JP2007087942A

JP2007087942A - Fuel cell

Info

Publication number: JP2007087942A
Application number: JP2006231188A
Authority: JP
Inventors: Kentaro Nagai; 健太郎長井
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2005-08-26
Filing date: 2006-08-28
Publication date: 2007-04-05

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell capable of miniaturizing without damaging the performance of a small fuel cell. <P>SOLUTION: In a fuel battery cell comprising a fuel cell substrate 14 having an anode 15 and a cathode 16 on both sides of an electrolyte membrane 5, a diffusion layer 3 installed on a cathode side, diffusing air and supplying it to an electrode, and an air taking in layer for supplying air in the atmosphere to the diffusion layer, the effective total area A (cm<SP>2</SP>) of the electrolyte membrane, an average current density I (A/cm<SP>2</SP>) of the fuel cell during operation, and the total area S (cm<SP>2</SP>) of the air taking in port satisfy the relation of AI×0.5<S<AI×2.0. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池にガス拡散層を通して燃料及び酸化剤を供給する燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell that supplies fuel and an oxidant to a fuel cell through a gas diffusion layer.

固体高分子型燃料電池の断面形状の典型を図７に示す。固体高分子型燃料電池は固体高分子電解質膜（電解質膜とも略記する）５を中央部に有する。その片側の面に燃料が供給されアノードとなるアノード極（燃料極）１５と、もう片側の面に酸化剤が供給されカソードとなるカソード極（酸化極）１６を有し、燃料電池の基体を構成している。 A typical cross-sectional shape of a polymer electrolyte fuel cell is shown in FIG. The solid polymer fuel cell has a solid polymer electrolyte membrane (abbreviated as electrolyte membrane) 5 in the center. An anode (fuel electrode) 15 that is supplied with fuel on one side and serves as an anode, and a cathode (oxidation electrode) 16 that is supplied with oxidant and serves as a cathode on the other side. It is composed.

一般にこの燃料電池の基体は、まとめてＭＥＡ（ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）と呼ばれる。さらにそれぞれの極の外側に燃料もしくは酸化剤を拡散しながらアノード極もしくはカソード極に供給し、かつ発電した電力を集電する為の拡散層３と６を設け、さらにその外側に燃料もしくは酸化剤を拡散層に供給する為の流路２２と２７を設けることにより燃料電池が構成されている。。 Generally, the base of this fuel cell is collectively referred to as MEA (Membrane Electrode Assembly). Furthermore, diffusion layers 3 and 6 for supplying fuel or oxidant to the anode or cathode while diffusing fuel or oxidant outside each electrode and collecting the generated electric power are provided, and fuel or oxidant is further provided outside the layers. A fuel cell is formed by providing flow paths 22 and 27 for supplying the gas to the diffusion layer. .

前記拡散層３もしくは６の材料としては、一般的に導電性のある多孔質体として、例えばカーボンクロス、カーボンペーパーなどが用いられる。また流路２２もしくは２７の部分にも流路を確保する部材としてメタルフォーム等の空孔率の高い多孔質体を用いる場合がある。 As the material of the diffusion layer 3 or 6, for example, carbon cloth, carbon paper or the like is generally used as a conductive porous body. Also, a porous body having a high porosity such as metal foam may be used as a member for securing the flow channel in the flow channel 22 or 27 portion.

燃料もしくは酸化剤は、流路の中を圧力勾配や濃度勾配を利用して供給され、拡散層を通して拡散し、それぞれアノードもしくはカソードに到達する。
アノードでは到達した燃料がアノード極に配置された触媒による酸化作用により酸化されプロトンとなって、固体高分子電解質膜中をカソードに向けて移動する。この燃料としては一般に水素などの気体や、メタノール・エタノールなどの液体が使われる。 The fuel or oxidant is supplied through the flow path using a pressure gradient or a concentration gradient, diffuses through the diffusion layer, and reaches the anode or cathode, respectively.
At the anode, the reached fuel is oxidized by the oxidation action of the catalyst arranged at the anode electrode to become protons, and moves in the solid polymer electrolyte membrane toward the cathode. As the fuel, a gas such as hydrogen or a liquid such as methanol / ethanol is generally used.

カソードでは酸化剤流路より拡散層を通じて到達した酸化剤、例えば酸素と、電解質膜を移動してきたプロトンが酸化剤と反応して水が生成される。そしてこの一連の化学反応によりエネルギーの一部が電気エネルギーとして取り出される。 At the cathode, the oxidant, for example, oxygen that has reached through the diffusion layer from the oxidant flow path, and the proton that has moved through the electrolyte membrane react with the oxidant to generate water. A part of the energy is extracted as electric energy by this series of chemical reactions.

前述の通り、カソードでは発電反応によって水が生成される。この水は、通常水蒸気もしくは液体の水となってカソードから酸化剤の拡散層を介して流路に移動し、排出される。また、ＭＥＡを透過してアノード側から排出される場合もある。 As described above, water is generated by the power generation reaction at the cathode. This water usually becomes steam or liquid water, moves from the cathode to the flow path through the oxidant diffusion layer, and is discharged. In some cases, the MEA may pass through and be discharged from the anode side.

燃料もしくは酸化剤の供給を、圧力勾配を用いて行う場合には、生成された水は燃料もしくは酸化剤とともに移動し、排出口より排出される。酸化剤として空気を用い、拡散によって供給を行う場合には、生成した水は水蒸気の拡散によって排出される。 When the fuel or oxidant is supplied using a pressure gradient, the generated water moves together with the fuel or oxidant and is discharged from the discharge port. When air is used as the oxidant and supply is performed by diffusion, the generated water is discharged by diffusion of water vapor.

一般に燃料電池は単体では十分な電力を得られないため、上記のような構造（燃料電池セル）を複数直列に積層した積層構造を有する（図８）。 In general, since a single fuel cell cannot obtain sufficient power, it has a stacked structure in which a plurality of the above-described structures (fuel cell) are stacked in series (FIG. 8).

さらに、近年ではノートパソコンや、ＰＤＡといった携帯用電子機器のバッテリーとしてもその用途が期待され、開発が進められている。この場合、燃料電池そのものは極端に小型化しなくてはならず、そのため、気体の圧力勾配を利用した燃料もしくは酸化剤の供給装置などの制御機構が利用でき無い場合もある。このような場合には燃料もしくは酸化剤を拡散や自然対流によって供給する場合がある。例えば特許文献１では酸化剤である酸素は自然拡散によって供給するパッシブ型燃料電池の技術を開示している。この場合、水素は加圧したタンクから供給できるが、酸素は空気を利用するために自然拡散となる。 Furthermore, in recent years, the battery is expected to be used as a battery for portable electronic devices such as notebook computers and PDAs, and development is being promoted. In this case, the fuel cell itself must be extremely miniaturized. For this reason, a control mechanism such as a fuel or oxidizer supply device using a gas pressure gradient may not be used. In such a case, fuel or oxidant may be supplied by diffusion or natural convection. For example, Patent Document 1 discloses a technology of a passive fuel cell in which oxygen as an oxidant is supplied by natural diffusion. In this case, hydrogen can be supplied from a pressurized tank, but oxygen is naturally diffused due to the use of air.

特許文献１の図４はそのセル構造を示した図であり、酸化剤である空気中の酸素は拡散セルユニットを通して拡散しＭＥＡに到達する。また、燃料である水素は拡散層を介して供給されＭＥＡに到達する。 FIG. 4 of Patent Document 1 shows the cell structure. Oxygen in the air, which is an oxidant, diffuses through the diffusion cell unit and reaches the MEA. Further, hydrogen as a fuel is supplied through the diffusion layer and reaches the MEA.

このようなパッシブ型燃料電池においては、酸素は酸化剤入り口から濃度勾配に伴う拡散を利用して供給され、同時に同じ場所から濃度勾配によって水蒸気が排出される必要がある。一般的には酸化剤として空気中の酸素を利用するため、この部分を大気に開放させる。このようなパッシブ型燃料電池の場合、流路入り口と出口が明確に定義できるその他の燃料電池とは異なる。 In such a passive fuel cell, oxygen is supplied from the oxidant inlet using diffusion associated with the concentration gradient, and at the same time, water vapor needs to be discharged from the same location by the concentration gradient. In general, since oxygen in the air is used as an oxidizing agent, this portion is opened to the atmosphere. Such a passive fuel cell is different from other fuel cells in which the flow path inlet and outlet can be clearly defined.

燃料電池の空気取り入れ口の大きさは、大きいほど拡散律速による特性低下が生じにくくなる。しかし、小型化が重要となる場合、特に携帯電子機器用燃料電池の場合、空気取り入れ口の大きさを大きくすることは小型化を阻害する要因となっていた。
米国特許第６，４２３，４３７号明細書 The larger the size of the air intake port of the fuel cell, the more difficult the characteristic deterioration due to diffusion rate control occurs. However, when downsizing is important, particularly in the case of a fuel cell for portable electronic devices, increasing the size of the air intake has been a factor that hinders downsizing.
US Pat. No. 6,423,437

上記した通り、パッシブ型燃料電池はカソード側を大気開放し、自然拡散によって酸化剤である酸素を供給する。したがって、酸素が拡散して到達しない領域がカソードに生じた場合、その部分の発電効率は落ちるかゼロになる。 As described above, the passive fuel cell opens the cathode side to the atmosphere and supplies oxygen as an oxidant by natural diffusion. Therefore, when a region where oxygen does not diffuse and reach the cathode is generated, the power generation efficiency of the portion is reduced or becomes zero.

また、図７に記載されたセルと異なり燃料や酸化剤の出口にあたる部分が無く、燃料である水素も酸化剤である酸素もそれぞれ入り口から入り、夫々アノード極、カソード極で反応し、消費される図９のようなセルにおいては、特にカソード側の酸素は基本的に拡散によってのみ供給される。そのため、入り口から相対的に遠い位置にあるｂの領域のカソードの反応は、ａの領域に比べて反応速度が低下する。 Further, unlike the cell shown in FIG. 7, there is no portion corresponding to the outlet of the fuel or oxidant, and hydrogen as the fuel and oxygen as the oxidant enter from the inlet, respectively, and react and consume at the anode and cathode, respectively. In the cell as shown in FIG. 9, oxygen on the cathode side is basically supplied only by diffusion. Therefore, the reaction rate of the cathode in the region b, which is relatively far from the entrance, is lower than that in the region a.

燃料電池セルの空気取り入れ口の大きさは、大きいほど拡散律速の影響は小さくなる。しかしながら、これはセル全体の占有体積と二律背反の関係にあり、空気取り入れ口を大きくすればセル全体の占有体積が増加し、小型化を阻害する要因となっていた。 The larger the size of the air intake port of the fuel cell, the smaller the influence of diffusion rate control. However, this is in a trade-off relationship with the occupancy volume of the entire cell, and if the air intake port is increased, the occupancy volume of the entire cell increases, which is a factor that hinders downsizing.

本発明は、この様な背景技術に鑑みてなされたものであり、小型燃料電池の性能を損なわず、小型化が可能な燃料電池を提供することを目的とするものである。 The present invention has been made in view of such a background art, and an object of the present invention is to provide a fuel cell that can be miniaturized without impairing the performance of the small fuel cell.

すなわち、本発明は、電解質膜の両面にアノード極とカソード極が設けられた燃料電池基体と、該燃料電池基体のカソード極側に設けられ、空気をカソード極に供給するための拡散層と、該拡散層に空気を供給するための空気取り入れ口を有する燃料電池において、
前記電解質膜のカソード側有効総面積をＡ（ｃｍ²）、前記燃料電池の動作時の平均電流密度をＩ（Ａ／ｃｍ²）および前記空気取り入れ口の総面積をＳ（ｃｍ²）としたとき、
ＡＩ×０．５＜Ｓ＜ＡＩ×２．０
の関係を満足することを特徴とする燃料電池である。 That is, the present invention provides a fuel cell base provided with an anode and a cathode on both sides of an electrolyte membrane, a diffusion layer provided on the cathode side of the fuel cell base for supplying air to the cathode, In a fuel cell having an air intake for supplying air to the diffusion layer,
The total effective area on the cathode side of the electrolyte membrane is A (cm ² ), the average current density during operation of the fuel cell is I (A / cm ² ), and the total area of the air intake is S (cm ² ). When
AI × 0.5 <S <AI × 2.0
The fuel cell is characterized by satisfying the following relationship.

ここで、固体高分子電解質膜のカソード側有効総面積Ａとは、空気が前記拡散層を介して供給され得る、すなわち発電に寄与し得るＭＥＡの面積のことを言うものとする。また、空気取り入れ口の総面積Ｓとは、セル表面における大気に対する開口部の内、１つのＭＥＡに対して空気を供給し得る開口部の総面積のことを言うものとする。 Here, the cathode-side effective total area A of the solid polymer electrolyte membrane refers to the area of the MEA in which air can be supplied through the diffusion layer, that is, can contribute to power generation. Further, the total area S of the air intake port refers to the total area of the openings that can supply air to one MEA among the openings to the atmosphere on the cell surface.

また、本発明は、電解質膜の両面にアノード極とカソード極が設けられた燃料電池基体と、該燃料電池基体のカソード極側に設けられ、空気をカソード極に供給するための拡散層と、該拡散層に空気を供給するための空気取り入れ口を有する燃料電池において、
前記電解質膜のカソード側有効総面積をＡ（ｃｍ²）および空気取り入れ口の総面積をＳ（ｃｍ²）としたとき、
Ａ×０．２＜Ｓ＜Ａ×０．８
の関係を満足することを特徴とする燃料電池である。 Further, the present invention provides a fuel cell base provided with an anode and a cathode on both surfaces of the electrolyte membrane, a diffusion layer provided on the cathode side of the fuel cell base for supplying air to the cathode, In a fuel cell having an air intake for supplying air to the diffusion layer,
When the effective total area on the cathode side of the electrolyte membrane is A (cm ² ) and the total area of the air intake is S (cm ² ),
A × 0.2 <S <A × 0.8
The fuel cell is characterized by satisfying the following relationship.

また、本発明は、電解質膜の両面にアノード極とカソード極が設けられた燃料電池基体と、該燃料電池基体のカソード側に設けられた空気を拡散して電極に供給するための拡散層と、該拡散層に大気中の空気を供給する空気取り入れ層を有する燃料電池において、前記燃料電池セルが複数個積層して設けられ、積層された燃料電池セルのカソード極には空気取り入れ層が設けられ、前記燃料電池基体の面積が１０ｃｍ²以下であり、かつ空気取り入れ層には空気が流通する対向する二つの空気取り入れ口が開口し、空気取り入れ層の間隙の幅が１ｍｍ以上４ｍｍ以下であることを特徴とする燃料電池である。 The present invention also provides a fuel cell substrate having an anode electrode and a cathode electrode on both surfaces of the electrolyte membrane, and a diffusion layer for diffusing the air provided on the cathode side of the fuel cell substrate and supplying it to the electrode. In the fuel cell having an air intake layer for supplying air in the atmosphere to the diffusion layer, a plurality of the fuel cells are stacked, and an air intake layer is provided at the cathode electrode of the stacked fuel cells. The fuel cell substrate has an area of 10 cm ² or less, and the air intake layer has two opposed air intake ports through which air flows, and the width of the gap between the air intake layers is 1 mm or more and 4 mm or less. This is a fuel cell.

本発明によれば、小型燃料電池の性能を損なわず、小型化が可能な燃料電池を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell which can be reduced in size can be provided, without impairing the performance of a small fuel cell.

図１は本発明の燃料電池を示す概略図である。
本発明の燃料電池は、電解質膜５の両面にアノード極１５とカソード極１６が設けられた燃料電池基体１４と、該燃料電池基体１４のカソード側１６に設けられた空気を拡散して電極に供給するための空気拡散層３と、該空気拡散層３に大気中の空気を供給する空気取り入れ層２を有する燃料電池セルにおいて、前記電解質膜の有効総面積Ａ（ｃｍ²）、燃料電池の動作時の平均電流密度Ｉ（Ａ／ｃｍ²）および空気取り入れ層の総面積Ｓ（ｃｍ²）が、ＡＩ×０．５＜Ｓ＜ＡＩ×２．０の関係を満足することを特徴とする。 FIG. 1 is a schematic view showing a fuel cell of the present invention.
The fuel cell according to the present invention diffuses air provided on the cathode side 16 of the fuel cell base 14 having the anode 15 and the cathode 16 provided on both surfaces of the electrolyte membrane 5 to the electrodes. In a fuel cell having an air diffusion layer 3 for supply and an air intake layer 2 for supplying air in the atmosphere to the air diffusion layer 3, the effective total area A (cm ² ) of the electrolyte membrane, The average current density I (A / cm ² ) during operation and the total area S (cm ² ) of the air intake layer satisfy the relationship of AI × 0.5 <S <AI × 2.0. .

また、該燃料電池基体１４のアノード側１５には、燃料の拡散を利用して電極に燃料を供給するための燃料拡散層６が設けられ、該燃料拡散層６に燃料を供給する燃料取り入れ層７が設けられている。 A fuel diffusion layer 6 is provided on the anode side 15 of the fuel cell base 14 to supply fuel to the electrode by utilizing fuel diffusion. A fuel intake layer that supplies fuel to the fuel diffusion layer 6 is provided. 7 is provided.

本発明の燃料電池は、図８に示す様に、燃料電池セルが複数個積層して設けられ、積層された燃料電池セルのカソード極側面に空気取り入れ層が設けられているのが好ましい。 As shown in FIG. 8, the fuel cell of the present invention is preferably provided with a plurality of stacked fuel cells, and an air intake layer is provided on the side of the cathode of the stacked fuel cells.

前記燃料電池セルと平行またはほぼ平行に空気取り入れ層が設けられ、該空気取り入れ層は空気が流通する対向する二つの空気取り入れ口１０の面が開口しており、燃料電池セルの電解質膜の前記空気の流通する方向と平行な方向の長さをＬ（ｃｍ）、燃料電池の動作時の平均電流密度をＩ（Ａ／ｃｍ²）、空気取り入れ層の間隙の幅をｗ（ｃｍ）とすると、ＩＬ×０．２５＜ｗ＜ＩＬ×１．０であることがより好ましい。または、前記電解質膜のカソード側有効総面積が１０ｃｍ²以下であるのが好ましい。 An air intake layer is provided in parallel or substantially in parallel with the fuel cell, and the air intake layer has two opposing air intake ports 10 through which air flows, and the surface of the electrolyte membrane of the fuel cell. If the length in the direction parallel to the direction of air flow is L (cm), the average current density during operation of the fuel cell is I (A / cm ² ), and the width of the air intake layer gap is w (cm). More preferably, IL × 0.25 <w <IL × 1.0. Alternatively, the total effective area on the cathode side of the electrolyte membrane is preferably 10 cm ² or less.

また、本発明は、電解質膜の両面にアノード層とカソード層が形成され、アノード側に燃料を供給し、カソード側に酸化剤を供給し燃料と酸化剤をそれぞれ反応させることにより電力を発生する燃料電池であって、前記燃料電池のアノードとカソードの少なくともどちらか一方は燃料もしくは酸化剤を供給する経路の途中にそれら化学種を拡散させる為の拡散層を少なくとも一つ有しており、その酸化剤は酸素であり、大気中の酸素を燃料電池の取り入れ口から主に拡散によって取り入れることを特徴としたパッシブ型燃料電池において、前記電解質膜の有効総面積をＡ（ｃｍ²）とした場合、空気取り入れ口の総面積Ｓ（ｃｍ²）がＡ×０．２＜Ｓ＜Ａ×０．８であることを特徴とする。 In the present invention, the anode layer and the cathode layer are formed on both surfaces of the electrolyte membrane, the fuel is supplied to the anode side, the oxidant is supplied to the cathode side, and the fuel and the oxidant are reacted to generate electric power. In the fuel cell, at least one of the anode and the cathode of the fuel cell has at least one diffusion layer for diffusing these chemical species in the course of the fuel or oxidant supply path, In a passive type fuel cell characterized in that the oxidant is oxygen and oxygen in the atmosphere is mainly taken in from the intake port of the fuel cell by diffusion, when the effective total area of the electrolyte membrane is A (cm ² ) The total area S (cm ² ) of the air intake port is A × 0.2 <S <A × 0.8.

前記燃料電池セルと平行またはほぼ平行に空気取り入れ層が設けられ、該空気取り入れ層は空気が流通する対向する二つの空気取り入れ口面が開口しており、燃料電池セルの固体高分子電解質膜の前記空気の流通する方向と平行な方向の長さをＬ（ｃｍ）および空気取り入れ層の間隙の幅をｗ（ｃｍ）とすると、Ｌ×０．１＜ｗ＜Ｌ×０．４であることが好ましい。 An air intake layer is provided in parallel or substantially parallel to the fuel cell, and the air intake layer has two air intake ports facing each other through which air flows, and the solid polymer electrolyte membrane of the fuel cell L × 0.1 <w <L × 0.4 where L (cm) is the length in the direction parallel to the air flow direction and w (cm) is the gap width of the air intake layer. Is preferred.

また、本発明は、固体高分子電解質膜の両面にアノード層とカソード層が形成され、アノード側に燃料を供給し、カソード側に酸化剤を供給し燃料と酸化剤をそれぞれ反応させることにより電力を発生する燃料電池セルがスタックされた燃料電池スタックにおいて、前記電解質膜のカソード側有効総面積は１０ｃｍ²以下であり、アノードとカソードの少なくともどちらか一方は燃料もしくは酸化剤を供給する経路の途中にそれら化学種を拡散させる為の拡散層を少なくとも一つ有しており、その酸化剤は酸素であり、大気中の酸素を燃料電池の空気の取り入れ口から主に拡散によって取り入れることを特徴としたパッシブ型燃料電池において、積層方向に対して垂直な方向に開口した空気取り入れ口を有す空気取り入れ層の間隙の幅が１ｍｍ以上４ｍｍ以下であることを特徴とした携帯型燃料電池である。 In addition, the present invention provides an anode layer and a cathode layer formed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, supplies fuel to the anode side, supplies an oxidant to the cathode side, and reacts the fuel and oxidant respectively. In the fuel cell stack in which the fuel cells that generate NO are stacked, the effective total area on the cathode side of the electrolyte membrane is 10 cm ² or less, and at least one of the anode and the cathode is in the middle of the path for supplying fuel or oxidant And has at least one diffusion layer for diffusing these chemical species, and the oxidizer is oxygen, and oxygen in the atmosphere is mainly taken in from the air intake of the fuel cell by diffusion. In the passive type fuel cell, the width of the gap of the air intake layer having the air intake opening opened in the direction perpendicular to the stacking direction is 1 m. A portable fuel cell, wherein the at 4mm or less.

以下では図面に基づき、本発明の実施例について説明する。
実施例１
図１に示す燃料電池を基本とし、パッシブ型の小型燃料電池の例として図８で示した燃料電池と同様な直方体形状の燃料電池セル（以降、セルと略記する）の断面を考える。アノード側は図１中縦方向に水素が供給され、カソード側で図１中横方向に酸化剤である酸素を含む空気が供給される。水素は純粋な水素が常に安定して供給されると仮定するので濃度による影響を受けない。一方でカソード側は酸素が拡散によって供給されるため、反応速度が濃度の影響を受ける。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
Example 1
A cross section of a rectangular parallelepiped fuel cell (hereinafter abbreviated as a cell) similar to the fuel cell shown in FIG. 8 is considered as an example of a passive small fuel cell based on the fuel cell shown in FIG. On the anode side, hydrogen is supplied in the vertical direction in FIG. 1, and on the cathode side, air containing oxygen as an oxidant is supplied in the horizontal direction in FIG. Hydrogen is not affected by concentration because it is assumed that pure hydrogen is always supplied stably. On the other hand, since oxygen is supplied by diffusion on the cathode side, the reaction rate is affected by the concentration.

標準的な燃料電池の反応特性を適用して、セル全体の効率がどのようになるかを有限要素法による流体シミュレータによりシミュレーションした。シミュレーションにおける燃料電池基体としてナフィオン１１２（デュポン社の登録商標）に白金黒を接着したＭＥＡにおける触媒反応を再現する条件を課した。また、拡散層としては０．５０ｍｍ厚のカーボンクロスを使用していることを想定した。燃料気体としては純水素、酸化剤としては酸素を想定しており、カソードの触媒反応によって水蒸気が発生し、拡散によって空気取り入れ口より排出されると仮定している。 By applying the reaction characteristics of a standard fuel cell, the overall cell efficiency was simulated by a fluid simulator using the finite element method. Conditions for reproducing the catalytic reaction in MEA in which platinum black was adhered to Nafion 112 (registered trademark of DuPont) as a fuel cell substrate in the simulation were imposed. In addition, it was assumed that a carbon cloth having a thickness of 0.50 mm was used as the diffusion layer. Assuming that pure hydrogen is used as the fuel gas and oxygen is used as the oxidant, water vapor is generated by the catalytic reaction of the cathode and discharged from the air intake through diffusion.

図２に前記空気の流通する方向と平行な方向の電解質膜の長さＬを２０ｍｍとし、空気取り入れ層の間隙（以降、間隙と略記する）の幅ｗを変えたときの２次元シミュレーションの結果によるＩ−Ｖ特性のグラフを示す。酸素消費量が比較的少ない低電流領域では、どの間隙の幅でもほぼ同じ電圧が得られているが、０．４Ａ／ｃｍ²以上の高電流密度領域では間隙の幅が小さいほど電圧が低くなっている。これは、狭い間隙では酸素の消費に対して拡散による供給が追いつかない拡散律速が生じていることを示している。 FIG. 2 shows the result of a two-dimensional simulation when the length L of the electrolyte membrane in the direction parallel to the air flow direction is 20 mm and the width w of the air intake layer gap (hereinafter abbreviated as “gap”) is changed. The graph of the IV characteristic by is shown. In the low current region where the oxygen consumption is relatively small, almost the same voltage is obtained in any gap width, but in the high current density region of 0.4 A / cm ² or more, the smaller the gap width, the lower the voltage. ing. This indicates that in a narrow gap, a diffusion rate control occurs in which supply by diffusion cannot catch up with oxygen consumption.

しかし、間隙が広ければその大きさに比例して特性が上昇するわけではない。間隙が一定以上の大きさを超えると、その効果は非常に小さくなっていく。
図３は間隙の幅を変えたときの特性（発電電圧）の変化を一定の発電電流下（発電電流密度がＩ＝０．４Ａ／ｃｍ²）においてシミュレーションした結果を表わすグラフである。すべての電解質膜の長さにおいて電圧は間隙の幅に逆比例しており、一定以上の間隙では電圧の上昇が飽和していく様子がわかる。 However, if the gap is wide, the characteristics do not increase in proportion to the size. When the gap exceeds a certain size, the effect becomes very small.
FIG. 3 is a graph showing the result of simulating changes in characteristics (power generation voltage) when the width of the gap is changed under a constant power generation current (power generation current density is I = 0.4 A / cm ² ). It can be seen that the voltage is inversely proportional to the width of the gap for all electrolyte membrane lengths, and the increase in voltage saturates at gaps above a certain level.

次に、単位体積あたりの発電量の比較検討を行なった。燃料電池のアノード部の厚みを２ｍｍと仮定してセルの体積を求め、セルの発電量をセルの体積で割った値をプロットしたグラフを図４に示す。ほぼ１ｍｍから２ｍｍの間隙の幅で単位体積あたりの発電量が最も多く、それ以上の幅では減少傾向にあることが判る。つまり、セルの特性を１００％利用できなくとも体積当たりの発電量が最も大きくなるように、間隙の幅を設計する指針が得られた。 Next, a comparative study of power generation per unit volume was performed. FIG. 4 is a graph in which the volume of the cell is obtained assuming that the thickness of the anode part of the fuel cell is 2 mm, and the value obtained by dividing the power generation amount of the cell by the volume of the cell is plotted. It can be seen that the amount of power generation per unit volume is the largest in the gap width of about 1 mm to 2 mm, and the width is larger than that in the gap. That is, a guideline for designing the width of the gap was obtained so that the power generation amount per volume could be maximized even if the cell characteristics could not be used 100%.

上記の飽和の様子は、発電電流を変化させることによって変化する。図５はセルの長さＬを２．０ｃｍに設定した際の発電電圧間隙依存性をプロットしたものである。プロットが電流密度の増加にしたがって右下方向へ全体的に移動している。これは電流密度の増加のため、必要な酸素量が増加した結果である。先ほどと同様に単位体積当たりの発電量をプロットしたグラフを図６に示す。 The state of saturation described above is changed by changing the generated current. FIG. 5 is a plot of the power generation voltage gap dependency when the cell length L is set to 2.0 cm. The plot moves globally in the lower right direction as the current density increases. This is a result of an increase in the amount of oxygen required due to an increase in current density. FIG. 6 shows a graph in which the amount of power generation per unit volume is plotted as before.

以上のデータより、次のことが言える。
本実施例の場合、図４にて、セルの長さＬに対して間隙の幅ｗが、
ｗ＝Ｌ×０．１（１）
の関係を満たすときに単位体積当たりの発電量が最も大きい。 From the above data, the following can be said.
In this embodiment, in FIG. 4, the width w of the gap with respect to the length L of the cell is
w = L × 0.1 (1)
The power generation amount per unit volume is the largest when the relationship is satisfied.

このシミュレーションにおいては、空気取り入れ口が２ヶ所に設置されているため、実効的空気取り入れ口の幅Ｗは、
Ｗ＝２ｗ＝Ｌ×０．２（２）
となる。この式の両辺にセルの幅を掛けると、以下の様に、前記電解質膜のカソード側有効総面積Ａと空気取り入れ口の総面積Ｓの関係に置き換えられる。 In this simulation, there are two air intakes, so the effective air intake width W is
W = 2w = L × 0.2 (2)
It becomes. Multiplying both sides of this equation by the width of the cell replaces the relationship between the total effective area A on the cathode side of the electrolyte membrane and the total area S of the air intake as follows.

Ｓ＝Ａ×０．２（３）
すなわち、固体高分子型燃料電池において、該燃料電池の空気取り入れ口の総面積は電解質膜のカソード側有効総面積の０．２倍以上であれば、十分な性能を得られることが明らかとなった。 S = A × 0.2 (3)
That is, in the polymer electrolyte fuel cell, it is clear that sufficient performance can be obtained if the total area of the air intake port of the fuel cell is 0.2 times or more the effective total area on the cathode side of the electrolyte membrane. It was.

また、図４から、単位体積当たりの発電量が最大値の２分の１となる点は、単位体積当たりの発電量が最大となるときの間隙の幅の４倍の点であることが読み取れる。それに対して、単位体積当たりの発電量が最大となる間隙の幅よりも間隙の値が小さくなる場合には、単位体積当たりの発電量が急激に落ちる。 Further, it can be seen from FIG. 4 that the point where the power generation amount per unit volume is ½ of the maximum value is a point which is four times the gap width when the power generation amount per unit volume is maximum. . On the other hand, when the gap value is smaller than the gap width at which the power generation amount per unit volume is maximum, the power generation amount per unit volume drops rapidly.

これらのことから、実用上好ましく用いられる間隙の幅ｗ（ｃｍ）とセルの長さＬ（ｃｍ）の関係は、
Ｌ×０．１＜ｗ＜Ｌ×０．４（４）
であることが分かる。 From these facts, the relationship between the gap width w (cm) and the cell length L (cm) preferably used in practice is
L × 0.1 <w <L × 0.4 (4)
It turns out that it is.

これと同様にして、好ましく用いられる前記電解質膜のカソード側有効総面積Ａ（ｃｍ²）と空気取り入れ口の総面積Ｓ（ｃｍ²）の関係は、
Ａ×０．２＜Ｓ＜Ａ×０．８（５）
であることが分かる。 Similarly, the relationship between the cathode-side effective total area A (cm ² ) of the electrolyte membrane preferably used and the total area S (cm ² ) of the air intake is as follows:
A × 0.2 <S <A × 0.8 (5)
It turns out that it is.

図５および図６より、電流密度Ｉ（Ａ／ｃｍ²）に対する必要な間隙の幅を考察する。
図６において、電流密度Ｉを、０．４Ａ／ｃｍ²から上げていった場合、単位体積当たりの発電量が最大となるときの間隙の幅も比例して大きくなっていることがわかる。 The required gap width with respect to the current density I (A / cm ² ) will be considered from FIGS.
In FIG. 6, it can be seen that when the current density I is increased from 0.4 A / cm ² , the width of the gap when the power generation amount per unit volume is maximized is also proportionally increased.

すなわち、必要な間隙の幅はセルの長さＬに比例し、かつ電流密度Ｉに比例するといえる。以上のことをまとめると、あるセルの設計において、電解質膜のカソード側有効総面積をＡ、電流密度をＩとした場合、必要な空気取り入れ口の総面積Ｓは総電流量であるＡＩに比例する。すなわち
Ｓ＝αＡＩ（６）
となる。ここで、αは比例定数を示す。（３）にＩ＝０．４Ａ／ｃｍ²の場合を当てはめるとＩ＝０．４の時、Ｓ＝０．２×Ａを満たすための比例定数αの値は０．５が適当であることがわかる。 That is, it can be said that the necessary gap width is proportional to the cell length L and proportional to the current density I. In summary, in the design of a certain cell, if the effective total area on the cathode side of the electrolyte membrane is A and the current density is I, the required total area S of the air intake is proportional to the total current AI. To do. That is, S = αAI (6)
It becomes. Here, α represents a proportionality constant. If the case of I = 0.4 A / cm ² is applied to (3), when I = 0.4, 0.5 is appropriate as the value of the proportionality constant α to satisfy S = 0.2 × A. I understand.

実用上好ましく用いられる電解質膜のカソード側有効表面積Ａ（ｃｍ²）と空気取り入れ口の総面積Ｓ（ｃｍ²）の関係を求める。図４より（５）を求めたときと同じ議論を用いると、単位体積当たりの発電量が最大値の２分の１となる点は、単位体積当たりの発電量が最大となるときの間隙の幅の４倍の点であることが読み取れる。それに対して、単位体積当たりの発電量が最大となる間隙の幅よりも間隙の値が小さくなる場合には、単位体積当たりの発電量が急激に落ちる。そのため
ＡＩ×０．５＜Ｓ＜ＡＩ×２．０（７）
であることがいえる。又同様に実用上好ましく用いられる間隙の幅ｗ（ｃｍ）とセルの長さＬ（ｃｍ）の関係は、
ＩＬ×０．２５＜ｗ＜ＩＬ×１．０（８）
であることが分かる。 The relationship between the cathode-side effective surface area A (cm ² ) of the electrolyte membrane preferably used in practice and the total area S (cm ² ) of the air intake port is obtained. Using the same argument as when (5) was obtained from FIG. 4, the point that the power generation amount per unit volume is a half of the maximum value is that the gap when the power generation amount per unit volume is the maximum. It can be seen that the point is four times the width. On the other hand, when the gap value is smaller than the gap width at which the power generation amount per unit volume is maximum, the power generation amount per unit volume drops rapidly. Therefore, AI × 0.5 <S <AI × 2.0 (7)
It can be said that. Similarly, the relationship between the gap width w (cm) and the cell length L (cm) preferably used in practice is
IL × 0.25 <w <IL × 1.0 (8)
It turns out that it is.

間隙の幅はある発電量に対する吸気口面積を確保するために必要となる幅を示し、この法則は本実施例にあるような直方体型のセルのみならず、例えば円形のセルの設計にも応用可能である。 The width of the gap indicates the width required to secure the inlet area for a certain amount of power generation. This law is applied not only to the rectangular parallelepiped type cell as in this embodiment but also to the design of a circular cell, for example. Is possible.

以上より、パッシブ型燃料電池の設計を行なう場合、カソード側の空気取り入れ口の設計としては、まず所望の電流量を規定し、そこから本発明の関係を満足するように算出すればよい。Ｉ−Ｖ特性自体は燃料電池基体である触媒層つき電解質膜ＭＥＡの性能に依存するが、ある燃料電池の仕様として所望の電流量がある場合、電流量が必要な酸素量を決めるため、構造はＭＥＡの特性に直接依存せず、その電流量のみに依存する。このことを念頭におけば、必要な電流量に対して空気の開口部の必要面積が決定でき、間隙の幅の設計に反映が可能となる。 From the above, when designing a passive type fuel cell, the cathode side air intake may be designed by first defining a desired amount of current and satisfying the relationship of the present invention therefrom. The IV characteristic itself depends on the performance of the electrolyte membrane MEA with a catalyst layer that is a fuel cell base, but when there is a desired current amount as a specification of a certain fuel cell, the current amount determines the amount of oxygen that is required. Does not depend directly on the characteristics of the MEA, but only on the amount of current. With this in mind, the required area of the air opening can be determined for the required amount of current and can be reflected in the design of the gap width.

本発明の燃料電池は、小型燃料電池の性能を損なわず、小型化が可能なために、パッシブ型の小型燃料電池に利用することができる。 Since the fuel cell of the present invention can be miniaturized without impairing the performance of the small fuel cell, it can be used for a passive small fuel cell.

実施例１における燃料電池の断面図である。1 is a cross-sectional view of a fuel cell in Example 1. FIG. シミュレーションによって得られたＩ−Ｖ特性の空気取り入れ層の間隙の幅依存性を示す図である。It is a figure which shows the width dependence of the gap | interval of the air intake layer of the IV characteristic obtained by simulation. 燃料電池セルの発電電圧の間隙依存性を示す図である。It is a figure which shows the gap dependence of the electric power generation voltage of a fuel cell. 燃料電池セルの発電効率の間隙依存性を示す図である。It is a figure which shows the gap dependence of the power generation efficiency of a fuel cell. 燃料電池セルの発電電圧の電流密度依存性を示す図である。It is a figure which shows the current density dependence of the power generation voltage of a fuel cell. 燃料電池セルの発電効率の電流密度依存性を示す図である。It is a figure which shows the current density dependence of the power generation efficiency of a fuel cell. 一般的な燃料電池を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a common fuel cell. 燃料電池セルを積層した燃料電池を示す概略図である。It is the schematic which shows the fuel cell which laminated | stacked the fuel cell. 流路出口がふさがれ拡散によって、反応物質が供給される場合の燃料電池の断面構成図である。It is a cross-sectional block diagram of a fuel cell when a flow path outlet is blocked and reactants are supplied by diffusion.

Explanation of symbols

１酸化極（カソード）側のセパレータ
２空気取り入れ層
３酸化極（カソード）側の空気拡散層
４流路終端
５電解質膜
６燃料拡散層
７燃料取り入れ層
８燃料極（アノード）側のセパレータ
９流路終端
１０空気取り入れ口
１１燃料（水素）入り口
１２空気出口
１３燃料（水素）出口
１４燃料電池基体（ＭＥＡ）
１５アノード極
１６カソード極
２２酸化極流路
２７燃料流路
Ｌ燃料電池基体（ＭＥＡ）の長さ
ｗ空気取り入れ層の間隙の幅 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Separator on the oxidation electrode (cathode) side 2 Air intake layer 3 Air diffusion layer on the oxidation electrode (cathode) side 4 End of flow path 5 Electrolyte membrane 6 Fuel diffusion layer 7 Fuel intake layer 8 Separator on the fuel electrode (anode) side 9 Flow End of road 10 Air intake 11 Fuel (hydrogen) inlet 12 Air outlet 13 Fuel (hydrogen) outlet 14 Fuel cell substrate (MEA)
15 Anode electrode 16 Cathode electrode 22 Oxidizing electrode channel 27 Fuel channel L Length of fuel cell substrate (MEA) w Width of air intake layer gap

Claims

A fuel cell base provided with an anode and a cathode on both sides of the electrolyte membrane; a diffusion layer provided on the cathode side of the fuel cell base for supplying air to the cathode; and air in the diffusion layer In a fuel cell having an air intake for supply,
The total effective area on the cathode side of the electrolyte membrane is A (cm ² ), the average current density during operation of the fuel cell is I (A / cm ² ), and the total area of the air intake is S (cm ² ). When
AI × 0.5 <S <AI × 2.0
A fuel cell satisfying the following relationship:

An air intake layer is provided in parallel with the electrolyte membrane, and the air intake layer has two opposing surfaces through which air flows open to the atmosphere, and the length of the electrolyte membrane of the fuel cell is set to L (cm ), When the average current density during operation of the fuel cell is I (A / cm ² ), and the width of the gap between the air intake layers is w (cm),
IL × 0.25 <w <IL × 1.0
The fuel cell according to claim 1, further satisfying the relationship:

A fuel cell base provided with an anode and a cathode on both sides of the electrolyte membrane; a diffusion layer provided on the cathode side of the fuel cell base for supplying air to the cathode; and air in the diffusion layer In a fuel cell having an air intake for supply,
When the effective total area on the cathode side of the electrolyte membrane is A (cm ² ) and the total area of the air intake is S (cm ² ),
A × 0.2 <S <A × 0.8
A fuel cell satisfying the following relationship:

An air intake layer is provided in parallel with the electrolyte membrane, and the air intake layer has two opposing surfaces through which air flows open to the atmosphere, and the length of the electrolyte membrane of the fuel cell is set to L (cm ) And the width of the gap between the air intake layers is w (cm),
L × 0.1 <w <L × 0.4
The fuel cell according to claim 3, wherein the following relationship is satisfied.