JP2009259735A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池に関し、特に、閉塞流路を有する燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a fuel cell having a closed channel.
燃料電池は、電解質層(以下「電解質膜」という。)と、電解質膜の両面側にそれぞれ形成された電極(アノード触媒層及びカソード触媒層)とを備える膜電極構造体(以下「MEA」ということがある。)で電気化学反応を起こし、当該電気化学反応により発生した電気エネルギーを外部に取り出す装置である。燃料電池の中でも、家庭用コージェネレーション・システムや自動車等に使用される固体高分子型燃料電池(以下「PEFC」ということがある。)は、低温領域で運転することができる。このPEFCは、高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車の動力源や携帯用電源として注目されている。 A fuel cell has a membrane electrode structure (hereinafter referred to as “MEA”) including an electrolyte layer (hereinafter referred to as “electrolyte membrane”) and electrodes (an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer) formed on both sides of the electrolyte membrane, respectively. In this case, an electrochemical reaction is caused and the electrical energy generated by the electrochemical reaction is taken out to the outside. Among fuel cells, a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter sometimes referred to as “PEFC”) used in a home cogeneration system, an automobile, or the like can be operated in a low temperature region. This PEFC has been attracting attention as a power source and portable power source for electric vehicles because of its high energy conversion efficiency, short start-up time, and small and light system.
PEFCの単セルは、MEAと、当該MEAを狭持する一対の集電体(セパレータ)と、を備え、MEAには、含水状態に保たれることによりプロトン伝導性能を発現するプロトン伝導性ポリマーが含有される。PEFCの運転時には、アノードに水素含有ガス(以下「水素」という。)が、カソードに酸素含有ガス(以下「空気」という。)が、それぞれ供給される。アノードへと供給された水素は、アノードの触媒層(以下「アノード触媒層」ということがある。)に含まれる触媒の作用下でプロトンと電子に分離し、水素から生じたプロトンは、アノード触媒層及び電解質膜を通ってカソードの触媒層(以下「カソード触媒層」ということがある。)へと達する。一方、電子は、外部回路を通ってカソード触媒層へと達し、かかる過程を経ることにより、電気エネルギーを取り出すことが可能になる。そして、カソード触媒層へと達したプロトン及び電子と、カソード触媒層へと供給された空気に含有されている酸素とが反応することにより、水が生成される。 A single cell of PEFC includes a MEA and a pair of current collectors (separators) sandwiching the MEA, and the MEA has a proton conducting polymer that exhibits proton conducting performance by being kept in a water-containing state. Is contained. During operation of the PEFC, a hydrogen-containing gas (hereinafter referred to as “hydrogen”) is supplied to the anode, and an oxygen-containing gas (hereinafter referred to as “air”) is supplied to the cathode. The hydrogen supplied to the anode is separated into protons and electrons under the action of the catalyst contained in the catalyst layer of the anode (hereinafter also referred to as “anode catalyst layer”). It reaches the cathode catalyst layer (hereinafter also referred to as “cathode catalyst layer”) through the layer and the electrolyte membrane. On the other hand, electrons reach the cathode catalyst layer through an external circuit, and through such a process, electric energy can be extracted. Then, protons and electrons that have reached the cathode catalyst layer react with oxygen contained in the air supplied to the cathode catalyst layer, thereby generating water.
水素や空気等の流体が流通する流路を備えたセパレータがMEAの両側に配設されるPEFCでは、湾曲した形態の流路(いわゆるサーペンタイン形状)や、直線型の流路等が備えられる形態が知られており、当該流路へと流入する流体の入口(以下において「流路の入口」という。)、及び、当該流路から流出する流体の出口(以下において「流路の出口」という。)が、ともに閉塞されていない形態が良く知られている。ところが、このような流路からMEAへ流体を供給すると、流路に挟まれたセパレータの凸部と対向するMEAの領域へ流体が拡散し難く、単セルの発電性能を向上させ難い等の問題があった。そのため、セパレータの凸部と対向するMEA領域への流体の拡散性を向上させること等を目的として、これまでに、流路の入口又は出口が閉塞された流路(以下において「閉塞流路」という。)が備えられる形態のPEFCが開発されてきている。 In PEFC in which separators having flow paths through which fluids such as hydrogen and air circulate are arranged on both sides of the MEA, a curved flow path (so-called serpentine shape), a linear flow path, and the like are provided. Is known, and an inlet for fluid flowing into the channel (hereinafter referred to as “channel inlet”) and an outlet for fluid flowing out from the channel (hereinafter referred to as “channel outlet”). However, it is well known that both are not occluded. However, when a fluid is supplied from such a channel to the MEA, the fluid is difficult to diffuse to the MEA region facing the convex portion of the separator sandwiched between the channels, and it is difficult to improve the power generation performance of the single cell. was there. Therefore, for the purpose of improving the diffusibility of the fluid to the MEA region facing the convex portion of the separator, etc., a flow channel in which the flow channel inlet or outlet has been closed so far (hereinafter referred to as “clogged flow channel”). PEFC has been developed in a form that is equipped with
閉塞流路が備えられる形態のPEFCに関する技術として、例えば、特許文献1には、電解質膜を有する発電セルと、発電セルに対向するセパレータとを備え、セパレータの発電セル側の面に、入口部が閉塞部材により閉塞された溝状の流路と出口部が閉塞部材により閉塞された溝状の流路とが交互にストライプ状に並ぶガス流路が形成されている燃料電池が開示されている。また、特許文献2には、閉塞流路のMEA側の開口部の幅が、MEAから離れた位置における閉塞流路の幅よりも小さい形態の燃料電池が開示されている。また、特許文献3には、閉塞流路の開口部幅が、閉塞流路の最大幅よりも小さい形態の燃料電池が開示されている。また、特許文献4には、流体通路の上流側において溝の開口部側の幅を小さくし、流体通路の下流側において溝の開口部側の幅を大きくした燃料電池用セパレータが開示されている。
For example, Patent Document 1 includes a power generation cell having an electrolyte membrane and a separator facing the power generation cell as a technology related to PEFC in a form in which a closed channel is provided. A fuel cell is disclosed in which a gas flow path in which a groove-shaped flow path closed by a closing member and a groove-shaped flow path closed by a closing member are alternately arranged in a stripe shape is formed. .
特許文献1に開示された技術によれば、閉塞流路が備えられているので、セパレータの凸部と対向するMEAの領域にも流体を容易に拡散させることによって、発電性能を向上させることが可能になると考えられる。ところが、特許文献1に開示された技術では、セパレータの凸部と対向する領域と比較して、閉塞流路と対向する領域を流通する流体の量が少なくなりやすく、それぞれの領域へ最適な量の流体を供給することが困難であるという問題があった。また、特許文献2及び特許文献3に開示された技術によれば、セパレータと接触する構成部材における流体の拡散性を向上させることが可能になると考えられる。ところが、これらの技術では、MEAの外周側へ流体を供給することが困難であるという問題があった。また、特許文献4に開示された技術によれば、流体の下流側にも多量の流体を拡散させることが可能になると考えられるが、かかる技術によっても、MEAの外周側へ流体を供給することが困難であるという問題があった。すなわち、特許文献1〜特許文献4に開示された技術では、MEAに備えられるアノード触媒層やカソード触媒層の略全面へ流体を均一に供給することが困難であり、性能を向上させることが困難であるという問題があった。
According to the technique disclosed in Patent Document 1, since the closed channel is provided, the power generation performance can be improved by easily diffusing the fluid also in the MEA region facing the convex portion of the separator. It will be possible. However, in the technique disclosed in Patent Document 1, the amount of fluid flowing through the region facing the closed channel is likely to be smaller than the region facing the convex portion of the separator, and the optimum amount for each region There was a problem that it was difficult to supply the fluid. Further, according to the techniques disclosed in
そこで本発明は、性能を向上させることが可能な燃料電池を提供することを課題とする。 Then, this invention makes it a subject to provide the fuel cell which can improve performance.
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
本発明は、電解質膜、電解質膜の一方の面へ形成されたアノード触媒層、及び、電解質膜の他方の面へ形成されたカソード触媒層を有する膜電極構造体と、流体が流通する複数の流路を備えたセパレータと、を具備し、複数の流路に、膜電極構造体へと供給される流体が流通する複数の供給用流路、及び、膜電極構造体から排出された流体が流通する複数の排出用流路が備えられ、供給用流路及び排出用流路は、入口又は出口が閉塞され、セパレータの、膜電極構造体と対向する面に備えられた、供給用流路及び排出用流路の開口部の幅が、それぞれ供給用流路及び排出用流路の平均流路幅よりも狭く、膜電極構造体の外周側の領域と対向する供給用流路及び排出用流路に備えられた開口部は、それぞれ供給用流路及び排出用流路の流路幅の中央から膜電極構造体の外周側へ寄せて備えられることを特徴とする、燃料電池である。
In order to solve the above problems, the present invention takes the following means. That is,
The present invention relates to a membrane electrode structure having an electrolyte membrane, an anode catalyst layer formed on one surface of the electrolyte membrane, and a cathode catalyst layer formed on the other surface of the electrolyte membrane, and a plurality of fluids flowing therethrough A separator provided with a flow path, and a plurality of flow paths for supply through which a fluid supplied to the membrane electrode structure circulates, and fluid discharged from the membrane electrode structure. A plurality of discharge channels that circulate, the supply channels and the discharge channels are closed at the inlet or outlet, and the supply channels are provided on the surface of the separator facing the membrane electrode structure And the width of the opening of the discharge channel is narrower than the average channel width of the supply channel and the discharge channel, respectively, and the supply channel and the discharge channel facing the outer peripheral region of the membrane electrode structure The openings provided in the flow paths are the widths of the supply flow path and the discharge flow path, respectively. Characterized in that it is provided Intention to the outer peripheral side of the membrane electrode assembly from the central, a fuel cell.
ここに、「供給用流路及び排出用流路は、入口又は出口が閉塞され」とは、供給用流路はその出口がセパレータの側面(膜電極構造体と対向するセパレータの面を正面又は背面とする場合の側面を意味する。以下同じ。)に開口しておらず、排出用流路は供給用流路の入口と隣接する側の一端がセパレータの側面に開口していないことを意味する。さらに、「平均流路幅」とは、膜電極構造体の厚さ方向を法線方向とする複数の平面で一の流路を切断した場合における、流体が流通する空間の幅(流路幅)の平均値を意味する。さらに、「膜電極構造体の外周側の領域」とは、セパレータと対向する膜電極構造体の面の中心よりも、膜電極構造体の外周への距離が近い部位によって構成される膜電極構造体の領域を意味する。 Here, “the inlet and outlet of the supply channel and the outlet channel are closed” means that the outlet of the supply channel is the side of the separator (the surface of the separator facing the membrane electrode structure is the front or It means the side surface in the case of the back side, the same shall apply hereinafter), and the discharge channel means that one end on the side adjacent to the inlet of the supply channel is not open on the side surface of the separator. To do. Furthermore, the “average channel width” is the width of the space through which fluid flows when one channel is cut along a plurality of planes whose normal direction is the thickness direction of the membrane electrode structure (channel width) ) Mean value. Further, the “region on the outer peripheral side of the membrane electrode structure” means a membrane electrode structure constituted by a portion closer to the outer periphery of the membrane electrode structure than the center of the surface of the membrane electrode structure facing the separator It means the body area.
また、上記本発明において、供給用流路の出口側における開口部の幅は、供給用流路の入口側における開口部の幅よりも広いことが好ましい。 In the present invention, the width of the opening on the outlet side of the supply channel is preferably wider than the width of the opening on the inlet side of the supply channel.
本発明では、膜電極構造体と対向する閉塞流路の開口部の幅が、当該閉塞流路の平均流路幅よりも狭い。かかる形態とすることにより、閉塞流路と対向する膜電極構造体の領域へと供給される流体の量と、セパレータの凸部と対向する膜電極構造体の領域へと供給される流体の量との差を、従来よりも低減することができる。さらに、本発明では、膜電極構造体の外周側の領域と対向する閉塞流路の開口部が、当該閉塞流路の流路幅の中央から膜電極構造体の外周側へ寄せて備えられる。かかる形態とすることにより、膜電極構造体の外周側の領域にも、多量の流体を供給することができる。したがって、本発明によれば、膜電極構造体の略全面へ流体を均一に供給することにより、性能を向上させることが可能な、燃料電池を提供することができる。 In the present invention, the width of the opening of the closed channel facing the membrane electrode structure is narrower than the average channel width of the closed channel. By adopting such a configuration, the amount of fluid supplied to the region of the membrane electrode structure facing the closed channel and the amount of fluid supplied to the region of the membrane electrode structure facing the convex portion of the separator The difference can be reduced as compared with the prior art. Furthermore, in the present invention, the opening portion of the closed channel facing the region on the outer peripheral side of the membrane electrode structure is provided from the center of the channel width of the closed channel toward the outer peripheral side of the membrane electrode structure. By adopting such a configuration, a large amount of fluid can also be supplied to the region on the outer peripheral side of the membrane electrode structure. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a fuel cell capable of improving performance by supplying fluid uniformly to substantially the entire surface of the membrane electrode structure.
また、本発明において、供給用流路の出口側における開口部の幅を、供給用流路の入口側における開口部の幅よりも広くすることにより、供給用流路の出口側と対向する膜電極構造体の領域にも、多量の流体を供給することができる。かかる形態とすることにより、膜電極構造体の略全面へ流体を均一に供給することが容易になるので、本発明によれば、性能を容易に向上させることが可能な、燃料電池を提供することができる。 Further, in the present invention, the width of the opening on the outlet side of the supply channel is wider than the width of the opening on the inlet side of the supply channel, thereby opposing the outlet side of the supply channel. A large amount of fluid can also be supplied to the region of the electrode structure. By adopting such a configuration, it becomes easy to uniformly supply the fluid to substantially the entire surface of the membrane electrode structure. Therefore, according to the present invention, a fuel cell capable of easily improving performance is provided. be able to.
以下、図面を参照しつつ、本発明について説明する。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明は以下に示す形態に限定されるものではない。 The present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the form shown below is an illustration of this invention and this invention is not limited to the form shown below.
図1は、本発明の燃料電池に備えられる単セルの形態例を示す断面図であり、図1の紙面左右方向が、セパレータの厚さ方向である。図1では、一部符号の記載を省略している。図1に示すように、本発明の燃料電池100に備えられる単セル10は、電解質膜1と、電解質膜1の一方の面に形成されたアノード触媒層2と、電解質膜1の他方の面(アノード触媒層2が形成された面と反対側の面)に形成されたカソード触媒層3とを有するMEA4と、アノード触媒層2側に配設されたガス拡散層5と、カソード触媒層3側に配設されたガス拡散層6と、ガス拡散層5側に配設されたセパレータ7と、ガス拡散層6側に配設されたセパレータ8と、を備える。セパレータ7には、その出口がセパレータ7の側面に開口していない供給用流路71、71、…と、供給用流路71、71、…の入口側と隣接する一端がセパレータ7の側面に開口していない排出用流路72、72、…とが、交互に備えられ、セパレータ8には、その出口がセパレータ8の側面に開口していない供給用流路81、81、…と、供給用流路81、81、…の入口側と隣接する一端がセパレータ8の側面に開口していない排出用流路82、82、…とが、交互に備えられている。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a single cell provided in the fuel cell of the present invention, and the left-right direction in FIG. 1 is the thickness direction of the separator. In FIG. 1, the description of some symbols is omitted. As shown in FIG. 1, the
本発明の燃料電池の作動時には、供給用流路71、71、…を介して供給され、ガス拡散層5を通過した水素が、アノード触媒層2へと達し、アノード触媒層2に含有されている触媒(例えば、白金等。以下同じ。)の作用下で、水素からプロトン及び電子が発生する電気化学反応が生じる。このようにして発生したプロトンは、アノード触媒層2、電解質膜1、及び、カソード触媒層3に含有されているプロトン伝導体(例えば、フッ素系のプロトン伝導ポリマー等。以下同じ。)を介して、カソード触媒層3に含有されている触媒へと伝導される。これに対し、アノード触媒層2で発生した電子は、外部回路を経由して、カソード触媒層3に含有されている触媒へと伝導される。そして、供給用流路81、81、…、及び、ガス拡散層6を経由してカソード触媒層3へと供給された空気に含有される酸素と、カソード触媒層3へと伝導されてきたプロトン及び電子とが、カソード触媒層3に含有されている触媒の作用下で電気化学反応することにより、カソード触媒層3で水が生成される。
During the operation of the fuel cell of the present invention, the hydrogen supplied through the
燃料電池の作動時に、供給用流路71、71、…を介してアノード触媒層2へと供給された水素のうち、アノード触媒層2における電気化学反応に利用されなかった水素(以下において「残存水素」という。)は、供給用流路71、71、…と隣接して備えられる排出用流路72、72、…を介して、単セル10の外へと排出される。ここで、供給用流路71、71、…はその出口がセパレータ7の側面に開口していないため、残存水素は、供給用流路71、71、…から、セパレータ7の凸部と対向するMEA4の領域を経由して、排出用流路72、72、…へと達する。そのため、供給用流路71、71、…、及び、排出用流路72、72、…が備えられる本発明の燃料電池によれば、セパレータ7の凸部と対向するMEA4の領域にも、多量の水素を供給することができる。
Of the hydrogen supplied to the
他方、燃料電池の作動時に、供給用流路81、81、…を介してカソード触媒層3へと供給された空気のうち、カソード触媒層3における電気化学反応に利用されなかった空気(以下において「残存空気」という。)は、供給用流路81、81、…と隣接して備えられる排出用流路82、82、…を介して、単セル10の外へと排出される。ここで、供給用流路81、81、…はその出口がセパレータ8の側面に開口していないため、残存空気は、供給用流路81、81、…から、セパレータ8の凸部と対向するガス拡散層6の領域を経由して、排出用流路82、82、…へと達する。そのため、供給用流路81、81、…、及び、排出用流路82、82、…が備えられる本発明の燃料電池によれば、セパレータ8の凸部と対向するMEA4の領域にも、多量の空気を供給することができる。
On the other hand, of the air supplied to the
図2は、図1に示す燃料電池100に備えられるセパレータ7及びガス拡散層5の一部を拡大して示す断面図であり、図2の紙面上下方向が、セパレータ7の厚さ方向である。セパレータ7及びセパレータ8は同様の形態であり、ガス拡散層5及びガス拡散層6は同様の形態であるため、図2ではセパレータ8及びガス拡散層6の符号を括弧書きで付記する。図3は、開口部の位置が制御されていない閉塞流路を有するセパレータを備えた従来の燃料電池、の一部を拡大して示す断面図であり、図3の紙面上下方向が、セパレータの厚さ方向である。
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing a part of the
図1及び図2に示すように、本発明における供給用流路71、71、…には、当該供給用流路71、71、…の平均流路幅よりも幅が小さい開口部71x、71x、…が備えられ、本発明における排出用流路72、72、…には、当該排出用流路72、72、…の平均流路幅よりも幅が小さい開口部72x、72x、…が備えられている。同様に、本発明における供給用流路81、81、…には、当該供給用流路81、81、…の平均流路幅よりも幅が小さい開口部81x、81x、…が備えられ、本発明における排出用流路82、82、…には、当該排出用流路82、82、…の平均流路幅よりも幅が小さい開口部82x、82x、…が備えられている。さらに、図1及び図2に示すように、MEA4及びガス拡散層5の外周側の領域と対向する位置に備えられた開口部71x、71x、…及び開口部72x、72x、…は、供給用流路71、71、…及び排出用流路72、72、…の流路幅の中央よりもMEA4及びガス拡散層5の外周側へ寄せて、形成されている。同様に、MEA4及びガス拡散層6の外周側の領域と対向する位置に備えられた開口部81x、81x、…及び開口部82x、82x、…は、供給用流路81、81、…及び排出用流路82、82、…の流路幅の中央よりもMEA4及びガス拡散層6の外周側へ寄せて、形成されている。一方、図3に示すセパレータでは、全ての閉塞流路における流路幅の略中央位置に、開口部が形成されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
図1〜図3に示すように、MEA4やガス拡散層5、6の外周側の領域と対向する位置に備えられた開口部71x、71x、…、開口部72x、72x、…、開口部81x、81x、…、及び、開口部82x、82x、…が、MEA4やガス拡散層6、7の外周側へ寄せて形成されることにより、図2にA1で示される領域を、図3にA2で示される領域よりも低減することができる。外周側のA1やA2で示される領域は、これら以外の領域と比較して、水素や空気が供給され難いと考えられるが、閉塞流路に備えられる開口部の位置を制御する本発明によれば、アノード触媒層2及びガス拡散層5の略全面へ水素を供給し、カソード触媒層3及びガス拡散層6の略全面へ酸素を供給することが可能になる。したがって、本発明によれば、A1の領域を低減することができるので、アノード触媒層2の略全面へ水素を均一に供給すること、及び、カソード触媒層3の略全面へ空気を均一に供給することにより、性能を向上させることが可能な、燃料電池100を提供することができる。
As shown in FIGS. 1 to 3,
図4は、図1に示す燃料電池100に備えられるセパレータ7の一部を拡大して示す正面図であり、流体の流通方向を矢印で示している。図4の紙面奥/手前方向が、セパレータの厚さ方向である。セパレータ7及びセパレータ8は同様の形状を有するため、図4ではセパレータ8の符号を括弧書きで付記する。図4に示すように、本発明の燃料電池100では、供給用流路71、71、…の出口側における開口部71x、71x、…(以下において「開口部71a、71a、…」という。)の幅が、供給用流路71、71、…の入口側における開口部71x、71x、…(以下において「開口部71b、71b、…」という。)の幅よりも広い。さらに、開口部71a、71a、…と隣接する排出用流路72、72、…の開口部72x、72x、…(以下において「開口部72a、72a、…」という。)の幅が、開口部71b、71b、…と隣接する72x、72x、…(以下において「開口部72b、72b、…」という。)の幅よりも広い。加えて、燃料電池100では、供給用流路81、81、…の出口側における開口部81x、81x、…(以下において「開口部81a、81a、…」という。)の幅が、供給用流路81、81、…の入口側における開口部81x、81x、…(以下において「開口部81b、81b、…」という。)の幅よりも広い。そして、開口部81a、81a、…と隣接する開口部82x、82x、…(以下において「開口部82a、82a、…」という。)の幅が、開口部81b、81b、…と隣接する開口部82x、82x、…(以下において「開口部82b、82b、…」という。)の幅よりも広い。
FIG. 4 is an enlarged front view showing a part of the
上述のように、供給用流路71、71、…を介して供給される水素の少なくとも一部は、アノード触媒層2における電気化学反応に使用されるため、供給用流路71、71、…の出口近傍を流通する水素の流量は、供給用流路71、71、…の入口近傍を流通する水素の流量よりも少ない。そのため、開口部71a、71a、…の幅と、開口部71b、71b、…の幅を同一にすると、開口部71a、71a、…からは開口部71b、71b、…よりも少量の水素が供給されるため、開口部71a、71a、…と対向するアノード触媒層2の領域では、開口部71b、71b、…と対向するアノード触媒層2の領域よりも、電気化学反応の発生頻度が低減する虞がある。ところが、本発明の燃料電池100では、開口部71a、71a、…の幅を開口部71b、71b、…の幅よりも大きくするとともに、開口部72a、72a、…の幅を開口部72b、72b、…の幅よりも大きくすることによって、供給用流路71、71、…の出口側におけるセパレータ7の凸部の幅を、供給用流路71、71、…の入口側におけるセパレータ7の凸部の幅よりも小さくしている。かかる形態とすることにより、供給用流路71、71、…の出口側における水素の圧力損失を、供給用流路71、71、…の入口側における水素の圧力損失よりも低減することが可能になるので、開口部71a、71a、…と対向するアノード触媒層2の領域にも、開口部71b、71b、…と対向するアノード触媒層2の領域と同程度の量の水素を供給することが可能になる。そのため、本発明によれば、アノード触媒層2の略全面へ水素を均一に供給することを容易にして、性能を容易に向上させることが可能な、燃料電池100を提供することができる。
As described above, since at least a part of the hydrogen supplied through the
また、上述のように、供給用流路81、81、…を介して供給される空気の少なくとも一部は、カソード触媒層3における電気化学反応に使用されるため、供給用流路81、81、…の出口近傍を流通する空気の流量は、供給用流路81、81、…の入口近傍を流通する空気の流量よりも少ない。そのため、開口部81a、81a、…の幅と、開口部81b、81b、…の幅を同一にすると、開口部81a、81a、…からは開口部81b、81b、…よりも少量の空気が供給されるため、開口部81a、81a、…と対向するカソード触媒層3の領域では、開口部81b、81b、…と対向するカソード触媒層3の領域よりも、電気化学反応の発生頻度が低減する虞がある。ところが、本発明の燃料電池100では、開口部81a、81a、…の幅を、開口部81b、81b、…の幅よりも大きくするとともに、開口部82a、82a、…の幅を開口部82b、82b、…の幅よりも大きくすることによって、供給用流路81、81、…の出口側におけるセパレータ8の凸部の幅を、供給用流路81、81、…の入口側におけるセパレータ8の凸部の幅よりも小さくしている。かかる形態とすることにより、供給用流路81、81、…の出口側における空気の圧力損失を、供給用流路81、81、…の入口側における空気の圧力損失よりも低減することが可能になるので、開口部81a、81a、…と対向するカソード触媒層3の領域にも、開口部81b、81b、…と対向するカソード触媒層3の領域と同程度の量の空気を供給することができる。そのため、本発明によれば、カソード触媒層3の略全面へ空気を均一に供給することを容易にして、性能を容易に向上させることが可能な、燃料電池100を提供することができる。すなわち、本発明によれば、アノード触媒層2の略全面へ水素を均一に供給すること、及び、カソード触媒層3の略全面へ空気を均一に供給することを通じて、性能を容易に向上させることが可能な、燃料電池100を提供することができる。
Further, as described above, since at least a part of the air supplied through the
本発明の燃料電池100に関する上記説明では、閉塞流路の軸方向を法線方向とする断面の形状が矩形である供給用流路71、71、…、排出用流路72、72、…、供給用流路81、81、…、及び、排出用流路82、82、…が備えられる形態を例示したが、本発明の燃料電池に備えられる閉塞流路の断面形状は、これに限定されるものではない。本発明における閉塞流路は、その平均流路幅よりも幅の狭い開口部が、MEAと対向する面に備えられていれば良く、閉塞流路の軸方向を法線方向とする断面の形状は、円形のほか、三角形や六角形等の任意の多角形形状とすることが可能である。
In the above description regarding the
また、本発明の燃料電池100に関する上記説明では、開口部の位置及び幅が制御された供給用流路71、71、…と排出用流路72、72、…とを有するセパレータ7、並びに、開口部の位置及び幅が制御された供給用流路81、81、…と排出用流路82、82、…とを有するセパレータ8が備えられる形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。本発明の燃料電池は、アノード触媒層と対向する面に備えられた供給用流路及び/又は排出用流路における開口部の位置のみが制御された形態とすることも可能であり、カソード触媒層と対向する面に備えられた供給用流路及び/又は排出用流路における開口部の位置のみが制御された形態とすることも可能である。このほか、カソード触媒層と対向する面に備えられた供給用流路及び/又は排出用流路における開口部の位置及び幅のみが制御された形態や、カソード触媒層と対向する面に備えられた供給用流路及び/又は排出用流路における開口部の位置及び幅のみが制御された形態とすることも可能である。ただし、燃料電池の性能を向上させやすい形態にする等の観点からは、少なくとも、カソード触媒層と対向する面に形成された供給用流路及び/又は排出用流路の開口部の位置が制御された形態とすることが好ましい。また、本発明の燃料電池は、セパレータに備えられる供給用流路及び排出用流路が、いわゆるカウンターフロー形態で配置されていても良い。
In the above description regarding the
また、本発明の燃料電池に備えられるセパレータの製造方法は特に限定されるものではない。平均流路幅よりも狭い幅の開口部を有する閉塞流路を備えたセパレータが、一の部材によって構成される場合には、例えば、セパレータの一方の側面にのみ開口した複数の閉塞流路を形成した後、当該複数の閉塞流路それぞれへと貫通する孔(開口部)を、セパレータの正面又は背面から形成する等の工程を経て、製造することができる。このほか、本発明におけるセパレータが二以上の部材を接合することによって構成される場合には、例えば、第1板状部材の正面(又は背面)及び一方の側面に開口した閉塞流路を形成した後、当該第1板状部材の閉塞流路が形成されている正面(又は背面)と、開口部に相当するスリットを有する第2板状部材とを接合する等の工程を経て、製造することができる。 Moreover, the manufacturing method of the separator with which the fuel cell of this invention is equipped is not specifically limited. In the case where a separator having a closed flow path having an opening having a width narrower than the average flow path width is constituted by one member, for example, a plurality of closed flow paths opened only on one side surface of the separator are provided. After the formation, the holes (openings) penetrating into each of the plurality of closed channels can be manufactured through a process such as forming from the front or the back of the separator. In addition, in the case where the separator according to the present invention is configured by joining two or more members, for example, a closed channel opened on the front surface (or the back surface) and one side surface of the first plate-shaped member is formed. Then, it manufactures through processes, such as joining the front (or back) in which the block passage of the 1st plate-like member is formed, and the 2nd plate-like member which has a slit equivalent to an opening. Can do.
また、本発明の燃料電池システムにおいて、電解質膜の形態は特に限定されるものではなく、アノード側に水素が供給されカソード側に空気が供給される形態の燃料電池で使用可能な任意の形態とすることができる。さらに、本発明の燃料電池システムにおいて、アノード触媒層及びカソード触媒層の形態は特に限定されるものではなく、アノード側に水素が供給されカソード側に空気が供給される形態の燃料電池で使用可能な任意の形態とすることができる。 In the fuel cell system of the present invention, the form of the electrolyte membrane is not particularly limited, and any form usable in a fuel cell in which hydrogen is supplied to the anode side and air is supplied to the cathode side. can do. Furthermore, in the fuel cell system of the present invention, the form of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer is not particularly limited, and can be used in a fuel cell in which hydrogen is supplied to the anode side and air is supplied to the cathode side. Any form can be used.
1…電解質膜
2…アノード触媒層
3…カソード触媒層
4…MEA(膜電極構造体)
5、6…ガス拡散層
7、8…セパレータ
10…単セル
71、81…供給用流路
71x、81x…開口部
72、82…排出用流路
72x、82x…開口部
100…燃料電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
5, 6 ...
Claims (2)
複数の前記流路に、前記膜電極構造体へと供給される前記流体が流通する複数の供給用流路、及び、前記膜電極構造体から排出された前記流体が流通する複数の排出用流路が備えられ、
前記供給用流路及び前記排出用流路は、入口又は出口が閉塞され、
前記セパレータの、前記膜電極構造体と対向する面に備えられた、前記供給用流路及び前記排出用流路の開口部の幅が、それぞれ前記供給用流路及び前記排出用流路の平均流路幅よりも狭く、
前記膜電極構造体の外周側の領域と対向する前記供給用流路及び前記排出用流路に備えられた前記開口部は、それぞれ前記供給用流路及び前記排出用流路の前記流路幅の中央から前記膜電極構造体の外周側へ寄せて備えられることを特徴とする、燃料電池。 A membrane electrode structure having an electrolyte membrane, an anode catalyst layer formed on one surface of the electrolyte membrane, and a cathode catalyst layer formed on the other surface of the electrolyte membrane, and a plurality of channels through which fluid flows A separator provided with,
A plurality of supply channels through which the fluid supplied to the membrane electrode structure flows through the plurality of channels, and a plurality of discharge streams through which the fluid discharged from the membrane electrode structure flows A road,
The supply channel and the discharge channel are closed at the inlet or the outlet,
The widths of the openings of the supply channel and the discharge channel provided on the surface of the separator facing the membrane electrode structure are the average of the supply channel and the discharge channel, respectively. Narrower than the channel width,
The openings provided in the supply flow channel and the discharge flow channel facing the region on the outer peripheral side of the membrane electrode structure are the flow channel widths of the supply flow channel and the discharge flow channel, respectively. A fuel cell, wherein the fuel cell is provided close to the outer peripheral side of the membrane electrode structure.
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JP2008109932A JP2009259735A (en) | 2008-04-21 | 2008-04-21 | Fuel cell |
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JP2012069384A (en) * | 2010-09-24 | 2012-04-05 | Toyota Motor Corp | Fuel cell |
-
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- 2008-04-21 JP JP2008109932A patent/JP2009259735A/en active Pending
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