JP2012243442A - Membrane-electrode assembly, solid polymer fuel cell, and fuel cell system - Google Patents

Membrane-electrode assembly, solid polymer fuel cell, and fuel cell system Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a membrane-electrode assembly which can ensure gas diffusion properties by enhancing the discharge properties of water produced near the concave part of a solid polymer electrolyte membrane in an electrode (catalyst layer) when using a solid polymer electrolyte membrane formed in the shape of protrusions and recesses.SOLUTION: The membrane-electrode assembly includes a solid polymer electrolyte membrane 10, and an electrode 40C(40A) having a catalyst layer 20C(20A) and a gas diffusion layer 30C(30A). The catalyst layer 20C in contact with the principal surface of the solid polymer electrolyte membrane 10 formed in the shape of protrusions and recesses has a part overlapping a concave part 1A, when viewed from the thickness direction of the solid polymer electrolyte membrane 10, which is formed of a first catalyst layer 2A and a second catalyst layer 2B. The first catalyst layer 2A is composed to have a mass ratio (I/C) of ionomer/carbon lower than that of the second catalyst layer 2B, and/or an ion exchange group equivalent(EW) higher than that of the second catalyst layer 2B.

Description

本発明は、膜−電極接合体、固体高分子形燃料電池、及び燃料電池システムに関し、特に、膜−電極接合体の構造に関する。   The present invention relates to a membrane-electrode assembly, a polymer electrolyte fuel cell, and a fuel cell system, and more particularly to a structure of a membrane-electrode assembly.

燃料電池は、一般的には単セルを積層させて構成されているスタックを本体としている。セルは、MEAを一対の平板状のセパレータ、具体的にはアノードセパレータ及びカソードセパレータで挟んで構成されている。MEAは、高分子電解質膜とその両面に積層して構成された一対の電極とを有して構成されており、MEAの両主面には電極面が形成されている。また、セパレータは、導電性カーボンを含む樹脂、金属等の導電材料で構成され、MEAの電極面に当接して電気回路の一部を担っている。   In general, a fuel cell has a main body of a stack formed by stacking single cells. The cell is configured by sandwiching the MEA between a pair of flat separators, specifically, an anode separator and a cathode separator. The MEA includes a polymer electrolyte membrane and a pair of electrodes that are stacked on both sides of the polymer electrolyte membrane, and electrode surfaces are formed on both main surfaces of the MEA. In addition, the separator is made of a conductive material such as resin or metal containing conductive carbon, and is in contact with the electrode surface of the MEA and serves as a part of the electric circuit.

ここで、セルにおける電気化学反応は発熱反応であるので、燃料電池運転動作中にセル内面が触媒活性温度になるようにセルを冷却する必要があり、燃料電池運転動作時には適切な温度管理を要する。すなわち、セルの冷却が不充分な場合、MEAの温度が上昇して高分子電解質膜から水分が蒸発する。その結果、高分子電解質膜の劣化が促進されてセルスタックの耐久性が低下したり、高分子電解質膜の電気抵抗が増大してセルの電気出力が低下したりすることが知られている。   Here, since the electrochemical reaction in the cell is an exothermic reaction, it is necessary to cool the cell so that the inner surface of the cell reaches the catalyst activation temperature during the operation of the fuel cell, and appropriate temperature management is required during the operation of the fuel cell. . That is, when the cooling of the cell is insufficient, the temperature of the MEA rises and water is evaporated from the polymer electrolyte membrane. As a result, it is known that the deterioration of the polymer electrolyte membrane is promoted and the durability of the cell stack is lowered, or the electric resistance of the polymer electrolyte membrane is increased and the electric output of the cell is lowered.

一方、セルスタックを必要以上に冷却した場合、ガス流路を流れる反応ガス中の水分が結露し、反応ガス中に含まれる液体状態の水の量が増加する。液体状態の水は、セパレータ板のガス流路に表面張力によって液滴として付着する。この液滴の量が甚だしい場合は、ガス流路内に付着した水が、ガス流路を塞いでガスの流れを阻害し、フラッディングを起こすおそれがある。フラッディングが生じると、電極の反応面積が減少し、電気出力が不安定化する等、燃料電池の性能を低下させることが知られている。   On the other hand, when the cell stack is cooled more than necessary, moisture in the reaction gas flowing through the gas flow path is condensed, and the amount of liquid water contained in the reaction gas increases. Liquid water adheres as droplets to the gas flow path of the separator plate due to surface tension. When the amount of the droplets is excessive, water adhering to the gas flow path may block the gas flow path to obstruct the gas flow and cause flooding. It is known that when flooding occurs, the reaction area of the electrode decreases and the electric output becomes unstable, and the performance of the fuel cell is lowered.

また、特に、カソード側での電極内では、反応によって生成水が生じるために、電極内での水の排水性が重要である。ガス流路内のフラッディングと同様に、カソード側の電極内が、生成した水で閉塞してしまうと電気出力の不安定化を引き起こすおそれがある。   In particular, in the electrode on the cathode side, generated water is generated by the reaction, so the drainage of water in the electrode is important. Similar to the flooding in the gas flow path, if the cathode side electrode is clogged with the generated water, the electric output may become unstable.

ところで、このような燃料電池において、電解質膜を凹凸面にすることで、電解質膜と電極との接触面積を大きくする膜電極接合体が知られている(例えば、特許文献1及び特許文献2参照)。   By the way, in such a fuel cell, a membrane electrode assembly is known in which the contact area between the electrolyte membrane and the electrode is increased by making the electrolyte membrane uneven (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2). ).

特開2005−293923号公報JP 2005-293923 A 特開2008−4486号公報JP 2008-4486 A

しかしながら、上記特許文献1及び特許文献2に開示されている膜電極接合体であっても、燃料電池の出力性能をより向上させるためには、未だ改善の余地があることを本発明者らは見出した。   However, the present inventors have found that there is still room for improvement in order to further improve the output performance of the fuel cell even in the membrane electrode assembly disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2. I found it.

すなわち、電解質膜を凹凸面にすると、電解質膜の凹状部分は、凸状部分で囲まれた領域であるため、反応ガスの供給量が比較的少なくなる。また、カソード側では、電解質膜の凹状部分近傍の電極で反応した際に生成水が、電解質膜の凸状部分により、GDLやセパレータ側へ排出しにくい状況を招く可能性がある。   That is, when the electrolyte membrane is made uneven, since the concave portion of the electrolyte membrane is a region surrounded by the convex portion, the amount of reaction gas supplied is relatively small. In addition, on the cathode side, when the reaction occurs at the electrode near the concave portion of the electrolyte membrane, there is a possibility that the generated water is difficult to be discharged to the GDL or the separator side due to the convex portion of the electrolyte membrane.

そして、本発明者らは、電極(特に、カソード)における電解質膜の凹状部分近傍の生成水をいかにして外部に排出するか、また、電極における電解質膜の凹状部分近傍にいかにして反応ガスを供給するかが、凸凹状に形成されている固体高分子電解質膜を用いた際の電池性能向上に大きく影響することを見出した。   Then, the inventors of the present invention describe how the generated water in the vicinity of the concave portion of the electrolyte membrane in the electrode (particularly the cathode) is discharged to the outside, and how the reaction gas is in the vicinity of the concave portion of the electrolyte membrane in the electrode. It has been found that whether or not to supply the battery greatly affects the improvement of the battery performance when the solid polymer electrolyte membrane formed in an uneven shape is used.

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、凸凹状に形成されている固体高分子電解質膜を用いた際に、電極(触媒層)における固体高分子電解質膜の凹状部分近傍での生成水の排出性を高め、ガス拡散性を確保することができる、膜−電極接合体、固体高分子形燃料電池、及び燃料電池システムを提供することを目的とする。   The present invention has been made in order to solve the above-described problems. When a solid polymer electrolyte membrane formed in an uneven shape is used, the concave shape of the solid polymer electrolyte membrane in an electrode (catalyst layer) is provided. An object of the present invention is to provide a membrane-electrode assembly, a polymer electrolyte fuel cell, and a fuel cell system capable of enhancing the discharge of produced water in the vicinity of the portion and ensuring gas diffusibility.

上記課題を解決するために、本発明に係る膜−電極接合体は、少なくとも一方の主面が凸凹状に形成されている固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の主面と接触するように配置されている触媒層と、ガス拡散層と、を有する電極と、を備え、前記固体高分子電解質膜の凸凹状に形成されている主面と接触する前記触媒層は、前記固体高分子電解質膜の厚み方向から見て、前記固体高分子電解質膜の凹状に形成されている部分と重なる部分が、第1触媒層と第2触媒層で形成されていて、前記第1触媒層は、前記固体高分子電解質膜の前記主面と接触し、前記第2触媒層は、前記ガス拡散層の主面と接触するように配置され、前記第1触媒層は、前記第2触媒層よりもアイオノマー/カーボンの質量比(I/C)が低く、及び/又はイオン交換基当量重量(EW)が高くなるように構成されている。   In order to solve the above problems, a membrane-electrode assembly according to the present invention comprises a solid polymer electrolyte membrane in which at least one main surface is formed in an uneven shape, and a contact with the main surface of the solid polymer electrolyte membrane. An electrode having a catalyst layer and a gas diffusion layer, and the catalyst layer in contact with the main surface formed in an uneven shape of the solid polymer electrolyte membrane is the solid When viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane, a portion that overlaps the concave portion of the solid polymer electrolyte membrane is formed by the first catalyst layer and the second catalyst layer, and the first catalyst layer Is in contact with the main surface of the solid polymer electrolyte membrane, the second catalyst layer is disposed in contact with the main surface of the gas diffusion layer, and the first catalyst layer is the second catalyst layer Lower ionomer / carbon mass ratio (I / C) and / or Ion-exchange group equivalent weight (EW) is configured to increases.

これにより、電極(触媒層)における固体高分子電解質膜の凹状部分近傍での生成水の排出性を高め、ガス拡散性を確保することができる。なお、アイオノマー/カーボンの質量比(I/C)におけるアイオノマーとしては、フッ素系高分子樹脂からなるものが好ましい。   Thereby, the discharge | emission property of the produced water in the recessed part vicinity of the solid polymer electrolyte membrane in an electrode (catalyst layer) can be improved, and gas diffusibility can be ensured. In addition, as an ionomer in ionomer / carbon mass ratio (I / C), what consists of a fluoropolymer resin is preferable.

また、本発明に係る膜−電極接合体では、前記第1触媒層は、その厚みが前記固体高分子電解質膜の凹状に形成されている部分の高さよりも小さくなるように形成されていてもよい。   In the membrane-electrode assembly according to the present invention, the thickness of the first catalyst layer may be smaller than the height of the concave portion of the solid polymer electrolyte membrane. Good.

また、本発明に係る膜−電極接合体では、前記第1触媒層の厚みは、前記固体高分子電解質膜の凹状に形成されている部分の高さの1/3以上であってもよい。   In the membrane-electrode assembly according to the present invention, the thickness of the first catalyst layer may be 1/3 or more of the height of the concave portion of the solid polymer electrolyte membrane.

また、本発明に係る膜−電極接合体では、前記第1触媒層の厚みは、前記固体高分子電解質膜の凹状に形成されている部分の高さの1/2以上であってもよい。   In the membrane-electrode assembly according to the present invention, the thickness of the first catalyst layer may be 1/2 or more of the height of the concave portion of the solid polymer electrolyte membrane.

また、本発明に係る膜−電極接合体では、前記第1触媒層のI/Cが、0.5〜1.0であり、前記第2触媒層のI/Cが、1.0〜2.0であってもよい。   In the membrane-electrode assembly according to the present invention, the I / C of the first catalyst layer is 0.5 to 1.0, and the I / C of the second catalyst layer is 1.0 to 2. 0.0.

また、本発明に係る膜−電極接合体では、前記第1触媒層のEWが、900〜1500であり、前記第2触媒層のEWが、500〜900であってもよい。   In the membrane-electrode assembly according to the present invention, the EW of the first catalyst layer may be 900 to 1500, and the EW of the second catalyst layer may be 500 to 900.

さらに、本発明に係る膜−電極接合体では、前記固体高分子電解質膜の凹状に形成されている部分の高さが、3〜20μmであってもよい。   Furthermore, in the membrane-electrode assembly according to the present invention, the height of the concave portion of the solid polymer electrolyte membrane may be 3 to 20 μm.

また、本発明に係る固体高分子形燃料電池は、前記膜−電極接合体と、板状で、前記膜−電極接合体を挟持するように配設された一対の導電性のセパレータと、を備える。   Further, the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention comprises the membrane-electrode assembly, and a pair of conductive separators arranged in a plate shape so as to sandwich the membrane-electrode assembly. Prepare.

これにより、電極(触媒層)における固体高分子電解質膜の凹状部分近傍での生成水の排出性を高め、ガス拡散性を確保することができ、電池性能を向上させることができる。   Thereby, the discharge | emission property of the produced water in the recessed part vicinity of the solid polymer electrolyte membrane in an electrode (catalyst layer) can be improved, gas diffusibility can be ensured, and battery performance can be improved.

また、本発明に係る燃料電池システムは、前記固体高分子形燃料電池と、前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給器と、前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、前記固体高分子形燃料電池に熱媒体を供給する熱媒体供給器と、制御器と、を備え、前記制御器は、前記燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの露点が、前記燃料電池に供給される熱媒体の温度より低い条件で、発電運転を行うように、前記燃料ガス供給器、前記酸化剤ガス供給器、及び前記熱媒体供給器を制御する。   In addition, the fuel cell system according to the present invention includes the solid polymer fuel cell, a fuel gas supplier that supplies fuel gas to the anode, an oxidant gas supplier that supplies oxidant gas to the cathode, A heating medium supplier for supplying a heating medium to the polymer electrolyte fuel cell; and a controller, wherein the controller has a dew point of the fuel gas and the oxidant gas supplied to the fuel cell. The fuel gas supply device, the oxidant gas supply device, and the heat medium supply device are controlled so that the power generation operation is performed under a condition lower than the temperature of the heat medium supplied to the battery.

これにより、燃料電池を低加湿条件で運転する場合に、電極(触媒層)における固体高分子電解質膜の凹状部分近傍での生成水の排出性を高め、ガス拡散性を確保することができ、電池性能を向上させることができる。   As a result, when the fuel cell is operated under low humidification conditions, it is possible to enhance the discharge of generated water in the vicinity of the concave portion of the solid polymer electrolyte membrane in the electrode (catalyst layer), and to ensure gas diffusibility, Battery performance can be improved.

本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施形態の詳細な説明から明らかにされる。   The above object, other objects, features, and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description of the preferred embodiments with reference to the accompanying drawings.

本発明の膜−電極接合体、固体高分子形燃料電池、及び燃料電池システムによれば、電極(触媒層)における固体高分子電解質膜の凹状部分近傍での生成水の排出性を高め、ガス拡散性を確保することが可能となる。   According to the membrane-electrode assembly, the polymer electrolyte fuel cell, and the fuel cell system of the present invention, the discharge of generated water in the vicinity of the concave portion of the polymer electrolyte membrane in the electrode (catalyst layer) is enhanced, It becomes possible to ensure diffusibility.

図1は、本発明の実施の形態1に係る膜−電極接合体の概略構成を模式的に示す断面図である。1 is a cross-sectional view schematically showing a schematic configuration of a membrane-electrode assembly according to Embodiment 1 of the present invention. 図2は、図1に示す膜−電極接合体の固体高分子電解質膜の概略構成を模式的に示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a schematic configuration of the solid polymer electrolyte membrane of the membrane-electrode assembly shown in FIG. 図3は、図1に示す膜−電極接合体の固体高分子電解質膜の概略構成を模式的に示す正面図である。FIG. 3 is a front view schematically showing a schematic configuration of the solid polymer electrolyte membrane of the membrane-electrode assembly shown in FIG. 図4は、図1に示す膜−電極接合体を備える固体高分子形燃料電池(本発明の実施の形態1に係る固体高分子形燃料電池)の概略構成を模式的に示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a schematic configuration of a polymer electrolyte fuel cell (solid polymer fuel cell according to Embodiment 1) including the membrane-electrode assembly shown in FIG. . 図5は、本発明の実施の形態2に係る燃料電池システムの概略構成を模式的に示すブロック図である。FIG. 5 is a block diagram schematically showing a schematic configuration of the fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention.

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している。さらに、本発明は以下の実施の形態に限定されない。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. Further, in all the drawings, only components necessary for explaining the present invention are extracted and illustrated, and other components are not illustrated. Furthermore, the present invention is not limited to the following embodiment.

(実施の形態1)
本発明の実施の形態1は、少なくとも一方の主面が凸凹状に形成されている固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜の主面と接触するように配置されている触媒層と、ガス拡散層と、を有する電極と、を備え、固体高分子電解質膜の凸凹状に形成されている主面と接触する触媒層は、固体高分子電解質膜の厚み方向から見て、固体高分子電解質膜の凹状に形成されている部分と重なる部分が、第1触媒層と第2触媒層で形成されていて、第1触媒層は、固体高分子電解質膜の主面と接触し、第2触媒層は、ガス拡散層の主面と接触するように配置され、第1触媒層は、第2触媒層よりもアイオノマー/カーボンの質量比(I/C)が低く、及び/又はイオン交換基当量重量(EW)が高くなるように構成されている態様を例示するものである。
[膜−電極接合体の構成]
図1は、本発明の実施の形態1に係る膜−電極接合体の概略構成を模式的に示す断面図である。図2は、図1に示す膜−電極接合体の固体高分子電解質膜の概略構成を模式的に示す断面図であり、図3は、図1に示す膜−電極接合体の固体高分子電解質膜の概略構成を模式的に示す正面図である。なお、図1乃至図3においては、一部を省略している。まず、図3においては、固体高分子電解質膜の凸状部分と凹状部分とを区別しやすくするため、それぞれの部分にハッチングを付している。
(Embodiment 1)
Embodiment 1 of the present invention includes a solid polymer electrolyte membrane in which at least one main surface is formed in an uneven shape, a catalyst layer disposed so as to be in contact with the main surface of the solid polymer electrolyte membrane, An electrode having a gas diffusion layer, and the catalyst layer in contact with the main surface formed in an uneven shape of the solid polymer electrolyte membrane is a solid polymer as viewed from the thickness direction of the solid polymer electrolyte membrane. A portion overlapping with the concave portion of the electrolyte membrane is formed by the first catalyst layer and the second catalyst layer, the first catalyst layer is in contact with the main surface of the solid polymer electrolyte membrane, and the second The catalyst layer is disposed so as to be in contact with the main surface of the gas diffusion layer, and the first catalyst layer has a lower ionomer / carbon mass ratio (I / C) than the second catalyst layer and / or an ion exchange group. Exemplifies an embodiment in which the equivalent weight (EW) is increased. That.
[Configuration of membrane-electrode assembly]
1 is a cross-sectional view schematically showing a schematic configuration of a membrane-electrode assembly according to Embodiment 1 of the present invention. 2 is a cross-sectional view schematically showing a schematic configuration of the solid polymer electrolyte membrane of the membrane-electrode assembly shown in FIG. 1, and FIG. 3 is a solid polymer electrolyte of the membrane-electrode assembly shown in FIG. It is a front view which shows the schematic structure of a film | membrane typically. In FIG. 1 to FIG. 3, a part is omitted. First, in FIG. 3, in order to easily distinguish the convex portion and the concave portion of the solid polymer electrolyte membrane, each portion is hatched.

図1に示すように、本実施の形態1に係る膜−電極接合体50は、固体高分子電解質膜10と、アノード触媒層20Aとアノードガス拡散層30Aを有するアノード40Aと、カソード触媒層20C及びカソードガス拡散層30Cを有するカソード40Cと、を備える。固体高分子電解質膜10は、水素を選択的に輸送するように構成されている。   As shown in FIG. 1, the membrane-electrode assembly 50 according to Embodiment 1 includes a solid polymer electrolyte membrane 10, an anode catalyst layer 20A having an anode catalyst layer 20A and an anode gas diffusion layer 30A, and a cathode catalyst layer 20C. And a cathode 40C having a cathode gas diffusion layer 30C. The solid polymer electrolyte membrane 10 is configured to selectively transport hydrogen.

固体高分子電解質膜10は、図1乃至図3に示すように、一方の主面(ここでは、カソード40C側主面)が凸凹状に形成されている。具体的には、固体高分子電解質膜10のカソード40C側主面から突出するように、凸状部分1Bが形成されている。そして、固体高分子電解質膜10の凹状に形成されている部分(以下、凹状部分1Aという)は、固体高分子電解質膜10のカソード40C側主面と凸状部分1Bの側面とから構成されている。   As shown in FIGS. 1 to 3, the solid polymer electrolyte membrane 10 has one main surface (here, the main surface on the cathode 40 </ b> C side) formed in an uneven shape. Specifically, the convex portion 1B is formed so as to protrude from the main surface of the solid polymer electrolyte membrane 10 on the cathode 40C side. And the part (henceforth concave part 1A) currently formed in the concave shape of the solid polymer electrolyte membrane 10 is comprised from the cathode 40C side main surface of the solid polymer electrolyte membrane 10, and the side surface of the convex part 1B. Yes.

なお、本実施の形態1においては、固体高分子電解質膜10のカソード40C側主面から突出するように、凸状部分1Bを形成することで、固体高分子電解質膜10の一方の主面(カソード40C側主面)を凸凹状に形成したが、これに限定されない。例えば、固体高分子電解質膜10の一方の主面から凹むように孔を形成して、該主面を凸凹状に形成してもよい。この場合、孔の底面が凹状部分1Aを構成し、固体高分子電解質膜10の一方の主面と孔を形成する側壁とが凸状部分1Bを構成する。   In the first embodiment, by forming the convex portion 1B so as to protrude from the cathode 40C side main surface of the solid polymer electrolyte membrane 10, one main surface of the solid polymer electrolyte membrane 10 ( The cathode 40C side main surface) is formed in an uneven shape, but is not limited thereto. For example, a hole may be formed so as to be recessed from one main surface of the solid polymer electrolyte membrane 10, and the main surface may be formed in an uneven shape. In this case, the bottom surface of the hole constitutes the concave portion 1A, and one main surface of the solid polymer electrolyte membrane 10 and the side wall forming the hole constitute the convex portion 1B.

また、本実施の形態1においては、固体高分子電解質膜10のカソード40C側主面を凸凹状に形成したが、これに限定されない。例えば、固体高分子電解質膜10のアノード40A側主面を凸凹状に形成してもよく、固体高分子電解質膜10の両側の主面を凸凹状に形成してもよい。   In the first embodiment, the cathode 40C side main surface of the solid polymer electrolyte membrane 10 is formed in an uneven shape, but the present invention is not limited to this. For example, the main surface on the anode 40A side of the solid polymer electrolyte membrane 10 may be formed in an uneven shape, or the main surfaces on both sides of the solid polymer electrolyte membrane 10 may be formed in an uneven shape.

さらに、凹状部分1Aの高さ(換言すると、固体高分子電解質膜10のカソード40C側主面から凸状部分1Bの先端部までの高さ)は、固体高分子電解質膜10の厚み以下であってもよく、3〜20μm以下であってもよい。   Furthermore, the height of the concave portion 1A (in other words, the height from the cathode 40C side main surface of the solid polymer electrolyte membrane 10 to the tip of the convex portion 1B) is equal to or less than the thickness of the solid polymer electrolyte membrane 10. It may be 3 to 20 μm or less.

そして、固体高分子電解質膜10の他方の主面(アノード40A側主面)には、アノード触媒層20Aが設けられている。また、固体高分子電解質膜10のカソード40C側主面には、カソード触媒層20Cが設けられている。   An anode catalyst layer 20A is provided on the other main surface of the solid polymer electrolyte membrane 10 (the main surface on the anode 40A side). A cathode catalyst layer 20C is provided on the main surface of the solid polymer electrolyte membrane 10 on the cathode 40C side.

カソード触媒層20Cは、第1触媒層2Aと第2触媒層2Bを有している。カソード触媒層20Cは、固体高分子電解質膜10の厚み方向から見て、カソード触媒層20Cにおける、固体高分子電解質膜10の凹状部分1Aと重なる部分が、第1触媒層2Aと第2触媒層2Bで形成されている。   The cathode catalyst layer 20C has a first catalyst layer 2A and a second catalyst layer 2B. In the cathode catalyst layer 20C, when viewed from the thickness direction of the solid polymer electrolyte membrane 10, the portions of the cathode catalyst layer 20C that overlap the concave portions 1A of the solid polymer electrolyte membrane 10 are the first catalyst layer 2A and the second catalyst layer. 2B.

第1触媒層2Aは、固体高分子電解質膜10のカソード40C側主面と接触するように配置されている。また、第2触媒層2Bは、カソードガス拡散層30Cの主面と接触するように配置されている。換言すると、第1触媒層2Aの固体高分子電解質膜10の主面と接触しない側の主面には、第2触媒層2Bが設けられている。   The first catalyst layer 2A is disposed so as to be in contact with the main surface of the solid polymer electrolyte membrane 10 on the cathode 40C side. The second catalyst layer 2B is disposed so as to be in contact with the main surface of the cathode gas diffusion layer 30C. In other words, the second catalyst layer 2B is provided on the main surface of the first catalyst layer 2A that is not in contact with the main surface of the solid polymer electrolyte membrane 10.

また、第1触媒層2Aは、発電による生成水が滞留するために固体高分子電解質膜10の凹状部分1Aに存在する触媒層のガス拡散性が低下し、その触媒層へのガス拡散性を確保する観点から、その厚みが、固体高分子電解質膜10の凹状部分1Aの高さよりも小さくなるように形成されていることが好ましい。さらに、第1触媒層2Aは、固体高分子電解質膜10の凹状部分1Aの底面近傍に存在する触媒層に確実にガス供給する観点から、その厚みが、固体高分子電解質膜10の凹状部分1Aの高さの1/3以上であることが好ましく、1/2以上であることがより好ましい。   In addition, since the first catalyst layer 2A retains water generated by power generation, the gas diffusibility of the catalyst layer existing in the concave portion 1A of the solid polymer electrolyte membrane 10 is reduced, and the gas diffusivity to the catalyst layer is reduced. From the viewpoint of ensuring, it is preferable that the thickness is formed to be smaller than the height of the concave portion 1A of the solid polymer electrolyte membrane 10. Furthermore, the thickness of the first catalyst layer 2 </ b> A is such that the thickness of the first catalyst layer 2 </ b> A is the concave portion 1 </ b> A of the solid polymer electrolyte membrane 10 from the viewpoint of reliably supplying gas to the catalyst layer existing near the bottom surface of the concave portion 1 </ b> A of the solid polymer electrolyte membrane 10. The height is preferably 1/3 or more, more preferably 1/2 or more.

アノード触媒層20A及びカソード触媒層20Cは、触媒担持カーボンとアイオノマーを有していれば、その構成は特に限定されない。また、第1触媒層2Aは、プロトン伝導性を維持する観点から、第1触媒層2Aのアイオノマー/カーボンの質量比(I/C)が、0.5以上、かつ、1.0以下であることが好ましい。さらに、第2触媒層2Bは、電子伝導性を維持する観点から、第2触媒層2BのI/Cが、1.0以上、かつ、2.0以下であることが好ましい。この場合、第1触媒層2Aは、第1触媒層2AのI/Cが、実質的に1.0未満であってもよい。なお、アイオノマー/カーボンの質量比(I/C)におけるアイオノマーとしては、フッ素系高分子樹脂からなるものが好ましい。   The structure of the anode catalyst layer 20A and the cathode catalyst layer 20C is not particularly limited as long as the catalyst catalyst carbon and the ionomer are included. Further, from the viewpoint of maintaining proton conductivity, the first catalyst layer 2A has an ionomer / carbon mass ratio (I / C) of the first catalyst layer 2A of 0.5 or more and 1.0 or less. It is preferable. Further, in the second catalyst layer 2B, the I / C of the second catalyst layer 2B is preferably 1.0 or more and 2.0 or less from the viewpoint of maintaining electronic conductivity. In this case, in the first catalyst layer 2A, the I / C of the first catalyst layer 2A may be substantially less than 1.0. In addition, as an ionomer in ionomer / carbon mass ratio (I / C), what consists of a fluoropolymer resin is preferable.

さらに、第1触媒層2Aは、第1触媒層2Aの性能を維持する観点から、第1触媒層2A(正確には、第1触媒層2Aを構成するフッ素系高分子樹脂)のEWが、900以上、かつ、1500以下であることが好ましい。また、第2触媒層2Bは、第2触媒層2Bの形状安定性を維持する観点から、第2触媒層2B(正確には、第2触媒層2Bを構成するフッ素系高分子樹脂)のEWが500以上、かつ、900以下であることが好ましい。なお、第2触媒層2BのEWは、実質的に900未満であってもよい。   Furthermore, from the viewpoint of maintaining the performance of the first catalyst layer 2A, the first catalyst layer 2A has an EW of the first catalyst layer 2A (more precisely, the fluoropolymer resin constituting the first catalyst layer 2A), It is preferable that it is 900 or more and 1500 or less. Further, the second catalyst layer 2B is an EW of the second catalyst layer 2B (more precisely, a fluoropolymer resin constituting the second catalyst layer 2B) from the viewpoint of maintaining the shape stability of the second catalyst layer 2B. Is preferably 500 or more and 900 or less. The EW of the second catalyst layer 2B may be substantially less than 900.

アノード触媒層20Aの固体高分子電解質膜10と接触しない側の主面には、アノードガス拡散層30Aが設けられている。また、カソード触媒層20Cの固体高分子電解質膜10と接触しない側の主面(第2触媒層2Bの第1触媒層2Aと接触しない側の主面)には、カソードガス拡散層30Cが設けられている。なお、アノードガス拡散層30A及びカソードガス拡散層30Cは、一般的な固体高分子形燃料電池のガス拡散層と同様に構成されているため、その詳細な説明は省略する。   An anode gas diffusion layer 30A is provided on the main surface of the anode catalyst layer 20A on the side not in contact with the solid polymer electrolyte membrane 10. A cathode gas diffusion layer 30C is provided on the main surface of the cathode catalyst layer 20C that does not contact the solid polymer electrolyte membrane 10 (the main surface of the second catalyst layer 2B that does not contact the first catalyst layer 2A). It has been. The anode gas diffusion layer 30A and the cathode gas diffusion layer 30C are configured in the same manner as a gas diffusion layer of a general polymer electrolyte fuel cell, and thus detailed description thereof is omitted.

[膜−電極接合体の製造方法]
次に、本実施の形態1に係る膜−電極接合体50の製造方法について。図1乃至図3を参照しながら説明する。
[Method for producing membrane-electrode assembly]
Next, a manufacturing method of the membrane-electrode assembly 50 according to the first embodiment. This will be described with reference to FIGS.

まず、図2及び図3に示すような凹凸構造を形成したシリコンウェハ等で構成された金型に固体高分子電解質膜10を構成する材料をキャストして、固体高分子電解質膜10を成形する。なお、固体高分子電解質膜10は、上記特許文献1に開示されている方法で、成形してもよい。   First, the material constituting the solid polymer electrolyte membrane 10 is cast into a mold made of a silicon wafer or the like having a concavo-convex structure as shown in FIGS. 2 and 3 to form the solid polymer electrolyte membrane 10. . The solid polymer electrolyte membrane 10 may be formed by the method disclosed in Patent Document 1 above.

次に、固体高分子電解質膜10の凸凹状に形成されている主面に、第1触媒層2A形成用インクを塗工又はスプレーする等により、第1触媒層2Aを形成する。このとき、第1触媒層2Aを形成するインクは、後述する第2触媒層2Bを形成するインクよりも、I/Cが低く、及び/又はEWが高くなるように調整される。具体的には、上述したように、第1触媒層2A形成用インクは、I/Cが0.5〜1.0になるように、及び/又はEWが、900〜1500になるように調整される。   Next, the first catalyst layer 2A is formed by coating or spraying the first catalyst layer 2A forming ink on the main surface of the solid polymer electrolyte membrane 10 formed in an uneven shape. At this time, the ink forming the first catalyst layer 2A is adjusted such that the I / C is lower and / or the EW is higher than the ink forming the second catalyst layer 2B described later. Specifically, as described above, the ink for forming the first catalyst layer 2A is adjusted so that the I / C is 0.5 to 1.0 and / or the EW is 900 to 1500. Is done.

なお、第1触媒層2A形成用インクは、第1触媒層2Aの厚みが、凹状部分1Aの高さの1/3以上(好ましくは、1/2以上)、かつ、凹状部分1Aの高さよりも小さくなるように、塗工又はスプレー等される。   In the first catalyst layer 2A forming ink, the thickness of the first catalyst layer 2A is 1/3 or more (preferably 1/2 or more) of the height of the concave portion 1A and the height of the concave portion 1A. The coating or spraying is performed so as to be small.

次に、第1触媒層2Aの固体高分子電解質膜10と接触していない主面に、第2触媒層2B形成用インクを塗工又はスプレーする等により、第2触媒層2Bを形成する。このとき、第2触媒層2B形成用インクは、I/Cが1.0〜2.0になるように、及び/又はEWが、500〜900になるように調整される。   Next, the second catalyst layer 2B is formed by coating or spraying the ink for forming the second catalyst layer 2B on the main surface of the first catalyst layer 2A that is not in contact with the solid polymer electrolyte membrane 10. At this time, the ink for forming the second catalyst layer 2B is adjusted so that the I / C is 1.0 to 2.0 and / or the EW is 500 to 900.

そして、固体高分子電解質膜10のカソード触媒層20Cが形成されていない側の主面に、アノード触媒層20A形成用インクを塗工又はスプレーする等により、アノード触媒層20Aを形成する。なお、アノード触媒層20A形成用インクは、一般的な触媒層を形成するインクを用いることができる。   Then, the anode catalyst layer 20A is formed on the main surface of the solid polymer electrolyte membrane 10 on the side where the cathode catalyst layer 20C is not formed by applying or spraying ink for forming the anode catalyst layer 20A. The ink for forming the anode catalyst layer 20A can be an ink that forms a general catalyst layer.

次に、カーボンクロス等を予め適宜な大きさに裁断して、アノードガス拡散層30A及びカソードガス拡散層30Cを用意する。そして、アノード触媒層20Aにおける固体高分子電解質膜10と接触しない側の主面に、アノードガス拡散層30Aを接合する。また、カソード触媒層20Cにおける固体高分子電解質膜10と接触しない側の主面に、カソードガス拡散層30Cを接合する。このようにして、膜−電極接合体50が得られる。なお、撥水カーボン層形成インクを予めアノード触媒層20A及び/又はカソード触媒層20Cの主面、又はアノードガス拡散層30A及び/又はカソードガス拡散層30Cの主面に塗工等することにより、撥水カーボン層を形成してから、膜−電極接合体50を形成してもよい。   Next, carbon cloth or the like is cut into an appropriate size in advance to prepare an anode gas diffusion layer 30A and a cathode gas diffusion layer 30C. Then, the anode gas diffusion layer 30A is joined to the main surface of the anode catalyst layer 20A on the side not in contact with the solid polymer electrolyte membrane 10. Further, the cathode gas diffusion layer 30C is bonded to the main surface of the cathode catalyst layer 20C on the side not in contact with the solid polymer electrolyte membrane 10. In this way, the membrane-electrode assembly 50 is obtained. By applying the water repellent carbon layer forming ink in advance to the main surface of the anode catalyst layer 20A and / or the cathode catalyst layer 20C, or the main surface of the anode gas diffusion layer 30A and / or the cathode gas diffusion layer 30C, etc. The membrane-electrode assembly 50 may be formed after forming the water-repellent carbon layer.

[固体高分子形燃料電池の構成]
次に、本実施の形態1に係る固体高分子形燃料電池(実施の形態1に係る膜−電極接合体50を備える固体高分子形燃料電池)の構成について、図1乃至図4を参照しながら説明する。
[Configuration of polymer electrolyte fuel cell]
Next, the structure of the polymer electrolyte fuel cell according to the first embodiment (the polymer electrolyte fuel cell including the membrane-electrode assembly 50 according to the first embodiment) will be described with reference to FIGS. While explaining.

図4は、図1に示す膜−電極接合体を備える固体高分子形燃料電池(本発明の実施の形態1に係る固体高分子形燃料電池)の概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図4においては、一部を省略している。   FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a schematic configuration of a polymer electrolyte fuel cell (solid polymer fuel cell according to Embodiment 1) including the membrane-electrode assembly shown in FIG. . In FIG. 4, a part is omitted.

図4に示すように、本発明の実施の形態1に係る固体高分子形燃料電池100は、膜−電極接合体50と、アノードセパレータ60Aと、カソードセパレータ60Cと、図示されない一対のガスケットを備えている。   As shown in FIG. 4, the polymer electrolyte fuel cell 100 according to Embodiment 1 of the present invention includes a membrane-electrode assembly 50, an anode separator 60A, a cathode separator 60C, and a pair of gaskets not shown. ing.

一対のガスケットは、アノード40A及びカソード40Cのそれぞれの周囲に設けられている。また、ガスケットは、ここでは、ドーナツ状に形成されていて。フッ素ゴムで構成されている。これにより、燃料ガスや酸化剤ガスが固体高分子形燃料電池100外にリークされることが抑制され、また、固体高分子形燃料電池100内でこれらのガスが互いに混合されることが抑制される。なお、ガスケットの周縁部には、厚み方向の貫通孔からなる燃料ガス供給マニホールド孔等の各マニホールド孔が設けられている。   The pair of gaskets are provided around each of the anode 40A and the cathode 40C. The gasket is here formed in a donut shape. It is made of fluoro rubber. As a result, the fuel gas and the oxidant gas are suppressed from leaking out of the polymer electrolyte fuel cell 100, and the gases are suppressed from being mixed with each other in the polymer electrolyte fuel cell 100. The In addition, each manifold hole such as a fuel gas supply manifold hole formed of a through hole in the thickness direction is provided at the peripheral edge of the gasket.

アノードセパレータ60A及びカソードセパレータ60Cは、膜−電極接合体50及びガスケットを挟むように設けられている。また、アノードセパレータ60A及びカソードセパレータ60Cは、熱伝導性及び導電性に優れた金属、黒鉛、または、黒鉛と樹脂を混合したものを使用することができ、例えば、カーボン粉末とバインダー(溶剤)との混合物を射出成形により作製したものやチタンやステンレス鋼製の板の表面に金メッキを施したものを使用することができる。これにより、膜−電極接合体50が機械的に固定され、複数の固体高分子形燃料電池100をその厚み方向に積層したときには、膜−電極接合体50が電気的に接続される。   The anode separator 60A and the cathode separator 60C are provided so as to sandwich the membrane-electrode assembly 50 and the gasket. The anode separator 60A and the cathode separator 60C can be made of a metal having excellent thermal conductivity and conductivity, graphite, or a mixture of graphite and resin. For example, carbon powder and a binder (solvent) A mixture prepared by injection molding or a plate of titanium or stainless steel plated with gold can be used. Thereby, the membrane-electrode assembly 50 is mechanically fixed, and when the plurality of polymer electrolyte fuel cells 100 are stacked in the thickness direction, the membrane-electrode assembly 50 is electrically connected.

アノードセパレータ60Aのアノード40Aと接触する一方の主面には、燃料ガスが通流するための溝状の燃料ガス流路70が設けられている。また、アノードセパレータ60Aの他方の主面には、熱媒体が通流するための溝状の熱媒体流路90が設けられている。   On one main surface of the anode separator 60A that is in contact with the anode 40A, a groove-like fuel gas flow path 70 is provided for the fuel gas to flow therethrough. Further, a groove-like heat medium flow path 90 through which the heat medium flows is provided on the other main surface of the anode separator 60A.

同様に、カソードセパレータ60Cのカソード40Cと接触する一方の主面には、酸化剤ガスが通流するための溝状の酸化剤ガス流路80が設けられている。また、カソードセパレータ60Cの他方の主面には、熱媒体が通流するための溝状の熱媒体流路90が設けられている。   Similarly, a groove-like oxidant gas flow path 80 through which an oxidant gas flows is provided on one main surface of the cathode separator 60C that is in contact with the cathode 40C. Further, a groove-like heat medium flow path 90 through which the heat medium flows is provided on the other main surface of the cathode separator 60C.

これにより、アノード40A及びカソード40Cには、それぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、これらのガスが反応して電気と熱が発生する。また、冷却水等の熱媒体を熱媒体流路90に通流させることにより、発生した熱の回収が行われる。   Thereby, fuel gas and oxidant gas are supplied to the anode 40A and the cathode 40C, respectively, and these gases react to generate electricity and heat. Further, the generated heat is recovered by passing a heat medium such as cooling water through the heat medium flow path 90.

そして、このように構成された本実施の形態1に係る固体高分子形燃料電池100をその厚み方向に積層することにより、セル積層体が形成される(図示せず)。このとき、固体高分子電解質膜10、ガスケット、アノードセパレータ60A、及びカソードセパレータ60Cに設けられた燃料ガス供給マニホールド孔等の各マニホールド孔は、固体高分子形燃料電池100を積層したときに厚み方向にそれぞれつながって、燃料ガス供給マニホールド等の各マニホールドが、それぞれ形成される。そして、セル積層体の両端に集電板及び絶縁板をそれぞれ配置し、その両端に更に一対の端板を配置して、締結具で締結することにより、燃料電池スタック101が形成される(図4参照)。   And the cell laminated body is formed by laminating | stacking the polymer electrolyte fuel cell 100 which concerns on this Embodiment 1 comprised in this way in the thickness direction (not shown). At this time, each manifold hole such as a fuel gas supply manifold hole provided in the solid polymer electrolyte membrane 10, the gasket, the anode separator 60 </ b> A, and the cathode separator 60 </ b> C has a thickness direction when the solid polymer fuel cell 100 is laminated. The manifolds such as the fuel gas supply manifold are formed respectively. Then, a current collector plate and an insulating plate are arranged at both ends of the cell stack, a pair of end plates are further arranged at both ends, and fastened with a fastener to form the fuel cell stack 101 (see FIG. 4).

このように構成された本実施の形態1に係る膜−電極接合体50及び固体高分子形燃料電池100では、第1触媒層2Aが第2触媒層2BよりもI/Cが低く、及び/又はEWが高くなるように構成されているため、固体高分子電解質膜10の凹状部分1A近傍(第1触媒層2A)での生成水の排出性を高め、ガス拡散性を確保することができる。このため、固体高分子形燃料電池100の電池性能を向上させることができる。   In the membrane-electrode assembly 50 and the polymer electrolyte fuel cell 100 according to Embodiment 1 configured as described above, the first catalyst layer 2A has a lower I / C than the second catalyst layer 2B, and / or Alternatively, since the EW is configured to be high, the discharge of generated water in the vicinity of the concave portion 1A (the first catalyst layer 2A) of the solid polymer electrolyte membrane 10 can be enhanced, and the gas diffusibility can be ensured. . For this reason, the battery performance of the polymer electrolyte fuel cell 100 can be improved.

(実施の形態2)
本発明の実施の形態2は、実施の形態1に係る固体高分子形燃料電池と、アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給器と、カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、固体高分子形燃料電池に熱媒体を供給する熱媒体供給器と、制御器と、を備え、制御器は、固体高分子形燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの露点が、固体高分子形燃料電池に供給される熱媒体の温度より低い条件で、固体高分子形燃料電池が発電運転を行うように、燃料ガス供給器、酸化剤ガス供給器、及び熱媒体供給器を制御する態様を例示するものである。
(Embodiment 2)
Embodiment 2 of the present invention includes a polymer electrolyte fuel cell according to Embodiment 1, a fuel gas supplier that supplies fuel gas to the anode, and an oxidant gas supplier that supplies oxidant gas to the cathode. A heating medium supplier for supplying a heating medium to the polymer electrolyte fuel cell, and a controller, and the controller has a dew point of the fuel gas and the oxidant gas supplied to the polymer electrolyte fuel cell, A fuel gas supply device, an oxidant gas supply device, and a heat medium supply device are installed so that the polymer electrolyte fuel cell performs a power generation operation under a temperature lower than the temperature of the heat medium supplied to the polymer electrolyte fuel cell. The mode to control is illustrated.

[燃料電池システムの構成]
図5は、本発明の実施の形態2に係る燃料電池システムの概略構成を模式的に示すブロック図である。
[Configuration of fuel cell system]
FIG. 5 is a block diagram schematically showing a schematic configuration of the fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention.

図5に示すように、本発明の実施の形態2に係る燃料電池システム200は、燃料電池スタック101と、燃料ガス供給器102と、酸化剤ガス供給器103と、熱媒体供給器104と、電力調整器105と、制御器110と、を備えている。制御器110は、燃料電池スタック101に供給される熱媒体の温度より低い条件で、燃料電池スタック101が発電運転を行うように、燃料ガス供給器102、酸化剤ガス供給器103、及び熱媒体供給器104を制御する。   As shown in FIG. 5, a fuel cell system 200 according to Embodiment 2 of the present invention includes a fuel cell stack 101, a fuel gas supply device 102, an oxidant gas supply device 103, a heat medium supply device 104, A power regulator 105 and a controller 110 are provided. The controller 110 includes a fuel gas supply device 102, an oxidant gas supply device 103, and a heat medium so that the fuel cell stack 101 performs a power generation operation under conditions lower than the temperature of the heat medium supplied to the fuel cell stack 101. The feeder 104 is controlled.

燃料電池スタック101は、上述したように、複数の固体高分子形燃料電池100を有している。また、燃料電池スタック101には、燃料ガス経路101A、酸化剤ガス経路101B、及び熱媒体経路101Cが設けられている。   The fuel cell stack 101 has a plurality of polymer electrolyte fuel cells 100 as described above. The fuel cell stack 101 is provided with a fuel gas path 101A, an oxidant gas path 101B, and a heat medium path 101C.

燃料ガス経路101Aは、固体高分子形燃料電池100の燃料ガス流路70、燃料ガス供給マニホールド、及び燃料ガス排出マニホールドで構成されている。また、酸化剤ガス経路101Bは、固体高分子形燃料電池100の酸化剤ガス流路80、酸化剤ガス供給マニホールド、及び酸化剤ガス排出マニホールドで構成されている。同様に、熱媒体経路101Cは、固体高分子形燃料電池100の熱媒体流路90、熱媒体供給マニホールド、及び熱媒体排出マニホールドで構成されている。   The fuel gas path 101A includes a fuel gas flow path 70, a fuel gas supply manifold, and a fuel gas discharge manifold of the polymer electrolyte fuel cell 100. The oxidant gas path 101B is composed of the oxidant gas flow path 80, the oxidant gas supply manifold, and the oxidant gas discharge manifold of the polymer electrolyte fuel cell 100. Similarly, the heat medium path 101C includes the heat medium flow path 90, the heat medium supply manifold, and the heat medium discharge manifold of the polymer electrolyte fuel cell 100.

燃料電池スタック101の燃料ガス経路101Aの入口には、燃料ガス供給経路111を介して、燃料ガス供給器102が接続されている。燃料ガス供給器102は、例えば、水素生成装置、水素ボンベ、又は水素吸蔵合金等と、加湿器と、流量調整器と、を有している(いずれも図示せず)。水素生成装置は、原料ガス(例えば、メタンガスやプロパンガス等)と水から燃料ガス(水素ガス)を生成する。また、加湿器は、水素生成装置等からの燃料ガスを加湿することができれば、どのような態様のものであってもよく、例えば、熱媒体が水である場合、熱媒体と全熱交換する全熱交換器であってもよく、タンク等に貯えられた水を水蒸気にして燃料ガスを加湿する、いわゆる加湿器であってもよい。流量調整器は、例えば、流量調整可能なポンプやポンプと流量調整弁で構成されていてもよい。   A fuel gas supply unit 102 is connected to an inlet of the fuel gas path 101 </ b> A of the fuel cell stack 101 via a fuel gas supply path 111. The fuel gas supply device 102 includes, for example, a hydrogen generator, a hydrogen cylinder, a hydrogen storage alloy, etc., a humidifier, and a flow rate regulator (all not shown). The hydrogen generator generates fuel gas (hydrogen gas) from raw material gas (for example, methane gas, propane gas, etc.) and water. Further, the humidifier may be in any form as long as it can humidify the fuel gas from the hydrogen generator or the like. For example, when the heat medium is water, the humidifier performs total heat exchange with the heat medium. It may be a total heat exchanger, or a so-called humidifier that humidifies the fuel gas using water stored in a tank or the like as water vapor. The flow rate regulator may be constituted by, for example, a pump capable of adjusting the flow rate, a pump and a flow rate adjustment valve.

また、燃料電池スタック101の酸化剤ガス経路101Bの入口には、酸化剤ガス供給経路113を介して、酸化剤ガス供給器103が接続されている。酸化剤ガス供給器103は、例えば、ファンやブロワ等のファン類と、加湿器と、流量調整器と、を有している(いずれも図示せず)。加湿器は、ファン類から供給される酸化剤ガスを加湿することができれば、どのような態様のものであってもよく、例えば、熱媒体が水である場合、熱媒体と全熱交換する全熱交換器であってもよく、タンク等に貯えられた水を水蒸気にして酸化剤ガスを加湿する、いわゆる加湿器であってもよい。流量調整器は、例えば、流量調整可能なポンプやポンプと流量調整弁で構成されていてもよい。   In addition, an oxidant gas supply unit 103 is connected to an inlet of the oxidant gas path 101 </ b> B of the fuel cell stack 101 via an oxidant gas supply path 113. The oxidant gas supply device 103 includes, for example, fans such as a fan and a blower, a humidifier, and a flow rate regulator (all not shown). The humidifier may be in any form as long as it can humidify the oxidant gas supplied from the fans. For example, when the heat medium is water, the humidifier performs all heat exchange with the heat medium. It may be a heat exchanger, or a so-called humidifier that humidifies the oxidant gas using water stored in a tank or the like as water vapor. The flow rate regulator may be constituted by, for example, a pump capable of adjusting the flow rate, a pump and a flow rate adjustment valve.

これにより、適宜加湿された燃料ガスが、燃料ガス供給器102から燃料ガス供給経路111を通流して、燃料ガス経路101Aに供給される。同様に、適宜加湿された酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給器103から酸化剤ガス供給経路113を通流して、酸化剤ガス経路101Bに供給される。   Thereby, the fuel gas appropriately humidified flows from the fuel gas supply device 102 through the fuel gas supply path 111 and is supplied to the fuel gas path 101A. Similarly, an appropriately humidified oxidant gas flows from the oxidant gas supply unit 103 through the oxidant gas supply path 113 and is supplied to the oxidant gas path 101B.

燃料ガス経路101Aに供給された燃料ガスは、燃料ガス経路101A内を通流する間に、各固体高分子形燃料電池100のアノード40Aに供給される。また、酸化剤ガス経路101Bに供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス経路101B内を通流する間に、各固体高分子形燃料電池100のカソード40Cに供給される。そして、アノード40Aで使用されなかった燃料ガスは、燃料ガス排出経路112に排出される。また、カソード40Cで使用されなかった酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出経路114に排出される。なお、未使用の燃料ガスは、例えば、未使用の酸化剤ガスで充分に希釈してから大気中に排出してもよく、燃料ガス供給器102が、水素生成装置で構成されている場合には、該水素生成装置の燃焼器(図示せず)に供給されてもよい。   The fuel gas supplied to the fuel gas path 101A is supplied to the anode 40A of each polymer electrolyte fuel cell 100 while flowing through the fuel gas path 101A. The oxidant gas supplied to the oxidant gas path 101B is supplied to the cathode 40C of each polymer electrolyte fuel cell 100 while flowing through the oxidant gas path 101B. The fuel gas that has not been used in the anode 40 </ b> A is discharged to the fuel gas discharge path 112. Further, the oxidant gas that has not been used in the cathode 40 </ b> C is discharged to the oxidant gas discharge path 114. Note that unused fuel gas may be discharged into the atmosphere after being sufficiently diluted with unused oxidant gas, for example, when the fuel gas supply device 102 is configured with a hydrogen generator. May be supplied to a combustor (not shown) of the hydrogen generator.

また、燃料電池スタック101の熱媒体経路101Cには、熱媒体循環経路115が接続されている。熱媒体循環経路115の途中には、熱媒体供給器104が設けられている。熱媒体供給器104は、例えば、外部から供給された熱媒体を貯えるタンクと、熱媒体温度調整器と、ポンプと、流量調整弁を有している。熱媒体温度調整器としては、例えば、燃料ガスや酸化剤ガス等と熱交換する熱交換器や熱媒体を加熱するヒータ等の加熱器や熱媒体を冷却する冷却器が挙げられる。また、熱媒体としては、例えば、水やエチレングリコール等の不凍液が挙げられる。   A heat medium circulation path 115 is connected to the heat medium path 101C of the fuel cell stack 101. A heat medium feeder 104 is provided in the middle of the heat medium circulation path 115. The heat medium supply device 104 includes, for example, a tank that stores a heat medium supplied from the outside, a heat medium temperature controller, a pump, and a flow rate adjustment valve. Examples of the heat medium temperature adjuster include a heat exchanger that exchanges heat with fuel gas, an oxidant gas, and the like, a heater such as a heater that heats the heat medium, and a cooler that cools the heat medium. Examples of the heat medium include water and antifreeze liquids such as ethylene glycol.

なお、本実施の形態2においては、熱媒体供給器104は、タンクと、ポンプと、流量調整弁で構成したが、これに限定されない。熱媒体供給器104は、ポンプが流量調整可能である場合、流量調整弁を有しない構成としてもよい。   In the second embodiment, the heat medium supplier 104 is configured with a tank, a pump, and a flow rate adjusting valve, but is not limited thereto. The heat medium supply device 104 may be configured not to have a flow rate adjustment valve when the pump can adjust the flow rate.

これにより、適宜の温度に調整された熱媒体が、熱媒体供給器104から熱媒体循環経路115を通流して、熱媒体経路101Cに供給される。熱媒体経路101Cに供給された熱媒体は、熱媒体経路101Cを通流する間に、各固体高分子形燃料電池100で発生した熱を回収し、熱媒体循環経路115に排出される。熱媒体循環経路115に排出された熱媒体は、熱媒体循環経路115を通流して、熱媒体供給器104で再び適度な温度に調整される。なお、本実施の形態2においては、熱媒体が、熱媒体供給器104と燃料電池スタック101とを循環するように構成したが、これに限定されない。熱媒体経路101Cから排出された熱媒体が、燃料電池システム200外に排出するように構成してもよい。   Thereby, the heat medium adjusted to an appropriate temperature flows from the heat medium supply device 104 through the heat medium circulation path 115 and is supplied to the heat medium path 101C. While the heat medium supplied to the heat medium path 101C flows through the heat medium path 101C, the heat generated in each polymer electrolyte fuel cell 100 is recovered and discharged to the heat medium circulation path 115. The heat medium discharged to the heat medium circulation path 115 flows through the heat medium circulation path 115 and is adjusted to an appropriate temperature again by the heat medium supply device 104. In the second embodiment, the heat medium circulates between the heat medium feeder 104 and the fuel cell stack 101. However, the present invention is not limited to this. The heat medium discharged from the heat medium path 101C may be configured to be discharged out of the fuel cell system 200.

また、燃料電池スタック101には、電気配線131、132を介して、電力調整器105が接続されている。電力調整器105は、例えば、燃料電池スタック101の固体高分子形燃料電池100で発電された直流電力を直流電圧に変換するコンバータと、コンバータから出力される直流電力を交流電力に変換するインバータを有している。そして、電力調整器105は、制御器110の制御により、固体高分子形燃料電池100から取り出す電力を調整している。   In addition, a power regulator 105 is connected to the fuel cell stack 101 via electrical wires 131 and 132. The power regulator 105 includes, for example, a converter that converts DC power generated by the polymer electrolyte fuel cell 100 of the fuel cell stack 101 into DC voltage, and an inverter that converts DC power output from the converter into AC power. Have. The power adjuster 105 adjusts the electric power extracted from the polymer electrolyte fuel cell 100 under the control of the controller 110.

制御器110は、燃料電池システム200を構成する各機器を制御する機器であれば、どのような形態であってもよい。制御器110は、マイクロプロセッサ、CPU等に例示される演算処理部と、各制御動作を実行するためのプログラムを格納した、メモリ等から構成される記憶部を備えている。そして、制御器110は、演算処理部が、記憶部に格納された所定の制御プログラムを読み出し、これを実行することにより、これらの情報を処理し、かつ、これらの制御を含む燃料電池システム200に関する各種の制御を行う。   The controller 110 may be in any form as long as it is a device that controls each device constituting the fuel cell system 200. The controller 110 includes an arithmetic processing unit exemplified by a microprocessor, a CPU, and the like, and a storage unit configured by a memory or the like that stores a program for executing each control operation. Then, in the controller 110, the arithmetic processing unit reads out a predetermined control program stored in the storage unit and executes it, thereby processing the information and the fuel cell system 200 including these controls. Various controls are performed.

なお、制御器110は、単独の制御器で構成される形態だけでなく、複数の制御器が協働して燃料電池システム200の制御を実行する制御器群で構成される形態であっても構わない。また、制御器110は、マイクロコントロールで構成されていてもよく、MPU、PLC(Programmable Logic Controller)、論理回路等によって構成されていてもよい。   Note that the controller 110 is not only configured as a single controller, but also configured as a controller group in which a plurality of controllers cooperate to execute control of the fuel cell system 200. I do not care. The controller 110 may be configured by a micro control, and may be configured by an MPU, a PLC (Programmable Logic Controller), a logic circuit, or the like.

そして、制御器110は、燃料電池スタック101に供給される燃料ガスの露点及び酸化剤ガスの露点が、燃料電池スタック101に供給される熱媒体の温度よりも低くなるように、燃料ガス供給器102、酸化剤ガス供給器103、及び熱媒体供給器104を制御する。   The controller 110 then supplies the fuel gas supply device such that the dew point of the fuel gas supplied to the fuel cell stack 101 and the dew point of the oxidant gas are lower than the temperature of the heat medium supplied to the fuel cell stack 101. 102, the oxidant gas supply unit 103, and the heat medium supply unit 104 are controlled.

このように構成された本実施の形態2に係る燃料電池システム200では、燃料電池スタック101に供給される燃料ガスの露点及び酸化剤ガスの露点が、燃料電池スタック101に供給される熱媒体の温度よりも低いため、燃料ガス(水素)と酸化剤ガス(酸素)の反応で生成される水は、固体高分子電解質膜10とカソード触媒層20Cとの界面近傍で生成されやすい。このため、本実施の形態2のように、固体高分子電解質膜10を凸凹状にすることで、固体高分子電解質膜10とカソード触媒層20Cとの界面をより広く確保することで、電池性能を向上させることができる。   In the fuel cell system 200 according to the second embodiment configured as described above, the dew point of the fuel gas supplied to the fuel cell stack 101 and the dew point of the oxidant gas are the same as those of the heat medium supplied to the fuel cell stack 101. Since it is lower than the temperature, water generated by the reaction of the fuel gas (hydrogen) and the oxidant gas (oxygen) is likely to be generated near the interface between the solid polymer electrolyte membrane 10 and the cathode catalyst layer 20C. Therefore, as in the second embodiment, by making the solid polymer electrolyte membrane 10 uneven, it is possible to secure a wider interface between the solid polymer electrolyte membrane 10 and the cathode catalyst layer 20C. Can be improved.

また、本実施の形態2に係る燃料電池システム200では、固体高分子電解質膜10近傍(特に凹状部分1A近傍)に、第1触媒層2Aを配置することにより、電解質膜と触媒層との界面近傍で生成された水を適度に排水することができ、また、当該部分のガス拡散性を確保することができる。このため、固体高分子形燃料電池100の電池性能を向上させることができる。   In the fuel cell system 200 according to Embodiment 2, the interface between the electrolyte membrane and the catalyst layer is provided by disposing the first catalyst layer 2A in the vicinity of the solid polymer electrolyte membrane 10 (particularly in the vicinity of the concave portion 1A). Water generated in the vicinity can be drained appropriately, and the gas diffusibility of the portion can be ensured. For this reason, the battery performance of the polymer electrolyte fuel cell 100 can be improved.

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。したがって、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の形態を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の要旨を逸脱することなく、その構造及び/又は機能の詳細を実質的に変更できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。   From the foregoing description, many modifications and other embodiments of the present invention are obvious to one skilled in the art. Accordingly, the foregoing description is to be construed as illustrative only and is provided for the purpose of teaching those skilled in the art the best mode of carrying out the invention. The details of the structure and / or function may be substantially changed without departing from the scope of the invention. Moreover, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the embodiment.

本発明の膜−電極接合体、固体高分子形燃料電池、及び燃料電池システムは、電解質膜と触媒層との界面近傍で生成された水を適度に排水し、かつ、ガス拡散性を確保することで、電池性能を向上させることができるため、燃料電池の技術分野で有用である。   The membrane-electrode assembly, the polymer electrolyte fuel cell, and the fuel cell system of the present invention appropriately drain water generated in the vicinity of the interface between the electrolyte membrane and the catalyst layer and ensure gas diffusibility. Thus, the battery performance can be improved, which is useful in the technical field of fuel cells.

1A 凹状部分
1B 凸状部分
2A 第1触媒層
2B 第2触媒層
10 固体高分子電解質膜
20A アノード触媒層
20C カソード触媒層
30A アノードガス拡散層
30C カソードガス拡散層
40A アノード
40C カソード
50 膜−電極接合体
60A アノードセパレータ
60C カソードセパレータ
70 燃料ガス流路
80 酸化剤ガス流路
90 熱媒体流路
100 固体高分子形燃料電池
101 燃料電池スタック
101A 燃料ガス経路
101B 酸化剤ガス経路
101C 熱媒体経路
102 燃料ガス供給器
103 酸化剤ガス供給器
104 熱媒体供給器
105 電力調整器
110 制御器
111 燃料ガス供給経路
112 燃料ガス排出経路
113 酸化剤ガス供給経路
114 酸化剤ガス排出経路
115 熱媒体循環経路
131 電気配線
132 電気配線
200 燃料電池システム
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1A Concave part 1B Convex part 2A 1st catalyst layer 2B 2nd catalyst layer 10 Solid polymer electrolyte membrane 20A Anode catalyst layer 20C Cathode catalyst layer 30A Anode gas diffusion layer 30C Cathode gas diffusion layer 40A Anode 40C Cathode 50 Membrane-electrode joining Body 60A Anode separator 60C Cathode separator 70 Fuel gas flow path 80 Oxidant gas flow path 90 Heat medium flow path 100 Solid polymer fuel cell 101 Fuel cell stack 101A Fuel gas path 101B Oxidant gas path 101C Heat medium path 102 Fuel gas Supply unit 103 Oxidant gas supply unit 104 Heat medium supply unit 105 Power regulator 110 Controller 111 Fuel gas supply path 112 Fuel gas discharge path 113 Oxidant gas supply path 114 Oxidant gas discharge path 115 Heat medium circulation path 131 Electricity Line 132 electrical wires 200 fuel cell system

Claims (9)

少なくとも一方の主面が凸凹状に形成されている固体高分子電解質膜と、
前記固体高分子電解質膜の主面と接触するように配置されている触媒層と、ガス拡散層と、を有する電極と、を備え、
前記固体高分子電解質膜の凸凹状に形成されている主面と接触する前記触媒層は、前記固体高分子電解質膜の厚み方向から見て、前記固体高分子電解質膜の凹状に形成されている部分と重なる部分が、第1触媒層と第2触媒層で形成されていて、
前記第1触媒層は、前記固体高分子電解質膜の前記主面と接触し、前記第2触媒層は、前記ガス拡散層の主面と接触するように配置され、
前記第1触媒層は、前記第2触媒層よりもアイオノマー/カーボンの質量比(I/C)が低く、及び/又はイオン交換基当量重量(EW)が高くなるように構成されている、膜−電極接合体。
A solid polymer electrolyte membrane in which at least one main surface is formed in an uneven shape; and
An electrode having a catalyst layer disposed so as to contact the main surface of the solid polymer electrolyte membrane and a gas diffusion layer;
The catalyst layer that is in contact with the main surface of the solid polymer electrolyte membrane that is formed in a concave-convex shape is formed in the concave shape of the solid polymer electrolyte membrane as viewed from the thickness direction of the solid polymer electrolyte membrane. A portion overlapping with the portion is formed of the first catalyst layer and the second catalyst layer,
The first catalyst layer is in contact with the main surface of the solid polymer electrolyte membrane, and the second catalyst layer is disposed in contact with the main surface of the gas diffusion layer;
The first catalyst layer is configured to have a lower ionomer / carbon mass ratio (I / C) and / or a higher ion exchange group equivalent weight (EW) than the second catalyst layer. An electrode assembly.
前記第1触媒層は、その厚みが前記固体高分子電解質膜の凹状に形成されている部分の高さよりも小さくなるように形成されている、請求項1に記載の膜−電極接合体。   2. The membrane-electrode assembly according to claim 1, wherein the first catalyst layer is formed so that a thickness thereof is smaller than a height of a concave portion of the solid polymer electrolyte membrane. 前記第1触媒層の厚みは、前記固体高分子電解質膜の凹状に形成されている部分の高さの1/3以上である、請求項2に記載の膜−電極接合体。   The membrane-electrode assembly according to claim 2, wherein a thickness of the first catalyst layer is 1/3 or more of a height of a concave portion of the solid polymer electrolyte membrane. 前記第1触媒層の厚みは、前記固体高分子電解質膜の凹状に形成されている部分の高さの1/2以上である、請求項2に記載の膜−電極接合体。   The membrane-electrode assembly according to claim 2, wherein the thickness of the first catalyst layer is ½ or more of the height of the concave portion of the solid polymer electrolyte membrane. 前記第1触媒層のI/Cが、0.5〜1.0であり、前記第2触媒層のI/Cが、1.0〜2.0である、請求項1〜4のいずれかに記載の膜−電極接合体。   The I / C of the first catalyst layer is 0.5 to 1.0, and the I / C of the second catalyst layer is 1.0 to 2.0. 2. The membrane-electrode assembly according to 1. 前記第1触媒層のEWが、900〜1500であり、前記第2触媒層のEWが、500〜900である、請求項1〜5のいずれかに記載の膜−電極接合体。   The membrane-electrode assembly according to any one of claims 1 to 5, wherein the EW of the first catalyst layer is 900 to 1500, and the EW of the second catalyst layer is 500 to 900. 前記固体高分子電解質膜の凹状に形成されている部分の高さが、3〜20μmである、請求項1〜6のいずれかに記載の膜−電極接合体。   The membrane-electrode assembly according to any one of claims 1 to 6, wherein a height of the recessed portion of the solid polymer electrolyte membrane is 3 to 20 µm. 請求項1〜7のいずれかに記載の膜−電極接合体と、
板状で、前記膜−電極接合体を挟持するように配設された一対の導電性のセパレータと、を備える、固体高分子形燃料電池。
A membrane-electrode assembly according to any one of claims 1 to 7,
A solid polymer fuel cell comprising: a plate-like pair of conductive separators disposed so as to sandwich the membrane-electrode assembly.
請求項8に記載の固体高分子形燃料電池と、
前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給器と、
前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、
前記固体高分子形燃料電池に熱媒体を供給する熱媒体供給器と、
制御器と、を備え、
前記制御器は、前記固体高分子形燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの露点が、前記固体高分子形燃料電池に供給される熱媒体の温度より低い条件で、前記固体高分子形燃料電池が発電運転を行うように、前記燃料ガス供給器、前記酸化剤ガス供給器、及び前記熱媒体供給器を制御する、燃料電池システム。
A polymer electrolyte fuel cell according to claim 8,
A fuel gas supplier for supplying fuel gas to the anode;
An oxidant gas supplier for supplying an oxidant gas to the cathode;
A heat medium feeder for supplying a heat medium to the polymer electrolyte fuel cell;
A controller, and
The controller is configured so that a dew point of a fuel gas and an oxidant gas supplied to the polymer electrolyte fuel cell is lower than a temperature of a heat medium supplied to the polymer electrolyte fuel cell. A fuel cell system that controls the fuel gas supply unit, the oxidant gas supply unit, and the heat medium supply unit so that the fuel cell performs a power generation operation.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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