JP2012119169A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電解質膜の両膜面にアノードとカソードの両電極を接合した膜電極接合体をガス拡散層および流路部材で挟持した燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell in which a membrane electrode assembly in which both anode and cathode electrodes are joined to both membrane surfaces of an electrolyte membrane is sandwiched between a gas diffusion layer and a flow path member.
燃料電池は、燃料とその酸化剤、例えば、水素と酸素の電気化学反応によって発電する。こうした燃料電池では、プロトン伝導性を有する電解質膜(例えば、固体高分子膜)の両膜面にアノードとカソードの両電極を形成し、この両電極に、ガス拡散層を経て燃料ガスと酸化ガス、例えば水素ガスと空気を供給する。 A fuel cell generates electricity by an electrochemical reaction between fuel and its oxidant, for example, hydrogen and oxygen. In such a fuel cell, both anode and cathode electrodes are formed on both membrane surfaces of a proton-conducting electrolyte membrane (for example, a solid polymer membrane), and a fuel gas and an oxidizing gas are passed through the gas diffusion layer on both electrodes. For example, hydrogen gas and air are supplied.
燃料電池の発電は、電解質膜を介した電気化学反応の進行状況によって左右され、電解質膜のプロトン伝導性は、膜が適宜な湿潤状態にあるときに好適となる。このため、電解質膜の乾燥をできるだけ防ぐよう乾燥時には加湿したガス供給を行う等の対処が通常なされているが、こうした状況下にあっても、電解質膜は乾燥と湿潤を繰り返す。電解質膜の乾燥と湿潤は、膜の収縮と膨張を招くことから、電解質膜にシワや折れ等が起きやすくなる。こうしたシワや折れ等は、電解質膜の破損によるクロスリークの原因となり得る。よって、電解質膜の耐久性の向上を図るため、種々の提案がなされている(例えば、下記特許文献1)。
The power generation of the fuel cell depends on the progress of the electrochemical reaction through the electrolyte membrane, and the proton conductivity of the electrolyte membrane is suitable when the membrane is in an appropriate wet state. For this reason, measures such as supplying a humidified gas at the time of drying are usually taken so as to prevent the electrolyte membrane from being dried as much as possible. However, even under such circumstances, the electrolyte membrane repeats drying and wetting. Drying and wetting of the electrolyte membrane causes contraction and expansion of the membrane, so that the electrolyte membrane is likely to be wrinkled or broken. Such wrinkles and breaks can cause cross leaks due to breakage of the electrolyte membrane. Therefore, various proposals have been made to improve the durability of the electrolyte membrane (for example,
上記の特許文献で提案された技術では、膜の乾湿の推移の際に生じる電解質膜の面方向の寸法変化を乾燥状態における電解質膜の面方向の最大弾性変形量より小さくすることで、シワや折れの形成を抑制してクロスリークに対する耐久性を高めている。ところで、電解質膜の乾湿の繰り返しについての対処が可能とはいえ、燃料電池の使用環境や運転状態は多岐に亘るため、例えば、燃料電池運転が低加湿の電解質膜にてなされることも少なくない。電解質膜が低加湿であるとプロトン伝導性が低下するので、その対処としては、電解質膜のイオン交換容量を大きくして低加湿時のプロトン伝導性を高めることが有効である。しかしながら、イオン交換容量を大きくすると、電解質膜の膨潤率が概ね大きくなって膨潤に伴う膜の変形も大きくなることから、膜の乾湿の繰り返し以外の要因で電解質膜にシワや折れ等が起きやすくなることが危惧される。 In the technique proposed in the above-mentioned patent document, the dimensional change in the surface direction of the electrolyte membrane that occurs during the transition of the wet and dry state of the membrane is made smaller than the maximum elastic deformation amount in the surface direction of the electrolyte membrane in the dry state. The durability against cross leaks is enhanced by suppressing the formation of folds. By the way, although it is possible to cope with repeated drying and wetting of the electrolyte membrane, there are various usage environments and operating conditions of the fuel cell. For example, the fuel cell operation is often performed with a low-humidified electrolyte membrane. . When the electrolyte membrane is low humidified, the proton conductivity is lowered. As a countermeasure, it is effective to increase the ion exchange capacity of the electrolyte membrane and increase the proton conductivity at the time of low humidification. However, when the ion exchange capacity is increased, the swelling rate of the electrolyte membrane is generally increased, and the deformation of the membrane accompanying the swelling also increases. Therefore, the electrolyte membrane is likely to be wrinkled or broken due to factors other than repeated drying and wetting of the membrane. It is feared to become.
本発明は、上述した従来の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、プロトン伝導性を高めた上で電解質膜の耐久性の向上を図ることを目的とする。 The present invention has been made to solve at least a part of the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to improve the durability of an electrolyte membrane while improving proton conductivity.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決することを目的としてなされたものであり、以下の構成を採用した。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the following configuration is adopted.
[適用1:燃料電池]
電解質膜の両膜面にアノードとカソードの両電極を接合した膜電極接合体をガス拡散層で挟持した上で、前記ガス拡散層に対してのガスの給排に関与するガス流路を有するガス流路部材で前記膜電極接合体と前記ガス拡散層とを挟持した燃料電池であって、
前記電解質膜は、膨潤に伴って膜内に発生する膨潤圧と、膨潤に伴う前記電解質膜の変形により該変形した電解質膜が前記ガス流路に入り込むよう座屈する際に前記電解質膜に掛かる座屈荷重との関係において、前記膨潤圧が前記座屈荷重より小さい性状を有する
ことを要旨とする。
[Application 1: Fuel cell]
A membrane electrode assembly in which both anode and cathode electrodes are joined to both membrane surfaces of an electrolyte membrane is sandwiched between gas diffusion layers, and a gas flow path is provided for gas supply / discharge to the gas diffusion layer. A fuel cell in which the membrane electrode assembly and the gas diffusion layer are sandwiched by a gas flow path member,
The electrolyte membrane has a swelling pressure generated in the membrane as it swells, and a seat on the electrolyte membrane when the deformed electrolyte membrane buckles due to deformation of the electrolyte membrane due to swelling. The gist is that the swelling pressure has a property smaller than the buckling load in relation to the bending load.
上記構成を備える燃料電池において、電解質膜では膨潤に伴ってその膜内において膨潤圧が発生すると共に、膨潤に伴った変形を起こす。電解質膜は、その両膜面に両電極を接合した膜電極接合体として、ガス拡散層およびガス流路部材で挟持されて拘束されるものの、ガス流路部材のガス流路と向き合う箇所ではその拘束が緩む。よって、膨潤に伴う変形により、電解質膜がガス流路に入り込むよう座屈する余地があり、その座屈箇所には膨潤圧が作用する。 In the fuel cell having the above-described configuration, in the electrolyte membrane, a swelling pressure is generated in the membrane as it swells, and deformation occurs in association with the swelling. Although the electrolyte membrane is sandwiched and restrained by the gas diffusion layer and the gas flow path member as a membrane electrode assembly in which both electrodes are joined to both membrane surfaces, the electrolyte membrane is located at a location facing the gas flow path of the gas flow path member. The restraint is loosened. Therefore, there is room for buckling so that the electrolyte membrane enters the gas flow path due to deformation accompanying swelling, and the swelling pressure acts on the buckled portion.
上記構成を備える燃料電池では、電解質膜の膨潤圧と座屈荷重との関係において、膨潤圧が座屈荷重より小さい性状を有するので、膨潤圧は座屈荷重を超えないことになる。この結果、上記構成の燃料電池によれば、ガス流路と向き合った座屈箇所において、電解質膜には座屈荷重を超える膨潤圧が作用しないので、電解質膜のシワや折れに起因する損傷を抑制でき、耐久性の向上を図ることができる。しかも、膨潤圧は、電解質膜のイオン交換容量(IEC)の増大により大きくなる関係にあることから、座屈荷重を超えない膨潤圧となる範囲でイオン交換容量を高めて、プロトン伝導性の向上をも図ることができる。この際のイオン交換容量は、電解質膜の加湿状態を問わず低加湿の際であっても高めることが可能であるので、上記構成の燃料電池によれば、低加湿状況下での発電能力の維持もしくは向上も図ることができる。 In the fuel cell having the above-described configuration, the swelling pressure does not exceed the buckling load because the swelling pressure is smaller than the buckling load in the relationship between the swelling pressure of the electrolyte membrane and the buckling load. As a result, according to the fuel cell having the above-described configuration, the swelling pressure exceeding the buckling load does not act on the electrolyte membrane at the buckled portion facing the gas flow path, so that damage caused by wrinkles or breakage of the electrolyte membrane is not caused. It can be suppressed and durability can be improved. In addition, since the swelling pressure has a relationship that increases as the ion exchange capacity (IEC) of the electrolyte membrane increases, the ion exchange capacity is increased within a range that does not exceed the buckling load, and proton conductivity is improved. Can also be achieved. The ion exchange capacity at this time can be increased even in the case of low humidification regardless of the humidified state of the electrolyte membrane. Therefore, according to the fuel cell having the above-described configuration, the power generation capacity under low humidification conditions is improved. It can also be maintained or improved.
上記した燃料電池は、次のような態様とすることができる。例えば、電解質膜周縁において前記電解質膜を被覆する保護フィルムと、該保護フィルムを介在させて前記膜電極接合体の周縁をシールするシール部材とを備えた上で、該シール部材を前記ガス拡散層と共に前記ガス流路部材で挟持する。こうして周縁でのシールを図った上で、前記電解質膜については、これを、膨潤を起こす湿潤状況での膜の弾性率が前記保護フィルムの弾性率より大きく、且つ、膨潤に伴う前記膨潤圧が前記保護フィルムの座屈荷重より小さい性状を有するものとすることができる。こうすれば、次の利点がある。 The fuel cell described above can be configured as follows. For example, a protective film that covers the electrolyte membrane at the periphery of the electrolyte membrane and a seal member that seals the periphery of the membrane electrode assembly with the protective film interposed between the protective film and the gas diffusion layer At the same time, it is sandwiched between the gas flow path members. In this way, after sealing at the periphery, the electrolyte membrane has an elastic modulus of the membrane in a wet condition causing swelling, and the swelling pressure accompanying the swelling is higher than the elastic modulus of the protective film. It may have a property smaller than the buckling load of the protective film. This has the following advantages.
まず、保護フィルムで膜電極接合体の周縁をシールする際に起き得る状況について、先に説明する。保護フィルムによる被覆箇所(以下、フィルム被覆箇所)において、電解質膜は、保護フィルムによる拘束を受け、フィルム被覆箇所から電極側に離れるとその拘束が緩む。よって、電極側のフィルム被覆箇所近傍では、電解質膜は、膨潤に伴う変形の影響を受けやすい。そして、電解質膜のイオン交換容量を大きくすると、既述したように膨潤に伴う膜の変形も大きくなることから、電極側のフィルム被覆箇所近傍で、電解質膜にシワや折れ等が起きやすくなることが危惧される。上記の態様の燃料電池では、こうした観点に立って、電解質膜を、膨潤を起こす湿潤状況での膜の弾性率が前記保護フィルムの弾性率より大きく、且つ、膨潤に伴う前記膨潤圧が前記保護フィルムの座屈荷重より小さい性状を有するものとした。 First, the situation that may occur when the periphery of the membrane electrode assembly is sealed with the protective film will be described first. In the coating | coated location (henceforth a film coating location) with a protective film, an electrolyte membrane receives restrictions by a protective film, and if the separation | spacing leaves | separates from a film coating location to the electrode side, the restrictions will loosen. Therefore, in the vicinity of the film-covered portion on the electrode side, the electrolyte membrane is susceptible to deformation due to swelling. If the ion exchange capacity of the electrolyte membrane is increased, the membrane deformation due to swelling also increases as described above, so that the electrolyte membrane is likely to be wrinkled or broken in the vicinity of the film coating portion on the electrode side. Is concerned. In the fuel cell of the above aspect, from such a viewpoint, the electrolyte membrane has a modulus of elasticity in a wet state causing swelling, which is larger than the modulus of elasticity of the protective film, and the swelling pressure associated with swelling is The film had properties smaller than the buckling load of the film.
この態様の燃料電池では、電解質膜とこれを挟持する保護フィルムについて、膨潤を起こす湿潤状況での電解質膜の弾性率の方が保護フィルムの弾性率より大きくした。よって、電解質膜は、保護フィルムによるフィルム被覆箇所では拘束を受け、フィルム被覆箇所から電極側に離れるとその拘束が緩むものの、フィルム被覆箇所近傍での膨潤に伴う電解質膜の変形は、保護フィルムが膜変形に伴って変形可能なことから、保護フィルムにより強く規制されないように起きる。しかも、上記の態様の燃料電池では、膨潤に伴って電解質膜膜内に発生する膨潤圧が保護フィルムの座屈荷重より小さいので、電解質膜の膨潤圧は保護フィルムの座屈荷重を超えないことになる。これらの結果、上記態様の燃料電池によれば、保護フィルムによるフィルム被覆箇所において、保護フィルムにはその座屈荷重を超える膨潤圧が作用しないので、当該保護フィルムとこれに挟持された電解質膜にあっては、シワや折れに起因する損傷を抑制でき、耐久性の向上を図ることができる。 In the fuel cell of this aspect, for the electrolyte membrane and the protective film sandwiching the electrolyte membrane, the elastic modulus of the electrolyte membrane in a wet state causing swelling is greater than that of the protective film. Therefore, the electrolyte membrane is constrained at the film coating location by the protective film, and when the electrode coating is separated from the film coating location, the constraint is loosened, but the deformation of the electrolyte membrane due to swelling near the film coating location is Since the film can be deformed along with the film deformation, the film is not strongly regulated by the protective film. Moreover, in the fuel cell of the above aspect, since the swelling pressure generated in the electrolyte membrane with the swelling is smaller than the buckling load of the protective film, the swelling pressure of the electrolyte membrane should not exceed the buckling load of the protective film. become. As a result, according to the fuel cell of the above aspect, since the swelling pressure exceeding the buckling load does not act on the protective film at the film covering portion by the protective film, the protective film and the electrolyte membrane sandwiched between the protective film and the electrolyte film In this case, damage due to wrinkles and breakage can be suppressed, and durability can be improved.
これに加え、電解質膜の膨潤圧は、電解質膜のイオン交換容量(IEC)の増大により大きくなる関係にあることから、保護フィルムの座屈荷重を超えない膨潤圧となる範囲でイオン交換容量を高めて、プロトン伝導性の向上をも図ることができる。この際のイオン交換容量は、電解質膜の加湿状態を問わず低加湿の際であっても高めることが可能であるので、上記態様の燃料電池によれば、低加湿状況下での発電能力の維持もしくは向上も図ることができる。そして、この態様は、電解質膜の膨潤圧をその電解質膜自体の座屈荷重より小さい性状を有する上記構成の適用1の燃料電池の一態様であることから、上記構成の適用1の燃料電池の上記効果をより高めることができることが可能となる。
In addition to this, since the swelling pressure of the electrolyte membrane has a relationship that increases as the ion exchange capacity (IEC) of the electrolyte membrane increases, the ion exchange capacity is set within a range that does not exceed the buckling load of the protective film. The proton conductivity can be improved by increasing the proton conductivity. Since the ion exchange capacity at this time can be increased even in the case of low humidification regardless of the humidified state of the electrolyte membrane, according to the fuel cell of the above aspect, the power generation capacity under low humidification conditions is improved. It can also be maintained or improved. And this aspect is one aspect of the fuel cell of
以下、本発明の実施の形態について、その実施例を図面に基づき説明する。図1は本実施例の燃料電池10を構成する単セル15を断面視して概略的に示す説明図である。本実施例の燃料電池10は、図1に示す構成の単セル15を複数積層したスタック構造の固体高分子型燃料電池である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory view schematically showing a
単セル15は、電解質膜20の両側にアノード21とカソード22の両電極を備える。このアノード21とカソード22は、電解質膜20の両膜面に形成され電解質膜20と共に膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly/MEA)を形成する。この他、単セル15は、電極形成済みの電解質膜20を両側から挟持するアノード側ガス拡散層23とカソード側ガス拡散層24とガスセパレーター25,26を備え、両ガス拡散層は、対応する電極に接合されている。
The
電解質膜20は、固体高分子材料(電解質樹脂)により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、そのイオン交換容量(IEC)に基づいたプロトン伝導性を発揮する。本実施例では、この電解質膜20を、フッ素系高分子電解質樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜(以下、便宜上、フッ素系イオン交換膜と称する)、或いは、炭化水素系高分子電解質樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜(以下、便宜上、炭化水素系イオン交換膜と称する)のいずれかとした。この場合、フッ素系イオン交換膜は、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜に代表される主鎖および側鎖の水素が全てフッ素で置換されたフッ素系高分子電解質樹脂により形成されたイオン交換膜である。炭化水素系イオン交換膜は、スルホン酸基、カルボン酸基、ボロン酸基、ホスホン酸基、水酸基等のイオン交換基を有した上で、炭素と水素からなる高分子の主鎖を有する炭化水素系高分子電解質樹脂により形成されたイオン交換膜であり、部分的にフッ素置換されているものや、フッ素以外の異種原子を含んでいるものが含まれる。
The
アノード21およびカソード22は、触媒(例えば白金、あるいは白金合金)を備えており、これらの触媒を、導電性を有する担体(例えば、カーボン粒子)上に担持させることによって形成されている。アノード側ガス拡散層23とカソード側ガス拡散層24は、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロスによって形成される。
The
ガスセパレーター25は、アノード側ガス拡散層23の側に、水素を含有する燃料ガスを流すセル内燃料ガス流路47を備える。ガスセパレーター26は、カソード側ガス拡散層24の側に、酸素を含有する酸化ガス(本実施例では、空気)を流すセル内酸化ガス流路48を備える。これら両セパレーターにおける上記の両ガス流路は、図1に示すように溝幅Lで電極面において形成され、それぞれの上記ガス拡散層に対してのガスの給排に関与する。なお、図には記載していないが、隣り合う単セル15間には、例えば、冷媒が流れるセル間冷媒流路を形成することができる。これらガスセパレーター25,26は、ガス不透過な導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、焼成カーボン、あるいはステンレス鋼などの金属材料により形成されている。
The
図1では図示していないが、ガスセパレーター25,26の外周近傍の所定の位置には、複数の孔部が形成されている。これらの複数の孔部は、ガスセパレーター25,26が他の部材と共に積層されて燃料電池10が組み立てられたときに互いに重なって、燃料電池10内を積層方向に貫通する流路を形成する。すなわち、上記したセル内燃料ガス流路47やセル内酸化ガス流路48、あるいはセル間冷媒流路に対して、燃料ガスや酸化ガス、あるいは冷媒を給排するためのマニホールドを形成する。
Although not shown in FIG. 1, a plurality of holes are formed at predetermined positions near the outer peripheries of the
本実施例の燃料電池10は、ガスセパレーター25のセル内燃料ガス流路47からの水素ガスを、アノード側ガス拡散層23で拡散ししつつアノード21に供給する。空気については、ガスセパレーター26のセル内酸化ガス流路48からの空気を、カソード側ガス拡散層24で拡散ししつつカソード22に供給する。
The
次に、本実施例の燃料電池10において用いた電解質膜20と、ガス給排に関与するセル内燃料ガス流路47およびセル内酸化ガス流路48との関係について説明する。本実施例では、膨潤に伴って電解質膜20の膜内に発生する膨潤圧と、膨潤に伴って変形した電解質膜20が溝幅Lのセル内燃料ガス流路47或いはセル内酸化ガス流路48に入り込んで座屈する際に電解質膜20に掛かる座屈荷重とについて、次の数式1の関係を満たすようにした。
Next, the relationship between the
この数式1において、左辺は電解質膜20についての上記の膨潤圧を示し、この膨潤圧は、膨潤を起こす湿潤状況での電解質膜20の弾性率Em [MPa]と、膨潤を起こす湿潤状況での電解質膜20の膨潤率Vm[%]と、電解質膜20の膜厚dm[m]から算出される。右辺は、電解質膜20についての上記した座屈荷重を示し、この座屈荷重は、電解質膜20の弾性率Em [MPa]と膜厚dm[m]、およびセル内燃料ガス流路47とセル内酸化ガス流路48の溝幅L [m]から算出される。
In the
この数式1を整理すると、左辺を膨潤率Vmとする数式2となる。
Rearranging this
この数式2における左辺の膨潤率Vmは、電解質膜20のイオン交換容量IEC[meq/g]と、電解質膜20の弾性率Em [MPa]、および電解質膜20の膜乾燥密度ρ[g/cm3]との関係において、経験的に次の数式3で表すことができる。
The swelling rate V m on the left side in
この数式3において、文字AおよびBは、実験的に或いは経験的に定まる定数である。この数式3は、{−ln(Em/IEC・ρ)}をyとすると、膨潤率Vmを変数xとする1次関数となる。図2は膨潤率Vmを変数xとした場合の関数y(={−ln(Em/IEC・ρ)})を表したグラフである。この図2は、数式3の関係は電解質膜20がフッ素系イオン交換膜であっても炭化水素系イオン交換膜であっても成立することを示している。また、数式3は、電解質膜20のイオン交換容量IECが大きくなると、電解質膜20の膨潤率Vmも大きくなることを示しているので、イオン交換容量IECと膨潤率Vmの両者の上記関係は、電解質膜20がフッ素系イオン交換膜であっても炭化水素系イオン交換膜であっても成り立つことになる。
In Equation 3, characters A and B are constants determined experimentally or empirically. Formula 3 is a linear function with the swelling rate V m as a variable x, where y is {−ln (E m / IEC · ρ)}. FIG. 2 is a graph showing a function y (= {− ln (E m / IEC · ρ)}) when the swelling rate V m is a variable x. FIG. 2 shows that the relationship of Equation 3 holds whether the
そして、数式3の膨潤率Vmを数式2に代入すると、以下の数式4が得られる。
Substituting the swelling ratio V m of Equation 3 into
本実施例の燃料電池10では、この数式4を満たすよう、セル内燃料ガス流路47とセル内酸化ガス流路48の溝幅Lと、電解質膜20のイオン交換容量IECおよび弾性率Emを定めた。この場合、数式4は、既述した数式1の変形で得られたものであることから、数式1と等価である。よって、この数式4を満たすよう、セル内燃料ガス流路47とセル内酸化ガス流路48の溝幅Lと、電解質膜20のイオン交換容量IECおよび弾性率Emを定めることで数式1が成立し、電解質膜20は、数式1の左辺である膨潤圧が右辺の座屈荷重より小さい性状を有するものとなる。
In the
上記したように数式4を満たすよう、セル内燃料ガス流路47とセル内酸化ガス流路48の溝幅Lと、電解質膜20のイオン交換容量IECと、弾性率Emおよび膜厚dmを定めるに当たっては、まず、溝幅Lを実用的な溝幅とする。その上で、電解質膜20のイオン交換容量IECおよび弾性率Emについては、例えば、フッ素系イオン交換膜を電解質膜20とする場合には、数式4を満たすよう定めたイオン交換容量IECおよび弾性率Emが得られるように、フッ素系樹脂を用いた製造過程において、イオン交換基(極性基)であるスルホン酸基を有するスルホン系樹脂の配合調整を経たイオン交換当量の調整や分子量の調整、或いは、樹脂重合に関与する架橋剤の配合調整等を行う。
As satisfying Equation 4 as described above, the groove width L of the cell fuel
次に、上記した数式1に表した膨潤圧と座屈荷重との関係を満たした電解質膜20、即ち数式1と等価な数式4を満たした電解質膜20を有する実施例品の燃料電池10の性能評価について説明する。評価対象の比較例品は、膨潤圧と座屈荷重との関係が数式1に反する燃料電池であり、単セル15の電極面積、電解質膜のサイズ等の他、セル内燃料ガス流路47、セル内酸化ガス流路48の溝幅Lについては、実施例品と同一である。そして、実施例品と比較例品について、各比較例および実施例の燃料電池の単セル15を、乾湿サイクル試験に処して性能評価を行った。
Next, the
この乾湿サイクル試験では、セル温度を80℃とした上で、8分間の相対湿度100%でのガス供給・発電と、2分間の乾燥状態でのガス供給・発電とを1サイクルとして、このサイクルを繰り返すこととした。この乾湿サイクル試験について、本実施例の燃料電池10と比較例燃料電池の性能評価の対比結果を下記の表にて示す。この表に示すように、電解質膜20の種別、つまりフッ素系イオン交換膜(F系電解質膜)と炭化水素系イオン交換膜(HC系電解質膜)ごとに、比較例品と実施例品を準備し、対比した。表において、右辺値が同じであるのは、溝幅Lが比較例品と実施例品とで同じためである(数式4参照)。
In this dry / wet cycle test, the cell temperature was set to 80 ° C., and the gas supply / power generation at a relative humidity of 100% for 8 minutes and the gas supply / power generation in a dry state for 2 minutes were defined as one cycle. It was decided to repeat. Regarding this dry and wet cycle test, the comparison results of the performance evaluation of the
実施例品は、フッ素系イオン交換膜および炭化水素系イオン交換膜の電解質膜20において、共に数式4(数式1)を満たし、比較例品はいずれもこれを満たさない。そして、1200サイクルの乾湿サイクル試験の実施後に単セルを分解して電解質膜20における膜シワの有無を調べたところ、具体的には電解質膜20とその両側のアノード21とカソード22の両電極を含むMEA(図1参照)における膜シワの有無を調べたところ、数式4(数式1)を満たす実施例品は、いずれも膜シワが観察されなかったのに対し、数式4(数式1)を満たさない比較例品は、いずれも膜シワが観察された。この場合、MEAは、図1に示すように、アノード側ガス拡散層23とカソード側ガス拡散層24を介在させてガスセパレーター25とガスセパレーター26で挟持され、両ガスセパレーターは溝幅Lのセル内燃料ガス流路47或いはセル内酸化ガス流路48を有する。よって、MEAおよびその電解質膜20は、流路間のリブにおいてはその動きが拘束され、上記の両ガス流路と向かい合う範囲ではその拘束が緩む。こうしたことから、比較例品で観察された膜シワの痕跡箇所は、ガス流路と向かい合う範囲とほぼ一致している。
The example product satisfies Formula 4 (Formula 1) in the
MEA(電解質膜20)に生じた膜シワは、電解質膜20およびこれを含むMEAの破損によるクロスリークの原因となり得ることから、上記の各実施例品は、高い耐久性を有するものと言える。つまり、電解質膜20の膨潤圧が電解質膜20の座屈荷重より小さい関係を示す数式1と等価な数式4を満たすよう、電解質膜20の性状を規定すること(具体的には、ガス流路の溝幅Lと電解質膜20のイオン交換容量IECおよび弾性率Emを規定すること)で、電解質膜20をその膨潤圧が座屈荷重より小さい性状を有するようにすることには大きな意義があり、このように規定することで、電解質膜20の耐久性を高めることができることが確認できた。
Membrane wrinkles generated in the MEA (electrolyte membrane 20) can cause cross leakage due to breakage of the
比較例品と実施例品での電解質膜20の耐久性の相違は、次のように説明できる。まず、既述したように、数式4を満たすよう、単セル15におけるガス流路の溝幅Lと電解質膜20のイオン交換容量IECおよび弾性率Emを規定することで、膨潤に伴って電解質膜20の膜内に発生する膨潤圧(数式1左辺)が、膨潤に伴って変形した電解質膜20が溝幅Lのセル内燃料ガス流路47或いはセル内酸化ガス流路48に入り込んで座屈する際に電解質膜20に掛かる座屈荷重(数式1右辺)を超えないようにできる。このため、本実施例の実施例品の燃料電池10では、膨潤に伴う変形により、電解質膜20がセル内燃料ガス流路47およびセル内酸化ガス流路48に入り込んで座屈しても、その座屈箇所に作用する膨潤圧が座屈荷重を超えないので、実施例品では、乾湿サイクル試験の各サイクルにおいて収縮と膨張が元に戻るよう繰り返すことになり、乾湿サイクル試験後において膜シワが残らない、と推考できる。この結果、本実施例の燃料電池10によれば、電解質膜20のシワや折れに起因する損傷を抑制でき、耐久性の向上を図ることができる。
The difference in the durability of the
これに加え、電解質膜20の膨潤圧は、当該膜の膨潤率Vmに弾性率Emと膜厚dmを乗じて得られ、この膨潤率Vm、即ち膨潤圧は、数式3から、電解質膜20のイオン交換容量IECの増大により大きくなる。このため、座屈荷重を超えない膨潤圧となる範囲でイオン交換容量IECを高めることで、プロトン伝導性の向上をも図ることができる。この際のイオン交換容量IECの増大化は、電解質膜20の加湿状態を問わず低加湿の際であっても可能であるので、本実施例の燃料電池10によれば、低加湿状況下での燃料電池10の発電能力の維持もしくは向上も図ることができる。また、数式4を満たした上で、その右辺の値が左辺の値に近似するほど、耐久性向上と発電性能向上の両立が可能となる。
Additionally, the swelling pressure of the
次に、変形例について説明する。この変形例では、電解質膜20の周縁についてもその耐久性の向上を図るようにした。図3は単セル15が有するMEAを平面視して電極領域と周縁領域の区別を示す説明図、図4は変形例の前提となる電解質膜20の周縁における各部材の構成を断面視して概略的に示す説明図である。
Next, a modified example will be described. In this modification, the durability of the periphery of the
図3に示すように、MEAは、平面視で矩形形状をなし、その矩形形状に倣った中央領域をアノード21およびカソード22が占める電極面領域100とし、当該領域をその外側で取り囲む枠状の領域を周縁領域110とする。図3は、MEAの一方の側、例えばアノード21の側の平面視を示すが、他方の側であるカソード22の側でも同様である。図4に示すように、この電極面領域100と周縁領域110の連続した範囲、即ち図3における縦方向周縁、或いは横方向周縁を断面視すると、単セル15においてMEAを構成する電解質膜20は、電極面領域100に該当する範囲を電極面領域部20sとし、周縁領域110に該当する範囲を周縁領域部20eとして、この周縁領域部20eを電極面領域部20sから周縁側に延ばしている。MEAは、電解質膜20の電極面領域部20sの両膜面にアノード21とカソード22とを接合形成して備え、周縁領域110に当たる周縁領域部20eをその表裏で保護フィルム30で被覆する。本実施例では、ガスのシールをアノード側とカソード側でも確保するため表裏で保護フィルム30で被覆したが、保護フィルム30をアノードとカソードの一方とするようにすることもできる。
As shown in FIG. 3, the MEA has a rectangular shape in a plan view, and a central region following the rectangular shape is an
保護フィルム30は、MEA、詳しくは電解質膜20における周縁領域110の周縁領域部20eの保護の要をなす。図4では、保護フィルム30はアノード21とカソード22の両電極についてもその周縁を被覆しているが、両電極周縁を含まないように電解質膜20を被覆するようにすることもできる。この保護フィルム30は、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)のような樹脂製のフィルムから形成され、周縁領域部20eの表面に周縁領域110に亘って接合している。この場合、保護フィルム30の物性としての弾性率と座屈荷重は、後述するように電解質膜20の物性と関係付けて規定される。
The
単セル15は、上記したように保護フィルム30を接合済みのMEAにアノード側ガス拡散層23とカソード側ガス拡散層24とを重ね、シール機能を有する樹脂製のシール材32にて、周縁領域部20eとその表裏の保護フィルム30および上記の両ガス拡散層の周縁端部を含んでシールする。その上で、単セル15は、ガスセパレーター25とガスセパレーター26とで、MEAを両ガス拡散層およびシール材32と共に挟持する。これにより、図1にて説明したように、ガスセパレーター25のセル内燃料ガス流路47(図1参照)から流入した水素ガスは、アノード側ガス拡散層23を経てアノード21に供給され、ガスセパレーター26のセル内酸化ガス流路48(図1参照)から流入した空気は、カソード側ガス拡散層24を経てカソード22に供給され、電解質膜20にて電気化学反応が進行する。そして、上記したガス供給は、シール材32にてMEA周縁でシールされた状態で継続されることになる。
As described above, the
次に、図4のように保護フィルム30にて電解質膜20の周縁を被覆した上でシール材32にて周縁のシールを図る上での電解質膜20と保護フィルム30との関係について説明する。この場合、保護フィルム30で被覆された電解質膜20の周縁領域110は、セル内燃料ガス流路47やセル内酸化ガス流路48によるガス給排がなされない非発電領域であるので、電解質膜20と保護フィルム30との以下に記す関係は、既述した数式1の電解質膜20の膨潤圧と座屈荷重との関係とは個別に規定することが可能であり、この関係に付加することができる。
Next, the relationship between the
図4に示すシール構造を採る上で、変形例の前提となる電解質膜20弾性率と保護フィルム30の弾性率とについては、次の数式5の関係を満たすよう、電解質膜20の膨潤圧と保護フィルム30の座屈荷重とについては、次の数式6の関係を満たすようにした。
When the sealing structure shown in FIG. 4 is adopted, the swelling pressure of the
上記の数式5は、その左辺にて膨潤を起こす湿潤状況での電解質膜20の弾性率Em [MPa]を示し、この電解質膜20の弾性率Emは、右辺の保護フィルム30の弾性率Ef [MPa]より大きくなる。数式6において、左辺は電解質膜20についての上記の膨潤圧を示し、この膨潤圧は、電解質膜20の弾性率Em [MPa]と、膨潤を起こす湿潤状況での電解質膜20の膨潤率Vm[%]と、電解質膜20の膜厚dm[m]から算出される。右辺は、保護フィルム30が折り曲げられたときの座屈荷重を示し、この座屈荷重は、保護フィルム30の弾性率Ef [MPa]とフィルム膜厚df[m]、および図4に示す保護フィルム30による電解質膜20の挟持幅Lf[m]から算出される。上記した数式6右辺の保護フィルム30が折り曲げられたときの座屈荷重は、付きの数式7〜8から算出される。
Equation 5 above shows the elastic modulus E m of the electrolyte membrane 20 [MPa] in the wet conditions that cause swelling at the left-hand, the elastic modulus E m of the
数式7はオイラーの座屈荷重の式であり、フィルムの座屈荷重Pfは、フィルム長Lとフィルム弾性率E、および数式8に示すフィルム(断面積:フィルム幅bxフィルム厚d)の断面2次モーメントIで求まる。この場合、保護フィルム30による挟持幅Lfは、数式7におけるLとなり、フィルム膜厚dfは、数式8におけるdとなる。
Formula 7 is a formula of Euler's buckling load, and the film buckling load P f is the film length L, the film elastic modulus E, and the cross section of the film shown in Formula 8 (cross-sectional area: film width bx film thickness d). It is obtained by the secondary moment I. In this case, the
上記した実施例の燃料電池10に図3〜図4に示す保護フィルム30による保護を適用するに当たり、その前提において、上記の数式5を満たすよう、電解質膜20弾性率Emと保護フィルム30の弾性率Emを定めると共に、上記の数式6を満たすよう、電解質膜20についての上記の膨潤圧と保護フィルム30の座屈荷重を定めた。そして、数式5〜数式6を満たすよう電解質膜20弾性率Emと保護フィルム30の弾性率Em、および電解質膜20についての膨潤圧と保護フィルム30の座屈荷重を定めることで、電解質膜20は、その弾性率Emが保護フィルム30の弾性率弾性率Emより大きく、且つ、電解質膜20についての膨潤圧が保護フィルム30の座屈荷重より小さい性状を有するものとなる。
In applying the protection by the
この場合、電解質膜20の膨潤率Vmは、先の数式3で示したように、電解質膜20のイオン交換容量IEC[meq/g]と、電解質膜20の弾性率Em [MPa]、および電解質膜20の膜乾燥密度ρ[g/cm3]とで求まることから、数式3を数式6に代入することができる。こうすれば、数式6の左辺は、電解質膜20のイオン交換容量IECと弾性率Emと膜乾燥密度ρおよび膜厚dmで求められる。よって、数式6を満たすように、電解質膜20についてのイオン交換容量IECと弾性率Emと膜乾燥密度ρおよび膜厚dmと、右辺の保護フィルム30の弾性率Efとフィルム膜厚dfと挟持幅Lfとを定めればよい。これらの内、膜厚dmとフィルム膜厚dfおよび挟持幅Lfは、単セル15として実情にあったものに予め規定できることから、実質的には、数式6を満たすように、電解質膜20のイオン交換容量IECと弾性率Emおよび膜乾燥密度ρと、保護フィルム30の弾性率Efを定めればよい。電解質膜20のイオン交換容量IECおよび弾性率Emについては、既述したような製造過程でのスルホン系樹脂の配合調整等を行えばよく、保護フィルム30の弾性率Efについては、既述した数式を満たす範囲の弾性率をもつ樹脂材料を選定すればよい。
In this case, the swelling rate V m of the
次に、上記した数式5〜数式6に表した電解質膜20弾性率Emと保護フィルム30の弾性率Efの関係(弾性率関係)、および電解質膜20の膨潤圧と保護フィルム30の座屈荷重との関係(膨潤圧関係)を満たした電解質膜20を有する実施例品の燃料電池10の性能評価について説明する。評価対象の比較例品は、上記の弾性率関係と膨潤圧関係とが共に数式5〜数式6に反する燃料電池であり、単セル15の電極面積、電解質膜のサイズ等の他、保護フィルム30による電解質膜20の挟持幅Lfについては、実施例品と同一である。そして、実施例品と比較例品について、各比較例および実施例の燃料電池の単セル15を、上記した乾湿サイクル試験に処して性能評価を行った。仮に、電解質膜20に保護フィルム30によるフィルム被覆箇所近傍にて損傷が起きれば、その損傷箇所からのガスリークが起き得る。よって、本実施例の燃料電池10と比較例燃料電池とについて、乾湿サイクル試験のサイクル回数とガスリーク量との関係を調べ、その性能評価の対比結果を下記の表にて示す。なお、表における電解質膜種は、実施例品と比較例品で同種であることを示し、例えば、フッ素系イオン交換膜の電解質膜20であることを表す。保護F種(保護フィルム種)は、実施例品と比較例品で異なる保護フィルムを用いたことを示している。また、表におけるリークまでの乾湿サイクル数は、保護フィルム30によるフィルム被覆箇所近傍でリークが起きるまでのサイクル数を意味する。
Next, the relationship (elastic modulus relationship) between the elastic modulus E m of the
実施例品は、電解質膜20弾性率Emと保護フィルム30の弾性率Efの関係において数式5を満たし、電解質膜20の膨潤圧と保護フィルム30の座屈荷重との関係において数式6を満たす。比較例品は、電解質膜20の膨潤圧と保護フィルム30の座屈荷重との関係において数式6を満たすものの、電解質膜20弾性率Emと保護フィルム30の弾性率Efの関係において数式5を満たさない。そして、本実施例の燃料電池10である実施例品は、1245回の乾湿サイクルを経て始めてリークが見られたのに対し、比較例品では、941回の乾湿サイクルでリークが観察された。電解質膜20をその周縁で保護フィルム30にて被覆するに当たり、数式5〜数式6を満たすよう電解質膜20は、その弾性率Emが保護フィルム30の弾性率弾性率Emより大きく、且つ、電解質膜20についての膨潤圧が保護フィルム30の座屈荷重より小さい性状を有するようにすることには大きな意義があり、このように規定することで、保護フィルム30によるフィルム被覆箇所近傍での電解質膜20の耐久性を高めることができることが確認できた。
The example product satisfies Equation 5 in the relationship between the elastic modulus E m of the
比較例品と実施例品での保護フィルム30によるフィルム被覆箇所近傍での電解質膜20の耐久性の相違は、次のように説明できる。まず、既述したように、数式5を満たすよう、電解質膜20は、その弾性率Emの方が保護フィルム30の弾性率Efより大きくした。よって、電解質膜20は、保護フィルム30によるフィルム被覆箇所では拘束を受け、フィルム被覆箇所から電極側に離れるとその拘束が緩むものの、フィルム被覆箇所近傍での膨潤に伴う電解質膜20の変形は、保護フィルム30が膜変形に伴って変形可能なことから、保護フィルム30により強く規制されないように起きる。
The difference in the durability of the
これに加え、数式6を満たすよう、膨潤に伴って電解質膜20の膜内に発生する膨潤圧が保護フィルム30の座屈荷重より小さいので、電解質膜20の膨潤圧は保護フィルム30の座屈荷重を超えないことになる。これらの結果、数式5〜数式6を満たすようにすれば、保護フィルム30によるフィルム被覆箇所において、保護フィルム30にはその座屈荷重を超える膨潤圧が作用しないので、実施例品における保護フィルム30とこれに挟持された電解質膜20にあっては、そのフィルム保護箇所とその近傍において、乾湿サイクル試験の各サイクルにおいて収縮と膨張が元に戻るよう繰り返すに過ぎず、シワや折れに起因する損傷を抑制でき、耐久性の向上を図ることができる。しかも、電解質膜20の膨潤圧は、既述したように電解質膜20のイオン交換容量IECの増大により大きくなるので、保護フィルム30の座屈荷重を超えない膨潤圧となる範囲でイオン交換容量IECを高めて、プロトン伝導性の向上をも図ることができる。この際のイオン交換容量IECの増大化は、電解質膜20の加湿状態を問わず低加湿の際であっても可能であるので、数式5〜数式6を満たすようにして保護フィルム30にて電解質膜20の周縁を被覆するようにすれば、低加湿状況下での発電能力の維持もしくは向上も図ることができる。
In addition, since the swelling pressure generated in the membrane of the
そして、数式5〜数式6を満たすようにする上では、先に説明した実施例において数式1またはこれと等価な数式4を満たすための変数となるガス流路の溝幅Lを考慮する必要がなく、実施例においても、数式1を満たすようにする上では、数式5〜数式6を満たすための変数となる保護フィルム30による電解質膜20の挟持幅Lfを考慮する必要はない。しかしながら、電解質膜20と保護フィルム30とについて規定する数式5〜数式6は、既述した数式1の電解質膜20の膨潤圧と座屈荷重との関係に付加することができる。よって、図1に示した実施例の単セル15において、その有する電解質膜20の周縁を保護フィルム30にて被覆するようにした上で、既述したように数式5〜数式6を満たすようにすれば、更なる耐久性の向上を達成できると予想される。
And in satisfy | filling Formula 5-Formula 6, it is necessary to consider the groove width L of the gas flow path used as the variable for satisfy | filling
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、図1では、セル内燃料ガス流路47とセル内酸化ガス流路48とを紙面の手前側から奥側に向かう或いはその逆の流路として記したが、セル内燃料ガス流路47とセル内酸化ガス流路48とを、ガスがMEAを挟んで直交するように流れるようにすることもできる。
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to such embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the scope of the present invention. For example, in FIG. 1, the in-cell
10…燃料電池
15…単セル
20…電解質膜
20e…周縁領域部
20s…電極面領域部
21…アノード
22…カソード
23…アノード側ガス拡散層
24…カソード側ガス拡散層
25…ガスセパレーター
26…ガスセパレーター
30…保護フィルム
32…シール材
47…セル内燃料ガス流路
48…セル内酸化ガス流路
100…電極面領域
110…周縁領域
L…溝幅
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記電解質膜は、膨潤に伴って膜内に発生する膨潤圧と、膨潤に伴う前記電解質膜の変形により該変形した電解質膜が前記ガス流路に入り込むよう座屈する際に前記電解質膜に掛かる座屈荷重との関係において、前記膨潤圧が前記座屈荷重より小さい性状を有する
燃料電池。 A membrane electrode assembly in which both anode and cathode electrodes are joined to both membrane surfaces of an electrolyte membrane is sandwiched between gas diffusion layers, and a gas flow path is provided for gas supply / discharge to the gas diffusion layer. A fuel cell in which the membrane electrode assembly and the gas diffusion layer are sandwiched by a gas flow path member,
The electrolyte membrane has a swelling pressure generated in the membrane as it swells, and a seat on the electrolyte membrane when the deformed electrolyte membrane buckles due to deformation of the electrolyte membrane due to swelling. A fuel cell in which the swelling pressure is smaller than the buckling load in relation to the bending load.
更に、電解質膜周縁において前記電解質膜を被覆する保護フィルムと、該保護フィルムを介在させて前記膜電極接合体の周縁をシールするシール部材とを備え、該シール部材を前記ガス拡散層と共に前記ガス流路部材で挟持し、
前記電解質膜は、膨潤を起こす湿潤状況での膜の弾性率が前記保護フィルムの弾性率より大きく、且つ、膨潤に伴う前記膨潤圧が前記保護フィルムの座屈荷重より小さい性状を有する
燃料電池。 The fuel cell according to claim 1,
And a protective film that covers the electrolyte membrane at the periphery of the electrolyte membrane, and a seal member that seals the periphery of the membrane electrode assembly with the protective film interposed therebetween, and the seal member together with the gas diffusion layer and the gas Sandwiched between channel members,
The electrolyte membrane has a property that the elastic modulus of the membrane in a wet state causing swelling is larger than the elastic modulus of the protective film, and the swelling pressure accompanying the swelling is smaller than the buckling load of the protective film.
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