JP2008198386A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell that generates power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidizing gas.
従来の電解質型燃料電池においては、プロトン導電性の電解質部材が使用されているが、当該部材は一般に、水分を含んだ状態でプロトン導電性を示すため、燃料電池の発電性能を維持するためには、電解質部材は常に水を含んだ状態でなければならない。しかし、燃料電池には多量の酸化ガス(空気)が供給されるため、特にカソード側において電解質部材の乾燥が顕著となり、燃料電池の発電性能が低下する一要因となる。 In a conventional electrolyte fuel cell, a proton conductive electrolyte member is used. However, since the member generally exhibits proton conductivity in a state of containing moisture, in order to maintain the power generation performance of the fuel cell. The electrolyte member must always contain water. However, since a large amount of oxidizing gas (air) is supplied to the fuel cell, drying of the electrolyte member becomes remarkable particularly on the cathode side, which is one factor that reduces the power generation performance of the fuel cell.
そこで、燃料電池における電気化学反応で生じた水蒸気を含むカソードオフガスと酸化ガスとの間で水蒸気交換を行い、酸化ガスを加湿するとともに、この水蒸気交換を行う装置を燃料電池に隣接して設ける技術が開示されている(例えば、特許文献1を参照。)。この技術においては、燃料電池で生じた水分を比較的高温の状態で酸化ガスに加えることができる。 Therefore, a technique for exchanging water vapor between the cathode off-gas containing the water vapor generated by the electrochemical reaction in the fuel cell and the oxidizing gas, humidifying the oxidizing gas, and providing a device for performing this water vapor exchange adjacent to the fuel cell. Is disclosed (for example, see Patent Document 1). In this technique, moisture generated in the fuel cell can be added to the oxidizing gas at a relatively high temperature.
また、酸化ガスを加湿する方法として、燃料電池での電気化学反応に供されず残留水素として排出された、アノードオフガス中の水素を酸化ガスに再循環させて、燃料電池のカソードにおけるPt触媒を利用して該水素を燃焼することで、酸化ガスを加湿する技術が開示されている(例えば、特許文献2を参照。)。この技術においては、残留水素を燃料電池外に放出させる必要性がなくなるため、環境上好ましい。
電解質部材により形成される燃料電池においては、該電解質部材が乾燥すると燃料電池としての発電性能が低下する。そして、この電解質部材が水分を含んだ状態で電解質として機能するため、燃料電池による発電を行うためには、その燃料電池の動作温度程度の温度の水分によって電解質部材を加湿する必要がある。 In a fuel cell formed of an electrolyte member, when the electrolyte member is dried, power generation performance as a fuel cell is degraded. And since this electrolyte member functions as an electrolyte in a state containing moisture, in order to generate power by the fuel cell, it is necessary to humidify the electrolyte member with moisture at a temperature about the operating temperature of the fuel cell.
しかし、燃料電池と別に酸化ガスに水分を供給する加湿装置を設ける場合、配管等にスペースが必要となるとともに、その配管においては、高温の水分が冷却されて凝縮し液水となり、効率的な酸化ガスの加湿が難しい。また、アノードオフガス中の水素を利用した酸化ガスの加湿においては、その残留水素量は燃料電池の運転状態によって変動するためその量を正確に制御することは困難である。従って、酸化ガスの加湿を安定的に行うのは困難である。 However, when a humidifier that supplies moisture to the oxidizing gas is provided separately from the fuel cell, space is required for the piping, etc., and in the piping, high-temperature moisture is cooled and condensed to liquid water, which is efficient. It is difficult to humidify the oxidizing gas. In addition, in humidifying the oxidizing gas using hydrogen in the anode off gas, the amount of residual hydrogen varies depending on the operating state of the fuel cell, and it is difficult to accurately control the amount. Therefore, it is difficult to stably humidify the oxidizing gas.
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、電解質部材により形成される燃料電池において、酸化ガスの加湿を効率的に且つ安定的に可能とすることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to enable humidification of an oxidizing gas efficiently and stably in a fuel cell formed of an electrolyte member.
本発明においては、上記課題を解決するために、燃料電池のセル内において酸化ガスの加湿を行うこととした。即ち、燃料電池での電気化学反応によって生じた水分であって燃料ガスに浸透した水分や燃料ガス中の水素を、効率的に酸化ガスに移動させることで、特
に該電気化学反応によって直接生成された水分が存在しにくい酸化ガスの上流側に移動させることで、セル内の電解質部材を全体的に効率的に加湿することが可能となる。
In the present invention, in order to solve the above problems, the oxidizing gas is humidified in the fuel cell. In other words, the water generated by the electrochemical reaction in the fuel cell, which has penetrated into the fuel gas and hydrogen in the fuel gas, can be generated directly by the electrochemical reaction, particularly by efficiently transferring it to the oxidizing gas. It is possible to efficiently humidify the electrolyte member in the cell as a whole by moving it to the upstream side of the oxidizing gas where moisture is unlikely to exist.
そこで、より具体的には、本発明は、セルにおける酸素を含む酸化ガスと水素を含む燃料ガスとの電気化学反応によって発電を行う燃料電池であって、前記セル内に前記酸化ガスを供給する酸化ガス供給通路と、前記セル内に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路と、前記セル内において電解質部材で形成されるとともに、前記酸化ガス供給通路から供給される酸化ガスと前記燃料ガス供給通路から供給される燃料ガスとによる電気化学反応で発電を行う発電部と、を備え、前記発電部は、前記電気化学反応のためのアノード側触媒層が所定厚さを有している第一発電領域と、該アノード側触媒層が該所定厚さより薄い厚さを有する第二発電領域と、を有し、前記第二発電領域を介して、前記燃料ガス供給通路中の所定物質が前記酸化ガス供給通路の上流部位に移動可能となるように、該燃料ガス供給通路と該酸化ガス供給通路とが前記発電部に対して配置されている。 Therefore, more specifically, the present invention is a fuel cell that generates electric power by an electrochemical reaction between an oxidizing gas containing oxygen and a fuel gas containing hydrogen in the cell, and the oxidizing gas is supplied into the cell. An oxidizing gas supply passage, a fuel gas supply passage for supplying the fuel gas into the cell, an electrolyte member formed in the cell, and supplied from the oxidizing gas supply passage and the fuel gas supply A power generation unit that generates power by an electrochemical reaction with fuel gas supplied from the passage, wherein the power generation unit includes a first catalyst layer having a predetermined thickness for the electrochemical reaction. A power generation region, and a second power generation region in which the anode-side catalyst layer has a thickness smaller than the predetermined thickness, and the predetermined substance in the fuel gas supply passage is oxidized through the second power generation region. Ga So as to be movable in the upstream portion of the supply passage, a fuel gas supply passage and the oxidizing gas supply passage is arranged with respect to the power generation unit.
本発明に係る燃料電池においては、セル内の電解質部材で形成される発電部に対して、酸化ガス供給通路から供給される酸化ガスと燃料ガス供給通路から供給される燃料ガスとが電気化学反応に供されることで、発電が行われる。ここで、本発明に係る燃料電池の特徴点は、この発電部において、燃料ガス供給通路から燃料ガスが供給されるアノード側の触媒層の厚さが異なる二つの発電領域、第一発電領域と第二発電領域が設けられている点である。この第一発電領域におけるアノード側触媒層の所定厚さとは、発電部における酸素と水素の電気化学反応に必要な水素のプロトン化に通常必要とする厚さである。一方で、第二発電領域におけるアノード側触媒層の厚さは、この所定厚さより薄い。 In the fuel cell according to the present invention, the electrochemical reaction between the oxidizing gas supplied from the oxidizing gas supply passage and the fuel gas supplied from the fuel gas supply passage to the power generation unit formed by the electrolyte member in the cell. Power is generated by being used in Here, the feature of the fuel cell according to the present invention is that, in this power generation unit, two power generation regions, the first power generation region, and the anode-side catalyst layer to which fuel gas is supplied from the fuel gas supply passage are different. The second power generation area is provided. The predetermined thickness of the anode side catalyst layer in the first power generation region is a thickness usually required for protonation of hydrogen necessary for an electrochemical reaction between oxygen and hydrogen in the power generation unit. On the other hand, the thickness of the anode side catalyst layer in the second power generation region is thinner than this predetermined thickness.
更に、本発明に係る燃料電池においては、この第二発電領域を介した酸化ガス供給通路と燃料ガス供給通路との相対的な配置に特徴がある。即ち、上述のように、燃料ガス供給通路中の所定物質が酸化ガス供給通路の上流部位に移動可能となるように、両通路の配置が為されている。ここで、所定物質とは、燃料ガス供給通路に含まれている物質であって、当該物質が酸化ガス供給通路に移動することで、そこを流れる酸化ガスの加湿に寄与する物質であり、例えば、燃料ガス中の水分(水)や水素である。 Furthermore, the fuel cell according to the present invention is characterized by the relative arrangement of the oxidizing gas supply passage and the fuel gas supply passage through the second power generation region. That is, as described above, both passages are arranged so that the predetermined substance in the fuel gas supply passage can move to the upstream portion of the oxidizing gas supply passage. Here, the predetermined substance is a substance contained in the fuel gas supply passage, and the substance moves to the oxidizing gas supply passage, thereby contributing to humidification of the oxidizing gas flowing therethrough, for example, And water (water) and hydrogen in the fuel gas.
第二発電領域においては、上述の通りアノード側触媒層の厚さが他の領域(第一発電領域)よりも薄い。そのため、燃料ガス中の所定物質が発電部の電解質部材を透過して、乾燥の度合いが高い、酸化ガス供給通路の上流部位にある酸化ガス中に移動しやすい。従って、この所定物質が水分である場合には、直接酸化ガスの加湿が行われることになる。また、所定物質が水素である場合には、第二発電領域におけるアノード側触媒層の厚さは所定厚さより薄いため、水素からプロトンに変換される量が減り、以て燃料ガス供給通路と酸化ガス供給通路との間の水素の濃度勾配が生じる。その結果、酸化ガス供給通路へ水素が移動し、その移動した水素が、発電部のカソード側に電気化学反応のためのカソード側触媒層が存在する場合、その触媒層によって酸化燃焼されることで水が発生し、それにより酸化ガスの加湿が行われる。 In the second power generation region, the anode-side catalyst layer is thinner than the other regions (first power generation region) as described above. Therefore, the predetermined substance in the fuel gas permeates through the electrolyte member of the power generation unit and easily moves into the oxidizing gas in the upstream portion of the oxidizing gas supply passage having a high degree of drying. Therefore, when the predetermined substance is moisture, the oxidizing gas is directly humidified. In addition, when the predetermined substance is hydrogen, the thickness of the anode-side catalyst layer in the second power generation region is thinner than the predetermined thickness, so that the amount converted from hydrogen to protons is reduced, and the fuel gas supply passage and the oxidation are thereby reduced. A concentration gradient of hydrogen between the gas supply passage is generated. As a result, hydrogen moves to the oxidizing gas supply passage, and the moved hydrogen is oxidized and burned by the catalyst layer when the cathode side catalyst layer for electrochemical reaction is present on the cathode side of the power generation unit. Water is generated, thereby humidifying the oxidizing gas.
このように、燃料電池のセルにおいてアノード側触媒層の厚さを、第一発電領域と第二発電領域とで区別するとともに、その第二発電領域を介した酸化ガス供給通路と燃料ガス供給通路との相対配置を工夫することで、酸化ガスのうち最も乾燥し得る上流部位を流れる酸化ガスの加湿を、燃料電池のセル内で、効率的に且つ安定的に行うことができる。尚、本発明に係る燃料電池において、第二発電領域でのカソード側触媒層については、その存在は必ずしも必要ではない。即ち、カソード側触媒層が存在しない場合には、所定物質が水分であるときその水分による加湿が可能であり、カソード側触媒層が存在する場合には水分に加えて、水素の酸化燃焼による加湿が実行されるからである。 As described above, the thickness of the anode catalyst layer in the fuel cell is distinguished between the first power generation region and the second power generation region, and the oxidizing gas supply passage and the fuel gas supply passage through the second power generation region. By devising the relative arrangement, the humidification of the oxidizing gas flowing through the upstream portion of the oxidizing gas that can be dried most efficiently and stably can be performed in the cell of the fuel cell. In the fuel cell according to the present invention, the presence of the cathode side catalyst layer in the second power generation region is not necessarily required. That is, when there is no cathode side catalyst layer, it is possible to humidify with moisture when the predetermined substance is moisture, and when the cathode side catalyst layer is present, humidification due to oxidative combustion of hydrogen in addition to moisture. Is executed.
ここで、上記燃料電池で、前記第二発電領域において、前記アノード側触媒層は設けられていないようにしてもよい。即ち、第二発電領域においては、アノード側触媒層の厚さを零とするものである。このようにすることで、燃料ガス中の水分が酸化ガス供給通路の上流部位に移動しやすくなるとともに、第二発電領域においては水素のプロトン化より、燃料ガス供給通路と酸化ガス供給通路との間の水素の濃度勾配の急峻化を優先して、水素の移動性を高めることができる。 Here, in the fuel cell, the anode-side catalyst layer may not be provided in the second power generation region. That is, in the second power generation region, the anode side catalyst layer has a thickness of zero. This makes it easier for moisture in the fuel gas to move to the upstream portion of the oxidizing gas supply passage, and in the second power generation region, the hydrogen gas protonation causes the fuel gas supply passage and the oxidizing gas supply passage to be separated from each other. The mobility of hydrogen can be enhanced by prioritizing the sharpening of the hydrogen concentration gradient.
また、上記第二発電領域においてアノード側触媒層が設けられていない状態において、更に前記第二発電領域では、前記電気化学反応のためのカソード側触媒層も設けられていないようにしてもよい。このようにすることで、燃料ガス中の水分が酸化ガス供給通路の上流部位により移動しやすくなる。 Further, in a state where the anode side catalyst layer is not provided in the second power generation region, the cathode side catalyst layer for the electrochemical reaction may not be provided in the second power generation region. By doing in this way, the water | moisture content in fuel gas becomes easy to move to the upstream site | part of an oxidizing gas supply path.
ここで、上述までの燃料電池において、前記第一発電領域と前記第二発電領域は、前記発電部において共通の電解質部材からなる共通電解質部を有するようにしてもよい。即ち、この共通電解質部上に、これら二つの発電領域が形成されるものである。このようにすることで、本発明に係る燃料電池のセルをよりコンパクトに形成することが可能となる。 Here, in the fuel cell described above, the first power generation region and the second power generation region may have a common electrolyte portion made of a common electrolyte member in the power generation portion. That is, these two power generation regions are formed on the common electrolyte part. By doing in this way, it becomes possible to form the cell of the fuel cell concerning the present invention more compactly.
また、上述までの燃料電池における酸化ガス供給通路と燃料ガス供給通路の具体的な配置について、以下に例示する。例えば、上述までの燃料電池において、前記酸化ガス供給通路と前記燃料ガス供給通路とは、該酸化ガス供給通路を流れる酸化ガスの流れ方向と該燃料ガス供給通路を流れる燃料ガスの流れる方向とが対向状態となるように前記発電部を挟んだ状態で、且つ該酸化ガス供給通路の上流部位と該燃料ガス供給通路の下流部位とが該発電部を挟んで対向した状態で配置されているようにしともよい。即ち、酸化ガス供給通路と燃料ガス供給通路とが、いわゆるカウンターフロー型になるように発電部を挟んで配置される。このように配置すると、最も乾燥が懸念される酸化ガス供給通路の上流部位に対して、燃料ガス供給通路の下流部位が対向する。この燃料ガス供給通路の下流部位を流れる燃料ガス中には、酸化ガス供給通路から浸透してきた水分が比較的多量に含まれている。従って、このようなカウンターフロー型に両通路を配置させることで、上述したような水分の移動が、より効果的に行われる。 The specific arrangement of the oxidizing gas supply passage and the fuel gas supply passage in the fuel cell described above will be exemplified below. For example, in the fuel cell described above, the oxidizing gas supply passage and the fuel gas supply passage are defined by a flow direction of the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas supply passage and a flow direction of the fuel gas flowing through the fuel gas supply passage. The power generation part is sandwiched so as to be opposed to each other, and the upstream part of the oxidizing gas supply passage and the downstream part of the fuel gas supply passage are disposed to face each other with the power generation part interposed therebetween. Anyway. That is, the oxidizing gas supply passage and the fuel gas supply passage are arranged with the power generation unit sandwiched so as to be a so-called counter flow type. When arranged in this way, the downstream portion of the fuel gas supply passage faces the upstream portion of the oxidizing gas supply passage where drying is most a concern. The fuel gas flowing through the downstream portion of the fuel gas supply passage contains a relatively large amount of moisture that has permeated from the oxidizing gas supply passage. Therefore, the movement of moisture as described above is more effectively performed by arranging both passages in such a counterflow type.
ここで、本発明に係る燃料電池を、別の側面から捉えると、以下に示す燃料電池となる。つまり、本発明に係る燃料電池は、セルにおける酸素を含む酸化ガスと水素を含む燃料ガスとの電気化学反応によって発電を行う燃料電池であって、前記セル内に前記酸化ガスを供給する酸化ガス供給通路と、前記セル内に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路と、前記セル内において電解質部材で形成されるとともに、前記酸化ガス供給通路から供給される酸化ガスと前記燃料ガス供給通路から供給される燃料ガスとによる電気化学反応で発電を行う発電部と、を備え、前記発電部は、前記燃料ガス供給通路中の所定物質が他の領域に比べて前記酸化ガス供給通路へ移動しやすい所定発電領域を有し、前記所定発電領域を介して、前記燃料ガス供給通路中の所定物質が前記酸化ガス供給通路の上流部位に移動可能となるように、該燃料ガス供給通路と該酸化ガス供給通路とが前記発電部に対向して配置されている。 Here, when the fuel cell according to the present invention is viewed from another aspect, the following fuel cell is obtained. That is, the fuel cell according to the present invention is a fuel cell that generates electric power by an electrochemical reaction between an oxidizing gas containing oxygen and a fuel gas containing hydrogen in the cell, the oxidizing gas supplying the oxidizing gas into the cell. A supply passage, a fuel gas supply passage for supplying the fuel gas into the cell, an electrolyte member formed in the cell, an oxidizing gas supplied from the oxidizing gas supply passage, and the fuel gas supply passage. A power generation unit that generates power by an electrochemical reaction with the supplied fuel gas, and the power generation unit moves a predetermined substance in the fuel gas supply passage to the oxidizing gas supply passage compared to other regions. A predetermined power generation region that is easy to operate, and the fuel is supplied so that a predetermined substance in the fuel gas supply passage can move to an upstream portion of the oxidizing gas supply passage through the predetermined power generation region. Scan supply passage and the oxidizing gas supply passage is arranged to face the power generation unit.
ここでいう所定物質は、上述までの所定物質と同義である。従って、上記燃料電池においては、セル内の発電部において明示的に所定発電領域が形成され、その所定発電領域を介して所定物質の燃料ガス供給通路から酸化ガス供給通路の上流部位への移動が可能となる。その結果、酸化ガスのうち最も乾燥し得る上流部位を流れる酸化ガスの加湿を、燃料電池のセル内で、効率的に且つ安定的に行うことができる。 The predetermined substance here is synonymous with the predetermined substance described above. Therefore, in the above fuel cell, a predetermined power generation region is explicitly formed in the power generation unit in the cell, and movement of the predetermined substance from the fuel gas supply passage to the upstream portion of the oxidizing gas supply passage through the predetermined power generation region. It becomes possible. As a result, it is possible to efficiently and stably humidify the oxidizing gas flowing through the upstream portion of the oxidizing gas that can be dried most efficiently in the cell of the fuel cell.
また、本発明に係る燃料電池を、更に別の側面から捉えると、以下に示す燃料電池となる。つまり、本発明に係る燃料電池は、セルにおける酸素を含む酸化ガスと水素を含む燃
料ガスとの電気化学反応によって発電を行う燃料電池であって、前記セル内に前記酸化ガスを供給する酸化ガス供給通路と、前記セル内に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路と、前記セル内において電解質部材および該電解質部材を挟んで設けられたアノード側触媒層とカソード側触媒層とで形成されるとともに、両触媒層の触媒効果により前記酸化ガス供給通路から供給される酸化ガスと前記燃料ガス供給通路から供給される燃料ガスとの電気化学反応で発電を行う発電部と、を備え、前記発電部は、他の領域に比べて前記電気化学反応による発電の程度が低い所定発電領域を有し、前記所定発電領域を介して、前記燃料ガス供給通路中の所定物質が前記酸化ガス供給通路の上流部位に移動可能となるように、該燃料ガス供給通路と該酸化ガス供給通路とが前記発電部に対して配置されている。
Further, when the fuel cell according to the present invention is viewed from another aspect, the following fuel cell is obtained. That is, the fuel cell according to the present invention is a fuel cell that generates electric power by an electrochemical reaction between an oxidizing gas containing oxygen and a fuel gas containing hydrogen in the cell, the oxidizing gas supplying the oxidizing gas into the cell. A supply passage, a fuel gas supply passage for supplying the fuel gas into the cell, an electrolyte member, and an anode side catalyst layer and a cathode side catalyst layer provided between the electrolyte member in the cell are formed. And a power generation unit that generates power by an electrochemical reaction between the oxidizing gas supplied from the oxidizing gas supply passage and the fuel gas supplied from the fuel gas supply passage due to the catalytic effect of both catalyst layers, The unit has a predetermined power generation region in which the degree of power generation by the electrochemical reaction is lower than other regions, and the predetermined substance in the fuel gas supply passage through the predetermined power generation region So as to be movable in the upstream portion of the oxidizing gas supply passage, a fuel gas supply passage and the oxidizing gas supply passage is arranged with respect to the power generation unit.
ここでいう所定物質は、上述までの所定物質と同義である。ここで、上記発電部による電気化学反応での発電は、電解質部材を挟んで設けられたアノード側触媒層とカソード側触媒層との触媒効果によるものであり、その上で発電部において発電の程度が他の領域より低い所定発電領域が明示的に形成されるとともに、その所定発電領域を挟んで燃料ガス供給通路と酸化ガス供給通路とが前記発電部に対向して配置されている。この所定発電領域においては、触媒層による発電への関与が低くなっているため、燃料ガス供給通路中の所定物質が、上述したような酸化ガス供給通路への移動をしやすい状況が形成されていることになる。その結果、その所定発電領域を介して所定物質の燃料ガス供給通路から酸化ガス供給通路の上流部位への移動が可能となり、以て酸化ガスのうち最も乾燥し得る上流部位を流れる酸化ガスの加湿を、燃料電池のセル内で、効率的に且つ安定的に行うことができる。 The predetermined substance here is synonymous with the predetermined substance described above. Here, the power generation by the electrochemical reaction by the power generation unit is due to the catalytic effect of the anode-side catalyst layer and the cathode-side catalyst layer provided with the electrolyte member interposed therebetween, and then the degree of power generation in the power generation unit A predetermined power generation region lower than the other regions is explicitly formed, and a fuel gas supply passage and an oxidant gas supply passage are arranged to face the power generation unit across the predetermined power generation region. In this predetermined power generation area, since the catalyst layer is less involved in power generation, a situation is formed in which the predetermined substance in the fuel gas supply passage easily moves to the oxidizing gas supply passage as described above. Will be. As a result, it is possible to move the predetermined substance from the fuel gas supply passage to the upstream portion of the oxidizing gas supply passage through the predetermined power generation region, and thus humidify the oxidizing gas flowing through the upstream portion of the oxidizing gas that can be dried most. Can be carried out efficiently and stably in the fuel cell.
本発明に係る燃料電池によれば、電解質部材により形成される燃料電池において、酸化ガスの加湿を効率的に且つ安定的とすることが可能となる。 According to the fuel cell of the present invention, it is possible to efficiently and stably humidify the oxidizing gas in the fuel cell formed by the electrolyte member.
本発明に係る燃料電池の実施の形態について図面に基づいて詳細に説明する。図1は本発明に係る燃料電池1の概略構成を示す図である。燃料電池1は、複数のセル10がその両端をエンドプレート4、5によって挟まれ積層された状態で形成されることになる。尚、図1は、燃料電池1を上側から見たときの構成図であるので、図1においては後述する水素供給管21と空気排出管22とが、水素排出管23と空気供給管24とが、水素入口マニホールド2aと空気出口マニホールド3bとが、水素出口マニホールド2bと空気入口マニホールド3aとが、それぞれ重なった状態で記載されている。しかし、これらのそれぞれは独立した構成要素であることが、後記説明及び他の図面からも理解できる。また、図1においては、実線矢印が燃料ガスとしての水素の流れを示し、破線矢印が酸化ガスとしての空気の流れを示すとともに、本発明に係る燃料ガスを単に水素と称し、本発明に係る酸化ガスを単に空気と称する。
Embodiments of a fuel cell according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a
燃料電池1は、空気中の酸素と水素との電気化学反応により発電を行うものであり、該燃料電池1の外部からそれぞれ空気と水素とが供給される。具体的には、水素は、燃料電池1の外部に設けられた水素貯蔵タンクから、水素供給管21を介して燃料電池1に供給される。また空気は、燃料電池1の外部に設けられたブロアによって圧縮空気として、空気供給管23を介して燃料電池1に供給される。水素供給管21を介して送られた水素は、水素入口マニホールド2aを介して、且つ空気供給管24を介して送られた空気は、空気入口マニホールド3aを介して、積層された各セル10に供給され、以てセル10内で電気化学反応に供されることで発電が行われる。
The
ここで、図2および図3に基づいてセル10の構成を説明する。図2は、セル10の概
略構成を示す図であり、図3はセル10内における酸化ガス(空気)と燃料ガス(水素)の流れを示す図である。セル10は、その中央部に実質的な発電を担う電極接合体(以下、「MEA部」という。)11が備えられ、その両側に上述した水素入口マニホールド2a、水素出口マニホールド2b、空気入口マニホールド3a、空気出口マニホールド3bが設けられている。水素入口マニホールド2aと水素出口マニホールド2bは連通して、後述する水素供給通路11dを形成しており、空気入口マニホールド3aと空気出口マニホールド3bは連通して、後述する空気供給通路11eを形成している。
Here, the configuration of the
図3の上段には、MEA部11を上側から見たときの該MEA部11の概略構成が示されている。MEA部11は、電解質部材で形成されるMEA本体部11cを挟んでその両側に水素供給通路11dと空気供給通路11eが設けられた構成を有しており、水素入口マニホールド2aを介してこの水素供給通路11dへ水素が送られ、空気入口マニホールド3aを介してこの空気供給通路11eへ空気が送られる。そして、それぞれの供給通路から送られた水素及び空気は、MEA本体部11cでの電気化学反応に供されて発電が行われることになる。その後、水素供給通路11dおよび空気供給通路11eを流れる水素及び空気のうち上記電気化学反応に供されなかった一部、更には上記電気化学反応で発生した水分等は、それぞれの通路の下流部位に流れつき、水素出口マニホールド2bおよび空気出口マニホールド3bへと至る。
3 shows a schematic configuration of the
ここで、図3の中段及び下段には、それぞれ空気供給通路11eおよび水素供給通路11dの流路の概略が、MEA本体部11cの側面側からの視点(即ち、図2に示すセル10に対する視点と同じ)で示されている。即ち、図2に示すセル10においては、電気化学反応に供される水素は、MEA本体部11cの一方の面側を、図2中左上から右下に至るように且つ途中で複数の枝に分かれた状態で流れる。一方で、当該電気化学反応に供される空気はMEA本体部11cの他方の面側を、図2中右上から左下に至るように且つ途中で複数の枝に分かれた状態で流れる。即ち、セル10内においては、水素と空気の流れが対向するカウンターフローの形態が採られている。従って、セル10内においては、空気の流れの上流部位が水素の流れの下流部位と、また空気の流れの下流部位が水素の流れの上流部位と、MEA本体部11cを挟んで対向した状態となるように、水素供給通路11dと空気供給通路11eが配設されている。
Here, in the middle stage and the lower stage of FIG. 3, the outline of the flow paths of the
以上のように構成される燃料電池1のセル10において、MEA部11は第一発電領域11aと第二発電領域11bの二つの領域に区別されている。そして、この第一発電領域11aと第二発電領域11bは、図2に明示されるように、MEA部11の右側の一部分が第二発電領域11bとして、MEA部11の左側の大部分が第一発電領域11aとされている。換言すると、MEA部11においては、図3に明示されるように、水素供給通路11dの下流部位が空気供給通路11eの上流部位とMEA本体部11cを挟んで対向している部分で、第二発電領域11bが形成されており、それ以外の部分は第一発電領域11aとされる。
In the
ここで、第一発電領域11aと第二発電領域11bにおけるMEA本体部11cの詳細な構成について、図4に基づいて説明する。図4は、MEA本体部11cの詳細な構成を示す図である。該MEA本体部11cは、電解質部材12と、水素が供給される側(即ち、アノード側)の触媒層であるアノード側触媒層13と、酸素を含む空気が供給される側(即ち、カソード側)の触媒層であるカソード側触媒層14とから構成される。このアノード側触媒層13により、燃料ガスとしての水素がプロトンに変換され、またカソード側触媒層14によりプロトンの酸化が促進されることで、燃料電池1における電気化学反応による発電が行われる。
Here, the detailed structure of the MEA
そして、第一発電領域11aにおいては、アノード側触媒層13aとカソード側触媒層
14aが、上記電気化学反応に必要な厚さを有する触媒層として設けられているが、第二発電領域11bにおいては、カソード側触媒層14bはカソード側触媒層14aと同じように設けられているが、アノード側触媒層13bについては設けられていない。即ち、アノード側触媒層13bの厚さは零である。このように構成されるMEA本体部11cでは、第一発電領域11aと第二発電領域11bとで異なる機能を発揮することになり、それについて図5に基づいて以下に説明する。
And in the 1st electric power generation area |
図5は、図3上段の図と同様に、MEA部11を上側から見たときの該MEA部11における所定物質の流れが模式的に示されている。この所定物質とは、酸化ガスである空気に対して加湿を行うことを可能とする、燃料ガスである水素中の物質であり、本実施例では水素中の水分およびその水素が該当する。
FIG. 5 schematically shows the flow of a predetermined substance in the
先ず、所定物質としての水分の流れについて説明する。セル10での電気化学反応によりMEA本体部11cを介してカソード側に至ったプロトンは、カソード側触媒により酸化されることで水が生成される。従って、その生成水により空気供給通路11eを流れる空気中の水分量は、下流部位に進むに従い多くなる。この状態を、図5中の空気供給通路11e内に矢印の太さで示している。即ち、矢印がより太く示される空気供給通路11eの下流部位は、上流部位よりも多くの水分を空気中に含むことになる。
First, the flow of moisture as the predetermined substance will be described. Protons that reach the cathode side through the MEA
そして、この空気供給通路11e中の水分量と水素供給通路11d中の水分量との差により、空気供給通路11e中の水分がMEA本体部11cを介して水素供給通路11d側に浸透していく。尚、この水分の浸透は、空気供給通路11e中の水分が比較的多くなる中流部位から下流部位にかけて、換言すると第一発電領域11aに係る部位において顕著に行われる。これは、空気供給通路11eの上流部位では、上記電気化学反応により生成される水分量は少なく、また多量の空気が早い流速で流れるため、該上流部位を流れる空気に含まれる水分量は極めて少ないからである。
Then, due to the difference between the moisture content in the
すると、空気供給通路11eから水素供給通路11cに浸透した水分は、水素供給通路11dを流れるため、その下流部位に進むに従い多くなる。この状態を、図5中の水素供給通路11d内に矢印の太さで示している。即ち、矢印がより太く示される水素供給通路11dの下流部位は、上流部位よりも多くの水分を空気中に含むことになる。
Then, the moisture that has permeated the
ここで、MEA部11の第二発電領域11bでは、水素供給通路11dの下流部位と空気供給通路11eの上流部位とが、MEA本体部11cを挟んで対向されて配設されている。そして、図4に示したように、この第二発電領域11bにおいては、MEA本体部11cのうちアノード側触媒層13bが設けられていない。その結果、上記のように水分を多く含む水素供給通路11dの下流部位を流れる水素から、含水量が極めて少ない空気供給通路11eの上流部位を流れる空気へと、水分が移動しやすくなる。その結果、セル10内に水分移動のサイクルが形成され、空気供給通路11eを流れる空気の中で最も乾いた状態であるその上流部位の空気を加湿することが可能となる。この水分のサイクルは、セル10の外部に出ない状態で行われるため、水分の温度低下が可及的に抑制されその液化を回避することができる。以上より、空気供給通路11eを流れる空気全体を加湿することが可能となり、以てMEA部11を電気化学反応に適した湿度状態に効率的に且つ安定的に維持することが可能となる。
Here, in the second
次に、所定物質としての水素の流れについて説明する。MEA部11の第二発電領域11bでは、上述したようにアノード側触媒層13bが設けられていない状態である。従って、この領域では水素供給通路11dを流れている水素はプロトンに変換されない。そのため、水素供給通路11dと空気供給通路11eとの間の水素濃度勾配、即ち水素濃度の高い水素供給通路11dと水素濃度の極めて低い空気供給通路11eとの間の水素濃度勾
配により、水素供給通路11dから空気供給通路11eへ水素が移動しやすくなる。そして、移動してきた水素は、第二発電領域11bにおけるカソード側触媒層14bによって酸化されて、そこで水が生成される。この水の生成もセル10内で行われるため、生成水が冷却されて液化するのを回避することができる。その結果、空気供給通路11eを流れる空気の中で最も乾いた状態であるその上流部位の空気を加湿することが可能となり、以てMEA部11を電気化学反応に適した湿度状態に効率的に且つ安定的に維持することが可能となる。
Next, the flow of hydrogen as the predetermined substance will be described. In the second
また、上記実施例における第二発電領域11bの形成については、図4に示すとおりであるが、第二発電領域11bのその他の態様について、図6A及び図6Bに基づいて説明する。図6A及び図6Bは、図4と同様に、MEA本体部11cの詳細な構成を示す図である。図6Aに示すMEA本体部11cにおいては、第一発電領域11a側のアノード側触媒層13aの厚さは、図4に示す場合と同じであるが、第二発電領域11b側のアノード側触媒層13bについては、アノード側触媒層13aより薄い厚さを有する状態で、電解質部材12上に設けられている。尚、カソード側触媒層14については、図4に示す状態と同じである。
Moreover, although formation of the 2nd electric power generation area |
このように形成されるMEA本体部11cでは、第二発電領域11bにアノード側触媒層13bが若干残っているため、図4に示すMEA本体部11cと比べて、第二発電領域11bを介して行われる水分および水素の、空気供給通路11eの上流部位への移動の度合いが若干低くなるものの、該上流部位を流れる空気の加湿は行われ得る。一方で、第二発電領域11bにアノード側触媒層13bが若干残っているため、第二発電領域11bのアノード側でもある程度プロトンが生成されるため、第一発電領域11aと比べると発電効率は低いが第二発電領域11bでも発電を行うことが可能となり、以て燃料電池1全体での発電量を向上させることが可能である。
In the MEA
従って、第二発電領域11bに若干のアノード側触媒層13bを残しても、MEA部11を電気化学反応に適した湿度状態に維持することが可能であれば、図6Aに示すようなMEA本体部11cの構造を採用することで、燃料電池1の発電量を向上させることが可能となる。
Accordingly, if the
次に、図6Bに示すMEA本体部11cにおいては、図4に示す状態から更に第二発電領域11b側のカソード側触媒層14bを除いた状態が示されている。即ち、第二発電領域11bにおいては、電解質部材12上には触媒層が何ら設けられていない。このようにMEA本体部11cを形成することで、水素供給通路11dを流れる水素に含まれる水分が、空気供給通路11eにより移動しやすくなる。尚、水素供給通路11dから空気供給通路11eに移動した水素は、第二発電領域11bでは酸化されないが、空気供給通路11eを下流側に流れて、そこに存在するカソード側触媒層14aによって酸化されることで水が生成されることで、酸化ガスとしての空気の加湿に寄与する。
Next, in the MEA
ここで、上述までのMEA本体部11cの製造方法について、図7に基づいて説明する。先ず、S101では、カソード側とアノード側のそれぞれの触媒層となる触媒の原材料となる貴金属等を溶液の形態で調合し、攪拌する。これにより、触媒中の貴金属がより均一に拡散される。次に、S102の処理により、この調合された触媒がテフロン(登録商標)シート上に塗布される。このとき、図4や図6A、図6Bに示す厚さを各触媒層が有するように、テフロン(登録商標)シートへの塗布量が調整される。その後、S103の処理により、塗布された触媒を乾燥させて「触媒シート」を作成する。
Here, the manufacturing method of the MEA
その後、図4や図6A、図6Bに示すような各発電領域の大きさに合わせて、上記の触媒シートを裁断する。例えば、図4に示すMEA本体部11cを作成する場合には、アノ
ード側触媒層13用の触媒シートを、カソード側触媒層14用の触媒シートよりも第二発電領域11bに対応する面積だけ小さく裁断すればよい。また、図6Aに示すMEA本体部11cを作成する場合には、厚さの異なる二種類のアノード側触媒層用の触媒シートを作成した上で、各触媒シートを第一発電領域11aと第二発電領域11bの面積に対応させて裁断する。
Thereafter, the catalyst sheet is cut according to the size of each power generation region as shown in FIGS. 4, 6A, and 6B. For example, when the MEA
その後、S105では、S104で裁断された触媒シートから電解質部材12上に、各触媒シート上に形成された触媒層を転写させることで、MEA本体部11cが作成される。
Thereafter, in S105, the MEA
<その他の実施例>
上述までの実施例においては、MEA部11内の水素供給通路11dと空気供給通路11eの配設態様は、図3に示すように、水素と空気の流れる方向がカウンターフロー型になるように、両通路が配設される。このように配設されることで、水素供給通路11dの下流部位と空気供給通路11eの上流部位とが対向する状態となる。ここで、この配設態様以外の態様であって、本発明が適用可能な配設態様について図8及び図9に基づいて説明する。
<Other examples>
In the embodiments described above, the arrangement of the
図8及び図9は、図3と同様に、セル10内における酸化ガス(空気)と燃料ガス(水素)の流れを示す図である。図8に示すMEA部11おいては、水素の流れは図3に示す場合と同じである。一方で空気の流れは、図8の中段に示すように、図中上側から下側に向かって、即ち水素の流れに直交する方向である。このような水素供給通路と空気供給通路の配設形態では、図8中の中下段に点線で囲われた部分Rh1、即ち水素供給通路の下流部位と空気供給通路の上流部位とがMEA本体部を挟んで対向する部分Rh1を、上記までの実施例における第二発電領域とすることで、空気供給通路を流れる空気の中で最も乾いた状態であるその上流部位の空気を加湿することが可能となる。
8 and 9 are diagrams showing the flow of the oxidizing gas (air) and the fuel gas (hydrogen) in the
次に、図9に示すMEA部11おいては、水素の流れおよび酸素の流れは一筆書き上に形成される。即ち、水素供給通路11dは、図9中の下段に示すように、図中左下から右上に至るように蛇行しながら進み、空気供給通路11eは、図9中の中段に示すように、図中左上から右下に至るように蛇行しながら進む。その結果、水素の流れと空気の流れは、図3に示すカウンターフロー型と異なり概ね同一の方向となる。このような水素供給通路と空気供給通路の配設形態では、図9中の中下段に点線で囲われた部分Rh2、即ち水素供給通路の下流部位と空気供給通路の上流部位とがMEA本体部を挟んで対向する部分Rh2を、上記までの実施例における第二発電領域とすることで、空気供給通路を流れる空気の中で最も乾いた状態であるその上流部位の空気を加湿することが可能となる。
Next, in the
1・・・・燃料電池
2a・・・・水素入口マニホールド
2b・・・・水素出口マニホールド
3a・・・・空気入口マニホールド
3b・・・・空気出口マニホールド
10・・・・セル
11・・・・MEA部
11a・・・・第一発電領域
11b・・・・第二発電領域
11c・・・・MEA本体部
11d・・・・水素供給通路
11e・・・・空気供給通路
12・・・・電解質部材
13・・・・アノード側触媒層
14・・・・カソード側触媒層
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記セル内に前記酸化ガスを供給する酸化ガス供給通路と、
前記セル内に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路と、
前記セル内において電解質部材で形成されるとともに、前記酸化ガス供給通路から供給される酸化ガスと前記燃料ガス供給通路から供給される燃料ガスとによる電気化学反応で発電を行う発電部と、を備え、
前記発電部は、前記電気化学反応のためのアノード側触媒層が所定厚さを有している第一発電領域と、該アノード側触媒層が該所定厚さより薄い厚さを有する第二発電領域と、を有し、
前記第二発電領域を介して、前記燃料ガス供給通路中の所定物質が前記酸化ガス供給通路の上流部位に移動可能となるように、該燃料ガス供給通路と該酸化ガス供給通路とが前記発電部に対して配置されている、
ことを特徴とする燃料電池。 A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between an oxidizing gas containing oxygen and a fuel gas containing hydrogen in a cell,
An oxidizing gas supply passage for supplying the oxidizing gas into the cell;
A fuel gas supply passage for supplying the fuel gas into the cell;
A power generation unit that is formed of an electrolyte member in the cell and that generates power by an electrochemical reaction between the oxidizing gas supplied from the oxidizing gas supply passage and the fuel gas supplied from the fuel gas supply passage. ,
The power generation unit includes a first power generation region in which the anode side catalyst layer for the electrochemical reaction has a predetermined thickness, and a second power generation region in which the anode side catalyst layer has a thickness smaller than the predetermined thickness. And having
The fuel gas supply passage and the oxidant gas supply passage are connected to the power generation unit so that the predetermined substance in the fuel gas supply passage can move to the upstream portion of the oxidant gas supply passage through the second power generation region. Placed against the part,
The fuel cell characterized by the above-mentioned.
前記セル内に前記酸化ガスを供給する酸化ガス供給通路と、
前記セル内に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路と、
前記セル内において電解質部材で形成されるとともに、前記酸化ガス供給通路から供給される酸化ガスと前記燃料ガス供給通路から供給される燃料ガスとによる電気化学反応で発電を行う発電部と、を備え、
前記発電部は、前記燃料ガス供給通路中の所定物質が他の領域に比べて前記酸化ガス供給通路へ移動しやすい所定発電領域を有し、
前記所定発電領域を介して、前記燃料ガス供給通路中の所定物質が前記酸化ガス供給通路の上流部位に移動可能となるように、該燃料ガス供給通路と該酸化ガス供給通路とが前記発電部に対して配置されている、
ことを特徴とする燃料電池。 A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between an oxidizing gas containing oxygen and a fuel gas containing hydrogen in a cell,
An oxidizing gas supply passage for supplying the oxidizing gas into the cell;
A fuel gas supply passage for supplying the fuel gas into the cell;
A power generation unit that is formed of an electrolyte member in the cell and that generates power by an electrochemical reaction between the oxidizing gas supplied from the oxidizing gas supply passage and the fuel gas supplied from the fuel gas supply passage. ,
The power generation unit has a predetermined power generation region in which the predetermined substance in the fuel gas supply passage is more easily moved to the oxidizing gas supply passage than in other regions,
The fuel gas supply passage and the oxidizing gas supply passage are connected to the power generation unit so that the predetermined substance in the fuel gas supply passage can be moved to the upstream portion of the oxidizing gas supply passage through the predetermined power generation region. Arranged against
The fuel cell characterized by the above-mentioned.
前記セル内に前記酸化ガスを供給する酸化ガス供給通路と、
前記セル内に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路と、
前記セル内において電解質部材および該電解質部材を挟んで設けられたアノード側触媒層とカソード側触媒層とで形成されるとともに、両触媒層の触媒効果により前記酸化ガス供給通路から供給される酸化ガスと前記燃料ガス供給通路から供給される燃料ガスとの電気化学反応で発電を行う発電部と、を備え、
前記発電部は、他の領域に比べて前記電気化学反応による発電の程度が低い所定発電領域を有し、
前記所定発電領域を介して、前記燃料ガス供給通路中の所定物質が前記酸化ガス供給通路の上流部位に移動可能となるように、該燃料ガス供給通路と該酸化ガス供給通路とが前記発電部に対向して配置されている、
ことを特徴とする燃料電池。 A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between an oxidizing gas containing oxygen and a fuel gas containing hydrogen in a cell,
An oxidizing gas supply passage for supplying the oxidizing gas into the cell;
A fuel gas supply passage for supplying the fuel gas into the cell;
An oxidizing gas formed in the cell by an electrolyte member and an anode-side catalyst layer and a cathode-side catalyst layer provided between the electrolyte members, and supplied from the oxidizing gas supply passage by the catalytic effect of both catalyst layers And a power generation unit that generates power by an electrochemical reaction between the fuel gas supplied from the fuel gas supply passage,
The power generation unit has a predetermined power generation region where the degree of power generation by the electrochemical reaction is low compared to other regions,
The fuel gas supply passage and the oxidizing gas supply passage are connected to the power generation unit so that the predetermined substance in the fuel gas supply passage can be moved to the upstream portion of the oxidizing gas supply passage through the predetermined power generation region. Arranged opposite to the
The fuel cell characterized by the above-mentioned.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
2007
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