JP2007305402A - Solid polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid polymer electrolyte fuel cell which can be operated safely. <P>SOLUTION: This solid polymer electrolyte fuel cell is formed by mutually laminating a membrane-electrode assembly 10 and porous separators 30, 40. The membrane-electrode assembly 10 has a polymer electrolyte membrane 11, a fuel electrode 60 including a fuel electrode catalyst layer 12 and a fuel electrode gas diffusing layer 13, disposed on one side of the polymer electrolyte membrane 11, and an oxidizer electrode 61, including an oxidizer electrode catalyst layer 12 and an oxidizer electrode gas diffusing layer 13, disposed on the other side of the polymer electrolyte membrane 11. The porous separators include the porous fuel electrode separator 30, having a fuel gas passage groove 62 on the outside of the fuel electrode 60, and the porous oxidizer electrode 40, having an oxidizer gas passage groove 64 on the outside of the oxidizer electrode 61. A water passage 22 for circulating water is formed at the back of the fuel electrode separator 30 and the oxidizer electrode separator 40, and the bubble pressure of the fuel electrode separator 30 is higher than the bubble pressure of the oxidizer electrode separator 40. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

この発明は、複数の膜・電極接合体および多孔質セパレータなどを相互に積層してなる固体高分子電解質型燃料電池に関する。   The present invention relates to a solid polymer electrolyte fuel cell formed by laminating a plurality of membrane / electrode assemblies, a porous separator, and the like.

一般に固体高分子電解質型燃料電池においては、燃料極に水素を含む燃料ガスを供給し、酸化剤極に酸素を含む酸化剤ガスを供給し、電気化学反応によって電気と熱とを発生する。燃料極で生じる反応は下記(1)式、酸化剤極で生じる反応は(2)式で表わされる。これらの反応の結果、酸化剤極では水が生成される。   In general, in a solid polymer electrolyte fuel cell, a fuel gas containing hydrogen is supplied to a fuel electrode, an oxidant gas containing oxygen is supplied to an oxidant electrode, and electricity and heat are generated by an electrochemical reaction. The reaction occurring at the fuel electrode is expressed by the following equation (1), and the reaction occurring at the oxidant electrode is expressed by the following equation (2). As a result of these reactions, water is generated at the oxidizer electrode.

→ 2H + e- (1)
4H + O + e- → 2HO (2)
上記の反応は、各々の電極に塗布された触媒において生じる。通常、白金あるいは白金と他元素との合金を炭素担体上に分散した触媒が用いられる。
H 2 → 2H + + e− (1)
4H + + O 2 + e − → 2H 2 O (2)
The above reaction occurs in the catalyst applied to each electrode. Usually, a catalyst in which platinum or an alloy of platinum and other elements is dispersed on a carbon support is used.

固体高分子電解質型燃料電池においては、燃料極と酸化剤極の間に、プロトン伝導性の高分子電解質膜を配する(たとえば特許文献1参照)。この高分子膜はプロトン伝導体としての役割を有すると同時に、両極の気体を分離する役割を有する。燃料極および酸化剤極はガス拡散層上に、前述の触媒および電解質から成る触媒層を塗布して形成される。これらの燃料極および酸化剤極を高分子膜の両面にそれぞれ配して、120℃以上150℃以下の温度で、熱圧着し一体化する。   In a solid polymer electrolyte fuel cell, a proton conductive polymer electrolyte membrane is disposed between a fuel electrode and an oxidant electrode (see, for example, Patent Document 1). This polymer membrane has a role as a proton conductor, and at the same time has a role of separating gases from both electrodes. The fuel electrode and the oxidant electrode are formed by applying the catalyst layer made of the above-described catalyst and electrolyte on the gas diffusion layer. These fuel electrode and oxidant electrode are arranged on both surfaces of the polymer film, respectively, and are thermocompression-bonded and integrated at a temperature of 120 ° C. or higher and 150 ° C. or lower.

こうして形成された電解質膜と電極が一体となったものを膜・電極接合体(MEA)と呼ぶ。あるいは、触媒層を高分子膜上に塗布し、その触媒層付きの高分子膜をガス拡散層で挟んで膜・電極接合体を構成することもできる。   A membrane / electrode assembly (MEA) in which the electrolyte membrane and electrodes formed in this way are integrated. Alternatively, a membrane / electrode assembly can be formed by applying a catalyst layer on a polymer membrane and sandwiching the polymer membrane with the catalyst layer between gas diffusion layers.

前述の高分子電解質膜がプロトン伝導体として機能するためには、水分を含有する必要がある。そのため、固体高分子電解質型燃料電池においては、外部から加湿することによって高分子電解質膜の水分を保つことが必要である。プロトンが燃料極から酸化剤極に移動する際には水分子を伴うため、燃料極は水を失う傾向にある。他方、酸化剤極では生成した水が電極の気孔に溜まると、ガスの拡散を阻害し、電池性能を低下させることがある。したがって、燃料電池の安定な運転のためには、燃料極には水を供給し、酸化剤極からは水を除去しなければならない。水の供給方法としては、ガス中に蒸気として水を供給する外部加湿法と、燃料電池スタックに水として供給し燃料電池内部で蒸発する内部加湿法とがある。   In order for the aforementioned polymer electrolyte membrane to function as a proton conductor, it is necessary to contain moisture. Therefore, in the solid polymer electrolyte fuel cell, it is necessary to keep the moisture of the polymer electrolyte membrane by humidifying from the outside. When protons move from the fuel electrode to the oxidant electrode, they are accompanied by water molecules, so the fuel electrode tends to lose water. On the other hand, when water generated in the oxidizer electrode accumulates in the pores of the electrode, gas diffusion may be hindered and battery performance may be reduced. Therefore, for stable operation of the fuel cell, water must be supplied to the fuel electrode and water must be removed from the oxidant electrode. As a water supply method, there are an external humidification method in which water is supplied as vapor into the gas, and an internal humidification method in which water is supplied to the fuel cell stack and evaporated inside the fuel cell.

膜・電極接合体の両面にはガス流路を有するセパレータを配する。多孔質材料の板に溝を形成したセパレータを適用するのが一般に行なわれている。この場合、前述の内部加湿に該当し、発電に必要な水はセパレータの気孔を通して燃料電池に供給される。燃料極においては、セパレータから電極に水が供給され、酸化剤極においてはセパレータを通して水が除去される。燃料極セパレータおよび酸化剤極セパレータはともに多孔質セパレータであり、その背面にある冷却水溝を流れる水が、セパレータの気孔を通して膜・電極接合体へと供給される。   Separators having gas flow paths are disposed on both surfaces of the membrane / electrode assembly. In general, a separator having grooves formed on a plate of a porous material is applied. In this case, it corresponds to the aforementioned internal humidification, and water required for power generation is supplied to the fuel cell through the pores of the separator. In the fuel electrode, water is supplied from the separator to the electrode, and in the oxidizer electrode, water is removed through the separator. Both the fuel electrode separator and the oxidant electrode separator are porous separators, and water flowing through the cooling water groove on the back surface thereof is supplied to the membrane / electrode assembly through the pores of the separator.

これらの多孔質セパレータの製造方法の例は、特許文献2および特許文献3などに開示されている。いずれも、炭素粉末と樹脂とを混合し成形した後に、800℃あるいは1200〜1500℃で熱処理を施している。800℃の熱処理では樹脂を炭素化し、1200〜1500℃の熱処理では黒鉛化している。すなわち、燃料電池に必要な耐食性に優れた材料としている。   Examples of methods for producing these porous separators are disclosed in Patent Document 2, Patent Document 3, and the like. In any case, after carbon powder and resin are mixed and molded, heat treatment is performed at 800 ° C. or 1200 to 1500 ° C. The resin is carbonized by heat treatment at 800 ° C. and graphitized by heat treatment at 1200 to 1500 ° C. That is, the material has excellent corrosion resistance necessary for the fuel cell.

燃料電池の運転中は、多孔質セパレータの気孔中には水が含浸された状態で維持される。このとき、セパレータは加湿機能だけでなく、気孔中の水がシールとなって、ガス流路から水流路へのガスの透過を防止する機能も果たしている。セパレータ中の水分量が不十分であると、シール機能が弱く水流路へのガスの透過量が増加する。   During operation of the fuel cell, the pores of the porous separator are maintained in a state of being impregnated with water. At this time, the separator not only has a humidifying function, but also functions to prevent the permeation of gas from the gas flow path to the water flow path by sealing the water in the pores. If the amount of moisture in the separator is insufficient, the sealing function is weak and the amount of gas permeating into the water channel increases.

バブルプレッシャはセパレータの両面に差圧をかけた場合に、ガスのシール機能を保つことのできる圧力の限界値である。バブルプレッシャの測定には、気孔中に十分に水を含浸させたセパレータの一方の面に水を張り、他方の面の気圧を大気圧から徐々に増加させ、水側にガスが漏れ始める圧力をもってバブルプレッシャとする。バブルプレッシャの高いセパレータは、水の保持力が強く、ガスが透過しにくい。   The bubble pressure is a pressure limit value that can maintain the gas sealing function when a differential pressure is applied to both sides of the separator. For the bubble pressure measurement, water is applied to one side of a separator that is sufficiently impregnated with water in the pores, the pressure on the other side is gradually increased from atmospheric pressure, and the pressure at which gas begins to leak to the water side Use bubble pressure. A separator with a high bubble pressure has a strong water holding power and is difficult for gas to permeate.

バブルプレッシャは、多孔質体の持つ気孔率および気孔径や多孔質体の厚さによって決まる。水が透過するためには、気孔率を高くする、すなわち気孔の数を増やして水の通り道を増やす。または多孔質体を薄くする。一方で、ガスの透過を防止するために気孔径を適正に制御し、気孔中に水を保持させる必要がある。多孔質セパレータの製造にあたっては、適正な気孔率および気孔径を持たせなければならない。
特開2002−373680号公報 特開2005−197022号公報 特開2005−26135号公報
The bubble pressure is determined by the porosity and pore diameter of the porous body and the thickness of the porous body. In order for water to permeate, the porosity is increased, that is, the number of pores is increased to increase the number of water passages. Or thin the porous body. On the other hand, in order to prevent the permeation of gas, it is necessary to appropriately control the pore diameter and retain water in the pores. In manufacturing a porous separator, it is necessary to have an appropriate porosity and pore diameter.
JP 2002-373680 A Japanese Patent Laid-Open No. 2005-197022 JP 2005-26135 A

上述した固体高分子電解質型燃料電池においては、冷却水と反応ガスの間にバブルプレッシャを越える差圧がかかると、反応ガスが冷却水中に漏れてしまう。特に、燃料極側のセパレータを燃料ガスが透過し、水系に水素を含む可燃ガスが混入することが問題であった。すなわち、可燃ガスが水系を通って燃料電池スタック外に排出されてしまうと、安全に運転することの妨げとなる可能性がある。   In the above-described solid polymer electrolyte fuel cell, when a differential pressure exceeding the bubble pressure is applied between the cooling water and the reaction gas, the reaction gas leaks into the cooling water. In particular, the fuel gas permeates through the separator on the fuel electrode side, and a combustible gas containing hydrogen is mixed into the aqueous system. That is, if the combustible gas is discharged out of the fuel cell stack through the water system, it may hinder safe operation.

本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、安価な材料を適用しても安全な運転が可能な固体高分子電解質型燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a solid polymer electrolyte fuel cell that can be operated safely even when an inexpensive material is applied.

上記目的を達成するために、本発明は、複数の膜・電極接合体および複数の多孔質セパレータを相互に積層してなる固体高分子電解質型燃料電池において、前記膜・電極接合体それぞれは、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の第1の面に隣接して配置された燃料極触媒層およびこの燃料極触媒層に隣接して配置された燃料極ガス拡散層を含む燃料極と、前記高分子電解質膜の第2の面に隣接して配置された酸化剤極触媒層およびこの酸化剤極触媒層に隣接して配置された酸化剤極ガス拡散層を含む酸化剤極と、を有し、前記多孔質セパレータそれぞれは、前記燃料極の外側に隣接する燃料ガス流路溝を有しその背面には水を流通する水流路を有する多孔質の燃料極セパレータと、前記酸化剤極の外側に隣接する酸化剤ガス流路溝を有しその背面には水を流通する水流路を有する多孔質の酸化剤極セパレータと、を有し、前記燃料極セパレータのバブルプレッシャが前記酸化剤極セパレータのバブルプレッシャよりも高く構成されていること、を特徴とする。   In order to achieve the above object, the present invention provides a polymer electrolyte fuel cell in which a plurality of membrane-electrode assemblies and a plurality of porous separators are laminated with each other. A fuel electrode including a polymer electrolyte membrane, a fuel electrode catalyst layer disposed adjacent to the first surface of the polymer electrolyte membrane, and a fuel electrode gas diffusion layer disposed adjacent to the fuel electrode catalyst layer; An oxidant electrode including an oxidant electrode catalyst layer disposed adjacent to the second surface of the polymer electrolyte membrane and an oxidant electrode gas diffusion layer disposed adjacent to the oxidant electrode catalyst layer; Each of the porous separators has a fuel gas channel groove adjacent to the outside of the fuel electrode, and a porous fuel electrode separator having a water channel through which water flows on the back surface thereof, and the oxidizing agent Having an oxidant gas channel groove adjacent to the outside of the pole A porous oxidant electrode separator having a water flow path through which water flows, and the bubble pressure of the fuel electrode separator is configured to be higher than the bubble pressure of the oxidant electrode separator, It is characterized by.

この発明によれば、安価な材料を適用しても安全な運転が可能な固体高分子電解質型燃料電池を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a solid polymer electrolyte fuel cell that can be operated safely even when an inexpensive material is applied.

以下、本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池の実施形態について、図面を参照して説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。   Hereinafter, embodiments of a solid polymer electrolyte fuel cell according to the present invention will be described with reference to the drawings. Here, the same or similar parts are denoted by common reference numerals, and redundant description is omitted.

初めに、図1を参照して本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池の第1の実施形態を説明する。図1は、第1の実施形態の単位電池の断面図である。この単位電池複数が図1の左右方向に積層されて積層体としての固体高分子電解質型燃料電池が構成される。   First, a first embodiment of a solid polymer electrolyte fuel cell according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view of the unit cell of the first embodiment. A plurality of unit cells are stacked in the left-right direction in FIG. 1 to form a solid polymer electrolyte fuel cell as a stacked body.

図1に示すように、燃料極60と酸化剤極61にはさまれて高分子電解質膜11が配置されている。高分子電解質膜11は、プロトン伝導体としての機能を有するとともに、燃料極60と酸化剤極61の気体を分離する機能を有する。燃料極60、酸化剤極61および高分子電解質膜11は一体に形成されて膜・電極接合体(MEA)10と呼ばれる。燃料極60および酸化剤極61はそれぞれ、高分子電解質膜11に隣接する触媒層12と、触媒層12の外側の電極基材(ガス拡散層)13と、触媒層12と電極基材(ガス拡散層)13の間に形成された中間層14とからなっていて、ガス拡散層13上に触媒および電解質からなる触媒層を塗布して形成される。   As shown in FIG. 1, the polymer electrolyte membrane 11 is disposed between the fuel electrode 60 and the oxidant electrode 61. The polymer electrolyte membrane 11 has a function as a proton conductor and a function of separating the gas from the fuel electrode 60 and the oxidant electrode 61. The fuel electrode 60, the oxidant electrode 61 and the polymer electrolyte membrane 11 are integrally formed and are called a membrane / electrode assembly (MEA) 10. Each of the fuel electrode 60 and the oxidant electrode 61 includes a catalyst layer 12 adjacent to the polymer electrolyte membrane 11, an electrode base material (gas diffusion layer) 13 outside the catalyst layer 12, and a catalyst layer 12 and an electrode base material (gas). The intermediate layer 14 formed between the diffusion layers 13 is formed by applying a catalyst layer made of a catalyst and an electrolyte on the gas diffusion layer 13.

燃料極60の外側に隣接して多孔質材料の燃料極セパレータ30が配置されている。燃料極セパレータ30には燃料ガス流路溝62が形成され、この燃料ガス流路溝62は燃料極60の電極基材13に隣接するように配置されている。   A fuel electrode separator 30 made of a porous material is disposed adjacent to the outside of the fuel electrode 60. A fuel gas passage groove 62 is formed in the fuel electrode separator 30, and the fuel gas passage groove 62 is disposed adjacent to the electrode base material 13 of the fuel electrode 60.

同様に、酸化剤極61の外側に隣接して多孔質材料の酸化剤極セパレータ40が配置されている。酸化剤極セパレータ40には酸化剤ガス流路溝64が形成され、この酸化剤ガス流路溝64は酸化剤極61の電極基材13に隣接するように配置されている。   Similarly, an oxidant electrode separator 40 made of a porous material is disposed adjacent to the outside of the oxidant electrode 61. The oxidant electrode separator 40 is formed with an oxidant gas channel groove 64, and the oxidant gas channel groove 64 is disposed adjacent to the electrode substrate 13 of the oxidant electrode 61.

燃料極セパレータ30および酸化剤極セパレータ40の外側に水セパレータ50が配置されている。水セパレータ50には水流路溝22が形成され、水流路溝22はそれぞれ、燃料極セパレータ30および酸化剤極セパレータ40に隣接して配置されている。   A water separator 50 is disposed outside the fuel electrode separator 30 and the oxidant electrode separator 40. A water channel groove 22 is formed in the water separator 50, and the water channel grooves 22 are disposed adjacent to the fuel electrode separator 30 and the oxidant electrode separator 40, respectively.

この実施形態では、燃料極60および燃料極セパレータ30の形状および寸法はそれぞれ、酸化剤極61および酸化剤極セパレータ40の形状および寸法と共通であり、高分子電解質膜11の中心面を対称面として面対称の形状になっている。ただし、本実施形態では、燃料極セパレータ30のバブルプレッシャは、酸化剤極セパレータ40のバブルプレッシャに比べて高くなっている。たとえば、燃料セパレータ30の気孔率を低くする、すなわち、かさ密度を高くすることによってバブルプレッシャを高くすることができる。あるいは気孔率が同じであっても、平均気孔径を小さくすることによって、同様の効果が得られる。   In this embodiment, the shapes and dimensions of the fuel electrode 60 and the fuel electrode separator 30 are the same as the shapes and dimensions of the oxidant electrode 61 and the oxidant electrode separator 40, respectively, and the central surface of the polymer electrolyte membrane 11 is a plane of symmetry. As shown in FIG. However, in this embodiment, the bubble pressure of the fuel electrode separator 30 is higher than the bubble pressure of the oxidizer electrode separator 40. For example, the bubble pressure can be increased by reducing the porosity of the fuel separator 30, that is, by increasing the bulk density. Alternatively, even if the porosity is the same, the same effect can be obtained by reducing the average pore diameter.

気孔径および気孔率は一般に水銀ポロシメトリーで測定する。この測定法は、多孔質体の気孔中に水銀を圧入していった時の圧入された水銀の体積を測定する。円筒形の気孔を仮定すると、圧力から気孔径を算出することができる。ある圧力における水銀の体積は、すなわちその圧力に対応する気孔径の体積に他ならない。このように多孔質体の持つ気孔径と気孔体積を求めることができる。気孔体積の総和から、多孔質体の体積における気孔体積の割合すなわち気孔率が求められる。   The pore diameter and porosity are generally measured by mercury porosimetry. This measurement method measures the volume of mercury that is injected when mercury is injected into the pores of the porous body. Assuming a cylindrical pore, the pore diameter can be calculated from the pressure. The volume of mercury at a certain pressure is just the volume of the pore diameter corresponding to that pressure. Thus, the pore diameter and pore volume of the porous body can be determined. From the total pore volume, the ratio of the pore volume to the volume of the porous body, that is, the porosity is obtained.

固体高分子電解質型燃料電池内では、燃料極60から酸化剤極61へのプロトンの移動に伴って、水も燃料極60から酸化剤極61へと移動する。多孔質セパレータを適用した場合において、燃料極60へは燃料極セパレータ30を通して水が供給される。このとき燃料極セパレータ30の含水量が減少すると、バブルプレッシャが弱くなり、燃料ガスが水系へと透過し易い状態になる。   In the solid polymer electrolyte fuel cell, water moves from the fuel electrode 60 to the oxidant electrode 61 as the proton moves from the fuel electrode 60 to the oxidant electrode 61. When a porous separator is applied, water is supplied to the fuel electrode 60 through the fuel electrode separator 30. At this time, if the water content of the fuel electrode separator 30 decreases, the bubble pressure becomes weak, and the fuel gas is likely to permeate into the water system.

一方で、酸化剤極61では電池反応によって水が生成され、余剰な水は多孔質セパレータへと流れ込む。したがって、酸化剤極セパレータ40では含水量が多い状態を保つことができるため、高いバブルプレッシャを有するセパレータを適用する必要がない。むしろ、バブルプレッシャが低く水の透過性の高いセパレータを酸化剤極セパレータ40に適用することで、生成水を効率的に除去し、酸化剤ガスの触媒層への拡散を良好に保つことで、燃料電池の性能を高くすることができる。すなわち、本実施形態を適用することによって、酸化剤極61側のガス拡散阻害を防止し、かつ燃料ガスの水流路への透過を防止することが可能である。   On the other hand, at the oxidizer electrode 61, water is generated by the battery reaction, and excess water flows into the porous separator. Therefore, since the oxidizer electrode separator 40 can maintain a high water content, it is not necessary to apply a separator having a high bubble pressure. Rather, by applying a separator with low bubble pressure and high water permeability to the oxidant electrode separator 40, the generated water is efficiently removed, and the diffusion of the oxidant gas to the catalyst layer is kept good. The performance of the fuel cell can be increased. That is, by applying this embodiment, it is possible to prevent gas diffusion inhibition on the oxidant electrode 61 side and to prevent permeation of fuel gas into the water flow path.

汎用品では30kPa程度のバブルプレッシャを、材料の気孔率および気孔径を適正化することで50kPaまで改善することができる。適正化されたセパレータを燃料極に適用し、汎用品を酸化剤極に適用することで、コストも安く抑えることが可能になる。   In a general-purpose product, the bubble pressure of about 30 kPa can be improved to 50 kPa by optimizing the porosity and pore diameter of the material. By applying a proper separator to the fuel electrode and applying a general-purpose product to the oxidizer electrode, the cost can be reduced.

次に、図2を参照して、本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池の第2の実施形態を説明する。図2は、第2の実施形態の単位電池の断面図である。この実施形態は第1の実施形態の変形例であって、第1の実施形態と違って水セパレータはなく、酸化剤極セパレータ40の裏面に冷却水の流通する水流路溝22が形成されている。冷却水は酸化剤極セパレータ40の水流路溝22を通して、膜・電極接合体10に供給される。   Next, a second embodiment of the solid polymer electrolyte fuel cell according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view of the unit cell of the second embodiment. This embodiment is a modification of the first embodiment, and unlike the first embodiment, there is no water separator, and a water channel groove 22 through which cooling water flows is formed on the back surface of the oxidant electrode separator 40. Yes. The cooling water is supplied to the membrane / electrode assembly 10 through the water flow channel 22 of the oxidant electrode separator 40.

燃料電池スタックは、図2に示される単位電池を複数枚積層して形成される。このとき酸化剤極セパレータ40の隣(図2では右隣)には、次の単位電池の燃料極セパレータ30が配置される。したがって、水流路溝22を流れる冷却水は、燃料極セパレータ30を通して次の膜・電極接合体にも供給される。   The fuel cell stack is formed by stacking a plurality of unit cells shown in FIG. At this time, the fuel electrode separator 30 of the next unit cell is disposed next to the oxidant electrode separator 40 (right adjacent in FIG. 2). Therefore, the cooling water flowing through the water channel groove 22 is also supplied to the next membrane / electrode assembly through the fuel electrode separator 30.

燃料極セパレータ30の気孔率を酸化剤極セパレータ40の気孔率よりも低くすることなどによって燃料極セパレータ30のバブルプレッシャを酸化剤極セパレータ40のバブルプレッシャよりも高くすることは第1の実施形態と同様である。   It is the first embodiment that the bubble pressure of the fuel electrode separator 30 is made higher than the bubble pressure of the oxidant electrode separator 40 by making the porosity of the fuel electrode separator 30 lower than the porosity of the oxidant electrode separator 40. It is the same.

この第2の実施形態によれば、第1の実施形態と同様に、安価な材料を適用しつつ、可燃ガスである水素を含む燃料ガスが水流路に混入することが防止できるので、燃料電池をより安全に運転することができる。   According to the second embodiment, as in the first embodiment, it is possible to prevent a fuel gas containing hydrogen as a combustible gas from entering the water flow path while applying an inexpensive material. Can be driven more safely.

次に、図3を参照して、本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池の第3の実施形態を説明する。図3は、第3の実施形態の単位電池の断面図である。この実施形態は第2の実施形態の変形例であって、酸化剤極セパレータ40の裏面に水流路溝22を形成する代わりに、燃料極セパレータ30の裏面に水流路溝22を形成している。このとき燃料極セパレータ30の隣(図3では左隣)には、次の単位電池の酸化剤極セパレータ40が配置される。したがって、水流路溝22を流れる冷却水は、酸化剤極セパレータ40を通して次の膜・電極接合体にも供給される。   Next, a third embodiment of the solid polymer electrolyte fuel cell according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view of the unit cell of the third embodiment. This embodiment is a modification of the second embodiment, and instead of forming the water channel groove 22 on the back surface of the oxidant electrode separator 40, the water channel groove 22 is formed on the back surface of the fuel electrode separator 30. . At this time, the oxidant electrode separator 40 of the next unit cell is disposed next to the fuel electrode separator 30 (next to the left in FIG. 3). Therefore, the cooling water flowing through the water channel groove 22 is also supplied to the next membrane / electrode assembly through the oxidant electrode separator 40.

燃料極セパレータ30と酸化剤極セパレータ40のバブルプレッシャの関係は第2の実施形態と同様である。   The relationship between the bubble pressures of the fuel electrode separator 30 and the oxidant electrode separator 40 is the same as in the second embodiment.

この第3の実施形態によれば、第2の実施形態と同様に、安価な材料を適用しつつ、可燃ガスである水素を含む燃料ガスが水流路に混入することが防止できるので、燃料電池をより安全に運転することができる。   According to the third embodiment, similarly to the second embodiment, it is possible to prevent a fuel gas containing hydrogen as a combustible gas from entering the water flow path while applying an inexpensive material. Can be driven more safely.

次に、図4を参照して、本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池の第4の実施形態を説明する。図4は、第4の実施形態の単位電池の断面図である。この実施形態は第1の実施形態の変形例である。   Next, a fourth embodiment of the solid polymer electrolyte fuel cell according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view of the unit cell of the fourth embodiment. This embodiment is a modification of the first embodiment.

この第4の実施形態では、第1の実施形態と同様に、燃料極セパレータ30および酸化剤極セパレータ40の外側に水セパレータ50が配置され、水セパレータ50には水流路溝22が形成され、水流路溝22はそれぞれ、燃料極セパレータ30および酸化剤極セパレータ40に隣接して配置されている。   In the fourth embodiment, as in the first embodiment, the water separator 50 is disposed outside the fuel electrode separator 30 and the oxidant electrode separator 40, and the water channel groove 22 is formed in the water separator 50. The water channel grooves 22 are disposed adjacent to the fuel electrode separator 30 and the oxidant electrode separator 40, respectively.

第1の実施形態では、燃料極60および燃料極セパレータ30の形状および寸法はそれぞれ、酸化剤極61および酸化剤極セパレータ40の形状および寸法と共通であり、高分子電解質膜11の中心面を対称面として面対称の形状になっている。そして、燃料極セパレータ30のかさ密度を酸化剤極セパレータ40のかさ密度よりも高くことするなどにより、燃料極セパレータ30のバブルプレッシャが、酸化剤極セパレータ40のバブルプレッシャに比べて高くなっている。   In the first embodiment, the shape and size of the fuel electrode 60 and the fuel electrode separator 30 are the same as the shape and size of the oxidant electrode 61 and the oxidant electrode separator 40, respectively. It has a symmetrical shape as the symmetry plane. The bubble pressure of the fuel electrode separator 30 is higher than the bubble pressure of the oxidant electrode separator 40 by making the bulk density of the fuel electrode separator 30 higher than the bulk density of the oxidant electrode separator 40. .

これに対して第4の実施形態では、燃料極セパレータ30と酸化剤極セパレータ40寸法が異なり、非対称形状となっている。すなわち、燃料極セパレータ底部厚さL3fが酸化剤極セパレータ底部厚さL3oよりも大きくなっている。ここで、燃料極セパレータ30の厚さをL1f、燃料ガス流路溝62の深さをL2fとするとき、L3f=L1f−L2fと表わされる。同様に、酸化剤極セパレータ40の厚さをL1o、酸化剤ガス流路溝64の深さをL2oとするとき、L3o=L1o−L2oと表わされる。   On the other hand, in the fourth embodiment, the dimensions of the fuel electrode separator 30 and the oxidant electrode separator 40 are different and are asymmetrical. That is, the fuel electrode separator bottom thickness L3f is larger than the oxidant electrode separator bottom thickness L3o. Here, when the thickness of the fuel electrode separator 30 is L1f and the depth of the fuel gas passage groove 62 is L2f, L3f = L1f−L2f. Similarly, when the thickness of the oxidant electrode separator 40 is L1o and the depth of the oxidant gas channel groove 64 is L2o, L3o = L1o−L2o.

燃料極セパレータ30または酸化剤極セパレータ40の厚さを厚くすると、そのセパレータのシール距離が長くなりシール性能が向上し、バブルプレッシャを高くする効果が得られる。セパレータ30、40はガス流路溝62、64を有しており、ガス流路溝62、64の底部でシール距離が短いために、シール性能に影響する。したがって、セパレータ厚さL1f、L1oからガス流路溝深さL2f、L2oを引いた残りのセパレータ底部厚さL3f、L3oに注目する必要がある。   When the thickness of the fuel electrode separator 30 or the oxidant electrode separator 40 is increased, the sealing distance of the separator is increased, the sealing performance is improved, and the effect of increasing the bubble pressure is obtained. The separators 30 and 40 have gas flow channel grooves 62 and 64. Since the seal distance is short at the bottom of the gas flow channel grooves 62 and 64, the sealing performance is affected. Therefore, it is necessary to pay attention to the remaining separator bottom thicknesses L3f and L3o obtained by subtracting the gas flow channel groove depths L2f and L2o from the separator thicknesses L1f and L1o.

この実施形態では、燃料極セパレータ30と酸化剤極セパレータ40のかさ密度および平均気孔率が同じであっても、燃料極セパレータ30のバブルプレッシャを、酸化剤極セパレータ40のバブルプレッシャに比べて高くすることができる。ただし、燃料極セパレータ30のかさ密度を酸化剤極セパレータ40のかさ密度よりも高くこと、または、燃料極セパレータ30の気孔率を酸化剤極セパレータ40の気孔率よりも低くすることなどを組み合わせてもよいのはいうまでもない。   In this embodiment, even if the bulk density and the average porosity of the fuel electrode separator 30 and the oxidant electrode separator 40 are the same, the bubble pressure of the fuel electrode separator 30 is higher than the bubble pressure of the oxidant electrode separator 40. can do. However, the bulk density of the fuel electrode separator 30 is made higher than the bulk density of the oxidant electrode separator 40, or the porosity of the fuel electrode separator 30 is made lower than the porosity of the oxidant electrode separator 40. It goes without saying.

次に、図5を参照して、本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池の第5の実施形態を説明する。図5は、第5の実施形態の単位電池の断面図である。この実施形態は第2の実施形態の変形例であって、かつ第4の実施形態の変形例でもある。すなわち、この第5の実施形態では、第2の実施形態と同様に、水セパレータはなく、酸化剤極セパレータ40の裏面に冷却水の流通する水流路溝22が形成されている。   Next, a fifth embodiment of a solid polymer electrolyte fuel cell according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a cross-sectional view of the unit cell of the fifth embodiment. This embodiment is a modification of the second embodiment and a modification of the fourth embodiment. That is, in the fifth embodiment, as in the second embodiment, there is no water separator, and the water flow channel 22 through which the cooling water flows is formed on the back surface of the oxidant electrode separator 40.

冷却水は酸化剤極セパレータ40の水流路溝22を通して、膜・電極接合体10に供給される。ただし、第4の実施形態と同様に、燃料極セパレータ底部厚さL3fが酸化剤極セパレータ底部厚さL3oよりも大きくなっている。ただしこの第5の実施形態では、酸化剤極セパレータ底部厚さL3oは、酸化剤ガス流路溝64の底部と水流路溝22の底部との間の酸化剤極セパレータ40の最も薄い部分の厚さとして定義される。   The cooling water is supplied to the membrane / electrode assembly 10 through the water flow channel 22 of the oxidant electrode separator 40. However, as in the fourth embodiment, the fuel electrode separator bottom thickness L3f is larger than the oxidizer electrode separator bottom thickness L3o. However, in the fifth embodiment, the oxidant electrode separator bottom thickness L3o is the thickness of the thinnest part of the oxidant electrode separator 40 between the bottom of the oxidant gas channel groove 64 and the bottom of the water channel groove 22. Is defined as

次に、図6を参照して、本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池の第6の実施形態を説明する。図6は、第6の実施形態の単位電池の断面図である。この実施形態は第3の実施形態の変形例であって、かつ第5の実施形態の変形例でもある。すなわち、この第6の実施形態では、第3の実施形態と同様に、水セパレータはなく、燃料極セパレータ30の裏面に水流路溝22を形成している。   Next, a sixth embodiment of the solid polymer electrolyte fuel cell according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a cross-sectional view of the unit cell of the sixth embodiment. This embodiment is a modification of the third embodiment and also a modification of the fifth embodiment. That is, in the sixth embodiment, as in the third embodiment, there is no water separator, and the water flow channel groove 22 is formed on the back surface of the fuel electrode separator 30.

冷却水は燃料極セパレータ30の水流路溝22を通して、膜・電極接合体10に供給される。ただし、第5の実施形態と同様に、燃料極セパレータ底部厚さL3fが酸化剤極セパレータ底部厚さL3oよりも大きくなっている。ただしこの第6の実施形態では、燃料極セパレータ底部厚さL3fは、燃料ガス流路溝62の底部と水流路溝22の底部との間の燃料極セパレータ30の最も薄い部分の厚さとして定義される。   The cooling water is supplied to the membrane / electrode assembly 10 through the water flow channel 22 of the fuel electrode separator 30. However, as in the fifth embodiment, the fuel electrode separator bottom thickness L3f is larger than the oxidizer electrode separator bottom thickness L3o. However, in the sixth embodiment, the fuel electrode separator bottom portion thickness L3f is defined as the thickness of the thinnest portion of the fuel electrode separator 30 between the bottom portion of the fuel gas passage groove 62 and the bottom portion of the water passage groove 22. Is done.

図7に上記各実施形態の効果を示す。図は燃料極セパレータに適用するバブルプレッシャの違いによる、水系へのガス混入量を比較したものである。図に示したとおり、燃料極セパレータのバブルプレッシャを上げることによって、ガスの混入量を低減することができる。   FIG. 7 shows the effects of the above embodiments. The figure compares the amount of gas mixed into the water system due to the difference in bubble pressure applied to the fuel electrode separator. As shown in the figure, the amount of mixed gas can be reduced by increasing the bubble pressure of the fuel electrode separator.

以上、種々の実施形態について説明したが、これらは単なる例示であって、この発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。また、各実施形態の特徴部分を組み合わせることも可能である。たとえば、第1〜第3の実施形態におけるかさ密度や気孔率の関係と第4〜第6の実施形態におけるセパレータ底部厚さの関係とを両方とも満足する構成としてもよい。   Although various embodiments have been described above, these are merely examples, and the present invention is not limited to these embodiments. Moreover, it is also possible to combine the characteristic part of each embodiment. For example, it is good also as a structure which satisfies both the relationship of the bulk density and porosity in 1st-3rd embodiment, and the relationship of the separator bottom part thickness in 4th-6th embodiment.

本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池の第1の実施形態の単位電池の断面図。1 is a cross-sectional view of a unit cell of a first embodiment of a solid polymer electrolyte fuel cell according to the present invention. 本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池の第2の実施形態の単位電池の断面図。Sectional drawing of the unit cell of 2nd Embodiment of the solid polymer electrolyte fuel cell which concerns on this invention. 本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池の第3の実施形態の単位電池の断面図。Sectional drawing of the unit cell of 3rd Embodiment of the solid polymer electrolyte fuel cell which concerns on this invention. 本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池の第4の実施形態の単位電池の断面図。Sectional drawing of the unit cell of 4th Embodiment of the solid polymer electrolyte fuel cell which concerns on this invention. 本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池の第5の実施形態の単位電池の断面図。Sectional drawing of the unit cell of 5th Embodiment of the solid polymer electrolyte fuel cell which concerns on this invention. 本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池の第6の実施形態の単位電池の断面図。Sectional drawing of the unit cell of 6th Embodiment of the solid polymer electrolyte fuel cell which concerns on this invention. 本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池における燃料極セパレータのバブルプレッシャと水系へのガス混入量の関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the bubble pressure of the fuel electrode separator in the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, and the amount of gas mixed into the water system.

符号の説明Explanation of symbols

10…膜・電極接合体(MEA)
11…高分子電解質膜
12…触媒層
13…電極基材(ガス拡散層)
14…中間層
22…水流路溝(水流路)
30…燃料極セパレータ
40…酸化剤極セパレータ
50…水セパレータ
60…燃料極
61…酸化剤極
62…燃料ガス流路溝
64…酸化剤ガス流路溝
10. Membrane / electrode assembly (MEA)
11 ... polymer electrolyte membrane 12 ... catalyst layer 13 ... electrode substrate (gas diffusion layer)
14 ... Intermediate layer 22 ... Water channel groove (water channel)
30 ... Fuel electrode separator 40 ... Oxidant electrode separator 50 ... Water separator 60 ... Fuel electrode 61 ... Oxidant electrode 62 ... Fuel gas channel groove 64 ... Oxidant gas channel groove

Claims (8)

複数の膜・電極接合体および複数の多孔質セパレータを相互に積層してなる固体高分子電解質型燃料電池において、
前記膜・電極接合体それぞれは、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の第1の面に隣接して配置された燃料極触媒層およびこの燃料極触媒層に隣接して配置された燃料極ガス拡散層を含む燃料極と、前記高分子電解質膜の第2の面に隣接して配置された酸化剤極触媒層およびこの酸化剤極触媒層に隣接して配置された酸化剤極ガス拡散層を含む酸化剤極と、を有し、
前記多孔質セパレータそれぞれは、前記燃料極の外側に隣接する燃料ガス流路溝を有しその背面には水を流通する水流路を有する多孔質の燃料極セパレータと、前記酸化剤極の外側に隣接する酸化剤ガス流路溝を有しその背面には水を流通する水流路を有する多孔質の酸化剤極セパレータと、を有し、
前記燃料極セパレータのバブルプレッシャが前記酸化剤極セパレータのバブルプレッシャよりも高く構成されていること、
を特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。
In a solid polymer electrolyte fuel cell in which a plurality of membrane / electrode assemblies and a plurality of porous separators are laminated with each other,
Each of the membrane / electrode assemblies includes a polymer electrolyte membrane, a fuel electrode catalyst layer disposed adjacent to the first surface of the polymer electrolyte membrane, and a fuel disposed adjacent to the fuel electrode catalyst layer. A fuel electrode including an electrode gas diffusion layer, an oxidant electrode catalyst layer disposed adjacent to the second surface of the polymer electrolyte membrane, and an oxidant electrode gas disposed adjacent to the oxidant electrode catalyst layer An oxidizer electrode including a diffusion layer,
Each of the porous separators has a fuel gas channel groove adjacent to the outside of the fuel electrode, a porous fuel electrode separator having a water channel for circulating water on the back surface, and an outer side of the oxidant electrode. A porous oxidant electrode separator having an adjacent oxidant gas flow channel groove and a water flow channel through which water flows on the back surface thereof;
The bubble pressure of the fuel electrode separator is configured to be higher than the bubble pressure of the oxidant electrode separator,
A solid polymer electrolyte fuel cell.
前記燃料極セパレータのかさ密度が前記酸化剤極セパレータのかさ密度よりも高いことを特徴とする請求項1に記載の固体高分子電解質型燃料電池。   2. The solid polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the bulk density of the fuel electrode separator is higher than the bulk density of the oxidant electrode separator. 前記燃料極セパレータの平均気孔径が前記酸化剤極セパレータの平均気孔径よりも小さいことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の固体高分子電解質型燃料電池。   3. The solid polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein an average pore diameter of the fuel electrode separator is smaller than an average pore diameter of the oxidant electrode separator. 燃料極セパレータおよび酸化剤極セパレータそれぞれの外側に隣接して水セパレータが配置され、前記水流路は前記水セパレータに形成されていることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の固体高分子電解質型燃料電池。   4. The water separator is disposed adjacent to the outside of each of the fuel electrode separator and the oxidant electrode separator, and the water flow path is formed in the water separator. 5. 2. A solid polymer electrolyte fuel cell according to 1. 前記燃料極セパレータの厚さから前記燃料ガス流路溝の深さを引いた燃料極セパレータ底部厚さが、前記酸化剤極セパレータの厚さから前記酸化剤ガス流路溝の深さを引いた酸化剤極セパレータ底部厚さよりも厚いことを特徴とする請求項4に記載の固体高分子電解質型燃料電池。   The fuel electrode separator bottom thickness obtained by subtracting the depth of the fuel gas flow channel from the thickness of the fuel electrode separator is obtained by subtracting the depth of the oxidant gas flow channel from the thickness of the oxidant electrode separator. The solid polymer electrolyte fuel cell according to claim 4, wherein the thickness is thicker than the bottom thickness of the oxidant electrode separator. 前記水流路は、前記燃料極セパレータおよび酸化剤極セパレータの少なくとも一方に形成された水流路溝によって形成されていることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の固体高分子電解質型燃料電池。   5. The solid according to claim 1, wherein the water flow path is formed by a water flow path groove formed in at least one of the fuel electrode separator and the oxidant electrode separator. Polymer electrolyte fuel cell. 前記水流路溝が前記酸化剤極セパレータに形成されており、
前記燃料極セパレータの厚さから前記燃料ガス流路溝の深さを引いた燃料極セパレータ底部厚さが、前記酸化剤極セパレータの厚さから前記酸化剤ガス流路溝の深さおよび前記水流路溝の深さを引いた酸化剤極セパレータ底部厚さよりも厚いこと、
を特徴とする請求項6に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
The water channel groove is formed in the oxidant electrode separator;
The bottom thickness of the fuel electrode separator obtained by subtracting the depth of the fuel gas channel groove from the thickness of the fuel electrode separator is determined from the thickness of the oxidant electrode separator and the depth of the oxidant gas channel groove and the water flow. It is thicker than the thickness of the bottom of the oxidizer electrode separator minus the depth of the groove.
The solid polymer electrolyte fuel cell according to claim 6.
前記水流路溝が前記燃料極セパレータに形成されており、
前記燃料極セパレータの厚さから前記燃料ガス流路溝の深さおよび前記水流路溝の深さを引いた燃料極セパレータ底部厚さが、前記酸化剤極セパレータの厚さから前記酸化剤ガス流路溝の深さを引いた酸化剤極セパレータ底部厚さよりも厚いこと、
を特徴とする請求項6に記載の固体高分子電解質型燃料電池。
The water channel groove is formed in the fuel electrode separator;
The fuel electrode separator bottom thickness obtained by subtracting the depth of the fuel gas channel groove and the depth of the water channel groove from the thickness of the fuel electrode separator is determined based on the thickness of the oxidant electrode separator. It is thicker than the thickness of the bottom of the oxidizer electrode separator minus the depth of the groove.
The solid polymer electrolyte fuel cell according to claim 6.
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