JP2008021533A - Fuel cell stack - Google Patents

Fuel cell stack Download PDF

Info

Publication number
JP2008021533A
JP2008021533A JP2006192364A JP2006192364A JP2008021533A JP 2008021533 A JP2008021533 A JP 2008021533A JP 2006192364 A JP2006192364 A JP 2006192364A JP 2006192364 A JP2006192364 A JP 2006192364A JP 2008021533 A JP2008021533 A JP 2008021533A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel cell
electrode
water
cell stack
membrane
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2006192364A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tsutomu Ochi
勉 越智
Koichiro Yamashita
浩一郎 山下
Hitoshi Hamada
仁 濱田
Tsunemasa Nishida
恒政 西田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2006192364A priority Critical patent/JP2008021533A/en
Publication of JP2008021533A publication Critical patent/JP2008021533A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress the transfer of water from one electrode to the other electrode caused by temperature difference even if the temperature difference is produced between both electrodes in one fuel cell depending on stacking portions in a fuel cell stack formed by stacking fuel cells each having an electrolyte membrane and a membrane electrode assembly formed by arranging electrodes on both sides of the electrolyte membrane. <P>SOLUTION: The fuel cell stacks 1, 2 contain the fuel cell equipped with the membrane-electrode assembly having an electrolyte membrane having a certain thickness for making the permeation of water difficult, or a fuel cell in which the concentration difference of water between both electrodes is reduced by making water retention between the both electrodes of the membrane-electrode assembly different. These fuel cells are used in the positions of fuel cells 10A-10D. These fuel cells can suppress the transfer of water even if the temperature of electrodes at ends of the stacks 1, 2 become higher than that of electrode in the central part. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、電解質膜の両面に電極を形成した膜−電極接合体を有する燃料電池セルを積層した燃料電池スタックに関する。   The present invention relates to a fuel cell stack in which fuel cells having a membrane-electrode assembly in which electrodes are formed on both surfaces of an electrolyte membrane are stacked.

電解質膜の両面に電極を形成した膜−電極接合体を有する燃料電池が知られている。この種の燃料電池として、一方の電極と電解質膜との間に保水層を備えるものがある(例えば、特許文献1参照)。この燃料電池は、保水層によって水分を蓄えることができる。保水層に蓄えられた水分を電解質膜に与えることによって、電解質膜の乾燥を防止している。   A fuel cell having a membrane-electrode assembly in which electrodes are formed on both surfaces of an electrolyte membrane is known. Some fuel cells of this type include a water retention layer between one electrode and an electrolyte membrane (see, for example, Patent Document 1). This fuel cell can store moisture by the water retention layer. Drying of the electrolyte membrane is prevented by providing moisture stored in the water retention layer to the electrolyte membrane.

特開2005−19285号公報JP 2005-19285 A

ところで、燃料電池(セル)を積層した燃料電池スタックは、積層場所によって温度条件が異なる場合がある。例えば、燃料電池スタックの端部は、金属製の集電板、エンドプレート等の良熱伝導性の部材が配置しているため、燃料電池スタックの中央部分よりも放熱し易く、温度が低くなり易い。また、1つの燃料電池セルにおいても、スタックの端部側の燃料電池セルの方が、スタックの中央部分の燃料電池セルよりも、同様の理由により、温度が低くなり易く、両電極間に温度差が生じる場合がある。1つの燃料電池(セル)において温度差が生じると、両電極における飽和水蒸気圧に差が生じ、飽和水蒸気圧の高い一方の電極側から、低い他方の電極側へ水が移動しやすくなり、片方の電極側に水が溜まり易くなる場合がある。水が偏って一方の電極側に溜まると、発電に必要なガスの供給が妨げられ、燃料電池の出力が低下する等の問題が生じる。   By the way, a fuel cell stack in which fuel cells (cells) are stacked may have different temperature conditions depending on the stacking location. For example, the end part of the fuel cell stack is arranged with a good heat conductive member such as a metal current collector plate, end plate, etc., so it is easier to dissipate heat than the center part of the fuel cell stack and the temperature is lower. easy. Also, even in one fuel cell, the temperature of the fuel cell at the end of the stack is likely to be lower than that of the fuel cell at the center of the stack for the same reason, and the temperature between both electrodes Differences may occur. When a temperature difference occurs in one fuel cell (cell), a difference occurs in the saturated water vapor pressure at both electrodes, and water easily moves from one electrode side having a high saturated water vapor pressure to the other electrode side having a low saturated water pressure. Water may easily collect on the electrode side. If water is biased and accumulates on one electrode side, supply of gas necessary for power generation is hindered, causing problems such as a decrease in the output of the fuel cell.

ところで、燃料電池スタック中のすべてのセルが、一律に、一方の電極側から他方の電極側へ水の移動のし易さが同じであると、積層個所によって燃料電池セル内に温度差が生じた場合、その燃料電池セルの膜−電極接合体は、特に、温度差に基づく水の移動に対応していないため、水が電解質膜中を移動して、一方の電極側から他方の電極側へ偏って排出されてしまう場合がある。   By the way, if all the cells in the fuel cell stack have the same ease of water movement from one electrode side to the other electrode side, a temperature difference occurs in the fuel cell due to the stacking location. In this case, since the membrane-electrode assembly of the fuel cell does not particularly support the movement of water based on the temperature difference, the water moves through the electrolyte membrane, and the one electrode side to the other electrode side. May be discharged in a biased manner.

また上記特許文献1のように、膜−電極接合体の一方の電極に保水層を備える燃料電池セルにおいて、保水層を備える電極側の温度が、他方の電極側の温度よりも低くなった場合、他方の電極側から電解質膜を通って保水層を備える電極側へ水が移動することがある。その場合、保水層が移動してきた水を保持することによって、ある程度、電極の外側へ水が偏って滲出することが抑制される。しかし、燃料電池スタック中のすべてのセルが、一律に、一方の電極側から他方の電極側へ向けて水の移動のし易さが同じであるため、例えば、セルの積層個所によって燃料電池セル内に大きな温度差が生じた場合、そのセルは、特にその大きな温度差に基づく水の移動に対応していないため、水が電解質膜中を移動して、一方の電極側から他方の電極側へ偏って排出されてしまう場合がある。   Further, as in Patent Document 1, in a fuel cell including a water retention layer on one electrode of a membrane-electrode assembly, the temperature on the electrode side including the water retention layer is lower than the temperature on the other electrode side. The water may move from the other electrode side through the electrolyte membrane to the electrode side having the water retention layer. In that case, by holding the water that has been moved by the water retaining layer, it is possible to suppress the water from being biased to the outside of the electrode to some extent. However, since all the cells in the fuel cell stack have the same ease of water movement from one electrode side to the other electrode side, for example, the fuel cell unit depends on the cell stacking location. If there is a large temperature difference in the cell, the cell does not support the movement of water based on the large temperature difference, so that the water moves through the electrolyte membrane, and from one electrode side to the other electrode side. May be discharged in a biased manner.

本実施形態に係る燃料電池スタックは、電解質膜と、電解質膜の両面に電極を形成した膜−電極接合体を有する燃料電池セルを積層した燃料電池スタックにおいて、一方の電極から他方の電極への水の移動のし易さが異なる燃料電池セルを含むことを特徴とする。   The fuel cell stack according to the present embodiment is a fuel cell stack in which a fuel cell having an electrolyte membrane and a membrane-electrode assembly in which electrodes are formed on both surfaces of the electrolyte membrane is stacked, from one electrode to the other electrode. It is characterized by including the fuel battery cell from which the ease of movement of water differs.

上記燃料電池スタックにおいて、前記燃料電池セルは、膜−電極接合体の両電極間の保水性が異なることを特徴とする。   In the fuel cell stack, the fuel cells have different water retention between the electrodes of the membrane-electrode assembly.

上記燃料電池スタックにおいて、前記燃料電池セルの電極は、触媒と、電解質とを含み、一方の電極が他方の電極よりも、単位体積あたりの電解質量が多いことを特徴とする。   In the fuel cell stack, the electrode of the fuel cell includes a catalyst and an electrolyte, and one electrode has a larger electrolytic mass per unit volume than the other electrode.

上記燃料電池スタックにおいて、前記燃料電池セルの電極は、触媒と、電解質とを含み、一方の電極が他方の電極よりも、触媒の親水性が高いことを特徴とする。   In the fuel cell stack, the electrode of the fuel cell includes a catalyst and an electrolyte, and one of the electrodes has a higher hydrophilicity than the other electrode.

上記燃料電池スタックにおいて、前記燃料電池セルの電極は、触媒と、電解質とを含み、一方の電極が他方の電極よりも、電解質の保水性が高いことを特徴とする。   In the fuel cell stack, the electrode of the fuel cell includes a catalyst and an electrolyte, and one electrode has a higher water retention capacity of the electrolyte than the other electrode.

上記燃料電池スタックにおいて、燃料電池スタックの端部側に配置する燃料電池セルは、中央部側に配置する燃料電池セルよりも、水を透過し難い電解質膜を含む膜−電極接合体を有することを特徴とする。   In the fuel cell stack, the fuel cell arranged on the end side of the fuel cell stack has a membrane-electrode assembly including an electrolyte membrane that is less permeable to water than the fuel cell arranged on the center side. It is characterized by.

また本実施形態に係る燃料電池は、電解質膜と、電解質膜の一方の面上に配置し、水素ガスが供給されるアノード極と、電解質膜の他方の面上に配置し、酸素ガスが供給されるカソード極とを有する膜−電極接合体を備え、前記アノード極は、ガス透過性および水透過性を有するアノード側拡散層と、アノード側拡散層と電解質膜との間に配置し、供給された水素の電気化学反応を触媒する触媒と電解質とを含むアノード側触媒層とを有し、前記カソード極は、ガス透過性および水透過性を有するカソード側拡散層と、カソード側拡散層と電解質膜との間に配置し、供給された酸素の電気化学反応を触媒する触媒と電解質とを含み、電気化学反応により水を生成するカソード側触媒層とを有する燃料電池において、アノード側触媒層に含まれる触媒に、ヒドロキシル基を導入して、アノード側触媒層の保水性を高めることを特徴とする。   In addition, the fuel cell according to the present embodiment is disposed on one surface of the electrolyte membrane, the electrolyte membrane, and is disposed on the other surface of the electrolyte membrane, the anode electrode to which hydrogen gas is supplied, and supplied with oxygen gas. The anode electrode is disposed between the anode diffusion layer having gas permeability and water permeability, the anode diffusion layer and the electrolyte membrane, and is supplied. An anode-side catalyst layer containing a catalyst for catalyzing an electrochemical reaction of hydrogen and an electrolyte, and the cathode electrode includes a cathode-side diffusion layer having gas permeability and water permeability, a cathode-side diffusion layer, In a fuel cell having a cathode-side catalyst layer that is disposed between an electrolyte membrane and that catalyzes an electrochemical reaction of supplied oxygen and an electrolyte, and generates water by the electrochemical reaction, an anode-side catalyst layer Included in A catalyst, by introducing a hydroxyl group, and wherein the increasing the water retention of the anode catalyst layer.

上記燃料電池において、アノード側触媒層の単位体積あたりの電解質量を、カソード側触媒層よりも多くして、アノード側触媒層の保水性を高めることを特徴とする。   The fuel cell is characterized in that the electrolytic mass per unit volume of the anode side catalyst layer is made larger than that of the cathode side catalyst layer to increase the water retention of the anode side catalyst layer.

本発明の燃料電池スタックは、積層個所によって各燃料電池セルの電極間に温度差が生じても、その温度差に基づいて一方の電極側から他方の電極側へ水が移動するのを抑制することが出来る。   The fuel cell stack according to the present invention suppresses water from moving from one electrode side to the other electrode side based on the temperature difference even when a temperature difference occurs between the electrodes of each fuel cell due to the stacking portion. I can do it.

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、燃料電池スタック1,2の概略構成図である。この燃料電池スタック1,2は、例えば、車両の駆動電力を供給するために用いられる。定置用としても用いることができる。各燃料電池スタック1,2は、燃料電池セル10を複数個積層したものである。燃料電池スタック1,2において、各燃料電池セル10は、電気的に直列に接続されている。各燃料電池セル10の出力は、燃料電池スタック1,2の端部からまとめて取り出される。燃料電池スタック1の一方の端部の燃料電池セル10Aに、燃料電池スタック1全体としての負極が配置し、他方の端部の燃料電池セル10Bに、燃料電池スタック1全体としての正極が配置する。燃料電池セル10Aには、負極側の集電板50Aが隣接しており、燃料電池セル10Bには、正極側の集電板50Bが隣接している。これに対し、燃料電池スタック2の一方の端部の燃料電池セル10Cに、燃料電池スタック2全体としての負極が配置し、他方の端部の燃料電池セル10Dに、燃料電池スタック2全体としての正極が配置する。燃料電池セル10Cには、負極側の集電板50Cが隣接しており、燃料電池セル10Dには、正極側の集電板50Dが隣接している。   FIG. 1 is a schematic configuration diagram of the fuel cell stacks 1 and 2. The fuel cell stacks 1 and 2 are used, for example, to supply driving power for the vehicle. It can also be used for stationary use. Each fuel cell stack 1, 2 is a stack of a plurality of fuel cells 10. In the fuel cell stacks 1 and 2, each fuel cell 10 is electrically connected in series. The output of each fuel cell 10 is taken out collectively from the ends of the fuel cell stacks 1 and 2. The negative electrode as the whole fuel cell stack 1 is arranged in the fuel cell 10A at one end of the fuel cell stack 1, and the positive electrode as the whole fuel cell stack 1 is arranged in the fuel cell 10B at the other end. . A negative electrode side current collector plate 50A is adjacent to the fuel cell 10A, and a positive electrode side current collector plate 50B is adjacent to the fuel cell 10B. On the other hand, the negative electrode as the whole fuel cell stack 2 is arranged in the fuel cell 10C at one end of the fuel cell stack 2, and the whole fuel cell stack 2 is arranged at the fuel cell 10D at the other end. A positive electrode is arranged. A negative current collector plate 50C is adjacent to the fuel cell 10C, and a positive current collector plate 50D is adjacent to the fuel cell 10D.

燃料電池スタック1,2の端部は、エンドプレート60A,60Bに固定されている。燃料電池スタック1の負極側の端部と、燃料電池スタック2の正極側の端部は、共に、同一のエンドプレート60Aに固定され、燃料電池スタック1の正極側の端部と、燃料電池スタック2の負極側の端部は、共に、同一のエンドプレート60Bに固定されている。燃料電池スタック1,2は、分配器70と接続している。この分配器70には、水素ガス、酸化ガス(空気)、冷媒が通され、この分配器70を利用して、燃料電池スタック1,2内部に水素ガス等が供給される。また、未消費の水素ガス等のオフガス、燃料電池スタック1,2内を循環した後の温められた冷媒等も、この分配器70を通して燃料電池スタック1,2の外部へ排出される。   The ends of the fuel cell stacks 1 and 2 are fixed to end plates 60A and 60B. The end on the negative electrode side of the fuel cell stack 1 and the end on the positive electrode side of the fuel cell stack 2 are both fixed to the same end plate 60A, and the end on the positive electrode side of the fuel cell stack 1 and the fuel cell stack Both ends of the negative electrode 2 are fixed to the same end plate 60B. The fuel cell stacks 1 and 2 are connected to the distributor 70. Hydrogen gas, oxidizing gas (air), and refrigerant are passed through the distributor 70, and hydrogen gas and the like are supplied into the fuel cell stacks 1 and 2 using the distributor 70. In addition, off gas such as unconsumed hydrogen gas, warmed refrigerant after circulating through the fuel cell stacks 1 and 2, and the like are also discharged to the outside of the fuel cell stacks 1 and 2 through the distributor 70.

図2は、燃料電池セル10の構成を示す断面図である。燃料電池セル10は、膜−電極接合体20と、膜−電極接合体20を挟持する一対のセパレータ30とを備える。燃料電池セル10は、膜−電極接合体20において、水素と酸素との電気化学反応を起こして発電する。膜−電極接合体20は、膜−電極アッセンブリ(Membrane-Electrode Assembly、MEA)とも称されるものである。膜−電極接合体20は、イオン伝導性の電解質膜21と、この電解質膜21の表裏面に形成される一対の電極22からなる。電解質膜21は、例えば、側鎖にスルホン酸基等の電解質基を有するフッ素系高分子材料からなる。電極22は、電解質膜21の一方の面上に設けられ、水素ガス等の燃料ガスが反応するアノード極22Aと、電解質膜21の他方の面上に設けられ、酸素ガス等の酸化ガスが反応するカソード極22Bとからなる。アノード極22Aは、電解質膜21上に配置するアノード側触媒層23Aと、この触媒層23A上に配置するアノード側拡散層24Aとを有する。これに対し、カソード極22Bは、電解質膜21上に配置するカソード側触媒層23Bと、この触媒層23B上に配置するカソード側拡散層24Bとを有する。触媒層23A,23Bは、白金、金、パラジウム、ルテニウム、イリジウム等の貴金属触媒を、カーボンで担持した触媒担持カーボンと、この触媒担持カーボンを電解質膜21へ接着等する樹脂を含む。この樹脂は電解質からなり、例えば、イオン伝導性の陽イオン交換樹脂からなる。この電解質は、上記電解質膜21と同様の材料であってもよい。拡散層24A,24Bは、導電性多孔質材料からなり、導電性、ガス透過性および水透過性を有する。セパレータ30は、膜−電極接合体20のアノード極22A側に配置するアノード側セパレータ30Aと、カソード極22B側に配置するカソード側セパレータ30Bとからなる。セパレータ30(30A,30B)は、アルミニウム、チタン、スレンレス等の金属材料からなり、導電性を有する。またセパレータ30(30A,30B)は、隣接する燃料電池セル10同士を隔てる機能を有すると共に、膜−電極接合体20で生じた電気を集電する機能を有する。更に、アノード側セパレータ30Aは、アノード極22Aへ水素ガスを供給する為の水素ガス流路31Aと、冷媒を通すための冷媒流路32Aを有し、カソード側セパレータ30Bは、カソード極22Bへ酸素ガスを供給する為の酸化ガス流路31Bと、冷媒を通す為の冷媒流路32Bを有する。   FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the fuel battery cell 10. The fuel cell 10 includes a membrane-electrode assembly 20 and a pair of separators 30 that sandwich the membrane-electrode assembly 20. The fuel battery cell 10 generates electricity by causing an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen in the membrane-electrode assembly 20. The membrane-electrode assembly 20 is also referred to as a membrane-electrode assembly (MEA). The membrane-electrode assembly 20 includes an ion conductive electrolyte membrane 21 and a pair of electrodes 22 formed on the front and back surfaces of the electrolyte membrane 21. The electrolyte membrane 21 is made of, for example, a fluorine-based polymer material having an electrolyte group such as a sulfonic acid group in the side chain. The electrode 22 is provided on one surface of the electrolyte membrane 21, and is provided on the other surface of the electrolyte membrane 21 with an anode electrode 22A that reacts with a fuel gas such as hydrogen gas, and an oxidizing gas such as oxygen gas reacts. Cathode electrode 22B. The anode electrode 22A has an anode side catalyst layer 23A disposed on the electrolyte membrane 21, and an anode side diffusion layer 24A disposed on the catalyst layer 23A. On the other hand, the cathode electrode 22B has a cathode side catalyst layer 23B disposed on the electrolyte membrane 21, and a cathode side diffusion layer 24B disposed on the catalyst layer 23B. The catalyst layers 23 </ b> A and 23 </ b> B include a catalyst-supporting carbon in which a noble metal catalyst such as platinum, gold, palladium, ruthenium, and iridium is supported by carbon, and a resin that adheres the catalyst-supporting carbon to the electrolyte membrane 21. This resin is made of an electrolyte, for example, an ion conductive cation exchange resin. This electrolyte may be the same material as the electrolyte membrane 21. The diffusion layers 24A and 24B are made of a conductive porous material and have conductivity, gas permeability, and water permeability. The separator 30 includes an anode separator 30A disposed on the anode electrode 22A side of the membrane-electrode assembly 20 and a cathode separator 30B disposed on the cathode electrode 22B side. Separator 30 (30A, 30B) consists of metal materials, such as aluminum, titanium, and slenless, and has electroconductivity. The separator 30 (30A, 30B) has a function of separating adjacent fuel cells 10 and a function of collecting electricity generated in the membrane-electrode assembly 20. Furthermore, the anode side separator 30A has a hydrogen gas flow path 31A for supplying hydrogen gas to the anode electrode 22A and a refrigerant flow path 32A for allowing the refrigerant to pass therethrough, and the cathode side separator 30B has oxygen to the cathode electrode 22B. It has an oxidizing gas channel 31B for supplying gas and a refrigerant channel 32B for passing the refrigerant.

ここで、燃料電池セル10の発電原理を説明する。燃料電池セル10には、外部より発電に必要な水素ガスおよび空気が供給される。図1において示されるように、燃料電池スタック1,2と接続する分配器70を通して外部から各燃料電池セル10に水素ガスおよび空気が供給される。燃料電池セル10へ供給された水素ガスは、アノード側セパレータ30Aの水素ガス流路31A内を通され、アノード極22Aの表面に沿って流される。この際、水素ガスは、アノード極22Aの拡散層24A内に入り、内部で拡散しつつ、触媒層23Aへ至る。水素ガスは、触媒層23Aにおいて、以下の(1)式で示される化学反応に供される。この反応において、水素からプロトンおよび電子が生成する。   Here, the power generation principle of the fuel cell 10 will be described. The fuel cell 10 is supplied with hydrogen gas and air necessary for power generation from the outside. As shown in FIG. 1, hydrogen gas and air are supplied from the outside to each fuel cell 10 through a distributor 70 connected to the fuel cell stacks 1 and 2. The hydrogen gas supplied to the fuel cell 10 passes through the hydrogen gas flow path 31A of the anode separator 30A and flows along the surface of the anode electrode 22A. At this time, the hydrogen gas enters the diffusion layer 24A of the anode electrode 22A and reaches the catalyst layer 23A while diffusing inside. The hydrogen gas is subjected to a chemical reaction represented by the following formula (1) in the catalyst layer 23A. In this reaction, protons and electrons are generated from hydrogen.

→ 2H + 2e ・・・(1) H 2 → 2H + + 2e (1)

アノード極22Aの触媒層23Aにおいて生成したプロトンは、触媒層23Aから電解質膜21へ移動し、更に、カソード極22Bへ向けて電解質膜21中を移動する。この際、プロトンは、水分子を伴って移動する。電解質膜21中を移動したプロトンは、カソード極22Bへ到達する。一方、生成した電子は、アノード極22Aの触媒層23Aから拡散層24Aへ移動し、更に、アノード側セパレータ30Aへ移動し、集電される。なお集電された電子は、隣接する燃料電池セル10のカソード側セパレータへ移動する。   Protons generated in the catalyst layer 23A of the anode electrode 22A move from the catalyst layer 23A to the electrolyte membrane 21, and further move in the electrolyte membrane 21 toward the cathode electrode 22B. At this time, protons move with water molecules. Protons that have moved through the electrolyte membrane 21 reach the cathode electrode 22B. On the other hand, the generated electrons move from the catalyst layer 23A of the anode electrode 22A to the diffusion layer 24A, further move to the anode side separator 30A, and are collected. The collected electrons move to the cathode separator of the adjacent fuel cell 10.

これに対し、燃料電池セル10内に供給された空気は、カソード側セパレータ30Bの酸化ガス流路31B内を通され、膜−電極接合体20のカソード極22Bの表面に沿って流される。この際、空気中に含まれる酸素ガスは、カソード極22Bの拡散層24B内に入り、内部で拡散しつつ、触媒層23Bへ至る。酸素は、触媒層23Bにおいて、以下の(2)式で示される化学反応に供される。この反応において、酸素と、アノード極22Aから移動してきたプロトンとが反応して水が生成する。なおこの反応において用いられる電子は、隣接する他の燃料電池セルのアノード側セパレータからカソード側セパレータを通り、更に、カソード極22Bの触媒層23Bへ供給されたものである。   On the other hand, the air supplied into the fuel cell 10 passes through the oxidizing gas flow path 31B of the cathode separator 30B and flows along the surface of the cathode electrode 22B of the membrane-electrode assembly 20. At this time, oxygen gas contained in the air enters the diffusion layer 24B of the cathode electrode 22B and reaches the catalyst layer 23B while diffusing inside. Oxygen is subjected to a chemical reaction represented by the following formula (2) in the catalyst layer 23B. In this reaction, oxygen and protons moving from the anode electrode 22A react to generate water. The electrons used in this reaction are those that have been supplied to the catalyst layer 23B of the cathode electrode 22B from the anode separator of another adjacent fuel cell through the cathode separator.

(1/2)O + 2H + 2e → HO ・・・(2) (1/2) O 2 + 2H + + 2e - → H 2 O ··· (2)

燃料電池スタック1,2の各燃料電池セル10において、上記(1)および(2)式の化学反応が膜−電極接合体20において連続的に進行することによって、電子の流れが生じ、電気が発生する。なお発電の際、膜−電極接合体20のカソード極22Bの触媒層23Bで生成した水は、主として、拡散層24B内を通過し、カソード極22Bの表面から滲出して、カソード側セパレータ30Bの酸化ガス流路31B内に入る。酸化ガス流路31B内に入った水は、液体のまま空気(オフガス)の流れに押されて、酸化ガス流路31B内から燃料電池セル10の外部へ排出されるか、あるいは気体(水蒸気)となり、オフガス中に取り込まれてオフガスと共に酸化ガス流路31B内を通って燃料電池セル10の外部へ排出される。   In each fuel cell 10 of the fuel cell stacks 1 and 2, the chemical reaction of the above formulas (1) and (2) continuously proceeds in the membrane-electrode assembly 20, whereby an electron flow is generated and electricity is generated. appear. During power generation, water generated in the catalyst layer 23B of the cathode electrode 22B of the membrane-electrode assembly 20 mainly passes through the diffusion layer 24B and oozes out from the surface of the cathode electrode 22B, and reaches the cathode side separator 30B. It enters the oxidizing gas flow path 31B. The water that has entered the oxidizing gas channel 31B is pushed by the flow of air (off-gas) as a liquid and is discharged from the oxidizing gas channel 31B to the outside of the fuel cell 10 or gas (water vapor). Then, it is taken into the off-gas and is discharged to the outside of the fuel cell 10 through the oxidizing gas flow path 31B together with the off-gas.

ところで、燃料電池セル10は、発電時、発熱を伴うものである。そのため、発電時の燃料電池スタック1,2は、発電停止時よりも温まった状態になる。図1において示される燃料電池スタック1,2は、発電時、外部環境の影響等により燃料電池セル10によって温度が異なる場合がある。   By the way, the fuel cell 10 generates heat during power generation. Therefore, the fuel cell stacks 1 and 2 during power generation are warmer than when power generation is stopped. The fuel cell stacks 1 and 2 shown in FIG. 1 may have different temperatures depending on the fuel cell 10 due to the influence of the external environment during power generation.

図1において、燃料電池スタック1は、その端部の燃料電池セル10A,10Bが、それぞれ集電板50A,50Bと接触している。更に、集電板50A,50Bは、それぞれエンドプレート60A,60Bと接触している。これらの集電板50A,50Bおよびエンドプレート60A,60Bは、金属等の放熱し易い材料からなる。そのため、これらと接触している燃料電池セル10A,10B等の端部の燃料電池セル10は、中央部の燃料電池セル10と比べて熱が奪われやすく、温度が低下しやすい。燃料電池スタック2における燃料電池セル10C,10D等の端部の燃料電池セルも、同様に、熱が奪われやすく、温度が低下しやすい。   In FIG. 1, the fuel cell stack 1 has fuel cell cells 10A and 10B at the ends thereof in contact with current collector plates 50A and 50B, respectively. Furthermore, the current collector plates 50A and 50B are in contact with the end plates 60A and 60B, respectively. These current collecting plates 50A and 50B and end plates 60A and 60B are made of a material that easily radiates heat, such as metal. Therefore, the fuel cells 10 at the ends of the fuel cells 10A, 10B, etc. that are in contact with these are more likely to lose heat and lower in temperature than the fuel cells 10 at the center. Similarly, the fuel cells at the ends of the fuel cell stack 2 such as the fuel cells 10C and 10D are also easily deprived of heat, and the temperature is likely to decrease.

また、1つの燃料電池セル10においても、場所によって温度が異なる場合がある。例えば、上記燃料電池セル10A,10B,10Cおよび10Dにおいては、放熱しやすい集電板50A,50B,50Cおよび50Dと接する側が、その反対側よりも温度が低くなりやすい。つまり、燃料電池スタック1,2の端部側に配置する電極22の温度が、中央部側に配置する電極22の温度よりも低くなりやすい。   Further, even in one fuel battery cell 10, the temperature may vary depending on the location. For example, in the fuel battery cells 10A, 10B, 10C, and 10D, the temperature at the side in contact with the current collecting plates 50A, 50B, 50C, and 50D that easily dissipates heat is likely to be lower than the opposite side. That is, the temperature of the electrode 22 disposed on the end side of the fuel cell stacks 1 and 2 tends to be lower than the temperature of the electrode 22 disposed on the center side.

図3は、図1において示される燃料電池スタック2の発電時の各燃料電池セル10の温度を示すグラフである。このグラフにおいて示されるように、発電時、燃料電池スタック2の中央部側よりも、両端側の燃料電池セル10C,10Dの方が温度が低くなる傾向がわかる。また、各燃料電池セル10のアノード極22Aとカソード極22Bとの間の温度差においても、端側の燃料電池セル10程、アノード極22Aとカソード極22Bとの間の温度差が大きくなる傾向がある。なお、図3において各燃料電池セル10のアノード極側を符号a、カソード極側を符号cで示した。また、燃料電池スタック2の中央部の燃料電池セル10におけるアノード極側およびカソード極側の温度差は殆ど無く、かつ、燃料電池セル10同士の温度差も殆ど見られなかったので、図3では、中央部の燃料電池セル10のデータ(温度)の表示は省略した。   FIG. 3 is a graph showing the temperature of each fuel cell 10 during power generation of the fuel cell stack 2 shown in FIG. As shown in this graph, it can be seen that the temperature of the fuel battery cells 10C and 10D on both ends is lower than that of the center part of the fuel battery stack 2 during power generation. Further, also in the temperature difference between the anode electrode 22A and the cathode electrode 22B of each fuel battery cell 10, the temperature difference between the anode electrode 22A and the cathode electrode 22B tends to increase in the fuel cell 10 on the end side. There is. In FIG. 3, the anode electrode side of each fuel cell 10 is indicated by symbol a, and the cathode electrode side is indicated by symbol c. Further, there is almost no temperature difference between the anode electrode side and the cathode electrode side in the fuel cell 10 at the center of the fuel cell stack 2 and there is almost no temperature difference between the fuel cells 10. The display of the data (temperature) of the fuel cell 10 in the center is omitted.

上記のように、発電時、アノード極22Aとカソード極22Bとの間に温度差が生じると、温度の高い方の電極から、低い方の電極へ向かって、水の移動が生じる。例えば、燃料電池スタック2の最も端部に位置する燃料電池セル10Cでは、発電時、アノード極22A側の温度(Ta)が、カソード極22B側の温度(Tc)よりも低くなり、アノード極22A側の飽和水蒸気圧(Pa)が、カソード極22B側の飽和水蒸気圧(Pc)よりも低くなる。この場合、飽和水蒸気圧差に基づいて、カソード極22Bの触媒層23Bで生成した水の一部が、アノード極22A側へ向けて電解質膜21中を移動する現象が生じる。電解質膜21中を移動し、アノード極22Aへ至った水は、触媒層23Aおよび拡散層24Aを通って、アノード極22Aの表面から滲出する。アノード極22Aの表面から滲出した水は、液体、あるいは水蒸気としてアノード側セパレータ30Aの水素ガス流路31Aを通って燃料電池セル10の外部へ排出される。なお、アノード側セパレータ30Aの水素ガス流路31A内を流れる水素ガス(オフガス)の流量は、一般的に、カソード側セパレータ30Bの酸化ガス流路31B内を流れる空気(オフガス)の流量よりも少ない。そのため、アノード極22A側の方が、カソード極22B側よりも水を押し出す力(排水性能)が弱い。何故ならば、供給された水素ガスの大部分は、アノード極22Aで消費されるため、オフガスとして排出される水素ガス量が少なくなり、ガス圧が小さくなるからである。これに対し、カソード極22Bへは酸素ガス以外に窒素ガス等を含んだ空気が供給されるため、カソード極22B側のオフガスは未消費の酸素ガス以外に、窒素ガス等を含んでいるため、ある程度のガス圧が保たれる。   As described above, when a temperature difference is generated between the anode electrode 22A and the cathode electrode 22B during power generation, water moves from the electrode having the higher temperature toward the electrode having the lower temperature. For example, in the fuel cell 10C located at the end of the fuel cell stack 2, the temperature (Ta) on the anode electrode 22A side is lower than the temperature (Tc) on the cathode electrode 22B side during power generation, and the anode electrode 22A The saturated water vapor pressure (Pa) on the side becomes lower than the saturated water vapor pressure (Pc) on the cathode electrode 22B side. In this case, a phenomenon occurs in which part of the water generated in the catalyst layer 23B of the cathode electrode 22B moves in the electrolyte membrane 21 toward the anode electrode 22A based on the saturated water vapor pressure difference. The water that has moved through the electrolyte membrane 21 and has reached the anode electrode 22A passes through the catalyst layer 23A and the diffusion layer 24A and exudes from the surface of the anode electrode 22A. The water exuded from the surface of the anode electrode 22A is discharged out of the fuel cell 10 through the hydrogen gas passage 31A of the anode separator 30A as a liquid or water vapor. The flow rate of hydrogen gas (off gas) flowing through the hydrogen gas flow path 31A of the anode side separator 30A is generally smaller than the flow rate of air (off gas) flowing through the oxidation gas flow path 31B of the cathode side separator 30B. . Therefore, the anode electrode 22A side has a weaker force (drainage performance) for pushing water than the cathode electrode 22B side. This is because most of the supplied hydrogen gas is consumed at the anode electrode 22A, so that the amount of hydrogen gas discharged as off-gas decreases and the gas pressure decreases. On the other hand, since the cathode electrode 22B is supplied with air containing nitrogen gas in addition to oxygen gas, the off-gas on the cathode electrode 22B side contains nitrogen gas and the like in addition to unconsumed oxygen gas. A certain level of gas pressure is maintained.

以下、更に、本実施形態に係る燃料電池スタック1,2に用いられる燃料電池セル100,102,103,104および105を詳細に説明する。なお、これらの燃料電池セル100等は、発電時、アノード極22Aおよびカソード極22Bの間に、温度差が生じた場合に、その温度差に基づいて、アノード極22Aおよびカソード極22B間に生じる好ましくない水の移動を抑制するものである。かつ、燃料電池スタック1,2の積層個所において生じる各燃料電池スタックの電極間の温度差の程度に応じて、膜−電極接合体20の水保持能力(保水性)、電解質膜21の水の通しやすさ(水透過性)が適宜、設定されるものである。燃料電池セル100,102,103,104は、アノード極22A側の温度がカソード極22B側の温度よりも低くなる場合に、温度の高いカソード極22B側から、温度の低いアノード極22A側へ向けて、水が移動するのを抑制するものである。燃料電池セル105は、反対に、カソード極22B側の温度がアノード極22B側の温度よりも低くなる場合に、温度の高いアノード極22A側から、温度の低いカソード極22B側へ向けて、水が移動するのを抑制するものである。   Hereinafter, the fuel cells 100, 102, 103, 104, and 105 used in the fuel cell stacks 1 and 2 according to the present embodiment will be described in detail. These fuel cells 100 and the like are generated between the anode electrode 22A and the cathode electrode 22B based on the temperature difference when a temperature difference occurs between the anode electrode 22A and the cathode electrode 22B during power generation. It suppresses undesirable movement of water. In addition, depending on the degree of temperature difference between the electrodes of each fuel cell stack generated at the stacking location of the fuel cell stacks 1 and 2, the water retention capacity (water retention) of the membrane-electrode assembly 20 and the water of the electrolyte membrane 21 Ease of passing (water permeability) is appropriately set. When the temperature on the anode electrode 22A side is lower than the temperature on the cathode electrode 22B side, the fuel cells 100, 102, 103, and 104 are directed from the cathode electrode 22B side having a higher temperature toward the anode electrode 22A side having a lower temperature. In this way, water is prevented from moving. On the other hand, when the temperature on the cathode electrode 22B side is lower than the temperature on the anode electrode 22B side, the fuel cell 105 has a water flow from the anode electrode 22A side having a higher temperature toward the cathode electrode 22B side having a lower temperature. Is to suppress the movement.

図4には、燃料電池セル100の構成を示す断面図が示されている。この燃料電池セル100の基本的な構成は、図2において示される燃料電池セル10と同様であるが、アノード極22Aの触媒層123Aの水保持能力が、カソード極22Bの触媒層23Bの水保持能力よりも高く設定されている点で異なる。触媒層123Aの水保持能力を高める方法としては、例えば、白金、金、パラジウム、ルテニウム、イリジウム等の貴金属触媒に、ヒドロキシル基等の親水性官能基を導入する方法がある。他の方法としては、触媒層123Aに含まれる電解質の親水性を高める方法がある。例えば、電解質が側鎖にスルホン酸基等の電解質基を有するフッ素系高分子材料(樹脂)からなる場合、電解質基の導入率を高くして、電解質の親水性を高くする。また更に、他の方法としては、触媒層123A中の単位体積あたりの電解質量を、触媒層23Bより多くして親水性を高める方法がある。   FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration of the fuel battery cell 100. The basic configuration of the fuel cell 100 is the same as that of the fuel cell 10 shown in FIG. 2, but the water retention capability of the catalyst layer 123A of the anode electrode 22A is water retention of the catalyst layer 23B of the cathode electrode 22B. It is different in that it is set higher than ability. As a method of increasing the water retention capacity of the catalyst layer 123A, for example, there is a method of introducing a hydrophilic functional group such as a hydroxyl group into a noble metal catalyst such as platinum, gold, palladium, ruthenium, or iridium. As another method, there is a method of increasing the hydrophilicity of the electrolyte contained in the catalyst layer 123A. For example, when the electrolyte is made of a fluorine-based polymer material (resin) having an electrolyte group such as a sulfonic acid group in the side chain, the electrolyte group introduction rate is increased to increase the hydrophilicity of the electrolyte. Furthermore, as another method, there is a method in which the electrolysis mass per unit volume in the catalyst layer 123A is made larger than that of the catalyst layer 23B to increase the hydrophilicity.

この燃料電池セル100は、例えば、図1において示される燃料電池スタック1の燃料電池セル10Aの位置、燃料電池スタック2の燃料電池セル10Cの位置において用いることが好ましい。これらの位置では、発電時、燃料電池セル100のアノード極22A側の温度がカソード極22B側の温度よりも低くなり、カソード極22Bで生成した水がアノード極22A側へ移動する場合がある。しかし、燃料電池セル100は、アノード極22Aの触媒層123Aの水保持能力が高いため、カソード極22Bから電解質膜21内を通って移動してきた水を、アノード22A極の触媒層123A内に留めることができる。すると、カソード極22Bと、アノード極22Aとの間の水の濃度の差(濃度勾配)が小さくなる。両電極間の水の濃度勾配が小さくなると、カソード極22Bからアノード極22Aへの水の移動が抑制される。ひいては、アノード側セパレータ30Aの水素ガス流路31A内に水が溜まるのを抑制することができる。   This fuel cell 100 is preferably used, for example, at the position of the fuel cell 10A of the fuel cell stack 1 and the position of the fuel cell 10C of the fuel cell stack 2 shown in FIG. At these positions, during power generation, the temperature on the anode electrode 22A side of the fuel cell 100 may be lower than the temperature on the cathode electrode 22B side, and water generated at the cathode electrode 22B may move to the anode electrode 22A side. However, since the fuel cell 100 has a high water holding capacity of the catalyst layer 123A of the anode electrode 22A, the water that has moved from the cathode electrode 22B through the electrolyte membrane 21 is retained in the catalyst layer 123A of the anode electrode 22A. be able to. Then, the difference (concentration gradient) in the concentration of water between the cathode electrode 22B and the anode electrode 22A is reduced. When the concentration gradient of water between both electrodes becomes small, the movement of water from the cathode electrode 22B to the anode electrode 22A is suppressed. As a result, it can suppress that water accumulates in the hydrogen gas flow path 31A of the anode side separator 30A.

なお燃料電池セル100は、親水性の高いアノード側触媒層123Aを有するものであるが、他の実施形態においては、アノード側拡散層24Aの親水性を高めることにより、アノード極22Aの保水性を高めてもよい。   The fuel cell 100 has the highly hydrophilic anode side catalyst layer 123A. However, in other embodiments, by increasing the hydrophilicity of the anode side diffusion layer 24A, the water retention of the anode electrode 22A is improved. May be raised.

図5には、燃料電池セル102の構成を示す断面図が示されている。この燃料電池セル102の基本的な構成は、図2において示される燃料電池セル10と同様であるが、膜−電極接合体20の電解質膜221の厚みが、図2において示される電解質膜21の厚みよりも大きく設定されている点で異なる。電解質膜221は、電解質膜21よりも厚みがある分、一方の電極側から他方の電極側へ透過する水蒸気の量を少なくすることができる。   FIG. 5 is a cross-sectional view showing the configuration of the fuel battery cell 102. The basic configuration of the fuel cell 102 is the same as that of the fuel cell 10 shown in FIG. 2, but the thickness of the electrolyte membrane 221 of the membrane-electrode assembly 20 is the same as that of the electrolyte membrane 21 shown in FIG. It differs in that it is set larger than the thickness. Since the electrolyte membrane 221 is thicker than the electrolyte membrane 21, the amount of water vapor that permeates from one electrode side to the other electrode side can be reduced.

この燃料電池セル102は、例えば、図1において示される燃料電池スタック1の燃料電池セル10Aの位置,燃料電池スタック2の燃料電池セル10Cの位置において用いられることが好ましい。これらの位置では、発電時、燃料電池セルのアノード極22A側の温度がカソード極22B側の温度よりも低くなり、カソード極22Bで生成した水がアノード極22A側へ移動する場合がある。しかし、燃料電池セル102は、厚みのある電解質膜221を備えるため、カソード極22Bからアノード極22Aへ向かう水(水蒸気)の移動を抑制することができる。ひいては、アノード側セパレータ30Aの水素ガス流路31A内に水が溜まるのを抑制することができる。   This fuel cell 102 is preferably used, for example, at the position of the fuel cell 10A of the fuel cell stack 1 and the position of the fuel cell 10C of the fuel cell stack 2 shown in FIG. At these positions, during power generation, the temperature on the anode electrode 22A side of the fuel cell may be lower than the temperature on the cathode electrode 22B side, and water generated at the cathode electrode 22B may move to the anode electrode 22A side. However, since the fuel cell 102 includes the thick electrolyte membrane 221, it is possible to suppress the movement of water (water vapor) from the cathode electrode 22B toward the anode electrode 22A. As a result, it can suppress that water accumulates in the hydrogen gas flow path 31A of the anode side separator 30A.

図6には、燃料電池セル103の構成を示す断面図が示されている。この燃料電池セル103の基本的な構成は、図2において示される燃料電池セル10と同様である。この燃料電池セル103は、アノード極22Aにおいて、拡散層24Aと触媒層23Aとの間に、水を保持するための保水層25Aを有する。この保水層25Aは、例えば、イオン導電性ポリマーに造孔材を添加して形成することができる。イオン伝導性ポリマーとしては、例えば、ポリフルオロエチレン等のポリマー(電解質膜21と同様の材料)を用いることができる。造孔材としては、カーボンブラック粉末と結晶性炭素繊維との混合物を用いることができる。保水層25Aは導電性(電子導電性)を有している。なお保水層25Aの構成は、これに限られるものでは無い。   FIG. 6 is a cross-sectional view showing the configuration of the fuel battery cell 103. The basic configuration of the fuel cell 103 is the same as that of the fuel cell 10 shown in FIG. The fuel cell 103 has a water retention layer 25A for retaining water between the diffusion layer 24A and the catalyst layer 23A in the anode electrode 22A. The water retaining layer 25A can be formed by adding a pore former to an ion conductive polymer, for example. As the ion conductive polymer, for example, a polymer such as polyfluoroethylene (the same material as the electrolyte membrane 21) can be used. As the pore former, a mixture of carbon black powder and crystalline carbon fiber can be used. The water retention layer 25A has conductivity (electronic conductivity). The configuration of the water retaining layer 25A is not limited to this.

この燃料電池セル103は、例えば、図1において示される燃料電池スタック1の燃料電池セル10Aの位置,燃料電池スタック2の燃料電池セル10Cの位置において用いられることが好ましい。これらの位置では、発電時、燃料電池セルのアノード極22A側の温度がカソード極22B側の温度よりも低くなり、カソード極22Bで生成した水がアノード極22A側へ移動する場合がある。しかし、燃料電池セル103は、アノード極22Aに保水層25Aを備えるため、カソード極22Bから電解質膜21内を通って移動してきた水を、主として、アノード極22Aの保水層25A内に留めることができる。すると、カソード極22Bと、アノード極22Aとの間の水の濃度の差(濃度勾配)が小さくなる。両電極間の水の濃度勾配が小さくなると、カソード極22Bからアノード極22Aへの水の移動が抑制される。ひいては、アノード側セパレータ30Aの水素ガス流路31A内に水が溜まるのを抑制することができる。なお変形例として、燃料電池セル103は、カソード極22B側の保水性を高めたい場合、カソード極22Bの触媒層23Bと拡散層24Bとの間に、保水層を形成してもよい。   The fuel cell 103 is preferably used, for example, at the position of the fuel cell 10A of the fuel cell stack 1 and the position of the fuel cell 10C of the fuel cell stack 2 shown in FIG. At these positions, during power generation, the temperature on the anode electrode 22A side of the fuel cell may be lower than the temperature on the cathode electrode 22B side, and water generated at the cathode electrode 22B may move to the anode electrode 22A side. However, since the fuel cell 103 includes the water retention layer 25A on the anode electrode 22A, water that has moved through the electrolyte membrane 21 from the cathode electrode 22B can be mainly retained in the water retention layer 25A of the anode electrode 22A. it can. Then, the difference (concentration gradient) in the concentration of water between the cathode electrode 22B and the anode electrode 22A is reduced. When the concentration gradient of water between both electrodes becomes small, the movement of water from the cathode electrode 22B to the anode electrode 22A is suppressed. As a result, it can suppress that water accumulates in the hydrogen gas flow path 31A of the anode side separator 30A. As a modification, the fuel cell 103 may form a water retention layer between the catalyst layer 23B and the diffusion layer 24B of the cathode electrode 22B when it is desired to increase the water retention property on the cathode electrode 22B side.

図7には、燃料電池セル104の構成を示す断面図が示されている。この燃料電池セル104の基本的な構成は、図2において示される燃料電池セル10と同様であるが、膜−電極接合体20の電解質膜321の水透過性が、図2において示される電解質膜21よりも低く設定されている点で異なる。この電解質膜321は、例えば、炭化水素系のイオン導電性膜からなり、単位体積あたりの水透過量が、燃料電池10の電解質膜21の単位体積あたりの水透過量よりも少ない。   FIG. 7 is a cross-sectional view showing the configuration of the fuel battery cell 104. The basic configuration of the fuel cell 104 is the same as that of the fuel cell 10 shown in FIG. 2, but the water permeability of the electrolyte membrane 321 of the membrane-electrode assembly 20 is the electrolyte membrane shown in FIG. It is different in that it is set lower than 21. The electrolyte membrane 321 is made of, for example, a hydrocarbon ion conductive membrane, and the water permeation amount per unit volume is smaller than the water permeation amount per unit volume of the electrolyte membrane 21 of the fuel cell 10.

この燃料電池セル104は、例えば、図1において示される燃料電池スタック1の燃料電池セル10Aの位置、燃料電池スタック2の燃料電池セル10Cの位置において用いられることが好ましい。これらの位置では、発電時、燃料電池セルのアノード極22A側の温度がカソード極22B側の温度よりも低くなり、カソード極22Bで生成した水がアノード極22A側へ移動する場合がある。しかし、係る燃料電池セル104は、電解質膜321の水透過性が低いため、カソード極22Bからアノード極22Aへ向けて水(水蒸気)が移動し難くなる。水が移動し難くなると、その結果として、アノード極22Aの表面から水が滲出するのが抑制される。   The fuel cell 104 is preferably used, for example, at the position of the fuel cell 10A of the fuel cell stack 1 and the position of the fuel cell 10C of the fuel cell stack 2 shown in FIG. At these positions, during power generation, the temperature on the anode electrode 22A side of the fuel cell may be lower than the temperature on the cathode electrode 22B side, and water generated at the cathode electrode 22B may move to the anode electrode 22A side. However, since the fuel cell 104 has low water permeability of the electrolyte membrane 321, water (water vapor) hardly moves from the cathode electrode 22B toward the anode electrode 22A. When water becomes difficult to move, as a result, it is suppressed that water oozes from the surface of the anode electrode 22A.

図8には、燃料電池セル105の構成を示す断面図が示されている。この燃料電池セル105の基本的な構成は、図2において示される燃料電池セル10と同様であるが、カソード極22Bの触媒層123Bの水保持能力が、アノード極22Aの触媒層23Aの水保持能力よりも高く設定されている点で異なる。触媒層123Bの水保持能力を高める方法としては、例えば、白金、金、パラジウム、ルテニウム、イリジウム等の貴金属触媒に、ヒドロキシル基等の親水性官能基を導入する方法がある。   FIG. 8 is a cross-sectional view showing the configuration of the fuel battery cell 105. The basic configuration of the fuel cell 105 is the same as that of the fuel cell 10 shown in FIG. 2, but the water retention capability of the catalyst layer 123B of the cathode electrode 22B is the same as that of the catalyst layer 23A of the anode electrode 22A. It is different in that it is set higher than ability. As a method for increasing the water retention capacity of the catalyst layer 123B, for example, there is a method of introducing a hydrophilic functional group such as a hydroxyl group into a noble metal catalyst such as platinum, gold, palladium, ruthenium, or iridium.

この燃料電池セル105は、例えば、図1において示される燃料電池スタック1の燃料電池セル10Bの位置、燃料電池スタック2の燃料電池セル10Dの位置において用いられることが好ましい。これらの位置では、発電時、燃料電池セルのカソード極22B側の温度がアノード極22A側の温度よりも低くなる場合がある。この場合、例えば、温度の高いアノード極22A側に大量の水が存在し、このアノード極22A側から、温度の低いカソード極22B側へ向けて水(水蒸気)が移動しようとしても、両電極間の水の濃度勾配が小さくなっているので、アノード極22Aからカソード極22Bへの水の移動が抑制される。   The fuel cell 105 is preferably used, for example, at the position of the fuel cell 10B of the fuel cell stack 1 and the position of the fuel cell 10D of the fuel cell stack 2 shown in FIG. At these positions, the temperature on the cathode electrode 22B side of the fuel cell may be lower than the temperature on the anode electrode 22A side during power generation. In this case, for example, even if there is a large amount of water on the anode electrode 22A side with a high temperature and water (water vapor) tries to move from the anode electrode 22A side toward the cathode electrode 22B side with a low temperature, Since the concentration gradient of water is small, the movement of water from the anode electrode 22A to the cathode electrode 22B is suppressed.

図9は、燃料電池スタック3の概略構成図である。燃料電池スタック3は、一方の端部に燃料電池セル105を配置し、他方の端部に燃料電池セル100を配置する。その他は、図2において示される燃料電池セル10からなる。燃料電池セル10は負極側の集電板50に隣接し、燃料電池セル105は正極側の集電板50と隣接する。この燃料電池スタック3の一方の端部の燃料電池セル100は、アノード極22Aがカソード極22Bよりも保水性が高くなっている。他方の端部の燃料電池セル105は、反対に、カソード極22Bがアノード極22Aよりも保水性が高くなっている。この構成によれば、端部の燃料電池セル100,105において、両極間に温度差が生じても、温度の高い方の電極から低い方の電極へ、温度差に基づく水の移動を抑制することができる。   FIG. 9 is a schematic configuration diagram of the fuel cell stack 3. In the fuel cell stack 3, the fuel cell 105 is disposed at one end, and the fuel cell 100 is disposed at the other end. Others consist of the fuel cell 10 shown in FIG. The fuel cell 10 is adjacent to the current collector plate 50 on the negative electrode side, and the fuel cell 105 is adjacent to the current collector plate 50 on the positive electrode side. In the fuel cell 100 at one end of the fuel cell stack 3, the anode electrode 22A has higher water retention than the cathode electrode 22B. On the other hand, in the fuel cell 105 at the other end, the cathode electrode 22B has higher water retention than the anode electrode 22A. According to this configuration, even if a temperature difference occurs between both electrodes in the fuel cells 100 and 105 at the end, water movement based on the temperature difference is suppressed from the electrode having the higher temperature to the electrode having the lower temperature. be able to.

本実施形態に係る燃料電池スタックは、燃料電池セル10と共に、電極間の保水性が異なる燃料電池セル(例えば、燃料電池セル100,103,105)、一方の電極から他方の電極への水の移動のし易さ(水透過性)が燃料電池セル10よりも、低い燃料電池セル(例えば、燃料電池セル102,104)を備えるものである。これらの燃料電池セルの選択、組合せは、スタックの積層個所により1つの燃料電池セルにおいて生じる温度差の程度を考慮して、適宜行われるものである。   The fuel cell stack according to this embodiment includes a fuel cell 10 and a fuel cell (for example, fuel cell 100, 103, 105) having different water retention between electrodes, and water from one electrode to the other electrode. Ease of movement (water permeability) is provided with fuel cells (for example, fuel cells 102 and 104) lower than the fuel cells 10. The selection and combination of these fuel cells are appropriately performed in consideration of the degree of temperature difference generated in one fuel cell by the stacking position of the stack.

電極間の保水性が異なる燃料電池セル(例えば、燃料電池セル100,103,105)において、1つの燃料電池スタック中に、電極間の保水性の程度が異なる燃料電池セルが含まれてもよい。例えば、最も端部に位置する燃料電池セルの電極間の保水性の程度の差を最も大きく設定し、それよりも中央側の燃料電池セルの電極間の保水性の程度の差は、漸次、小さく設定してもよい。また、一方の電極から他方の電極への水の移動のし易さ(水透過性)が燃料電池セル10よりも、低い燃料電池セル(例えば、燃料電池セル102,104)においても同様、最も端部に位置する燃料電池セルの一方の電極から他方の電極への水の移動のし易さ(水透過性)が最も低く、それよりも中央側の燃料電池セルにおいては、漸次、水が移動し易くなるように設定してもよい。   In fuel cells having different water retention between electrodes (for example, fuel cells 100, 103, and 105), fuel cells having different degrees of water retention between electrodes may be included in one fuel cell stack. . For example, the difference in the degree of water retention between the electrodes of the fuel cell located at the end is set to be the largest, and the difference in the degree of water retention between the electrodes of the fuel cell on the center side is gradually increased. You may set small. Similarly, in the fuel cell (for example, the fuel cells 102 and 104), the ease of movement of water from one electrode to the other electrode (water permeability) is lower than that in the fuel cell 10. The ease of water movement (water permeability) from one electrode of the fuel cell located at the end to the other electrode is the lowest, and in the fuel cell at the center, water gradually flows. You may set so that it may move easily.

燃料電池スタック1,2の概略構成図である。FIG. 2 is a schematic configuration diagram of fuel cell stacks 1 and 2. 燃料電池セル10の構成を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing a configuration of a fuel battery cell 10. 燃料電池スタックの発電時の各燃料電池セルの温度を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature of each fuel cell at the time of the electric power generation of a fuel cell stack. 燃料電池セル100の構成を示す断面図である。2 is a cross-sectional view showing a configuration of a fuel cell 100. FIG. 燃料電池セル102の構成を示す断面図である。2 is a cross-sectional view showing a configuration of a fuel cell 102. FIG. 燃料電池セル103の構成を示す断面図である。3 is a cross-sectional view showing a configuration of a fuel battery cell 103. FIG. 燃料電池セル104の構成を示す断面図である。2 is a cross-sectional view showing a configuration of a fuel cell 104. FIG. 燃料電池セル105の構成を示す断面図である。2 is a cross-sectional view showing a configuration of a fuel battery cell 105. FIG. 燃料電池スタック3の概略構成図である。2 is a schematic configuration diagram of a fuel cell stack 3. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1,2,3 燃料電池スタック、10,100,102,103,104,105 燃料電池セル、20 膜−電極接合体、21 電解質膜、22 電極、22A アノード極、22B カソード極、23A アノード側触媒層、23B カソード側触媒層、24A アノード側拡散層、24B カソード側拡散層、25A 保水層、30 セパレータ、30A アノード側セパレータ、30B カソード側セパレータ、31A 水素ガス流路、31B 酸化ガス流路、32A 冷媒流路、32B 冷媒流路、50A,50B,50C,50D 集電板、60A,60B エンドプレート、70 分配器、123A アノード側触媒層、123B カソード側触媒層、221 電解質膜、321 電解質膜。   1, 2, 3 Fuel cell stack 10, 100, 102, 103, 104, 105 Fuel cell, 20 membrane-electrode assembly, 21 electrolyte membrane, 22 electrode, 22A anode electrode, 22B cathode electrode, 23A anode side catalyst Layer, 23B cathode side catalyst layer, 24A anode side diffusion layer, 24B cathode side diffusion layer, 25A water retention layer, 30 separator, 30A anode side separator, 30B cathode side separator, 31A hydrogen gas flow path, 31B oxidizing gas flow path, 32A Refrigerant channel, 32B Refrigerant channel, 50A, 50B, 50C, 50D Current collector plate, 60A, 60B End plate, 70 Distributor, 123A Anode side catalyst layer, 123B Cathode side catalyst layer, 221 Electrolyte membrane, 321 Electrolyte membrane.

Claims (6)

電解質膜と、電解質膜の両面に電極を形成した膜−電極接合体を有する燃料電池セルを積層した燃料電池スタックにおいて、
一方の電極から他方の電極への水の移動のし易さが異なる燃料電池セルを含むことを特徴とする燃料電池スタック。
In a fuel cell stack in which an electrolyte membrane and a fuel cell having a membrane-electrode assembly in which electrodes are formed on both surfaces of the electrolyte membrane are laminated,
A fuel cell stack comprising fuel cells having different easiness of movement of water from one electrode to the other electrode.
請求項1に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記燃料電池セルは、膜−電極接合体の両電極間の保水性が異なることを特徴とする燃料電池スタック。
The fuel cell stack according to claim 1, wherein
The fuel cell stack is characterized in that the water retention between the electrodes of the membrane-electrode assembly is different.
請求項1または請求項2に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記燃料電池セルの電極は、触媒と、電解質とを含み、
一方の電極が他方の電極よりも、単位体積あたりの電解質量が多いことを特徴とする燃料電池スタック。
The fuel cell stack according to claim 1 or 2,
The electrode of the fuel cell includes a catalyst and an electrolyte,
A fuel cell stack, wherein one electrode has a larger electrolytic mass per unit volume than the other electrode.
請求項1または請求項2に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記燃料電池セルの電極は、触媒と、電解質とを含み、
一方の電極が他方の電極よりも、触媒の親水性が高いことを特徴とする燃料電池スタック。
The fuel cell stack according to claim 1 or 2,
The electrode of the fuel cell includes a catalyst and an electrolyte,
A fuel cell stack, wherein one of the electrodes has a higher hydrophilicity than the other electrode.
請求項1または請求項2に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記燃料電池セルの電極は、触媒と、電解質とを含み、
一方の電極が他方の電極よりも、電解質の保水性が高いことを特徴とする燃料電池スタック。
The fuel cell stack according to claim 1 or 2,
The electrode of the fuel cell includes a catalyst and an electrolyte,
A fuel cell stack, wherein one electrode has a higher water retention capacity of the electrolyte than the other electrode.
請求項1〜請求項5の何れか1項に記載の燃料電池スタックにおいて、
燃料電池スタックの端部側に配置する燃料電池セルは、中央部側に配置する燃料電池セルよりも、水を透過し難い電解質膜を含む膜−電極接合体を有することを特徴とする燃料電池スタック。
In the fuel cell stack according to any one of claims 1 to 5,
The fuel cell arranged on the end side of the fuel cell stack has a membrane-electrode assembly including an electrolyte membrane that is less permeable to water than the fuel cell arranged on the center side. stack.
JP2006192364A 2006-07-13 2006-07-13 Fuel cell stack Pending JP2008021533A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006192364A JP2008021533A (en) 2006-07-13 2006-07-13 Fuel cell stack

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006192364A JP2008021533A (en) 2006-07-13 2006-07-13 Fuel cell stack

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2008021533A true JP2008021533A (en) 2008-01-31

Family

ID=39077339

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006192364A Pending JP2008021533A (en) 2006-07-13 2006-07-13 Fuel cell stack

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2008021533A (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013011654A1 (en) * 2011-07-19 2013-01-24 パナソニック株式会社 Membrane electrode assembly for direct oxidation fuel cell and direct oxidation fuel cell using same
US8603692B2 (en) 2006-07-26 2013-12-10 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell stack

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8603692B2 (en) 2006-07-26 2013-12-10 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell stack
WO2013011654A1 (en) * 2011-07-19 2013-01-24 パナソニック株式会社 Membrane electrode assembly for direct oxidation fuel cell and direct oxidation fuel cell using same
JP5523633B2 (en) * 2011-07-19 2014-06-18 パナソニック株式会社 Membrane electrode assembly for direct oxidation fuel cell and direct oxidation fuel cell using the same

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4121491B2 (en) Liquid fuel mixing apparatus and direct liquid fuel cell using the same
JP5269372B2 (en) Fuel cell
JP2002367655A (en) Fuel cell
JP5124900B2 (en) Fuel cell having a stack structure
US20140099565A1 (en) Fuel cell comprising a proton-exchange membrane, having an increased service life
JP2010073626A (en) Fuel cell separator and fuel cell stack
CN102341945B (en) Separator for fuel cell, and fuel cell comprising same
CA2659868C (en) Fuel cell having membrane-electrode assembly and fluid-permeable member
JP5969000B2 (en) Long-life fuel cell with proton exchange membrane
JP5653867B2 (en) Fuel cell
JP2008021533A (en) Fuel cell stack
JP2011150853A (en) Solid polymer fuel cell
JP5434035B2 (en) Fuel cell stack structure
JP2007087651A (en) Gas diffusion layer for solid polymer fuel cell
JP4661103B2 (en) Fuel cell
JP2009081116A (en) Membrane-electrode assembly for fuel cell
JP2009231111A (en) Fuel cell unit, fuel cell stack and electronic device
JP2008146897A (en) Fuel cell separator, and fuel cell
JPH11204118A (en) Fuel cell separator and fuel cell
JP2007026857A (en) Fuel cell
KR100606836B1 (en) Fuel Cell
JP2004241185A (en) Polymer electrolyte type fuel cell
JP5260024B2 (en) Fuel cell stack
JP2021163663A (en) Gas flow path structure, support plate, and fuel cell
JP2007335112A (en) Fuel cell