JP2013131300A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell.
近年、自動車に搭載される燃料電池が注目を集めている。電解質膜を用いた燃料電池において、カソードガス(空気)の供給口近傍は、電気化学反応によって生じる生成水が少ないため、乾燥しやすい。このため、燃料電池には、カソードガスを加湿するための加湿器が設けられている。しかし、燃料電池の低コスト化を実現するために加湿器を廃止したいといった要望や、自動車の登坂時などにおける高温時の性能を向上させたいという要望があった。 In recent years, fuel cells mounted on automobiles have attracted attention. In a fuel cell using an electrolyte membrane, the vicinity of the cathode gas (air) supply port is easy to dry because there is little water produced by the electrochemical reaction. For this reason, the fuel cell is provided with a humidifier for humidifying the cathode gas. However, there has been a request to eliminate the humidifier in order to reduce the cost of the fuel cell, and to improve the performance at high temperatures such as when climbing a car.
なおこのような問題は、自動車に搭載される燃料電池に限らず、据え置き型の燃料電池等を含む燃料電池全般に共通する問題であった。 Such a problem is not limited to fuel cells mounted on automobiles, but is a problem common to all fuel cells including stationary fuel cells.
本発明は、上述した従来の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、反応ガスの供給口近傍の乾燥を抑制することのできる技術を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve at least a part of the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a technique capable of suppressing drying in the vicinity of a reaction gas supply port.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために、以下の形態または適用例を取ることが可能である。 In order to solve at least a part of the problems described above, the present invention can take the following forms or application examples.
[適用例1]
燃料電池であって、
複数のセルが水平方向に積層されたスタックと、
前記スタックの下部に設けられ、反応ガスの供給を受けるための反応ガス供給口と、
前記スタックの上部に設けられ、前記反応ガス供給口と連通し、前記反応ガスを排出するための反応ガス排出口と、
前記スタックの側面に設けられ、前記燃料ガスの供給を受ける燃料ガス供給口と、
前記スタックの側面であって前記燃料ガス供給口よりも下方に設けられ、前記燃料ガスを排出する燃料ガス排出口と、
前記燃料ガス供給口と前記燃料ガス排出口とを接続するとともに、前記スタック内で水平方向に折り返す流路である燃料ガス流路と
を備え、
前記各セルは、電解質膜を有しており、当該電解質膜の表面には、アイオノマーを含む触媒層が形成されており、
前記燃料ガス流路の下流側近傍における前記触媒層の前記アイオノマーの膨潤率は、前記燃料ガス流路の上流側近傍における前記触媒層の前記アイオノマーの膨潤率よりも高い値に設定されている、
燃料電池。
この構成によれば、アイオノマーの膨潤率が適切に設定されるので、反応ガスの供給口近傍の乾燥を抑制することができる。アオイノマーの膨潤率とは、アイオノマーが含むことのできる水分の体積比率である。
[Application Example 1]
A fuel cell,
A stack in which a plurality of cells are stacked horizontally;
A reaction gas supply port provided at a lower portion of the stack for receiving supply of a reaction gas;
A reaction gas outlet provided at an upper part of the stack, communicated with the reaction gas supply port, and for discharging the reaction gas;
A fuel gas supply port provided on a side surface of the stack for receiving the supply of the fuel gas;
A fuel gas discharge port that is provided on a side surface of the stack and below the fuel gas supply port, and discharges the fuel gas;
A fuel gas flow path that connects the fuel gas supply port and the fuel gas discharge port and is a flow path that folds back horizontally in the stack;
Each of the cells has an electrolyte membrane, and a catalyst layer containing an ionomer is formed on the surface of the electrolyte membrane.
The swelling rate of the ionomer of the catalyst layer in the vicinity of the downstream side of the fuel gas channel is set to a value higher than the swelling rate of the ionomer of the catalyst layer in the vicinity of the upstream side of the fuel gas channel.
Fuel cell.
According to this configuration, since the ionomer swelling rate is appropriately set, drying in the vicinity of the reaction gas supply port can be suppressed. The swelling ratio of the aoinomer is a volume ratio of water that the ionomer can contain.
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、燃料電池の製造方法および製造装置、燃料電池の乾燥を抑制する方法等の形態で実現することができる。 Note that the present invention can be realized in various modes. For example, it is realizable with forms, such as a manufacturing method of a fuel cell, a manufacturing apparatus, and a method of controlling dryness of a fuel cell.
A.第1実施例:
図1は、本発明の一実施例としての燃料電池100の概略構成及び燃料電池100のセル環境等を示す説明図である。本実施例では、この図1に示すX方向を水平方向とし、Y方向を上下方向とし、Z方向を奥行き方向とする。燃料電池100は、複数のセルが水平方向に積層されたスタック10を有している。この図1では、セルの積層方向は、奥行き方向である。スタック10の下部(本実施例ではスタック10の底面)には、反応ガスとしての空気の供給を受けるための空気供給口20が設けられており、スタック10の上部(本実施例では、スタック10の上面)には、空気供給口20と連通し、空気を排出するための空気排出口30が設けられている。
A. First embodiment:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a
スタック10の側面には、燃料ガスとしての水素ガスの供給を受ける水素供給口40が設けられており、スタック10の側面であって水素供給口40よりも下方には、水素ガスを排出する水素排出口50が設けられている。スタック10の内部には、水素供給口40と水素排出口50とを接続する水素ガス流路60が設けられている。水素ガス流路60は、スタック10内で上流から下流に至る途中で水平方向(X方向)に複数回折り返す形状、すなわち、蛇のように曲がりくねった形状である「サーペンタイン形状」となっている。
A hydrogen supply port 40 that receives supply of hydrogen gas as a fuel gas is provided on a side surface of the
なお、図示は省略するが、各セル内には、電解質膜が配置されており、電解質膜の両面には、電極触媒層が形成されている。本実施例では、電極触媒層は、担持カーボン(カーボンブラック)、触媒、及びアイオノマーによって形成されている。電極触媒層の外側には、ガス拡散層が配置される。 In addition, although illustration is abbreviate | omitted, the electrolyte membrane is arrange | positioned in each cell, and the electrode catalyst layer is formed on both surfaces of the electrolyte membrane. In this embodiment, the electrode catalyst layer is formed of supported carbon (carbon black), a catalyst, and an ionomer. A gas diffusion layer is disposed outside the electrode catalyst layer.
このような構成の燃料電池100では、空気は、スタック10の下方から上方に向けて流れ、水素ガスは、空気とは反対方向、すなわちスタック10の上方から下方に向けて流れることになる(いわゆるカウンターフロー)。このような構成とすれば、水素ガス流路60の上流近傍(すなわちスタック10の上方)で生じた生成水が、下方に移動しやすくなるため、空気供給口20の近傍における乾燥を抑制することができる。ただし、本実施例では、水素ガス流路60がサーペンタイン形状となっているため、セル内における乾湿の環境が、水素ガス流路60の上流近傍、中流近傍、及び下流近傍で異なってくる。
In the
そこで、本実施例では、電極触媒層におけるアイオノマーの膨潤率を、水素ガス流路60の構造に応じて設定している。アオイノマー膨潤率とは、アイオノマーが含むことのできる水分の体積比率であり、膨潤率が高いほど、多くの水分を含むことができ、高温、無加湿環境下で乾燥しにくくなる。
Therefore, in this embodiment, the swelling rate of the ionomer in the electrode catalyst layer is set according to the structure of the
具体的には、水素ガス流路60の上流側(本実施例ではスタック10の上方側)においては、セル内の環境は湿潤状態になりやすいため、アイオノマーの膨潤率は、低い値(本実施例では140%)に設定されている。一方、水素ガス流路60の下流側(本実施例ではスタック10の下方側)においては、セル内の環境は乾燥状態になりやすいため、アイオノマーの膨潤率は、高い値(本実施例では300%)に設定されている。水素ガス流路60の中流近傍においては、セル内の環境は上流側と下流側の中間程度の状態であるため、アイオノマーの膨潤率は、中程度の値(本実施例では220%)に設定されている。
Specifically, on the upstream side of the hydrogen gas flow channel 60 (in this embodiment, on the upper side of the stack 10), since the environment in the cell tends to become wet, the ionomer swelling rate is low (this embodiment). In the example, it is set to 140%). On the other hand, on the downstream side of the hydrogen gas flow channel 60 (the lower side of the
アイオノマーの膨潤率の制御は、I/C、熱処理温度、熱処理時間のうちの少なくとも1つの条件を以下の範囲で調整することによって実現することができる。
・I/C 0.85〜0.65
・熱処理温度 135℃〜165℃
・熱処理時間 15分〜60分
上記の条件を調整すれば、アイオノマー膨潤率を以下の範囲で制御することができる。
・アイオノマー膨潤率 300%〜140%
すなわち、上記の条件を組み合わせてアイオノマーの膨潤率を制御してもよいし、例えば、I/Cの値だけを調整し、熱処理の条件は同一として、アイオノマーの膨潤率を制御してもよい。
Control of the swelling rate of the ionomer can be realized by adjusting at least one of the conditions of I / C, heat treatment temperature, and heat treatment time within the following range.
・ I / C 0.85-0.65
・ Heat treatment temperature 135 ℃ ~ 165 ℃
Heat treatment time 15 minutes to 60 minutes If the above conditions are adjusted, the ionomer swelling ratio can be controlled in the following range.
・ Ionomer swelling rate: 300% to 140%
That is, the swelling ratio of the ionomer may be controlled by combining the above conditions. For example, the swelling ratio of the ionomer may be controlled by adjusting only the I / C value and keeping the same heat treatment conditions.
なお、I/Cとは、電解質膜に塗布する触媒インクにおけるアイオノマーの質量Iとカーボンブラックの質量Cとの比である。また、上記の熱処理は、担持カーボン、触媒、及びアイオノマーを混合して作成した触媒インクを電解質膜に塗布した後にホットプレスすることにより実施する。ホットプレスによれば、塗布された触媒インクの領域毎に異なった熱処理温度や熱処理時間を適用することができる。 Here, I / C is a ratio of the mass I of ionomer and the mass C of carbon black in the catalyst ink applied to the electrolyte membrane. The heat treatment is carried out by hot pressing after applying a catalyst ink prepared by mixing supported carbon, catalyst, and ionomer to the electrolyte membrane. According to hot pressing, different heat treatment temperatures and heat treatment times can be applied to the areas of the applied catalyst ink.
本実施例では、図1の右側の表に示すように、水素ガス流路60の上流側では、アイオノマーの膨潤率を140%とするために、I/Cを0.65、熱処理温度を165℃、熱処理時間を60分とした。水素ガス流路60の中流近傍では、アイオノマーの膨潤率を220%とするために、I/Cを0.75、熱処理温度を135℃、熱処理時間を30分とした。水素ガス流路60の下流側では、アイオノマーの膨潤率を300%とするために、I/Cを0.85、熱処理温度を145℃、熱処理時間を15分とした。
In the present example, as shown in the table on the right side of FIG. 1, on the upstream side of the
このように、第1実施例では、アイオノマーの膨潤率を水素ガス流路60の構造に応じて設定しているので、水素ガス流路60の上流側、すなわち空気排出口30の近傍におけるフラッディングを抑制することができるとともに、水素ガス流路60の下流側、すなわち空気供給口20の近傍における乾燥を抑制することが可能である。
As described above, in the first embodiment, since the ionomer swelling rate is set according to the structure of the hydrogen
B.第2実施例:
図2は、第2実施例における燃料電池100bの概略構成及び燃料電池100bのセル環境等を示す説明図である。図1に示した第1実施例との違いは、アイオノマーの膨潤率の代わりに、MPL(Micro Porous Layer)の透水圧が水素ガス流路60の構造に応じて設定されているという点であり、他の構成は第1実施例と同じである。
B. Second embodiment:
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of the
MPLとは、ガス拡散層の触媒層側の表面に形成された撥水層であり、ガス拡散層よりも微細な気孔を有する層である。MPLは、ガス拡散層の表面に撥水ペーストを塗布して焼成することによって形成することができる。MPLの透水圧が高いほど、生成水が透過しにくくなるため、本実施例では、乾燥状態になりやすい位置におけるMPLの透水圧を高く設定し、湿潤状態になりやすい位置におけるMPLの透水圧を低く設定している。 MPL is a water-repellent layer formed on the surface of the gas diffusion layer on the catalyst layer side, and has finer pores than the gas diffusion layer. The MPL can be formed by applying a water repellent paste to the surface of the gas diffusion layer and baking it. Since the generated water is less likely to permeate as the MPL hydraulic pressure is higher, in this embodiment, the MPL hydraulic pressure at a position that tends to be in a dry state is set high, and the MPL hydraulic pressure at a position that tends to be in a wet state is set. It is set low.
具体的には、本実施例では、水素ガス流路60の上流側(本実施例ではスタックの上方側)においては、セル内は湿潤状態になりやすいため、MPLの透水圧は低い値に設定されている。一方、水素ガス流路60の下流側(本実施例ではスタックの下方側)においては、セル内は乾燥状態になりやすいため、MPLの透水圧は高い値に設定されている。水素ガス流路60の中流近傍においては、セル内の環境は上流側と下流側の中間程度の状態であるため、MPLの透水圧は、中程度の値に設定されている。
Specifically, in the present embodiment, the water pressure in the MPL is set to a low value because the inside of the cell is likely to be wet on the upstream side of the hydrogen gas flow path 60 (the upper side of the stack in this embodiment). Has been. On the other hand, on the downstream side of the hydrogen gas flow path 60 (the lower side of the stack in the present embodiment), the inside of the cell tends to be in a dry state, and therefore the MPL hydraulic pressure is set to a high value. In the vicinity of the middle stream of the hydrogen
MPLの透水圧の制御は、MPLのカーボン粒径を調整したり、MPLの撥水性、親水性を調整することによって実現することができる。具体的には、MPLの透水圧を高くするには、MPLのカーボン粒径を小さくしたり、MPLの撥水性を高めればよい。一方、MPLの透水圧を低くするには、MPLのカーボン粒径を大きくしたり、MPLの撥水性を低くすればよい。 Control of the hydraulic pressure of MPL can be realized by adjusting the carbon particle size of MPL or adjusting the water repellency and hydrophilicity of MPL. Specifically, in order to increase the hydraulic pressure of MPL, the carbon particle size of MPL may be reduced or the water repellency of MPL may be increased. On the other hand, in order to lower the hydraulic pressure of MPL, the carbon particle size of MPL may be increased or the water repellency of MPL may be reduced.
このように、本実施例においても、MPLの透水圧を水素ガス流路60の構造に応じて設定しているので、水素ガス流路60の上流側、すなわち空気排出口30の近傍におけるフラッディングを抑制することができるとともに、水素ガス流路60の下流側、すなわち空気供給口20の近傍における乾燥を抑制することが可能である。
As described above, in this embodiment as well, the MPL hydraulic pressure is set according to the structure of the hydrogen
C.変形例:
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
C. Variations:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
C1.変形例1:
上記実施例では、水素ガス流路60は、水平方向に2回折り返していたが、折り返し回数は、1回でもよく、3回以上であってもよい。
C1. Modification 1:
In the above embodiment, the hydrogen
C2.変形例2:
上記第1実施例では、3つの領域に分けてアイオノマーの膨潤率を設定していたが、2つの領域または4つ以上の領域に分けてアイオノマー膨潤率を設定してもよい。また、水素供給口40の上流側から下流側にかけて、アイオノマーの膨潤率を、無段階に連続して変化するように設定してもよい。第2実施例におけるMPL透水圧の設定に関しても同様である。
C2. Modification 2:
In the first embodiment, the ionomer swelling rate is set for three regions, but the ionomer swelling rate may be set for two regions or four or more regions. Further, the ionomer swelling rate may be set to change continuously and continuously from the upstream side to the downstream side of the hydrogen supply port 40. The same applies to the setting of the MPL hydraulic pressure in the second embodiment.
10…スタック
20…空気供給口
30…空気排出口
40…水素供給口
50…水素排出口
60…水素ガス流路
100…燃料電池
100b…燃料電池
DESCRIPTION OF
Claims (1)
複数のセルが水平方向に積層されたスタックと、
前記スタックの下部に設けられ、反応ガスの供給を受けるための反応ガス供給口と、
前記スタックの上部に設けられ、前記反応ガス供給口と連通し、前記反応ガスを排出するための反応ガス排出口と、
前記スタックの側面に設けられ、前記燃料ガスの供給を受ける燃料ガス供給口と、
前記スタックの側面であって前記燃料ガス供給口よりも下方に設けられ、前記燃料ガスを排出する燃料ガス排出口と、
前記燃料ガス供給口と前記燃料ガス排出口とを接続するとともに、前記スタック内で水平方向に折り返す流路である燃料ガス流路と
を備え、
前記各セルは、電解質膜を有しており、当該電解質膜の表面には、アイオノマーを含む触媒層が形成されており、
前記燃料ガス流路の下流側近傍における前記触媒層の前記アイオノマーの膨潤率は、前記燃料ガス流路の上流側近傍における前記触媒層の前記アイオノマーの膨潤率よりも高い値に設定されている、
燃料電池。 A fuel cell,
A stack in which a plurality of cells are stacked horizontally;
A reaction gas supply port provided at a lower portion of the stack for receiving supply of a reaction gas;
A reaction gas outlet provided at an upper part of the stack, communicated with the reaction gas supply port, and for discharging the reaction gas;
A fuel gas supply port provided on a side surface of the stack for receiving the supply of the fuel gas;
A fuel gas discharge port that is provided on a side surface of the stack and below the fuel gas supply port, and discharges the fuel gas;
A fuel gas flow path that connects the fuel gas supply port and the fuel gas discharge port and is a flow path that folds back horizontally in the stack;
Each of the cells has an electrolyte membrane, and a catalyst layer containing an ionomer is formed on the surface of the electrolyte membrane.
The swelling rate of the ionomer of the catalyst layer in the vicinity of the downstream side of the fuel gas channel is set to a value higher than the swelling rate of the ionomer of the catalyst layer in the vicinity of the upstream side of the fuel gas channel.
Fuel cell.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011277999A JP2013131300A (en) | 2011-12-20 | 2011-12-20 | Fuel cell |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2011277999A JP2013131300A (en) | 2011-12-20 | 2011-12-20 | Fuel cell |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2013131300A true JP2013131300A (en) | 2013-07-04 |
Family
ID=48908713
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2011277999A Pending JP2013131300A (en) | 2011-12-20 | 2011-12-20 | Fuel cell |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2013131300A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015022802A (en) * | 2013-07-16 | 2015-02-02 | 日産自動車株式会社 | Fuel cell stack |
JP2016066548A (en) * | 2014-09-25 | 2016-04-28 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell and mobile body |
-
2011
- 2011-12-20 JP JP2011277999A patent/JP2013131300A/en active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015022802A (en) * | 2013-07-16 | 2015-02-02 | 日産自動車株式会社 | Fuel cell stack |
JP2016066548A (en) * | 2014-09-25 | 2016-04-28 | トヨタ自動車株式会社 | Fuel cell and mobile body |
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