JP2007273100A - Cell and stack of fuel battery as well as fuel battery system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池のセル及びスタック並びに燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell and stack and a fuel cell system.
特許文献1開示の一般的な燃料電池のスタックは、図8に示すように、複数のセル10が積層されてなる。各セル10は、導電性材料製のセパレータ12、膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)11及びセパレータ12によって構成されている。スタックにおいては、隣り合うセル10はセパレータ12を共通にしている。
The general fuel cell stack disclosed in
各膜電極接合体11は、ナフィオン(登録商標、Nafion(Dupon社製))等の固体高分子膜からなる電解質膜11aと、この電解質膜11aの一面に接合されて空気が供給されるカソード極11bと、電解質膜11aの他面に接合されて燃料が供給されるアノード極11cとを有している。
Each
図9に示すように、カソード極11bは、電解質膜11a側に位置し、カーボン粒子に触媒が担持された触媒担持カーボンと電解質とを有する触媒層13aと、触媒層13aに隣接して空気を拡散する拡散層13bとからなる。アノード極11cは、電解質膜11a側に位置し、触媒担持カーボンと電解質とを有する触媒層14aと、触媒層14aに隣接して燃料を拡散する拡散層14bとからなる。
As shown in FIG. 9, the
図8に示すように、各セパレータ12は各膜電極接合体11を間に挟んで積層される。個々のセパレータ12における各カソード極11b側の一面には空気室12bが複数本の溝状に形成されており、各アノード極11c側の他面には燃料室12cが複数本の溝状に形成されている。各空気室12b及び各燃料室12cは、ともに溝状に形成されていることから、上流域から下流域まで連通面積が等しく形成されている。また、各空気室12bと各燃料室12cとは逆方向又は互いに直交する方向に延びている。スタックに供給される空気は各セル10の全ての空気室12bを流通するようになっており、スタックに供給される燃料は各セル10の全ての燃料室12cを流通するようになっている。
As shown in FIG. 8, the
このスタックは、各空気室12bに空気を供給する空気ブロワ等の空気供給装置と、各燃料室12cに燃料としての水素を供給する水素タンク等の燃料供給装置とともに、燃料電池システムとされる。そして、この燃料電池システムは、スタックにおいて、空気室12bに供給される空気と、燃料室12cに供給される燃料との電気化学反応を生じる。具体的には、アノード極11cで得られた水素イオンがプロトン(H3O+)の形態で水分を含んだ電解質膜11a中をカソード極11b側に移動し、カソード極11bで空気中の酸素と反応し、水を生成する。一方、アノード極11cで得られた電子は負荷を通ってカソード極11b側に移動する。こうして、このスタックにおいては、起電力を生じる。
This stack is a fuel cell system together with an air supply device such as an air blower for supplying air to each
この際、多くのスタックでは、良好な発電状態を維持するため、空気室12b内を加湿し、各セル10の電解質膜11aを適度に湿潤させることがなされている。なぜなら、電解質膜11aが乾燥してしまうと、燃料室12cから電解質膜11aを介して空気室12bへプロトンが移動することが阻害されることとなり、その結果、セル10の発電能力が低下するからである。そして、その状態が継続すれば、スタックに回復困難な性能低下や故障が生じ得るからである。
At this time, in many stacks, in order to maintain a good power generation state, the inside of the
しかしながら、発明者の知見によれば、従来のセル10は、空気室12bの上流域において、それ以外の部分と比べ、ドライアップが生じやすい。空気室12bの上流域以外の部分では、カソード極11bで生じる生成水の量が多いのであるが、空気室12bの上流域では、順次大気から空気が供給され、上流域の流速が他の部分と比べて大きいことから、電解質11a内の含水率が低下すると考えられるからである。
However, according to the inventor's knowledge, the
かといって、空気室12bの上流域に対し、より積極的に加湿の水を供給することとすれば、その位置のカソード極11bに空気が供給され難くなったり、その位置のアノード極11cに燃料が供給され難くなったりしてしまう。
However, if humidified water is more actively supplied to the upstream region of the
このため、従来のセルは、アノード極11c及びカソード極11bに過電圧の上昇する部位が発生し易く、その場合にはセル電圧が低下してしまう。このため、複数のセル10が積層されたスタックにおいては、十分なスタック電圧を生じ難い。
For this reason, in the conventional cell, a portion where the overvoltage increases is likely to occur in the
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、セル電圧及びスタック電圧の効率を向上させることを解決すべき課題としている。 The present invention has been made in view of the above-described conventional situation, and an object to be solved is to improve the efficiency of the cell voltage and the stack voltage.
本発明の燃料電池のセルは、電解質膜と、該電解質膜の一面に接合されて空気が供給されるカソード極と、該電解質膜の他面に接合されて燃料が供給されるアノード極とを有する膜電極接合体と、 The cell of the fuel cell of the present invention comprises an electrolyte membrane, a cathode electrode joined to one surface of the electrolyte membrane and supplied with air, and an anode electrode joined to the other surface of the electrolyte membrane and supplied with fuel. A membrane electrode assembly,
該カソード極側に空気室を形成するとともに、該アノード極側に燃料室を形成するように該膜電極接合体を挟持する対をなす導電性材料製のセパレータとを備えている燃料電池のセルにおいて、 A fuel cell comprising: an air chamber formed on the cathode electrode side; and a pair of conductive material separators sandwiching the membrane electrode assembly so as to form a fuel chamber on the anode electrode side. In
前記空気室は、上流域が下流域よりも連通面積が小さくなるように形成されていることを特徴とする。 The air chamber is characterized in that the upstream area has a smaller communication area than the downstream area.
上流域が下流域よりも連通面積が小さくなるように形成された空気室、例えばディフューザ(Diffuser)形状の空気室では、空気の流れる方向と垂直な方向である膜電極接合体側及びセパレータの壁面側において、静圧が上流域で低く、下流域で高くなる。このため、本発明のセルでは、空気室の膜電極接合体側及びセパレータの壁面側において、下流域から上流域に向かって生成水等の水が流れ、空気室の上流域におけるドライアップを緩和する。なお、空気室は空気を下流側に向かって流通可能であるため、上流域における電気化学反応は阻害されない。 In an air chamber formed such that the upstream area has a smaller communication area than the downstream area, for example, a diffuser-shaped air chamber, the membrane electrode assembly side and the separator wall surface side that are perpendicular to the air flow direction , The static pressure is low in the upstream region and high in the downstream region. For this reason, in the cell of the present invention, on the membrane electrode assembly side of the air chamber and the wall surface side of the separator, water such as generated water flows from the downstream region toward the upstream region, thereby mitigating dry-up in the upstream region of the air chamber. . In addition, since an air chamber can distribute | circulate air toward a downstream, the electrochemical reaction in an upstream area is not inhibited.
このため、このセルでは、空気室の上流域に対して加湿の水をより積極的に供給する必要がないことから、カソード極全体に空気が好適に供給される。このため、カソード極全体が好適に電気化学反応を生じ、セル電圧の効率が向上する。そして、複数のセルを積層したスタックにおいては、十分なスタック電圧を生じる。 For this reason, in this cell, it is not necessary to supply the humidified water more actively to the upstream region of the air chamber, so that air is suitably supplied to the entire cathode electrode. For this reason, the whole cathode electrode suitably causes an electrochemical reaction, and the efficiency of the cell voltage is improved. In a stack in which a plurality of cells are stacked, a sufficient stack voltage is generated.
したがって、本発明のセルによれば、セル電圧及びスタック電圧の効率が向上する。 Therefore, according to the cell of the present invention, the efficiency of the cell voltage and the stack voltage is improved.
セパレータは、導電性材料製のプレートと、プレートの一面に設けられ、導電性及び親水性を有し、かつ多くの空孔を有する多孔質状に形成され、各空孔に空気室を構成する網材とを有し得る。 The separator is provided on one surface of a plate made of a conductive material, and is formed in a porous shape having conductivity and hydrophilicity and having many pores, and configures an air chamber in each pore. And netting.
この場合、網材の表面張力によって生成水等の水が厚さ方向に拡散し、水が詰まり難い。このため、このセルにおいては、空気の圧力損失を生じ難く、優れた供給性を発揮できる。このため、このセルにおいては、優れた集電性も発揮できる。 In this case, water such as generated water diffuses in the thickness direction due to the surface tension of the mesh material, and the water is not easily clogged. For this reason, in this cell, it is hard to produce the pressure loss of air and can exhibit the outstanding supply property. For this reason, in this cell, the outstanding current collection property can also be exhibited.
網材は、導電性の線材と親水性の線材とによって、三次元の網目状に形成され、線材間に空気室が形成されることもできる。導電性の線材としては、通常のニッケル、チタン、SUS、タンタル、カーボン等の導電性繊維を採用することができる。また、親水性の線材としては、金属酸化物のウィスカー、植物繊維等を採用することができる。導電性及び親水性の線材としては、親水処理したニッケル、チタン、SUS、タンタル、カーボン等の導電性繊維を採用することができる。親水処理としては、アルカリ処理、表面の酸化処理等を採用することができる。 The mesh material is formed in a three-dimensional mesh shape with a conductive wire material and a hydrophilic wire material, and an air chamber may be formed between the wire materials. As the conductive wire material, conductive fibers such as ordinary nickel, titanium, SUS, tantalum, and carbon can be employed. In addition, as the hydrophilic wire, a metal oxide whisker, plant fiber, or the like can be used. As the conductive and hydrophilic wires, conductive fibers such as nickel, titanium, SUS, tantalum, and carbon that have been subjected to hydrophilic treatment can be employed. As the hydrophilic treatment, alkali treatment, surface oxidation treatment, or the like can be employed.
網材には、プレート側に吸水性の貯水層が形成されていることが好ましい。この場合、網材の厚さ方向に拡散した水が貯水層に集められ、静圧によって上流側に流れやすい。 The net member preferably has a water-absorbing water storage layer formed on the plate side. In this case, the water diffused in the thickness direction of the mesh material is collected in the reservoir and easily flows upstream due to static pressure.
膜電極接合体は、電解質膜側に位置する触媒層からなり、触媒層と網材とが接合されているものであり得る。セパレータの網材が従来の拡散層の役割を担うことができるからである。この場合、膜電極接合体の構造が簡易になり、製造コストの低廉化を実現することができる。 The membrane electrode assembly may be composed of a catalyst layer located on the electrolyte membrane side, and the catalyst layer and the network material may be joined. This is because the separator netting material can serve as a conventional diffusion layer. In this case, the structure of the membrane electrode assembly is simplified, and the manufacturing cost can be reduced.
本発明の燃料電池のスタックは、上記本発明のセルを多数積層してなることを特徴とする。このスタックによれば、スタック電圧の効率を向上させることが可能である。 The fuel cell stack of the present invention is characterized in that a large number of the cells of the present invention are stacked. According to this stack, it is possible to improve the efficiency of the stack voltage.
また、本発明の燃料電池システムは、上記本発明のスタックと、各前記空気室に前記空気を供給する空気供給装置と、各前記燃料室に前記燃料を供給する燃料供給装置とを備え、 The fuel cell system of the present invention includes the stack of the present invention, an air supply device that supplies the air to each air chamber, and a fuel supply device that supplies the fuel to each fuel chamber,
前記スタックは各前記空気室が上下方向に延びており、前記空気供給装置は各該空気室に下方から前記空気を供給することを特徴とする。 In the stack, each air chamber extends in a vertical direction, and the air supply device supplies the air to each air chamber from below.
本発明の燃料電池システムでは、スタックの各空気室が上下方向に延び、空気供給装置は、各空気室に対し、下方から空気を供給する。この場合、各空気室の下流側で生じた生成水が重力によって空気室の上流域を潤し、そこでのドライアップをより効果的に緩和する。また、過剰な水を重力によって効果的に空気室から下方に排出し、そこでのフラッディングも防止する。プレート側に貯水層が形成されている場合には、特にこれらの作用が顕著となる。また、各空気室の上流域で生じた生成水は、周囲の未反応の空気より軽い水蒸気となって上方に位置する下流域に移動し、空気室から排出されるため、空気室の下流域でのフラッディングも生じ難い。 In the fuel cell system of the present invention, each air chamber of the stack extends in the vertical direction, and the air supply device supplies air from below to each air chamber. In this case, the generated water generated on the downstream side of each air chamber moistens the upstream region of the air chamber by gravity, thereby more effectively mitigating dry-up there. Also, excess water is effectively drained downward from the air chamber by gravity, preventing flooding there. When the water reservoir is formed on the plate side, these effects are particularly remarkable. In addition, the generated water generated in the upstream area of each air chamber becomes lighter than surrounding unreacted air, moves to the downstream area located above, and is discharged from the air chamber. Flooding is unlikely to occur.
以下、本発明を具体化した実施例1、2を図面を参照しつつ説明する。 Embodiments 1 and 2 embodying the present invention will be described below with reference to the drawings.
実施例1の燃料電池のスタックは、図1〜3に示すように、プレート1、第1網材2及び第3網材3からなるセパレータ4と、一対のセパレータ4によって挟まれて積層される膜電極接合体5とを採用している。
As shown in FIGS. 1 to 3, the stack of the fuel cell of Example 1 is sandwiched and stacked between a separator 4 composed of a
プレート1は、空気の流れる方向を上下とした場合、垂直に延びる両側面1a、1bを有している。両側面1a、1bは、上辺が短く、下辺が長い台形をしている。プレート1の第1網材2側の面1cは、空気の流れる方向に対し、上方に向かう程離れるように傾斜した斜面になっている。プレート1の第1網材2とは逆側の面1dには、図3に示すように、凹部1eが凹設されている。
The
図2に示すように、第1網材2は、チタン繊維からなる導電性及び親水性の線材によって三次元の網目状に形成されている。この第1網材2はプレート1の上下を入れ替えた形状をしている。すなわち、第1網材2は、空気の流れる方向を上下とした場合、垂直に延びる両側面2a、2bを有している。両側面2a、2bは、上辺が長く、下辺が短い台形をしている。第1網材2のプレート1側の面2cは、空気の流れる方向に対し、上方に向かう程離れるように傾斜した斜面になっている。第1網材2のプレート1側の面2cには吸水性のある貯水層2dが形成されている。第1網材2のプレート1とは逆側の面1eは垂直にされている。
As shown in FIG. 2, the 1st net |
図3に示すように、第2網材3も、チタン繊維からなる導電性及び親水性の線材によって三次元の網目状に形成されている。この第2網材3は平板状をしている。第2網材3のプレート1側の面には吸水性のある貯水層3aが形成されている。
As shown in FIG. 3, the 2nd net |
第1網材2は、図1及び図3に示すように、貯水層2dがプレート1の斜面1cに当接する状態で設けられ、これによって線材間に上流域が下流域よりも連通面積が小さくなるディフューザ形状の空気室が形成されている。一方、第2網材3は、図3に示すように、貯水層3aがプレート1の凹部1eの底面に当接する状態で設けられ、これによって線材間に燃料室が形成されている。
As shown in FIGS. 1 and 3, the first
図4に膜電極接合体5の断面の一部を示す、この膜電極接合体5は、固体高分子膜からなる電解質膜5aと、この電解質膜5aの一面に接合されて空気が供給されるカソード極5bと、電解質膜5aの他面に接合されて燃料が供給されるアノード極5cとを有している。カソード極5b及びアノード極5cは、電解質膜5a側に位置する触媒層からなり、触媒層に隣接する従来のような拡散層を有さない。
FIG. 4 shows a part of the cross section of the membrane /
図5に示すように、プレート1、第1網材2、膜電極接合体5及び第2網材3によってセルが構成される。複数のセルがハウジング7内で積層されることによってスタック6が構成される。スタック6では、各空気室が上下方向に延び、各燃料室が水平方向に延びている。全ての空気室に連通する空気通路6aは上方で水平に設けられているとともに、全ての空気室に連通する空気通路6bが下方で水平に設けられている。また、全ての燃料室に連通する燃料通路が空気通路6a、6bと90°ずれて水平方向に設けられている。
As shown in FIG. 5, a cell is constituted by the
図6に示すように、空気ブロワ30はスタック6の下方に位置する吸引口に空気を吹き込むように設けられており、空気ブロワ30から供給された空気は全ての空気室に下方から導かれるようになっている。また、スタック6は各空気室から排出された排気を上方から排気されるようになっている。
As shown in FIG. 6, the
また、スタック6の燃料通路には、バルブ32を介して水素タンク31が接続されている。そして、スタック6の両端のプレート1は自動車のモータ等の負荷35に電気的に接続され、スタック6の側端はポンプ36によって冷却水が循環するようにラジエータ37に接続されている。こうして燃料電池システムが構成されている。
A
以上のように構成されたスタック6においては、空気室に供給される空気と、燃料室に供給される水素との電気化学反応により、起電力を生じる。そして、カソード極5bには生成水を生じる。また、空気室内は加湿される。
In the
この際、ディフューザ形状の空気室では、空気の流れる方向と垂直な方向である膜電極接合体5側及びプレート1の斜面1c側において、静圧が上流域で低く、下流域で高くなる。このため、この燃料電池システムでは、空気室の膜電極接合体5側及びプレート1の斜面1c側において、下流域から上流域に向かって生成水等の水が流れ、空気室の上流域におけるドライアップを緩和する。なお、空気室は空気を下流側に向かって流通可能であるため、上流域における電気化学反応は阻害されない。
At this time, in the diffuser-shaped air chamber, the static pressure is low in the upstream region and high in the downstream region on the
このため、この燃料電池システムでは、空気室の上流域に対して加湿の水をより積極的に供給する必要がないことから、カソード極5b全体に空気が好適に供給される。このため、カソード極5b全体が好適に電気化学反応を生じ、セル電圧の効率が向上する。そして、複数のセルを積層したスタック6においては、十分なスタック電圧を生じる。
For this reason, in this fuel cell system, it is not necessary to more actively supply humidified water to the upstream region of the air chamber, so that air is suitably supplied to the
また、この燃料電池システムでは、スタック6の各空気室が上下方向に延び、空気ブロア30は、各空気室に対し、下方から空気を供給する。この場合、各空気室の下流側で生じた生成水が重力によって空気室の上流域を潤し、そこでのドライアップをより効果的に緩和する。また、過剰な水を重力によって効果的に空気室から下方に排出し、そこでのフラッディングも防止する。特に、この燃料電池システムでは、第1網材2のプレート1側に貯水層2dを設けているため、第1網材2の厚さ方向に拡散した水が貯水層2dに集められ、静圧によって上流側に流れやすい。また、各空気室の上流域で生じた生成水は、周囲の未反応の空気より軽い水蒸気となって上方に位置する下流域に移動し、空気室から排出されるため、空気室の下流域でのフラッディングも生じ難い。
In this fuel cell system, each air chamber of the
したがって、この燃料電池システムでは、セル電圧が低下し難く、十分なスタック電圧を安定して生じ易くなっている。 Therefore, in this fuel cell system, the cell voltage is unlikely to decrease, and a sufficient stack voltage is easily generated stably.
また、この燃料電池システムでは、第1、2網材2、3の線材による表面張力によって生成水や残留水が厚さ方向に拡散し、生成水や残留水が詰まり難い。このため、この燃料電池システムにおいては、空気及び水素の圧力損失を生じ難く、優れた供給性を発揮できる。また、この空気室及び燃料室では、線材による表面張力によって生成水や残留水が厚さ方向に拡散して乾き難く、また安定した接触面積を確保できる。このため、この燃料電池システムにおいては、優れた集電性も発揮できる。特に、この燃料電池システムでは、第1、2網材2、3のプレート1側に貯水層2d、3aが形成されているため、一時的な水不足が生じた時に貯水層2d、3aが電極の乾きを抑える。
Further, in this fuel cell system, the generated water and residual water are diffused in the thickness direction due to the surface tension of the first, second and
また、このスタック6においては、膜電極接合体5のカソード極5b及びアノード極5cが触媒層だけからなることから、膜電極接合体5の構造が簡易であり、製造コストの低廉化を実現することもできる。なお、このスタック1において、図9に示す膜電極接合体11を採用することも可能である。
Further, in this
実施例2のスタックは、図7に示すように、プレート10、第1網材20、図示しない第3網材及び膜電極接合体50を採用している。
As shown in FIG. 7, the stack of the second embodiment employs a
プレート10は、空気の流れる方向を上下とした場合、垂直に延びる側面10aと、下方ほどその側面10aに近づく側面10bとを有している。第1網材20はプレート10の上下を入れ替えた形状をしている。すなわち、第1網材20は、空気の流れる方向を上下とした場合、垂直に延びる側面20aと、下方ほどその側面20aに近づく側面20bとを有している。第1網材20のプレート10側の面には吸水性のある貯水層20cが形成されている。膜電極接合体50は、台形板形状をしている。
The
プレート10、第1網材20、第3網材及び膜電極接合体50の下方にはインテークマニホールド8が設けられている。インテークマニホールド8の下方には、空気ブロワ30から供給される空気を第1網材20の線材間からなる空気室に導くための開口8aが形成されている。なお、プレート10、第1網材20、第3網材及び膜電極接合体50の上方には図示しないエキゾーストマニホールドが設けられている。他の構成は実施例1と同様である。
An
この燃料電池システムの空気室は、上流域が下流域よりも連通面積が一層小さくされている。このため、この燃料電池システムでは、静圧が上流域でより低く、下流域でより高くなるため、一層本発明の作用効果を生じる。他の作用効果は実施例1と同様である。 In the air chamber of this fuel cell system, the upstream area has a smaller communication area than the downstream area. For this reason, in this fuel cell system, since the static pressure is lower in the upstream region and higher in the downstream region, the effects of the present invention are further produced. Other functions and effects are the same as those of the first embodiment.
以上において、本発明を実施例1、2に即して説明したが、本発明は上記実施例1、2に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。 In the above, the present invention has been described with reference to the first and second embodiments. However, the present invention is not limited to the first and second embodiments, and can be appropriately modified and applied without departing from the spirit of the present invention. Needless to say.
本発明は、電気自動車等の移動用電源、屋外据え置き用電源、ポータブル電源等の燃料電池システムに利用可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for a fuel cell system such as a moving power source for an electric vehicle, an outdoor stationary power source, and a portable power source.
5…膜電極接合体
5a…電解質膜
5b…カソード極
5c…アノード極
4…セパレータ
1、10…プレート
2、20…第1網材
2d、20c…貯水層
6…スタック
30…空気ブロワ(空気供給装置)
31…水素タンク(水素供給装置)
DESCRIPTION OF
31 ... Hydrogen tank (hydrogen supply device)
Claims (7)
該カソード極側に空気室を形成するとともに、該アノード極側に燃料室を形成するように該膜電極接合体を挟持する対をなす導電性材料製のセパレータとを備えている燃料電池のセルにおいて、
前記空気室は、上流域が下流域よりも連通面積が小さくなるように形成されていることを特徴とする燃料電池のセル。 A membrane electrode assembly having an electrolyte membrane, a cathode electrode joined to one surface of the electrolyte membrane and supplied with air, and an anode electrode joined to the other surface of the electrolyte membrane and supplied with fuel;
A fuel cell comprising: an air chamber formed on the cathode electrode side; and a pair of conductive material separators sandwiching the membrane electrode assembly so as to form a fuel chamber on the anode electrode side. In
The fuel cell according to claim 1, wherein the air chamber is formed such that the upstream area has a smaller communication area than the downstream area.
前記スタックは各前記空気室が上下方向に延びており、前記空気供給装置は各該空気室に下方から前記空気を供給することを特徴とする燃料電池システム。 A stack according to claim 6, an air supply device that supplies the air to each of the air chambers, and a fuel supply device that supplies the fuel to each of the fuel chambers,
Each of the air chambers extends vertically in the stack, and the air supply device supplies the air to the air chambers from below.
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JP2010284625A (en) * | 2009-06-15 | 2010-12-24 | Mitsubishi Electric Corp | Electrostatic atomizer, and air conditioner |
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- 2006-03-30 JP JP2006093553A patent/JP2007273100A/en active Pending
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