JP2012169173A - Fuel battery - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress strength degradation or the like due to sacrificial oxidation while suppressing oxidation of carbon in a catalyst layer.SOLUTION: In a fuel battery cell including an MEA 10, a gas diffusion sheet 12 and a separator 20, carbon is added as a sacrificial agent within a power generation surface of the gas diffusion sheet 12 so that the carbon is substantially perpendicular to the extending direction of a recessed part 22a functioning as a hydrogen-containing gas passage of the separator 20, the carbon having crystallinity lower than that of carbon in a catalyst layer. A projecting part 24 functioning as a coolant passage 24 functions as a rib, so that strength degradation due to sacrificial oxidation is reinforced.

Description

本発明は燃料電池に関し、特に触媒層のカーボンの酸化抑制技術に関する。   The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a technique for suppressing oxidation of carbon in a catalyst layer.

固体高分子型燃料電池では、プロトン伝導性を備えた固体高分子電解質膜の両面に触媒層及びガス拡散層が順に積層された構成を有する。このような固体高分子型燃料電池では、燃料欠乏時にはアノード側においてプロトン生成のために発電生成水の電気分解反応が生じ、この電気分解反応により電解質膜にプロトンを供給することができるが、水の電気分解反応が進行しなくなると燃料極が酸化により劣化するおそれがある。   A polymer electrolyte fuel cell has a configuration in which a catalyst layer and a gas diffusion layer are sequentially laminated on both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane having proton conductivity. In such a polymer electrolyte fuel cell, when the fuel is deficient, an electrolysis reaction of power generation generated water occurs for proton generation on the anode side, and protons can be supplied to the electrolyte membrane by this electrolysis reaction. If the electrolysis reaction does not proceed, the fuel electrode may deteriorate due to oxidation.

下記の特許文献1には、燃料電池用燃料極が、水素のプロトン化を促進するためのアノード触媒層と、燃料ガスを拡散するためのガス拡散層と、水電解触媒を含有する複数の水電解触媒層とを備え、複数の水電解触媒層をアノード触媒層とガス拡散層との間に積層する構成が開示されている。水電解触媒層により、燃料欠乏時に水の電気分解を促進して触媒層の劣化、具体的には触媒層のカーボンの酸化を抑制するものである。   In Patent Document 1 below, a fuel electrode for a fuel cell includes an anode catalyst layer for promoting protonation of hydrogen, a gas diffusion layer for diffusing fuel gas, and a plurality of water containing a water electrolysis catalyst. An arrangement comprising an electrocatalyst layer and a plurality of water electrocatalyst layers laminated between an anode catalyst layer and a gas diffusion layer is disclosed. The water electrocatalyst layer promotes electrolysis of water at the time of fuel depletion and suppresses deterioration of the catalyst layer, specifically, oxidation of carbon in the catalyst layer.

特開2007−265929号公報JP 2007-265929 A

しかしながら、長期間の使用により水電解触媒層が溶出、酸化するおそれがあり、その触媒機能が低下して触媒層のカーボンの酸化が進んでしまうおそれがある。勿論、長時間の使用を前提として、水電解触媒の添加量を増大させることも考えられるが、触媒層に燃料電池反応に寄与しない材料を大量に添加すると、ガス拡散性やプロトン伝導性を阻害するおそれがあるため、そのバランスを調整するのが困難である。   However, there is a possibility that the water electrocatalyst catalyst layer may elute and oxidize due to long-term use, and there is a risk that the catalytic function of the water electrolysis catalyst layer is lowered and the oxidation of carbon in the catalyst layer proceeds. Of course, it is possible to increase the amount of water electrocatalyst added on the premise of long-term use, but adding a large amount of material that does not contribute to the fuel cell reaction to the catalyst layer will inhibit gas diffusivity and proton conductivity. It is difficult to adjust the balance.

そこで、ガス拡散層の基材中に触媒層のカーボンよりも結晶化度の低いカーボンを混入させることで、結晶化度の低いカーボンを触媒層のカーボンよりも選択的ないし優先的に酸化させ(犠牲酸化)、結果として触媒層のカーボンの酸化を抑制する方法が考えられる。   Therefore, carbon having a lower crystallinity than that of the catalyst layer is mixed into the base material of the gas diffusion layer, so that the carbon having a lower crystallinity is selectively or preferentially oxidized than the carbon of the catalyst layer ( (Sacrificial oxidation) As a result, a method of suppressing oxidation of carbon in the catalyst layer is conceivable.

但し、この場合においても、犠牲酸化の進行に伴ってガス拡散性の阻害やガス拡散層の強度低下が生じ得るため、ガス拡散層内において均一に犠牲酸化を生じさせることが好ましい。すなわち、水素湿潤状態や電位状況により犠牲酸化の程度にばらつきが生じ得るので、このばらつきを考慮して犠牲酸化を生じさせる必要がある。   However, even in this case, as the sacrificial oxidation progresses, the gas diffusibility may be hindered and the strength of the gas diffusion layer may be reduced. Therefore, it is preferable to cause the sacrificial oxidation uniformly in the gas diffusion layer. That is, since the degree of sacrificial oxidation may vary depending on the hydrogen wet state and the potential situation, it is necessary to cause sacrificial oxidation in consideration of this variation.

本発明の目的は、ガス拡散層の強度低下等を抑制しつつ、触媒層カーボンの酸化を抑制することができる燃料電池を提供することにある。   The objective of this invention is providing the fuel cell which can suppress the oxidation of catalyst layer carbon, suppressing the strength reduction of a gas diffusion layer, etc.

本発明は、燃料電池であって、アノード触媒層と、前記アノード触媒層に隣接形成され、水素含有ガスを拡散させて前記アノード触媒層に供給するガス拡散層と、前記ガス拡散層に隣接形成され、前記ガス拡散層に前記水素含有ガスを供給するセパレータとを備え、前記セパレータは、表面に凹凸が形成され、凹部において前記水素含有ガス流路が形成されるとともに凸部において冷媒流路が形成され、前記ガス拡散層の発電面内には、前記アノード触媒層のカーボンよりも相対的に低結晶化度のカーボンが添加されて犠牲酸化領域として機能し、かつ、前記ガス拡散層の前記犠牲酸化領域は、前記水素含有ガス流路の延在方向に対して一定の角度をなすように形成されることを特徴とする。   The present invention relates to a fuel cell, and is formed adjacent to the anode catalyst layer, the anode catalyst layer, a gas diffusion layer for diffusing a hydrogen-containing gas to be supplied to the anode catalyst layer, and the gas diffusion layer. And a separator for supplying the hydrogen-containing gas to the gas diffusion layer, wherein the separator has irregularities formed on a surface thereof, the hydrogen-containing gas passages are formed in the concave portions, and the refrigerant passages are formed in the convex portions. In the power generation surface of the gas diffusion layer, carbon having a lower crystallinity than that of the anode catalyst layer is added to function as a sacrificial oxidation region, and the gas diffusion layer The sacrificial oxidation region is formed so as to form a certain angle with respect to the extending direction of the hydrogen-containing gas channel.

本発明の1つの実施形態では、前記ガス拡散層の前記犠牲酸化領域は、前記水素含有ガス流路の延在方向に対して略垂直となるように形成される。   In one embodiment of the present invention, the sacrificial oxidation region of the gas diffusion layer is formed to be substantially perpendicular to the extending direction of the hydrogen-containing gas channel.

また、本発明は、燃料電池であって、アノード触媒層と、前記アノード触媒層に隣接形成され、水素含有ガスを拡散させて前記アノード触媒層に供給するガス拡散層と、前記ガス拡散層に隣接形成され、前記ガス拡散層に前記水素含有ガスを供給するセパレータとを備え、前記セパレータは、表面に凹凸が形成され、凹部において前記水素含有ガス流路が形成されるとともに凸部において冷媒流路が形成され、前記ガス拡散層の発電面内には、前記アノード触媒層のカーボンよりも相対的に低結晶化度のカーボンが添加されて犠牲酸化領域として機能し、かつ、前記ガス拡散層の前記犠牲酸化領域は、前記凸部に対向する領域に形成されることを特徴とする。   The present invention is also a fuel cell, comprising: an anode catalyst layer; a gas diffusion layer that is formed adjacent to the anode catalyst layer and diffuses a hydrogen-containing gas to be supplied to the anode catalyst layer; and the gas diffusion layer. And a separator for supplying the hydrogen-containing gas to the gas diffusion layer. The separator has irregularities formed on the surface, the hydrogen-containing gas flow paths are formed in the concave portions, and the refrigerant flow is formed in the convex portions. In the power generation surface of the gas diffusion layer, carbon having a lower crystallinity than that of the anode catalyst layer is added to function as a sacrificial oxidation region, and the gas diffusion layer The sacrificial oxidation region is formed in a region facing the convex portion.

本発明の1つの実施形態では、前記ガス拡散層の前記犠牲酸化領域は、前記発電面内において相対的に電流密度が大きい領域において相対的にその面積を小さく、相対的に電流密度が小さい領域において相対的にその面積を大きく形成される。   In one embodiment of the present invention, the sacrificial oxidation region of the gas diffusion layer has a relatively small area and a relatively low current density in a region having a relatively large current density in the power generation surface. The area is relatively large.

また、本発明の他の実施形態では、前記ガス拡散層の前記犠牲酸化領域は、前記発電面内において相対的に電流密度が大きい領域において相対的に添加量が少なく、相対的に電流密度が小さい領域において相対的に添加量が大きく設定される。   In another embodiment of the present invention, the sacrificial oxidation region of the gas diffusion layer has a relatively small addition amount in a region where the current density is relatively large in the power generation surface, and the current density is relatively small. A relatively large addition amount is set in a small region.

本発明において、前記ガス拡散層の発電面内には、前記アノード触媒層のカーボンよりも相対的に低結晶化度のカーボンとともに電解質が添加されてもよい。   In the present invention, an electrolyte may be added to the power generation surface of the gas diffusion layer together with carbon having a lower crystallinity than the carbon of the anode catalyst layer.

本発明によれば、ガス拡散層の強度低下等を抑制しつつ、アノード触媒層のカーボン酸化を抑制することができる。   According to the present invention, it is possible to suppress carbon oxidation of the anode catalyst layer while suppressing a decrease in strength of the gas diffusion layer.

燃料電池セルの断面図である。It is sectional drawing of a fuel battery cell. ガス拡散シートとセパレータの一部拡大斜視図である。It is a partial expansion perspective view of a gas diffusion sheet and a separator. ガス拡散シートへの低結晶化度カーボンの添加説明図である。It is addition explanatory drawing of the low crystallinity carbon to a gas diffusion sheet. ガス拡散シートへの低結晶化度カーボンと電解質の添加説明図である。It is explanatory drawing of addition of low crystallinity carbon and electrolyte to a gas diffusion sheet. ガス拡散シートの平面図である。It is a top view of a gas diffusion sheet. ガス拡散シートとセパレータの他の一部拡大斜視図である。It is another partial expansion perspective view of a gas diffusion sheet and a separator. ガス拡散シートの他の平面図である。It is another top view of a gas diffusion sheet. 発電面の電流密度分布を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the current density distribution of an electric power generation surface. 電流密度が大における領域説明図である。It is area | region explanatory drawing in a large current density. 電流密度が小における領域説明図である。It is area | region explanatory drawing in a small current density.

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。但し、以下に示す実施形態は単なる例示であり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the embodiment described below is merely an example, and the present invention is not limited to the following embodiment.

1.基本原理
本実施形態における基本原理は、ガス拡散層の発電面内に、触媒層のカーボンよりも相対的に結晶化度の低いカーボンを添加し、低結晶化度カーボンを犠牲酸化させることで触媒層の酸化を抑制する技術を前提とし、低結晶化度カーボンを添加する領域、すなわち犠牲酸化させる領域の形成位置やその大きさを調整するものである。
1. Basic Principle The basic principle in this embodiment is that a catalyst having a lower crystallinity than that of the catalyst layer is added to the power generation surface of the gas diffusion layer, and the low crystallinity carbon is sacrificed and oxidized. Based on the technology for suppressing the oxidation of the layer, the formation position and the size of the region to which the low crystallinity carbon is added, that is, the region to be sacrificial oxidized are adjusted.

ガス拡散層に添加した低結晶化度カーボンの犠牲酸化により、触媒層のカーボンの酸化を抑制することができるが、同時に、犠牲酸化によってガス拡散層の強度が低下する、あるいはガス拡散性が低下するおそれがある。   The sacrificial oxidation of carbon with low crystallinity added to the gas diffusion layer can suppress the oxidation of carbon in the catalyst layer, but at the same time the strength of the gas diffusion layer decreases or the gas diffusibility decreases due to the sacrificial oxidation. There is a risk.

一方、燃料電池セルは、膜電極接合体(MEA)を一対のセパレータで挟持して構成され、ガス拡散層はセパレータに当接して存在するから、セパレータによりガス拡散層を支持し、ガス拡散層の強度を補強することができる。セパレータには、その表面に凹凸が形成され、凹部において燃料ガスとしての水素含有ガス流路を形成し、凸部において冷媒流路を形成する。また、セパレータの凸部は、リブとしても機能し得る。   On the other hand, the fuel battery cell is configured by sandwiching a membrane electrode assembly (MEA) between a pair of separators, and the gas diffusion layer is in contact with the separator, so that the gas diffusion layer is supported by the separator. The strength of can be reinforced. The separator has irregularities formed on the surface thereof, a hydrogen-containing gas channel as a fuel gas is formed in the concave portion, and a refrigerant channel is formed in the convex portion. Moreover, the convex part of a separator can function also as a rib.

そこで、ガス拡散層に犠牲酸化される領域を形成する際に、このリブを基準とし、このリブに対して一定の関係を有するように形成する。具体的には、リブに対して一定の角度をなすように犠牲酸化される領域を形成することで、たとえ犠牲酸化により部分的に強度が低下しても、セパレータのリブによりガス拡散層の強度が補強される。例えば、犠牲酸化される領域の延在方向を、リブの延在方向に対して略垂直とすることで、犠牲酸化による強度低下の影響を抑えることができる。リブは水素含有ガス流路も同時に規定するから(リブと水素含有ガス流路は凹凸の関係にあるため)、水素含有ガス流路を基準とし、水素含有ガス流路に対して一定の角度をなすように犠牲酸化領域を形成するということもできる。   Therefore, when forming a region to be sacrificial oxidized in the gas diffusion layer, the rib is used as a reference and is formed so as to have a certain relationship with the rib. Specifically, by forming a region that is sacrificial oxidized so as to form a certain angle with respect to the rib, even if the strength partially decreases due to sacrificial oxidation, the strength of the gas diffusion layer is increased by the rib of the separator. Is reinforced. For example, by making the extending direction of the sacrificial oxidized region substantially perpendicular to the extending direction of the ribs, it is possible to suppress the influence of the strength reduction due to the sacrificial oxidation. Since the rib also defines the hydrogen-containing gas flow path (because the rib and the hydrogen-containing gas flow path are uneven), the hydrogen-containing gas flow path is used as a reference and a certain angle with respect to the hydrogen-containing gas flow path. It can also be said that the sacrificial oxide region is formed as it is.

また、犠牲酸化によるガス拡散性の低下に対しては、ガス拡散性の低下が発電性能にできるだけ影響を与えないように犠牲酸化される領域を形成する。発電面の発電性能は必ずしも均一ではなく、種々の原因により発電性能がばらつき、電流密度が相対的に大きい領域と小さい領域が存在する。発電面に対応するガス拡散シートの領域のうち、相対的に電流密度の大きい領域では、犠牲酸化によるガス拡散性の低下が発電性能に与える影響が相対的に大きいことから、犠牲酸化される領域を小さく設定する。他方、発電面に対応するガス拡散シートの領域のうち、相対的に電流密度の小さい領域では、犠牲酸化によるガス拡散性の低下が発電性能に与える影響が相対的に小さいことから、犠牲酸化される領域を大きく設定する。   In addition, with respect to a decrease in gas diffusibility due to sacrificial oxidation, a region that is sacrificed and oxidized is formed so that the decrease in gas diffusibility does not affect the power generation performance as much as possible. The power generation performance on the power generation surface is not necessarily uniform, and the power generation performance varies due to various causes, and there are a region where the current density is relatively large and a region where the current density is relatively small. Of the region of the gas diffusion sheet corresponding to the power generation surface, in the region having a relatively large current density, the region that is sacrificial oxidized because the decrease in gas diffusibility due to sacrificial oxidation has a relatively large effect on the power generation performance. Set to a smaller value. On the other hand, in the region of the gas diffusion sheet corresponding to the power generation surface, the region having a relatively low current density has a relatively small effect on the power generation performance due to the decrease in gas diffusibility due to sacrificial oxidation. Set a larger area.

以上の原理により、犠牲酸化により触媒層カーボンの酸化を抑制するとともに、犠牲酸化に伴うガス拡散層の強度低下やガス拡散性の低下を抑制することができる。   Based on the above principle, the oxidation of the catalyst layer carbon can be suppressed by sacrificial oxidation, and the strength reduction and gas diffusibility reduction due to the sacrificial oxidation can be suppressed.

以下、本実施形態について、より具体的に説明する。なお、本実施形態における「結晶化度」とは、高分子が部分的に結晶化している場合において、結晶化された部分の全体に対する割合を意味するものである。   Hereinafter, the present embodiment will be described more specifically. Note that the “crystallinity” in the present embodiment means the ratio of the crystallized portion to the whole when the polymer is partially crystallized.

2.第1実施形態
本実施形態における燃料電池のセルの基本構成は、以下の通りである。すなわち、電極としてそれぞれ機能する一対の触媒層(アノード触媒層及びカソード触媒層)で電解質膜を挟んで形成された膜電極接合体(MEA)の両面に、それぞれ炭素繊維からなる層と撥水層とが積層してなるガス拡散層が設けられ、さらに膜電極接合体とそれぞれのガス拡散層を挟むようにそれぞれセパレータが配置されて形成される。炭素繊維からなる層は、炭素繊維の集合体からなり、この炭素繊維の集合体が撥水層に接合されて、ガス拡散層が形成される。燃料ガスとしての水素含有ガスが供給されるガス拡散層はアノード側ガス拡散層として機能し、空気等の酸化剤ガスが供給されるガス拡散層はカソード側ガス拡散層として機能する。
2. 1st Embodiment The basic structure of the cell of the fuel cell in this embodiment is as follows. That is, a carbon fiber layer and a water repellent layer are formed on both sides of a membrane electrode assembly (MEA) formed by sandwiching an electrolyte membrane between a pair of catalyst layers (an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer) each functioning as an electrode. And a separator is disposed so as to sandwich the membrane electrode assembly and each gas diffusion layer. The layer composed of carbon fibers is composed of an aggregate of carbon fibers, and the aggregate of carbon fibers is bonded to the water repellent layer to form a gas diffusion layer. A gas diffusion layer supplied with a hydrogen-containing gas as a fuel gas functions as an anode-side gas diffusion layer, and a gas diffusion layer supplied with an oxidant gas such as air functions as a cathode-side gas diffusion layer.

水素含有ガスは、燃料ガス流路を通ってアノード側電極に供給され、電極の触媒の作用により電子と水素イオンに分解される。電子は外部回路を通ってカソード側電極に移動する。一方、水素イオンは電解質膜を通過してカソード電極に達し、酸素および外部回路を通ってきた電子と結合し、反応水になる。カソード電極側の生成水は、カソード側から排出される。   The hydrogen-containing gas is supplied to the anode side electrode through the fuel gas flow path, and is decomposed into electrons and hydrogen ions by the action of the electrode catalyst. The electrons move through the external circuit to the cathode side electrode. On the other hand, hydrogen ions pass through the electrolyte membrane and reach the cathode electrode, and combine with oxygen and electrons that have passed through the external circuit to become reaction water. The generated water on the cathode electrode side is discharged from the cathode side.

次に、本実施形態の構成について、具体的に説明する。   Next, the configuration of the present embodiment will be specifically described.

図1に、本実施形態における燃料電池の断面構成を示す。燃料電池は、セパレータ20、セパレータ30、多孔質体層34、ガス拡散シート14、MEA10、ガス拡散シート12、セパレータ20、セパレータ30を順次積層して構成される。図において、MEA10を基準としてその下側に位置するガス拡散シート12、セパレータ20、セパレータ30がアノード側、MEA10を基準としてその上側に位置するセパレータ20、セパレータ30、多孔質体層34、ガス拡散シート14がカソード側である。ガス拡散シート14、MEA10、ガス拡散シート12は互いに接合される。   FIG. 1 shows a cross-sectional configuration of the fuel cell in the present embodiment. The fuel cell is configured by sequentially laminating the separator 20, the separator 30, the porous body layer 34, the gas diffusion sheet 14, the MEA 10, the gas diffusion sheet 12, the separator 20, and the separator 30. In the figure, the gas diffusion sheet 12, the separator 20, and the separator 30 positioned on the lower side with respect to the MEA 10 are the anode side, and the separator 20, the separator 30, the porous body layer 34, the gas diffusion positioned on the upper side with respect to the MEA 10 The sheet 14 is the cathode side. The gas diffusion sheet 14, the MEA 10, and the gas diffusion sheet 12 are joined together.

セパレータ20及びセパレータ30は、矩形状の外形を有しており、外周側には複数の貫通孔が設けられて各種マニホールドが形成される。セパレータ20は、1枚の金属板をプレス加工することにより形成され、表面と裏面との間で凹凸形状が反転する。セパレータ20は、凹部22aと凹部22bとを有する。セパレータ20を平面視した場合、凹部22aと凹部22bはそれぞれ櫛状のパターンとなっており、2つの櫛状のパターンが互いに噛み合うように配置される。アノード側のセパレータ20の外周側に設けられた貫通孔により形成されるマニホールドを介して凹部22aには高圧の水素ガスが供給される。また、凹部22bは、セパレータ20の外周側に設けられた他の貫通孔により形成されるマニホールドを介してアノードガス排気系に接続される。従って、凹部22aに供給された水素ガスは、セパレータ20に接するガス拡散シート12を経由して隣接する凹部22bに流れ込む。この流れの過程で、ガス拡散シート12からMEA10のアノード側電極触媒層に水素が供給される。また、セパレータ20の凸部24は、セパレータ面内を蛇行して形成され、セパレータ30とともに冷却水等の冷媒を流す冷媒流路として機能する。   The separator 20 and the separator 30 have a rectangular outer shape, and a plurality of through holes are provided on the outer peripheral side to form various manifolds. The separator 20 is formed by pressing a single metal plate, and the uneven shape is inverted between the front surface and the back surface. The separator 20 has a recess 22a and a recess 22b. When the separator 20 is viewed in plan, the recesses 22a and the recesses 22b each have a comb-like pattern, and the two comb-like patterns are arranged so as to mesh with each other. High-pressure hydrogen gas is supplied to the recess 22a through a manifold formed by a through hole provided on the outer peripheral side of the anode-side separator 20. The recess 22b is connected to the anode gas exhaust system via a manifold formed by another through hole provided on the outer peripheral side of the separator 20. Accordingly, the hydrogen gas supplied to the recess 22 a flows into the adjacent recess 22 b via the gas diffusion sheet 12 in contact with the separator 20. In the course of this flow, hydrogen is supplied from the gas diffusion sheet 12 to the anode side electrode catalyst layer of the MEA 10. Further, the convex portion 24 of the separator 20 is formed to meander in the separator surface, and functions as a refrigerant flow path for flowing a coolant such as cooling water together with the separator 30.

このような構成において、アノード側のガス拡散層であるガス拡散シート14に、MEA10の触媒層カーボンよりも相対的に結晶化度の低いカーボンを添加し、このガス拡散シート14に添加したカーボンを選択的または優先的に酸化させて(犠牲酸化)、触媒層カーボンの酸化を抑制する。さらに、ガス拡散シート14に相対的に結晶化度の低いカーボンを添加する際には、均一に添加するのではなく、燃料ガスとしての水素含有ガスの流路を基準とし、これに対して一定の関係となるように添加する。   In such a configuration, carbon having a lower crystallinity than the catalyst layer carbon of the MEA 10 is added to the gas diffusion sheet 14 that is the gas diffusion layer on the anode side, and the carbon added to the gas diffusion sheet 14 is added to the gas diffusion sheet 14. Oxidation of the catalyst layer carbon is suppressed by selective or preferential oxidation (sacrificial oxidation). Furthermore, when carbon having a relatively low degree of crystallinity is added to the gas diffusion sheet 14, it is not added uniformly, but the flow path of the hydrogen-containing gas as the fuel gas is used as a reference, and this is constant. Add so that

図2に、図1におけるガス拡散シート12とセパレータ20の一部拡大斜視図を示す。セパレータ20は、上記のように水素含有ガスが流れる凹部22aと冷媒流路としての凸部24を備える。そして、水素含有ガスが流れる凹部22aの延在方向に対し、略垂直方向に低結晶化度カーボンをガス拡散シート12に添加する。図において、ガス拡散シート12に形成されるストライプ状の領域50は、低結晶化度カーボンが添加された領域を示す。   FIG. 2 is a partially enlarged perspective view of the gas diffusion sheet 12 and the separator 20 in FIG. The separator 20 includes the concave portion 22a through which the hydrogen-containing gas flows and the convex portion 24 as the refrigerant flow path as described above. Then, low crystallinity carbon is added to the gas diffusion sheet 12 in a direction substantially perpendicular to the extending direction of the recess 22a through which the hydrogen-containing gas flows. In the figure, a striped region 50 formed in the gas diffusion sheet 12 indicates a region to which low crystallinity carbon is added.

結晶化度の低いカーボンを犠牲酸化させることで、触媒層のカーボンの酸化を抑制することができるが、犠牲酸化の進行に伴ってガス拡散シート12の強度低下が生じ得るが、このように凹部22aの延在方向に対して略垂直にカーボンを添加することにより、たとえガス拡散シート12の強度が部分的に低下しても、セパレータ20の凸部24がリブとして機能し、このリブに対して略垂直な方向に強度低下が生じることとなるから、ガス拡散シート12の全体強度低下を抑制することができる。   The sacrificial oxidation of carbon having a low crystallinity can suppress the oxidation of carbon in the catalyst layer. However, as the sacrificial oxidation proceeds, the strength of the gas diffusion sheet 12 may be reduced. By adding carbon substantially perpendicular to the extending direction of 22a, even if the strength of the gas diffusion sheet 12 is partially reduced, the convex portion 24 of the separator 20 functions as a rib. Therefore, a decrease in strength occurs in a substantially vertical direction, so that a decrease in the overall strength of the gas diffusion sheet 12 can be suppressed.

図3に、領域50を模式的を示す。ガス拡散シート12は、カーボン繊維12aと、カーボン繊維12aを結着するバインダ12bを備えるが、このバインダ12bに低結晶度カーボン12cを犠牲剤として添加する。触媒層カーボンとしてVulcan(バルカン)を用いた場合、これよりも相対的に低結晶化度のカーボンとしては、例えばKetjen Black(ケチェンブラック)を用いることができる。   FIG. 3 schematically shows the region 50. The gas diffusion sheet 12 includes carbon fibers 12a and a binder 12b that binds the carbon fibers 12a, and low-crystallinity carbon 12c is added to the binder 12b as a sacrificial agent. When Vulcan (Vulcan) is used as the catalyst layer carbon, for example, Ketjen Black (Ketjen Black) can be used as the carbon having a relatively low crystallinity.

なお、本実施形態では、ガス拡散シート12に相対的に低結晶化度カーボンを添加しているが、低結晶化度カーボンに加え、ガス拡散シート12に電解質を含有させてもよい。電解質を含有させることで、アノードの水素欠時において、
C+HO→CO+4H+4e
の反応をガス拡散シート12内で促進することができる。
In the present embodiment, the low crystallinity carbon is relatively added to the gas diffusion sheet 12, but in addition to the low crystallinity carbon, the gas diffusion sheet 12 may contain an electrolyte. By containing electrolyte, at the time of hydrogen shortage of the anode,
C + H 2 O → CO 2 + 4H + 4e
In the gas diffusion sheet 12.

図4に、この場合の領域50の模式図を示す。ガス拡散シート12は、カーボン繊維12aと、カーボン繊維12aを結着するバインダ12bを備えるが、さらに低結晶化度のカーボン12cと電解質12dを混合したものをカーボン繊維12aにコーティングする。低結晶化度カーボン12cとしては、図3と同様にKetjen Black(ケチェンブラック)を用いることができ、電解質12dとしては、Nafion(登録商標)(ナフィオン)等のアイオノマを用いることができる。   FIG. 4 shows a schematic diagram of the region 50 in this case. The gas diffusion sheet 12 includes carbon fibers 12a and a binder 12b that binds the carbon fibers 12a, and further coats the carbon fibers 12a with a mixture of carbon 12c having a low crystallinity and an electrolyte 12d. Ketjen Black (Ketjen Black) can be used as the low crystallinity carbon 12c, and ionomers such as Nafion (registered trademark) (Nafion) can be used as the electrolyte 12d.

このように、本実施形態では、ガス拡散シート12に添加する低結晶化度カーボン、あるいは低結晶化度カーボンと電解質の混合物を、水素含有ガスの流路に対して略垂直となるようにストライプ状に形成することで、犠牲酸化に伴うガス拡散シート12の強度低下を抑制することができる。ここで、「略垂直」とは、必ずしも厳密な意味における垂直を要求するものではなく、水素含有ガス流路とストライプ状の領域50とのなす角度が90度近傍であってもよいことを意味するものである。さらに、水素含有ガス流路とストライプ状の領域50とのなす角度は、必ずしも略垂直である必要はなく、平行ではなく一定の角度を有していればよい。   As described above, in this embodiment, the low crystallinity carbon added to the gas diffusion sheet 12 or the mixture of the low crystallinity carbon and the electrolyte is striped so as to be substantially perpendicular to the flow path of the hydrogen-containing gas. By forming in a shape, the strength reduction of the gas diffusion sheet 12 due to sacrificial oxidation can be suppressed. Here, “substantially vertical” does not necessarily require vertical in a strict sense, but means that the angle formed between the hydrogen-containing gas flow path and the stripe-shaped region 50 may be close to 90 degrees. To do. Furthermore, the angle formed between the hydrogen-containing gas flow path and the stripe-shaped region 50 does not necessarily have to be substantially vertical, and may be a certain angle rather than parallel.

図5に、ストライプ状の領域50の形成例を示す。図5(a)は、水素含有ガス流路とストライプ状の領域50とのなす角度θ、すなわち、水素含有ガス流路の延在方向とストライプ状の領域50の延在方向とのなす角度θが90度の場合を示す。また、図5(b)は、水素含有ガス流路とストライプ状の領域50とのなす角度θが略45度の場合を示す。一般的に、犠牲酸化に伴うガス拡散シート12の強度低下を抑制するためには、角度θは45度以上90度以下であることが望ましく、60度以上90度以下であることがさらに望ましい。   FIG. 5 shows an example of forming the stripe region 50. FIG. 5A shows an angle θ formed between the hydrogen-containing gas flow path and the stripe-shaped region 50, that is, an angle θ formed between the extending direction of the hydrogen-containing gas flow path and the extending direction of the stripe-shaped region 50. Shows the case of 90 degrees. FIG. 5B shows a case where the angle θ formed by the hydrogen-containing gas flow path and the stripe-shaped region 50 is approximately 45 degrees. Generally, in order to suppress a decrease in strength of the gas diffusion sheet 12 due to sacrificial oxidation, the angle θ is preferably 45 degrees or more and 90 degrees or less, and more preferably 60 degrees or more and 90 degrees or less.

3.第2実施形態
図6に、本実施形態におけるガス拡散シート12とセパレータ20の一部拡大斜視図を示す。本実施形態では、領域50、すなわち低結晶化度カーボン、または低結晶化度カーボンと電解質の混合物が添加され犠牲酸化される領域50は、ストライプ状ではなく点状に散在する。また、領域50は、ガス拡散シート12のうち、セパレータ20の凸部24に当接する領域に散在する。
3. Second Embodiment FIG. 6 is a partially enlarged perspective view of the gas diffusion sheet 12 and the separator 20 in the present embodiment. In the present embodiment, the regions 50, that is, the regions 50 to which sacrificial oxidation is performed by adding low crystallinity carbon or a mixture of low crystallinity carbon and an electrolyte, are scattered in the form of dots rather than stripes. Further, the region 50 is scattered in a region of the gas diffusion sheet 12 that contacts the convex portion 24 of the separator 20.

図7に、ガス拡散シート12の平面図を示す。領域50は、水素含有ガス流路である凹部22aに対応する領域には形成されず、冷媒流路である凸部24に対向する(当接する)領域にのみ散在して形成される。凸部24はリブとして機能し得るところ、領域50をこのリブに対向する領域に選択的に形成することで、犠牲酸化に伴って部分的に強度低下が生じても、リブにより補強され得る。   FIG. 7 shows a plan view of the gas diffusion sheet 12. The region 50 is not formed in a region corresponding to the concave portion 22a that is a hydrogen-containing gas flow path, but is scattered only in a region that faces (contacts) the convex portion 24 that is a refrigerant flow path. The convex portion 24 can function as a rib. By selectively forming the region 50 in the region facing the rib, the rib 24 can be reinforced by the rib even if the strength is partially reduced due to sacrificial oxidation.

また、犠牲酸化により強度低下のみならず、ガス拡散性の低下が生じ得るが、凸部24は冷媒流路であるから、たとえ犠牲酸化に伴うガス拡散性の低下が生じたとしても、発電性能への影響を抑制することが可能である。   In addition, the sacrificial oxidation may cause not only a decrease in strength but also a decrease in gas diffusivity. However, since the convex portion 24 is a refrigerant flow path, even if a decrease in gas diffusibility due to sacrificial oxidation occurs, the power generation performance Can be suppressed.

4.第3実施形態
第2実施形態においては、ガス拡散シート12のうち、セパレータ20の凸部24に当接する領域にほぼ同じ大きさで散在させているが、各領域50の大きさは必ずしも同一である必要はなく、大きさを変化させてもよい。本実施形態では、散在して形成される領域50の大きさを変化させる場合について説明する。
4). Third Embodiment In the second embodiment, the gas diffusion sheet 12 is scattered in the region that is in contact with the convex portion 24 of the separator 20 with substantially the same size, but the size of each region 50 is not necessarily the same. There is no need to change the size. In the present embodiment, a case where the size of the region 50 formed in a scattered manner is changed will be described.

図8に、燃料電池セルの発電面内における発電性能分布を模式的に示す。発電性能は、発電面の全面において均一であることが望ましいが、実際には水素含有ガス流量や面圧分布が存在するため均一ではなく、ばらつきがある。従って、例えば図8に模式的に示すように、相対的に電流密度が大きい領域と、相対的に電流密度が小さい領域が存在する。そこで、この発電面内における発電性能分布に対応し、ガス拡散シート12において、電流密度が相対的に大きい領域では犠牲酸化に伴うガス拡散性の低下を抑制するために領域50の面積を小さくし、その一方、電流密度が相対的に小さい領域では犠牲酸化に伴うガス拡散性の低下は相対的に影響が小さいことから領域50の面積を大きくする。   FIG. 8 schematically shows the power generation performance distribution in the power generation plane of the fuel battery cell. The power generation performance is desirably uniform over the entire power generation surface, but in reality, the hydrogen-containing gas flow rate and the surface pressure distribution are not uniform and vary. Therefore, for example, as schematically shown in FIG. 8, there are a region having a relatively high current density and a region having a relatively low current density. Therefore, in response to this power generation performance distribution in the power generation plane, in the gas diffusion sheet 12, the area of the region 50 is reduced in a region where the current density is relatively large in order to suppress a decrease in gas diffusibility due to sacrificial oxidation. On the other hand, in the region where the current density is relatively small, the decrease in gas diffusibility due to sacrificial oxidation has a relatively small effect, so the area of the region 50 is increased.

なお、図8においては発電面内を4つの領域に分けて相対的な電流密度の大小を示しているが、発電面をより細かく分けてもよいのは言うまでもない。本願出願人は、発電面内を54分割し、それぞれの分割領域において平均電流密度を測定し、相対的に電流密度の大きい領域と小さい領域が存在することを確認している。   In FIG. 8, the power generation surface is divided into four regions and the relative current density is shown, but it goes without saying that the power generation surface may be further divided. The applicant of the present application divides the power generation plane into 54 sections, measures the average current density in each divided area, and confirms that there are relatively large areas and small areas.

図9に、ガス拡散シート12のうち、電流密度が相対的に大きい領域における領域50の配置を示す。ガス拡散シート12において、セパレータ20の凸部24が当接する領域に領域50が点状に散在する。領域50の面積は相対的に小さい。   FIG. 9 shows the arrangement of the regions 50 in the region of the gas diffusion sheet 12 where the current density is relatively large. In the gas diffusion sheet 12, the regions 50 are scattered in the form of dots in the region where the convex portions 24 of the separator 20 abut. The area of the region 50 is relatively small.

これに対し、図10に、ガス拡散シート12のうち、電流密度が相対的に小さい領域における領域50の配置を示す。図9と同様に、ガス拡散シート12において、セパレータ20の凸部24が当接する領域に領域50が点状に散在する。但し、領域50の面積は図9に比べて相対的に大きい。   On the other hand, FIG. 10 shows the arrangement of the regions 50 in the region of the gas diffusion sheet 12 where the current density is relatively small. Similarly to FIG. 9, in the gas diffusion sheet 12, the regions 50 are scattered in a dot shape in the region where the convex portions 24 of the separator 20 abut. However, the area of the region 50 is relatively larger than that of FIG.

このように、電流密度が相対的に大きい領域では犠牲酸化される領域50の面積を相対的に小さくし、電流密度が相対的に小さい領域では領域50の面積を相対的に大きくすることにより、触媒層カーボンの酸化を抑制するとともに、犠牲酸化に伴うガス拡散シート12の強度低下を抑制し、かつ発電性能の低下を抑制することができる。   In this way, by reducing the area of the sacrificial oxidized region 50 in a region where the current density is relatively high, and relatively increasing the area of the region 50 in a region where the current density is relatively low, While suppressing oxidation of catalyst layer carbon, the strength reduction of the gas diffusion sheet 12 accompanying sacrificial oxidation can be suppressed, and the reduction in power generation performance can be suppressed.

5.変形例
以上、本発明の実施形態について説明したが、他の変形例も可能である。
5. Modifications While the embodiment of the present invention has been described above, other modifications are possible.

例えば、第1実施形態では、水素含有ガス流路に略垂直となるようにストライプ状の領域50を形成しているが、ガス拡散シート12のうち、ストライプ状の領域50以外は低結晶化度カーボン、または低結晶化度カーボンと電解質の混合物を全く添加しない場合の他、領域50よりも相対的に低い密度で添加してもよい。第2実施形態及び第3実施形態についても同様である。   For example, in the first embodiment, the stripe-shaped region 50 is formed so as to be substantially perpendicular to the hydrogen-containing gas flow path. However, in the gas diffusion sheet 12, the portions other than the stripe-shaped region 50 have a low crystallinity. In addition to the case where carbon or a mixture of low crystallinity carbon and electrolyte is not added at all, it may be added at a density relatively lower than that of the region 50. The same applies to the second embodiment and the third embodiment.

また、第3実施形態において、領域50の平面形状は点状として示されているが、これはあくまで模式的な説明であって、領域50の平面形状は円、矩形、多角形を含む任意の形状であってもよい。   In the third embodiment, the planar shape of the region 50 is shown as a point shape, but this is only a schematic explanation, and the planar shape of the region 50 is an arbitrary one including a circle, a rectangle, and a polygon. It may be a shape.

また、第3実施形態において、電流密度が相対的に大きい領域では犠牲酸化される領域50の面積を相対的に小さくし、電流密度が相対的に小さい領域では領域50の面積を相対的に大きく設定しているが、電流密度が相対的に大きい領域では低結晶化度カーボンの添加量を少なくし、電流密度が相対的に小さい領域では低結晶化度カーボンの添加量を多くしてもよい。すなわち、電流密度の大小(あるいは発電性能の高低)に応じ、領域50の大きさあるいは密度の少なくともいずれかを適応的に調整すればよい。   In the third embodiment, the area of the sacrificial oxidized region 50 is relatively small in the region where the current density is relatively high, and the area of the region 50 is relatively large in the region where the current density is relatively small. Although it is set, the amount of low crystallinity carbon added may be reduced in a region where the current density is relatively large, and the amount of low crystallinity carbon added may be increased in a region where the current density is relatively small. . That is, at least one of the size and density of the region 50 may be adaptively adjusted according to the current density (or the power generation performance).

さらに、本実施形態では、低結晶化度カーボン、あるいは低結晶化度カーボンと電解質の混合物を拡散シート12の特定位置に選択的に添加しているが、低結晶化カーボンを略均一に拡散シート12に添加するとともに、電解質を拡散シート12の特定位置に添加してもよい。要するに、
(1)ガス拡散シート12に、低結晶化度カーボンを選択的に添加する
(2)ガス拡散シート12に、低結晶化度カーボンと電解質を選択的に添加する
(3)ガス拡散シート12に、低結晶化度カーボンを略均一に添加し、電解質を選択的に添加する
のいずれかの方法を用いることができる。(2)の場合、犠牲酸化領域としての領域50のみに低結晶化度カーボンと電解質が含まれ、(3)の場合、低結晶化カーボンは領域50だけでなく他の領域にも含まれる(電解質は領域50のみ)相違がある点に留意されたい。また、(3)の場合、犠牲酸化領域は電解質を選択的に添加した領域であり、その他の領域に比して優先的に犠牲酸化が進行する。
Furthermore, in this embodiment, low crystallinity carbon or a mixture of low crystallinity carbon and an electrolyte is selectively added to a specific position of the diffusion sheet 12, but the low crystallinity carbon is substantially uniformly distributed. In addition to being added to the electrolyte 12, an electrolyte may be added to a specific position of the diffusion sheet 12. in short,
(1) Selectively add low crystallinity carbon to the gas diffusion sheet 12 (2) Selectively add low crystallinity carbon and an electrolyte to the gas diffusion sheet 12 (3) Add to the gas diffusion sheet 12 Any method of adding the low crystallinity carbon substantially uniformly and selectively adding the electrolyte can be used. In the case of (2), the low crystallinity carbon and the electrolyte are contained only in the region 50 as the sacrificial oxidation region, and in the case of (3), the low crystallinity carbon is contained not only in the region 50 but also in other regions ( Note that there is a difference in the electrolyte (area 50 only). In the case of (3), the sacrificial oxidation region is a region where an electrolyte is selectively added, and sacrificial oxidation proceeds preferentially as compared with other regions.

10 MEA(膜電極接合体)、12,14 ガス拡散シート、20,30 セパレータ、22a,22b 凹部、24 凸部、50 領域(犠牲酸化領域)。   10 MEA (membrane electrode assembly), 12, 14 Gas diffusion sheet, 20, 30 Separator, 22a, 22b Concavity, 24 Convex, 50 regions (sacrificial oxidation region).

Claims (8)

燃料電池であって、
アノード触媒層と、
前記アノード触媒層に隣接形成され、水素含有ガスを拡散させて前記アノード触媒層に供給するガス拡散層と、
前記ガス拡散層に隣接形成され、前記ガス拡散層に前記水素含有ガスを供給するセパレータと、
を備え、
前記セパレータは、表面に凹凸が形成され、凹部において前記水素含有ガス流路が形成されるとともに凸部において冷媒流路が形成され、
前記ガス拡散層の発電面内には、前記アノード触媒層のカーボンよりも相対的に低結晶化度のカーボンが添加されて犠牲酸化領域として機能し、かつ、
前記ガス拡散層の前記犠牲酸化領域は、前記水素含有ガス流路の延在方向に対して一定の角度をなすように形成される
ことを特徴とする燃料電池。
A fuel cell,
An anode catalyst layer;
A gas diffusion layer formed adjacent to the anode catalyst layer and diffusing a hydrogen-containing gas to supply the anode catalyst layer;
A separator formed adjacent to the gas diffusion layer and supplying the hydrogen-containing gas to the gas diffusion layer;
With
The separator has irregularities formed on the surface, the hydrogen-containing gas flow path is formed in the concave portion and the refrigerant flow path is formed in the convex portion,
In the power generation surface of the gas diffusion layer, carbon having a lower crystallinity than the carbon of the anode catalyst layer is added to function as a sacrificial oxidation region, and
The fuel cell, wherein the sacrificial oxidation region of the gas diffusion layer is formed at a certain angle with respect to an extending direction of the hydrogen-containing gas flow path.
請求項1記載の燃料電池において、
前記ガス拡散層の前記犠牲酸化領域は、前記水素含有ガス流路の延在方向に対して略垂直となるように形成される
ことを特徴とする燃料電池。
The fuel cell according to claim 1, wherein
The fuel cell, wherein the sacrificial oxidation region of the gas diffusion layer is formed to be substantially perpendicular to the extending direction of the hydrogen-containing gas flow path.
燃料電池であって、
アノード触媒層と、
前記アノード触媒層に隣接形成され、水素含有ガスを拡散させて前記アノード触媒層に供給するガス拡散層と、
前記ガス拡散層に隣接形成され、前記ガス拡散層に前記水素含有ガスを供給するセパレータと、
を備え、
前記セパレータは、表面に凹凸が形成され、凹部において前記水素含有ガス流路が形成されるとともに凸部において冷媒流路が形成され、
前記ガス拡散層の発電面内には、前記アノード触媒層のカーボンよりも相対的に低結晶化度のカーボンが添加されて犠牲酸化領域として機能し、かつ、
前記ガス拡散層の前記犠牲酸化領域は、前記凸部に対向する領域に形成される
ことを特徴とする燃料電池。
A fuel cell,
An anode catalyst layer;
A gas diffusion layer formed adjacent to the anode catalyst layer and diffusing a hydrogen-containing gas to supply the anode catalyst layer;
A separator formed adjacent to the gas diffusion layer and supplying the hydrogen-containing gas to the gas diffusion layer;
With
The separator has irregularities formed on the surface, the hydrogen-containing gas flow path is formed in the concave portion and the refrigerant flow path is formed in the convex portion,
In the power generation surface of the gas diffusion layer, carbon having a lower crystallinity than the carbon of the anode catalyst layer is added to function as a sacrificial oxidation region, and
The sacrificial oxidation region of the gas diffusion layer is formed in a region facing the convex portion.
請求項3記載の燃料電池において、
前記ガス拡散層の前記犠牲酸化領域は、前記発電面内において相対的に電流密度が大きい領域において相対的にその面積を小さく、相対的に電流密度が小さい領域において相対的にその面積を大きく形成される
ことを特徴とする燃料電池。
The fuel cell according to claim 3, wherein
The sacrificial oxidation region of the gas diffusion layer is formed to have a relatively small area in a region having a relatively large current density and a relatively large area in a region having a relatively small current density. A fuel cell characterized in that
請求項3記載の燃料電池において、
前記ガス拡散層の前記犠牲酸化領域は、前記発電面内において相対的に電流密度が大きい領域において相対的に添加量が少なく、相対的に電流密度が小さい領域において相対的に添加量が大きく設定される
ことを特徴とする燃料電池。
The fuel cell according to claim 3, wherein
The sacrificial oxidation region of the gas diffusion layer is set to have a relatively small addition amount in a region having a relatively large current density and a relatively large addition amount in a region having a relatively small current density. A fuel cell characterized in that
請求項1〜5のいずれかに記載の燃料電池において、
前記ガス拡散層の発電面内には、前記アノード触媒層のカーボンよりも相対的に低結晶化度のカーボンとともに電解質が添加される
ことを特徴とする燃料電池。
The fuel cell according to any one of claims 1 to 5,
An electrolyte is added to the power generation surface of the gas diffusion layer together with carbon having a crystallinity lower than that of the carbon of the anode catalyst layer.
請求項6記載の燃料電池において、
前記低結晶化度のカーボン及び前記電解質は、前記ガス拡散層の前記発電面内において選択的に添加される
ことを特徴とする燃料電池。
The fuel cell according to claim 6, wherein
The low-crystallinity carbon and the electrolyte are selectively added in the power generation surface of the gas diffusion layer.
請求項6記載の燃料電池において、
前記低結晶化度のカーボンは、前記ガス拡散層の前記発電面内において略均一に添加され、前記電解質は、前記ガス拡散層の前記発電面内において選択的に添加される
ことを特徴とする燃料電池。
The fuel cell according to claim 6, wherein
The low crystallinity carbon is added substantially uniformly in the power generation surface of the gas diffusion layer, and the electrolyte is selectively added in the power generation surface of the gas diffusion layer. Fuel cell.
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