JP2007087648A - Gas diffusion layer of solid polymer fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体高分子型燃料電池を構成する燃料極や空気極に用いられるガス拡散層に関するものである。 The present invention relates to a gas diffusion layer used for a fuel electrode and an air electrode constituting a solid polymer fuel cell.
固体高分子型燃料電池は、固体高分子膜から成る電解質層を一対の電極で挟んだ構造を有し、一対の電極のうちの燃料極(アノード)に、水素を含有する燃料ガスを供給すると共に、一対の電極のうちの空気極(カソード)に、酸素を含有する酸化ガスを供給し、各電極の電解質層側の面で下記式の電気化学反応を生じさせて、電極から電気エネルギを取り出すものである。 A polymer electrolyte fuel cell has a structure in which an electrolyte layer made of a polymer electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrodes, and a fuel gas containing hydrogen is supplied to a fuel electrode (anode) of the pair of electrodes. At the same time, an oxidizing gas containing oxygen is supplied to the air electrode (cathode) of the pair of electrodes, and an electrochemical reaction of the following formula is caused on the surface of each electrode on the electrolyte layer side to generate electric energy from the electrodes. It is something to take out.
燃料極反応:H2 → 2H+ + 2e− …(式1)
空気極反応:2H+ + 2e− + (1/2)O2 → H2O …(式2)
Fuel electrode reaction: H 2 → 2H + + 2e − (Formula 1)
Air electrode reaction: 2H + + 2e − + (1/2) O 2 → H 2 O (Formula 2)
燃料極に対する燃料ガスの供給には、水素貯蔵装置から純水素である燃料ガスを直接供給する方法や、水素を含有する燃料を改質してこれを燃料ガスとして供給する方法が知られている。また、水素貯蔵装置には、高圧ガスタンク、液化水素タンク及び水素吸蔵合金タンク等があり、水素を含有する燃料には、天然ガス、メタノール及びガソリン等がある。他方、空気極に供給する酸化ガスには、一般的に空気が利用されている。 For supplying fuel gas to the fuel electrode, a method of directly supplying a fuel gas that is pure hydrogen from a hydrogen storage device, or a method of reforming a fuel containing hydrogen and supplying it as a fuel gas is known. . The hydrogen storage device includes a high-pressure gas tank, a liquefied hydrogen tank, a hydrogen storage alloy tank, and the like, and the fuel containing hydrogen includes natural gas, methanol, gasoline, and the like. On the other hand, air is generally used as the oxidizing gas supplied to the air electrode.
さらに、固高分子型燃料電池では、電解質層を保湿状態にしておく必要があり、電解質層の性能を充分に引き出して発電効率を向上させるためには、電解質層の水分量を最適に保つ必要がある。このため、固高分子型燃料電池では、導入する燃料ガス及び空気に対して予め充分な加湿を行っている。 Furthermore, in the polymer electrolyte fuel cell, it is necessary to keep the electrolyte layer in a moist state, and in order to fully draw out the performance of the electrolyte layer and improve the power generation efficiency, it is necessary to keep the water content of the electrolyte layer optimal. There is. For this reason, in the polymer electrolyte fuel cell, sufficient humidification is performed in advance on the fuel gas and air to be introduced.
ところで、固高分子型燃料電池では、上述した電気化学反応の進行に伴って空気極側で水が生じる。この生成水は、空気極に供給している酸化ガス中に気化し、酸化ガスとともに燃料電池外に排出されるのであるが、生成量が多いときやガス流路中に部分的に温度が低い領域があると、空気極を構成するガス拡散層内で凝縮し、同ガス拡散層内に水が滞留してしまうことがある。 By the way, in the polymer electrolyte fuel cell, water is generated on the air electrode side as the above-described electrochemical reaction proceeds. This generated water is vaporized in the oxidizing gas supplied to the air electrode and discharged together with the oxidizing gas to the outside of the fuel cell. However, when the amount of generated water is large or in the gas flow path, the temperature is partially low. If there is a region, condensation may occur in the gas diffusion layer constituting the air electrode, and water may remain in the gas diffusion layer.
また、燃料極側では、電気化学反応による生成水は存在しないが、先述の如く導入する燃料ガスに予め加湿を行っているので、燃料ガスの消費とともにガス量が減少すると、燃料ガス中の水分が凝縮し、とくに燃料極を構成するガス拡散層内で水分が凝縮し、同ガス拡散層内に水が滞留してしまうことがある。 On the fuel electrode side, water produced by the electrochemical reaction does not exist, but since the fuel gas to be introduced is previously humidified as described above, if the amount of gas decreases as the fuel gas is consumed, the water content in the fuel gas is reduced. Condensate, and in particular, water may condense in the gas diffusion layer constituting the fuel electrode, and water may remain in the gas diffusion layer.
そして、上記のようにガス拡散層内に水が滞留すると、ガス拡散層の空孔が水で塞がれてガスの拡散が阻害されるフラッディング現象(水つまり)が生じ、電池性能が低下することがあった。 When water stays in the gas diffusion layer as described above, a flooding phenomenon (water clogging) occurs in which the pores of the gas diffusion layer are blocked with water and gas diffusion is inhibited, and the battery performance is deteriorated. There was a thing.
そこで、従来にあっては、ガス拡散層内で凝縮した水を排出する対策として、ガス拡散層の下流領域の透気度を同ガス拡散層の上流領域の透気度よりも相対的に大きくし、ガス拡散層の下流領域の排水性を高めることが提案されていた(特許文献1)。
しかしながら、上記したような従来のガス拡散層にあっては、ガス拡散層の透気度とその内部に滞留する水の排出性との相関は低く、生成水が凝縮し易い条件においては依然としてガス拡散層内に水が滞留することがあり、これによりフラッディング現象が発生して電池性能が低下するという問題点があった。 However, in the conventional gas diffusion layer as described above, the correlation between the gas permeability of the gas diffusion layer and the discharge property of the water staying in the gas diffusion layer is low, and the gas is still in a condition where the generated water is likely to condense. There is a problem in that water may stay in the diffusion layer, which causes a flooding phenomenon and decreases battery performance.
本発明は、上記従来の課題に着目して成されたものであって、ガス拡散層内に水が滞留した場合であっても、フラッディング現象の発生を防止することができる固体高分子型燃料電池のガス拡散層を提供することを目的としている。 The present invention has been made paying attention to the above-mentioned conventional problems, and is a solid polymer fuel capable of preventing the occurrence of flooding even when water stays in the gas diffusion layer. It aims at providing the gas diffusion layer of a battery.
本発明者は、ガス拡散層におけるフラッディング現象を分析するため、中性子線可視化手法を用いてガス拡散層内に滞留する水分量を定量化し、その水分量と電池性能との関係を把握した。その結果、カーボンクロスで形成したガス拡散層は、カーボンペーパで形成したガス拡散層に比べて、水が滞留した場合でもガスの拡散が阻害されることがなく、電池性能が低下しないことを見出した。 In order to analyze the flooding phenomenon in the gas diffusion layer, the present inventor quantified the amount of water staying in the gas diffusion layer using a neutron beam visualization method, and grasped the relationship between the amount of water and battery performance. As a result, it has been found that the gas diffusion layer formed of carbon cloth does not hinder the diffusion of gas even when water stays and does not deteriorate the battery performance, compared to the gas diffusion layer formed of carbon paper. It was.
そこで、本発明は、固体高分子膜から成る電解質層の一方の面に、触媒層、ガス拡散層を有する燃料極とガス流路を有するセパレータを積層すると共に、電解質層の他方の面に、触媒層、ガス拡散層を有する空気極とガス流路を有するセパレータを積層して成る固体高分子型燃料電池における少なくとも一方のガス拡散層であって、水の滞留し易い部分をカーボンクロスで形成すると共に、水の滞留し難い部分をカーボンペーパで形成した構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。 Therefore, the present invention laminates a catalyst layer, a fuel electrode having a gas diffusion layer and a separator having a gas flow path on one surface of an electrolyte layer made of a solid polymer membrane, and on the other surface of the electrolyte layer, At least one gas diffusion layer in a polymer electrolyte fuel cell formed by stacking a catalyst layer, an air electrode having a gas diffusion layer, and a separator having a gas flow path, and forming a portion where water is likely to stay with carbon cloth In addition, the portion in which water does not easily stay is formed of carbon paper, and the above configuration is a means for solving the conventional problems.
ここで、水の滞留し易い部分としては、セパレータにおけるガス流路が、屈曲部分や大曲率の湾曲部分といった曲折部分のように流れ方向の変化が大きい部分、あるいはガス流の出口側の部分などが挙げられる。そこで、本発明のガス拡散層では、ガス流路におけるこれらの水の滞留し易い部分を含む領域に対して、水が滞留してもガスの拡散性を確保し得るカーボンクロスを用いたものとしている。 Here, as the portion where water is likely to stay, the gas flow path in the separator has a large change in the flow direction such as a bent portion such as a bent portion or a curved portion with a large curvature, or a portion on the outlet side of the gas flow. Is mentioned. Therefore, in the gas diffusion layer of the present invention, it is assumed that a carbon cloth that can secure gas diffusibility even when water stays is used for a region including these portions where water easily stays in the gas flow path. Yes.
また、水の滞留し難い部分としては、セパレータにおけるガス流路が、直線部分や小曲率の湾曲部分のように流れ方向の変化が無い部分又は流れ方向の変化が小さい部分、あるいはガス流路の入口側の部分などが挙げられる。そこで、本発明のガス拡散層では、ガス流路におけるこれらの水の滞留し易い部分を含む領域に対してカーボンペーパを用いたものとしている。 Further, as the portion where water does not stay easily, the gas flow path in the separator is a part where there is no change in the flow direction, such as a straight part or a curved part with a small curvature, or a part where the change in the flow direction is small, or For example, the entrance side. Therefore, in the gas diffusion layer of the present invention, carbon paper is used for the region including the portion where these waters are likely to stay in the gas flow path.
本発明のガス拡散層は、水の滞留し易い部分と滞留し難い部分とに対して、カーボンクロス及びカーボンペーパを使い分けることから、水の滞留が生じたとしても、その部分に使用したカーボンクロスによってガスの拡散性を維持することができ、フラッディング現象を防止して、ガスの拡散阻害による電池性能の低下を未然に防止することができる。 Since the gas diffusion layer of the present invention uses carbon cloth and carbon paper separately for the part where water stays easily and the part where water does not stay easily, even if water stays, the carbon cloth used for that part Thus, the gas diffusibility can be maintained, the flooding phenomenon can be prevented, and the deterioration of the battery performance due to the gas diffusion inhibition can be prevented.
したがって、上記のガス拡散層を用いた固体高分子型燃料電池は、フラッディング現象が生じることもなく、良好な電池性能を維持し得るものとなる。 Therefore, the polymer electrolyte fuel cell using the gas diffusion layer can maintain good cell performance without causing flooding.
以下、図面に基づいて、本発明に係わる固体高分子型燃料電池のガス拡散層の一実施例を説明する。 Hereinafter, an embodiment of a gas diffusion layer of a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は燃料電池のシステムの一例を示す図である。図示の燃料電池システムは、複数の固体高分子型燃料電池(発電要素:セル)を積層して成る燃料電池本体11と、燃料電池本体11を運転するための補機類で構成してある。燃料電池本体11には、温度を最適に保つため、その内部に不凍液であるロングライフクーラント(以下、『LLC』と略記する)を循環させている。このLLCには、例えばエチレングリコールと水の混合液等が用いられる。
FIG. 1 is a diagram showing an example of a fuel cell system. The illustrated fuel cell system includes a fuel cell
LLCの循環系は、ラジエータ12から燃料電池本体11に至る送り流路13に、LLCを蓄えたタンク14、循環駆動用のポンプ15、LLCの温度を測定する温度センサ16を備えると共に、燃料電池本体11からラジエータ12に至る戻り流路17に、バイパスバルブ18を備えており、バイパスバルブ18には、戻り流路17から送り流路13に至るバイパス流路19を連結した構成になっている。
The LLC circulation system includes a
また、燃料電池本体11には、個々の燃料電池に対して、水素を含んだ燃料ガスの供給路21A及び排出路21Bと、酸素を含んだ酸化ガス(空気)の供給路22A及び排出路22Bが設けてあり、後記する燃料電池の水分状態を最適に保つために、燃料ガス供給系には燃料極側水回収装置21Cが設けてあり、酸化ガス供給系には空気極側水回収装置22Cが設けてある。
Further, the fuel cell
これらの水回収装置21C,22Cは、ガス間で水移動を行うための膜、中空糸あるいはポーラス材を用いたプレート等から成る水回収部材や、加湿した燃料電池からの排出ガスを入口に循環させるポンプ又はイジェクタを含むものとすることができ、また、燃料ガスと酸化ガスの間で水移動を行うようにしても良い。
These
図2は燃料電池本体11に収容した燃料電池1を示す図である。図示の燃料電池1は、電解質層を形成する固体高分子膜と触媒電極層から成る膜・電極接合体2の一方の面に、空気極側ガス拡散層3と、ガス流路4を有する空気極側セパレータ(カソードバイポーラプレート)5を積層すると共に、膜・電極接合体2の他方の面に、燃料極側ガス拡散層6と、ガス流路7を有する燃料極側セパレータ(アノードバイポーラプレート)8を備えている。
FIG. 2 is a view showing the fuel cell 1 accommodated in the fuel cell
また、空気極側セパレータ5には、先述のLLCを循環させるためのLLC流路9が形成してある。なお、このLLC流路9は、燃料極側セパレータ8に設けても良いし、両セパレータ5.8に設けても良い。
The air
図3(a)は燃料極側のセパレータ8を、図3(b)は空気極側のセパレータ5を、図3(c)は燃料極側ガス拡散層6を、及び図3(d)は空気極側のガス拡散層3を説明する図である。なお、図3(a)〜(d)は、いずれも膜・電極接合体2側の面を示している。
3A shows the
燃料極側及び空気極側のセパレータ8,5、並びに両ガス拡散層6,3は、いずれも正方形のプレート状であって、当該燃料電池1全体を貫通する状態で、LLC供給用マニホルド25A,LLC排出用マニホルド25B、燃料ガス供給用マニホルド26A、燃料ガス排出用マニホルド26B、酸化ガス供給用マニホルド27A及び酸化ガス排出用マニホルド27Bが設けてある。
The fuel electrode side and air
そして、燃料極側セパレータ8には、燃料ガス供給用マニホルド26Aから燃料ガス排出用マニホルド26Bに至る先述のガス流路7が形成してあり、他方、空気極側のセパレータ5には、酸化ガス供給用マニホルド27Aから酸化ガス排出用マニホルド27Bに至る先述のガス流路4が形成してある。
The fuel
また、この実施例の各ガス流路4,7は、いずれも複数本(図示例では5本)を平行に配置すると共に、全体として概略S字状を成している。このため、ガス流路4,7は、大まかに見て中間に2箇所に曲折部分を有し、それ以外の部分が直線部分になっている。
Further, each of the
なお、図3はいずれも膜・電極接合体2側の面を示しているので、積層の際には、各セパレータ8,5上にガス拡散層6,3を重ね、燃料極側及び空気極側のいずれか一方を左右に表裏反転させて膜・電極接合体に重ねる。このとき、図3(a)(b)に示す燃料ガスの各マニホルド26A,26B、酸化ガスの各マニホルド27A,27B及び各ガス流路4,7の配置により、燃料ガスと酸化ガスの流れはカウンタフローとなる。
3 shows the surface on the membrane / electrode assembly 2 side, the
ここで、図4は、ガス拡散層にカーボンクロスとカーボンペーパを用いた場合の発電性能を比較した結果を示すグラフである。図4によれば、カーボンペーパを用いた場合は、電流密度が増加するとフラッディング現象が発生し、電圧(セル電圧)が低下する。これに対して、カーボンクロスを用いた場合は、カーボンペーパを用いた場合に比べると、電流密度が増加してもフラッディング現象が発生し難く、電圧の低下が明らかに小さいことが判る。 Here, FIG. 4 is a graph showing the result of comparing the power generation performance when carbon cloth and carbon paper are used for the gas diffusion layer. According to FIG. 4, when carbon paper is used, a flooding phenomenon occurs when the current density increases, and the voltage (cell voltage) decreases. On the other hand, when carbon cloth is used, it can be seen that the flooding phenomenon does not easily occur even when the current density is increased, and the voltage drop is clearly smaller than when carbon paper is used.
図5は、中性子線可視化手法を用いて測定した電池内の水分量を示すグラフである。図5によれば、カーボンクロスを用いた場合は、カーボンペーパを用いた場合に比べて、電池内の水分量が多く、ガス拡散層内に水が滞留し易くなる。しかし、図4で説明したように、カーボンクロスを用いた場合にはカーボンペーパを用いた場合に比べてフラッディング現象が発生し難い。つまり、カーボンクロスを用いた場合には、ガス拡散層内に水が滞留しても、ガスが拡散する通路が確保されていることが判る。 FIG. 5 is a graph showing the moisture content in the battery measured using a neutron beam visualization technique. According to FIG. 5, when carbon cloth is used, the amount of water in the battery is larger than when carbon paper is used, and water tends to stay in the gas diffusion layer. However, as described with reference to FIG. 4, the flooding phenomenon is less likely to occur when carbon cloth is used than when carbon paper is used. That is, it can be seen that when carbon cloth is used, a passage through which gas diffuses is secured even if water stays in the gas diffusion layer.
図6は、ガスの流れ方向位置に対する電池内の水分量を示す。図6によれば、水分量は流れに伴って増加し、とくにガス流路の曲折部分に多く滞留していることが判る。これはガス流路の曲がりによってガスの流れに乱れが生じ、ガス流路中の水が排出され難くなるためである。 FIG. 6 shows the amount of water in the battery with respect to the position in the gas flow direction. According to FIG. 6, it can be seen that the amount of water increases with the flow, and particularly, a large amount of water stays in the bent portion of the gas flow path. This is because the gas flow is disturbed due to the bending of the gas flow path, making it difficult to discharge water in the gas flow path.
図7は、電流密度に対する膜抵抗を示すグラフである。図7によれば、電流密度が大きくなると生成水の発生量が多くなるため、電解質層を形成する固体高分子膜が湿り、抵抗は小さくなる。このとき、ガス拡散層の影響を見ると、カーボンペーパを用いた場合はカーボンクロスを用いた場合に対して、膜抵抗が小さくなっており、保水性が良いことが判る。したがって、カーボンペーパを用いると、カーボンクロスを用いた場合に対して、ガスの入口湿度が低下した場合に、電解質層のドライアウトの発生を防止し得る。 FIG. 7 is a graph showing film resistance against current density. According to FIG. 7, as the current density increases, the amount of generated water increases, so the solid polymer film forming the electrolyte layer gets wet and the resistance decreases. At this time, when the influence of the gas diffusion layer is seen, it can be seen that when carbon paper is used, the membrane resistance is smaller than when carbon cloth is used, and water retention is good. Therefore, when carbon paper is used, dry out of the electrolyte layer can be prevented when the inlet humidity of the gas is lowered as compared with the case of using carbon cloth.
上述の図4〜図7に基く説明から明らかなように、固体高分子型の燃料電池1では、空気極側においては電気化学反応により水が生成され、また、燃料極側においては燃料ガスの消費に伴ってガス中の水分が凝縮されることとなり、これらの水がガス流路4,7の曲折部分に滞留し易くなっている。
As is apparent from the description based on FIGS. 4 to 7 described above, in the polymer electrolyte fuel cell 1, water is generated by an electrochemical reaction on the air electrode side, and fuel gas is generated on the fuel electrode side. The water in the gas is condensed with consumption, and these waters are likely to stay in the bent portions of the
そこで、この実施例では、図3(a)(b)中の仮想線、及び図3(c)(d)に燃料極側及び空気極側のガス拡散層6,3を示すように、ガス流路7,4の曲成部分すなわち水が滞留し易い部分に対する領域を、水が滞留してもガスの拡散性を確保し得るカーボンクロスCCで形成し、ガス流路7,4の直線部分すなわち水が滞留し難い部分に対する領域を、膜・電極接合体(含電解質層)2の保水性を確保し得るカーボンペーパCPで形成している。
Therefore, in this embodiment, as shown in phantom lines in FIGS. 3 (a) and 3 (b), and
これにより、ガス拡散層3,6では、膜・電極接合体2のドライアウトを防止しつつ、フラッディング現象の発生を未然に防止して、ガスの拡散阻害による電圧低下を防止することができ、これらのガス拡散層3,6を用いた燃料電池1においては、良好な電池性能を維持することができる。
Thereby, in the
図8は、本発明に係わる固体高分子型燃料電池のガス拡散層の他の実施例を説明する図である。なお、燃料電池の構成や発電システムは、基本的に先の実施例と同様である。また、先の実施例と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。 FIG. 8 is a view for explaining another embodiment of the gas diffusion layer of the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention. The configuration of the fuel cell and the power generation system are basically the same as in the previous embodiment. Moreover, the same components as those of the previous embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図8(a)(b)に示す燃料極側及び空気極側のセパレータ38.35、並びに図8(c)(d)に示す燃料極側及び空気極側のガス拡散層36,33は、いずれも長方形のプレート状を成している。また、各セパレータ38,35のガス流路7,4は、長辺に沿って複数本(図示例では7本)を平行に配置すると共に、全体が直線状を成している。
The fuel electrode side and air electrode side separators 38.35 shown in FIGS. 8 (a) and 8 (b) and the fuel electrode side and air electrode side gas diffusion layers 36 and 33 shown in FIGS. Both have a rectangular plate shape. Further, a plurality of
なお、図8は、各セパレータ38,35の膜・電極接合体2側の面を示している。したがって、積層の際には、各セパレータ38,35上にガス拡散層36,33を重ね、燃料極側及び空気極側のいずれか一方を上下に表裏反転させて膜・電極接合体に重ねる。このとき、燃料ガスと酸化ガスの流れは、先の実施例と同様にカウンタフローとなる。
FIG. 8 shows the surfaces of the
ここで、図9は、ガス流れ方向位置に対する電池内の水分量を示す。図9によれば、水分量は流れに伴って増加していくことが判る Here, FIG. 9 shows the moisture content in the battery with respect to the position in the gas flow direction. According to FIG. 9, it can be seen that the amount of water increases with flow.
そこで、この実施例のガス拡散層36,33は、ガス流路7,4の出口側の所定領域すなわち水が滞留し易い部分に対する領域を、水が滞留してもガスの拡散性を確保し得るカーボンクロスCCで形成し、それ以外の部分すなわち水が滞留し難い部分に対する領域を、電解質層の保水性を確保し得るカーボンペーパCPで形成している。
Therefore, the gas diffusion layers 36 and 33 of this embodiment ensure a gas diffusibility even if water stays in a predetermined region on the outlet side of the
これにより、ガス拡散層36,33では、電解質層のドライアウトを防止しつつ、フラッディング現象の発生を未然に防止して、ガスの拡散阻害による電圧低下を防止することができ、これらのガス拡散層36,33を用いた燃料電池1においては、良好な電池性能を維持することができる。
Thereby, in the gas diffusion layers 36 and 33, it is possible to prevent the occurrence of flooding phenomenon while preventing dry-out of the electrolyte layer, and to prevent voltage drop due to gas diffusion inhibition. In the fuel cell 1 using the
図10は、本発明に係わる固体高分子型燃料電池のガス拡散層のさらに他の実施例を説明する図である。なお、燃料電池の構成や発電システムは、基本的に先の実施例と同様であり、先の実施例と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。 FIG. 10 is a view for explaining still another embodiment of the gas diffusion layer of the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention. The configuration of the fuel cell and the power generation system are basically the same as those of the previous embodiment, and the same components as those of the previous embodiment are denoted by the same reference numerals and detailed description thereof is omitted.
この実施例では、燃料極側ガス拡散層36の全体をカーボンペーパCPで形成し、空気極側ガス拡散層33においては、ガス流路4の出口側の所定領域をカーボンクロスCCで形成し、それ以外の部分をカーボンペーパCPで形成している。
In this embodiment, the entire fuel electrode side
この実施例のようにガス流路7,4が直線状を成す場合、ガス流路7,4の後半部分に水が滞留し易いことは先に説明した通りである。また、フラッディング現象の発生は、電気化学反応による生成水が発生する空気極側で顕著である。
As described above, when the
一方、燃料極側は、燃料電池から排出されるオフガスの流量が少ないため、このオフガスと燃料極側水回収装置(図1参照)の入口ガスとの水交換がし難い。このため、燃料極では、入口ガスの湿度確保が難しく、電解質層のドライアウトが発生し易い。また、燃料ガスに含まれる水素は、酸素に比べてガスの拡散性が高い。よって、燃料極は空気極に比べるとフラッディング現象が発生し難いものとなっている。 On the other hand, since the flow rate of off gas discharged from the fuel cell is small on the fuel electrode side, it is difficult to exchange water between the off gas and the inlet gas of the fuel electrode side water recovery device (see FIG. 1). For this reason, in the fuel electrode, it is difficult to ensure the humidity of the inlet gas, and the electrolyte layer tends to dry out. Further, hydrogen contained in the fuel gas has a higher gas diffusibility than oxygen. Accordingly, the fuel electrode is less prone to flooding than the air electrode.
そこで、この実施例では、燃料極にはカーボンペーパCPで形成したガス拡散層36を用いている。そして、空気極のガス拡散層33においては、水が滞留し易い後半部分には水が滞留してもガスの拡散性を確保し得るカーボンクロスCCを用い、水が滞留し難い前半部分には電解質層の保水性を確保するためにカーボンペーパCPを用いている。
Therefore, in this embodiment, the
これにより、先の実施例と同様に、電解質層のドライアウトを防止しつつ、フラッディング現象の発生を未然に防止して、ガスの拡散阻害による電圧低下を防止することができ、これらのガス拡散層36,33を用いた燃料電池においては、良好な電池性能を維持することができる。
Thus, as in the previous embodiment, while preventing the electrolyte layer from drying out, it is possible to prevent the occurrence of flooding phenomenon and to prevent voltage drop due to gas diffusion inhibition. In the fuel cell using the
なお、本発明に係わる固体高分子型燃料電池及びガス拡散層は、構成の細部が上記各壱実施例に限定されるものではなく、ガス流路、ガス拡散層におけるカーボンクロスによる形成部分、及びカーボンペーパによる形成部分等について、その形状や大きさを適宜変更することができ、また、上記各実施例を組合わせた構成にしたり、水の滞留し易い部分及びし難い部分に対応して、カーボンクロスによる形成部分やカーボンペーパによる形成するを細分化したりすることも可能である。 The polymer electrolyte fuel cell and the gas diffusion layer according to the present invention are not limited to the details of the embodiments described above, and the gas flow path, the portion formed by the carbon cloth in the gas diffusion layer, and About the formation part etc. by carbon paper, its shape and size can be changed as appropriate, and it is configured to combine the above embodiments, or it corresponds to the part where water tends to stay and the part that is difficult to retain, It is also possible to subdivide the formation part by carbon cloth and the formation by carbon paper.
1 燃料電池
2 膜・電極接合体(電解質層・触媒層)
3 33 空気極側ガス拡散層
4 ガス流路
5 35 空気極側セパレータ
6 36 燃料極側ガス拡散層
7 ガス流路
8 38 燃料極側セパレータ
CC カーボンクロス
CP カーボンペーパ
1 Fuel cell 2 Membrane / electrode assembly (electrolyte layer / catalyst layer)
3 33 Air electrode side
Claims (5)
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-
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- 2005-09-20 JP JP2005272404A patent/JP2007087648A/en active Pending
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WO2009078302A1 (en) * | 2007-12-17 | 2009-06-25 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Fuel cell |
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