JP2009070637A - Fuel cell, diffusion layer for fuel cell and fuel cell system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of supplying stable voltage in a wide range from a low load region to a high load region and having an electrode diffusion layer substrate preventing the dryness of a membrane-electrode assembly to a high degree. <P>SOLUTION: A polymer electrolyte membrane 11 is interposed between an oxygen side diffusion layer 12 and a hydrogen side diffusion layer 13, and separators 14, 15 each having a groove-like gas passage are pressed against the outside of the gas diffusion layers 12, 13. The oxygen side diffusion layer 12 has a first microporous layer 12b and a second microporous layer 12c containing carbon powder and water repellent resin on both surfaces of a diffusion layer substrate 12a, and a reaction layer 12d containing carbon carrying a platinum catalyst and Nafion is formed on the first microporous layer 12 side. The first microporous layer 12b has two peaks of pore size distributions of 0.015 and 0.15 μm. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池、燃料電池用拡散層及び燃料電池システムに関し、空冷式の固体高分子型燃料電池システムに好適に用いることができる。   The present invention relates to a fuel cell, a diffusion layer for a fuel cell, and a fuel cell system, and can be suitably used for an air-cooled solid polymer fuel cell system.

固体高分子型燃料電池は、高分子電解質からなる膜が触媒層で挟まれ、さらにその触媒層の外側を集電及びガス拡散の役割を果たす拡散層で挟まれた膜−電極接合体を備えている。触媒層は、白金等の触媒を担持してなるカーボン粒子と、ナフィオン(登録商標、Nafion(Dupont社製))等の高分子固体電解質が混合されている。そして、膜−電極接合体の両面は、空気や水素のガス流路を備えたセパレータで挟持されて単位セルが構成され、さらにこの単位セルが複数積層されたスタックが形成されている。   A polymer electrolyte fuel cell includes a membrane-electrode assembly in which a membrane made of a polymer electrolyte is sandwiched between catalyst layers, and the outside of the catalyst layer is sandwiched between diffusion layers that play a role of current collection and gas diffusion. ing. In the catalyst layer, carbon particles carrying a catalyst such as platinum and a solid polymer electrolyte such as Nafion (registered trademark, Nafion (manufactured by Dupont)) are mixed. The both surfaces of the membrane-electrode assembly are sandwiched by separators having air or hydrogen gas flow paths to form unit cells, and a stack in which a plurality of unit cells are stacked is formed.

この固体高分子型燃料電池では以下の電気化学反応が行われる。
アノード側:H → 2H+2e
カソード側:1/2O+2H+2e → H
全反応 :H+1/2O → H
すなわち、水素がアノード側のセパレータのガス流路に供給され、拡散層を通って触媒層に供給される。そして、触媒層での電気化学反応によって水素が酸化されてプロトンと電子とが生成する。こうして生成したプロトンは、オキソニウムイオンの形態で水を引き連れながら触媒層および高分子固体電解質内を移動し、カソード側に達する。一方、カソード側に供給された酸素は、オキソニウムイオンと結合し、水が生成する。
In this polymer electrolyte fuel cell, the following electrochemical reaction is performed.
Anode side: H 2 → 2H + + 2e
Cathode side: 1 / 2O 2 + 2H + + 2e → H 2 O
Total reaction: H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O
That is, hydrogen is supplied to the gas flow path of the separator on the anode side, and supplied to the catalyst layer through the diffusion layer. Then, hydrogen is oxidized by the electrochemical reaction in the catalyst layer to generate protons and electrons. The protons thus generated move in the catalyst layer and the polymer solid electrolyte while drawing water in the form of oxonium ions, and reach the cathode side. On the other hand, oxygen supplied to the cathode side combines with oxonium ions to generate water.

以上のように、固体高分子型燃料電池では、アノード側からカソード側に向かって水が移動するため、アノード側では膜−電極接合体が乾燥しやすくなり、燃料電池の内部抵抗が大きくなり、燃料電池の出力の低下原因となる。一方、カソード側ではアノード側から水が供給されるが、燃料電池自体の発熱によって水の蒸気圧は高くなっており、セパレータのガス流路を流れる空気によって蒸発した水が多量に持ち去られるため、カソード側においても膜−電極接合体が乾燥状態になることがある。   As described above, in the polymer electrolyte fuel cell, since water moves from the anode side toward the cathode side, the membrane-electrode assembly is easily dried on the anode side, and the internal resistance of the fuel cell increases. This will cause the output of the fuel cell to decrease. On the other hand, water is supplied from the anode side on the cathode side, but the vapor pressure of water is increased by the heat generated by the fuel cell itself, and a large amount of water evaporated by the air flowing through the gas flow path of the separator is taken away. Even on the cathode side, the membrane-electrode assembly may be in a dry state.

膜−電極接合体を構成する固体高分子電解質膜が乾燥した場合には、プロトン導電性が低下し、燃料電池の内部抵抗が大きくなり、発電することが困難となる。このため、膜−電極接合体を冷却して水の蒸気圧を小さくしたり、カソード側に供給される空気を加湿したりして、膜−電極接合体の乾燥を防ぐことが行われている。しかし、このためには冷却装置や加湿装置が必要となるため、構造が複雑化、大型化し、製造コストも高騰化するという問題があった。また、燃料電池により発電した電力の一部で冷却装置や加湿装置を作動させるため、エネルギー効率が悪くなるという問題もあった。   When the solid polymer electrolyte membrane constituting the membrane-electrode assembly is dried, proton conductivity is lowered, the internal resistance of the fuel cell is increased, and it is difficult to generate power. For this reason, the membrane-electrode assembly is cooled to reduce the vapor pressure of water, or the air supplied to the cathode is humidified to prevent drying of the membrane-electrode assembly. . However, this requires a cooling device and a humidifying device, which has the problem that the structure becomes complicated and large, and the manufacturing cost increases. In addition, since the cooling device and the humidifying device are operated by a part of the electric power generated by the fuel cell, there is a problem that energy efficiency is deteriorated.

この点、空冷式の固体高分子型燃料電池であれば、冷却装置が不要となる。しかし、空冷式の固体高分子型燃料電池では、ストイキ比(すなわち、供給している水素ガスとの反応に必要な空気量に対する供給する空気量の比率)を大きくすることによって膜−電極接合体を冷却するため、カソード側に供給される空気によって持ち去られる水の量が増加し、膜−電極接合体が乾燥状態となりやすい。   In this regard, a cooling device is not required for an air-cooled solid polymer fuel cell. However, in an air-cooled solid polymer fuel cell, the membrane-electrode assembly is increased by increasing the stoichiometric ratio (that is, the ratio of the amount of air supplied to the amount of air required for reaction with the supplied hydrogen gas). Therefore, the amount of water carried away by the air supplied to the cathode side increases, and the membrane-electrode assembly tends to be in a dry state.

また、固体高分子型燃料電池における膜−電極接合体の乾燥を防止する方法として、拡散層の反応層と接する側又は拡散層の両面に導電性及び撥水性を有するマイクロポーラス層を設けることも提案されている(特許文献1)。このようなマイクロポーラス層を用いた燃料電池では、反応層に存在する水がマイクロポーラス層によってはじかれて通過が困難となるため、乾燥し難く、カソード側に供給される空気を加湿しなくても、発電効率がそれほど低下しないとされている。
特開平9−245800号公報
In addition, as a method for preventing the membrane-electrode assembly from drying in the polymer electrolyte fuel cell, a microporous layer having conductivity and water repellency may be provided on the side of the diffusion layer in contact with the reaction layer or on both sides of the diffusion layer. It has been proposed (Patent Document 1). In a fuel cell using such a microporous layer, the water present in the reaction layer is repelled by the microporous layer, making it difficult for the water to pass through. Therefore, it is difficult to dry and the air supplied to the cathode side does not need to be humidified. However, it is said that the power generation efficiency does not decrease so much.
Japanese Patent Laid-Open No. 9-245800

しかし、従来の空冷式の固体高分子型燃料電池では、低負荷領域での膜−電極接合体の乾燥は防止できるが、高負荷領域で大量に発生する生成水が酸化ガスの反応層への供給を妨げるため、広い運転範囲において、安定した電圧を供給することが困難であった。   However, in the conventional air-cooled polymer electrolyte fuel cell, it is possible to prevent the membrane-electrode assembly from drying in the low load region, but the generated water generated in a large amount in the high load region is transferred to the oxidizing gas reaction layer. Since the supply is hindered, it is difficult to supply a stable voltage in a wide operation range.

また、上記特許文献1に記載の燃料電池は、加湿器を必要としないとされているが、それにはメタノール改質器を備えていることが要件とされている。メタノール改質器から得られる水素には多量の水蒸気が含まれているため、たとえ反応ガスを加湿器で加湿しなかったとしても、水素と一緒に供給される水蒸気によって膜−電極接合体に水が供給される。   In addition, the fuel cell described in Patent Document 1 does not require a humidifier, but is required to have a methanol reformer. Since hydrogen obtained from the methanol reformer contains a large amount of water vapor, even if the reaction gas is not humidified by the humidifier, water is supplied to the membrane-electrode assembly by the water vapor supplied together with hydrogen. Is supplied.

しかし、メタノール改質器を備えるためには、やはり装置が複雑化、大型化し、製造コストも高騰化することとなる。このため、加湿器や冷却装置やメタノール改質器がなくても駆動可能な、膜−電極接合体の乾燥を高度に防ぐことができる燃料電池、燃料電池用拡散層及び燃料電池システムが求められていた。   However, in order to provide a methanol reformer, the apparatus becomes complicated and large, and the manufacturing cost increases. Therefore, there is a need for a fuel cell, a fuel cell diffusion layer, and a fuel cell system that can be driven without a humidifier, a cooling device, or a methanol reformer, and that can highly prevent the membrane-electrode assembly from drying. It was.

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、低負荷領域から高負荷領域まで、電圧降下が小さくて安定した電圧を供給することができ、膜−電極接合体の乾燥を高度に防ぐことができる燃料電池、燃料電池用拡散層及び燃料電池システムを提供することを解決すべき課題としている。   The present invention has been made in view of the above-described conventional situation, and can supply a stable voltage with a small voltage drop from a low load region to a high load region, and can dry a membrane-electrode assembly. It is an object to be solved to provide a fuel cell, a diffusion layer for a fuel cell, and a fuel cell system that can be highly prevented.

発明者らは、上記従来の問題点を解決すべく、酸素極の拡散層基材の反応層側に形成される、撥水性を有するマイクロポーラス層の、細孔径と発電特性との関係について検討した。その結果、マイクロポーラス層の細孔径が小さい場合には、マイクロポーラス層での液体水の移動が困難となるため乾燥し難くなり、生成水の少ない低負荷領域においての電圧は高いが、生成水の多い高負荷領域では水浸しとなって反応層へのガス拡散が困難となるフラッディング現象が起こり、電圧が急激に低下することを明らかにした。一方、マイクロポーラス層の細孔径が大きい場合には、低負荷領域において電圧は若干低いが、高負荷領域では液体水が移動し易くなり、フラッディング現象が防止されるため、電圧の低下の度合いが少ないことを明らかにした。そして、さらに研究を進めた結果、拡散層基材の反応層側に形成されるマイクロポーラス層の細孔径について、その細孔径分布が2つ以上の極大ピークを有するようにすることにより、低負荷領域での乾燥及び高負荷領域でのフラッディング現象を防止でき、低負荷領域から高負荷領域までの広い範囲において、安定した電圧を供給できる燃料電池となることを見出し、本発明を完成するに至った。   In order to solve the above-mentioned conventional problems, the inventors examined the relationship between the pore diameter and the power generation characteristics of the water-repellent microporous layer formed on the reaction layer side of the diffusion layer substrate of the oxygen electrode. did. As a result, when the pore size of the microporous layer is small, it becomes difficult to move the liquid water in the microporous layer, so that it is difficult to dry. It was clarified that in a high-load region where there is a lot of water, flooding occurs due to water immersion and gas diffusion into the reaction layer becomes difficult, and the voltage drops rapidly. On the other hand, when the pore size of the microporous layer is large, the voltage is slightly low in the low load region, but liquid water easily moves in the high load region, and flooding phenomenon is prevented. Clarified that there are few. As a result of further research, the pore size distribution of the microporous layer formed on the reaction layer side of the diffusion layer base material has a low load by making the pore size distribution have two or more maximum peaks. It has been found that the fuel cell can prevent the drying in the region and the flooding phenomenon in the high load region, and can supply a stable voltage in a wide range from the low load region to the high load region, thereby completing the present invention. It was.

すなわち、本発明の第1の局面の燃料電池は、固体高分子電解質層の両側を、反応層と拡散層とからなる燃料極及び酸素極で挟持した燃料電池において、
酸素極の拡散層は、反応層で生成した水を吸い出し、液体水として保持する拡散層基材と、
該拡散層基材の反応層側に形成され、細孔径分布が2つ以上の極大ピークを有し、該極大ピークの少なくとも1つはガスを通して液体を実質的に通さない細孔径であり、該極大ピークの少なくとも1つは液体を通す細孔径を有する第1のマイクロポーラス層と、
前記拡散層基材の反応層と反対側に形成され、ガスを通して液体を実質的に通さない細孔径を有する第2のマイクロポーラス層と、を備えることを特徴とする。
That is, the fuel cell of the first aspect of the present invention is a fuel cell in which both sides of a solid polymer electrolyte layer are sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode composed of a reaction layer and a diffusion layer.
The diffusion layer of the oxygen electrode sucks out the water generated in the reaction layer and holds it as liquid water,
Formed on the reaction layer side of the diffusion layer base material, the pore size distribution has two or more maximum peaks, and at least one of the maximum peaks is a pore size that does not substantially allow liquid to pass through the gas; A first microporous layer having a pore size through which a liquid passes at least one of the maximum peaks;
And a second microporous layer that is formed on the opposite side of the diffusion layer substrate from the reaction layer and has a pore diameter that does not substantially allow liquid to pass through the gas.

本発明の第1の局面の燃料電池では、酸素極の拡散層が、反応層で生成した水を吸い出し、液体水として保持する拡散層基材を備えている。また、第1のマイクロポーラス層は、細孔径分布が2つ以上の極大ピークを有し、該極大ピークの少なくとも1つは液体を通す細孔径を有する。このため、反応層で発生した水が第1のマイクロポーラス層の液体を通す細孔を通って拡散層基材で保持される。そして、ガスを通して液体を実質的に通さない細孔径を有する第2のマイクロポーラス層の存在により、拡散基材に保持された水が、ガス流路を流れるガスによって持ち去られるのが抑制される。このため、高負荷領域でのフラッディング現象を防止しつつ、膜−電極接合体の乾燥を高度に防ぐことができる。   In the fuel cell according to the first aspect of the present invention, the diffusion layer of the oxygen electrode includes a diffusion layer base material that sucks out water generated in the reaction layer and holds it as liquid water. The first microporous layer has a pore size distribution having two or more maximum peaks, and at least one of the maximum peaks has a pore size through which a liquid can pass. For this reason, the water generated in the reaction layer passes through the pores through which the liquid in the first microporous layer passes and is held by the diffusion layer base material. Then, due to the presence of the second microporous layer having a pore diameter that does not substantially allow liquid to pass through the gas, water held in the diffusion base material is suppressed from being carried away by the gas flowing through the gas flow path. Therefore, it is possible to highly prevent the membrane-electrode assembly from being dried while preventing the flooding phenomenon in the high load region.

また、第1のマイクロポーラス層は、細孔径分布が2つ以上の極大ピークを有し、該極大ピークの少なくとも1つはガスを通して液体を実質的に通さない細孔径とされているため、生成水の少ない低負荷領域での乾燥を防止することができる。その理由は、次のとおりである。すなわち、水が連通する細孔を通過する場合に必要とされる水圧ΔPは、次式(1)で示されることが知られている。

Figure 2009070637
一方、反応ガスは極めて小さな径の通路であっても、液体水よりも容易に通過することができる。反応層側に形成されている第1マイクロポーラス層は、細孔径分布が2つ以上の極大ピークを有し、該極大ピークの少なくとも1つはガスを通して液体を実質的に通さない細孔径とされている。このため、液体水を通さない細孔を持つマイクロポーラス層により、反応層及び固体高分子電解質層の水を保持することができ、乾燥を防ぐことができる。また、第1のマイクロポーラス層には該極大ピークの少なくとも1つは液体を通す細孔径を有するため、燃料電池が高負荷領域で稼動され、反応層で多量の水が生成しても、液体を通す細孔を通って液体水が拡散層基材側に運ばれる。このため、フラッディング現象が防止され、電圧降下が防止されるのである。 Further, the first microporous layer has a pore size distribution having two or more maximum peaks, and at least one of the maximum peaks has a pore size that does not substantially allow liquid to pass through the gas. Drying in a low load region with little water can be prevented. The reason is as follows. That is, it is known that the water pressure ΔP required when water passes through the communicating pores is expressed by the following equation (1).
Figure 2009070637
On the other hand, even if the reaction gas has a very small diameter, it can pass through more easily than liquid water. The first microporous layer formed on the reaction layer side has a pore size distribution having two or more maximum peaks, and at least one of the maximum peaks has a pore size that does not substantially allow liquid to pass through the gas. ing. For this reason, the water of the reaction layer and the solid polymer electrolyte layer can be retained by the microporous layer having pores that do not allow liquid water to pass through, and drying can be prevented. Further, since at least one of the maximum peaks in the first microporous layer has a pore diameter that allows liquid to pass therethrough, even if the fuel cell is operated in a high load region and a large amount of water is generated in the reaction layer, the liquid Liquid water is conveyed to the diffusion layer substrate side through the pores through which the liquid passes. For this reason, the flooding phenomenon is prevented and the voltage drop is prevented.

したがって、本発明の第1の局面の燃料電池によれば、生成水の少ない低負荷領域から生成水の多い高負荷領域まで、保水と排水(ガス拡散)のバランスをとることができ、膜−電極接合体の乾燥を高度に防ぐことができる。このため、低負荷領域から高負荷領域まで、安定した発電特性が得られる。   Therefore, according to the fuel cell of the first aspect of the present invention, water retention and drainage (gas diffusion) can be balanced from a low load region with a small amount of generated water to a high load region with a large amount of generated water. Drying of the electrode assembly can be highly prevented. For this reason, stable power generation characteristics can be obtained from a low load region to a high load region.

本発明の第2の局面の燃料電池では、第1のマイクロポーラス層は、粒子径の異なる複数種類のカーボン粉末が含有されていることによって2つ以上の極大ピークを有する細孔径分布とされていることとした。   In the fuel cell of the second aspect of the present invention, the first microporous layer has a pore size distribution having two or more maximum peaks by containing a plurality of types of carbon powders having different particle sizes. It was decided that

発明者らの試験結果によれば、第1のマイクロポーラス層にカーボン粒子を含有させた場合、細孔径分布はカーボン粉末の粒子径によって変化する。すなわち、カーボン粒子は通常、細かい粒子が凝集して2次粒子を形成しており、この2次粒子には外部と連通する細孔(すなわち、カーボン粒子問に生じる隙間)が存在しており、この連通する細孔の径が小さいほど、マイクロポーラス層を水が通過し難くなる。このため、マイクロポーラス層の原料に用いたカーボンの細孔径は、マイクロポーラス層の細孔径とほぼ一致する。このため、粒子径の異なる複数種類のカーボン粉末を含有させれば、容易に2つ以上の極大ピークを有する細孔径分布を持ったマイクロポーラス層とすることができ、低負荷領域から高負荷領域まで、電圧降下の少ない燃料電池を容易かつ低コストで供給することができる。   According to the test results of the inventors, when carbon particles are contained in the first microporous layer, the pore size distribution varies depending on the particle size of the carbon powder. That is, the carbon particles are usually formed by agglomerating fine particles to form secondary particles, and the secondary particles have pores communicating with the outside (that is, gaps generated in the carbon particles), The smaller the diameter of the communicating pore, the more difficult it is for water to pass through the microporous layer. For this reason, the pore diameter of the carbon used as the raw material for the microporous layer substantially matches the pore diameter of the microporous layer. For this reason, if a plurality of types of carbon powders having different particle diameters are contained, a microporous layer having a pore size distribution having two or more maximum peaks can be easily obtained. Thus, a fuel cell with a small voltage drop can be supplied easily and at low cost.

本発明の第3の局面の燃料電池では、第1のマイクロポーラス層は面方向及び厚さ方向において実質的に均一な細孔径分布を有することとした。このような第1のマイクロポーラス層は、形成が容易であり、ひいては製造コストの低廉な燃料電池となる。   In the fuel cell of the third aspect of the present invention, the first microporous layer has a substantially uniform pore size distribution in the surface direction and the thickness direction. Such a first microporous layer is easy to form, and as a result, a fuel cell with a low manufacturing cost.

本発明の第4の局面の燃料電池では、第1のマイクロポーラス層は厚さ方向において異なる細孔径分布を有することとした。このような第1のマイクロポーラス層であれば、例えば第1のマイクロポーラス層における反応層側を小さい細孔径分布として、水の移動を防ぐことにより乾燥を防ぎつつ、拡散層側の第1のマイクロポーラス層を大きい細孔径とすることによって、拡散層の保水性を高めることができる。   In the fuel cell according to the fourth aspect of the present invention, the first microporous layer has different pore size distributions in the thickness direction. With such a first microporous layer, for example, the reaction layer side in the first microporous layer has a small pore size distribution, preventing water movement and preventing drying, while the first microporous layer has a first pore on the diffusion layer side. By making the microporous layer have a large pore diameter, the water retention of the diffusion layer can be increased.

本発明の第5の局面の燃料電池では、第1のマイクロポーラス層は面方向において異なる細孔径分布を有することとした。こうであれば、乾燥しやすい箇所に細かい細孔径分布を示す第1のマイクロポーラス層を用い、乾燥し難い箇所に粗い細孔径分布を示す第1のマイクロポーラス層を用いるなどして、局所的な乾燥やフラッディングを防ぐことができる。   In the fuel cell according to the fifth aspect of the present invention, the first microporous layer has different pore size distributions in the plane direction. In this case, the first microporous layer showing a fine pore size distribution is used in a place that is easy to dry, and the first microporous layer showing a coarse pore size distribution is used in a place that is difficult to dry. Can prevent dryness and flooding.

本発明の第6の局面の燃料電池では、第1のマイクロポーラス層は厚さ方向に貫通する1μm以上の径の孔を有することとした。こうであれば、第1のマイクロポーラス層は厚さ方向に液体水の通過が容易となり、フラッディング現象をさらに確実に防止することができる。   In the fuel cell according to the sixth aspect of the present invention, the first microporous layer has a hole having a diameter of 1 μm or more penetrating in the thickness direction. In this case, the first microporous layer can easily pass liquid water in the thickness direction, and the flooding phenomenon can be more reliably prevented.

本発明の第7の局面の燃料電池では、第1と第2のマイクロポーラス層は、撥水性樹脂が添加されていることとした。こうであれば、マイクロポーラス層の水濡性が低下し、ガス透過性を妨げることなく、水の透過を防止することができる。このため、反応層への酸素ガスの供給を妨げることなく、膜−電極接合体の乾燥を防ぐことができる。   In the fuel cell according to the seventh aspect of the present invention, the first and second microporous layers are added with a water-repellent resin. In this case, the water wettability of the microporous layer is reduced, and water permeation can be prevented without hindering gas permeability. For this reason, drying of the membrane-electrode assembly can be prevented without hindering the supply of oxygen gas to the reaction layer.

本発明の第8の局面の燃料電池では、拡散層基材は金属多孔体からなることとした。金属多孔体であれば、拡散層の機械的強度を大きくすることができるため、拡散層を薄くして燃料電池を小型化・軽量化することができる。また、セパレータを拡散層に押しあててガス流路を形成する場合に、押圧による拡散層が変形したり、破壊されたりすることを防ぐことができる。金属としては燃料電池内の腐食環境に耐える金属であれば用いることができる。このような金属として、例えば、チタン焼結体、ステンレス焼結体、Ni-セルメット、ステンレス焼結体等や、前記の金属からなる繊維が3次元の網目状に形成された構造を持つもの等が挙げられる。   In the fuel cell according to the eighth aspect of the present invention, the diffusion layer base material is made of a metal porous body. If the porous metal body is used, the mechanical strength of the diffusion layer can be increased. Therefore, the diffusion layer can be thinned to reduce the size and weight of the fuel cell. Further, when the gas channel is formed by pressing the separator against the diffusion layer, the diffusion layer due to the pressing can be prevented from being deformed or broken. Any metal that can withstand the corrosive environment in the fuel cell can be used. Examples of such metals include titanium sintered bodies, stainless steel sintered bodies, Ni-cermets, stainless steel sintered bodies, etc., and those having a structure in which fibers made of the above metals are formed in a three-dimensional network. Is mentioned.

本発明の燃料電池用拡散層は、本発明の燃料電池に用いることができる。すなわち、本発明の燃料電池用拡散層は、反応層で生成した水を吸い出し、液体水として保持する拡散層基材と、該拡散層基材の一面側に形成され、細孔径分布が2つ以上の極大ピークを有し、該極大ピークの少なくとも1つはガスを通して液体を実質的に通さない細孔径であり、該極大ピークの少なくとも1つは液体を通す細孔径を有する第1のマイクロポーラス層と、該拡散層基材の他面側に形成され、ガスを通して液体を実質的に通さない細孔径を有する第2のマイクロポーラス層とを備えることを特徴とする。   The fuel cell diffusion layer of the present invention can be used in the fuel cell of the present invention. That is, the diffusion layer for a fuel cell of the present invention is formed on the one side of the diffusion layer base material that sucks out the water generated in the reaction layer and holds it as liquid water, and has two pore size distributions. A first microporous having the above-mentioned maximum peak, wherein at least one of the maximum peaks is a pore diameter that does not substantially allow liquid to pass through the gas, and at least one of the maximum peaks has a pore diameter that allows the liquid to pass through. And a second microporous layer that is formed on the other surface side of the diffusion layer base material and has a pore diameter that does not allow liquid to substantially pass through the gas.

また、本発明の燃料電池を用いて、燃料電池システムを製造することができる。すなわち、本発明の燃料電池システムは、固体高分子電解質層の両側を、反応層と拡散層とからなる燃料極及び酸素極で挟持した燃料電池と、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手投と、前記酸素極に酸化ガス及び冷媒ガスとしての空気を供給する空気供給手段と、空気供給量を制御して前記燃料電池の温度を制御する制御手段とを備えた燃料電池システムにおいて、
少なくとも酸素極の拡散層は、反応層で生成した水を吸い出し、液体水として保持する拡散層基材と、該拡散層基材の反応層側に形成され、細孔径分布が2つ以上の極大ピークを有し、該極大ピークの少なくとも1つはガスを通して液体を実質的に通さない細孔径であり、該極大ピークの少なくとも1つは液体を通す細孔径を有する第1のマイクロポーラス層と、
前記拡散層基材の反応層と反対側に形成され、ガスを通して液体を実質的に通さない細孔径を有する第2のマイクロポーラス層とを備え、
前記制御手段は、供給空気のストイキ比を10から200の範囲となるように制御することを特徴とする。
ここで、供給空気のストイキ比とは、発電電流に必要な空気の消費量に対する供給量の割合をいう。
In addition, a fuel cell system can be manufactured using the fuel cell of the present invention. That is, the fuel cell system of the present invention includes a fuel cell in which both sides of a solid polymer electrolyte layer are sandwiched by a fuel electrode and an oxygen electrode composed of a reaction layer and a diffusion layer, and a fuel gas that supplies fuel gas to the fuel electrode In a fuel cell system, comprising: a manual supply, an air supply means for supplying air as an oxidizing gas and a refrigerant gas to the oxygen electrode, and a control means for controlling the temperature of the fuel cell by controlling an air supply amount ,
At least the oxygen electrode diffusion layer is formed on the reaction layer side of the diffusion layer substrate that sucks out the water generated in the reaction layer and holds it as liquid water, and has a maximum pore size distribution of two or more. A first microporous layer having a peak, wherein at least one of the maximum peaks is a pore size that does not substantially allow liquid to pass through the gas, and at least one of the maximum peaks has a pore size that allows the liquid to pass;
A second microporous layer that is formed on the opposite side of the reaction layer of the diffusion layer substrate and has a pore diameter that does not substantially allow liquid to pass through the gas,
The control means controls the stoichiometric ratio of the supply air to be in the range of 10 to 200.
Here, the stoichiometric ratio of the supply air refers to the ratio of the supply amount to the air consumption required for the generated current.

本発明の燃料電池システムでは、酸素極の拡散層が反応層で生成した水を拡散層内に吸い出し、拡散層内に液体水として保持する部材からなる。そして、該拡散層基材の反応層側に形成され、細孔径分布が2つ以上の極大ピークを有し、該極大ピークの少なくとも1つはガスを通して液体を実質的に通さない細孔径であり、該極大ピークの少なくとも1つは液体を通す細孔径を有する第1のマイクロポーラス層と、前記拡散層基材の反応層と反対側に形成され、ガスを通して液体を実質的に通さない細孔径を有する第2のマイクロポーラス層とを備える。このため、上述したように、低負荷領域から高負荷領域まで、電圧降下が小さくて安定した電圧を供給することができ、膜−電極接合体の乾燥を高度に防止することができる。そして、供給空気のストイキ比が10から200という高い領域においても、膜−電極接合体の乾燥を防ぐことができ、燃料電池の出力を維持することができる。このため、空冷式固体高分子型燃料電池のように、供給空気のストイキ比の大きな固体高分子型燃料電池にも好適に用いることができる。さらには、空冷式固体高分子型燃料電池において、メタノール改質器がなくても駆動可能とすることができる。空気供給手段としては、シロッコファン、ターボファン等の各種の送風機を用いることができる。   In the fuel cell system of the present invention, the diffusion layer of the oxygen electrode comprises a member that sucks out the water produced in the reaction layer into the diffusion layer and holds it as liquid water in the diffusion layer. And formed on the reaction layer side of the diffusion layer substrate, the pore size distribution has two or more maximum peaks, and at least one of the maximum peaks is a pore size that does not substantially allow liquid to pass through the gas. And at least one of the maximum peaks is formed on the opposite side of the reaction layer of the diffusion layer base material with a first microporous layer having a pore size through which the liquid passes, and the pore size through which the liquid does not substantially pass through the gas And a second microporous layer. For this reason, as described above, a stable voltage with a small voltage drop can be supplied from the low load region to the high load region, and drying of the membrane-electrode assembly can be highly prevented. Even in a region where the stoichiometric ratio of the supply air is as high as 10 to 200, the membrane-electrode assembly can be prevented from being dried, and the output of the fuel cell can be maintained. Therefore, it can be suitably used for a polymer electrolyte fuel cell having a large stoichiometric ratio of supply air, such as an air-cooled polymer electrolyte fuel cell. Furthermore, the air-cooled solid polymer fuel cell can be driven without a methanol reformer. Various air blowers such as a sirocco fan and a turbo fan can be used as the air supply means.

以下、本発明に係る燃料電池を具体化した実施形態について説明する。
(実施形態1)
実施形態1の燃料電池は、図1に示す燃料電池単層セル10が複数個積層されて構成されている。この燃料電池単層セル10は、ナフィオン(登録商標)からなる高分子電解質膜11が酸素側拡散層12及び水素側拡散層13によって挟持されており、さらにその外側に溝状のガス流路が形成されたセパレータ14、15が図示しない取付治具により圧接されている。
Hereinafter, embodiments embodying a fuel cell according to the present invention will be described.
(Embodiment 1)
The fuel cell of Embodiment 1 is configured by stacking a plurality of fuel cell single-layer cells 10 shown in FIG. In this fuel cell single-layer cell 10, a polymer electrolyte membrane 11 made of Nafion (registered trademark) is sandwiched between an oxygen side diffusion layer 12 and a hydrogen side diffusion layer 13, and a groove-like gas channel is formed outside thereof. The formed separators 14 and 15 are press-contacted by a mounting jig (not shown).

酸素側拡散層12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12a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12b及び第2マイクロポーラス層12cが形成されており、さらに第1マイクロポーラス層12b側に白金触媒が担持されたカーボンとPTFEとを含有する反応層12dが形成されている。第1マイクロポーラス層12bの細孔径分布は、2つの極大ピークを有している。その極大ピークのうち、細孔径が小さい方のピークは0.1μm以下であり、ガスを通して水を実質的に通さない。一方、細孔径が大きいほうのピークは1μm以上であり、水を通すことができる。   The oxygen side diffusion layer 12 is a porous first microporous layer containing carbon powder and a water-repellent resin on both sides of a diffusion layer substrate 12a made of carbon woven fabric, carbon paper or the like capable of gas diffusion. 12b and a second microporous layer 12c are formed, and a reaction layer 12d containing PTFE supported carbon and a platinum catalyst is formed on the first microporous layer 12b side. The pore size distribution of the first microporous layer 12b has two maximum peaks. Among the maximum peaks, the peak with the smaller pore diameter is 0.1 μm or less, and water is not substantially passed through the gas. On the other hand, the peak having the larger pore diameter is 1 μm or more, and water can be passed therethrough.

また、水素側拡散層13は拡散層基材13aの高分子電解質膜11側に、白金触媒が担持されたカーボンとPTFEとを含有する反応層13bが形成されている。   In the hydrogen-side diffusion layer 13, a reaction layer 13b containing carbon carrying a platinum catalyst and PTFE is formed on the polymer electrolyte membrane 11 side of the diffusion layer base material 13a.

拡散層基材12a、13a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及び第2マイクロポーラス層12b、12c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(たと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 layer base materials 12a and 13a, for example, carbon cloth, carbon paper, a nonwoven fabric made of carbon fiber, or the like can be used. The first and second microporous layers 12b and 12c can be used by mixing water-repellent resin powder and carbon powder. Specific examples of the water-repellent resin powder include fluorocarbon polymers (for example, polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA)). ), Polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl fluoride (PVF), ethylene / tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), ethylene / chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), etc. ). Examples of the carbon powder include carbon black, graphite powder, carbon nanofiber, furnace black, and acetylene black.

以上のように構成された実施形態1の燃料電池単層セル10では、酸素極側の拡散層基材12aの反応層12d側に、細孔径分布が2つ以上の極大ピークを有し、極大ピークの少なくとも1つはガスを通して水を実質的に通さない0.1μm以下の小さい細孔径を有する第1マイクロポーラス層12bが設けられている。このため、水蒸気は透過しやすく、液体水は透過し難くなることから、酸化ガスの拡散を妨げる過剰な水を拡散層基材12aに排出でき、かつ、反応層12d及び固体高分子電解質層11の乾燥を防ぐことができる。また、第2マイクロポーラス層12cもガスを通して液体を通さない細孔径を有するため、水蒸気の状態でしか酸素側のセパレータ14の流路側へ移動することはできない。このため、拡散層基材12aで液体として保持することができ、反応層12d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、高分子固体電解質膜11の乾燥を高度に防ぐことができる。さらには、第1マイクロポーラス層12bの細孔径分布が2つ以上の極大ピークを有しており、該極大ピークの少なくとも1つは液体を通す細孔径を有するため、高負荷領域でのフラッディング現象を防止できる。このため、実施形態の燃料電池では、広い負荷範囲において電圧降下の小さい燃料電池となる。   In the fuel cell single-layer cell 10 of Embodiment 1 configured as described above, the pore size distribution has two or more maximum peaks on the reaction layer 12d side of the diffusion layer base material 12a on the oxygen electrode side, and the maximum At least one of the peaks is provided with a first microporous layer 12b having a small pore diameter of 0.1 μm or less that does not allow water to substantially pass through the gas. For this reason, since water vapor easily permeates and liquid water hardly permeates, excess water that hinders diffusion of the oxidizing gas can be discharged to the diffusion layer substrate 12a, and the reaction layer 12d and the solid polymer electrolyte layer 11 can be discharged. Can prevent drying. In addition, since the second microporous layer 12c also has a pore diameter that does not allow liquid to pass through the gas, it can move to the flow path side of the oxygen-side separator 14 only in the state of water vapor. For this reason, it can hold | maintain as a liquid with the diffusion layer base material 12a, and when the reaction layer 12d dries, the water currently hold | maintained can be supplied. For this reason, drying of the polymer solid electrolyte membrane 11 can be prevented to a high degree. Furthermore, since the pore size distribution of the first microporous layer 12b has two or more maximum peaks, and at least one of the maximum peaks has a pore size through which the liquid passes, a flooding phenomenon in a high load region. Can be prevented. For this reason, in the fuel cell of embodiment, it becomes a fuel cell with a small voltage drop in a wide load range.

以下、本発明の燃料電池をさらに具体的にした実施例について、比較例と比較しつつ詳述する。
(実施例1)
一次粒子径が16nmのカーボンブラック粉末と、一次粒子径が48nmのカーボンブラック粉末とを1:1の重量比で混合する。そして、この混合物100重量部に対してポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の微粉末を35重量部加えて混合し、成形してカーボン−PTFE自立膜とする。そして、平織りのカーボンクロスを用意し、上記の溶着したカーボン−PTFE自立膜2枚で挟んで345°Cで熱圧着させて一体化する。
Hereinafter, examples in which the fuel cell of the present invention is more specific will be described in detail in comparison with comparative examples.
Example 1
Carbon black powder having a primary particle diameter of 16 nm and carbon black powder having a primary particle diameter of 48 nm are mixed at a weight ratio of 1: 1. Then, 35 parts by weight of a fine powder of polytetrafluoroethylene (PTFE) is added to 100 parts by weight of the mixture, mixed and molded to obtain a carbon-PTFE self-supporting film. Then, a plain weave carbon cloth is prepared, and is sandwiched between the two welded carbon-PTFE self-supporting films and thermocompression bonded at 345 ° C. to be integrated.

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撹拌し、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/cmとなるように印刷して、乾燥して反応層付の拡散層を得た。
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で印刷し、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を形成してもよい。
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-supported 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.
Instead of printing on the diffusion layer to form the reaction layer, the catalyst paste is printed on a polytetrafluoroethylene sheet, dried, and peeled to produce a self-supporting reaction layer film. The reaction layer may be formed by thermocompression bonding with a diffusion layer.

以上のようにして作製した酸素極側反応層付拡散層と、反応層側のみ膜を圧着させた水素極側反応層付拡散層とを用意し、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、その外側に酸素及び水素のガス供給路を形成して燃料電池単層セルを作製した。   A polymer electrolyte membrane made of Nafion (registered trademark) is prepared by preparing a diffusion layer with an oxygen electrode side reaction layer produced as described above and a diffusion layer with a hydrogen electrode side reaction layer obtained by pressure-bonding the membrane only on the reaction layer side. The reaction layer was sandwiched from both sides and pressed by hot pressing. Further, oxygen and hydrogen gas supply passages were formed on the outside thereof to produce a fuel cell single layer cell.

(比較例1)
比較例1では、マイクロポーラス層を形成するためのカーボンとして、一次粒子径が16nmのカーボンブラックのみを用いた。その他は実施例1の燃料電池単層セルと同様であり、説明を省略する。
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, only carbon black having a primary particle diameter of 16 nm was used as carbon for forming the microporous layer. Others are the same as those of the fuel cell single-layer cell of Example 1, and the description is omitted.

(比較例2)
比較例2では、マイクロポーラス層を形成するためのカーボンとして、一次粒子径が48nmのカーボンブラックのみを用いた。その他は実施例1の燃料電池単層セルと同様であり、説明を省略する。
(Comparative Example 2)
In Comparative Example 2, only carbon black having a primary particle diameter of 48 nm was used as carbon for forming the microporous layer. Others are the same as those of the fuel cell single-layer cell of Example 1, and the description is omitted.

<評価>
(細孔径分布の測定)
上記において作製した実施例1及び比較例1、2に係るカーボン−PTFE自立膜について、その細孔径分布を測定した。その結果、図2に示すように、細孔径分布のピークが比較例1では0.015μm、比較例2では細孔径分布のピークが0.15μmであり、それぞれ単一の細孔径分布のピークを有するのに対し、実施例1では、細孔径分布のピークが0.015μm及び0.15μmの2つのピークを示した。
<Evaluation>
(Measurement of pore size distribution)
The pore size distribution of the carbon-PTFE self-supporting films according to Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 prepared above was measured. As a result, as shown in FIG. 2, the peak of the pore size distribution is 0.015 μm in Comparative Example 1, and the peak of the pore size distribution is 0.15 μm in Comparative Example 2, each having a single pore size distribution peak. On the other hand, in Example 1, the peak of the pore size distribution showed two peaks of 0.015 μm and 0.15 μm.

(発電特性の測定)
また、上記のようにして作製した実施例1及び比較例1、2の燃料電池単層セルについて、発電特性を測定した。すなわち、実施例1及び比較例1、2の燃料電池単層セルの空気極側のセパレータのガス流路に、図3に示すように、エアポンプ31と、エアの温度と、エアの湿度とを調節するための制御装置32を接続する。さらに、燃料極側のセパレータのガス流路に、水素ガス供給装置33を接続する。そして、燃料極側セパレータのガス流路に、水素ガス供給装置33から乾燥した水素ガスを導入するとともに、酸素側のセパレータのガス流路に、供給空気のストイキ比が30となるように制御装置32で制御しながら供給し、セル温度を60°Cとし、様々な電流値おけるセル電圧を測定した。
(Measurement of power generation characteristics)
Further, the power generation characteristics of the fuel cell single layer cells of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 manufactured as described above were measured. That is, in the gas flow path of the separator on the air electrode side of the fuel cell single layer cell of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, as shown in FIG. 3, the air pump 31, the temperature of the air, and the humidity of the air A control device 32 for adjusting is connected. Further, a hydrogen gas supply device 33 is connected to the gas flow path of the separator on the fuel electrode side. Then, the control unit is configured to introduce the dry hydrogen gas from the hydrogen gas supply device 33 into the gas flow path of the fuel electrode side separator and to supply the stoichiometric ratio of supply air to the gas flow path of the oxygen side separator. The cell voltage was controlled at 32, the cell temperature was 60 ° C., and the cell voltage at various current values was measured.

その結果、図4に示すように、細孔径分布のピークが0.015μmという小さな細孔を有する比較例1では、低負荷領域では電圧が高いものの、高負荷領域では電圧が急激に低下した。また、細孔径分布のピークが0.15μmという大きな細孔を有する比較例2では、高負荷領域での急激な電圧の低下はないものの、低負荷領域の電圧が低かった。これに対し、細孔径分布の極大ピークが0.015μm及び0.15μmの2つのピークを有する実施例1では、低負荷領域〜高負荷領域に至る広い負荷範囲において、安定した電圧が得られることが分かった。   As a result, as shown in FIG. 4, in Comparative Example 1 having pores with small pore diameter distribution peaks of 0.015 μm, the voltage dropped rapidly in the high load region, although the voltage was high in the low load region. Further, in Comparative Example 2 having large pores having a pore size distribution peak of 0.15 μm, the voltage in the low load region was low, although there was no rapid voltage drop in the high load region. In contrast, in Example 1 in which the maximum peak of the pore size distribution has two peaks of 0.015 μm and 0.15 μm, it can be seen that a stable voltage can be obtained in a wide load range from a low load region to a high load region. It was.

<燃料電池システム>
本発明の燃料電池システムの実施例を図7に示す。この燃料電池システムは空冷式であり、燃料電池スタック40と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池スタック40に供給するための水素ガス供給系50と、酸化ガスとしての空気を燃料電池スタック40に供給するための空気供給系60と、空気供給系60に設けられた送風機61を制御するための制御装置70とを備えている。
<Fuel cell system>
An embodiment of the fuel cell system of the present invention is shown in FIG. This fuel cell system is air-cooled, and a fuel cell stack 40, a hydrogen gas supply system 50 for supplying hydrogen gas as a fuel gas to the fuel cell stack 40, and air as an oxidizing gas to the fuel cell stack 40. The air supply system 60 for supplying and the control apparatus 70 for controlling the air blower 61 provided in the air supply system 60 are provided.

燃料電池スタック40は、上述の実施例の燃料電池用単層セルを積層した構成とされており、図示しない空気流路の上流側に空気を燃料電池スタック40の空気流路内に導入するための空気マニホールド41が設けられており、空気流路の下流側には空気を排気するための空気ダクト42が設けられている。空気ダクト42には排気の温度を測定するための温度センサ43が設けられており、温度センサ43は制御装置70に接続されており、温度センサ43からの温度に関する信号を受けて、送風機61を制御可能とされている。   The fuel cell stack 40 has a structure in which the single-layer cells for fuel cells of the above-described embodiments are stacked, and in order to introduce air into the air flow path of the fuel cell stack 40 upstream of an air flow path (not shown). The air manifold 41 is provided, and an air duct 42 for exhausting air is provided downstream of the air flow path. The air duct 42 is provided with a temperature sensor 43 for measuring the temperature of the exhaust gas. The temperature sensor 43 is connected to the control device 70, receives a signal related to the temperature from the temperature sensor 43, and controls the blower 61. It can be controlled.

また、空気供給系60には外気を取り入れるための送風機61が設けられており、供給管62を介して空気マニホールド41に接続されている。送風機61は全圧30kPaの能力を有している。なお、空気供給系30に加湿器は備えられていない。   The air supply system 60 is provided with a blower 61 for taking in outside air, and is connected to the air manifold 41 through a supply pipe 62. The blower 61 has a capacity of a total pressure of 30 kPa. Note that the air supply system 30 is not provided with a humidifier.

水素供給系50には、水素源となる水素ボンベ51が調整弁52〜57を介して水素ポンプ58に接続されており、水素ポンプ58からさらに燃料電池スタック40の図示しない水素ガス流路へ接続されている。   In the hydrogen supply system 50, a hydrogen cylinder 51 serving as a hydrogen source is connected to a hydrogen pump 58 via adjustment valves 52 to 57, and further connected to a hydrogen gas flow path (not shown) of the fuel cell stack 40 from the hydrogen pump 58. Has been.

以上のように構成された燃料電池システムを駆動させる場合、水素供給系50の調整弁52〜57を調整して所定の圧力とし、水素ポンプ58へ供給し、さらに水素ポンプ58を駆動することにより、燃料電池スタック40の水素ガス流路に水素ガスを所定の流量となるように供給する。
また、空気供給系60の送風機61を駆動して、空気を空気マニホールド41から燃料電池スタック40の空気流路に供給する。これにより、燃料電池スタック40内で水素ガスの電気化学的酸化反応及び酸素の電気化学的還元反応が行われ、電流が負荷80に流れる。
空気流路の供給された過剰空気は空気ダクト42から排気されるが、その排気された空気の温度を温度センサ43が感知し、制御装置70に温度に関する信号を伝える。さらに制御装置70では、温度センサ43が感知した温度と設定温度とを比較し、感知温度が設定温度よりも高い場合には送風機61の出力を上げてさらに多くの空気を送り、燃料電池スタック40を空冷する。また、感知温度が設定温度よりも低い場合には送風機61の出力を下げて、空気の流量を下げる。これにより、燃料電池スタック40の温度が上昇する。こうして、制御装置70によって、ストイキ比を調整を行うことができる。
When driving the fuel cell system configured as described above, the adjustment valves 52 to 57 of the hydrogen supply system 50 are adjusted to a predetermined pressure, supplied to the hydrogen pump 58, and further driven by driving the hydrogen pump 58. Then, hydrogen gas is supplied to the hydrogen gas flow path of the fuel cell stack 40 at a predetermined flow rate.
Further, the blower 61 of the air supply system 60 is driven to supply air from the air manifold 41 to the air flow path of the fuel cell stack 40. Thereby, an electrochemical oxidation reaction of hydrogen gas and an electrochemical reduction reaction of oxygen are performed in the fuel cell stack 40, and a current flows to the load 80.
Excess air supplied to the air flow path is exhausted from the air duct 42, and the temperature sensor 43 senses the temperature of the exhausted air and transmits a temperature-related signal to the control device 70. Further, the control device 70 compares the temperature sensed by the temperature sensor 43 with the set temperature. If the sensed temperature is higher than the set temperature, the output of the blower 61 is increased to send more air, and the fuel cell stack 40 Air-cool. Further, when the sensed temperature is lower than the set temperature, the output of the blower 61 is lowered to lower the air flow rate. As a result, the temperature of the fuel cell stack 40 increases. Thus, the stoichiometric ratio can be adjusted by the control device 70.

実施例の燃料電池システムでは、燃料電池スタック40内の酸素極の拡散層が反応層で生成した水を拡散層内に吸い出し、拡散層内に液体水として保持される。
このため、酸素極に空気が供給されても、水は拡散層に保持され、空気中へ蒸発して持ち去られる量が少なくなる。このため、膜−電極接合体の乾燥を高度に防ぐことができる。このため、大きなストイキ比で駆動される空冷式燃料電池であるにもかかわらず、燃料電池スタック40の膜−電極接合体の乾燥が防止され、燃料電池システムの出力の低下が防止される。さらには、第1マイクロポーラス層の細孔径分布が2つ以上の極大ピークを有しているため、低負荷領域での乾燥及び高負荷領域でのフラッディング現象を防止でき、広い負荷範囲において電圧降下の小さい燃料電池システムとなる。
In the fuel cell system of the embodiment, the diffusion layer of the oxygen electrode in the fuel cell stack 40 sucks out water generated in the reaction layer into the diffusion layer, and is held as liquid water in the diffusion layer.
For this reason, even if air is supplied to the oxygen electrode, water is retained in the diffusion layer, and the amount that is evaporated and taken away into the air is reduced. For this reason, the drying of the membrane-electrode assembly can be highly prevented. For this reason, although the air-cooled fuel cell is driven with a large stoichiometric ratio, the membrane-electrode assembly of the fuel cell stack 40 is prevented from being dried and the output of the fuel cell system is prevented from being lowered. Furthermore, since the pore size distribution of the first microporous layer has two or more maximum peaks, drying in a low load region and flooding in a high load region can be prevented, and a voltage drop over a wide load range. It becomes a small fuel cell system.

(実施例2)
実施例2は、第1のマイクロポーラス層が厚さ方向において異なる細孔径分布を有する拡散層であり、以下のようにして作製される。
一次粒子径が16nmのカーボンブラック粉末100重量部に対してポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の微粉末を35重量部加えて混合し、このカーボン−PTFE混合物を溶着して自立膜とする。さらに、一次粒子径が48nmのカーボンブラック粉末100重量部に対してポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の微粉末を35重量部加えて混合し、このカーボン−PTFE混合物を溶着して自立膜とする。こうして得られた、細孔径分布の異なる2枚のカーボン−PTFE自立膜をホットプレスで貼り合わせることにより、厚さ方向において異なる細孔径分布を有する第1のマイクロポーラス層を作製することができる。さらには、こうして得られた第1のマイクロポーラス層を用い、実施例1と同様の方法によって、実施例2の拡散層が得られる。
(Example 2)
Example 2 is a diffusion layer in which the first microporous layer has a different pore size distribution in the thickness direction, and is produced as follows.
35 parts by weight of a fine powder of polytetrafluoroethylene (PTFE) is added to and mixed with 100 parts by weight of carbon black powder having a primary particle size of 16 nm, and this carbon-PTFE mixture is welded to form a self-supporting film. Furthermore, 35 parts by weight of a fine powder of polytetrafluoroethylene (PTFE) is added to and mixed with 100 parts by weight of carbon black powder having a primary particle diameter of 48 nm, and this carbon-PTFE mixture is welded to form a self-supporting film. By sticking the two carbon-PTFE self-supporting films having different pore diameter distributions obtained in this way by hot pressing, a first microporous layer having different pore diameter distributions in the thickness direction can be produced. Furthermore, using the first microporous layer thus obtained, the diffusion layer of Example 2 is obtained by the same method as in Example 1.

(実施例3)
実施例3は、第1のマイクロポーラス層が面方向において異なる細孔径分布を有する拡散層であり、以下のようにして作製される。
実施例2と同様の方法により、細孔径分布の異なる2種類のカーボン−PTFE自立膜を用意する。こうして作製した2種類のカーボン−PTFE自立膜を酸素極側反応層付拡散層とし、場所に応じて配置させて(例えば温度が高くなるため乾燥しがちな箇所には、細孔径の小さいカーボン−PTFE自立膜とする等)、ナフィオン(登録商標)からなる高分子電解質膜に圧着させる。こうして、面方向において異なる細孔径分布を有する第1のマイクロポーラス層を作製することができる。さらには、こうして得られた第1のマイクロポーラス層を用い、実施例1と同様の方法によって、実施例3の拡散層が得られる。
(Example 3)
Example 3 is a diffusion layer in which the first microporous layer has a different pore size distribution in the plane direction, and is produced as follows.
Two types of carbon-PTFE self-supporting membranes having different pore size distributions are prepared by the same method as in Example 2. The two types of carbon-PTFE self-supporting membranes thus prepared were used as diffusion layers with an oxygen electrode side reaction layer, and were arranged according to the location (for example, carbon with a small pore diameter in a location that tends to be dried due to high temperature) A PTFE self-supporting membrane) and a polymer electrolyte membrane made of Nafion (registered trademark). Thus, the first microporous layer having different pore size distributions in the plane direction can be produced. Furthermore, the diffusion layer of Example 3 is obtained by the same method as in Example 1 using the first microporous layer thus obtained.

(実施例4)
実施例4は、厚さ方向に貫通する細孔を有する第1のマイクロポーラス層を設けた拡散層であり、以下のようにして作製される。
一次粒子径が16nmのカーボンブラック粉末100重量部に対してポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の微粉末を35重量部加えて混合し、このカーボン−PTFE混合物を溶着して自立膜とする。この自立膜にレーザ光や針等を用いて厚さ方向に貫通する細孔を形成する。こうして得られた貫通孔付の自立膜を用い、実施例1と同様の方法によって拡散層を作製する。
Example 4
Example 4 is a diffusion layer provided with a first microporous layer having pores penetrating in the thickness direction, and is produced as follows.
35 parts by weight of a fine powder of polytetrafluoroethylene (PTFE) is added to and mixed with 100 parts by weight of carbon black powder having a primary particle size of 16 nm, and this carbon-PTFE mixture is welded to form a self-supporting film. A pore penetrating in the thickness direction is formed in the self-supporting film using a laser beam or a needle. Using the thus obtained self-supporting membrane with through-holes, a diffusion layer is produced by the same method as in Example 1.

この発明は上記発明の実施の態様及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。   The present invention is not limited to the description of the embodiments and examples of the invention described above. Various modifications are also included in the present invention as long as those skilled in the art can easily conceive without departing from the scope of the claims.

実施形態1の燃料電池用単層セルの模式断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of a single-layer cell for a fuel cell according to Embodiment 1. FIG. 実施例1及び比較例1、2における第1マイクロポーラス層の細孔径分布曲線である。2 is a pore size distribution curve of a first microporous layer in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2. FIG. 燃料電池システムのブロック図である。It is a block diagram of a fuel cell system. 実施例1及び比較例1、2に係る燃料電池単層セルの発電特性を示すグラフである。5 is a graph showing power generation characteristics of fuel cell single-layer cells according to Example 1 and Comparative Examples 1 and 2. FIG. 燃料電池システムの系統図である。It is a systematic diagram of a fuel cell system.

符号の説明Explanation of symbols

11…固体高分子電解質層
12d、13b、16d…反応層
12、13、16…拡散層
12a、13a…拡散層基材
12b…第1マイクロポーラス層
12c…第2マイクロポーラス層
31、61、62…空気供給手段(61…エアポンプ、62…供給管)
33、51〜58…水素ガス供給装置(51…水素ボンベ、52〜57…調整弁、58…水素ポンプ)
32、70…制御装置(制御手段)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Solid polymer electrolyte layer 12d, 13b, 16d ... Reaction layer 12, 13, 16 ... Diffusion layer 12a, 13a ... Diffusion layer base material 12b ... 1st microporous layer 12c ... 2nd microporous layer 31, 61, 62 ... Air supply means (61 ... Air pump, 62 ... Supply pipe)
33, 51-58 ... hydrogen gas supply device (51 ... hydrogen cylinder, 52-57 ... regulating valve, 58 ... hydrogen pump)
32, 70 ... Control device (control means)

Claims (11)

固体高分子電解質層の両側を、反応層と拡散層とからなる燃料極及び酸素極で挟持した燃料電池において、
酸素極の拡散層は、反応層で生成した水を吸い出し、液体水として保持する拡散層基材と、
該拡散層基材の反応層側に形成され、細孔径分布が2つ以上の極大ピークを有し、該極大ピークの少なくとも1つはガスを通して液体を実質的に通さない細孔径であり、該極大ピークの少なくとも1つは液体を通す細孔径を有する第1のマイクロポーラス層と、
前記拡散層基材の反応層と反対側に形成され、ガスを通して液体を実質的に通さない細孔径を有する第2のマイクロポーラス層と、を備えることを特徴とする燃料電池。
In a fuel cell in which both sides of a solid polymer electrolyte layer are sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode composed of a reaction layer and a diffusion layer,
The diffusion layer of the oxygen electrode sucks out the water generated in the reaction layer and holds it as liquid water,
Formed on the reaction layer side of the diffusion layer base material, the pore size distribution has two or more maximum peaks, and at least one of the maximum peaks is a pore size that does not substantially allow liquid to pass through the gas; A first microporous layer having a pore size through which a liquid passes at least one of the maximum peaks;
A fuel cell comprising: a second microporous layer that is formed on a side opposite to the reaction layer of the diffusion layer base material and has a pore diameter that does not substantially allow liquid to pass through the gas.
前記第1のマイクロポーラス層は、粒子径の異なる複数種類のカーボン粉末が含有されていることによって2つ以上の極大ピークを有する細孔径分布とされていることを特徴とする請求項1記載の燃料電池。   The first microporous layer has a pore size distribution having two or more maximum peaks by containing a plurality of types of carbon powders having different particle sizes. Fuel cell. 前記第1のマイクロポーラス層は面方向及び厚さ方向において実質的に均一な細孔径分布を有することを特徴とする請求項1又は2記載の燃料電池。   3. The fuel cell according to claim 1, wherein the first microporous layer has a substantially uniform pore size distribution in a surface direction and a thickness direction. 前記第1のマイクロポーラス層は厚さ方向において異なる細孔径分布を有することを特徴とする請求項1又は2記載の燃料電池。   3. The fuel cell according to claim 1, wherein the first microporous layer has different pore size distributions in a thickness direction. 前記第1のマイクロポーラス層は面方向において異なる細孔径分布を有することを特徴とする請求項1又は2記載の燃料電池。   3. The fuel cell according to claim 1, wherein the first microporous layer has different pore size distributions in a plane direction. 4. 前記第1のマイクロポーラス層は厚さ方向に貫通する1μm以上の径の孔を有することを特徴とする請求項1又は2記載の燃料電池。   3. The fuel cell according to claim 1, wherein the first microporous layer has a hole having a diameter of 1 μm or more penetrating in the thickness direction. 4. 前記第1と第2のマイクロポーラス層は、撥水性樹脂が添加されていることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein a water-repellent resin is added to the first and second microporous layers. 拡散層基材は金属多孔体からなることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 7, wherein the diffusion layer substrate is made of a metal porous body. 反応層で生成した水を吸い出し、液体水として保持する拡散層基材と、
該拡散層基材の一面側に形成され、細孔径分布が2つ以上の極大ピークを有し、該極大ピークの少なくとも1つはガスを通して液体を実質的に通さない細孔径であり、該極大ピークの少なくとも1つは液体を通す細孔径を有する第1のマイクロポーラス層と、
該拡散層基材の他面側に形成され、ガスを通して液体を実質的に通さない細孔径を有する第2のマイクロポーラス層とを備えることを特徴とする燃料電池用拡散層。
A diffusion layer base material that sucks out water generated in the reaction layer and holds it as liquid water;
Formed on one side of the diffusion layer substrate, the pore size distribution has two or more maximum peaks, and at least one of the maximum peaks is a pore size that does not substantially allow liquid to pass through the gas, and the maximum At least one of the peaks has a first microporous layer having a pore size through which liquid passes;
A fuel cell diffusion layer, comprising: a second microporous layer formed on the other surface side of the diffusion layer base material and having a pore diameter that does not allow liquid to substantially pass through the gas.
固体高分子電解質層の両側を、反応層と拡散層とからなる燃料極及び酸素極で挟持した燃料電池と、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手投と、前記酸素極に酸化ガス及び冷媒ガスとしての空気を供給する空気供給手段と、空気供給量を制御して前記燃料電池の温度を制御する制御手段とを備えた燃料電池システムにおいて、
少なくとも酸素極の拡散層は、反応層で生成した水を吸い出し、液体水として保持する拡散層基材と、該拡散層基材の反応層側に形成され、細孔径分布が2つ以上の極大ピークを有し、該極大ピークの少なくとも1つはガスを通して液体を実質的に通さない細孔径であり、該極大ピークの少なくとも1つは液体を通す細孔径を有する第1のマイクロポーラス層と、
前記拡散層基材の反応層と反対側に形成され、ガスを通して液体を実質的に通さない細孔径を有する第2のマイクロポーラス層とを備え、
前記制御手段は、供給空気のストイキ比を10から200の範囲となるように制御することを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell in which both sides of a solid polymer electrolyte layer are sandwiched by a fuel electrode and an oxygen electrode composed of a reaction layer and a diffusion layer, a fuel gas supply hand-pump for supplying fuel gas to the fuel electrode, and an oxidation to the oxygen electrode In a fuel cell system comprising air supply means for supplying air as gas and refrigerant gas, and control means for controlling the temperature of the fuel cell by controlling the air supply amount,
At least the oxygen electrode diffusion layer is formed on the reaction layer side of the diffusion layer substrate that sucks out the water generated in the reaction layer and holds it as liquid water, and has a maximum pore size distribution of two or more. A first microporous layer having a peak, wherein at least one of the maximum peaks is a pore size that does not substantially allow liquid to pass through the gas, and at least one of the maximum peaks has a pore size that allows the liquid to pass;
A second microporous layer that is formed on the opposite side of the reaction layer of the diffusion layer substrate and has a pore diameter that does not substantially allow liquid to pass through the gas,
The fuel cell system, wherein the control means controls the stoichiometric ratio of supply air to be in a range of 10 to 200.
前記空気供給手段は、送風機を用いたことを特徴とする請求項8記載の燃料電池システム。   9. The fuel cell system according to claim 8, wherein the air supply means uses a blower.
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