JP2007242443A - Fuel cell power generation cell - Google Patents
Fuel cell power generation cell Download PDFInfo
- Publication number
- JP2007242443A JP2007242443A JP2006063859A JP2006063859A JP2007242443A JP 2007242443 A JP2007242443 A JP 2007242443A JP 2006063859 A JP2006063859 A JP 2006063859A JP 2006063859 A JP2006063859 A JP 2006063859A JP 2007242443 A JP2007242443 A JP 2007242443A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- tapered tube
- diffusion layer
- gas diffusion
- power generation
- tube portion
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Inert Electrodes (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Description
本発明は、燃料電池発電セルに係り、更に詳細には、スタック化したときにガス拡散層内に対流する液水等を効率良く誘導し、常に安定性した運転が可能な燃料電池発電セルに関する。 The present invention relates to a fuel cell power generation cell, and more particularly to a fuel cell power generation cell that can efficiently guide liquid water that convects in a gas diffusion layer when stacked and can always operate stably. .
燃料電池システムは、燃料が有する化学エネルギを直接電気エネルギに変換する装置であり、電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうち陽極に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方の陰極に酸素を含有する酸素剤ガスを供給し、これら一対の電極の電解質膜側の表面で生じる下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギを取り出すものである(例えば特許文献1参照)。
陽極反応: H2 → 2H+ + 2e− …(1)
陰極反応: 2H+ + 2e− + (1/2)O2 → H2O …(2)
Anode reaction: H 2 → 2H + + 2e − (1)
Cathode reaction: 2H + + 2e − + (1/2) O 2 → H 2 O (2)
ここで、陽極へ燃料ガスを供給する方法としては、水素貯蔵装置から直接供給する方法、水素を含有する燃料を改質して改質した水素含有ガスを供給する方法などが知られている。上記水素貯蔵装置には、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等があり、上記水素含有燃料には、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。
また、陰極へ供給する酸化剤ガスとしては、一般的に空気中の酸素が利用されている。
Here, as a method of supplying the fuel gas to the anode, a method of supplying directly from a hydrogen storage device, a method of supplying a reformed hydrogen-containing gas by reforming a fuel containing hydrogen, and the like are known. Examples of the hydrogen storage device include a high-pressure gas tank, a liquefied hydrogen tank, a hydrogen storage alloy tank, and the like, and natural gas, methanol, gasoline, and the like can be considered as the hydrogen-containing fuel.
Further, oxygen in the air is generally used as the oxidant gas supplied to the cathode.
燃料電池システムにより発電を行うと、上記(2)式の右辺にあるように水が必然的に生成される。この水は発電部位の周囲環境により、ガス又は液体として発生する。
例えば、自動車の動力源として燃料電池システムを使用する場合は、セルの温度が40℃以下、ガス流速が遅い、圧力が約2気圧などの使用条件下で、酸化剤ガス側のガス拡散層内で水蒸気が液水へと相変化し、ガス拡散層内の空間を通り、表面に多数の水滴が生成されることが、観察実験から確認されている。
When power is generated by the fuel cell system, water is inevitably generated as shown on the right side of the above equation (2). This water is generated as gas or liquid depending on the surrounding environment of the power generation site.
For example, when a fuel cell system is used as a power source for an automobile, the inside of the gas diffusion layer on the oxidant gas side under operating conditions such as a cell temperature of 40 ° C. or lower, a low gas flow rate, and a pressure of about 2 atmospheres It has been confirmed from observational experiments that water vapor changes phase to liquid water and passes through the space in the gas diffusion layer to generate a large number of water droplets on the surface.
かかる水滴の生成量が多いと、ガス拡散層の内部の空間を液水が占有し、酸化剤ガスが発電セル内部の発電面まで到達できず、いわゆるフラッディング現象が生じる。
このフラッディング現象が発生すると、電圧が低下し、ひいては発電不能となり、これを動力源とするアプリケーションが運転不能となる事態に陥ってしまう。
When the amount of generated water droplets is large, liquid water occupies the space inside the gas diffusion layer, and the oxidant gas cannot reach the power generation surface inside the power generation cell, so that a so-called flooding phenomenon occurs.
When this flooding phenomenon occurs, the voltage drops, and as a result, power generation becomes impossible, and an application using this as a power source becomes inoperable.
このため、親水性処理又は撥水性処理を施した多孔質且つ膜状の熱硬化性樹脂を、層状に1層以上積層することで液水の排出を行うことが提案されている(例えば特許文献2参照)。
しかしながら、特許文献2に記載の技術では、層状の樹脂膜を燃料電池スタックとともに積層するが、樹脂膜は電気伝導性が低いためセル電圧の低下を招き、また、膜状の樹脂はガスの流通のためには閉塞物となる抵抗体であり、フラッディングを起こさない運転条件では燃料ガスや酸化剤ガスの拡散・流動を妨げ、逆効果となっていた。
また、積層面内で親水性が均一で、生成した液水が樹脂膜面を一様に覆ってしまい、結果的にガス拡散層の表面を覆うように液膜が形成され、ガスの流通を妨げられることがあり、必ずしも発電性能が向上するわけではなかった。
However, in the technique described in
In addition, the hydrophilicity is uniform within the laminated surface, and the generated liquid water covers the resin film surface uniformly, resulting in the formation of a liquid film so as to cover the surface of the gas diffusion layer, and the flow of gas The power generation performance was not necessarily improved.
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料電池スタック内のガス拡散層内部に液水等が滞留することを抑制し、ガス拡散層表面の空孔閉塞を抑制し得る燃料電池発電セルを提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and the object of the present invention is to suppress the retention of liquid water or the like inside the gas diffusion layer in the fuel cell stack, An object of the present invention is to provide a fuel cell power generation cell capable of suppressing pore blockage on the surface of a diffusion layer.
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、テーパー状管部を形成した多孔質体をガス拡散層とすることにより、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventor has found that the above problems can be solved by using a porous body having a tapered tube portion as a gas diffusion layer, thereby completing the present invention. It came to.
即ち、本発明の燃料電池発電セルは、ガス拡散層を備える燃料電池発電セルにおいて、上記ガス拡散層は、撥水処理又は撥油処理又は親水処理がなされた多孔質体であり、この多孔質体の内部に縦断面がテーパー状の管部が形成されていることを特徴とする。 That is, the fuel cell power generation cell of the present invention is a fuel cell power generation cell comprising a gas diffusion layer, wherein the gas diffusion layer is a porous body that has been subjected to water-repellent treatment, oil-repellent treatment, or hydrophilic treatment. A tube portion having a tapered longitudinal section is formed inside the body.
また、本発明の燃料電池発電セルの好適形態は、上記テーパー状管部が複数形成され、これらの長手方向の横断面変化率が不均一であることを特徴とする。 Moreover, the suitable form of the fuel cell power generation cell of the present invention is characterized in that a plurality of the tapered tube portions are formed, and the rate of change in cross section in the longitudinal direction is not uniform.
更に、本発明の燃料電池発電セルの他の好適形態は、上記ガス拡散層が複数のテーパー状管部を有し、隣接するテーパー状管部同士が流路により連通していることを特徴とする。 Furthermore, another preferred embodiment of the fuel cell power generation cell of the present invention is characterized in that the gas diffusion layer has a plurality of tapered tube portions, and the adjacent tapered tube portions communicate with each other through a flow path. To do.
更にまた、本発明の燃料電池発電セルの更に他の好適形態は、上記ガス拡散層のテーパー状管部が、消失型によって形成されたことを特徴とする。 Furthermore, still another preferred embodiment of the fuel cell power generation cell of the present invention is characterized in that the tapered tube portion of the gas diffusion layer is formed of a disappearing type.
本発明によれば、テーパー状管部を形成した多孔質体をガス拡散層とすることとしたため、燃料電池スタック内のガス拡散層内部に液水等が滞留することを抑制し、ガス拡散層表面の空孔閉塞を抑制し得る燃料電池発電セルを提供することができる。 According to the present invention, since the porous body in which the tapered tube portion is formed is used as the gas diffusion layer, it is possible to suppress liquid water and the like from staying inside the gas diffusion layer in the fuel cell stack, It is possible to provide a fuel cell power generation cell capable of suppressing surface hole blockage.
以下、本発明の燃料電池発電セルについて詳細に説明する。なお、本明細書及び特許請求の範囲において、「%」は特記しない限り質量百分率を示す。 Hereinafter, the fuel cell power generation cell of the present invention will be described in detail. In the present specification and claims, “%” indicates a mass percentage unless otherwise specified.
上述の如く、本発明の燃料電池発電セルは、ガス拡散層(GDL)を備えており、このガス拡散層は、撥水処理又は撥油処理又は親水処理がなされた多孔質体から成る。また、この多孔質体の内部には、縦断面がテーパー状の管部が形成されている。
なお、上記縦断面は、テーパー状管部の長手方向の断面を示し、上記テーパー状管部は、一端から他端にかけて断面積が減少している限り、その断面積の形状は円に限定されるものではない。
As described above, the fuel cell power generation cell of the present invention includes a gas diffusion layer (GDL), and this gas diffusion layer is made of a porous body that has been subjected to water-repellent treatment, oil-repellent treatment, or hydrophilic treatment. Further, a tube portion having a tapered longitudinal section is formed inside the porous body.
The longitudinal section shows a longitudinal section of the tapered tube portion, and the sectional shape of the tapered tube portion is limited to a circle as long as the sectional area decreases from one end to the other end. It is not something.
このような構成により、ガス拡散層が撥水性又は撥油性のときは、ガス拡散層中の空間に点在していた水や油などの液体は、集まって凝集しようとする液滴の表面張力により、微細なガス拡散層中の空間からテーパー状管部の広い空間へ移動する。そのため、ガス拡散層中の微細空間は空になるので、ガスの流通が妨げられるのが抑制される。
また、多孔質体の有する細孔より広い空間がテーパー形状をなしているため、液滴自身の表面張力により、流路の一部に断面を塞ぐよう付着した水や油は、テーパー状管部の広い側と狭い側とで、液界面形状の半径が異なるように着座する。このとき、半径が異なることから圧力差が発生するため、圧力の低い側へ移動しガス拡散層から排出される。
こうして、水発生量の多い高負荷運転時や、飽和温度に較べて低い温度下での発電が持続できる。
With such a configuration, when the gas diffusion layer is water-repellent or oil-repellent, liquid such as water or oil scattered in the space in the gas diffusion layer collects the surface tension of the droplets to be aggregated. By this, it moves from the space in the fine gas diffusion layer to the wide space of the tapered tube portion. For this reason, the fine space in the gas diffusion layer is empty, so that it is possible to prevent the gas from flowing.
In addition, since the space wider than the pores of the porous body has a tapered shape, the water or oil that adheres so as to block the cross section of a part of the flow path due to the surface tension of the droplet itself is tapered tube section The wide side and the narrow side are seated so that the radius of the liquid interface shape is different. At this time, since the radius is different, a pressure difference is generated, so that the gas moves to a lower pressure side and is discharged from the gas diffusion layer.
In this way, power generation at a high load operation with a large amount of water generated or at a temperature lower than the saturation temperature can be maintained.
一方、ガス拡散層が親水性のときは、ガス拡散層内の流路に留まることなく、ガス拡散層の多孔空間内に液水が浸透する。これにより、水が不足する箇所での湿潤機構となるため、乾き勝手な条件下での発電が抑制される。 On the other hand, when the gas diffusion layer is hydrophilic, liquid water penetrates into the porous space of the gas diffusion layer without staying in the flow path in the gas diffusion layer. Thereby, since it becomes a wet mechanism in the location where water runs short, the power generation under the condition that it is easy to dry is suppressed.
ここで、上記テーパー状管部を複数形成し、これらの長手方向の横断面変化率を不均一とすることが好適である。言い換えれば、ガス拡散層中に設けたテーパー状管部の連続的な断面積変化率、即ちテーパー角をテーパー状管部ごとに異ならせることができる。
これにより、液水等の移動速度を変化させることができ、所望の排水性能を設定することが可能となる。
なお、テーパー状管部の横断面とは、ガス拡散層の延在方向の断面(水平断面)に現れるテーパー状管部の断面を言う。また、不均一とは、隣接するテーパー状管部同士が異なる横断面変化率の形状であれば足り、必ずしも全てのテーパー状管部について異なる横断面変化率の形状を付与することを意味するものではない。
Here, it is preferable to form a plurality of the tapered tube portions so that the rate of change in the cross section in the longitudinal direction is not uniform. In other words, the continuous cross-sectional area change rate of the tapered tube portion provided in the gas diffusion layer, that is, the taper angle can be varied for each tapered tube portion.
Thereby, the moving speed of liquid water etc. can be changed and it becomes possible to set desired drainage performance.
In addition, the cross section of a taper-shaped pipe part means the cross section of the taper-shaped pipe part which appears in the cross section (horizontal cross section) of the extending direction of a gas diffusion layer. Further, the term “non-uniform” means that adjacent tapered tube portions need only have different cross-sectional change rate shapes, and that means that all tapered tube portions have different cross-sectional change rate shapes. is not.
上記ガス拡散層となる多孔質体の内部には、複数のテーパー状管部が集合体(コロニー状態)をなしていることが好適である。
具体的には、該集合体の中央にあるテーパー状管部から離間するに従い、テーパー状管部の半径が小さくなるように他のテーパー状管部を周設することができる。ここで、半径とは、ガス拡散層の同一面(表面又は裏面)における開口の半径、又はガス拡散層の水平断面にて形成される開口の半径を示す。
また、該集合体の中央にあるテーパー状管部から離間するに従い、横断面変化率が小さくなるように他のテーパー状管部を周設することもできる。
It is preferable that a plurality of tapered pipe portions form an aggregate (colony state) inside the porous body serving as the gas diffusion layer.
Specifically, as the radius of the tapered tube portion decreases as the distance from the tapered tube portion at the center of the aggregate increases, the other tapered tube portion can be provided around. Here, the radius indicates the radius of the opening on the same surface (front surface or back surface) of the gas diffusion layer or the radius of the opening formed in the horizontal section of the gas diffusion layer.
Further, as the distance from the tapered tube portion at the center of the aggregate increases, another tapered tube portion can be provided so as to reduce the rate of change in cross section.
これにより、1の集合体には、流路半径の大きなテーパー状管部を中心に、その周囲に段階的に流路半径の小さいテーパー状管部が形成されているので、中心から遠いところから中心へ液水等を移動させることができ、より広範囲に液水等の移動を制御可能となるため、更に液水生成量が多い条件下での発電が可能となる。
なお、テーパー状管部の集合体は、燃料電池発電セルの大きさ、形状、多孔質体の種類などに応じて、ガス拡散層の任意の部位に1個又は複数個形成できる。
As a result, in one aggregate, a tapered tube portion having a small flow channel radius is formed around the tapered tube portion having a large flow channel radius. Liquid water or the like can be moved to the center, and movement of the liquid water or the like can be controlled over a wider range, so that it is possible to generate power under a condition where the amount of liquid water generated is larger.
One or a plurality of aggregates of tapered tube portions can be formed in any part of the gas diffusion layer according to the size, shape, type of porous body, and the like of the fuel cell power generation cell.
また、上記ガス拡散層に複数のテーパー状管部を形成するときは、隣接するテーパー状管部同士を流路により連通させることが好適である。
このときは、発生した液水等は、ガス拡散層の細孔を介して近くのテーパー状管部に移動するだけでなく、流路によりガス拡散層内のテーパー状管部が面内方向に接続されているため、半径が大きく圧力の低いテーパー状管部へ容易に移動できる。言い換えれば、液水等は、相対的に流路の径が小さいテーパー状管部から流路の径が相対的に大きいテーパー状管部へ、より広い空間を有するテーパー状管部へ移動し得る。これより、液を凝集させ排出させることができるため、液水生成量が多い条件下での発電が持続できる。
Moreover, when forming a some taper-shaped pipe part in the said gas diffusion layer, it is suitable to make adjacent taper-shaped pipe parts communicate with each other by the flow path.
At this time, the generated liquid water or the like not only moves to the nearby tapered tube portion through the pores of the gas diffusion layer, but also the tapered tube portion in the gas diffusion layer is moved in the in-plane direction by the flow path. Since it is connected, it can be easily moved to a tapered tube portion having a large radius and a low pressure. In other words, liquid water or the like can move from a tapered tube portion having a relatively small channel diameter to a tapered tube portion having a relatively large channel diameter to a tapered tube portion having a wider space. . As a result, since the liquid can be condensed and discharged, power generation under a condition where the amount of liquid water generated is large can be maintained.
更に、上記テーパー状管部を連通させる流路は、テーパー状であり且つ終端部を有することが好適である。
流路をテーパー状とすることで、テーパー状管部からテーパー状管部へと移動する液水等の方向を制御できる。また、終端部をテーパー状管部以外の多孔質体の内部に存在させることで、面内方向に移動する液水等をより多く確保することができる。これにより、液水等の回収量が増大し、更に困難な条件下での発電が可能となる。
Furthermore, it is preferable that the flow path for communicating the tapered tube portion is tapered and has a terminal portion.
By making the flow path into a tapered shape, the direction of liquid water or the like that moves from the tapered tube portion to the tapered tube portion can be controlled. Further, by allowing the terminal portion to be present inside the porous body other than the tapered tube portion, more liquid water or the like that moves in the in-plane direction can be secured. Thereby, the collection amount of liquid water etc. increases and it becomes possible to generate electric power under more difficult conditions.
本発明の燃料電池発電セルにおいて、上記ガス拡散層は、カソード極側、アノード極側の一方又は双方に配設することができる。
このとき、カソード極側に配設するガス拡散層は、テーパー状管部が、発電面側からガスチャンネル側へ拡径しつつ連通していることが好適である。これにより、液水生成が起こり易いカソード極での液水回収・排出機能を付与できるので、液水生成量が多い困難な条件下での発電が可能となる。
また、アノード極側に配設するガス拡散層は、テーパー状管部が、ガスチャンネル側から発電面側へ拡径しつつ連通していることが好適である。これにより、液水生成が起こりにくいアノード極、即ち乾燥がちなアノード極側に、何らかの原因により電解質膜を通して水蒸気が入った際、ガス拡散層内で液化した液水を回収・排出させる機能を付与できるので、アノード極でのドライアウトを抑制できる。
In the fuel cell power generation cell of the present invention, the gas diffusion layer can be disposed on one or both of the cathode electrode side and the anode electrode side.
At this time, it is preferable that the gas diffusion layer disposed on the cathode electrode side communicates with the tapered tube portion while expanding from the power generation surface side to the gas channel side. As a result, the function of collecting and discharging liquid water at the cathode electrode where liquid water generation is likely to occur can be provided, so that power generation under difficult conditions with a large amount of liquid water generation becomes possible.
Further, it is preferable that the gas diffusion layer disposed on the anode electrode side communicates with the tapered tube portion while expanding the diameter from the gas channel side to the power generation surface side. This provides a function to collect and discharge liquid water that has been liquefied in the gas diffusion layer when water vapor enters the anode electrode that is unlikely to generate liquid water, that is, the anode electrode that tends to dry, through the electrolyte membrane for some reason. Therefore, dryout at the anode electrode can be suppressed.
本発明の燃料電池発電セルにおいては、ガス拡散層のテーパー状管部は、消失型によって形成することが好適である。
このときは、所望の液水回収・排出機能を有する多孔質体を容易に作製することが可能となる。
In the fuel cell power generation cell of the present invention, it is preferable that the tapered tube portion of the gas diffusion layer is formed by a disappearing type.
At this time, a porous body having a desired liquid water recovery / discharge function can be easily produced.
また、上記ガス拡散層となる多孔質体としては、代表的には、カーボン繊維、シリカ、チタニア、アルミナ、ジルコニア又はタンタル、及びこれらの任意の組合わせに係るものを使用できる。
更に、上記消失型は、素材を適宜変更することで、形成されるテーパー状管部に、撥水処理又は撥油処理又は親水処理を施すことができる。
例えば、撥水性および撥油性を付与するときは、ポリエチレンテレフタレート(PTFE)や、4フッ化エチレンとパーフルオロアルコキシエチレンとの共重合体などのフッ素樹脂、およびHfO2、などを使用できる。親水性を付与するときは、TiO2、SiO2、CeO3などを使用できる。
Moreover, as a porous body used as the said gas diffusion layer, the thing which concerns on carbon fiber, a silica, a titania, an alumina, a zirconia, a tantalum, and these arbitrary combinations can be used typically.
Further, the disappearing mold can be subjected to water repellent treatment, oil repellent treatment or hydrophilic treatment on the formed tapered tube portion by appropriately changing the material.
For example, when imparting water repellency and oil repellency, fluororesin such as polyethylene terephthalate (PTFE), a copolymer of tetrafluoroethylene and perfluoroalkoxyethylene, and HfO 2 can be used. When imparting hydrophilicity, TiO 2 , SiO 2 , CeO 3 or the like can be used.
以下、本発明の燃料電池発電セルの実施形態を図面に基づいて更に詳述するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 Hereinafter, although the embodiment of the fuel cell power generation cell of the present invention is further explained in detail based on a drawing, the present invention is not limited to these.
図1は、燃料電池発電セルの一実施形態を示すものであり、一般的な燃料電池スタックのセル構造の繰り返しをなす要素の1つとなるものである。
また、燃料電池発電セルは、セパレーター1、ガス拡散層(GDL)2、触媒層が表面に設置された固体電解質膜3から構成される。セパレーター1の凹凸形状のうち、凹部は流体の流通するチャンネル1a、凸部はリブ又はランド部1bと称する。
FIG. 1 shows an embodiment of a fuel cell power generation cell, which is one of the elements that make up the cell structure of a general fuel cell stack.
The fuel cell power generation cell is composed of a
図2は、図1の燃料電池発電セルで使用できる第1のガス拡散層2の縦断面を示すものである。
ガス拡散層2は、内部にテーパー状管部6を有する。テーパー状管部6は、何らかの流体に対して流路となり、その流通に使用できる。
FIG. 2 shows a longitudinal section of the first
The
図3は、接触角が160°程度の撥水性を有するガス拡散層2において、テーパー状管部6中に液滴が存在した場合の、液滴が移動する駆動力を表している。
図示するように、気液界面がなす幾何学的な形状から、テーパー状管部内の上流下流において、液滴の球面をつくる半径が決まる。このとき、上流下流ではそれぞれ、流路断面積が異なり、球面の半径に差が生じる。それぞれの表面液体側の圧力は、2σ/r1又は2σ/r2だけ周囲ガスの圧力より高い。つまり、上面の半径r1がr2よりも大きいため、周囲ガスの圧力<2σ/r1<2σ/r2となる圧力の大小関係が現れ、結果として、圧力の小さいほう、即ち半径の大きい側(図3の上側)へ移動することとなる。
このことは、ガス拡散層2中に点在していた液水等は、凝縮により体積を増加してゆき、たがいに接続するようになると、狭い空間から広い空間へ接触角が大きいため移動しようとすることを意味している。ガス拡散層2が狭い空間であるとすると、テーパー状管部6が形成する空間はガス拡散層2の細孔径に対し、十分大きいとみなすことができ、細孔中の液はテーパー状管部6へ移動してくる。このため、細孔中ではガスの移動には若干の拡散率低下にすぎないガス拡散をとりもどすことが可能であり、細孔中に液水等が介在する場合の極度の拡散抵抗が大な場合よりも、燃料電池の発電が良好に行われることを意味する。
なお、接触角が5°程度の親水性を有するガス拡散層は、撥水性の場合と逆に、半径の小さいほうへ液滴が移動することになる。
FIG. 3 shows a driving force for moving the droplet when the droplet exists in the tapered
As shown in the figure, the radius that forms the spherical surface of the droplet is determined from the geometric shape formed by the gas-liquid interface, upstream and downstream in the tapered tube section. At this time, the cross-sectional area of the flow path differs between the upstream and downstream, and a difference occurs in the radius of the spherical surface. The pressure on the respective surface liquid side is higher than the pressure of the surrounding gas by 2σ / r1 or 2σ / r2. That is, since the radius r1 of the upper surface is larger than r2, the magnitude relation of the pressure of the ambient gas <2σ / r1 <2σ / r2 appears, and as a result, the smaller pressure, that is, the larger radius side (FIG. 3). To the upper side).
This means that liquid water and the like scattered in the
In the gas diffusion layer having hydrophilicity with a contact angle of about 5 °, the liquid droplet moves to the smaller radius, contrary to the case of water repellency.
以上のように、ガス拡散層2に形成したテーパー状管部6は、燃料電池が発電をした際に行われる上記(2)式により生成される液水、加湿のための投入水蒸気の結露による液水、又はアノード側から拡散によりカソード側に移流してきた蒸気が結露した液水、などの通路として利用することができる。また、テーパー状管部6は、一定間隔に設けても良いし、不定間隔に設けても構わない。更に、所望の条件や液水等の発生の大小に合わせて適宜設置されることが望ましい。
As described above, the tapered
図4は、図1の燃料電池発電セルで使用できる第2のガス拡散層2の縦断面である。
テーパー状管部6は、ガス拡散層2のチャンネル1aに面する表面の法線方向に対し、ある角度をもって備えられている。
この場合は、チャンネル1aに酸化剤ガス又は燃料ガスを流通させる際、ガス拡散層2のチャンネル表面において、テーパー状管部6が流通ガスの流れる向きに偏向していた場合、ガスの流速が上がるほどチャンネル表面では圧力が下がる。このため、液水等が移動するテーパー状管部6が傾きを有することで、テーパー状管部6の出口付近のチャンネル表面での圧力が下がり、液水等の移動が助長されるため、積極的な排水が可能となる。
FIG. 4 is a longitudinal section of the second
The tapered
In this case, when the oxidant gas or the fuel gas is circulated through the channel 1a, the flow rate of the gas increases when the tapered
図5は、図1の燃料電池発電セルで使用できる第3のガス拡散層2の縦断面である。
テーパー状管部6は、ガス拡散層2の厚さ方向に対して自由な深さで形成されている。即ち、上面から下面へ貫通しているテーパー状管部6と、上面からガス拡散層2の中間部までのテーパー状管部6が混在している。
この場合は、燃料電池発電セルによる発電中に温度が高温となり、固体電解質膜表面で蒸気として発生した水が、チャンネル1aへ向かう途中のガス拡散層2の中間部で液化することがあるが、多孔質中にテーパー状管部6があることで、液化が促進され易い。
水が液化しない場合は、体積が液の場合よりガスでは1000倍(密度で1/1000)もあるため、上記(2)式の酸化のために酸素が供給されなければならないが、同時に発生する蒸気(水のガス)と酸素が相互に対向する向きに流れようとするので、酸素の供給が妨げられ易い。このため、液化が行われる付近のみにテーパー状管部6を形成することで、多孔質体部分を残し、積極的な液化を図り、水蒸気ガスが酸化剤ガスの遡上を妨げるのを抑制できる。
以上のようなテーパー状管部6を備えるガス拡散層2は、テーパー形状をもったオスの型をカーボン繊維とバインダとよばれる樹脂のスラリー状の物体である中に型を介在させ、固着・焼成されることで製作できる。また、テーパー形状の突起をもった基盤上に前記スラリーを載せ、固着・焼成させることでも製作できる。
FIG. 5 is a longitudinal section of the third
The tapered
In this case, the temperature becomes high during power generation by the fuel cell power generation cell, and water generated as vapor on the surface of the solid electrolyte membrane may be liquefied in the middle part of the
When water is not liquefied, the volume of the gas is 1000 times (1/1000 in density) than when it is liquid, so oxygen must be supplied for the oxidation of equation (2) above, but it occurs simultaneously. Since steam (water gas) and oxygen tend to flow in directions opposite to each other, supply of oxygen is likely to be hindered. For this reason, by forming the tapered
The
図6は、図1の燃料電池発電セルで使用できる第4のガス拡散層2の縦断面である。
テーパー状管部6は、自由な方向を向いて形成されている。
この場合は、リブ1bの下で生成した液水等をスムーズにチャンネル1aへ移動させるのに有効となる。
FIG. 6 is a longitudinal section of the fourth
The tapered
In this case, it is effective to smoothly move the liquid water generated under the rib 1b to the channel 1a.
図7は、図1の燃料電池発電セルで使用できる第5のガス拡散層2の縦断面である。
テーパー状管部6をメッシュ状物体7で予め作製しておき、これがガス拡散層2内に配設された構成を有する。このメッシュの細孔径は、焼成後のガス拡散層2の細孔径よりも大きいことが望ましい。図8はメッシュ状物体7の拡大図である。メッシュ状物体7は、例えば、スパッタリング、ポリイミドによりコーティングされた微細細線等で作製できる。
FIG. 7 is a longitudinal section of a fifth
The tapered
図9は、図1の燃料電池発電セルで使用できる第6のガス拡散層2の縦断面である。
ガス拡散層2を構成する多孔質体が、マイクロビーズと呼ばれる微小な粒径0.01μm〜0.1mm程度の電気伝導性の良い粒子を用いて作製されたものである。マイクロビーズは、例えば、スパッタリング、ポリイミドによりコーティングされた微細細線等で作製できる。
なお、マイクロビーズを用いた多孔質体は、該マイクロビーズを用いたシートを積層して作製できるが、テーパー状管部6は、積層される層ごとにテーパー状管部6となる孔の粒径を段階的に変化させて形成できる。
FIG. 9 is a longitudinal section of a sixth
The porous body that constitutes the
A porous body using microbeads can be prepared by laminating sheets using the microbeads. However, the tapered
図10は、図1の燃料電池発電セルで使用できる第7のガス拡散層2の縦断面である。
複数存在するテーパー状管部6は、ガス拡散層2の面内に形成した流路8により、連通している。この連通する流路8の本数は、テーパー状管部6の本数に関係なく設置することができる。望ましくは、液水生成の頻度や生成量の多い箇所に合わせて設置できる。
なお、流路8を設けて連通する場合、図11に示すように、隣り合うテーパー状管部6間で繋がった液水等が、テーパー状管部6内での平均的な半径に差があるときは、小さい液滴9は半径が小さいため液内で圧力が高くなり、大きい液滴10は半径が大きいため圧力が周囲より高くなるが、小さい液滴9よりも相対的に低くなる。このため、小さい液滴9は大きい液滴10側へと寄せ集められる。
FIG. 10 is a longitudinal section of a seventh
The plurality of tapered
In addition, when communicating by providing the
図12は、図1の燃料電池発電セルで使用できる第8のガス拡散層2の縦断面である。
複数存在するテーパー状管部6のテーパー角を変え、平均径をそれぞれ変化させている。テーパー状管部6の流路径が変わっているので、液水回収・排出機能の作用を更に引き出すことが可能となる。
FIG. 12 is a longitudinal section of an eighth
The taper angle of the plurality of tapered
図13は、図1の燃料電池発電セルで使用できる第9のガス拡散層2の縦断面である。
連通流路8は、終端部9がガス拡散層2の内部に存在し、且つテーパー状管部6同士が連通するように形成されている。これにより、上述のように、液水回収・排出機能を更に向上させ得る。
一方、図13に示すガス拡散層2を、撥水性材料ではなく親水性材料(例えば接触角5°)で構成することもできる。このときは、ガス拡散層2の細孔に液水等が引き込まれ、テーパー状管部6の空間には液水等が存在しにくくなる。むしろテーパー状管部6がガスの流通に使用され易くなる。液水等は電解質膜3に接する箇所を通じ、電解質膜3へ供給されるので、電解質膜3の乾燥を抑制できる。
FIG. 13 is a longitudinal section of a ninth
The
On the other hand, the
図14は、図1の燃料電池発電セルで使用できる第8のガス拡散層2の横断面である。即ち、複数のテーパー状管部6がなす集合体(コロニー状態)の一例である。
ガス拡散層2中のテーパー状管部6は、平均径の大きいものが中心に配設され、その周囲に離れるに従い小さい径のものが配設されている。
また、図15に示すように、ガス拡散層2内部には、連通管8により放射状、木の根状にテーパー状管部6が連通されていることが良い。この構造により、狭い空間から広い空間へ液が集まってくる機構を応用して、面内の方向へ液水等を移動可能になる。これより、テーパー状管部6によりガス拡散層2外部の意図した位置へ液水等を移動させることが可能となる。
更に、図16に示すように、木の根状のコロニー構成は、ガス拡散層2の全域にわたって配設することができる。また、これらのコロニー構成は、ガス拡散層2の面内方向において、テーパー状管部6の存在密度を適宜変化させることができる。例えば、液水等が発生しやすい場所には多く設置し、発生しない場所には設置しないことにより、液水等の移動性を更に向上させ得る。
FIG. 14 is a cross section of an eighth
The tapered
In addition, as shown in FIG. 15, it is preferable that a
Furthermore, as shown in FIG. 16, the tree-like colony structure of the tree can be arranged over the entire area of the
図17は、テーパー状管部6を備えるガス拡散層2をカソード側のみに設置し、テーパー状管部6の開口がカソードチャンネル12側へ拡径するように設置された燃料電池発電セルである。
この場合は、ガス拡散層2の内部で発生した液水等は、ガス拡散層2内部からテーパー状管部6を介して、カソードガスチャンネル12へ積極的に排出され得る。なお、図17はテーパー状管部6を含むようにした縦断面である。
FIG. 17 shows a fuel cell power generation cell in which the
In this case, liquid water or the like generated inside the
図18は、テーパー状管部6を備えるガス拡散層2をアノード側のみに設置し、テーパー状管部6の開口がアノードチャンネル13側へ縮径するように設置された燃料電池発電セルである。
この場合は、ガス拡散層2の内部で発生した液水等は、ガス拡散層2内部からテーパー状管部6を介して、電解質膜3へ積極的に移動できる。なお、図18はテーパー状管部6を含むようにした縦断面である。
FIG. 18 shows a fuel cell power generation cell in which the
In this case, liquid water or the like generated inside the
図19は、テーパー状管部6を備えるガス拡散層2が、カソード側及びアノード側に設置された燃料電池発電セルの断面概略図である。カソード側のガス拡散層2は、テーパー状管部6の開口がカソードチャンネル12側へ拡径するように設置されている。アノード側のガス拡散層2は、テーパー状管部6の開口がアノードチャンネル13側へ縮径するように設置されている。
これにより、液水等がカソード側及びアノード側の両側に発生する条件であっても、液水等をより確実に誘導でき、片側のガス拡散層2だけにテーパー状管部6を備えた場合に比べて相乗的な効果が得られる。
FIG. 19 is a schematic cross-sectional view of a fuel cell power generation cell in which the
As a result, even when the liquid water is generated on both the cathode side and the anode side, the liquid water can be more reliably guided, and the tapered
図20は、ガス拡散層のテーパー状管部を形成する消失型とその製造方法の一例を模式的に示した図である。
例えば、PTFEを用いた消失型14を用いれば、ガス拡散層に撥水処理が施されるとともに、意図したテーパー状管部6のネットワーク空間を形成することが可能である。
FIG. 20 is a diagram schematically showing an example of a vanishing type for forming a tapered tube portion of a gas diffusion layer and a method for manufacturing the same.
For example, if the vanishing
また、消失型14の作製方法としては、例えば、まずマスター型15を、耐久性のあるメタルなどを用いたオス型にて作製する。ここで、代表的なガス拡散層の厚さが約200μmであることを考慮すると、テーパー状管部6や連通流路8は、数十μmオーダーのサイズである。そのため、このマスター型15は、微細加工のMEMSや、超微細な切削により得られる。
次いで、このマスター型15をベースとして、消失型をつくるためのメス型16を柔軟な樹脂等により作製する。このメス型16にPTFEを流し込み、固化させることで消失型14が得られる。
In addition, as a method for manufacturing the
Next, using this
1 セパレーター
1a チャンネル
1b リブ
2 ガス拡散層(GDL)
3 触媒層が表面に設置された固体電解質膜
6 テーパー状管部
7 メッシュ状物体
8 テーパー状管部を結ぶ連通流路
9 テーパー状管部にある半径が小さい液滴(圧力が大)
10 テーパー状管部にある半径が大きい液滴(圧力が相対的に小)
12 カソードガスチャンネル
13 アソードガスチャンネル
14 PTFEなどの樹脂による消失型
15 マスター型
16 消失型を作製するためのメス型
1 Separator 1a
3
10 Droplet with large radius in tapered tube (relatively small pressure)
12
Claims (9)
上記ガス拡散層は、撥水処理又は撥油処理又は親水処理がなされた多孔質体であり、この多孔質体の内部に縦断面がテーパー状の管部が形成されていることを特徴とする燃料電池発電セル。 In a fuel cell power generation cell comprising a gas diffusion layer,
The gas diffusion layer is a porous body that has been subjected to a water-repellent treatment, an oil-repellent treatment, or a hydrophilic treatment, and a tubular portion having a tapered longitudinal section is formed inside the porous body. Fuel cell power generation cell.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006063859A JP2007242443A (en) | 2006-03-09 | 2006-03-09 | Fuel cell power generation cell |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006063859A JP2007242443A (en) | 2006-03-09 | 2006-03-09 | Fuel cell power generation cell |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2007242443A true JP2007242443A (en) | 2007-09-20 |
Family
ID=38587767
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2006063859A Pending JP2007242443A (en) | 2006-03-09 | 2006-03-09 | Fuel cell power generation cell |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2007242443A (en) |
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008108507A (en) * | 2006-10-24 | 2008-05-08 | Mitsubishi Electric Corp | Polymer electrolyte fuel cell and its manufacturing method |
WO2010050377A1 (en) * | 2008-10-28 | 2010-05-06 | セイコーインスツル株式会社 | Fuel cell and fuel cell system |
WO2010050378A1 (en) * | 2008-10-28 | 2010-05-06 | セイコーインスツル株式会社 | Fuel cell and fuel cell system |
KR100974640B1 (en) * | 2009-09-03 | 2010-08-06 | 한국에너지기술연구원 | Fuel cell with gas diffusion layer having flow channel and manufacturing method thereof |
JP2010231922A (en) * | 2009-03-26 | 2010-10-14 | Honda Motor Co Ltd | Fuel cell |
JP2017107662A (en) * | 2015-12-07 | 2017-06-15 | 株式会社デンソー | Fuel battery single cell and fuel battery cell stack |
JP2017168333A (en) * | 2016-03-17 | 2017-09-21 | シャープ株式会社 | Fuel cell |
JP2022179943A (en) * | 2021-05-24 | 2022-12-06 | 本田技研工業株式会社 | Electrochemical cell, cell operation system and cell operation method |
-
2006
- 2006-03-09 JP JP2006063859A patent/JP2007242443A/en active Pending
Cited By (19)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008108507A (en) * | 2006-10-24 | 2008-05-08 | Mitsubishi Electric Corp | Polymer electrolyte fuel cell and its manufacturing method |
US9190674B2 (en) | 2008-10-28 | 2015-11-17 | Seiko Instruments Inc. | Fuel cell and fuel cell system |
DE112009002388B4 (en) | 2008-10-28 | 2018-04-26 | Seiko Instruments Inc. | Fuel cell and fuel cell system |
JP5311587B2 (en) * | 2008-10-28 | 2013-10-09 | セイコーインスツル株式会社 | Fuel cell and fuel cell system |
JP5311586B2 (en) * | 2008-10-28 | 2013-10-09 | セイコーインスツル株式会社 | Fuel cell and fuel cell system |
GB2476742A (en) * | 2008-10-28 | 2011-07-06 | Seiko Instr Inc | Fuel cell and fuel cell system |
GB2477043A (en) * | 2008-10-28 | 2011-07-20 | Seiko Instr Inc | Fuel cell and fuel cell system |
CN102187505A (en) * | 2008-10-28 | 2011-09-14 | 精工电子有限公司 | Fuel cell and fuel cell system |
GB2477043B (en) * | 2008-10-28 | 2013-09-04 | Seiko Instr Inc | Fuel cell and fuel cell system |
GB2476742B (en) * | 2008-10-28 | 2013-09-11 | Seiko Instr Inc | Fuel cell and fuel cell system |
WO2010050378A1 (en) * | 2008-10-28 | 2010-05-06 | セイコーインスツル株式会社 | Fuel cell and fuel cell system |
WO2010050377A1 (en) * | 2008-10-28 | 2010-05-06 | セイコーインスツル株式会社 | Fuel cell and fuel cell system |
US9406951B2 (en) | 2008-10-28 | 2016-08-02 | Seiko Instruments Inc. | Fuel cell and fuel cell system as described and claimed in |
JP2010231922A (en) * | 2009-03-26 | 2010-10-14 | Honda Motor Co Ltd | Fuel cell |
KR100974640B1 (en) * | 2009-09-03 | 2010-08-06 | 한국에너지기술연구원 | Fuel cell with gas diffusion layer having flow channel and manufacturing method thereof |
JP2017107662A (en) * | 2015-12-07 | 2017-06-15 | 株式会社デンソー | Fuel battery single cell and fuel battery cell stack |
JP2017168333A (en) * | 2016-03-17 | 2017-09-21 | シャープ株式会社 | Fuel cell |
JP2022179943A (en) * | 2021-05-24 | 2022-12-06 | 本田技研工業株式会社 | Electrochemical cell, cell operation system and cell operation method |
JP7220742B2 (en) | 2021-05-24 | 2023-02-10 | 本田技研工業株式会社 | ELECTROCHEMICAL CELL, CELL OPERATING SYSTEM AND CELL OPERATING METHOD |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2007242443A (en) | Fuel cell power generation cell | |
Nam et al. | Microporous layer for water morphology control in PEMFC | |
JP5476694B2 (en) | FUEL CELL, GAS DIFFUSION LAYER FOR FUEL CELL AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME | |
JP5181634B2 (en) | Fuel cell | |
JP5384506B2 (en) | Cathode electrode for fuel cell having two types of water repellency, method for producing the same, membrane electrode assembly including the same, and fuel cell | |
US9461311B2 (en) | Microporous layer for a fuel cell | |
JP5188872B2 (en) | Direct oxidation fuel cell | |
CN106797035A (en) | The forming method of gas diffusion layer for fuel cell, fuel cell and gas diffusion layer for fuel cell | |
CN107851824A (en) | Fuel cell and fuel cell pack | |
JP5153159B2 (en) | Fuel cell | |
JP5304131B2 (en) | Fuel cell and fuel cell separator | |
KR101075518B1 (en) | Bipolar plate with nano and micro structures | |
JP2007220570A (en) | Fuel cell power generation cell | |
JP5364980B2 (en) | Fuel cell | |
JP2007242417A (en) | Fuel cell | |
JP5454051B2 (en) | Solid polymer fuel cell single cell, method for producing the same, and fuel cell stack having the same | |
JP2005294121A (en) | Gas diffusion layer and fuel cell using it | |
JP2010027243A (en) | Fuel cell | |
JP2005222720A (en) | Fuel cell | |
JP2009277385A (en) | Fuel cell | |
JP2008277260A (en) | Electrode for fuel cell, membrane-electrode assembly equipped with it, and fuel cell system | |
JP7188323B2 (en) | Fuel cell separator and fuel cell | |
JP2007172966A (en) | Polymer electrolyte fuel cell | |
CN112771700B (en) | Fluid guide channel and fuel cell provided with same | |
JP5286174B2 (en) | Fuel cell separator |