JP2009181918A - Polymer electrolyte fuel cell - Google Patents
Polymer electrolyte fuel cell Download PDFInfo
- Publication number
- JP2009181918A JP2009181918A JP2008022161A JP2008022161A JP2009181918A JP 2009181918 A JP2009181918 A JP 2009181918A JP 2008022161 A JP2008022161 A JP 2008022161A JP 2008022161 A JP2008022161 A JP 2008022161A JP 2009181918 A JP2009181918 A JP 2009181918A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel cell
- porous body
- polymer electrolyte
- electrode assembly
- gas
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Abstract
Description
本発明は、酸化ガス流路における圧損が少なく、触媒層への酸素の供給が円滑になされ、アノード側電極のフラッディング現象の起こりにくい固体高分子型燃料電池に関する。 The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell in which the pressure loss in an oxidizing gas flow path is small, oxygen is smoothly supplied to a catalyst layer, and an anode side electrode flooding phenomenon hardly occurs.
従来、固体高分子型燃料電池として、図6に示すように、高分子電解質膜90が触媒層91a、91bで挟まれ、さらにその触媒層91a、91bの外側を集電及びガス拡散の役割を果たす拡散層92a、92bで挟まれた膜−電極接合体93(以下「MEA」と称する)を備えたものが知られている。MEA93の両面はガス流路94a、94bを形成するセパレータ95、96のリブ95a、96aで挟持されて単位セル97が構成される。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。
Conventionally, as a polymer electrolyte fuel cell, as shown in FIG. 6, a
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:H2 → 2H++2e−
カソード側:1/2O2+2H++2e− → H2O
全反応 :H2+1/2O2 → H2O
すなわち、水素がアノード側のセパレータ96のガス流路94bに供給され、拡散層92bを通って触媒層91bに供給される。そして、触媒層91b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91bおよび高分子固体電解質膜90内を移動し、カソード側の触媒層91aに達する。
一方、カソード側に供給された酸素は、還元されて水が生成する。
こうして、固体高分子型燃料電池の内部における電気化学反応によって生じた水は、セパレータ95のガス流路94aを流れている酸化ガスとともに排出される。
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
On the other hand, the oxygen supplied to the cathode side is reduced to produce water.
Thus, the water generated by the electrochemical reaction inside the polymer electrolyte fuel cell is discharged together with the oxidizing gas flowing through the
しかし、上記の固体高分子型燃料電池では、ガス流路94a、94bを形成するためにセパレータ95、96にリブ95a、96aを設ける構造とされているため、リブ95a、96aが拡散層92a、92bに圧接されている部分にはガスの供給がされ難くなり、円滑な電極反応が妨げられるおそれがあった。また、リブ95a、96aを設けることにより、単位セル97の厚みが厚くなり、このため、単位体積あたりの発電量が小さくなるという問題があった。
However, in the polymer electrolyte fuel cell, the
一方、ガス流路に金属多孔体が用いられており、セパレータにリブを必要としないタイプの固体高分子型燃料電池も知られている(例えば特許文献1)。このような固体高分子型燃料電池であれば、リブを必要としないため、膜電極接合体へのガスの供給が電極全面で円滑に行なわれ、電極反応が妨げられることもない。また、リブを必要としない分、薄型化が可能となる。 On the other hand, a polymer electrolyte fuel cell of a type in which a metal porous body is used for the gas flow path and a rib is not required for the separator is also known (for example, Patent Document 1). Since such a polymer electrolyte fuel cell does not require a rib, gas is smoothly supplied to the membrane electrode assembly over the entire surface of the electrode, and the electrode reaction is not hindered. Further, the thickness can be reduced because the rib is not required.
また、本発明と関連する技術として、特許文献2には、導電性の多孔質材からなる集電体を燃料電池に用いた燃料電池について記載されている。ただし、これは高温下で駆動する固体酸化物型燃料電池についてのものであり、固体高分子型燃料電池についてのものではないため、後述するフラッディング現象の防止という本発明の課題は存在しない。
上記従来の、ガス流路が金属多孔体で形成されており、セパレータにリブを必要としないタイプの固体高分子型燃料電池では、ガス流路を形成するための金属多孔体の厚さを薄くして、薄型化を図ろうとした場合、圧力損失が大きくなるという問題があった。また、金属多孔体によって形成される流路は狭いため、水の排除が困難で、特にカソード側において水が溜まってガスの通過が困難となるフラッディング現象が生ずるおそれがあった。 In the conventional polymer electrolyte fuel cell in which the gas flow path is formed of a porous metal body and does not require ribs in the separator, the thickness of the porous metal body for forming the gas flow path is reduced. When attempting to reduce the thickness, there is a problem that the pressure loss increases. In addition, since the flow path formed by the metal porous body is narrow, it is difficult to remove water, and there is a possibility that a flooding phenomenon may occur in which water accumulates on the cathode side and gas passage becomes difficult.
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、ガス流路の圧力損が小さく、薄型化及び軽量化が可能で、フラッディング現象が生じ難い燃料電池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 solves the problem of providing a fuel cell in which the pressure loss of the gas flow path is small, the thickness and weight can be reduced, and the flooding phenomenon hardly occurs. It should be a challenge.
本発明の固体高分子型燃料電池の電極の第1の局面は、固体高分子電解質膜がアノード極とカソード極とによって挟持された膜電極接合体と、該膜電極接合体の外側に形成されたガス流路と、該ガス流路を外部から隔離するセパレータとを備える燃料電池であって、該ガス流路は該膜電極接合体とカソード極側のセパレータとによって挟持された導電性の多孔体からなる第1のガス流路と、該多孔体と該膜電極接合体との間に設けられ該第1のガス流路よりもガス透過性が高い第2のガス流路と、を備えていることを特徴とする。 The first aspect of the electrode of the polymer electrolyte fuel cell of the present invention is a membrane electrode assembly in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode, and is formed outside the membrane electrode assembly. A fuel cell comprising a gas channel and a separator for isolating the gas channel from the outside, wherein the gas channel is a conductive porous material sandwiched between the membrane electrode assembly and a cathode electrode side separator. A first gas flow path composed of a body, and a second gas flow path provided between the porous body and the membrane electrode assembly and having higher gas permeability than the first gas flow path. It is characterized by.
本発明の固体高分子型燃料電池では、膜電極接合体とカソード極側のセパレータとの間に、第1のガス流路となる多孔体が挟持されているため、多孔体がリブの役割を果たし、セパレータにリブを設ける必要がない。このため、膜電極接合体への酸化ガスの供給が電極全面で円滑に行なわれ、電極反応が部分的に妨げられるということがない。また、リブを必要としない分、薄型化が可能となる。さらに、多孔体は導電性を有しているため、多孔体がセパレータに電気を流すための集電体としての役割を果たすことができる。また、多孔体と該膜電極接合体との間には第2のガス流路が設けられているため、たとえ、多孔体によって形成される第1の流路に水が詰まったとしても、第2のガス流路によって酸化ガスの供給が円滑になされる。このため、フラッディング現象による電極反応の阻害を防止することができる。 In the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, since the porous body serving as the first gas flow path is sandwiched between the membrane electrode assembly and the separator on the cathode electrode side, the porous body serves as a rib. There is no need to provide a rib on the separator. For this reason, the supply of the oxidizing gas to the membrane electrode assembly is smoothly performed on the entire surface of the electrode, and the electrode reaction is not partially disturbed. Further, the thickness can be reduced because the rib is not required. Furthermore, since the porous body has conductivity, the porous body can serve as a current collector for flowing electricity to the separator. In addition, since the second gas flow path is provided between the porous body and the membrane electrode assembly, even if the first flow path formed by the porous body is clogged with water, The supply of the oxidizing gas is smoothly performed by the two gas flow paths. For this reason, inhibition of the electrode reaction due to the flooding phenomenon can be prevented.
こうした、第2のガス流路は、多孔体の膜電極接合体側の表面に溝を凹設しておくことによって、容易に形成することができる。また、固体高分子電解質膜のカソード側表面に溝を凹設することによって、これを第2のガス流路としてもよい。 Such a second gas flow path can be easily formed by providing a groove in the surface of the porous body on the membrane electrode assembly side. Alternatively, a groove may be provided in the cathode side surface of the solid polymer electrolyte membrane so as to serve as the second gas flow path.
多孔体の厚さは1.2mm以下であることが好ましい。多孔体の厚さが1.2mm以下の場合には、多孔体を酸化ガスが流れるための圧損が大きくなり、第2のガス流路を設けたことによる圧損低下の効果が大きい。また、多孔体の厚さが1.2mm以下と薄くなるため、燃料電池の薄型化が可能となり、単位容積あたりの出力も大きくなる。 The thickness of the porous body is preferably 1.2 mm or less. When the thickness of the porous body is 1.2 mm or less, the pressure loss due to the oxidizing gas flowing through the porous body increases, and the effect of reducing the pressure loss due to the provision of the second gas channel is great. Further, since the thickness of the porous body is as thin as 1.2 mm or less, the fuel cell can be thinned, and the output per unit volume is increased.
第2のガス流路の水力直径は0.15mm以上であることが好ましい。ガス流路断面が円の場合、ガス流路に詰まった水滴を排除するための排除圧ΔPは、その円の直径によって決定され、直径が大きいほど排除圧が小さくなる(下記式(1)参照)。
以下、本発明に係る膜電極接合体及びそれを用いた燃料電池を具体化した実施形態について説明する。 Embodiments of the membrane electrode assembly and the fuel cell using the same according to the present invention will be described below.
(実施例1)
実施例1の燃料電池は、図1に示すように、ナフィオン(登録商標)からなる高分子電解質膜11の両側がカソード側触媒層12a及びアノード側拡散層12bによって覆われている。カソード側触媒層12a及びアノード側拡散層12b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。
Example 1
In the fuel cell of Example 1, as shown in FIG. 1, both sides of a
カソード側触媒層12aにはチタン繊維の焼結体からなる薄板状のチタン多孔体13が重ねられており、その外側からステンレス製の板材からなるセパレータ14によって圧接されている。チタン多孔体13のカソード側触媒層12aと接する面には、酸化ガスの流れる方向に溝13aが互いに平行に所定の間隔で形成されている。溝13aの断面形状は長方形とされている。このような溝13aは、チタン繊維の焼結体からなる薄板をプレス成形したり、切削加工することによって容易に形成することができる。チタン多孔体13及び溝13aへは、図示しない空気供給装置によって酸化ガスとしての空気が供給される。ここで、チタン多孔体13が第1のガス流路であり、溝13aが第2のガス流路である。
A thin plate-like titanium
一方、アノード側触媒層12bにはカーボンクロス、カーボンペーパー、カーボン繊維からなる不織布等からなる拡散層15が重ねられており、その外側からステンレス製からなるセパレータ16によって圧接されている。セパレータ16にはガス流路16aが水素ガスの流れる方向に互いに平行に所定の間隔で形成されている。ガス流路16aへは、図示しない水素循環装置によって水素ガスが循環される構造とされている。
On the other hand, the anode-
(比較例1)
比較例1の燃料電池は、図2に示すように、チタン多孔体23に溝は形成されていない。その他については実施例1の燃料電池と同様であり、同一の構成には同一の符号を付して、説明を省略する。
(Comparative Example 1)
In the fuel cell of Comparative Example 1, as shown in FIG. 2, no groove is formed in the titanium
以上のように構成された実施例1の燃料電池における溝13aにおける水力直径dと水滴排除圧について、計算で求めた結果を図3に示す。この図から、水力直径が0.15mm以上であれば、排除圧は圧力損失が3kPaよりも小さくなり、ガス流路の圧力損失が常圧空気供給源であるファン等の圧力上限値に収まることが分かる。
FIG. 3 shows the results obtained by calculation for the hydraulic diameter d and the water droplet exclusion pressure in the
また、水力直径dが0.2mmである実施例1の燃料電池と、比較例1の燃料電池について、70°Cで飽和水蒸気圧となるように加湿した空気をチタン多孔体に供給した場合の、セル温度とカソード圧損との関係を測定した。その結果、図4に示すようにチタン多孔体13に溝13aを設けた実施例1では、チタン多孔体23に溝を設けなかった比較例1と比較して、カソード圧損失が1.2〜2kPa程度低くなることが分かった。このことから、実施例1の燃料電池は比較例1よりも水が排出されやすく、フラッディング現象を起こり難いことが分かる。
In addition, for the fuel cell of Example 1 having a hydraulic diameter d of 0.2 mm and the fuel cell of Comparative Example 1, when humidified air was supplied to the porous titanium body at 70 ° C. so as to have a saturated water vapor pressure. The relationship between the cell temperature and the cathode pressure loss was measured. As a result, in Example 1 in which the
さらには、70°Cで飽和水蒸気圧となるように加湿した空気をチタン多孔体に供給した場合の、セル温度50°Cにおける電流密度と電圧との関係を調べた。その結果、図5に示すように、実施例1では電流密度を上げていっても、電圧の低下は穏やかであるのに対し、比較例1では電流密度を上げるにつれて、急激に電圧が降下した。 Furthermore, the relationship between the current density and the voltage at a cell temperature of 50 ° C. when the air humidified to 70 ° C. to obtain a saturated water vapor pressure was supplied to the porous titanium body was examined. As a result, as shown in FIG. 5, even when the current density was increased in Example 1, the voltage decrease was moderate, whereas in Comparative Example 1, the voltage decreased rapidly as the current density was increased. .
以上の結果は、以下のように解釈することができる。
実施形態1の燃料電池において、空気がカソード側のチタン多孔体13及び溝13aに供給され、水素ガスがアノード側のガス流路16aに供給される。このため、アノード側では水素ガスが拡散層15を通ってアノード側触媒層12bに供給され、ここで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高分子固体電解質膜11内を移動し、カソード側触媒層12aに達する。一方、カソード側のチタン多孔体13及び溝13aに供給された空気中の酸素は、カソード側触媒層12aにおいて還元されて水が生成する。こうしてカソード側触媒層12aに溜まった水は、チタン多孔体13に吸収されるとともに、溝13aに染み出す。溝13aに染み出した水は、溝13aを流れる空気の圧力によって容易に排除されることとなる。このため、この燃料電池では、チタン多孔体13が水浸しとなることはなく、フラッディング現象が生じ難い燃料電池となり、圧損も小さくなる。また、セパレータ14にガス流路を形成するためのリブを設ける必要もないため、その分薄型化及び軽量化が可能となる。
The above results can be interpreted as follows.
In the fuel cell of
これに対して、比較例1の燃料電池では、チタン多孔体23には溝が設けられておらず、水が排出され難いため、水がチタン多孔体23に留まり、排出圧が上昇する。このため、フラッディング現象を起こしやすいと考えられる。
On the other hand, in the fuel cell of Comparative Example 1, since the groove is not provided in the titanium
この発明は、上記発明の実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、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 of the invention. Various modifications may be included in the present invention as long as those skilled in the art can easily conceive without departing from the description of the scope of claims.
11…固体高分子電解質膜
12b…カソード側触媒層(アノード極)
12a…カソード側触媒層(カソード極)
11,12a,12b…膜電極接合体
11…ガス流路
13,13a,16a…ガス流路(13…チタン多孔体,13a…溝,16a…ガス流路)
13…第1のガス流路
13a…第2のガス流路
11 ... Solid
12a ... Cathode side catalyst layer (cathode electrode)
DESCRIPTION OF
13 ... 1st
Claims (4)
該ガス流路は該膜電極接合体とカソード極側のセパレータとによって挟持された導電性の多孔体からなる第1のガス流路と、該多孔体と該膜電極接合体との間に設けられ該第1のガス流路よりもガス透過性が高い第2のガス流路と、を備えていることを特徴とする固体高分子型燃料電池。 A membrane electrode assembly in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode, a gas channel formed outside the membrane electrode assembly, and a separator for isolating the gas channel from the outside A fuel cell comprising:
The gas flow path is provided between a first gas flow path made of a conductive porous body sandwiched between the membrane electrode assembly and a cathode electrode side separator, and the porous body and the membrane electrode assembly. And a second gas passage having a gas permeability higher than that of the first gas passage.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008022161A JP2009181918A (en) | 2008-01-31 | 2008-01-31 | Polymer electrolyte fuel cell |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008022161A JP2009181918A (en) | 2008-01-31 | 2008-01-31 | Polymer electrolyte fuel cell |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2009181918A true JP2009181918A (en) | 2009-08-13 |
Family
ID=41035703
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2008022161A Pending JP2009181918A (en) | 2008-01-31 | 2008-01-31 | Polymer electrolyte fuel cell |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2009181918A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106575776A (en) * | 2014-06-27 | 2017-04-19 | 努威拉燃料电池有限责任公司 | Flow fields for use with an electrochemical cell |
WO2023227717A1 (en) * | 2022-05-27 | 2023-11-30 | Basf Se | Gas-permeable electronically conductive plate for use as porous transport layer for an electrolyzer |
-
2008
- 2008-01-31 JP JP2008022161A patent/JP2009181918A/en active Pending
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106575776A (en) * | 2014-06-27 | 2017-04-19 | 努威拉燃料电池有限责任公司 | Flow fields for use with an electrochemical cell |
CN106575776B (en) * | 2014-06-27 | 2020-11-03 | 努威拉燃料电池有限责任公司 | Flow field for use with electrochemical cells |
CN112467163A (en) * | 2014-06-27 | 2021-03-09 | 努威拉燃料电池有限责任公司 | Flow field for use with electrochemical cells |
WO2023227717A1 (en) * | 2022-05-27 | 2023-11-30 | Basf Se | Gas-permeable electronically conductive plate for use as porous transport layer for an electrolyzer |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7745063B2 (en) | Fuel cell stack | |
JP4938912B2 (en) | POLYMER ELECTROLYTE FUEL CELL AND FUEL CELL STACK HAVING THE SAME | |
JP4121491B2 (en) | Liquid fuel mixing apparatus and direct liquid fuel cell using the same | |
JP4956870B2 (en) | Fuel cell and fuel cell manufacturing method | |
US8221932B2 (en) | Fuel cell | |
JP5294550B2 (en) | Membrane electrode assembly and fuel cell | |
JP2003178780A (en) | Polymer electrolyte type fuel cell system and operating method of polymer electrolyte type fuel cell | |
JP2009070637A (en) | Fuel cell, diffusion layer for fuel cell and fuel cell system | |
JP2007299656A (en) | Electrode of fuel cell | |
JP2009181918A (en) | Polymer electrolyte fuel cell | |
JP5298412B2 (en) | Fuel cell | |
JP2007299654A (en) | Electrode of fuel cell | |
JP2005222720A (en) | Fuel cell | |
JP5480082B2 (en) | Fuel cell | |
JP2009043688A (en) | Fuel cell | |
JP2009099262A (en) | Fuel cell | |
JP2010232083A (en) | Fuel cell | |
JP2008146859A (en) | Membrane-electrode assembly and fuel cell having it | |
JP6546951B2 (en) | Electrolyte membrane electrode structure | |
JP2007242564A (en) | Fuel cell | |
JP4661103B2 (en) | Fuel cell | |
JP2008041352A (en) | Gas diffusion layer and fuel cell | |
JP2015153568A (en) | fuel cell stack | |
JP2006331717A (en) | Gas diffusion electrode for polymer electrolyte fuel cell, membrane electrode assembly for polymer electrolyte fuel cell and its manufacturing method, and polymer electrolyte fuel cell | |
JP2006318790A (en) | Solid polymer type fuel cell, gas diffusion electrode therefor, and its manufacturing method |