyst layer This is thought to be because the water generated in this way moved to the anode side and the moisture content distribution was corrected to suppress dry-up in the cell. Therefore, according to the present invention, it was confirmed that a fuel cell capable of stably generating power under a wide range of operating conditions can be provided.
1 電解質膜
2a、2b 触媒層
3a、3b、3c、3d 拡散層
4a、4b、4c、4d 撥水層
5a、5b、5c、5d 基材(拡散層基材)
6、6’ カソード
7、7’ アノード
8a、8b、8c、8d セパレータ
10 MEA
100、200 ユニットセル(燃料電池)
DESCRIPTION OF
6, 6 '
100, 200 unit cell (fuel cell)
Claims (4)
前記アノード及び前記カソードは、触媒層と拡散層とを備えるとともに、
前記アノードの拡散層の撥水性が、前記カソードの拡散層の撥水性よりも高いことを特徴とする、燃料電池。 An electrolyte layer, an anode and a cathode provided on both sides of the electrolyte layer, and a separator provided on the outside of the anode and the cathode,
The anode and the cathode include a catalyst layer and a diffusion layer,
The fuel cell according to claim 1, wherein a water repellency of the anode diffusion layer is higher than a water repellency of the cathode diffusion layer.
前記アノードの撥水層の撥水性が、前記カソードの撥水層の撥水性よりも高いことを特徴とする、請求項1に記載の燃料電池。 The anode and cathode diffusion layers comprise a base material, and a water repellent layer provided between the base material and the anode and cathode catalyst layers,
2. The fuel cell according to claim 1, wherein the water repellency of the water repellent layer of the anode is higher than the water repellency of the water repellent layer of the cathode.
前記撥水性樹脂の質量Aと前記導電性物質の質量Bとの比A/BをXとするとき、
前記アノードの撥水層のX値が、前記カソードの撥水層のX値よりも大きいことを特徴とする、請求項2又は3に記載の燃料電池。
The water repellent layer of the anode and the cathode contains a water repellent resin and a conductive substance,
When the ratio A / B between the mass A of the water repellent resin and the mass B of the conductive material is X,
4. The fuel cell according to claim 2, wherein the X value of the water repellent layer of the anode is larger than the X value of the water repellent layer of the cathode.
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