JP2008021533A - Fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
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.
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
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
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
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
H2 → 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
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
(1/2)O2 + 2H+ + 2e− → H2O ・・・(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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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,
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
Claims (6)
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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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 |
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2006
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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 |
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