JP2010205428A - Fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell capable of improving power generation efficiency by optimizing humidification inside the fuel cell, relative to an internal structure of the same. <P>SOLUTION: In the fuel cell 10 provided with an electrolyte film 24, an electrode layer 26 made of a plurality of carbon nanotubes with one end of the same fixed to a surface of the electrolyte film 24, and a gas flow passage 16 arranged in opposition to the electrolyte film 24, an electrode layer 261 arranged in a region opposed to an upstream of the gas flow passage 16 has the carbon nanotubes fixed in such a way that the same will incline in a direction opposed to a flow of reaction gas. Moreover, in an electrode layer 263 arranged in a region opposed to a downstream of the gas flow passage 16, the carbon nanotubes are fixed in such a way that the same will incline in a direction of the flow of the reaction gas. The electrode layers 261, 263 are desirably formed through transfer to the electrolyte film 24 at a surface pressure of a plastic region (2 MPa or more). <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

この発明は、燃料電池に関し、特に、燃料電池の内部構造に関する。   The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to an internal structure of a fuel cell.

燃料電池は、複数枚の単位電池が積層された燃料電池スタックとして使用される。単位電池自体も平面状の部材の積層体であり、電解質膜をその両側から電極で挟んで構成された膜電極接合体（ＭＥＡ;Membrane Electrode Assembly）を有し、該ＭＥＡをその両側から拡散層、ガス流路、およびセパレータで挟むことで構成されている。   The fuel cell is used as a fuel cell stack in which a plurality of unit cells are stacked. The unit cell itself is a laminate of planar members, and has a membrane electrode assembly (MEA) formed by sandwiching an electrolyte membrane between electrodes from both sides, and the MEA is diffused from both sides. The gas channel is sandwiched between the separator and the separator.

このような燃料電池に関しては、発電効率の向上の観点から種々の構造のものが提案されている。例えば、特開２００７−２５７８８６号公報には、電極にカーボンナノチューブを用いた燃料電池が提案されている。より具体的には、この燃料電池は、アノードおよびカソードの少なくとも一方が電解質膜の面方向に対して６０°以下の傾斜をもって配向されたカーボンナノチューブと、カーボンナノチューブに担持された触媒および電解質樹脂とを有している。カーボンナノチューブを傾斜配置することで、電解質膜上でのカーボンナノチューブ間の間隔が同等であっても、隣接しあうカーボンナノチューブ間の距離は小さくなる。その結果、隣接しあうカーボンナノチューブの表面を被覆する電解質樹脂同士が接触し、カーボンナノチューブを被覆する電解質樹脂の厚みが見かけ上大きくなる。これにより、電解質膜とカーボンナノチューブに担持された触媒との間のプロトン伝導性を向上させることができる。   With respect to such a fuel cell, various structures have been proposed from the viewpoint of improving power generation efficiency. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-257886 proposes a fuel cell using carbon nanotubes as electrodes. More specifically, this fuel cell includes a carbon nanotube in which at least one of an anode and a cathode is oriented with an inclination of 60 ° or less with respect to the surface direction of the electrolyte membrane, a catalyst and an electrolyte resin supported on the carbon nanotube, have. By disposing the carbon nanotubes in an inclined manner, the distance between adjacent carbon nanotubes is reduced even if the intervals between the carbon nanotubes on the electrolyte membrane are equal. As a result, the electrolyte resins that coat the surfaces of adjacent carbon nanotubes come into contact with each other, and the thickness of the electrolyte resin that coats the carbon nanotubes apparently increases. Thereby, proton conductivity between the electrolyte membrane and the catalyst supported on the carbon nanotube can be improved.

特開２００７−２５７８８６号公報JP 2007-257886 A 特開２００８−５９８４１号公報JP 2008-59841 A

ところで、燃料電池内部の電解質膜は、発電反応により生成される水分と反応ガスが該燃料電池内部に持ち込む水分とによって均一に加湿されることが好ましい。しかしながら、燃料電池内部の水分は、反応ガスのガス流の影響を受けて下流側へ流通する。このため、ガス流路の上流側に対向する発電領域では、加湿不足により発電効率が低下するおそれがある。また、反対に、ガス流路の下流側に対向する発電領域では、多量の水分が滞留することによってフラッディングが発生するおそれがある。このように、従来の燃料電池では、該燃料電池内部を常に最適な加湿状態に保つことができず、改善が望まれていた。   By the way, it is preferable that the electrolyte membrane inside the fuel cell is uniformly humidified by the moisture generated by the power generation reaction and the moisture brought into the fuel cell by the reaction gas. However, the water inside the fuel cell flows downstream due to the influence of the gas flow of the reaction gas. For this reason, in the power generation region facing the upstream side of the gas flow path, power generation efficiency may be reduced due to insufficient humidification. On the other hand, in the power generation region facing the downstream side of the gas flow path, flooding may occur due to a large amount of moisture remaining. As described above, in the conventional fuel cell, the inside of the fuel cell cannot always be kept in the optimum humidified state, and improvement has been desired.

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池内部の加湿の最適化を図ることによって、発電効率を向上させることのできる燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell capable of improving power generation efficiency by optimizing humidification inside the fuel cell. .

第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池であって、
電解質膜と、前記電解質膜の面上に一端が固定された複数のカーボンナノチューブからなる電極層と、前記電解質膜に対向して配置された反応ガス流路と、を有する燃料電池において、
前記電極層は、前記反応ガス流路の上流側に対向する領域では、前記カーボンナノチューブが反応ガスの流れ方向に対向する方向に傾斜するように固定され、前記反応ガス流路の下流側に対向する領域では、前記カーボンナノチューブが反応ガスの流れ方向に沿った方向に傾斜するように固定されていることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a first invention is a fuel cell,
In a fuel cell having an electrolyte membrane, an electrode layer made of a plurality of carbon nanotubes, one end of which is fixed on the surface of the electrolyte membrane, and a reaction gas flow channel disposed opposite to the electrolyte membrane,
In the region facing the upstream side of the reaction gas flow path, the electrode layer is fixed so that the carbon nanotube is inclined in a direction facing the flow direction of the reaction gas, and faces the downstream side of the reaction gas flow path. The carbon nanotube is fixed so as to incline in a direction along the flow direction of the reaction gas in the region where the reaction gas flows.

第１の発明によれば、燃料電池の電極層は、電解質膜に一端が固定された複数のカーボンナノチューブで構成されている。そして、反応ガス流路の上流側に対向する領域では、カーボンナノチューブがガス流れ方向に対向する方向へ傾斜するように固定されている。かかる方向に傾斜したカーボンナノチューブは、該カーボンナノチューブの周囲の水分の流れを妨げる。このため、本発明によれば、反応ガス流路の上流側に対向する発電領域の水分保持能力を向上させることができるので、かかる発電領域で加湿不足による発電効率の低下が発生する事態を効果的に抑制することができる。   According to the first invention, the electrode layer of the fuel cell is composed of a plurality of carbon nanotubes having one end fixed to the electrolyte membrane. And in the area | region which opposes the upstream of a reactive gas flow path, the carbon nanotube is being fixed so that it may incline in the direction which opposes a gas flow direction. The carbon nanotube inclined in such a direction obstructs the flow of moisture around the carbon nanotube. For this reason, according to the present invention, it is possible to improve the moisture retention capacity of the power generation region facing the upstream side of the reaction gas flow path, so that it is possible to effectively reduce the generation efficiency due to insufficient humidification in the power generation region. Can be suppressed.

また、本発明によれば、反応ガス流路の下流側に対向する領域では、カーボンナノチューブがガス流れ方向に沿った方向へ傾斜するように固定されている。かかる方向に傾斜したカーボンナノチューブは、該カーボンナノチューブの周囲の水分の流れを促進させる。このため、本発明によれば、反応ガス流路の下流側に対向する発電領域の水分排出能力を向上させることができるので、かかる発電領域でフラッディングによる発電効率の低下が発生する事態を効果的に抑制することができる。   Further, according to the present invention, the carbon nanotubes are fixed so as to incline in the direction along the gas flow direction in the region facing the downstream side of the reaction gas flow path. The carbon nanotube inclined in such a direction promotes the flow of moisture around the carbon nanotube. For this reason, according to the present invention, it is possible to improve the water discharge capacity of the power generation region facing the downstream side of the reaction gas flow path, so that it is effective to reduce the power generation efficiency due to flooding in the power generation region. Can be suppressed.

本実施の形態の燃料電池の構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of the fuel cell of this Embodiment. ＭＥＡ２０を積層方向に沿って切断した断面図である。It is sectional drawing which cut | disconnected MEA20 along the lamination direction. ＭＥＡ２０を図２中のＡ方向から見た図である。It is the figure which looked at MEA20 from the A direction in FIG. 本実施の形態の電極層２６に用いるカーボンナノチューブの弾性特性を示す図である。It is a figure which shows the elastic characteristic of the carbon nanotube used for the electrode layer 26 of this Embodiment.

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the element which is common in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted. The present invention is not limited to the following embodiments.

実施の形態．
［実施の形態の構成］
図１は、本実施の形態における燃料電池の構成を模式的に示す断面図である。燃料電池１０は、発電反応により発生した電力をモータ等の負荷装置に供給する燃料電池システムとして使用される。燃料電池１０は単位電池１２を複数積層したスタック構造を有している。単位電池１２は、発電体１４、反応ガスが流れるガス流路１６、隣接する発電体１４を隔離するセパレータ１８によって構成されている。発電体１４は、電解質膜を挟んでアノードとカソードが配置された膜電極接合体（ＭＥＡ）２０の外側に、カーボン繊維からなるガス拡散層２２をシールガスケットで囲んで一体として形成されている。各単位電池１２は、アノードに燃料ガス（例えば、水素ガス）の供給を受け、カソードに空気の供給を受けて発電する。尚、本実施の形態１において、燃料ガスの供給／排気系の構成、および空気の供給／排気系の構成に限定はないので、それらについての説明は省略する。 Embodiment.
[Configuration of the embodiment]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the fuel cell in the present embodiment. The fuel cell 10 is used as a fuel cell system that supplies electric power generated by a power generation reaction to a load device such as a motor. The fuel cell 10 has a stack structure in which a plurality of unit cells 12 are stacked. The unit battery 12 includes a power generation body 14, a gas flow path 16 through which a reaction gas flows, and a separator 18 that isolates adjacent power generation bodies 14. The power generation body 14 is integrally formed on the outside of a membrane electrode assembly (MEA) 20 in which an anode and a cathode are arranged with an electrolyte membrane interposed therebetween, and a gas diffusion layer 22 made of carbon fiber is surrounded by a seal gasket. Each unit cell 12 is supplied with fuel gas (for example, hydrogen gas) at the anode and supplied with air at the cathode to generate power. In the first embodiment, the configuration of the fuel gas supply / exhaust system and the configuration of the air supply / exhaust system are not limited, and a description thereof will be omitted.

次に、図２および図３を参照して本発明の特徴的構成であるＭＥＡ２０の構成について更に詳しく説明する。図２は、ＭＥＡ２０を積層方向に沿って切断した断面図である。また、図３は、ＭＥＡ２０を図２中のＡ方向から見た図である。尚、図２では、説明の便宜上ＭＥＡ２０のアノード側の形状のみを図示しているが、カソード側にも同形状を設けることとしてもよい。   Next, the configuration of the MEA 20 that is a characteristic configuration of the present invention will be described in more detail with reference to FIGS. FIG. 2 is a cross-sectional view of the MEA 20 cut along the stacking direction. FIG. 3 is a view of the MEA 20 as viewed from the direction A in FIG. In FIG. 2, for convenience of explanation, only the shape of the MEA 20 on the anode side is shown, but the same shape may be provided on the cathode side.

図２に示すとおり、電解質膜２４のアノード側には、電極層２６が設けられている。電極層２６は、複数のカーボンナノチューブの一端が該電解質膜２４に固定された形状を有している。また、図２に示すとおり、電極層２６は、反応ガス（アノードガス）のガス流れ方向に沿って３つの領域に分類されている。より具体的には、図２および図３に示すとおり、ガス流路１６の上流側に対向する領域には、電極層２６１が設けられている。電極層２６１は、カーボンナノチューブの先端側がガス流れ方向に対向する方向に傾斜している。また、ガス流路１６の下流側に対向する領域には、電極層２６３が設けられている。電極層２６３は、カーボンナノチューブの先端側がガス流れ方向に沿った方向に傾斜している。さらに、ガス流路１６の中流に対向する領域には、電極層２６２が設けられている。電極層２６２は、カーボンナノチューブの先端が電解質膜２４面に対して垂直方向に向いている。尚、電極層２６１，２６２，２６３の領域の比率は、１：０：１〜１：１０：１程度が望ましい。   As shown in FIG. 2, an electrode layer 26 is provided on the anode side of the electrolyte membrane 24. The electrode layer 26 has a shape in which one ends of a plurality of carbon nanotubes are fixed to the electrolyte membrane 24. As shown in FIG. 2, the electrode layer 26 is classified into three regions along the gas flow direction of the reaction gas (anode gas). More specifically, as shown in FIGS. 2 and 3, an electrode layer 261 is provided in a region facing the upstream side of the gas flow path 16. The electrode layer 261 is inclined in a direction in which the tip side of the carbon nanotube faces the gas flow direction. An electrode layer 263 is provided in a region facing the downstream side of the gas flow path 16. In the electrode layer 263, the tip end side of the carbon nanotube is inclined in a direction along the gas flow direction. Further, an electrode layer 262 is provided in a region facing the middle flow of the gas flow path 16. In the electrode layer 262, the tip of the carbon nanotube is oriented in a direction perpendicular to the surface of the electrolyte membrane 24. The ratio of the electrode layers 261, 262, and 263 is preferably about 1: 0: 1 to 1: 10: 1.

［電極層の形成方法］
次に、本実施の形態の燃料電池における電極層２６の形成方法の一例について詳細に説明する。電極層２６は、電解質膜２４にカーボンナノチューブを所定の温度および所定の面圧で熱転写することにより形成される。図４は、本実施の形態の電極層２６に用いるカーボンナノチューブの弾性特性を示す図である。この図に示すとおり、カーボンナノチューブに対する面圧が０．５ＭＰａ〜２ＭＰａである領域は、該カーボンナノチューブの弾性領域になっている。一方、カーボンナノチューブに対する面圧が２ＭＰａ以上の領域は塑性領域、つまり、該カーボンナノチューブが塑性変形する領域となっている。 [Method for forming electrode layer]
Next, an example of a method for forming the electrode layer 26 in the fuel cell of the present embodiment will be described in detail. The electrode layer 26 is formed by thermally transferring carbon nanotubes to the electrolyte membrane 24 at a predetermined temperature and a predetermined surface pressure. FIG. 4 is a diagram showing the elastic characteristics of the carbon nanotubes used for the electrode layer 26 of the present embodiment. As shown in this figure, the region where the surface pressure with respect to the carbon nanotube is 0.5 MPa to 2 MPa is the elastic region of the carbon nanotube. On the other hand, the region where the surface pressure with respect to the carbon nanotube is 2 MPa or more is a plastic region, that is, a region where the carbon nanotube is plastically deformed.

そこで、本実施の形態では、電極層２６２は、該カーボンナノチューブが電解質膜２４に対して垂直方向に向くように配置して、弾性領域内の面圧（０．５ＭＰａ〜２ＭＰａ）で転写することとする。これにより、電極層２６１はカーボンナノチューブが塑性変形することなく、所定の方向を向いて固定される。   Therefore, in the present embodiment, the electrode layer 262 is arranged so that the carbon nanotubes are oriented in the vertical direction with respect to the electrolyte membrane 24, and transferred with a surface pressure (0.5 MPa to 2 MPa) in the elastic region. And As a result, the electrode layer 261 is fixed in a predetermined direction without plastic deformation of the carbon nanotubes.

また、電極層２６１は、該カーボンナノチューブがガス流れ方向に対向する方向に向くように配置して、弾性領域を超える面圧（２ＭＰａ以上）で転写することとする。これにより、電極層２６２は塑性変形して所定の方向に潰れた状態で固定される。更に、電極層２６３は、該カーボンナノチューブがガス流れ方向に沿った方向に向くように配置して、弾性領域を超える面圧（２ＭＰａ以上）で転写することとする。これにより、電極層２６３は塑性変形して所定の方向に潰れた状態で固定される。このような電極層の形成方法によれば、電極層２６１，２６３を構成するカーボンナノチューブに塑性領域の面圧を加えることで、該カーボンナノチューブを所望の方向へ変形させることができる。   The electrode layer 261 is arranged so that the carbon nanotubes face in the direction opposite to the gas flow direction, and is transferred at a surface pressure (2 MPa or more) exceeding the elastic region. As a result, the electrode layer 262 is fixed in a state of being plastically deformed and crushed in a predetermined direction. Further, the electrode layer 263 is arranged so that the carbon nanotubes face in the direction along the gas flow direction, and is transferred with a surface pressure (2 MPa or more) exceeding the elastic region. Thereby, the electrode layer 263 is fixed in a state of being plastically deformed and crushed in a predetermined direction. According to such an electrode layer forming method, the carbon nanotubes constituting the electrode layers 261 and 263 can be deformed in a desired direction by applying a surface pressure in a plastic region to the carbon nanotubes.

［実施の形態の特徴］
次に、本実施の形態の燃料電池１０の特徴について説明する。ガス流路１６の上流側に対応する発電領域では、ガス流で水分が下流へ流されてしまうため、電解質膜２４が加湿不足になり易い。この点、本実施の形態の燃料電池１０では、かかる領域に電極層２６１が配置されている。上述したとおり、本実施の形態の電極層２６１は、カーボンナノチューブの先端側がガス流れ方向に対向する方向へ傾斜するように固定されている。かかる方向に傾斜したカーボンナノチューブは、該カーボンナノチューブの周囲の水分の流れを妨げる。このため、本実施の形態の燃料電池１０によれば、ガス流路１６の上流側の発電領域の水分保持能力を向上させることができるので、かかる領域で加湿不足による発電効率の低下が発生する事態を効果的に抑制することができる。 [Features of the embodiment]
Next, features of the fuel cell 10 of the present embodiment will be described. In the power generation region corresponding to the upstream side of the gas flow path 16, moisture is caused to flow downstream by the gas flow, and thus the electrolyte membrane 24 is likely to be insufficiently humidified. In this regard, in the fuel cell 10 of the present embodiment, the electrode layer 261 is disposed in such a region. As described above, the electrode layer 261 of the present embodiment is fixed so that the tip side of the carbon nanotube is inclined in a direction opposite to the gas flow direction. The carbon nanotube inclined in such a direction obstructs the flow of moisture around the carbon nanotube. For this reason, according to the fuel cell 10 of the present embodiment, the water retention capacity of the power generation region upstream of the gas flow path 16 can be improved, and thus the power generation efficiency is reduced due to insufficient humidification in this region. The situation can be effectively suppressed.

また、ガス流路１６の下流側に対応する発電領域では、ガス流で水分が下流へ流されるため、かかる領域でフラッディングが発生しやすい。この点、本実施の形態の燃料電池１０では、かかる領域に電極層２６３が配置されている。上述したとおり、本実施の形態の電極層２６３は、カーボンナノチューブの先端側がガス流れ方向に沿った方向へ傾斜するように固定されている。かかる方向に傾斜したカーボンナノチューブは、該カーボンナノチューブの周囲の水分の流れを促進させる。このため、本実施の形態の燃料電池１０によれば、ガス流路１６の下流側の発電領域の水分排出能力を向上させることができるので、かかる領域でフラッディングによる発電効率の低下が発生する事態を効果的に抑制することができる。   Further, in the power generation region corresponding to the downstream side of the gas flow path 16, since moisture is caused to flow downstream by the gas flow, flooding is likely to occur in this region. In this respect, in the fuel cell 10 of the present embodiment, the electrode layer 263 is disposed in such a region. As described above, the electrode layer 263 of the present embodiment is fixed so that the tip side of the carbon nanotube is inclined in the direction along the gas flow direction. The carbon nanotube inclined in such a direction promotes the flow of moisture around the carbon nanotube. For this reason, according to the fuel cell 10 of the present embodiment, the water discharge capacity of the power generation region on the downstream side of the gas flow path 16 can be improved, so that the power generation efficiency decreases due to flooding in this region. Can be effectively suppressed.

また、本実施の形態の燃料電池１０では、カーボンナノチューブを電解質膜２４へ熱転写して電極層２６を形成する場合に、電極層２６１，２６３の形成の際の面圧が２ＭＰａ以上（塑性領域）に設定される。これにより、簡易な方法で所望の方向に傾斜したカーボンナノチューブからなる電極層を形成することができる。   In the fuel cell 10 of the present embodiment, when the electrode layer 26 is formed by thermal transfer of carbon nanotubes to the electrolyte membrane 24, the surface pressure when forming the electrode layers 261 and 263 is 2 MPa or more (plastic region). Set to Thereby, the electrode layer which consists of a carbon nanotube inclined in the desired direction by a simple method can be formed.

１０ 燃料電池
１２ 単位電池
１４ 発電体
１６ ガス流路
１８ セパレータ
２０ 膜電極接合体（ＭＥＡ）
２２ ガス拡散層
２４ 電解質膜
２６ 電極層
２６１，２６２，２６３ 電極層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell 12 Unit battery 14 Electric power generation body 16 Gas flow path 18 Separator 20 Membrane electrode assembly (MEA)
22 Gas diffusion layer 24 Electrolyte membrane 26 Electrode layer 261,262,263 Electrode layer

Claims (1)

電解質膜と、前記電解質膜の面上に一端が固定された複数のカーボンナノチューブからなる電極層と、前記電解質膜に対向して配置された反応ガス流路と、を有する燃料電池において、
前記電極層は、前記反応ガス流路の上流側に対向する領域では、前記カーボンナノチューブが反応ガスの流れ方向に対向する方向に傾斜するように固定され、前記反応ガス流路の下流側に対向する領域では、前記カーボンナノチューブが反応ガスの流れ方向に沿った方向に傾斜するように固定されていることを特徴とする燃料電池。 In a fuel cell having an electrolyte membrane, an electrode layer made of a plurality of carbon nanotubes, one end of which is fixed on the surface of the electrolyte membrane, and a reaction gas flow channel disposed opposite to the electrolyte membrane,
In the region facing the upstream side of the reaction gas flow path, the electrode layer is fixed so that the carbon nanotube is inclined in a direction facing the flow direction of the reaction gas, and faces the downstream side of the reaction gas flow path. The fuel cell is characterized in that the carbon nanotube is fixed so as to incline in a direction along the flow direction of the reaction gas.
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