JP2008288068A - Fuel cell, anode of fuel cell, and membrane electrode assembly - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池に関し、詳しくは、燃料電池のアノードに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a fuel cell anode.
水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池は、プロトン伝導性を有する所定の電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合してなる膜電極接合体を、セパレータによって挟持することによって構成される。そして、アノード、および、カソードは、それぞれ、上記電気化学反応を促進するための触媒層と、燃料電池の外部から供給された反応ガス(燃料ガス、および、酸化剤ガス)を拡散させつつ、触媒層に供給するためのガス拡散層とを備える。 A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen has attracted attention as an energy source. This fuel cell is configured by sandwiching a membrane electrode assembly formed by joining an anode and a cathode on both surfaces of a predetermined electrolyte membrane having proton conductivity, with a separator. The anode and the cathode are respectively a catalyst layer for promoting the electrochemical reaction and a catalyst while diffusing the reaction gas (fuel gas and oxidant gas) supplied from the outside of the fuel cell. A gas diffusion layer for supplying to the layer.
ところで、このような燃料電池では、一般に、触媒層には、上記電気化学反応を促進するための触媒金属を担持したカーボンが含まれており、発電中に、アノードへの燃料ガスの供給が不足した場合には、電子(e-)、および、プロトン(H+)を放出するために、アノード側の触媒層(以下、アノード側触媒層と呼ぶ)に含まれるカーボンが酸化されることが知られている。このカーボン酸化は、以下に示す式(1)で表される。 By the way, in such a fuel cell, generally, the catalyst layer contains carbon carrying a catalyst metal for promoting the electrochemical reaction, and the supply of fuel gas to the anode is insufficient during power generation. In this case, it is known that carbon contained in the catalyst layer on the anode side (hereinafter referred to as the anode side catalyst layer) is oxidized in order to release electrons (e − ) and protons (H + ). It has been. This carbon oxidation is represented by the following formula (1).
C+2H2O→CO2+4e-+4H+・・・(1) C + 2H 2 O → CO 2 + 4e − + 4H + (1)
そして、アノード側触媒層において、このようなカーボン酸化が生じると、アノード側触媒層が劣化し、燃料電池の発電性能の低下を招く。そこで、従来、アノード側触媒層におけるカーボン酸化を抑制するための種々の技術が提案されている(例えば、下記特許文献1,2参照)。例えば、下記特許文献1には、燃料電池のアノードに水分解反応を促進する触媒を添加することによって、上述したアノード側触媒層におけるカーボン酸化を抑制する技術が記載されている。この水分解反応は、以下に示す式(2)で表される。 When such carbon oxidation occurs in the anode side catalyst layer, the anode side catalyst layer deteriorates, leading to a decrease in power generation performance of the fuel cell. Therefore, conventionally, various techniques for suppressing carbon oxidation in the anode side catalyst layer have been proposed (for example, see Patent Documents 1 and 2 below). For example, Patent Document 1 described below describes a technique for suppressing carbon oxidation in the above-described anode-side catalyst layer by adding a catalyst that promotes a water splitting reaction to the anode of a fuel cell. This water splitting reaction is represented by the following formula (2).
2H2O→O2+4H++4e-・・・(2) 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e − (2)
下記特許文献1に記載された技術では、燃料電池のアノードにおいて、上述した水分解反応によって、電子(e-)、および、プロトン(H+)を生成することができるので、燃料電池のアノード側触媒層におけるカーボン酸化を抑制することができる。 In the technique described in Patent Document 1 below, electrons (e − ) and protons (H + ) can be generated by the above-described water splitting reaction at the anode of the fuel cell. Carbon oxidation in the catalyst layer can be suppressed.
しかし、上記特許文献1に記載された技術では、上述した水分解反応によって生成されたプロトン(H+)が、アノード中に存在する水を媒体として、アノード側のセパレータ(以下、アノード側セパレータと呼ぶ)との接触部に移動し、アノード側セパレータに含まれる物質と電気化学的に反応して、すなわち、アノード側セパレータに含まれる物質を酸化させて、アノード側セパレータを腐食させるという不具合があった。このようなアノード側セパレータの腐食は、プロトンに限られず、例えば、電解質膜から溶出するイオン等、他の種々のイオンによっても生じ得る。 However, in the technique described in Patent Document 1, protons (H + ) generated by the water splitting reaction described above are used as anode-side separators (hereinafter referred to as anode-side separators) using water present in the anode as a medium. And contact with the substance contained in the anode separator, and electrochemically react with the substance contained in the anode separator, that is, oxidize the substance contained in the anode separator and corrode the anode separator. It was. Such corrosion of the anode-side separator is not limited to protons, and can also be caused by other various ions such as ions eluted from the electrolyte membrane.
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池において、発電中に、燃料電池のアノードへの燃料ガスの供給が不足したときのアノード側セパレータの腐食を抑制することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and suppresses corrosion of the anode-side separator when the supply of fuel gas to the anode of the fuel cell is insufficient during power generation in the fuel cell. With the goal.
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、以下の構成を採用した。本発明の燃料電池は、電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合してなる膜電極接合体を、セパレータによって挟持した燃料電池であって、前記アノードは、前記電解質膜に接合され、前記燃料電池における電気化学反応を促進するための触媒層と、前記触媒層に接合され、前記燃料電池の外部から供給された燃料ガスを拡散させつつ、前記触媒層に供給するためのガス拡散層と、を備え、前記ガス拡散層は、前記ガス拡散層の厚さ方向の少なくとも一部に、ガス拡散性、および、導電性を有するとともに、前記セパレータの腐食の原因となる所定のイオンの、前記触媒層から前記セパレータへの移動を遮断するためのイオン遮断層を備えることを要旨とする。 In order to solve at least a part of the above-described problems, the present invention employs the following configuration. The fuel cell of the present invention is a fuel cell in which a membrane electrode assembly formed by joining an anode and a cathode on both sides of an electrolyte membrane is sandwiched by separators, and the anode is joined to the electrolyte membrane. A catalyst layer for promoting an electrochemical reaction in the fuel cell; and a gas diffusion for joining the catalyst layer and supplying the catalyst layer while diffusing the fuel gas supplied from the outside of the fuel cell The gas diffusion layer has gas diffusibility and conductivity at least in part in the thickness direction of the gas diffusion layer, and has predetermined ions that cause corrosion of the separator. The gist is to provide an ion blocking layer for blocking movement from the catalyst layer to the separator.
本発明では、アノード側のガス拡散層の少なくとも一部に、上記イオン遮断層を備えているので、このイオン遮断層によって、セパレータを腐食させる原因となるイオン(例えば、プロトン)が、触媒層からアノードとセパレータとの接触部に移動することを防止することができる。したがって、燃料電池において、発電中に、燃料電池のアノードへの燃料ガスの供給が不足したときのアノード側セパレータの腐食を抑制することができる。 In the present invention, since the ion blocking layer is provided on at least a part of the gas diffusion layer on the anode side, ions (for example, protons) that cause corrosion of the separator by the ion blocking layer are removed from the catalyst layer. It can prevent moving to the contact part of an anode and a separator. Therefore, in the fuel cell, it is possible to suppress corrosion of the anode-side separator when the supply of fuel gas to the anode of the fuel cell is insufficient during power generation.
上記燃料電池において、前記イオン遮断層は、撥水性材料を備えるようにしてもよい。こうすることによって、撥水性材料によって、水を撥水し、イオン遮断層中に、上記イオンの移動媒体となる水が含まれないようにすることができるので、ガス拡散層における厚さ方向の上記イオンの移動経路を、イオン遮断層によって、分断することができる。なお、撥水性材料としては、種々の材料を適用可能であり、例えば、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)や、PFA(テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体)等のフッ素樹脂が挙げられる。 In the fuel cell, the ion blocking layer may include a water repellent material. By doing so, water can be repelled by the water repellent material so that the ion blocking layer does not contain water as the ion transfer medium. The ion movement path can be divided by the ion blocking layer. Various materials can be applied as the water-repellent material, and examples thereof include fluorine resins such as PTFE (polytetrafluoroethylene) and PFA (tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer).
上記いずれかの燃料電池において、前記イオン遮断層は、水分解反応を促進する触媒を備えるようにしてもよい。こうすることによって、イオン遮断層において、上述した水分解反応を促進させることができるので、上述したカーボン酸化を抑制することができる。なお、水分解反応を促進する触媒としては、種々の材料を適用可能であり、例えば、酸化ルテニウム(RuO2)や、酸化イリジウム(IrO2)等が挙げられる。 In any one of the above fuel cells, the ion blocking layer may include a catalyst that promotes a water splitting reaction. By carrying out like this, in the ion interruption layer, since the water splitting reaction mentioned above can be promoted, the carbon oxidation mentioned above can be controlled. Note that various materials can be used as the catalyst for promoting the water splitting reaction, and examples thereof include ruthenium oxide (RuO 2 ) and iridium oxide (IrO 2 ).
本発明において、イオン遮断層は、ガス拡散層の少なくとも一部に備えられていればよいため、例えば、ガス拡散層全体をイオン遮断層とする構成をとることも可能である。しかし、この場合、イオン遮断層の構成によっては、ガス拡散層がイオン遮断層を備えない場合と比較して、ガス拡散層のガス拡散性を低下させ、燃料電池の発電性能を低下させる場合がある。したがって、上記いずれかの燃料電池において、前記イオン遮断層は、前記ガス拡散層の厚さ方向の略中央部に形成されているようにすることが好ましい。こうすることによって、ガス拡散層におけるガス拡散性と、イオンの移動の遮断性とを両立することができる。 In the present invention, since the ion blocking layer only needs to be provided in at least a part of the gas diffusion layer, for example, the entire gas diffusion layer can be configured as an ion blocking layer. However, in this case, depending on the configuration of the ion blocking layer, the gas diffusion layer may have a lower gas diffusibility than the case where the gas diffusion layer does not include the ion blocking layer, and the power generation performance of the fuel cell may be decreased. is there. Therefore, in any one of the above fuel cells, it is preferable that the ion blocking layer is formed at a substantially central portion in the thickness direction of the gas diffusion layer. By doing so, it is possible to achieve both gas diffusibility in the gas diffusion layer and ion migration blocking properties.
上記いずれかの燃料電池において、前記ガス拡散層と、前記セパレータとの間に、金属多孔体層を備えるようにしてもよい。 In any of the above fuel cells, a porous metal layer may be provided between the gas diffusion layer and the separator.
燃料電池の構成としては、ガス拡散層と、セパレータとの間に、金属多孔体からなる層をガス流路として介装する構成が知られている。このような構成を有する燃料電池では、先に説明したセパレータの腐食と同様に、金属多孔体が腐食する場合がある。本発明では、このような金属多孔体の腐食を抑制することができる。 As a configuration of a fuel cell, a configuration in which a layer made of a metal porous body is interposed as a gas flow path between a gas diffusion layer and a separator is known. In the fuel cell having such a configuration, the metal porous body may corrode in the same manner as the separator corrosion described above. In the present invention, such corrosion of the metal porous body can be suppressed.
本発明は、上述した燃料電池のアノードに用いられるガス拡散層の発明として構成することもできる。すなわち、本発明のガス拡散層は、燃料電池のアノードに用いられるガス拡散層であって、前記ガス拡散層の厚さ方向の少なくとも一部に、ガス拡散性、および、導電性を有するとともに、前記燃料電池に用いられるセパレータの腐食の原因となる所定のイオンの前記セパレータへの移動を遮断するためのイオン遮断層を備えることを要旨とする。 The present invention can also be configured as an invention of a gas diffusion layer used for the anode of the fuel cell described above. That is, the gas diffusion layer of the present invention is a gas diffusion layer used for an anode of a fuel cell, and has gas diffusibility and conductivity in at least part of the thickness direction of the gas diffusion layer, The gist of the invention is to provide an ion blocking layer for blocking the movement of predetermined ions, which cause corrosion of the separator used in the fuel cell, to the separator.
本発明のガス拡散層を燃料電池のアノードに適用することによって、先に説明した通り、燃料電池において、発電中に、燃料電池のアノードへの燃料ガスの供給が不足したときのアノード側セパレータの腐食を抑制することができる。 By applying the gas diffusion layer of the present invention to the anode of the fuel cell, as described above, in the fuel cell, during power generation, the supply of the fuel gas to the anode of the fuel cell becomes insufficient. Corrosion can be suppressed.
なお、上記ガス拡散層において、前記前記イオン遮断層は、撥水性部材を備えるようにしてもよい。こうすることによって、このガス拡散層を燃料電池のアノードに適用した場合に、先に説明した通り、撥水性材料によって、水を撥水し、イオン遮断層中に、上記イオンの移動媒体となる水が含まれないようにすることができるので、上記イオンの移動経路を、イオン遮断層によって、分断することができる。 In the gas diffusion layer, the ion blocking layer may include a water repellent member. In this way, when this gas diffusion layer is applied to the anode of a fuel cell, as described above, water is repelled by the water repellent material, and the ion transfer layer becomes the ion transfer medium in the ion blocking layer. Since water can be prevented from being contained, the ion movement path can be divided by the ion blocking layer.
また、上記いずれかのガス拡散層において、前記イオン遮断層は、水分解反応を促進する触媒を備えるようにしてもよい。こうすることによって、このガス拡散層を燃料電池のアノードに適用した場合に、先に説明した通り、イオン遮断層において、上述した水分解反応を促進させることができるので、上述したカーボン酸化を抑制することができる。 In any one of the gas diffusion layers, the ion blocking layer may include a catalyst that promotes a water splitting reaction. In this way, when this gas diffusion layer is applied to the anode of the fuel cell, as described above, the above-described water splitting reaction can be promoted in the ion blocking layer, so that the above-described carbon oxidation is suppressed. can do.
また、上記いずれかのガス拡散層において、前記イオン遮断層は、前記ガス拡散層の厚さ方向の略中央部に形成されているようにしてもよい。こうすることによって、このガス拡散層を燃料電池のアノードに適用した場合に、先に説明した通り、ガス拡散層におけるガス拡散性と、イオンの移動の遮断性とを両立することができる。 In any of the above gas diffusion layers, the ion blocking layer may be formed at a substantially central portion in the thickness direction of the gas diffusion layer. In this way, when this gas diffusion layer is applied to the anode of a fuel cell, both the gas diffusibility in the gas diffusion layer and the blocking of ion movement can be achieved as described above.
本発明は、上述の燃料電池、燃料電池のアノードに用いられるガス拡散層としての構成の他、燃料電池に用いられる膜電極接合体の発明として構成することもできる。また、燃料電池の製造方法、ガス拡散層の製造方法、膜電極接合体の製造方法の発明として構成することもできる。なお、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。 The present invention can be configured as an invention of a membrane electrode assembly used in a fuel cell in addition to the above-described configuration as a gas diffusion layer used in the fuel cell and the anode of the fuel cell. Moreover, it can also comprise as invention of the manufacturing method of a fuel cell, the manufacturing method of a gas diffusion layer, and the manufacturing method of a membrane electrode assembly. In addition, in each aspect, it is possible to apply the various additional elements shown above.
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
A.燃料電池の構成:
図1は、本発明の一実施例としての燃料電池スタック10の外観を示す斜視図である。燃料電池スタック10は、図示する通り、セル100を所定数積層して形成される。セル100の積層数は、燃料電池スタック10に要求される出力に応じて任意に設定可能である。セル100の詳細については、後述する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described based on examples.
A. Fuel cell configuration:
FIG. 1 is a perspective view showing an appearance of a
燃料電池スタック10は、一端からエンドプレート12、絶縁板16、集電板18、複数のセル100、集電板20、絶縁板22、エンドプレート14の順に積層されて構成される。エンドプレート12、14は、剛性を確保するため、鋼等の金属によって形成されている。集電板18、20は、緻密質カーボンや銅板などガス不透過な導電性部材によって形成されている。絶縁板16、22は、ゴムや樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。集電板18、20には、それぞれ出力端子19、21が設けられており、燃料電池スタック10で発電した電力を出力可能となっている。
The
一方のエンドプレート14には、燃料ガス供給口35や、燃料ガス排出口36や、酸化剤ガス供給口33や、酸化剤ガス排出口34や、冷却水供給口31や、冷却水排出口32が設けられている。燃料ガス供給口35から燃料電池スタック10に供給された燃料ガスは、エンドプレート12に向かって流れながら各セル100に分配される。各セル100に配分された燃料ガスは、図中の上方から下方にセル100内の流路を流れた後、エンドプレート14側に流れ、燃料ガス排出口36から排出される。酸化剤ガスも燃料ガスと同様に、酸化剤ガス供給口33から供給された後、エンドプレート12に向かって流れながら各セル100に分配され、各セル100内の流路を流れた後、酸化剤ガス排出口34から排出される。燃料電池スタック10の内部には、このようなガスの流れを実現できるように、複数のマニホールドが形成されている。
One
なお、図示は省略しているが、燃料電池スタック10には、スタック構造のいずれかの箇所における接触抵抗の増加等による電池性能の低下を抑制したり、ガスの漏洩を抑制したりするために、スタック構造の積層方向に、押圧力が加えられている。
Although not shown in the figure, the
B.セルの構成:
図2は、セル100の断面構造を模式的に示す説明図である。図示するように、このセル100は、膜電極接合体110の両面を、アノード側セパレータ170、および、カソード側セパレータ180で挟むことによって構成されている。膜電極接合体110は、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合したものである。膜電極接合体110については、後から詳述する。
B. Cell configuration:
FIG. 2 is an explanatory diagram schematically showing a cross-sectional structure of the
アノード側セパレータ170のアノードとの接触面は、図示するように、溝部172を備える凹凸形状を有しており、溝部172は、燃料ガスとしての水素、および、アノードから排出されるアノードオフガスが流れるガス流路を形成する。
As shown in the drawing, the contact surface of the anode-
また、カソード側セパレータ180のカソードとの接触面も、図示するように、溝部182を備える凹凸形状を有しており、溝部182は、酸化剤ガスとしての酸素を含む空気、および、カソードから排出されるカソードオフガスが流れるガス流路を形成する。
Further, the contact surface of the cathode-
なお、図示は省略しているが、アノード側セパレータ170、および、カソード側セパレータ180には、冷却水を流すための流路も形成されている。アノード側セパレータ170、および、カソード側セパレータ180の材料としては、カーボンや、金属など、導電性を有する種々の材料を適用可能である。
Although not shown, the anode-
C.膜電極接合体:
図2に示したように、膜電極接合体110は、プロトン伝導性を有する電解質膜120の一方の面に、アノードとして、アノード側触媒層130と、アノード側ガス拡散層140とを、この順に積層し、他方の面に、カソードとして、カソード側触媒層150と、カソード側ガス拡散層160とを、この順に積層することによって構成されている。本実施例では、電解質膜120として、固体高分子型の電解質膜を用いるものとした。電解質膜120として、他の電解質膜を用いるものとしてもよい。また、本実施例では、アノード側ガス拡散層140、および、カソード側ガス拡散層160として、カーボンペーパを用いるものとした。アノード側ガス拡散層140、および、カソード側ガス拡散層160として、カーボンクロス等、ガス拡散性、および、導電性を有する他の材料を用いるものとしてもよい。
C. Membrane electrode assembly:
As shown in FIG. 2, the
そして、本実施例の膜電極接合体110では、アノード側ガス拡散層140は、その厚さ方向の略中央部に、イオン遮断層144を備えている。このイオン遮断層144は、ガス拡散性、および、導電性を有するとともに、アノード側触媒層130からアノード側セパレータ170へのイオン(例えば、プロトン等)の移動を遮断する機能を有している。具体的には、本実施例におけるイオン遮断層144は、撥水性材料と、導電性材料と、水分解反応を促進する触媒(以下、水分解触媒と呼ぶ)とを含んでいる。イオン遮断層144の厚さは、任意に設定可能である。
In the
なお、撥水性材料としては、例えば、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)や、PFA(テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体)等のフッ素樹脂等を適用可能である。また、導電性材料としては、カーボンや、金属(チタン(Ti),金(Au)等)を適用可能である。また、水分解触媒としては、例えば、酸化ルテニウム(RuO2)や、酸化イリジウム(IrO2)等を適用可能である。 As the water repellent material, for example, a fluororesin such as PTFE (polytetrafluoroethylene) or PFA (tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer) can be applied. As the conductive material, carbon or metal (titanium (Ti), gold (Au), etc.) can be applied. As the water splitting catalyst, for example, ruthenium oxide (RuO 2 ), iridium oxide (IrO 2 ), or the like can be applied.
燃料電池スタック10では、先に説明したように、発電中に、アノードへの燃料ガスの供給が不足した場合には、上記式(1)で表されるカーボン酸化や、上記式(2)で表される水分解反応によって、プロトン(H+)、および、電子(e-)が生成される。そして、このプロトンは、アノード側セパレータ170の腐食の原因となる。
In the
本実施例における膜電極接合体110では、イオン遮断層144が、撥水性材料を含んでいるので、この撥水性材料によって、水を撥水し、イオン遮断層144中に、プロトンの移動媒体となる水が含まれないようにすることができる。したがって、アノード側ガス拡散層140における厚さ方向のプロトンの移動経路を、イオン遮断層144によって、分断することができる。この結果、プロトンによるアノード側セパレータ170の腐食を抑制することができる。
In the
また、イオン遮断層144が、水分解触媒を含んでいるので、イオン遮断層144において、上述した水分解反応を促進させることができる。したがって、先に説明したアノード側触媒層130におけるカーボン酸化を抑制することができる。
In addition, since the
D.膜電極接合体の製造工程:
上述した膜電極接合体110は、以下に説明する製造工程によって製造することができる。図3は、膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)110の製造工程の一例を示す説明図である。
D. Manufacturing process of membrane electrode assembly:
The
まず、電解質膜120の両面に、アノード側触媒層130、および、カソード側触媒層150を形成する(ステップS100)。本実施例では、電解質膜120の両面に、それぞれアノード用触媒インク、および、カソード用触媒インクを塗布して乾燥させることによって、アノード側触媒層130、および、カソード側触媒層150を形成するものとした。アノード用触媒インク、および、カソード用触媒インクは、それぞれ、白金(Pt)等の水素と酸素との電気化学反応を促進する触媒金属を担持したカーボンと、電解質溶液としてのナフィオン分散溶液(ナフィオンは登録商標)と、溶媒(例えば、水、エタノール、ポリエチレングリコール)とを混合したものである。これらの混合割合は、任意に設定可能である。
First, the anode
次に、アノード側ガス拡散層140を製造する(ステップS110)。この工程では、まず、アノード側ガス拡散層140の基材となるカーボンペーパ142の一方の表面に、イオン遮断層形成溶液を塗布する(ステップS112)。本実施例におけるイオン遮断層形成溶液は、撥水性材料と、水分解触媒を担持したカーボンと、溶媒とを混合したものである。これらの混合割合は、任意に設定可能である。
Next, the anode side
そして、このイオン遮断層形成溶液を塗布したカーボンペーパ142上に、さらに、カーボンペーパ146を重ね合わせて、熱処理を施し、これらを接合する(ステップS114)。これらの工程によって、カーボンペーパ142と、カーボンペーパ146との間に、イオン遮断層144が形成されたアノード側ガス拡散層140を製造することができる。
Then, the
次に、アノード側触媒層130、および、カソード側触媒層150の表面に、それぞれ上述したアノード側ガス拡散層140、および、カソード側ガス拡散層160を、ホットプレスによって接合する(ステップS120)。
Next, the anode-side
以上の製造工程によって、膜電極接合体110を製造することができる。さらに、この膜電極接合体110を、アノード側セパレータ170、および、カソード側セパレータ180を介在させて、複数積層することによって、燃料電池スタック10を製造することができる。
The
以上説明した本実施例の燃料電池スタック10によれば、各セル100のアノード側ガス拡散層140が、イオン遮断層144を備えているので、このイオン遮断層144によって、アノード側セパレータ170を腐食させる原因となるプロトンが、カーボンペーパ146とアノード側セパレータ170との接触部に移動することを防止することができる。したがって、各セル100において、発電中に、アノードへの燃料ガスの供給が不足したときのアノード側セパレータ170の腐食を抑制することができる。
According to the
E.変形例:
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
E. Variation:
As mentioned above, although several embodiment of this invention was described, this invention is not limited to such embodiment at all, and implementation in various aspects is possible within the range which does not deviate from the summary. It is. For example, the following modifications are possible.
E1.変形例1:
上記実施例では、膜電極接合体110は、アノード側ガス拡散層140の略中央部にイオン遮断層144を備えるものとしたが、本発明は、これに限られない。本発明は、一般に、アノード側ガス拡散層140の厚さ方向の少なくとも一部に、イオン遮断層144を備えるようにすればよい。なお、イオン遮断層144の構成によっては、アノード側ガス拡散層140がイオン遮断層144を備えない場合と比較して、アノード側ガス拡散層140のガス拡散性を低下させ、燃料電池スタック10の発電性能を低下させる場合がある。したがって、上記実施例のように、イオン遮断層144は、アノード側ガス拡散層140の厚さ方向の略中央部に形成されているようにすることが好ましい。
E1. Modification 1:
In the above embodiment, the membrane /
E2.変形例2:
上記実施例では、イオン遮断層144は、アノード側ガス拡散層140におけるプロトンの移動を遮断するものとして説明したが、プロトン以外の、アノード側セパレータ170を腐食させる原因となる他のイオン、電解質膜120から溶出するイオン等、他の種々のイオンを遮断することも可能である。
E2. Modification 2:
In the above embodiment, the
E3.変形例3:
上記実施例では、イオン遮断層144は、水分解触媒を備えるものとしたが、本発明は、これに限られず、水分解触媒を備えないものとしてもよい。この場合、アノード側触媒層130や、アノード側ガス拡散層140のカーボンペーパ142が、水分解触媒を備えるようにすることが好ましい。こうすることによっても、発電中に、アノードへの燃料ガスの供給が不足したときに、先に説明した水分解反応によって、プロトン、および、電子を生成することができるので、アノード側触媒層130のカーボン酸化を抑制することができる。
E3. Modification 3:
In the said Example, although the ion interruption | blocking
E4.変形例4:
上記実施例では、セル100は、膜電極接合体110の両面を、アノード側セパレータ170、および、カソード側セパレータ180で挟むことによって構成されているものとしたが、本発明は、これに限られない。セルは、膜電極接合体110と、アノード側セパレータ170、カソード側セパレータ180との間に、金属多孔体層を介装する構成としてもよい。この場合、先に説明した実施例と同様に、金属多孔体層の腐食を抑制することができる。
E4. Modification 4:
In the above embodiment, the
10…燃料電池スタック
12,14…エンドプレート
16,22…絶縁板
18,20…集電板
19…出力端子
31…冷却水供給口
32…冷却水排出口
33…酸化剤ガス供給口
34…酸化剤ガス排出口
35…燃料ガス供給口
36…燃料ガス排出口
100…セル
110…膜電極接合体
120…電解質膜
130…アノード側触媒層
140…アノード側ガス拡散層
142…カーボンペーパ
144…イオン遮断層
146…カーボンペーパ
150…カソード側触媒層
160…カソード側ガス拡散層
170…アノード側セパレータ
172…溝部
180…カソード側セパレータ
182…溝部
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記アノードは、
前記電解質膜に接合され、前記燃料電池における電気化学反応を促進するための触媒層と、
前記触媒層に接合され、前記燃料電池の外部から供給された燃料ガスを拡散させつつ、前記触媒層に供給するためのガス拡散層と、を備え、
前記ガス拡散層は、前記ガス拡散層の厚さ方向の少なくとも一部に、ガス拡散性、および、導電性を有するとともに、前記セパレータの腐食の原因となる所定のイオンの、前記触媒層から前記セパレータへの移動を遮断するためのイオン遮断層を備える、
燃料電池。 A fuel cell in which a membrane electrode assembly formed by bonding an anode and a cathode respectively to both surfaces of an electrolyte membrane is sandwiched by separators,
The anode is
A catalyst layer joined to the electrolyte membrane for promoting an electrochemical reaction in the fuel cell;
A gas diffusion layer for joining the catalyst layer and supplying the catalyst layer while diffusing the fuel gas supplied from the outside of the fuel cell;
The gas diffusion layer has gas diffusibility and conductivity in at least a part of the thickness direction of the gas diffusion layer, and has a predetermined ion that causes corrosion of the separator from the catalyst layer. An ion blocking layer for blocking movement to the separator;
Fuel cell.
前記前記イオン遮断層は、撥水性材料を備える、
燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein
The ion blocking layer comprises a water repellent material.
Fuel cell.
前記イオン遮断層は、水分解反応を促進する触媒を備える、
燃料電池。 The fuel cell according to claim 1 or 2,
The ion blocking layer includes a catalyst that promotes a water splitting reaction,
Fuel cell.
前記イオン遮断層は、前記ガス拡散層の厚さ方向の略中央部に形成されている、
燃料電池。 A fuel cell according to any one of claims 1 to 3,
The ion blocking layer is formed at a substantially central portion in the thickness direction of the gas diffusion layer,
Fuel cell.
前記ガス拡散層と、前記セパレータとの間に、金属多孔体層を備える、
燃料電池。 A fuel cell according to any one of claims 1 to 4,
A porous metal layer is provided between the gas diffusion layer and the separator.
Fuel cell.
前記ガス拡散層の厚さ方向の少なくとも一部に、ガス拡散性、および、導電性を有するとともに、前記燃料電池に用いられるセパレータの腐食の原因となる所定のイオンの前記セパレータへの移動を遮断するためのイオン遮断層を備える、
ガス拡散層。 A gas diffusion layer used for an anode of a fuel cell,
At least a part of the gas diffusion layer in the thickness direction has gas diffusibility and conductivity, and blocks movement of predetermined ions that cause corrosion of the separator used in the fuel cell to the separator. An ion blocking layer for
Gas diffusion layer.
前記前記イオン遮断層は、撥水性材料を備える、
ガス拡散層。 The gas diffusion layer according to claim 6,
The ion blocking layer comprises a water repellent material.
Gas diffusion layer.
前記イオン遮断層は、水分解反応を促進する触媒を備える、
ガス拡散層。 The gas diffusion layer according to claim 6 or 7,
The ion blocking layer includes a catalyst that promotes a water splitting reaction,
Gas diffusion layer.
前記イオン遮断層は、前記ガス拡散層の厚さ方向の略中央部に形成されている、
ガス拡散層。 A gas diffusion layer according to any one of claims 6 to 8,
The ion blocking layer is formed at a substantially central portion in the thickness direction of the gas diffusion layer,
Gas diffusion layer.
前記アノードは、
前記電解質膜に接合され、前記燃料電池における電気化学反応を促進するための触媒層と、
前記触媒層に接合され、前記燃料電池の外部から供給された燃料ガスを拡散させつつ、前記触媒層に供給するためのガス拡散層と、を備え、
前記ガス拡散層は、請求項6ないし9のいずれかに記載のガス拡散層である、
膜電極接合体。 A membrane electrode assembly used for a fuel cell and having an anode and a cathode joined to both surfaces of an electrolyte membrane,
The anode is
A catalyst layer joined to the electrolyte membrane for promoting an electrochemical reaction in the fuel cell;
A gas diffusion layer for joining the catalyst layer and supplying the catalyst layer while diffusing the fuel gas supplied from the outside of the fuel cell;
The gas diffusion layer is the gas diffusion layer according to any one of claims 6 to 9.
Membrane electrode assembly.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007132713A JP2008288068A (en) | 2007-05-18 | 2007-05-18 | Fuel cell, anode of fuel cell, and membrane electrode assembly |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2016514346A (en) * | 2013-02-21 | 2016-05-19 | ソルビコア・ゲーエムベーハー・ウント・コ・カーゲー | Barrier layer for preventing corrosion in electrochemical devices |
JP2019133846A (en) * | 2018-01-31 | 2019-08-08 | 株式会社豊田中央研究所 | Fuel cell |
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2007
- 2007-05-18 JP JP2007132713A patent/JP2008288068A/en active Pending
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