JP2009043689A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池に関し、特に、煙突効果を利用して、空気流路に十分な空気が取り込まれ、高い出力密度を得ることができる燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a fuel cell in which sufficient air is taken into an air flow path and a high power density can be obtained using a chimney effect.
燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと空気などの酸素を含む酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、燃料ガスの持つ化学的エネルギを電気的エネルギに変換する装置である。 A fuel cell is a device that converts chemical energy of a fuel gas into electrical energy by causing an electrochemical reaction between a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen such as air.
燃料電池の構成として、従来よりパッシブ型とアクティブ型の2種類が提案されている。パッシブ型は酸素の供給にポンプやブロアなどの動力機構を用いず、拡散現象によって、空気を供給する方式である。一方、アクティブ型は、酸化剤ガスの導入に輸送動力を積極的に用いる方式である。パッシブ型とアクティブ型を比較すると、前者は、空気の導入に動力機構を用いないので、システム構造は簡単であり、発電効率は高くなるという特徴を有している。 Conventionally, two types of fuel cell configurations, a passive type and an active type, have been proposed. The passive type is a method of supplying air by a diffusion phenomenon without using a power mechanism such as a pump or a blower for supplying oxygen. On the other hand, the active type is a system that positively uses transport power to introduce the oxidant gas. Comparing the passive type and the active type, the former does not use a power mechanism for introducing air, so the system structure is simple and the power generation efficiency is high.
図5を参照して、従来のパッシブ型燃料電池200における空気の供給について説明する。図5(a)は、従来のパッシブ型燃料電池200を示す図であり、(b)は、(a)に示すパッシブ型燃料電池200の空気供給部の構成を模式的に示す図である。図5に示すように、従来のパッシブ型燃料電池200では、膜−電極接合体201を支持する一対のプレート202,203のうち、酸化剤電極層側のプレート202に、上方に向けて開放された空気供給穴205が設けられている。よって、発電により空気が消費されると、自然拡散により空気供給穴205内に空気が取り込まれ、膜−電極接合体201に空気が供給される(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、従来のパッシブ型燃料電池では、十分な空気が供給できず、出力密度が小さいという問題点があった。特に、高負荷の出力が要求される場合、より多量の空気を要するので、このような問題点が顕著となる。 However, the conventional passive fuel cell has a problem that sufficient air cannot be supplied and the output density is low. In particular, when a high load output is required, a larger amount of air is required, so that such a problem becomes remarkable.
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、特に、煙突効果を利用して、空気流路に十分な空気が取り込まれ、高い出力密度を得ることができる燃料電池を提供することを目的としている。 The present invention has been made to solve the above problems, and in particular, provides a fuel cell in which sufficient air is taken into the air flow path and high power density can be obtained by utilizing the chimney effect. The purpose is to do.
この目的を達成するために、請求項1記載の燃料電池は、固体高分子電解質の両側を、反応層と拡散層とからなる燃料電極層および酸化剤電極層で挟持した膜電極接合体を有するものであって、前記膜電極接合体の両側に配置され、燃料流路が形成された燃料電極層側プレートと、空気流路が形成された酸化剤電極層側プレートとを備え、前記空気流路は、前記酸化剤電極層の表面に対して略垂直にプレートを貫通して形成されており、前記酸化剤電極層側プレートに、一方の開口が外部に開放され、他方の開口が前記空気流路の前記酸化剤電極層の近傍に連通する空気導入路が形成されていることを特徴とする。
To achieve this object, the fuel cell according to
請求項2記載の燃料電池は、請求項1記載の燃料電池において、前記空気流路の開口径が、前記空気導入路の開口径よりも大となるように構成されていることを特徴とする。
The fuel cell according to claim 2 is characterized in that, in the fuel cell according to
請求項3記載の燃料電池は、請求項1または2に記載の燃料電池において、前記空気流路は、前記酸化剤電極層の表面に対して略垂直な方向の距離が、その空気流路の開口径の2倍以上となるように構成されていることを特徴とする。 The fuel cell according to claim 3 is the fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the air flow path has a distance in a direction substantially perpendicular to the surface of the oxidant electrode layer. It is configured to be at least twice the opening diameter.
請求項4記載の燃料電池は、請求項1から3のいずれかに記載の燃料電池において、前記空気導入路は、外部に開放された開口から前記空気流路までの距離が、前記酸化剤電極層の表面に対して略垂直な方向における前記空気流路の距離よりも小となるように構成されていることを特徴とする。
The fuel cell according to claim 4 is the fuel cell according to any one of
請求項5記載の燃料電池は、請求項1から4のいずれかに記載の燃料電池において、前記空気流路および前記空気導入路は、円筒状に構成されていることを特徴とする。
The fuel cell according to claim 5 is the fuel cell according to any one of
請求項6記載の燃料電池は、請求項1から5のいずれかに記載の燃料電池において、前記空気導入路の開口は、前記酸化剤電極層側プレートの端面に設けられることを特徴とする。
The fuel cell according to claim 6 is the fuel cell according to any one of
請求項1記載の燃料電池によれば、煙突効果を利用して、空気流路に十分な空気が取り込まれ、高い出力密度が得られるという効果がある。すなわち、発電の際に生じた熱により温められた空気は、酸化剤電極層側プレートを貫通する空気流路内を通過し、排出されるので、空気流路内に負圧が発生する。よって、一方の開口が外部に開放され他方の開口が空気流路の酸化剤電極層の近傍に連通する空気導入路を通って、空気流路に多量の空気が取り込まれるのである。 According to the fuel cell of the first aspect, there is an effect that sufficient air is taken into the air flow path by using the chimney effect and a high output density is obtained. That is, the air heated by the heat generated during power generation passes through the air flow path penetrating the oxidant electrode layer side plate and is discharged, so that a negative pressure is generated in the air flow path. Therefore, a large amount of air is taken into the air flow path through the air introduction path where one opening is opened to the outside and the other opening communicates with the oxidant electrode layer in the air flow path.
請求項2記載の燃料電池によれば、請求項1記載の燃料電池の奏する効果に加え、空気流路はその開口径が、空気導入路の開口径よりも大となるように構成されているので、酸化剤電極層側プレート近傍で温められた空気は、空気流路の開口から効率良く排気され、空気流路に大量の空気を取り込むことができるという効果がある。なお、『開口径』とは、開口縁上に両端を有する線分の長さのうち、最大のものをいう。 According to the fuel cell of the second aspect, in addition to the effect achieved by the fuel cell of the first aspect, the air flow path is configured such that the opening diameter thereof is larger than the opening diameter of the air introduction path. Therefore, the air heated in the vicinity of the oxidant electrode layer side plate is efficiently exhausted from the opening of the air channel, and there is an effect that a large amount of air can be taken into the air channel. The “opening diameter” means the maximum length of line segments having both ends on the opening edge.
請求項3記載の燃料電池によれば、請求項1または2に記載の燃料電池の奏する効果に加え、空気流路は、酸化剤電極層の表面に対して略垂直な方向の距離、すなわち空気流路の配管長が、その空気流路の開口径の2倍以上となるように構成されているので、より効率良く空気が取り込まれるという効果がある。煙突効果は、空気を排気する煙突部(空気流路に相当)の配管長が長いほど、よりその効果が高まるからである。
According to the fuel cell of claim 3, in addition to the effect of the fuel cell of
請求項4記載の燃料電池によれば、請求項1から3のいずれかに記載の燃料電池の奏する効果に加え、空気導入路は外部に開放された開口から空気流路までの距離、すなわち空気導入路の配管長が、酸化剤電極層の表面に対して略垂直な方向における空気流路の距離、すなわち空気流路の配管長よりも小となるように構成されているので、吸入の圧力損失が低減され、より効率良く、空気流路へ空気が取り込まれるという効果がある。
According to the fuel cell of claim 4, in addition to the effect of the fuel cell according to any one of
請求項5記載の燃料電池によれば、請求項1から4のいずれかに記載の燃料電池の奏する効果に加え、空気流路および空気導入路は円筒状に構成されているので、圧力損失が低減され、より効率良く空気が取り込まれるという効果がある。 According to the fuel cell of the fifth aspect, in addition to the effect exhibited by the fuel cell according to any one of the first to fourth aspects, the air flow path and the air introduction path are configured in a cylindrical shape, so that the pressure loss is reduced. There is an effect that air is taken in more efficiently.
請求項6記載の燃料電池によれば、請求項1から5のいずれかに記載の燃料電池の奏する効果に加え、空気導入路の開口は、酸化剤電極層側プレートの端面に設けられるので、空気導入路の開口と、空気流路の開口との間の距離を大きくとることができ、より効率よく空気が取り込まれるという効果がある。 According to the fuel cell of the sixth aspect, in addition to the effect exhibited by the fuel cell according to any one of the first to fifth aspects, the opening of the air introduction path is provided on the end surface of the oxidant electrode layer side plate. The distance between the opening of the air introduction path and the opening of the air flow path can be increased, and there is an effect that air is taken in more efficiently.
以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照して説明する。図1は、本発明の実施形態における燃料電池単層セル10(以下、燃料電池10という)を模式的に示す斜視図である。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a perspective view schematically showing a fuel cell single-layer cell 10 (hereinafter referred to as a fuel cell 10) in an embodiment of the present invention.
図1を参照して、燃料電池10の概略構成について説明する。燃料電池10は、燃料電極層側プレート11と酸化剤電極層側プレート12とからなる一対のプレート11,12と、絶縁材19とが設けられている。なお、図2を参照して説明するように、一対のプレート11,12間には、膜電極接合体13(以下、MEA13と称する)が介在させられている。そして、絶縁材19がMEA13端部を取り囲むように設けられている。
A schematic configuration of the
図1に示すように、平面視において長方形状のプレート11,12の縁部には、ボルト挿通穴20が設けられている。そして、このボルト挿通穴20に挿通された締付ボルトがナットに螺合されることにより、一対のプレート11,12が挟圧されて、プレート11,12間に介在させられたMEA13は厚み方向に押圧される。これにより、接触抵抗を低減することができる。
As shown in FIG. 1,
なお、一対のプレート11,12が対向する方向を、以下、燃料電池10の上下方向と称し、一対のプレート12の平面視における長手方向を、以下、燃料電池10の縦方向と称し、一対のプレート12の平面視における長手方向に垂直な方向を、以下、燃料電池10の横方向と称する。燃料電池10は、酸化剤電極層側プレート12の外側の面を上方へ向けて使用される。
The direction in which the pair of
図1に示すように、酸化剤電極層側プレート12上面12aには、空気流路31の上端の開口31aが、縦方向および横方向に所定ピッチで整列して配設される。一方、酸化剤電極層側プレート12端面12cには空気導入路32の開口32aが設けられている。燃料電池10は、酸化剤電極層側プレート12に設けられた空気流路31内で生じる煙突効果を利用して、内部に十分な空気を取り込み、高い出力密度が得られるように構成されている。
As shown in FIG. 1, the
図2(a),図2(b)を参照して、酸化剤電極層極側プレート12に設けられた、空気流路31および空気導入路32について説明する。図2(a)は、図1を参照して説明した燃料電池10の一部を拡大して模式的に示す平面図と断面図である。
With reference to FIG. 2A and FIG. 2B, the
図2(a)に示すように、燃料電極層側プレート11は、複数の板状部材が積層されて構成されている。この燃料極層側プレート11には、MEA13へ燃料ガスを供給するための燃料流路が形成されているが、図示および説明を省略する。燃料ガスとしては、水素、或いは水素を含むガスが用いられる。一方、酸化剤ガスとしては、上述したように、空気流路31を介して空気が供給される。燃料ガスおよび空気を、反応ガスと称する。
As shown in FIG. 2A, the fuel electrode
酸化剤電極層側プレート12には、多数の空気流路31と空気導入路32とが設けられている。空気流路31は、酸化剤電極層側プレート12の上面12aから下面12bまで、酸化剤電極層16(図3参照)の表面に対して略垂直な方向に連通する孔であり、縦方向および横方向に所定ピッチで整列して配設されている。一方、空気導入路32は、外部に開放された開口32aを有し、空気流路31に連通する。
The oxidant electrode
図2(b)を参照して、煙突効果による空気の流れについて説明する。図2(b)は、空気流路31および空気導入路32を模式的に示す断面図である。図2(b)に示すように、MEA13における発電により熱が発生すると、その熱により温められた空気は、空気流路31内を上昇し、外部へ開放された上端の開口31aから排出されるので、空気流路31内に負圧が発生する。よって、空気流路31に連通する空気導入路32を通って、空気流路31に多量の空気が取り込まれる。したがって、燃料電池10によれば、高負荷の出力が可能であり、高い出力密度が得られる。
With reference to FIG.2 (b), the flow of the air by a chimney effect is demonstrated. FIG. 2B is a cross-sectional view schematically showing the
再び図2(a)を参照し、空気流路31および空気導入路32のより詳細な構成を説明する。図2(a)に示すように、酸化剤電極層側プレート12は、MEA13の酸化剤電極層16(図3参照)に当接する集電板121と、その集電板121に当接する絶縁板122と、その絶縁板122に当接するエンドプレート123とが厚み方向に積層されて構成されている。この集電板121がMEA13と当接する面が、酸化剤電極層側プレート12の下面12bを構成する。
With reference to FIG. 2A again, more detailed configurations of the
また、上述したように、酸化剤電極層プレート12は、燃料電極層側プレート11と締結されるので、強度を持たせるために、エンドプレート123は、例えば、ジュラルミンで構成されると共に、十分な厚みを有している。この酸化剤電極層プレート12の外側の面(すなわち、絶縁板122と当接する面と反対側の面)が、酸化剤電極層側プレート12の上面12aを構成する。なお、この酸化剤電極層側プレート12には、上記集電板121、絶縁板122、エンドプレート123の他の部材が積層されていても良い。
Further, as described above, since the oxidant
ここで図2(a)に示すように、空気導入路32は、集電板121および絶縁板122の高さにおいて、これらを横断または縦断するように設けられている。このため、図2(b)に示すように、MEA13の酸化剤電極層16(図3参照)近傍において、空気導入路32が空気流路31に連通することとなり、MEA13の酸化剤電極層16(図3参照)へ効率良く空気が供給される。
Here, as shown in FIG. 2A, the
また、空気導入路32は、酸化剤電極層側プレート12の端面12cの開口32aから空気流路31まで、酸化剤電極層側プレート12の厚み方向に垂直な方向に直線状に連通しているので、圧力損失を低減し、より多くの空気を空気流路に取り込むことができる。
The
また、空気導入路32の開口32aは、酸化剤電極層プレート12の端面12c(図1参照)に設けられている。このようにすれば、空気導入路の開口32aと、空気流路の開口31aとの間の距離を大きくとることができ、より高い効果が得られる。
The
ここで、空気導入路32は、酸化剤電極層側プレート12の縦方向に対向する一方の端面12cから他方の端面12cまで連通するように配設され、且つ、酸化剤電極層側プレート12の横方向に対向する一対の端面12cから他方の端面12cまで連通するように配設される。すなわち、空気導入路32は、酸化剤電極層側プレート12の平面視において、格子状に設けられている。そして、2本の空気導入路32の交差部において、空気流路31と空気導入路32とが連通する。このようにすれば、1の空気流路31に少なくとも2本の空気導入路32が連通させられることとなり、空気流路31に多量の空気が効率良く取り込まれる。
Here, the
また、空気流路31および空気導入路32は、空気流路31の開口31aの径(以下、開口径D31と称す)が、空気導入路32の開口32aの径(以下、開口径D32と称す)よりも大となるように構成されている。よって、酸化剤電極層側プレート12近傍で温められた空気は、空気流路31の開口31aから効率良く排気され、空気流路31に大量の空気を取り込むことができるのである。ここで、空気流路31の開口径D31が、空気導入路32の開口径D32の2倍以上となるように構成すると、より顕著な効果を得ることができる。
The
また、酸化剤電極層16の表面に対し垂直な方向における空気流路31の長さ(以下、空気流路31の配管長L31と称する)は、その空気流路31の開口径D31の2倍以上となるように構成されている。煙突効果は、空気を排気する煙突部(空気流路31に相当)の配管長が長いほど、よりその効果が高まるので、このように構成することにより、空気流路31へ空気を取り込む効果をより高めることができる。
The length of the
また、空気導入路32は、その開口32aから空気流路31までの距離(以下、空気導入路32の配管長L32と称する)が、空気流路31の配管長L31よりも小となるように構成されている。よって、吸入の圧力損失が低減され、効率良く、空気流路31へ空気が取り込まれる。
Further, the
また、空気流路31および空気導入路32は、円筒状に構成されている。よって、より圧力損失が低減され、効率良く空気が取り込まれる。
The
なお、上述したように、接触抵抗を低減するために、一対のプレート11,12は、MEA13が厚み方向に押圧されるように、相互に連結される。よって一対のプレート11,12は、強度を得るために厚みが大とされる。このような酸化剤電極層側プレート12を厚み方向に貫通するように空気流路31を設けると、その空気流路31の配管長L31は大となるので、より煙突効果が高まり、多くの空気を空気流路に取り込むことができる。
As described above, in order to reduce the contact resistance, the pair of
図3は、MEA13の要部を模式的に示す断面図である。図3に示すように、MEA13は、高分子電解質膜17が酸化剤電極層16と燃料電極層18との間に介在させられた状態で積層されることにより構成されている。
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the main part of the
図3に示すように、MEA13は、高分子電解質膜17と、その高分子電解質膜17の一方の面に当接する酸化剤電極層16と、高分子電解質膜17の他方の面に当接する燃料電極層18とが設けられている。
As shown in FIG. 3, the
高分子電解質膜17は、ナフィオン(登録商標)で構成される。なお、高分子電解質膜としては、耐食性、耐熱性、耐久性に優れた物質であって、燃料と酸化剤とを分離する機能を有すると共に、燃料電極層で生成される水素イオンを酸化剤電極層まで移送する機能を有する膜が用いられる。例えば、パーフルオロスルホン酸イオン交換膜、炭化水素系固体電解質膜などが用いられる。
The
酸化剤電極層16は、反応層161と、拡散層162とから構成され、燃料電極層18は、反応層181と拡散層182とから構成される。なお、反応層161,181は、触媒活性を有する物質を含む層であり、拡散層162,182は反応ガスの拡散を促す層であるが、酸化剤電極層16および燃料電極層18は、これら反応層、拡散層以外の層がさらに加えられて構成されていても良い。
The
酸化剤電極層16の拡散層162は、ガス拡散が可能なカーボン製の織物やカーボン製の紙等からなる拡散層基材162aの両面に、カーボン粉末と撥水性樹脂とを含む多孔性の第1マイクロポーラス層162b及び第2マイクロポーラス層162cが形成されている。また、第1マイクロポーラス層162b側に白金触媒が担持されたカーボンとナフィオンイオノマーとを含有する反応層161が形成される。
The
燃料電極層18の拡散層182も同様に、ガス拡散が可能なカーボン製の織物やカーボン製の紙等からなる拡散層基材182aの両面に、カーボン粉末と撥水性樹脂とを含む多孔性の第1マイクロポーラス層182b及び第2マイクロポーラス層182cが形成されている。また、第1マイクロポーラス層182b側に白金触媒が担持されたカーボンとナフィオンイオノマーとを含有する反応層181が形成される。
Similarly, the
拡散層基材162a,182aとしては、例えば、カーボンクロス、カーボンペーパー、カーボン繊維からなる不織布等を用いることができる。また、第1マイクロポーラス層162b,182b、および第2マイクロポーラス層162c,182cとしては、撥水性樹脂粉末と、カーボン粉末とを混合して用いることができる。撥水性樹脂粉末として具体的には、フルオロカーボン系ポリマー(例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン/ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、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(PFA)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリフッ化ビニル(PVF)、エチレン/テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、エチレン/クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)等)とが挙げられる。また、カーボン粉末としては、例えばカーボンブラック、黒鉛粉、カーボンナノファイバー、ファーネスブラック、アセチレンブラック等が挙げられる。
As the diffusion
以上のように構成された燃料電池10では、酸化剤電極層16の拡散層162は、酸化剤電極層側プレート12に設けられた空気流路31によって空気に晒されるが、反応層161で生成した水は拡散層162内に吸い出され、拡散層162内に保持される。このため、水は拡散層162に保持され、空気中へ蒸発して持ち去れる量が少なくなる。よって、外部加湿に頼らずに、高分子電解質膜17、酸化剤電極層16の乾燥およびそれに伴う内部抵抗の増大を抑制することができる。その結果、空気供給用の補機を備えない燃料電池であっても、出力密度を向上させることができる。
In the
特に、酸化剤電極層16側の拡散層基材162aの反応層161側に、拡散層基材162aよりもはるかに小さな細孔径を有する第1マイクロポーラス層162bが設けられているので、水蒸気が透過しやすく、液体水は透過し難い。よって、酸化ガスの拡散を妨げる過剰な水を拡散層基材162aに排出でき、且つ、MEA13の乾燥を防ぐことができる。
In particular, since the
また、第2マイクロポーラス層162cも、拡散層基材162aによりもはるかに小さい細孔径を有するので、ガスを通して液体を実質的には通さず、拡散層基材162a内の水は、水蒸気の状態でしか空気流路31側(図1参照)へ移動することができない。このため、反応層で生成した水を拡散層基材162aに吸い出し、保持することができ、反応層161が乾燥した際には、保持している水を供給することができる。このため、MEA13の乾燥を高度に防ぐことができる。
Further, since the
さらに、燃料電極層18側にも、酸化剤電極層16と同様の第1マイクロポーラス層182bおよび第2マイクロポーラス層182cが形成されている。このため、酸化剤電極層16側のみならず、酸化剤電極層16から燃料電極層18へ逆拡散した水が、燃料ガス中へ蒸発して持ち去られる量が少なくなり、MEA13の乾燥をさらに高度に防ぐことができる。
Further, the
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。 As described above, the present invention has been described based on the embodiments, but the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various improvements and modifications can be easily made without departing from the spirit of the present invention. It can be guessed.
例えば、本発明は、燃料ガスを供給する固体高分子型燃料電池(PEFC)にも適用可能であるし、メタノールから直接発電するダイレクトメタノール燃料電池(DMFC)にも適用可能である。 For example, the present invention can be applied to a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) that supplies fuel gas, and can also be applied to a direct methanol fuel cell (DMFC) that directly generates power from methanol.
また例えば、上記実施形態では、空気流路31の開口径D31、配管長L31、および空気導入路32の開口径D32、配管長L32の大小関係の一例を説明したが、本発明はこの例に限定されるものではなく、空気流路31および空気導入路32に関するこれらの具体的値は、燃料電池の運転条件に応じて適宜設計することが可能である。ここでいう運転条件とは、例えば、燃料電池10に必要な空気量、燃料電池10の発熱量などに関する条件である。高電流密度での運転を想定している場合、必要な空気量が大となる。よって、このような場合、エンドプレート123の厚みを増大させ、空気流路31の配管長L31を大とすることにより、より多量の空気を取り込むことができるように、設計を変更しても良い。
Further, for example, in the above-described embodiment, an example of the size relationship between the opening diameter D 31 of the
また、上記実施形態では、一対のプレート11,12の平面視における形状が、長方形であるものとして説明したが、他の形状でも良い。
Moreover, although the shape in planar view of a pair of
以下、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に基づいて限定されるものではない。
(実施例1)
ポリテトラフルオロエチレンの微粉末をカーボンブラック粉末(一次粒子径16nm)に対して35重量部%となるように混合し、その後、平織りのカーボンクロスを用意し、上記の溶着した自立膜2枚で挟んで345℃で熱圧着させて一体化した。
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated in detail based on an Example, this invention is not limited based on these Examples.
Example 1
A fine powder of polytetrafluoroethylene is mixed with the carbon black powder (
次に、市販の白金担持カーボン(白金含有量60wt%)1gに、ナフィオン(登録商標)溶液(5wt%水/イソプロパノール溶液)2g〜200gを加え、ハイブリッドミキサーで攪拌し、触媒ペーストとし、上記の方法によって一体化した膜の表面にPt担持量が0.01〜2mg/cm2となるように印刷して、乾燥し、反応層付拡散層を得た。 Next, 2 g to 200 g of Nafion (registered trademark) solution (5 wt% water / isopropanol solution) is added to 1 g of commercially available platinum-supporting carbon (platinum content 60 wt%), and stirred with a hybrid mixer to obtain a catalyst paste. The surface of the film integrated by the method was printed so that the amount of Pt supported was 0.01 to 2 mg / cm 2 and dried to obtain a diffusion layer with a reaction layer.
なお、拡散層の上に印刷して反応層を形成する替わりに、ポリテトラフルオロエチレン製のシート上に上記触媒ペーストを印刷し、乾燥後、剥離させて自立した反応層膜を作製し、これを拡散層と熱圧着させて反応層付拡散層を形成しても良い。 Instead of printing on the diffusion layer to form the reaction layer, the catalyst paste is printed on a polytetrafluoroethylene sheet, dried and then peeled to produce a self-supporting reaction layer film. May be thermocompression-bonded with the diffusion layer to form a diffusion layer with a reaction layer.
以上のようにして作製した反応層付拡散層を、酸化剤電極層16および燃料電極層18として用意し、ナフィオン(登録商標)からなる高分子電解質膜の両側から反応層で挟み、ホットプレスによって圧着した。さらに、これをMEA13として用いて、その外側に燃料電極層側プレート11、酸化剤電極層側プレート12を設けて、実施例1の燃料電池10を作製した。
The diffusion layer with a reaction layer produced as described above is prepared as an
なお、酸化剤電極層側プレート12には、空気流路31および空気導入路32が設けられている。
(比較例)
比較例は、酸化剤電極層側プレートとして、空気流路31は設けられているが、空気導入路32が設けられていないものを用いて、燃料電池を構成した。その他は実施例1の燃料電池10と同様であり、説明を省略する。
<評価>
こうして作製した実施例1及び比較例の燃料ガス流路に、水素ガス供給装置を接続して、水素ガス供給装置から乾燥した水素ガスを導入し、セル電圧を測定した。なお、上述したように、酸化剤電極層へは、ポンプやブロアーのような補機を用いず、自然拡散または自然対流により空気を供給した。
The oxidant electrode
(Comparative example)
In the comparative example, as the oxidant electrode layer side plate, a fuel cell was configured using a plate provided with the
<Evaluation>
A hydrogen gas supply device was connected to the fuel gas passages of Example 1 and the comparative example manufactured in this way, and dried hydrogen gas was introduced from the hydrogen gas supply device, and the cell voltage was measured. As described above, air was supplied to the oxidizer electrode layer by natural diffusion or natural convection without using an auxiliary machine such as a pump or blower.
図4は、実施例1および比較例の燃料電池の通電電流とセル電圧との関係を示すグラフである。図4において、横軸は燃料電池の通電電流を示し、縦軸は測定したセル電圧を示す。図4に示すように、実施例1は、高電流においても電圧低下が少ないのに対し、比較例では、実施例1に比較して、高電流側で大きく電圧が低下している。これは、比較例1では、高電流側で空気供給不足が生じ、その結果、電圧が大きく低下するのに対し、実施例1では、煙突効果により空気の供給が促進されているので、空気供給不足による電圧低下が生じ難いからである。以上の結果から、実施例1の燃料電池では、煙突効果を利用して、空気流路に十分な空気が取り込まれ、高い出力密度が得られることが分かった。 FIG. 4 is a graph showing the relationship between the energization current and the cell voltage of the fuel cells of Example 1 and Comparative Example. In FIG. 4, the horizontal axis indicates the energization current of the fuel cell, and the vertical axis indicates the measured cell voltage. As shown in FIG. 4, the voltage drop in Example 1 is small even at a high current, whereas the voltage in the comparative example is greatly reduced on the high current side as compared with Example 1. This is because, in Comparative Example 1, air supply shortage occurs on the high current side, and as a result, the voltage is greatly reduced, whereas in Example 1, the supply of air is promoted by the chimney effect. This is because the voltage drop due to the shortage hardly occurs. From the above results, it was found that in the fuel cell of Example 1, sufficient air was taken into the air flow path using the chimney effect, and a high output density was obtained.
10 燃料電池
12 酸化剤電極層側プレート
12c 端面
13 MEA
16 酸化剤電極層
17 固体高分子電解質膜
18 燃料電極層
31 空気流路
31a 上端の開口
32 空気導入路
32a 開口
D31 空気流路上端の開口径
L31 空気流路の下端から上端までの距離
D32 空気導入路の開口径
L32 開口から空気流路までの距離
10
16
Claims (6)
前記膜電極接合体の両側に配置され、燃料流路が形成された燃料電極層側プレートと、空気流路が形成された酸化剤電極層側プレートとを備え、
前記空気流路は、前記酸化剤電極層の表面に対して略垂直にプレートを貫通して形成されており、
前記酸化剤電極層側プレートに、一方の開口が外部に開放され、他方の開口が前記空気流路の前記酸化剤電極層の近傍に連通する空気導入路が形成されていることを特徴とする燃料電池。 In a fuel cell having a membrane electrode assembly in which both sides of a solid polymer electrolyte are sandwiched between a fuel electrode layer composed of a reaction layer and a diffusion layer and an oxidant electrode layer,
A fuel electrode layer side plate disposed on both sides of the membrane electrode assembly, in which a fuel flow path is formed; and an oxidant electrode layer side plate in which an air flow path is formed;
The air flow path is formed through the plate substantially perpendicular to the surface of the oxidant electrode layer,
The oxidant electrode layer side plate is formed with an air introduction path in which one opening is opened to the outside and the other opening communicates with the oxidant electrode layer in the air flow path. Fuel cell.
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