JP2007335108A - Fuel cell - Google Patents

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耕一 沼田
Yoshifumi Sekizawa
好史 関澤
Keiichi Nakada
圭一 中田
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    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell capable of suppressing deterioration of material at the time of lack of fuel. <P>SOLUTION: The fuel cell is provided with an MEA 5 having an anode 2 and a cathode 3 and an electrolyte membrane 1 arranged between the anode and the cathode, a first separator 6 arranged on the anode side, and a second separator 7 arranged on the cathode side. The first separator is formed of a porous carbon material, and a heating medium passage 9a in which a heating medium containing at least water can be circulated is provided on the first separator. A water electrolysis catalyst 10 is installed at least on the surface of the heating medium passage and a proton conductive material is provided in the first separator. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池に関し、特に燃料欠乏時の材料劣化を抑制することが可能な燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a fuel cell capable of suppressing material deterioration when fuel is scarce.

燃料電池は、電解質膜と、当該電解質膜の両側に配置される電極(アノード及びカソード)とを備える膜電極接合体(以下において、「MEA(Membrane Electrode Assembly)」と記述する。)における電気化学反応により発生した電気エネルギーを、MEAの両側に配設されるセパレータを介して外部に取り出している。燃料電池の中でも、家庭用コージェネレーション・システムや自動車等に使用される固体高分子型燃料電池(以下において、「PEFC(Polymer Electrolyte Fuel Cell)」と記述する。)は、低温領域での運転が可能である。また、PEFCは、高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車や携帯用電源の最適な動力源として注目されている。   2. Description of the Related Art A fuel cell is an electrochemistry in a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as “MEA (Membrane Electrode Assembly)”) comprising an electrolyte membrane and electrodes (anode and cathode) disposed on both sides of the electrolyte membrane. Electrical energy generated by the reaction is taken out through separators disposed on both sides of the MEA. Among fuel cells, polymer electrolyte fuel cells (hereinafter referred to as “PEFC (Polymer Electrolyte Fuel Cell)”) used in household cogeneration systems and automobiles, etc., operate at low temperatures. Is possible. In addition, PEFC has attracted attention as an optimal power source for electric vehicles and portable power sources because of its high energy conversion efficiency, short start-up time, and small and lightweight system.

PEFCの単セルは、電解質膜、少なくとも触媒層を備えるカソード及びアノードを具備し、その理論起電力は1.23Vである。しかし、かかる低起電力では、電気自動車等の動力源として不十分であるため、通常は、単セルを直列に積層して積層体を形成し、この積層体における積層方向の両端にエンドプレート等を配置して形成されるスタック形態のPEFCが使用されている。そして、接触抵抗を低減させる等の観点から、スタック形態のPEFCでは、その両端側から締結圧力が加えられている。   A single cell of PEFC includes an electrolyte membrane, a cathode including at least a catalyst layer, and an anode, and a theoretical electromotive force thereof is 1.23V. However, since such low electromotive force is insufficient as a power source for electric vehicles and the like, usually, a single cell is laminated in series to form a laminated body, and end plates or the like are formed at both ends of the laminated body in the lamination direction. A stack-type PEFC formed by arranging the two is used. From the viewpoint of reducing the contact resistance and the like, in the stack type PEFC, fastening pressure is applied from both ends thereof.

PEFCにおける電気発生の源となる電気化学反応は、例えば以下の工程で進行する。まず、アノードへと届けられた水素は、触媒(例えば、白金担持カーボン等)の存在下、水素イオンと電子とに分解される。
アノード側:H → 2H + 2e (式1)
そして、発生した水素イオン(以下、「プロトン」ということがある。)は、湿潤状態でイオン伝導性能を発現する電解質膜を通過して、カソードへと移動する。電解質膜はイオンのみを通過させる性質を有するため、発生した電子は電解質膜を通過することができず、外部の回路を通ってカソードへと移動する。燃料電池においては、かかる電子の移動により、電気が発生する。一方で、カソードへと届けられた酸素が、カソードへと移動してきたプロトン及び電子と反応することにより、水が生成される。
カソード側:2H + 2e + (1/2)O → HO (式2)
An electrochemical reaction that is a source of electricity generation in PEFC proceeds, for example, in the following steps. First, hydrogen delivered to the anode is decomposed into hydrogen ions and electrons in the presence of a catalyst (for example, platinum-supporting carbon).
Anode side: H 2 → 2H + + 2e (Formula 1)
Then, the generated hydrogen ions (hereinafter sometimes referred to as “protons”) move to the cathode through the electrolyte membrane that exhibits ionic conductivity in a wet state. Since the electrolyte membrane has a property of allowing only ions to pass through, the generated electrons cannot pass through the electrolyte membrane and move to the cathode through an external circuit. In a fuel cell, electricity is generated by such movement of electrons. On the other hand, the oxygen delivered to the cathode reacts with protons and electrons that have moved to the cathode, thereby generating water.
Cathode side: 2H + + 2e + (1/2) O 2 → H 2 O (Formula 2)

ところで、PEFCを作動させると、セル内部は様々なガス状態となるため、燃料(水素)が欠乏してアノードが高電位状態(例えば、1.5V等の電位状態。以下において同じ。)に曝される虞がある。高電位状態になると、アノードの構成材料(例えば、白金、カーボン等)が劣化し、PEFCの性能が低下するため、燃料欠乏時における材料劣化を抑制することが望まれる。   By the way, when the PEFC is operated, the inside of the cell is in various gas states, so that the fuel (hydrogen) is depleted and the anode is exposed to a high potential state (for example, a potential state such as 1.5 V. The same applies hereinafter). There is a risk of being. When a high potential state is reached, the constituent material of the anode (for example, platinum, carbon, etc.) deteriorates and the performance of PEFC deteriorates. Therefore, it is desired to suppress material deterioration at the time of fuel shortage.

燃料欠乏時における材料劣化等を抑制することにより燃料電池の性能を向上させることを目的とした技術は、これまでにいくつか開示されてきている。例えば、特許文献1には、水素欠乏時にアノード触媒の担体が腐食されるのを防止するため、電極触媒に水電解触媒を混合する技術が開示されており、この技術によれば、燃料電池の電池反転に対する耐性をより強力にすることができる、としている。   Several techniques aimed at improving the performance of a fuel cell by suppressing material deterioration at the time of fuel shortage have been disclosed so far. For example, Patent Document 1 discloses a technique of mixing a water electrolysis catalyst with an electrode catalyst in order to prevent the anode catalyst support from being corroded at the time of hydrogen deficiency. It is said that the resistance to battery reversal can be made stronger.

また、特許文献2には、高分子固体電解質形燃料電池の燃料極において、高分子固体電解質膜に接し、燃料電池反応を進行させる少なくとも1層の反応層と、拡散層に接し、燃料極中の水を電気分解する少なくとも1層の水分解層と、からなることを特徴とする高分子固体電解質形燃料電池の燃料極に関する技術が開示されている。この技術によれば、燃料の欠乏が生じても電極特性の低下を起こし難い高分子固体電解質形燃料電池の燃料極を提供できる、としている。なお、特許文献2における「高分子固体電解質形燃料電池」は上記PEFCに相当し、「燃料極」は上記アノードに相当する。   Patent Document 2 discloses that in a fuel electrode of a solid polymer electrolyte fuel cell, at least one reaction layer that contacts a solid polymer electrolyte membrane and advances a fuel cell reaction, and a diffusion layer, There is disclosed a technique relating to a fuel electrode of a solid polymer electrolyte fuel cell, characterized in that it comprises at least one water decomposition layer for electrolyzing the water. According to this technology, it is possible to provide a fuel electrode of a polymer electrolyte fuel cell that is unlikely to cause deterioration of electrode characteristics even when fuel deficiency occurs. The “polymer solid electrolyte fuel cell” in Patent Document 2 corresponds to the PEFC, and the “fuel electrode” corresponds to the anode.

さらに、特許文献3には、触媒と、電子−プロトン両伝導性を有する混合導電性材料とを具備する電極が備えられる高分子電解質型燃料電池に関する技術が開示されており、混合導電性材料としてスルホン化ポリアニリンが例示されている。この技術にかかる高分子電解質型燃料電池によれば、電極内部の反応面積を増大させ、より高い性能を発揮する、としている。なお、特許文献3における「高分子電解質型燃料電池」は上記PEFCに相当する。
特表2003−508877号公報 特開2004−22503号公報 特開2001−110428号公報
Furthermore, Patent Document 3 discloses a technique related to a polymer electrolyte fuel cell provided with an electrode including a catalyst and a mixed conductive material having both electron-proton conductivity. A sulfonated polyaniline is illustrated. According to the polymer electrolyte fuel cell according to this technology, the reaction area inside the electrode is increased and higher performance is exhibited. Note that the “polymer electrolyte fuel cell” in Patent Document 3 corresponds to the PEFC.
Special table 2003-508877 gazette JP 2004-22503 A JP 2001-110428 A

しかし、特許文献1及び特許文献2に開示されている技術により、電極内に水電解触媒を配置しても、当該水電解触媒へと供給される水が不足すると、水の電気分解反応が起り難くなるため、材料劣化を抑制し難いという問題があった。   However, even if a water electrocatalyst is disposed in the electrode by the techniques disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2, if water supplied to the water electrocatalyst is insufficient, an electrolysis reaction of water occurs. This makes it difficult to suppress material deterioration.

他方、特許文献3に開示されている技術は、電極とイオン交換膜との界面で十分な反応面積が確保できないという課題に対して、プロトン伝導性高分子電解質と触媒とを充分かつ均一に接触させることにより、電極内部の反応面積を増大させ、より高い性能を発揮し得るPEFCを提供すること等を目的としている。そして、当該特許文献3に、スルホン化ポリアニリンが例示されている。しかし、後述する本発明の課題は、特許文献3にかかる発明の課題と異なり、特許文献3には燃料欠乏時の材料劣化抑制について何も記載されていないため、本技術によっては燃料欠乏時の材料劣化を抑制し難いという問題があった。   On the other hand, in the technique disclosed in Patent Document 3, the proton conductive polymer electrolyte and the catalyst are sufficiently and uniformly brought into contact with the problem that a sufficient reaction area cannot be secured at the interface between the electrode and the ion exchange membrane. The purpose of this is to provide a PEFC capable of increasing the reaction area inside the electrode and exhibiting higher performance. Patent Document 3 exemplifies sulfonated polyaniline. However, the problem of the present invention to be described later differs from the problem of the invention according to Patent Document 3, because Patent Document 3 does not describe anything about suppression of material deterioration at the time of fuel deficiency. There was a problem that it was difficult to suppress material deterioration.

そこで本発明は、燃料欠乏時の材料劣化を抑制することが可能な燃料電池を提供することを課題とする。   Then, this invention makes it a subject to provide the fuel cell which can suppress material deterioration at the time of fuel deficiency.

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
請求項1に記載の発明は、アノード(下記実施形態の説明において、「アノード触媒層」という。)及びカソード(以下実施形態の説明において、「カソード触媒層」という。)、並びに、アノードとカソードとの間に配設される電解質膜を備えるMEAと、アノード側へ配設される第1セパレータと、カソード側へ配設される第2セパレータと、を備え、第1セパレータが多孔質カーボン材料により形成されるとともに、該第1セパレータに、少なくとも水を含む熱媒体が流通し得る熱媒体流路が備えられ、少なくとも、該熱媒体流路の表面に、水電解触媒が配設され、第1セパレータの内部にプロトン伝導性材料が備えられていることを特徴とする、燃料電池により、上記課題を解決する。
In order to solve the above problems, the present invention takes the following means. That is,
The invention described in claim 1 includes an anode (referred to as “anode catalyst layer” in the description of the following embodiment) and a cathode (hereinafter referred to as “cathode catalyst layer” in the description of the embodiment), and an anode and a cathode. An MEA including an electrolyte membrane disposed between the first separator, a first separator disposed on the anode side, and a second separator disposed on the cathode side, wherein the first separator is a porous carbon material The first separator is provided with a heat medium flow path through which a heat medium containing at least water can circulate, and a water electrocatalyst is disposed at least on the surface of the heat medium flow path. The above problem is solved by a fuel cell characterized in that a proton conductive material is provided inside one separator.

ここで、「多孔質カーボン材料」とは、アノードへと供給される反応ガス(以下において、「水素」という。)及び水を拡散させ得る多数の細孔を備えるカーボン材料を意味する。本発明において、「第1セパレータが多孔質カーボン材料により形成される」とは、本発明にかかる第1セパレータに配設される水電解触媒、及び、第1セパレータに配設され得る逆浸透膜やガスシール構造等を除く、第1セパレータの主成分が、多孔質カーボン材料であることを意味する。さらに、「熱媒体流路」とは、プロトン伝導性能を発現させるため、電解質膜を所定の温度範囲(例えば、70〜90℃等)に維持すること等を目的として単セルへと供給される熱媒体が流通可能な経路を意味する。熱媒体の具体例としては、温水等の温熱媒体や、冷水、LLC等の冷却媒体を挙げることができる。加えて、「水電解触媒」とは、水の電気分解反応が生じ得る電位環境において、上記式1、式2で表わされる電気分解反応の進行に寄与する触媒(例えば、白金等。以下、「通常触媒」という。)よりも水の電気分解反応を生じさせやすい触媒を意味する。通常触媒が白金である場合、水電解触媒の具体例としては、Ir、IrO等のIr系材料や、RuO等のRu系材料の他、これらの複合物等を挙げることができる。さらにまた、「プロトン伝導性材料」とは、第1セパレータを形成する多孔質カーボン材料よりも良好なプロトン伝導性能と、燃料電池の作動環境に耐え得る耐食性と、第1セパレータ内に固定化され得る定着性と、電子伝導性と、を備える材料を意味し、これらの性質を備えていれば、特に限定されない。本発明にかかるプロトン伝導性材料の具体例としては、ポリアニリンに硫酸基、燐酸基、酢酸基等の酸性基を導入した、硫酸ポリアニリン、燐酸ポリアニリン、酢酸ポリアニリン等、ポリピロールに硫酸基、燐酸基、酢酸基等の酸性基を導入した、硫酸ポリピロール、燐酸ポリピロール、酢酸ポリピロール等、ポリアセンに硫酸基、燐酸基、酢酸基等の酸性基を導入した、硫酸ポリアセン、燐酸ポリアセン、酢酸ポリアセン等、を挙げることができる。さらに、「第1セパレータの内部にプロトン伝導性材料が備えられている」とは、水電解触媒上で生じたプロトン及び電子を、アノードへ供給可能な形態で、プロトン伝導性材料が備えられていることを意味する。 Here, the “porous carbon material” means a carbon material having a large number of pores capable of diffusing a reaction gas (hereinafter referred to as “hydrogen”) and water supplied to the anode. In the present invention, “the first separator is formed of a porous carbon material” means a water electrocatalyst disposed in the first separator according to the present invention, and a reverse osmosis membrane that can be disposed in the first separator. It means that the main component of the first separator, excluding the gas seal structure and the like, is a porous carbon material. Furthermore, the “heat medium flow path” is supplied to the single cell for the purpose of maintaining the electrolyte membrane in a predetermined temperature range (for example, 70 to 90 ° C., etc.) in order to express proton conduction performance. This means the route through which the heat medium can flow. Specific examples of the heat medium include a heat medium such as warm water, and a cooling medium such as cold water and LLC. In addition, the “water electrocatalyst” refers to a catalyst (for example, platinum or the like) that contributes to the progress of the electrolysis reaction represented by the above formulas 1 and 2 in a potential environment where the electrolysis reaction of water can occur. It means a catalyst that is more likely to cause electrolysis of water than “ordinary catalyst”. When the normal catalyst is platinum, specific examples of the water electrolysis catalyst include Ir-based materials such as Ir and IrO 2 , Ru-based materials such as RuO 2 , and composites thereof. Furthermore, the “proton conductive material” is a proton conductive performance better than the porous carbon material forming the first separator, corrosion resistance that can withstand the operating environment of the fuel cell, and is fixed in the first separator. It means a material having the fixability to be obtained and the electron conductivity, and is not particularly limited as long as it has these properties. Specific examples of the proton conductive material according to the present invention include polyaniline sulfate, polyaniline phosphate, polyaniline acetate, etc. in which acidic groups such as sulfate, phosphate, acetate are introduced into polyaniline, sulfate, phosphate, Examples include polypyrrole sulfate, polypyrrole phosphate, polypyrrole acetate, etc. introduced with acidic groups such as acetic acid group, polyacenes sulfate, polyacene sulfate, polyacene acetate, etc. introduced acidic groups such as sulfuric acid group, phosphoric acid group, acetic acid group into polyacene. be able to. Furthermore, “the proton separator is provided in the first separator” means that protons and electrons generated on the water electrocatalyst can be supplied to the anode in a form capable of being supplied to the anode. Means that

請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の燃料電池において、プロトン伝導性材料が、硫酸ポリアニリンであることを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, in the fuel cell according to the first aspect, the proton conductive material is polyaniline sulfate.

請求項1に記載の発明によれば、プロトン伝導性材料を備え、多孔質カーボン材料により形成される第1セパレータに、少なくとも水を含む熱媒体が流通し得る熱媒体流路が備えられ、当該熱媒体流路の表面に水電解触媒が備えられている。そのため、熱媒体流路内を流れる熱媒体に含まれる水を、水電解触媒上で分解させてプロトン及び電子を生じさせることができ、このようにして生じたプロトン及び電子を、プロトン伝導性材料によりアノードへ導くことができる。したがって、燃料が欠乏することによりアノードが高電位状態に曝されても、第1セパレータからプロトン及び電子が供給されるので、アノードの構成材料の劣化を抑制できる。すなわち、請求項1に記載の発明によれば、燃料欠乏時における材料劣化を抑制し得る燃料電池を提供できる。   According to the first aspect of the present invention, the first separator including the proton conductive material and formed of the porous carbon material is provided with the heat medium flow path through which the heat medium containing at least water can flow, A water electrolysis catalyst is provided on the surface of the heat medium flow path. Therefore, water contained in the heat medium flowing in the heat medium flow path can be decomposed on the water electrocatalyst to generate protons and electrons, and the protons and electrons thus generated can be converted into proton conductive materials. Can lead to the anode. Therefore, even if the anode is exposed to a high potential state due to the lack of fuel, protons and electrons are supplied from the first separator, so that deterioration of the constituent material of the anode can be suppressed. That is, according to the first aspect of the present invention, it is possible to provide a fuel cell capable of suppressing material deterioration at the time of fuel shortage.

請求項2に記載の発明によれば、プロトン伝導性材料として硫酸ポリアニリンが備えられている。硫酸ポリアニリンは、硫酸基を備えるため、良好なプロトン伝導性能を有する。したがって、請求項2に記載の発明によれば、上記効果に加え、プロトン伝導に起因する抵抗過電圧を低減し得る燃料電池を提供できる。   According to the second aspect of the present invention, polyaniline sulfate is provided as the proton conductive material. Since polyaniline sulfate has a sulfate group, it has good proton conductivity. Therefore, according to the second aspect of the present invention, in addition to the above effects, a fuel cell capable of reducing resistance overvoltage caused by proton conduction can be provided.

アノードへと供給される水素が不足している燃料欠乏状態で燃料電池を作動させると、アノードが高電位状態に曝される。そして、高電位状態に曝されたアノードでは、上記式2の反応で消費されるプロトン及び電子を供給するため、以下の反応が生じる。
O → (1/2)O + 2H + 2e (式3)
ここで、上記式3は、水の電気分解反応であり、アノード側に水が存在する間は、当該反応によりプロトン及び電子が生成される。ところが、アノード側の水が枯渇する等の理由により、高電位状態に曝されたアノードで上記式3の反応が生じなくなると、アノードの構成材料としてカーボンが備えられる燃料電池では、以下の反応によってプロトン及び電子が生成される。
(1/2C) + HO → (1/2)CO + 2H + 2e (式4)
上記式4は、カーボンの酸化反応であり、かかる反応が進むと、触媒を担持しているカーボンや拡散層に含まれるカーボン等が劣化する。したがって、アノードの材料劣化を抑制するには、上記式4の反応を抑制することが必要であり、それには、燃料欠乏時にアノード側へ上記式3により分解される水を供給することが重要である。そして、上記式3の反応を生じさせるには、アノード側に水電解触媒が備えられる形態の燃料電池とすることが好ましい。
When the fuel cell is operated in a fuel-deficient state in which the hydrogen supplied to the anode is insufficient, the anode is exposed to a high potential state. Then, in the anode exposed to the high potential state, the following reaction occurs because protons and electrons consumed in the reaction of Formula 2 are supplied.
H 2 O → (1/2) O 2 + 2H + + 2e (Formula 3)
Here, Formula 3 is an electrolysis reaction of water, and while water is present on the anode side, protons and electrons are generated by the reaction. However, if the reaction of the above formula 3 does not occur in the anode exposed to a high potential state due to depletion of water on the anode side, in the fuel cell provided with carbon as a constituent material of the anode, Protons and electrons are generated.
(1 / 2C) + H 2 O → (1/2) CO 2 + 2H + + 2e (Formula 4)
The above equation 4 is an oxidation reaction of carbon, and as the reaction proceeds, carbon carrying the catalyst, carbon contained in the diffusion layer, and the like deteriorate. Therefore, in order to suppress the material deterioration of the anode, it is necessary to suppress the reaction of the above formula 4. It is important to supply water decomposed by the above formula 3 to the anode side when the fuel is insufficient. is there. And in order to produce the reaction of the said Formula 3, it is preferable to set it as the fuel cell of the form with which a water electrolysis catalyst is provided in the anode side.

本発明は、かかる観点からなされたものであり、その要旨は、アノード側に備えられる水電解触媒へ水を容易に供給可能とするとともに、水電解触媒上で生じたプロトン及び電子をアノードへ容易に伝達可能な構成とすることで、燃料欠乏時の材料劣化を抑制して発電性能を向上させることが可能な、燃料電池を提供することにある。   The present invention has been made from such a viewpoint, and the gist thereof is that water can be easily supplied to the water electrocatalyst provided on the anode side, and protons and electrons generated on the water electrocatalyst can be easily supplied to the anode. Therefore, it is an object of the present invention to provide a fuel cell capable of improving power generation performance by suppressing material deterioration when fuel is scarce.

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について具体的に説明する。なお、以下の図では、特に断らない限り、反応ガスや熱媒体のシール性を確保するために備えられるシール手段の記載を省略するが、本発明の燃料電池のシール性は、所定のシール手段(例えば、単セルの端部等に配設されるフッ素ゴム製のガスケット等)によって確保されているものとする。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings. In the following drawings, the description of the sealing means provided to ensure the sealing performance of the reaction gas and the heat medium is omitted unless otherwise specified, but the sealing performance of the fuel cell of the present invention is the predetermined sealing means. (For example, a fluororubber gasket or the like disposed at the end of a single cell).

1.第1実施形態
図1は、第1実施形態にかかる本発明の燃料電池に備えられる単セル(以下、単に「燃料電池」という。)の一部構成例を概略的に示す断面図であり、図の左右方向が、セルの積層方向である。
1. First Embodiment FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a partial configuration example of a single cell (hereinafter simply referred to as “fuel cell”) provided in a fuel cell of the present invention according to a first embodiment. The horizontal direction in the figure is the cell stacking direction.

図示のように、第1実施形態にかかる本発明の燃料電池100は、電解質膜1と、その一方の側に配設されるアノード触媒層2a及び他方の側に配設されるカソード触媒層3aと、を備えるMEA5と、MEA5の一方の側に配設されるアノード拡散層2b及び他方の側に配設されるカソード拡散層3bと、アノード拡散層2bの外側へ配設される第1セパレータ6と、カソード拡散層3bの外側へ配設される第2セパレータ7と、を備えている。アノード2には、アノード触媒層2a及びアノード拡散層2bが、カソード3には、カソード触媒層3a及びカソード拡散層3bが、それぞれ備えられている。さらに、第1セパレータ6は、ポーラスカーボンにより形成され、第1セパレータ6には、第1反応ガス流路8a、8a、…、及び、熱媒体流路9a、9a、…が備えられている。第1セパレータ6の内部には、硫酸ポリアニリン11、11、…が備えられ、熱媒体流路9a、9a、…の表面には、水電解触媒10、10、…(例えば、Ir)が備えられている。また、第2セパレータ7には、第2反応ガス流路8b、8b、…、及び、熱媒体流路9b、9b、…が備えられている。そして、上記形態の燃料電池100は、第1反応ガス流路8a、8a、…に加湿された水素含有ガス(以下、「水素」という。)が、第2反応ガス流路8b、8b、…に加湿された酸素含有ガス(以下、「空気」という。)が、それぞれ供給されるとともに、第1熱媒体流路9a、9a、…及び第2熱媒体流路9b、9b、…に、冷水又は温水等の熱媒体(以下、「水」という。)が流通した状態で、作動される。   As shown, the fuel cell 100 of the present invention according to the first embodiment includes an electrolyte membrane 1, an anode catalyst layer 2a disposed on one side thereof, and a cathode catalyst layer 3a disposed on the other side. An anode diffusion layer 2b disposed on one side of the MEA 5, a cathode diffusion layer 3b disposed on the other side, and a first separator disposed outside the anode diffusion layer 2b. 6 and a second separator 7 disposed outside the cathode diffusion layer 3b. The anode 2 includes an anode catalyst layer 2a and an anode diffusion layer 2b, and the cathode 3 includes a cathode catalyst layer 3a and a cathode diffusion layer 3b. Further, the first separator 6 is made of porous carbon, and the first separator 6 includes first reaction gas channels 8a, 8a,... And heat medium channels 9a, 9a,. The first separator 6 is provided with polyaniline sulfate 11, 11,..., And the surface of the heat medium flow passages 9a, 9a,. ing. Further, the second separator 7 is provided with second reaction gas channels 8b, 8b,... And heat medium channels 9b, 9b,. In the fuel cell 100 of the above embodiment, the hydrogen-containing gas (hereinafter referred to as “hydrogen”) humidified in the first reaction gas channels 8a, 8a,... Is converted into the second reaction gas channels 8b, 8b,. Are supplied with oxygen-containing gas (hereinafter referred to as “air”), and cold water is supplied to the first heat medium passages 9a, 9a,... And the second heat medium passages 9b, 9b,. Alternatively, it is operated in a state in which a heat medium such as warm water (hereinafter referred to as “water”) flows.

第1反応ガス流路8a、8a、…を経て供給された水素は、カーボンペーパー等からなるアノード拡散層2bを経て、通常触媒(例えば、白金担持カーボン。以下において同じ。)及び電解質成分(例えば、Nafion等。Nafionは米国デュポン社の登録商標。以下において同じ。)を備えるアノード触媒層2aに達し、通常触媒上でプロトンと電子とに分解される(上記式1)。このようにして生成されたプロトンは、電解質成分を備える電解質膜1を通過して、通常触媒及び電解質成分を備えるカソード触媒層3aへと達する。これに対し、電子は電解質膜1を通過できないので、外部回路を経由してカソード触媒層3aへと達する。他方、第2反応ガス流路8b、8b、…を経て供給された空気は、カーボンペーパー等からなるカソード拡散層3bを経て、カソード触媒層3aへと達する。そして、カソード触媒層3aに備えられる通常触媒上で、酸素と、アノード触媒層2aから移動してきたプロトン及び電子とが反応することにより、水が生成される(上記式2)。アノード触媒層2a及びカソード触媒層3aへ十分な量の反応ガスが供給されている間は、上記式1及び式2の反応により水が生成され、電気エネルギーを取り出すことができる。   The hydrogen supplied through the first reaction gas flow paths 8a, 8a,... Passes through an anode diffusion layer 2b made of carbon paper or the like, and is usually a catalyst (for example, platinum-supported carbon; the same applies hereinafter) and an electrolyte component (for example, Nafion, etc. Nafion is a registered trademark of DuPont, USA, and the same applies hereinafter.), And is usually decomposed into protons and electrons on the catalyst (Formula 1 above). The protons thus generated pass through the electrolyte membrane 1 including the electrolyte component, and reach the cathode catalyst layer 3a including the normal catalyst and the electrolyte component. In contrast, since electrons cannot pass through the electrolyte membrane 1, they reach the cathode catalyst layer 3a via an external circuit. On the other hand, the air supplied through the second reaction gas flow paths 8b, 8b,... Reaches the cathode catalyst layer 3a through the cathode diffusion layer 3b made of carbon paper or the like. Then, on the normal catalyst provided in the cathode catalyst layer 3a, oxygen reacts with protons and electrons that have moved from the anode catalyst layer 2a to generate water (formula 2). While a sufficient amount of reaction gas is supplied to the anode catalyst layer 2a and the cathode catalyst layer 3a, water is generated by the reaction of the above formulas 1 and 2, and electric energy can be taken out.

ところで、PEFCは通常、多数のセルが積層されたスタック形態で使用され、当該スタック形態のPEFCから電気エネルギーが取り出される。そのため、水素が十分に供給されない等の理由によりスタックに備えられる一部のセルが燃料欠乏により発電不能の状態に陥っても、その他のセルが通常に作動していれば、スタックから電気エネルギーを取り出すことができる。このように、発電不能セルを備えるスタックから電気エネルギーを取り出すと、当該発電不能セルでは、アノードが高電位状態に曝され、上記式3及び式4の反応が生じる。そして、アノード側の水が枯渇すると、上記式4の反応が進行し、アノードの材料が劣化する。   By the way, the PEFC is usually used in a stack form in which a large number of cells are stacked, and electric energy is extracted from the PEFC in the stack form. For this reason, even if some cells provided in the stack are incapable of generating power due to lack of fuel due to insufficient hydrogen supply, etc., if other cells are operating normally, the stack will not be able to generate electrical energy. It can be taken out. As described above, when electric energy is taken out from the stack including the non-power generation cell, the anode is exposed to a high potential state in the non-power generation cell, and the reactions of the above formulas 3 and 4 occur. When the water on the anode side is depleted, the reaction of the above formula 4 proceeds, and the anode material is deteriorated.

一方で、第1反応ガス流路8a、8a、…には加湿された水素が供給されるとともに、燃料電池の作動時には上記式2により水が生成される。ここで、燃料電池10の通常作動時には、第1反応ガス流路8a、8a、…に十分な量の水素が供給されるので、アノード2に存在する余剰水は、第1反応ガス流路8a、8a、…内を流れる水素とともに、セル外へ排出することができる。しかし、アノード2への水素の供給が途絶える(以下、「水素欠状態になる」という。)と、水の排出効率が低下するため、第1セパレータ6に備えられる多数の細孔には水が滞留するものと考えられる。   On the other hand, humidified hydrogen is supplied to the first reaction gas flow paths 8a, 8a,..., And water is generated by the above equation 2 when the fuel cell is operated. Here, during the normal operation of the fuel cell 10, a sufficient amount of hydrogen is supplied to the first reaction gas channels 8a, 8a,..., So that excess water present in the anode 2 is removed from the first reaction gas channel 8a. , 8a, can be discharged out of the cell together with hydrogen flowing inside. However, when the supply of hydrogen to the anode 2 is interrupted (hereinafter referred to as “hydrogen deficient state”), the water discharge efficiency decreases, so that water is contained in many pores provided in the first separator 6. It is thought to stay.

図示のように、本発明の燃料電池100には、第1セパレータ6の内部に硫酸ポリアニリン11、11、…が備えられ、第1セパレータ6に備えられる第1熱媒体流路9a、9a、…の表面に水電解触媒10、10、…が備えられている。そして、硫酸ポリアニリン11、11、…は、水電解触媒10、10、…とアノード拡散層2bとを繋ぐような形態で、備えられている。そのため、燃料電池100によれば、アノード2が水素欠状態となり、アノード2が高電位状態に曝されても、第1セパレータ6内に滞留した水に加え、第1熱媒体流路9a、9a、…内を流れる水を容易に水電解触媒10、10、…へ供給することができるので、当該水電解触媒10、10、…上で分解される水を容易に確保することができる。そして、この反応により生じたプロトン及び電子は、硫酸ポリアニリン11、11、…を経てアノード2へと導かれる。したがって、燃料電池100によれば、第1セパレータ6からアノード2へプロトン及び電子を供給することができるので、上記式4の反応を抑制してアノード2の材料劣化を抑制することができる。すなわち、第1実施形態にかかる燃料電池100によれば、燃料欠乏時における材料劣化を抑制することができる。   As illustrated, the fuel cell 100 of the present invention includes polyaniline sulfates 11, 11,... In the first separator 6, and the first heat medium flow paths 9 a, 9 a,. Are provided with water electrocatalysts 10, 10,. In addition, the polyaniline sulfates 11, 11,... Are provided in a form that connects the water electrocatalysts 10, 10,... And the anode diffusion layer 2b. Therefore, according to the fuel cell 100, even if the anode 2 is in a hydrogen deficient state and the anode 2 is exposed to a high potential state, in addition to the water retained in the first separator 6, the first heat medium flow paths 9a, 9a ,... Can be easily supplied to the water electrocatalysts 10, 10,..., So that water decomposed on the water electrocatalysts 10, 10,. Then, protons and electrons generated by this reaction are guided to the anode 2 through the polyaniline sulfates 11, 11,. Therefore, according to the fuel cell 100, protons and electrons can be supplied from the first separator 6 to the anode 2, so that the reaction of the above formula 4 can be suppressed and the material deterioration of the anode 2 can be suppressed. That is, according to the fuel cell 100 according to the first embodiment, material deterioration at the time of fuel shortage can be suppressed.

ここで、本発明にかかる第1セパレータに備えられる硫酸ポリアニリンの配設方法としては、例えば、プレート状に形成された第1セパレータに第1熱媒体流路及び第1反応ガス流路を形成した後、当該第1熱媒体流路の表面から、第1反応ガス流路が形成されている面側へ貫通孔を空け、当該貫通孔に硫酸ポリアニリンを充填し固定する方法等を挙げることができる。このほか、減圧環境下で、第1熱媒体流路及び第1反応ガス流路が形成された第1セパレータ内に硫酸ポリアニリンを浸透させる等の方法で、硫酸ポリアニリンを配設し固定しても良い。   Here, as a method for arranging the polyaniline sulfate provided in the first separator according to the present invention, for example, the first heat medium flow path and the first reaction gas flow path are formed in the first separator formed in a plate shape. Thereafter, a method of forming a through hole from the surface of the first heat medium flow channel to the surface side on which the first reaction gas flow channel is formed, filling the through hole with polyaniline sulfate, and the like can be exemplified. . In addition, the polyaniline sulfate may be disposed and fixed in a reduced pressure environment by a method such as infiltrating the polyaniline sulfate into the first separator in which the first heat medium flow path and the first reaction gas flow path are formed. good.

また、本発明にかかる第1セパレータに備えられる水電解触媒の配設方法としては、例えば、ポーラスカーボンに第1熱媒体流路を形成した後、当該第1熱媒体流路の表面へ、水電解触媒を固定化する等の方法を挙げることができる。   Moreover, as a method for arranging the water electrocatalyst provided in the first separator according to the present invention, for example, after forming the first heat medium channel in the porous carbon, water is applied to the surface of the first heat medium channel. The method of immobilizing an electrocatalyst can be mentioned.

2.第2実施形態
図2は、第2実施形態にかかる本発明の燃料電池の一部構成例を概略的に示す断面図であり、図の左右方向が、セルの積層方向である。図2において、図1に示す部材・物質と同様の構成を採るものには、図1にて使用した符号を付し、その説明を適宜省略する。
2. Second Embodiment FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a partial configuration example of a fuel cell of the present invention according to a second embodiment, and the horizontal direction in the figure is the cell stacking direction. 2, those having the same configuration as the members and substances shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals used in FIG. 1, and the description thereof is omitted as appropriate.

図2に示すように、第2実施形態にかかる本発明の燃料電池200は、MEA5と、MEA5の一方の側に配設されるアノード拡散層2b及び他方の側に配設されるカソード拡散層3bと、アノード拡散層2bの外側へ配設される第1セパレータ26と、カソード拡散層3bの外側へ配設される第2セパレータ7と、を備えている。第1セパレータ26は、ポーラスカーボンにより形成されるとともに、第1反応ガス流路8a、8a、…、及び、第1熱媒体流路9a、9a、…が備えられ、第1熱媒体流路9a、9a、…の表面に水電解触媒10、10、…が備えられている。さらに、第1セパレータ26には、逆浸透膜22が備えられ、第1セパレータ26の内部には、硫酸ポリアニリン11、11、…が備えられている。そして、燃料電池200では、逆浸透膜22に対して、第1熱媒体流路9a、9a、…と反対側に位置する流路(図2では不図示)内をLLC等の熱媒体(以下、「LLC」という。)が流れ、逆浸透膜22を透過した純水(以下、単に「水」という。)が、第1熱媒体流路9a、9a、…へと移動し、この水が、水電解触媒10、10、…へと供給される。   As shown in FIG. 2, the fuel cell 200 of the present invention according to the second embodiment includes an MEA 5, an anode diffusion layer 2b disposed on one side of the MEA 5, and a cathode diffusion layer disposed on the other side. 3b, a first separator 26 disposed outside the anode diffusion layer 2b, and a second separator 7 disposed outside the cathode diffusion layer 3b. The first separator 26 is formed of porous carbon and includes first reaction gas channels 8a, 8a,... And first heat medium channels 9a, 9a,. , 9a,... Are provided with water electrocatalysts 10, 10,. Further, the first separator 26 is provided with the reverse osmosis membrane 22, and the polyaniline sulfate 11, 11,. In the fuel cell 200, a heat medium such as LLC (hereinafter referred to as “LLC”) is formed in the flow path (not shown in FIG. 2) located on the opposite side of the first heat medium flow path 9a, 9a,. , “LLC”) flows, and pure water that has permeated through the reverse osmosis membrane 22 (hereinafter simply referred to as “water”) moves to the first heat medium flow paths 9a, 9a,. , Are supplied to water electrocatalysts 10, 10,.

図2に示すように、本発明の燃料電池200には、逆浸透膜22が備えられている。そのため、水以外の熱媒体が使用されても、逆浸透膜22を透過した水のみを水電解触媒10、10、…上へ供給できる。そのため、第2実施形態によれば、水以外の熱媒体が用いられる場合であっても、アノードへプロトン及び電子を供給することができるので、燃料欠乏時における材料劣化を抑制し得る燃料電池を提供できる。   As shown in FIG. 2, the fuel cell 200 of the present invention includes a reverse osmosis membrane 22. Therefore, even if a heat medium other than water is used, only water that has permeated through the reverse osmosis membrane 22 can be supplied onto the water electrocatalysts 10, 10,. Therefore, according to the second embodiment, even when a heat medium other than water is used, protons and electrons can be supplied to the anode. Therefore, a fuel cell that can suppress material deterioration at the time of fuel shortage is provided. Can be provided.

ここで、第2実施形態にかかる第1セパレータ26に備えられる逆浸透膜22の配設方法としては、例えば、第1熱媒体流路9a、9a、…及び第1反応ガス流路8a、8a、…が形成された第1セパレータ26に、逆浸透膜22配設用の貫通孔を形成し、当該貫通孔に、溶解又は溶融状態の逆浸透膜を充填し固定化する等の方法を挙げることができる。また、貫通孔を設けることなく、端部をシール部材でシールすることもできる。   Here, as a method of arranging the reverse osmosis membrane 22 provided in the first separator 26 according to the second embodiment, for example, the first heat medium flow paths 9a, 9a,... And the first reaction gas flow paths 8a, 8a are used. ,... Are formed in the first separator 26 where the reverse osmosis membrane 22 is disposed, and the through hole is filled with a dissolved or molten reverse osmosis membrane and fixed. be able to. Further, the end portion can be sealed with a sealing member without providing a through hole.

上記実施形態では、プロトン伝導性材料として硫酸ポリアニリンが備えられる形態を例示したが、本発明の燃料電池に備えられるプロトン伝導性材料は、これに限定されない。燃料電池の作動環境下で、水電解触媒上で生じたプロトン及び電子をアノードへ供給可能であれば、他のプロトン伝導性材料が備えられていても良い。本発明の燃料電池に備えられ得るプロトン伝導性材料の具体例としては、硫酸ポリアニリンのほか、燐酸ポリアニリン、酢酸ポリアニリン、硫酸ポリピロール、燐酸ポリピロール、酢酸ポリピロール、硫酸ポリアセン、燐酸ポリアセン、酢酸ポリアセン等、を挙げることができる。但し、抵抗過電圧を低減することで燃料電池の性能を向上可能とする等の観点からは、良好なプロトン伝導性及び電子伝導性を備えるプロトン伝導性材料(例えば、硫酸ポリアニリン)を用いることが好ましい。   In the said embodiment, although the form with which polyaniline sulfate is provided as a proton-conductive material was illustrated, the proton-conductive material with which the fuel cell of this invention is provided is not limited to this. Other proton conductive materials may be provided as long as protons and electrons generated on the water electrocatalyst can be supplied to the anode in the operating environment of the fuel cell. Specific examples of proton conductive materials that can be provided in the fuel cell of the present invention include polyaniline sulfate, polyaniline phosphate, polyaniline acetate, polypyrrole sulfate, polypyrrole phosphate, polypyrrole acetate, polyacene sulfate, polyacene phosphate, polyacene acetate, and the like. Can be mentioned. However, from the viewpoint of enabling the performance of the fuel cell to be improved by reducing the resistance overvoltage, it is preferable to use a proton conductive material (for example, polyaniline sulfate) having good proton conductivity and electronic conductivity. .

また、上記実施形態では、水電解触媒としてIrが備えられる形態を例示したが、本発明の燃料電池に備えられ得る水電解触媒はIrに限定されない。本発明にかかる水電解触媒は、通常触媒よりも水の電気分解反応を生じさせやすい触媒であればよく、当該水電解触媒の具体例としては、Irのほか、IrO等のIr系材料、RuO等のRu系材料、これらの複合物等、を挙げることができる。 Moreover, in the said embodiment, although the form with which Ir is provided as a water electrolysis catalyst was illustrated, the water electrolysis catalyst with which the fuel cell of this invention can be equipped is not limited to Ir. The water electrocatalyst according to the present invention only needs to be a catalyst that causes an electrolysis reaction of water more easily than a normal catalyst. Specific examples of the water electrocatalyst include Ir, Ir-based materials such as IrO 2 , Examples thereof include Ru-based materials such as RuO 2 and composites thereof.

さらに、上記実施形態では、第1熱媒体流路9a、9a、…の表面に水電解触媒10、10、…が備えられる形態を例示したが、本発明の燃料電池において、第1セパレータに備えられる水電解触媒が配設され得る箇所は、第1熱媒体流路の表面のみに限定されない。上記形態のほか、例えば、第1熱媒体流路の表面、及び、第1セパレータの内部に、水電解触媒が備えられる形態とすることも可能である。   Furthermore, in the said embodiment, although the form with which the surface of the 1st heat-medium flow path 9a, 9a, ... was equipped with the water electrolysis catalyst 10, 10, ... was illustrated, in the fuel cell of this invention, it is equipped with a 1st separator. The place where the water electrolysis catalyst to be disposed can be disposed is not limited to the surface of the first heat medium flow path. In addition to the above form, for example, a form in which a water electrolysis catalyst is provided on the surface of the first heat medium flow path and the inside of the first separator may be employed.

なお、上記実施形態では、通常触媒及び電解質成分を備える形態のアノード触媒層2aを例示したが、本発明の燃料電池では、通常触媒及び電解質成分と水電解触媒とを具備する形態のアノード触媒層としても良い。このような形態であれば、水の電気分解反応の発生頻度を向上させることができる。したがって、かかる形態であっても、アノードが高電位状態に曝された時の材料劣化を容易に抑制して発電性能を向上させることが可能な燃料電池を提供できる。   In the above embodiment, the anode catalyst layer 2a having the normal catalyst and the electrolyte component is exemplified. However, in the fuel cell of the present invention, the anode catalyst layer having the normal catalyst, the electrolyte component, and the water electrolysis catalyst is provided. It is also good. With such a form, the frequency of water electrolysis reaction can be improved. Therefore, even in such a form, it is possible to provide a fuel cell capable of easily suppressing material deterioration when the anode is exposed to a high potential state and improving power generation performance.

さらに、これまで、アノード2及びカソード3に拡散層2b、3bが備えられる形態の燃料電池100、200を例示したが、本発明の燃料電池は拡散層を備える形態に限定されない。本発明の燃料電池において、アノード及びカソードは、少なくとも触媒層(アノード触媒層及びカソード触媒層)を備えていれば良い。   Furthermore, although the fuel cells 100 and 200 in the form in which the anode 2 and the cathode 3 are provided with the diffusion layers 2b and 3b have been exemplified so far, the fuel cell of the present invention is not limited to the form in which the diffusion layer is provided. In the fuel cell of the present invention, the anode and the cathode may be provided with at least a catalyst layer (anode catalyst layer and cathode catalyst layer).

第1実施形態にかかる本発明の燃料電池の一部構成例を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows roughly the example of a partial structure of the fuel cell of this invention concerning 1st Embodiment. 第2実施形態にかかる本発明の燃料電池の一部構成例を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows roughly the example of a partial structure of the fuel cell of this invention concerning 2nd Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1 電解質膜
2 アノード
2a アノード触媒層
2b アノード拡散層
3 カソード
3a カソード触媒層
3b カソード拡散層
5 MEA
6、26 第1セパレータ
7 第2セパレータ
8a 第1反応ガス流路
8b 第2反応ガス流路
9a 第1熱媒体流路
9b 第2熱媒体流路
10 水電解触媒
11 硫酸ポリアニリン(プロトン伝導性材料)
22 逆浸透膜
100、200 燃料電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electrolyte membrane 2 Anode 2a Anode catalyst layer 2b Anode diffusion layer 3 Cathode 3a Cathode catalyst layer 3b Cathode diffusion layer 5 MEA
6, 26 First separator 7 Second separator 8a First reaction gas flow path 8b Second reaction gas flow path 9a First heat medium flow path 9b Second heat medium flow path 10 Water electrocatalyst 11 Polyaniline sulfate (proton conductive material) )
22 Reverse osmosis membrane 100, 200 Fuel cell

Claims (2)

アノード及びカソード、並びに、前記アノードと前記カソードとの間に配設される電解質膜を備えるMEAと、前記アノード側へ配設される第1セパレータと、前記カソード側へ配設される第2セパレータと、を備え、
前記第1セパレータが多孔質カーボン材料により形成されるとともに、該第1セパレータに、少なくとも水を含む熱媒体が流通し得る熱媒体流路が備えられ、
少なくとも、前記熱媒体流路の表面に、水電解触媒が配設され、
前記第1セパレータの内部にプロトン伝導性材料が備えられていることを特徴とする、燃料電池。
MEA including an anode and a cathode, and an electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode, a first separator disposed on the anode side, and a second separator disposed on the cathode side And comprising
The first separator is formed of a porous carbon material, and the first separator is provided with a heat medium flow path through which a heat medium containing at least water can flow.
At least a water electrocatalyst is disposed on the surface of the heat medium flow path,
A fuel cell, wherein a proton conductive material is provided in the first separator.
前記プロトン伝導性材料が、硫酸ポリアニリンであることを特徴とする、請求項1に記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein the proton conductive material is polyaniline sulfate.
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