JP2007250438A - 燃料電池および燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】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の面上に形成された触媒電極層と、上記触媒電極層上に形成されたガス拡散層と、上記ガス拡散層上に形成されたセパレータとを有する燃料電池であって、上記固体電解質膜の一方の側に形成された上記触媒電極層および上記ガス拡散層を有するアノードでは、上記アノード内を通流するガスの通流方向の下流側で、上記固体電解質膜と接する部分に窒素ガスを保持する窒素ガス保持部を有し、上記窒素ガス保持部には、上記触媒電極層が形成されていないことを特徴とする燃料電池を提供する。
【選択図】図1
Description
また本発明によれば、運転始動時等において、アノード内を通流するガスの通流方向の下流側の水素濃度が低い場合であっても、上記窒素ガス保持部には触媒電極層が形成されていないことにより、内部電池の形成を防ぐことができ、上記アノードデッドエンドでの運転時と同様の効果を得ることができる。
さらに本発明によれば、アノードデッドエンドの状態で燃料電池を運転させた際、上記窒素ガス保持部に高濃度の窒素ガスが保持されることになる。高濃度の窒素ガスが保持された窒素ガス保持部は、固体電解質膜と接していることから、窒素ガス保持部とそれに対向するカソード部分との窒素ガスの分圧差により、固体電解質膜を通して窒素ガスを上記カソードに容易に移動させることができる。したがって、窒素ガス保持部に保持された窒素ガスを排出することが可能となる。
また本発明においては、上記閉塞手段により上記アノード内を通流するガスの通流方向の下流側を閉塞させて燃料電池を運転させた際、上記窒素ガス保持部に高濃度の窒素ガスが保持される。これにより、窒素ガス保持部とそれに対向するカソード部分とに窒素ガスの分圧差が生じ、この分圧差を利用して、窒素ガスを窒素ガス保持部からカソードへ移動させて排出することができる。
図1は、本発明の燃料電池の最小単位である単位セルの構造の一例を示すものである。本発明の燃料電池の単位セル(以下、燃料電池セルとする場合がある。)は、例えば図1に示すように、固体電解質膜1の一方の面上に触媒電極層2および窒素ガス保持部3が形成され、その上にはガス拡散層4、セパレータ5がこの順で積層され、また固体電解質膜1の他方の面上には、触媒電極層2、ガス拡散層4、セパレータ5がこの順で積層されている。また、窒素ガス保持部3を有するアノード7には、燃料ガスとして水素ガス6が供給され、またカソード9には、酸素を含む酸化剤ガスとして空気8が供給される。
以下、本発明の燃料電池について、各構成ごとに詳しく説明する。
まず、本発明における窒素ガス保持部について説明する。本発明における窒素ガス保持部は、アノード内を通流するガスの通流方向の下流側で、上記固体電解質膜と接する部分に形成され、触媒電極層が形成されていないものである。
本発明の燃料電池の構成において、上述した窒素ガス保持部以外の構成に関しては、特に限定されるものではなく、一般的な燃料電池の構成と同様のものを用いることができる。一般的な燃料電池の構成としては、例えば固体電解質膜の両側の表面に触媒電極層が接合され、その外側の表面にはガス拡散層が配され、さらに、その外側にはセパレータが配されているもの等を挙げることができる。本発明においては、このような一般的な構成を有する燃料電池のアノード内を通流するガスの通流方向の下流側の固体電解質膜と接する部分に窒素ガス保持部を有し、この窒素ガス保持部には、触媒電極層が形成されていないことを特徴とするものである。
ここで、上述したようにガス拡散層をガス流路として用いる場合、ガス拡散層は、例えば図4に示すように、全面が多孔体とされていてもよく、また図5に示すように、対角線上で仕切られている分割された多孔体とされていてもよい。なお、図5に示すような分割された多孔体であるガス拡散層は、水素ガスの通流方向の下流側(図中、Zで示す領域)に効率的に窒素ガスを集積することが可能であるという利点を有している。
本発明の燃料電池システムは、上述した燃料電池を複数積層した燃料電池スタックを有し、上記燃料電池におけるアノードでは、上記アノード内を通流するガスの通流方向の下流側を閉塞する閉塞手段を有する燃料電池システムである。
アノードおよびカソード用のガス拡散層としてカーボンペーパー(商品名:TGP−H−060、東レ株式会社製)を用い、それぞれのガス拡散層上に、白金触媒を担時したカーボンおよびNafion(商品名、デュポン株式会社製)からなる触媒電極層形成用塗工液を塗布し、乾燥させて触媒電極層を形成した。この時、アノード用のガス拡散層においては、塗布領域をガス拡散層上全体の面積の90%とし、残りの10%の領域を窒素保持部形成領域とした。次いで、固体電解質膜としてNafion(商品名、デュポン株式会社製)を用い、この固体電解質膜の一方の表面にアノード用ガス拡散層を、もう一方の表面にカソード用ガス拡散層をホットプレスにより圧着し、アノード側に窒素ガス保持部が形成された膜電極複合体を得た。
一方、アノード側のガス拡散層に水素ガスを供給する水素ガス供給口およびガス拡散層から水素の排ガスを排出する水素排ガス排出口と、カソード側のガス拡散層に空気を供給する空気供給口およびガス拡散層から空気の排ガスを排出する空気排ガス排出口とを備えたセパレータを作製した。このセパレータは、水素ガス供給口および水素排ガス排出口を有するアノード側金属板と、水素ガス供給口、水素排ガス排出口、空気供給口および空気排ガス排出口それぞれと連通する連通孔を有する中間金属板と、空気供給口および空気排ガス排出口を有するカソード側金属板とをこの順で重ね、これら3枚の金属板をホットプレスにより圧着し、接合して作製した。なお、ここで用いられる金属板としては、表面にメッキを施したステンレス板を用いた。このセパレータをそれぞれのガス拡散層上に、窒素ガス保持部がアノード内を通流する水素ガスの通流方向の下流側(水素排ガス排出口側)に配置されるように設置し、窒素ガス保持部を有する燃料電池セルを作製した。
[比較例1]
アノード用ガス拡散層における触媒電極層形成用塗工液の塗布領域を全面とし、窒素ガス保持部を形成しなかったこと以外は、実施例1と同様にして燃料電池セルを作製した。
[評価]
実施例1および比較例1の単位セルを用いて発電試験を行った。その結果、窒素ガス保持部を形成しなかった燃料電池セル(比較例1)においては、アノード内を通流するガスの下流側に対向するカソード側の触媒電極層に劣化が見られたが、窒素ガス保持部を形成した燃料電池セル(実施例1)においては、窒素ガス保持部に対向するカソード側の触媒電極層に劣化は見られなかった。
2…触媒電極層
3…窒素ガス保持部
4…ガス拡散層
5…セパレータ
7…アノード
9…カソード
11…燃料電池
12…燃料電池スタック
13…ガスの通流方向の下流側
Claims (2)
- 固体電解質膜と、前記固体電解質膜の両側の面上に形成された触媒電極層と、前記触媒電極層上に形成されたガス拡散層と、前記ガス拡散層上に形成されたセパレータとを有する燃料電池であって、
前記固体電解質膜の一方の側に形成された前記触媒電極層および前記ガス拡散層を有するアノードでは、前記アノード内を通流するガスの通流方向の下流側で、前記固体電解質膜と接する部分に窒素ガスを保持する窒素ガス保持部を有し、前記窒素ガス保持部には、前記触媒電極層が形成されていないことを特徴とする燃料電池。 - 固体電解質膜、前記固体電解質膜の両側の面上に形成された触媒電極層、前記触媒電極層上に形成されたガス拡散層および、前記ガス拡散層上に形成されたセパレータを有する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックを有し、前記固体電解質膜の一方の側に形成された前記触媒電極層および前記ガス拡散層を有するアノードでは、前記アノード内を通流するガスの通流方向の下流側を閉塞する閉塞手段を有する燃料電池システムであって、
前記アノードでは、前記アノード内を通流するガスの通流方向の下流側で、前記固体電解質膜と接する部分に窒素ガスを保持する窒素ガス保持部を有し、前記窒素ガス保持部には、前記触媒電極層が形成されていないことを特徴とする燃料電池システム。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2008034225A (ja) * | 2006-07-28 | 2008-02-14 | Toyota Motor Corp | 燃料電池システム |
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