JP2006351321A - Fuel cell - Google Patents

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Masaki Ando
雅樹 安藤
Yoshifumi Sekizawa
好史 関澤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell in which hydrogen concentration is made uniform. <P>SOLUTION: The fuel cell 1 comprises at least a solid electrolyte membrane 2, a fuel electrode side catalytic electrode layer 3, and an air electrode side catalytic electrode layer 4 arranged on both sides of the solid electrolyte membrane 2. The fuel electrode side catalytic electrode layer 3 contains a hydrogen storage material 5, and the hydrogen storage material 5 arranged at the upstream side of the hydrogen supply flow of the fuel electrode side catalytic electrode layer 3 is the hydrogen storage material 5 which stores and releases hydrogen at a temperature lower than the hydrogen storage material 5 arranged at downstream side. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、主として運転時に内部の水素濃度分布を均一化することができる燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell that can make the internal hydrogen concentration distribution uniform during operation.

燃料電池の最小発電単位である単位セルは、一般に固体電解質膜の両側に触媒電極層が接合されている膜電極複合体を有し、この膜電極複合体の両側にはガス拡散層が配されている。さらに、その外側にはガス流路を備えたセパレータが配されており、ガス拡散層を介して膜電極複合体の触媒電極層へと供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスを通流させるとともに、発電により得られた電流を外部に伝える働きをしている。   A unit cell, which is the minimum power generation unit of a fuel cell, generally has a membrane electrode assembly in which a catalyst electrode layer is bonded to both sides of a solid electrolyte membrane, and gas diffusion layers are arranged on both sides of the membrane electrode complex. ing. Furthermore, a separator having a gas flow path is arranged outside thereof, and the fuel gas and the oxidant gas supplied to the catalyst electrode layer of the membrane electrode composite are passed through the gas diffusion layer, It works to transmit the current obtained by power generation to the outside.

このような燃料電池においては、発電反応に必要な反応ガスは通常上記ガス流路の一端からもう一端へ向けて通流させることにより触媒電極層内へ供給される。供給された反応ガスは発電反応により次第に消費されるため、ガス流路の上流側と下流側とでは反応ガスの濃度が大きく異なる。また、燃料電池が運転停止後長い期間にわたって放置された場合燃料電池内の反応ガスは次第に放出されるが、燃料電池の場所によって放出速度が異なるため、反応ガスの濃度分布は不均一になる。   In such a fuel cell, the reaction gas necessary for the power generation reaction is usually supplied into the catalyst electrode layer by flowing from one end of the gas flow path to the other end. Since the supplied reaction gas is gradually consumed by the power generation reaction, the concentration of the reaction gas greatly differs between the upstream side and the downstream side of the gas flow path. Further, when the fuel cell is left for a long period after the operation is stopped, the reaction gas in the fuel cell is gradually released. However, since the release rate differs depending on the location of the fuel cell, the concentration distribution of the reaction gas becomes non-uniform.

固体高分子型やリン酸型などの燃料電池では通常燃料として水素が用いられる。このような燃料電池においては、水素濃度分布の不均一、つまり、燃料極内に水素が過多に存在する箇所と、水素が欠乏している箇所とが同時に存在すると、水素欠乏箇所の反対側の空気極で過剰電位が発生する。上記過剰電位が発生すると、触媒電極層やガス拡散層に多用されるカーボン材料の酸化、触媒である白金の溶出等の不具合の原因となる。特に、高温雰囲気下では上記不具合は助長されるため、燃料電池の高温作動中の大きな問題となっている。   In a fuel cell of a solid polymer type or phosphoric acid type, hydrogen is usually used as a fuel. In such a fuel cell, when the hydrogen concentration distribution is non-uniform, that is, when there are excessive hydrogen locations in the fuel electrode and hydrogen-deficient locations at the same time, An excess potential is generated at the air electrode. When the excess potential is generated, it causes problems such as oxidation of a carbon material frequently used in the catalyst electrode layer and the gas diffusion layer, and elution of platinum as a catalyst. In particular, the above problem is promoted in a high temperature atmosphere, which is a big problem during high temperature operation of the fuel cell.

特許文献１には、水素ガスの一部を吸蔵し、必要に応じて吸蔵した水素ガスを放出する水素吸蔵手段が設けられた燃料電池が開示されている。しかしながら、特許文献１に開示された発明は、燃料電池に要求される電気的な出力の大きさの変動に対応しようとするものであり、燃料電池内での水素濃度分布の均一化については考慮されていない。   Patent Document 1 discloses a fuel cell provided with hydrogen storage means for storing a part of hydrogen gas and releasing the stored hydrogen gas as necessary. However, the invention disclosed in Patent Document 1 is intended to cope with fluctuations in the magnitude of electrical output required for a fuel cell, and consideration is given to uniforming the hydrogen concentration distribution in the fuel cell. It has not been.

特開２００１−６６９７公報JP 2001-6697 A

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、水素濃度分布が均一化された燃料電池を提供することを主目的とするものである。   The present invention has been made in view of the above problems, and has as its main object to provide a fuel cell having a uniform hydrogen concentration distribution.

上記目的を達成するために、本発明は、固体電解質膜と、上記固体電解質膜の両側に配置された燃料極側触媒電極層および空気極側触媒電極層とを少なくとも有する燃料電池において、上記燃料極側触媒電極層は水素吸蔵材を含有し、上記燃料極側触媒電極層の、水素供給流の上流側に配置された上記水素吸蔵材は、下流側に配置された上記水素吸蔵材よりも低い温度で水素を吸放出する水素吸蔵材であることを特徴とする燃料電池を提供する。   In order to achieve the above object, the present invention provides a fuel cell having at least a solid electrolyte membrane, and a fuel electrode side catalyst electrode layer and an air electrode side catalyst electrode layer disposed on both sides of the solid electrolyte membrane. The pole-side catalyst electrode layer contains a hydrogen storage material, and the hydrogen storage material disposed on the upstream side of the hydrogen supply flow of the fuel electrode-side catalyst electrode layer is more than the hydrogen storage material disposed on the downstream side. A fuel cell characterized by being a hydrogen storage material that absorbs and releases hydrogen at a low temperature.

このように、異なる特性を有する水素吸蔵材を各領域に配置することにより各領域に配置された水素吸蔵材に異なるタイミングで水素を吸放出させることができ、水素供給流の上流側と下流側との水素濃度分布を均一化することができるため、水素濃度分布の不均一に起因する過剰電位の発生を防止することができる。また、水素吸蔵材が水素を吸蔵および放出する際に発熱または吸熱する性質を利用して、燃料電池内の温度を発電反応に適した温度にすることができる。   Thus, by arranging hydrogen storage materials having different characteristics in each region, the hydrogen storage materials arranged in each region can absorb and release hydrogen at different timings, and the upstream side and the downstream side of the hydrogen supply flow Therefore, it is possible to prevent the generation of excess potential due to the non-uniformity of the hydrogen concentration distribution. Further, the temperature in the fuel cell can be adjusted to a temperature suitable for the power generation reaction by utilizing the property of generating or absorbing heat when the hydrogen storage material stores and releases hydrogen.

本発明においては、上記水素供給流の上流側に配置される水素吸蔵材は、水素を吸放出する温度が−３０〜４０℃の範囲内である水素吸蔵材であり、上記水素供給流の下流側に配置される水素吸蔵材は、水素を吸放出する温度が４０〜１５０℃の範囲内である水素吸蔵材であることが好ましい。上記温度の範囲内で水素を吸放出する水素吸蔵材を水素供給流の上流側および下流側に配置することにより、上記水素吸蔵材に所望のタイミングにおいて水素を吸放出させることができ、水素濃度分布をより確実に均一化することができる。   In the present invention, the hydrogen storage material disposed on the upstream side of the hydrogen supply stream is a hydrogen storage material having a temperature for absorbing and releasing hydrogen within a range of −30 to 40 ° C., and downstream of the hydrogen supply stream. It is preferable that the hydrogen storage material arrange | positioned at the side is a hydrogen storage material in which the temperature which absorbs / releases hydrogen exists in the range of 40-150 degreeC. By arranging hydrogen storage materials that absorb and release hydrogen within the above temperature range on the upstream side and downstream side of the hydrogen supply flow, the hydrogen storage material can absorb and release hydrogen at a desired timing, and the hydrogen concentration The distribution can be made more uniform.

本発明の燃料電池は、水素濃度分布の不均一に起因する過剰電位の発生を防止することができ、かつ、燃料電池内の温度を最適化することができるといった効果を奏する。   The fuel cell according to the present invention can prevent the generation of excess potential due to the nonuniformity of the hydrogen concentration distribution, and can achieve the effects of optimizing the temperature in the fuel cell.

以下、本発明の燃料電池について詳細に説明する。
図１は本発明の燃料電池の構成の一例を示す概略断面図である。図１に示すように、本発明の燃料電池１においては、固体電解質膜２が燃料極側触媒電極層３および空気極側触媒電極層４により挟持されており、上記燃料極側触媒電極層３は水素吸蔵材５を含有する。上記燃料極側触媒電極層３および空気極側触媒電極層４の外側にはガス拡散層６、セパレータ７が配されている。
以下、このような本発明の燃料電池を構成する各構成部材について、それぞれ分けて説明する。 Hereinafter, the fuel cell of the present invention will be described in detail.
FIG. 1 is a schematic sectional view showing an example of the configuration of the fuel cell of the present invention. As shown in FIG. 1, in the fuel cell 1 of the present invention, a solid electrolyte membrane 2 is sandwiched between a fuel electrode side catalyst electrode layer 3 and an air electrode side catalyst electrode layer 4. Contains the hydrogen storage material 5. A gas diffusion layer 6 and a separator 7 are disposed outside the fuel electrode side catalyst electrode layer 3 and the air electrode side catalyst electrode layer 4.
Hereafter, each structural member which comprises such a fuel cell of this invention is each demonstrated separately.

１．燃料極側触媒電極層
本発明に用いられる燃料極側触媒電極層は、水素吸蔵材を含有するものであり、上記燃料極側触媒電極層の特定領域または全般にわたって配置された水素吸蔵材のうち、水素供給流の上流側に配置された水素吸蔵材の方が、下流側に配置された水素吸蔵材よりも低い温度において水素を吸放出する。このように、特性の異なる水素吸蔵材を燃料極側触媒電極層の上流側および下流側に配置することにより、以下の理由から燃料極側触媒電極層における水素濃度分布を均一化することができる。 1. Fuel electrode side catalyst electrode layer The fuel electrode side catalyst electrode layer used in the present invention contains a hydrogen storage material, and among the hydrogen storage materials arranged over a specific region or the whole of the fuel electrode side catalyst electrode layer, The hydrogen storage material disposed on the upstream side of the hydrogen supply flow absorbs and releases hydrogen at a lower temperature than the hydrogen storage material disposed on the downstream side. Thus, by arranging the hydrogen storage materials having different characteristics on the upstream side and the downstream side of the fuel electrode side catalyst electrode layer, the hydrogen concentration distribution in the fuel electrode side catalyst electrode layer can be made uniform for the following reasons. .

すなわち、燃料電池の起動時において、燃料極側触媒電極層の水素供給流の上流側は、いち早く水素が供給されるが、下流側まで水素が到達するにはある程度の時間を要するため、燃料極側触媒電極層における水素濃度分布が不均一になる。起動時の燃料電池内の温度は低いため、このような低い温度で水素を吸蔵する水素吸蔵材が上流側に配置されている場合は、該水素吸蔵材が燃料極側触媒電極層の上流側に供給された水素を一時的に吸蔵して上流側の水素濃度が低下するため、下流側との水素濃度分布の不均一を抑制することができる。   That is, at the start of the fuel cell, the upstream side of the hydrogen supply flow of the fuel electrode side catalyst electrode layer is supplied with hydrogen quickly, but it takes a certain amount of time for the hydrogen to reach the downstream side. The hydrogen concentration distribution in the side catalyst electrode layer becomes uneven. Since the temperature in the fuel cell at the time of start-up is low, when a hydrogen storage material that stores hydrogen at such a low temperature is arranged on the upstream side, the hydrogen storage material is upstream of the fuel electrode side catalyst electrode layer. Since the hydrogen supplied to the water is temporarily occluded and the hydrogen concentration on the upstream side decreases, nonuniformity of the hydrogen concentration distribution on the downstream side can be suppressed.

一方、燃料電池内の温度が発電反応に適した温度まで上昇し、発電反応が活発に進行している状態では、供給された水素の大部分は下流側の領域へ到達する前に消費されるため、下流側の水素濃度は上流側よりも低くなる。この際、発電反応が活発に進行している状態の燃料電池内の温度において水素を放出する水素吸蔵材が下流側に配置されている場合は、該水素吸蔵材が吸蔵している水素を放出し、不足している下流側の水素を補うため、上流側との水素濃度分布の不均一を抑制することができる。   On the other hand, when the temperature in the fuel cell rises to a temperature suitable for the power generation reaction and the power generation reaction is actively progressing, most of the supplied hydrogen is consumed before reaching the downstream region. Therefore, the hydrogen concentration on the downstream side is lower than that on the upstream side. At this time, if a hydrogen storage material that releases hydrogen at the temperature in the fuel cell in a state where the power generation reaction is actively progressing is disposed on the downstream side, the hydrogen stored in the hydrogen storage material is released. In addition, in order to compensate for the deficient downstream hydrogen, non-uniformity in the hydrogen concentration distribution with the upstream can be suppressed.

上述したように、本発明に用いられる水素吸蔵材は周囲の温度に応じて水素を吸放出するものであるため、水素吸蔵材に水素を吸放出させるための、例えば温度制御装置などの制御装置等を必要とせず、燃料電池システムを複雑化することなく水素濃度分布の均一化を図ることができる。   As described above, since the hydrogen storage material used in the present invention absorbs and releases hydrogen according to the ambient temperature, a control device such as a temperature control device for causing the hydrogen storage material to absorb and release hydrogen. The hydrogen concentration distribution can be made uniform without complicating the fuel cell system.

また、本発明においては、水素吸蔵材が水素を吸蔵および放出する際に発熱または吸熱する性質を利用して、燃料電池内の温度を発電反応に適した温度にすることもできる。起動時の燃料電池内の温度は発電反応に適した温度よりも低い場合が多いため、発電反応を効率よく進行させるためには燃料電池内の温度が早急に上昇することが好ましい。水素吸蔵材は水素を吸蔵する際に発熱し、水素を放出する際に吸熱するものが一般的であるため、起動時に燃料極側触媒電極層において最初に水素が供給される領域である、水素供給流の上流側の領域に、低い温度で水素を吸蔵する水素吸蔵材が配置されていれば、該水素吸蔵材は供給された水素を吸蔵して発熱するため燃料電池内の温度も上昇し、より短い時間で燃料電池内の温度を発電反応に適した温度まで上昇させることができる。   In the present invention, the temperature in the fuel cell can be set to a temperature suitable for the power generation reaction by utilizing the property of generating or absorbing heat when the hydrogen storage material stores and releases hydrogen. Since the temperature in the fuel cell at the time of startup is often lower than the temperature suitable for the power generation reaction, it is preferable that the temperature in the fuel cell rises rapidly in order to make the power generation reaction proceed efficiently. Since the hydrogen storage material generally generates heat when storing hydrogen and absorbs heat when releasing hydrogen, the hydrogen storage material is a region where hydrogen is first supplied in the fuel electrode side catalyst electrode layer at the time of startup. If a hydrogen storage material that stores hydrogen at a low temperature is arranged in the upstream region of the supply flow, the hydrogen storage material stores the supplied hydrogen and generates heat, so the temperature in the fuel cell also rises. Thus, the temperature in the fuel cell can be raised to a temperature suitable for the power generation reaction in a shorter time.

一方、燃料電池内の温度が発電反応に適した温度まで上昇して発電反応が活発に進行している状態において、下流側での水素が欠乏して上述したような過剰電位が発生した場合、上記過剰電位に伴い熱が発生する。この際、この領域に高い温度で水素を放出する水素吸蔵材が配置されていれば該水素吸蔵材は吸蔵していた水素を放出して吸熱するため、不足している水素を供給するとともに、燃料電池内の温度が加熱することを抑制することができる。   On the other hand, in the state where the temperature in the fuel cell rises to a temperature suitable for the power generation reaction and the power generation reaction is actively proceeding, when the excess potential as described above occurs due to the lack of hydrogen on the downstream side, Heat is generated with the excess potential. At this time, if a hydrogen storage material that releases hydrogen at a high temperature is disposed in this region, the hydrogen storage material releases the stored hydrogen and absorbs heat, so that the insufficient hydrogen is supplied, It can suppress that the temperature in a fuel cell heats.

本発明において、燃料極側触媒電極層に配置される水素吸蔵材が水素を吸放出する温度は、水素供給流の下流側よりも上流側の方が低い温度であれば特に限定されるものではない。例えば、上流側に配置される水素吸蔵材が水素を吸放出する温度は、−３０〜４０℃の範囲内、中でも−２０〜２０℃の範囲内であることが好ましい。一方、下流側に配置される水素吸蔵材が水素を吸放出する温度は、４０〜１５０℃の範囲内、中でも８０〜１２０℃の範囲内であることが好ましい。   In the present invention, the temperature at which the hydrogen storage material disposed in the fuel electrode side catalyst electrode layer absorbs and releases hydrogen is not particularly limited as long as the temperature is lower on the upstream side than on the downstream side of the hydrogen supply flow. Absent. For example, the temperature at which the hydrogen storage material disposed on the upstream side absorbs and releases hydrogen is preferably in the range of −30 to 40 ° C., and more preferably in the range of −20 to 20 ° C. On the other hand, the temperature at which the hydrogen storage material disposed on the downstream side absorbs and releases hydrogen is preferably in the range of 40 to 150 ° C, and more preferably in the range of 80 to 120 ° C.

本発明に用いられる水素吸蔵材は、ある特定の温度の近傍の温度において水素を吸蔵および放出する機能を有するものであれば特に限定されるものではない。用いることができる水素吸蔵材の例としては、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｌａ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃａ、Ａｌなどの金属のうち少なくとも２つを含む水素化合物である水素吸蔵合金、およびそれらをポリマーコートしたもの、またはルベアン酸銅錯体などの有機−無機錯体、ナノカーボン材料等を挙げることができる。   The hydrogen storage material used in the present invention is not particularly limited as long as it has a function of storing and releasing hydrogen at a temperature in the vicinity of a specific temperature. Examples of hydrogen storage materials that can be used include hydrogen containing at least two of metals such as Pt, Pd, Fe, Co, Ni, Cr, La, Zr, Ti, V, Mn, Mg, Ca, and Al. Examples thereof include hydrogen storage alloys that are compounds, and those obtained by polymer coating thereof, or organic-inorganic complexes such as a rubeanic acid copper complex, and nanocarbon materials.

上記水素吸蔵材の例の中でも、上流側では、MnCo5H3、LaNi5H6、MnNi2.5Co2.5H5.2、MnNi4.5Al0.5H4.9、MnNi4.5Mn0.5H6.6、TiTeH1.8、TiMn1.5H2.1等(以下、これらを「A」と総称する場合がある。)が好適に用いられる。一方、下流側では、ZrMn2H2、TiCoH1.5、TiCo0.5Mn0.5H1.7、TiCo0.5Fe0.5H1.2等(以下、これらを「B」と総称する場合がある。)が好適に用いられる。また、２種類以上の上記水素吸蔵材を用いる場合は、上流側と下流側とで同じ種類の水素吸蔵材を異なる比率で用いることにより、それぞれの領域で所望される温度において水素吸蔵材に水素を吸放出させることもできる。例えば、上流側ではＡ：Ｂ＝８：２、下流側ではＡ：Ｂ＝２：８のように、２種類以上の同じ水素吸蔵材を異なる比率で上流側および下流側に配置することにより、下流側よりも低い温度で上流側の水素吸蔵材に水素を吸放出させることができる。 Among the above hydrogen storage materials, on the upstream side, MnCo 5 H 3 , LaNi 5 H 6 , MnNi 2.5 Co 2.5 H 5.2 , MnNi 4.5 Al 0.5 H 4.9 , MnNi 4.5 Mn 0.5 H 6.6 , TiTeH 1.8 , TiMn 1.5 H 2.1 and the like (hereinafter, these may be collectively referred to as “A”) are preferably used. On the other hand, on the downstream side, ZrMn 2 H 2 , TiCoH 1.5 , TiCo 0.5 Mn 0.5 H 1.7 , TiCo 0.5 Fe 0.5 H 1.2 and the like (hereinafter, these may be collectively referred to as “B”) are preferably used. When two or more types of the above hydrogen storage materials are used, the same type of hydrogen storage material is used at different ratios on the upstream side and the downstream side, so that hydrogen can be stored in the hydrogen storage material at a desired temperature in each region. Can be absorbed and released. For example, by arranging two or more types of the same hydrogen storage materials at different ratios on the upstream side and the downstream side, such as A: B = 8: 2 on the upstream side and A: B = 2: 8 on the downstream side, Hydrogen can be absorbed and released in the upstream hydrogen storage material at a temperature lower than that on the downstream side.

上記水素吸蔵材の種類および組み合わせを選択して燃料極側触媒電極層の各領域に配置することにより、各領域において、水素吸蔵材に所望の温度で水素を吸放出させることができる。この際の各領域への水素吸蔵材の添加量および添加密度は、該領域で必要とされる水素の吸蔵および放出量、用いる水素吸蔵材の水素吸蔵および放出能力などに応じて適宜調整して用いることができる。また、燃料電池の触媒として多用される白金は、その粒子径などによっては水素吸蔵特性を有するものがあるため、このような水素吸蔵特性を有する白金を触媒として用いる場合は、担体に担持する触媒の量を調節することによっても水素濃度分布の均一化を図ることができる。例えば、触媒として用いる白金が、ある領域で所望される温度において水素を吸放出する場合は、その領域に配置される担体には他の領域よりも多く白金を担持し、他の領域には異なる種類の水素吸蔵材を配置することにより、それぞれの領域における水素濃度分布の均一化を図ることができる。   By selecting the type and combination of the hydrogen storage material and disposing them in each region of the fuel electrode side catalyst electrode layer, the hydrogen storage material can absorb and release hydrogen at a desired temperature in each region. At this time, the amount and density of the hydrogen storage material added to each region are appropriately adjusted according to the amount of hydrogen storage and release required in the region, the hydrogen storage and release capability of the hydrogen storage material used, and the like. Can be used. In addition, some platinum that is frequently used as a catalyst for fuel cells has hydrogen storage characteristics depending on the particle size and the like. Therefore, when platinum having such hydrogen storage characteristics is used as a catalyst, the catalyst supported on the carrier is used. The hydrogen concentration distribution can be made uniform by adjusting the amount of hydrogen. For example, when platinum used as a catalyst absorbs and releases hydrogen at a desired temperature in a certain region, the carrier disposed in that region carries more platinum than the other region, and the other region is different. By arranging different types of hydrogen storage materials, the hydrogen concentration distribution in each region can be made uniform.

本発明に用いられる燃料極側触媒電極層を形成する材料は、上記水素吸蔵材が含まれていれば特に限定されるものではなく、通常の燃料電池の触媒電極層を形成する材料に上記水素吸蔵材を添加することにより形成することができる。例えば、カーボン粉末やカーボンナノチューブなどの導電性物質上に白金や白金合金などの触媒を担持した触媒担持導電性物質と、固体電解質膜に用いられる、ナフィオン(商品名：Nafion、デュポン株式会社製)などの電解質と、上記水素吸蔵材とから燃料極側触媒電極層を形成することができる。   The material for forming the fuel electrode side catalyst electrode layer used in the present invention is not particularly limited as long as the hydrogen storage material is included, and the above-mentioned hydrogen is used as the material for forming the catalyst electrode layer of a normal fuel cell. It can be formed by adding an occlusion material. For example, a catalyst-supporting conductive material in which a catalyst such as platinum or a platinum alloy is supported on a conductive material such as carbon powder or carbon nanotube, and Nafion (trade name: Nafion, manufactured by DuPont) used in a solid electrolyte membrane A fuel electrode side catalyst electrode layer can be formed from the above electrolyte and the hydrogen storage material.

２．固体電解質膜
本発明に用いられる固体電解質膜としては、プロトン伝導性に優れ、かつ絶縁性を有する材料からなるものであれば特に限定されるものではない。このような固体電解質膜を形成する電解質材料としては、ナフィオン（商品名：Nafion、デュポン株式会社製）などに代表されるようなフッ素系樹脂、アミド系樹脂に代表されるような炭化水素系樹脂等有機系のもの、または、ケイ素酸化物を主成分とするものなどの無機系のもの等を挙げることができる。 2. Solid electrolyte membrane The solid electrolyte membrane used in the present invention is not particularly limited as long as it is made of a material having excellent proton conductivity and insulating properties. Examples of the electrolyte material for forming such a solid electrolyte membrane include fluorine resins such as Nafion (trade name: Nafion, manufactured by DuPont) and hydrocarbon resins such as amide resins. Examples thereof include organic materials such as organic materials, and inorganic materials such as those containing silicon oxide as a main component.

３．空気極側触媒電極層
本発明に用いられる空気極側触媒電極層を形成する材料は特に限定されるものではなく、通常の燃料電池の触媒電極層を形成する材料により形成することができる。例えば、カーボン粉末やカーボンナノチューブなどの導電性物質上に白金や白金合金などの触媒を担持した触媒担持導電性物質と、固体電解質膜に用いられる、ナフィオン(商品名：Nafion、デュポン株式会社製)などの電解質とから空気極側触媒電極層を形成することができる。 3. Air electrode side catalyst electrode layer The material for forming the air electrode side catalyst electrode layer used in the present invention is not particularly limited, and can be formed of a material for forming a catalyst electrode layer of a normal fuel cell. For example, a catalyst-supporting conductive material in which a catalyst such as platinum or a platinum alloy is supported on a conductive material such as carbon powder or carbon nanotube, and Nafion (trade name: Nafion, manufactured by DuPont) used in a solid electrolyte membrane An air electrode side catalyst electrode layer can be formed from an electrolyte such as

４．ガス拡散層
本発明に用いられるガス拡散層は、ガスの透過性を有し、かつ発生した電気を集電できるものであれば特に限定されるものではなく、従来の燃料電池に用いられるものを使用することができる。一般的には、カーボン繊維から成るカーボンクロスやカーボンペーパーなどの多孔体が好適に用いられる。ガス拡散層の厚さは、燃料電池におけるガス拡散層としての機能を果たせるものであれば特に限定されるものではない。 4). Gas diffusion layer The gas diffusion layer used in the present invention is not particularly limited as long as it has gas permeability and can collect the generated electricity, and is used for conventional fuel cells. Can be used. In general, a porous body such as carbon cloth or carbon paper made of carbon fiber is preferably used. The thickness of the gas diffusion layer is not particularly limited as long as it can function as a gas diffusion layer in a fuel cell.

また、本発明においては、燃料極側のガス拡散層に上記水素吸蔵材が配置されていてもよい。この場合も、上記「１．燃料極側触媒電極層」の場合と同様に、水素供給流の上流側に配置される水素吸蔵材は、下流側に配置される水素吸蔵材よりも低い温度で水素を吸放出するように、それぞれの領域に水素吸蔵材を配置する。   In the present invention, the hydrogen storage material may be disposed in the gas diffusion layer on the fuel electrode side. Also in this case, as in the case of “1. Fuel electrode side catalyst electrode layer”, the hydrogen storage material arranged on the upstream side of the hydrogen supply flow is at a lower temperature than the hydrogen storage material arranged on the downstream side. A hydrogen storage material is disposed in each region so as to absorb and release hydrogen.

５．セパレータ
本発明においては、上記ガス拡散層のさらに外側にセパレータが配置されていることが好ましい。上記セパレータにガス流路を形成することにより、燃料電池への反応ガスの供給および生成水の排出を効率的に行うことができる。また、導電材料から形成することにより、上記セパレータを集電体としても用いて効率的に集電を行うこともできる。 5. Separator In the present invention, it is preferable that a separator is disposed further outside the gas diffusion layer. By forming the gas flow path in the separator, it is possible to efficiently supply the reaction gas to the fuel cell and discharge the generated water. Further, by forming from a conductive material, it is possible to efficiently collect current using the separator as a current collector.

本発明においてセパレータは、特に限定されるものではなく、一般的な燃料電池に用いられているものを用いることができる。用いることができるセパレータの例としては、ガス拡散層側の面にガス流路が形成されており、反対側の面には、燃料ガスや酸化剤ガスを供給するためのガス供給装置が接続されているものを挙げることができ、さらには冷却水の流路が形成されているものをも含むものである。このようなセパレータを形成する材料としては、カーボンや金属を用いるのが一般的であり、それらを従来のものと同様な厚さに形成して用いることができる。なお、共に用いられるガス拡散層内にガス流路が形成されている場合は、セパレータにはガス流路が形成されている必要はなく、表面が平滑なセパレータを用いることができる。   In the present invention, the separator is not particularly limited, and those used in general fuel cells can be used. As an example of the separator that can be used, a gas flow path is formed on the surface on the gas diffusion layer side, and a gas supply device for supplying fuel gas and oxidant gas is connected to the opposite surface. In addition, those including a cooling water flow path are also included. As a material for forming such a separator, carbon or metal is generally used, and they can be used by forming them in the same thickness as a conventional one. In addition, when the gas flow path is formed in the gas diffusion layer used together, it is not necessary to form the gas flow path in the separator, and a separator having a smooth surface can be used.

また、本発明においては、燃料極側のセパレータに上記水素吸蔵材が配置されていてもよい。この場合も、上記「１．燃料極側触媒電極層」の場合と同様に、水素供給流の上流側に配置される水素吸蔵材は、下流側に配置される水素吸蔵材よりも低い温度で水素を吸放出するように、それぞれの領域に水素吸蔵材を配置する。   In the present invention, the hydrogen storage material may be disposed in the separator on the fuel electrode side. Also in this case, as in the case of “1. Fuel electrode side catalyst electrode layer”, the hydrogen storage material arranged on the upstream side of the hydrogen supply flow is at a lower temperature than the hydrogen storage material arranged on the downstream side. A hydrogen storage material is disposed in each region so as to absorb and release hydrogen.

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。   The present invention is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an exemplification, and the present invention has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention, and any device that exhibits the same function and effect is the present invention. It is included in the technical scope of the invention.

例えば上記記載においては、水素吸蔵材を含有する燃料極側触媒電極層について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、上述したように、燃料極側のガス拡散層やセパレータが上述したような水素吸蔵材を含有するものでもよい。本発明はこのような態様も含むものである。   For example, in the above description, the fuel electrode side catalyst electrode layer containing the hydrogen storage material has been described. However, the present invention is not limited to this, and as described above, the fuel electrode side gas diffusion layer and separator include It may contain a hydrogen storage material as described above. The present invention includes such an embodiment.

また、上記記載においては、主に固体高分子電解質型の燃料電池について説明しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、りん酸型等の水素が燃料として用いられるタイプの燃料電池に用いることができる。   In the above description, the solid polymer electrolyte fuel cell is mainly described. However, the present invention is not limited to this, and a fuel of a type in which hydrogen of phosphoric acid type is used as a fuel. Can be used for batteries.

本発明の燃料電池の構成の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of a structure of the fuel cell of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１ … 燃料電池
２ … 固体電解質膜
３ … 燃料極側触媒電極層
４ … 空気極側触媒電極層
５ … 水素吸蔵材
６ … ガス拡散層
７ … セパレータ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell 2 ... Solid electrolyte membrane 3 ... Fuel electrode side catalyst electrode layer 4 ... Air electrode side catalyst electrode layer 5 ... Hydrogen storage material 6 ... Gas diffusion layer 7 ... Separator

Claims (2)

固体電解質膜と、前記固体電解質膜の両側に配置された燃料極側触媒電極層および空気極側触媒電極層とを少なくとも有する燃料電池において、
前記燃料極側触媒電極層は水素吸蔵材を含有し、
前記燃料極側触媒電極層の、水素供給流の上流側に配置された前記水素吸蔵材は、下流側に配置された前記水素吸蔵材よりも低い温度で水素を吸放出する水素吸蔵材であることを特徴とする燃料電池。 In a fuel cell having at least a solid electrolyte membrane, and a fuel electrode side catalyst electrode layer and an air electrode side catalyst electrode layer disposed on both sides of the solid electrolyte membrane,
The fuel electrode side catalyst electrode layer contains a hydrogen storage material,
The hydrogen storage material arranged on the upstream side of the hydrogen supply flow of the fuel electrode side catalyst electrode layer is a hydrogen storage material that absorbs and releases hydrogen at a lower temperature than the hydrogen storage material arranged on the downstream side. A fuel cell characterized by the above. 前記水素供給流の上流側に配置される前記水素吸蔵材は、水素を吸放出する温度が−３０〜４０℃の範囲内である水素吸蔵材であり、前記水素供給流の下流側に配置される前記水素吸蔵材は、水素を吸放出する温度が４０〜１５０℃の範囲内である水素吸蔵材であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。 The hydrogen storage material disposed on the upstream side of the hydrogen supply stream is a hydrogen storage material having a temperature for absorbing and releasing hydrogen within a range of −30 to 40 ° C., and is disposed on the downstream side of the hydrogen supply stream. 2. The fuel cell according to claim 1, wherein the hydrogen storage material is a hydrogen storage material having a temperature of 40 to 150 ° C. for absorbing and releasing hydrogen.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022102528A1 (en) * 2020-11-13 2022-05-19 正文 松永 Method for producing fuel cell, and fuel cell

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