JP2013225398A - Fuel cell stack - Google Patents

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修 酒井
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精一 今倉
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Aoi Muta
あおい 牟田
Jun Matsumura
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell stack which has had functional improvement achieved in the relationship between the thickness of a catalyst layer and the direction of a reaction gas flow.SOLUTION: A fuel cell stack (10) comprises: a membrane-catalyst layer assembly (26) including an anode side catalyst layer (38), a cathode side catalyst layer (42), and a polymer electrolyte membrane (32); an anode side gas diffusion layer (40) and a cathode side gas diffusion layer (44); an anode side separator (28) and a cathode side separator (30); a fuel gas passage (29); and an oxidant gas passage (31). The direction of an overall (macroscopic) fuel gas flow in the fuel gas passage and the direction of an overall (macroscopic) oxidant gas flow in the oxidant gas passage are parallel. The thickness of the anode side catalyst layer is formed to monotonously change from an upstream end toward a downstream end of the overall fuel gas flow in the fuel gas passage, and the thickness of the cathode side catalyst layer is formed to monotonously change from an upstream end toward a downstream end of the overall oxidant gas flow in the oxidant gas passage.

Description

本発明は、燃料電池スタックに関し、特に、膜−触媒層接合体の構造に関する。   The present invention relates to a fuel cell stack, and more particularly to a structure of a membrane-catalyst layer assembly.

従来の燃料電池スタックは、高分子電解質膜及び一対のガス拡散電極から構成されるMEA(Membrane-Electrode-Assembly:膜−電極積層体)と、これを挟む一対のセパレータと、を有している。これらのセパレータには、ガス拡散電極と当接する主面に反応ガス流路が設けられている(例えば、特許文献1参照)。   A conventional fuel cell stack has a MEA (Membrane-Electrode-Assembly: membrane-electrode stack) composed of a polymer electrolyte membrane and a pair of gas diffusion electrodes, and a pair of separators sandwiching the MEA. . These separators are provided with a reaction gas flow path on the main surface that comes into contact with the gas diffusion electrode (see, for example, Patent Document 1).

特開2004−87311号公報JP 2004-87311 A

しかしながら、上述した従来の燃料電池スタックでは、触媒層の厚みと反応ガスの流方向との関係について十分に検討されていなかった。   However, in the conventional fuel cell stack described above, the relationship between the thickness of the catalyst layer and the flow direction of the reaction gas has not been sufficiently studied.

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、触媒層の厚みと反応ガスの流れ方向との関係において、従来技術に比べて機能の向上が図られた燃料電池スタックを提供することを目的としている。   The present invention has been made to solve such problems, and provides a fuel cell stack in which the function is improved compared to the prior art in relation to the thickness of the catalyst layer and the flow direction of the reaction gas. The purpose is to do.

本発明のある態様に係る、燃料電池スタックは、アノード側触媒層、カソード側触媒層、及び前記アノード側触媒層と前記カソード側触媒層とに挟まれる高分子電解質膜を有する膜−触媒層接合体と、前記膜−触媒層接合体を挟むようにして互いに対向するアノード側ガス拡散層及びカソード側ガス拡散層と、アノード側ガス拡散層及びカソード側ガス拡散層を挟むようにして互いに対向するアノード側セパレータ及びカソード側セパレータと、前記アノード側セパレータと前記アノード側ガス拡散層との間に設けられた燃料ガス流路と、前記カソード側セパレータと前記カソード側ガス拡散層の間に設けられた酸化剤ガス流路と、を備え、前記燃料ガス流路の全体的な(巨視的な)燃料ガスの流れ方向と前記酸化剤ガス流路の全体的な(巨視的な)酸化剤ガスの流れ方向とが平行であり、前記アノード側触媒層の厚さが、前記燃料ガス流路の全体的な燃料ガスの流れにおける上流端部から下流端部に向かって単調に変化するように形成され、かつ、前記カソード側触媒層の厚さが、前記酸化剤ガス流路の全体的な酸化剤ガスの流れにおける上流端部から下流端部に向かって単調に変化するように形成された。   According to an aspect of the present invention, a fuel cell stack includes an anode-side catalyst layer, a cathode-side catalyst layer, and a membrane-catalyst layer junction having a polymer electrolyte membrane sandwiched between the anode-side catalyst layer and the cathode-side catalyst layer. An anode side gas diffusion layer and a cathode side gas diffusion layer facing each other with the membrane-catalyst layer assembly sandwiched therebetween, an anode side separator facing each other with the anode side gas diffusion layer and the cathode side gas diffusion layer sandwiched therebetween, and A cathode side separator, a fuel gas flow path provided between the anode side separator and the anode side gas diffusion layer, and an oxidant gas flow provided between the cathode side separator and the cathode side gas diffusion layer. An overall (macroscopic) fuel gas flow direction of the fuel gas flow path and an overall (macroscopic) of the oxidant gas flow path. The oxidant gas flow direction is parallel, and the thickness of the anode catalyst layer is monotonous from the upstream end to the downstream end in the overall fuel gas flow in the fuel gas flow path. And the thickness of the cathode-side catalyst layer monotonously changes from the upstream end to the downstream end in the overall oxidant gas flow of the oxidant gas flow path. Formed as follows.

本発明は、燃料電池スタックにおいて、触媒層の厚みと反応ガスの流れ方向との関係において、機能の向上が図られるという効果を奏する。   The present invention has an effect of improving the function of the fuel cell stack in relation to the thickness of the catalyst layer and the flow direction of the reaction gas.

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、以下の好適な実施態様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.

本発明の実施の形態1に係る燃料電池スタックを含む燃料電池システムの構成を示す機能ブロック図である。1 is a functional block diagram showing a configuration of a fuel cell system including a fuel cell stack according to Embodiment 1 of the present invention. 図1に示す燃料電池スタックを模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the fuel cell stack shown in FIG. 図1の燃料電池スタックにおける反応ガスの流れの一例を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an example of a flow of reaction gas in the fuel cell stack of FIG. 1. 図1の燃料電池スタックにおける反応ガスの流れの他の例を示す模式図である。FIG. 6 is a schematic diagram showing another example of the flow of reaction gas in the fuel cell stack of FIG. 1. 図2に示す膜−触媒層接合体の製造システムを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the manufacturing system of the membrane-catalyst layer assembly shown in FIG. 図4の製造システムにおける第1圧力計により検出された吐出圧力と、時間との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the discharge pressure detected by the 1st pressure gauge in the manufacturing system of FIG. 4, and time. 図4の製造システムにより製造された触媒層に含まれる触媒の単位面積当たりの重量(触媒目付)と、触媒層におけるX方向の位置との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the weight per unit area (catalyst weight) of the catalyst contained in the catalyst layer manufactured by the manufacturing system of FIG. 4, and the position of the X direction in a catalyst layer. カソード側触媒層に含まれる触媒の単位面積当たりの重量(触媒目付)と、セル電圧との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the weight per unit area (catalyst weight) of the catalyst contained in a cathode side catalyst layer, and a cell voltage. 本発明の実施の形態2に係る燃料電池スタックを模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the fuel cell stack which concerns on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態3に係る燃料電池スタックを模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the fuel cell stack which concerns on Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態4に係る燃料電池スタックを模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the fuel cell stack which concerns on Embodiment 4 of this invention.

本発明の第1の態様に係る燃料電池スタックは、アノード側触媒層、カソード側触媒層、及び前記アノード側触媒層と前記カソード側触媒層とに挟まれる高分子電解質膜を有する膜−触媒層接合体と、前記膜−触媒層接合体を挟むようにして互いに対向するアノード側ガス拡散層及びカソード側ガス拡散層と、アノード側ガス拡散層及びカソード側ガス拡散層を挟むようにして互いに対向するアノード側セパレータ及びカソード側セパレータと、前記アノード側セパレータと前記アノード側ガス拡散層との間に設けられた燃料ガス流路と、前記カソード側セパレータと前記カソード側ガス拡散層の間に設けられた酸化剤ガス流路と、を備え、前記燃料ガス流路の全体的な(巨視的な)燃料ガスの流れ方向と前記酸化剤ガス流路の全体的な(巨視的な)酸化剤ガスの流れ方向とが平行であり、前記アノード側触媒層の厚さが、前記燃料ガス流路の全体的な燃料ガスの流れにおける上流端部から下流端部に向かって単調に変化するように形成され、かつ、前記カソード側触媒層の厚さが、前記酸化剤ガス流路の全体的な酸化剤ガスの流れにおける上流端部から下流端部に向かって単調に変化するように形成されている。   The fuel cell stack according to the first aspect of the present invention includes an anode-side catalyst layer, a cathode-side catalyst layer, and a membrane-catalyst layer having a polymer electrolyte membrane sandwiched between the anode-side catalyst layer and the cathode-side catalyst layer. An anode-side gas diffusion layer and a cathode-side gas diffusion layer facing each other so as to sandwich the membrane-catalyst layer assembly, and an anode-side separator facing each other so as to sandwich the anode-side gas diffusion layer and the cathode-side gas diffusion layer And a cathode side separator, a fuel gas flow path provided between the anode side separator and the anode side gas diffusion layer, and an oxidant gas provided between the cathode side separator and the cathode side gas diffusion layer An overall (macroscopic) fuel gas flow direction of the fuel gas channel and an overall (macroscopic) of the oxidant gas channel. The oxidant gas flow direction is parallel, and the thickness of the anode catalyst layer is monotonous from the upstream end to the downstream end in the overall fuel gas flow in the fuel gas flow path. And the thickness of the cathode-side catalyst layer monotonously changes from the upstream end to the downstream end in the overall oxidant gas flow of the oxidant gas flow path. It is formed as follows.

この構成によれば、触媒層の厚みと反応ガスの流れ方向との関係において、機能の向上が図られるという効果を奏する。   According to this configuration, there is an effect that the function is improved in the relationship between the thickness of the catalyst layer and the flow direction of the reaction gas.

本発明の第2の態様に係る燃料電池スタックでは、第1の態様において、前記アノード側触媒層の厚さが、前記燃料ガス流路の全体的な燃料ガスの流れにおける上流端部から下流端部に向かって単調に小さくなるように形成され、前記カソード側触媒層の厚さが、前記酸化剤ガス流路の全体的な酸化剤ガスの流れにおける上流端部から下流端部に向かって単調に大きくなるように形成されてもよい。   In the fuel cell stack according to the second aspect of the present invention, in the first aspect, the anode-side catalyst layer has a thickness from the upstream end to the downstream end in the overall fuel gas flow of the fuel gas flow path. The cathode-side catalyst layer has a thickness that monotonously decreases toward the portion, and the thickness of the cathode-side catalyst layer monotonically increases from the upstream end to the downstream end in the overall oxidant gas flow of the oxidant gas flow path. It may be formed to be larger.

この構成によれば、燃料電池スタックで発電された電圧の向上が図られる。また、燃料ガスに含まれるアンモニアによる燃料電池スタックの機能の低下が抑制される。   According to this configuration, the voltage generated by the fuel cell stack can be improved. Further, the deterioration of the function of the fuel cell stack due to the ammonia contained in the fuel gas is suppressed.

本発明の第3の態様に係る燃料電池スタックでは、第1の態様において、前記アノード側触媒層の厚さが、前記燃料ガス流路の全体的な燃料ガスの流れにおける上流端部から下流端部に向かって単調に大きくなるように形成され、前記カソード側触媒層の厚さが、前記酸化剤ガス流路の全体的な酸化剤ガスの流れにおける上流端部から下流端部に向かって単調に小さくなるように形成されてもよい。   In the fuel cell stack according to the third aspect of the present invention, in the first aspect, the thickness of the anode side catalyst layer is such that the upstream end portion to the downstream end in the entire fuel gas flow in the fuel gas flow path. The cathode-side catalyst layer has a thickness that increases monotonously toward the portion, and the thickness of the cathode-side catalyst layer monotonously increases from the upstream end to the downstream end in the overall oxidant gas flow of the oxidant gas flow path. It may be formed to be smaller.

この構成によれば、空気中の汚染物質による燃料電池スタックの機能の低下が抑制される。また、逆拡散水に含まれる汚染物質による燃料電池スタックの機能の低下が抑制される。   According to this configuration, deterioration of the function of the fuel cell stack due to contaminants in the air is suppressed. Moreover, the deterioration of the function of the fuel cell stack due to the pollutants contained in the reverse diffusion water is suppressed.

本発明の第4の態様に係る燃料電池スタックでは、第1の態様において、前記アノード側触媒層の厚さが、前記燃料ガス流路の全体的な燃料ガスの流れにおける上流端部から下流端部に向かって単調に小さくなるように形成され、前記カソード側触媒層の厚さが、前記酸化剤ガス流路の全体的な酸化剤ガスの流れにおける上流端部から下流端部に向かって単調に小さくなるように形成されてもよい。   In the fuel cell stack according to the fourth aspect of the present invention, in the first aspect, the anode catalyst layer has a thickness from the upstream end to the downstream end in the overall fuel gas flow in the fuel gas flow path. The cathode-side catalyst layer has a thickness that monotonously decreases toward the portion, and the thickness of the cathode-side catalyst layer monotonically increases from the upstream end to the downstream end in the overall oxidant gas flow of the oxidant gas flow path. It may be formed to be smaller.

この構成によれば、空気中の汚染物質による燃料電池スタックの機能の低下が抑制される。また、燃料ガスに含まれるアンモニアによる燃料電池スタックの機能の低下が抑制される。   According to this configuration, deterioration of the function of the fuel cell stack due to contaminants in the air is suppressed. Further, the deterioration of the function of the fuel cell stack due to the ammonia contained in the fuel gas is suppressed.

本発明の第5の態様に係る燃料電池スタックでは、第1の態様において、前記アノード側触媒層の厚さが、前記燃料ガス流路の全体的な燃料ガスの流れにおける上流端部から下流端部に向かって単調に大きくなるように形成され、前記カソード側触媒層の厚さが、前記酸化剤ガス流路の全体的な酸化剤ガスの流れにおける上流端部から下流端部に向かって単調に大きくなるように形成されてもよい。   In the fuel cell stack according to the fifth aspect of the present invention, in the first aspect, the anode-side catalyst layer has a thickness from the upstream end to the downstream end in the entire fuel gas flow in the fuel gas flow path. The cathode-side catalyst layer has a thickness that increases monotonously toward the portion, and the thickness of the cathode-side catalyst layer monotonously increases from the upstream end to the downstream end in the overall oxidant gas flow of the oxidant gas flow path. It may be formed to be larger.

この構成によれば、燃料電池スタックで発電された電圧の向上が図られる。また、逆拡散水に含まれる汚染物質による燃料電池スタックの機能の低下が抑制される。   According to this configuration, the voltage generated by the fuel cell stack can be improved. Moreover, the deterioration of the function of the fuel cell stack due to the pollutants contained in the reverse diffusion water is suppressed.

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら具体的に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings.

なお、以下では全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。   In the following description, the same or corresponding elements are denoted by the same reference symbols throughout all the drawings, and redundant description thereof is omitted.

(実施の形態1)
[燃料電池システムの構成]
図1は、実施の形態1に係る燃料電池スタック10およびこれを含む燃料電池システム12の構成を示す機能ブロック図である。
(Embodiment 1)
[Configuration of fuel cell system]
FIG. 1 is a functional block diagram showing configurations of a fuel cell stack 10 and a fuel cell system 12 including the fuel cell stack 10 according to the first embodiment.

燃料電池システム12は、燃料電池スタック(以下、「スタック」と称す。)10、酸化剤ガス供給器14、原料ガス供給器16、改質器18、燃焼器20および制御器22を備える。   The fuel cell system 12 includes a fuel cell stack (hereinafter referred to as “stack”) 10, an oxidant gas supply device 14, a raw material gas supply device 16, a reformer 18, a combustor 20, and a controller 22.

酸化剤ガス供給器14は、酸化剤ガス供給路を介してスタック10に接続され、スタック10に酸化剤ガスを供給する。酸化剤ガスとしては、たとえば、空気や酸素などが挙げられる。酸化剤ガス供給器14には、たとえば、空気を送風するファンやブロアなどの送風機、酸素ボンベなどが用いられる。酸化剤ガス供給器14は、制御器22からの制御信号に応じて酸化剤ガスを送出する流量を調整する流量調整機能を有する。   The oxidant gas supply unit 14 is connected to the stack 10 via the oxidant gas supply path, and supplies the oxidant gas to the stack 10. Examples of the oxidant gas include air and oxygen. For the oxidant gas supply device 14, for example, a blower such as a fan or a blower for blowing air, an oxygen cylinder, or the like is used. The oxidant gas supply unit 14 has a flow rate adjusting function for adjusting the flow rate of sending the oxidant gas in accordance with a control signal from the controller 22.

原料ガス供給器16は、原料ガス供給路を介して改質器18に接続され、改質器18に原料ガスを供給する。原料ガス供給器16は、たとえば、原料ガスボンベ、原料ガス供給インフラストラクチャに接続されるブースタ、開閉弁および流量調整弁等で構成される。原料ガス供給器16は、原料ガスを供給する機能と原料ガスの流量(flow rate)を調整する機能とを有する。原料ガスとしては、たとえば、天然ガス等の炭化水素系ガス、プロパンガス等の他の炭化水素系ガス、灯油等の常温で液体の炭化水素系燃料、メタノールなどの炭化水素以外の有機系燃料が挙げられる。   The raw material gas supplier 16 is connected to the reformer 18 via the raw material gas supply path, and supplies the raw material gas to the reformer 18. The raw material gas supplier 16 includes, for example, a raw material gas cylinder, a booster connected to the raw material gas supply infrastructure, an on-off valve, a flow rate adjusting valve, and the like. The raw material gas supplier 16 has a function of supplying a raw material gas and a function of adjusting a flow rate of the raw material gas. Examples of the source gas include hydrocarbon gases such as natural gas, other hydrocarbon gases such as propane gas, hydrocarbon fuels that are liquid at room temperature such as kerosene, and organic fuels other than hydrocarbons such as methanol. Can be mentioned.

改質器18は、燃料ガス供給路を介してスタック10に接続される。改質器18には、原料ガス供給器16から原料ガスが供給される。さらに、改質器18には、改質方式(水蒸気改質方式、部分酸化方式、又はオートサーマル方式)に応じて、水蒸気及び又は空気などの酸素含有ガスが図示されない供給経路を通じて供給される。改質器18は、たとえば、水蒸気改質方式の場合、燃焼器20の近傍に配置され、これらからの熱を利用して原料ガスを改質し、水素を含む燃料ガスを生成する。そして、この燃料ガスをスタック10に供給する。   The reformer 18 is connected to the stack 10 via a fuel gas supply path. The reformer 18 is supplied with the source gas from the source gas supply unit 16. Further, the reformer 18 is supplied with oxygen-containing gas such as steam and / or air through a supply path (not shown) according to a reforming method (steam reforming method, partial oxidation method, or autothermal method). For example, in the case of the steam reforming method, the reformer 18 is disposed in the vicinity of the combustor 20, reforms the raw material gas using heat from these, and generates a fuel gas containing hydrogen. Then, this fuel gas is supplied to the stack 10.

スタック10は、後述するように、燃料ガスと酸化剤ガスとを酸化還元反応(発電反応)させることにより発電する。このスタック10には温度検出器(図示せず)が設けられる。温度検出器により検出されたスタック10内の温度は制御器22へ出力される。   As will be described later, the stack 10 generates power by causing an oxidation-reduction reaction (power generation reaction) between the fuel gas and the oxidant gas. The stack 10 is provided with a temperature detector (not shown). The temperature in the stack 10 detected by the temperature detector is output to the controller 22.

燃焼器20は、発電ガス排出路を介してスタック10に接続され、燃焼器20にスタック10から発電排ガスが供給される。発電排ガスは、発電反応に用いられなかった燃料ガス及び酸化剤ガスと発電反応により生成された水(水蒸気)とを含む。燃焼器20は、改質器18の近傍に配置され、発電排ガスを燃焼することにより改質器18を加熱する。燃焼器20における燃焼により生成された燃焼排ガスは、図示されない排出経路を通じて燃料電池システム12の外部に排出される。   The combustor 20 is connected to the stack 10 through a power generation gas discharge path, and power generation exhaust gas is supplied to the combustor 20 from the stack 10. The power generation exhaust gas includes a fuel gas and an oxidant gas that are not used in the power generation reaction, and water (steam) generated by the power generation reaction. The combustor 20 is disposed in the vicinity of the reformer 18 and heats the reformer 18 by burning the power generation exhaust gas. The combustion exhaust gas generated by the combustion in the combustor 20 is discharged to the outside of the fuel cell system 12 through a discharge path (not shown).

制御器22は、演算処理機能を備えるものであればよい。制御装置として、マイクロコントローラ、CPU、MPU、論理回路、PLC(Programmable Logic Controller)等が例示される。制御器22は、温度検出器で検出されるスタック10の温度などに基づいて原料ガス供給器16および酸化剤ガス供給器14などを制御する。なお、酸化剤ガス供給路及び燃料ガス供給路の少なくともいずれかに図示されない加湿器が設けられてもよい。   The controller 22 only needs to have an arithmetic processing function. Examples of the control device include a microcontroller, CPU, MPU, logic circuit, PLC (Programmable Logic Controller), and the like. The controller 22 controls the raw material gas supplier 16 and the oxidant gas supplier 14 based on the temperature of the stack 10 detected by the temperature detector. A humidifier (not shown) may be provided in at least one of the oxidant gas supply path and the fuel gas supply path.

[スタックの構成]
図2は、スタック10に含まれる膜−触媒層接合体26を示す模式図である。図3Aは、スタック10における反応ガスの流れの一例を示す模式図である。図3Bは、スタック10における反応ガスの流れの他の例を示す模式図である。なお、図3Aおよび図3Bにおいては、燃料ガス流路29および酸化剤ガス流路31が線で示されているが、これらは1以上の燃料ガス流路29および酸化剤ガス流路31をそれぞれ代表している。
[Stack structure]
FIG. 2 is a schematic diagram showing the membrane-catalyst layer assembly 26 included in the stack 10. FIG. 3A is a schematic diagram illustrating an example of the flow of the reaction gas in the stack 10. FIG. 3B is a schematic diagram illustrating another example of the flow of the reactive gas in the stack 10. In FIG. 3A and FIG. 3B, the fuel gas channel 29 and the oxidant gas channel 31 are indicated by lines. I represent.

スタック10は、複数のセル24が積層されて形成される。セル24は、互いに対向するアノード側セパレータ28とカソード側セパレータ30との間に挟まれる。セル24は、膜−触媒層接合体26と、これを挟むようにして互いに対向するアノード側ガス拡散層40及びカソード側ガス拡散層44と、を備える。膜−触媒層接合体26は、アノード側触媒層38、カソード側触媒層42、及びアノード側触媒層38とカソード側触媒層42との間に配置される高分子電解質膜(以下、「電解質膜」と称する。)32を有する。このアノード側触媒層38およびアノード側ガス拡散層40によりアノードが構成される。また、カソード側触媒層42およびカソード側ガス拡散層44によりカソードが構成される。   The stack 10 is formed by stacking a plurality of cells 24. The cell 24 is sandwiched between an anode side separator 28 and a cathode side separator 30 facing each other. The cell 24 includes a membrane-catalyst layer assembly 26 and an anode-side gas diffusion layer 40 and a cathode-side gas diffusion layer 44 that are opposed to each other so as to sandwich the membrane-catalyst layer assembly 26. The membrane-catalyst layer assembly 26 includes an anode side catalyst layer 38, a cathode side catalyst layer 42, and a polymer electrolyte membrane (hereinafter referred to as "electrolyte membrane") disposed between the anode side catalyst layer 38 and the cathode side catalyst layer 42. .) 32. The anode side catalyst layer 38 and the anode side gas diffusion layer 40 constitute an anode. In addition, the cathode side catalyst layer 42 and the cathode side gas diffusion layer 44 constitute a cathode.

電解質膜32は、好ましくは、湿潤な状態で水素イオン伝導性を有する高分子膜である。電解質膜32は、本実施の形態では、略矩形状である。電解質膜32の材料は、水素イオンを選択的に移動させるものであれば特に限定されない。電解質膜32は、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸からなるフッ素系電解質膜(例えば、米国DuPont社製のNafion(登録商標)、旭化成(株)製のAciplex(登録商標)、旭硝子(株)製のFlemion(登録商標)など)や各種炭化水素系電解質膜を使用できる。   The electrolyte membrane 32 is preferably a polymer membrane having hydrogen ion conductivity in a wet state. In the present embodiment, the electrolyte membrane 32 has a substantially rectangular shape. The material of the electrolyte membrane 32 is not particularly limited as long as it selectively moves hydrogen ions. The electrolyte membrane 32 is, for example, a fluorine-based electrolyte membrane made of perfluorocarbon sulfonic acid (for example, Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont, USA, Aciplex (registered trademark) manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd., and Flemion manufactured by Asahi Glass Co., Ltd. (Registered trademark, etc.) and various hydrocarbon electrolyte membranes can be used.

各触媒層38、42は、好ましくは、水素または酸素の酸化還元反応に対する触媒を含む層である。各触媒層38、42は、導電性を有し、かつ水素および酸素の酸化還元反応に対する触媒能を有するものであれば特に限定されない。各触媒層38、42は、本実施の形態では、略矩形状である。各触媒層38、42は、例えば白金族金属触媒を担持したカーボン粉末とプロトン導電性を有する高分子材料とを主成分とした多孔質な部材から構成される。各触媒層38、42に用いるプロトン導電性高分子材料は、電解質膜32と同じ種類であっても、異なる種類であってもよい。   Each of the catalyst layers 38 and 42 is preferably a layer containing a catalyst for a redox reaction of hydrogen or oxygen. Each catalyst layer 38, 42 is not particularly limited as long as it has conductivity and has a catalytic ability for a redox reaction of hydrogen and oxygen. Each catalyst layer 38, 42 has a substantially rectangular shape in the present embodiment. Each of the catalyst layers 38 and 42 is composed of a porous member mainly composed of, for example, carbon powder carrying a platinum group metal catalyst and a polymer material having proton conductivity. The proton conductive polymer material used for each of the catalyst layers 38 and 42 may be the same as or different from the electrolyte membrane 32.

アノード側触媒層38の厚さが、図2に示すX方向において、燃料ガス流路29の全体的な燃料ガスの流れにおける上流端部29aから下流端部29bに向かって単調に変化するように形成される。ここでは、たとえば、この厚さが、燃料ガス流路29の上流端部29aから下流端部29bに向かって単調に小さくなるように形成される。   The thickness of the anode catalyst layer 38 changes monotonously in the X direction shown in FIG. 2 from the upstream end 29a to the downstream end 29b in the entire fuel gas flow in the fuel gas passage 29. It is formed. Here, for example, the thickness is formed so as to monotonously decrease from the upstream end 29 a to the downstream end 29 b of the fuel gas channel 29.

カソード側触媒層42の厚さも、図2に示すX方向において、酸化剤ガス流路31の全体的な酸化剤ガスの流れにおける上流端部31aから下流端部31bに向かって単調に変化するように形成される。ここでは、たとえば、この厚さが、酸化剤ガス流路31の上流端部31aから下流端部31bに向かって単調に大きくなるように形成される。   The thickness of the cathode side catalyst layer 42 also monotonously changes in the X direction shown in FIG. 2 from the upstream end 31a to the downstream end 31b in the entire oxidant gas flow in the oxidant gas flow path 31. Formed. Here, for example, the thickness is formed so as to increase monotonously from the upstream end portion 31 a to the downstream end portion 31 b of the oxidant gas flow path 31.

各ガス拡散層40、44は、好ましくは、導電性を有する多孔質の部材である。各ガス拡散層40、44は、板状で、略矩形状である。各ガス拡散層40、44は、導電性を有し、かつ反応ガスが拡散できるものであれば特に限定されない。各ガス拡散層40、44は、ガス透過性を持たせるために、カーボン微粉末、造孔材、カーボンペーパー、又はカーボンクロスなどを用いて作製された多孔質構造を有する導電性基材を用いることができる。また、ガス拡散層40、44に排水性を持たせるために、フッ素樹脂を代表とする撥水性高分子などをガス拡散層40、44の中に分散させてもよい。さらに、ガス拡散層40、44に電子伝導性を持たせるために、カーボン繊維、金属繊維、又はカーボン微粉末などの電子伝導性材料でガス拡散層40、44を構成してもよい。また、ガス拡散層40、44の触媒層38、42と接する面には、撥水性高分子とカーボン粉末とで構成される撥水カーボン層を設けてもよい。また、各ガス拡散層40、44には、例えば、基材として炭素繊維を用いず、導電性粒子と高分子樹脂とを主成分として構成された多孔質部材が用いられてもよい。なお、アノード側ガス拡散層40とカソード側ガス拡散層44は、同じ材質であってもよいし、異なる材質であってもよい。   Each gas diffusion layer 40, 44 is preferably a porous member having electrical conductivity. Each gas diffusion layer 40, 44 is plate-shaped and has a substantially rectangular shape. Each gas diffusion layer 40, 44 is not particularly limited as long as it has conductivity and can diffuse the reaction gas. Each gas diffusion layer 40, 44 uses a conductive base material having a porous structure made of carbon fine powder, pore former, carbon paper, carbon cloth or the like in order to give gas permeability. be able to. Further, in order to give the gas diffusion layers 40 and 44 drainage properties, a water-repellent polymer such as a fluororesin may be dispersed in the gas diffusion layers 40 and 44. Furthermore, in order to give the gas diffusion layers 40 and 44 electronic conductivity, the gas diffusion layers 40 and 44 may be made of an electron conductive material such as carbon fiber, metal fiber, or carbon fine powder. In addition, a water repellent carbon layer composed of a water repellent polymer and carbon powder may be provided on the surfaces of the gas diffusion layers 40 and 44 that are in contact with the catalyst layers 38 and 42. In addition, for each gas diffusion layer 40, 44, for example, a porous member that is mainly composed of conductive particles and a polymer resin may be used without using carbon fiber as a base material. The anode side gas diffusion layer 40 and the cathode side gas diffusion layer 44 may be made of the same material or different materials.

導電性粒子の材料としては、例えば、グラファイト、カーボンブラック、活性炭等のカーボン材料が挙げられる。カーボンブラックとしては、アセチレンブラック(AB)、ファーネスブラック、ケッチェンブラック、バルカン等が挙げられ、これらの材料を単独で使用してもよく、また、複数の材料を組み合わせて使用してもよい。ま、上記カーボン材料の原料形態としては、粉末状、繊維状、粒状等のいずれの形状でもよい。   Examples of the conductive particle material include carbon materials such as graphite, carbon black, and activated carbon. Examples of carbon black include acetylene black (AB), furnace black, ketjen black, Vulcan, and the like. These materials may be used alone, or a plurality of materials may be used in combination. In addition, the raw material form of the carbon material may be any shape such as powder, fiber, and granule.

また、高分子樹脂としては、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、FEP(テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体)、PVDF(ポリビニリデンフルオライド)、ETFE(テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体)、PCTFE(ポリクロロトリフルオロエチレン)、PFA(テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体)等が挙げられ、耐熱性、撥水性、耐薬品性の観点からPTFEが有利である。PTFEの原料としては、ディスパージョン及び粉末状の形状があげられるが、ディスパージョンが、作業性の点から有利である。なお、高分子樹脂は、導電性粒子同士を結着するバインダとしての機能を有する。また、高分子樹脂は、撥水性を有するため、燃料電池の内部にて水を系内に閉じ込める機能(保水性)も有する。   In addition, as the polymer resin, PTFE (polytetrafluoroethylene), FEP (tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer), PVDF (polyvinylidene fluoride), ETFE (tetrafluoroethylene / ethylene copolymer), Examples thereof include PCTFE (polychlorotrifluoroethylene) and PFA (tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer). PTFE is advantageous from the viewpoints of heat resistance, water repellency and chemical resistance. As a raw material of PTFE, there are a dispersion and a powdery shape. Dispersion is advantageous from the viewpoint of workability. The polymer resin functions as a binder that binds the conductive particles. In addition, since the polymer resin has water repellency, it also has a function (water retention) to confine water in the system inside the fuel cell.

基材として炭素繊維を用いない、各ガス拡散層40、44は、高分子樹脂と導電性粒子とを含む混合物を混練して、押出し、圧延してから、焼成することにより製造される。具体的には、導電性粒子であるカーボンと分散溶媒、界面活性剤を攪拌・混錬機に投入した後、これを混錬し粉砕・造粒して、カーボンを分散溶媒中に分散させる。ついで、高分子樹脂であるフッ素樹脂を攪拌・混錬機にさらに投下して、攪拌および混錬して、カーボンとフッ素樹脂を分散する。得られた混錬物を圧延してシートを形成し、焼成して分散溶媒、界面活性剤を除去することで各ガス拡散層40、44を形成するシートが製造される。   The gas diffusion layers 40 and 44 that do not use carbon fiber as a base material are manufactured by kneading, extruding, rolling, and firing a mixture containing a polymer resin and conductive particles. Specifically, carbon, which is conductive particles, a dispersion solvent, and a surfactant are charged into a stirrer / kneader, and then kneaded, pulverized, and granulated to disperse the carbon in the dispersion solvent. Next, the fluororesin, which is a polymer resin, is further dropped into a stirrer / kneader to stir and knead to disperse the carbon and the fluororesin. The obtained kneaded material is rolled to form a sheet, and fired to remove the dispersion solvent and the surfactant, whereby a sheet for forming each gas diffusion layer 40, 44 is manufactured.

アノード側ガス拡散層40はアノード側触媒層38上に配され、カソード側ガス拡散層44はカソード側触媒層42上に配される。これにより、アノード側ガス拡散層40及びカソード側ガス拡散層44は、膜−触媒層接合体26を挟持するようにして互いに対向するように配置されている。   The anode side gas diffusion layer 40 is disposed on the anode side catalyst layer 38, and the cathode side gas diffusion layer 44 is disposed on the cathode side catalyst layer 42. Thereby, the anode side gas diffusion layer 40 and the cathode side gas diffusion layer 44 are arranged so as to face each other so as to sandwich the membrane-catalyst layer assembly 26.

各セパレータ28、30は、好ましくは、膜−電極接合体を機械的に固定するとともに、隣接する膜−電極接合体同士を互いに電気的に直列に接続するための部材である。膜−電極接合体は、アノードと、カソードと、これらの間に挟まれる電解質膜32とにより構成される。これにより、アノード側セパレータ28及びカソード側セパレータ30は、アノード側ガス拡散層40及びカソード側ガス拡散層44を挟持するようにして互いに対向するように配置される。   Each separator 28 and 30 is preferably a member for mechanically fixing the membrane-electrode assembly and electrically connecting adjacent membrane-electrode assemblies to each other in series. The membrane-electrode assembly is composed of an anode, a cathode, and an electrolyte membrane 32 sandwiched therebetween. Thereby, the anode side separator 28 and the cathode side separator 30 are disposed so as to face each other so as to sandwich the anode side gas diffusion layer 40 and the cathode side gas diffusion layer 44.

各セパレータ28、30は、好ましくは、カーボンを含む材質や金属を含む材質で構成される。各セパレータ28、30がカーボンを含む材質で構成される場合、各セパレータ28、30は、カーボン粉末と樹脂バインダとを混合した原料粉を金型に供給し、金型に供給された原料粉に圧力と熱を加えることによって形成される。また、各セパレータ28、30が金属を含む材質で構成される場合、各セパレータ28、30は、金属プレートからなるものであってもよい。各セパレータ28、30は、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。なお、各セパレータ28、30は、導電性を有する多孔質のプレートで形成されてもよい。   Each of the separators 28 and 30 is preferably made of a material containing carbon or a material containing metal. When each separator 28 and 30 is comprised with the material containing carbon, each separator 28 and 30 supplies the raw material powder which mixed carbon powder and the resin binder to the metal mold | die, and uses the raw material powder supplied to the metal mold | die. It is formed by applying pressure and heat. Moreover, when each separator 28 and 30 is comprised with the material containing a metal, each separator 28 and 30 may consist of a metal plate. The separators 28 and 30 may be made of a plate made of titanium or stainless steel with gold plating. Each separator 28, 30 may be formed of a porous plate having conductivity.

各セパレータ28、30は、たとえば、略矩形状の平板で形成される。各セパレータ28、30の一方の主面(電極面)に、図3に示すように、反応ガス流路29、31である溝が形成される。また、他方の主面(冷却面)に冷却媒体流路(図示せず)である溝が形成される。溝は、適宜な方法(例えば、プレス機等を用いた成型や、切削機等を用いた切削)により各セパレータ28、30に形成される。なお、反応ガス流路29、31および冷却媒体流路は各セパレータ28、30に設けられてなくてもよい。この場合、各流路29、31は、各セパレータ28、30とは別の部材に設けられてもよいし、各セパレータ28、30に隣接する部材、たとえば、各ガス拡散層40、44などに設けられてもよい。   Each separator 28, 30 is formed of, for example, a substantially rectangular flat plate. As shown in FIG. 3, grooves that are reaction gas flow paths 29 and 31 are formed on one main surface (electrode surface) of each separator 28 and 30. Moreover, the groove | channel which is a cooling medium flow path (not shown) is formed in the other main surface (cooling surface). The groove is formed in each separator 28, 30 by an appropriate method (for example, molding using a press machine or cutting using a cutting machine or the like). The reaction gas passages 29 and 31 and the cooling medium passage may not be provided in each separator 28 and 30. In this case, each flow path 29, 31 may be provided in a member different from each separator 28, 30, or a member adjacent to each separator 28, 30, such as each gas diffusion layer 40, 44, etc. It may be provided.

各セパレータ28、30に、各マニホールド孔29c、29d、31c、31dが設けられる。マニホールド孔29cは燃料ガス流路29の流入側が接続され、マニホールド孔29dは燃料ガス流路29の流出側が接続される。また、マニホールド孔31cは酸化剤ガス流路31の流入側が接続され、マニホールド孔31dは酸化剤ガス流路31の流出側が接続される。これらのマニホールド孔29c、29d、31c、31dは、セパレータ28、30において互いに対応する位置に形成され、各セパレータ28、30を貫通する。このため、その厚み方向に積み重ねられたセパレータ28、30において、各マニホールド孔29c、29d、31c、31dが繋がり、燃料ガス流入マニホールド、燃料ガス流出マニホールド、酸化剤ガス流入マニホールドおよび酸化剤ガス流出マニホールドが形成される。   Each separator 28, 30 is provided with each manifold hole 29c, 29d, 31c, 31d. The manifold hole 29c is connected to the inflow side of the fuel gas passage 29, and the manifold hole 29d is connected to the outflow side of the fuel gas passage 29. The manifold hole 31c is connected to the inflow side of the oxidant gas flow path 31, and the manifold hole 31d is connected to the outflow side of the oxidant gas flow path 31. These manifold holes 29c, 29d, 31c, 31d are formed at positions corresponding to each other in the separators 28, 30, and penetrate the separators 28, 30. Therefore, in the separators 28 and 30 stacked in the thickness direction, the manifold holes 29c, 29d, 31c, and 31d are connected to each other, and the fuel gas inflow manifold, the fuel gas outflow manifold, the oxidant gas inflow manifold, and the oxidant gas outflow manifold. Is formed.

アノード側セパレータ28は、燃料ガス流路29がアノード側ガス拡散層40に対向するように、アノード側ガス拡散層40上に配される。これにより、この燃料ガス流路29は、アノード側セパレータ28とアノード側ガス拡散層40との間に設けられる。燃料ガス流入マニホールドから燃料ガス流路29の上流端部29aへ流入した燃料ガスは、アノード側ガス拡散層40に接触するように燃料ガス流路29を流れる。この際、燃料ガスはアノード側ガス拡散層40を介してアノード側触媒層38に供給される。そして、スタック10で余剰となった水、および発電反応に用いられなかった未利用の余剰ガスが燃料ガス流路29の下流端部29bから燃料ガス流出マニホールドへ排出される。   The anode side separator 28 is disposed on the anode side gas diffusion layer 40 so that the fuel gas flow path 29 faces the anode side gas diffusion layer 40. As a result, the fuel gas channel 29 is provided between the anode separator 28 and the anode gas diffusion layer 40. The fuel gas that has flowed from the fuel gas inflow manifold into the upstream end portion 29 a of the fuel gas channel 29 flows through the fuel gas channel 29 so as to contact the anode side gas diffusion layer 40. At this time, the fuel gas is supplied to the anode side catalyst layer 38 via the anode side gas diffusion layer 40. Then, the surplus water in the stack 10 and the unused surplus gas that has not been used for the power generation reaction are discharged from the downstream end 29b of the fuel gas passage 29 to the fuel gas outflow manifold.

カソード側セパレータ30は、酸化剤ガス流路31がカソード側ガス拡散層44に対向するように、カソード側ガス拡散層44上に配される。これにより、酸化剤ガス流路31は、カソード側セパレータ30とカソード側ガス拡散層44の間に設けられる。酸化剤ガス流入マニホールドから酸化剤ガス流路31の上流端部31aへ流入した酸化剤ガスは、カソード側ガス拡散層44に接触するように酸化剤ガス流路31を流れる。この際、酸化剤ガスはカソード側ガス拡散層44を介してカソード側触媒層42に供給される。そして、発電反応に用いられなかった未利用の余剰ガスが発電反応により生じた生成水とともに酸化剤ガス流路31の下流端部31bから酸化剤ガス流出マニホールドへ排出される。   The cathode-side separator 30 is disposed on the cathode-side gas diffusion layer 44 so that the oxidant gas flow path 31 faces the cathode-side gas diffusion layer 44. Thereby, the oxidant gas flow path 31 is provided between the cathode side separator 30 and the cathode side gas diffusion layer 44. The oxidant gas that has flowed from the oxidant gas inflow manifold into the upstream end 31 a of the oxidant gas flow path 31 flows through the oxidant gas flow path 31 so as to be in contact with the cathode-side gas diffusion layer 44. At this time, the oxidant gas is supplied to the cathode side catalyst layer 42 via the cathode side gas diffusion layer 44. Unused surplus gas that has not been used for the power generation reaction is discharged from the downstream end portion 31b of the oxidant gas flow path 31 to the oxidant gas outflow manifold together with the generated water generated by the power generation reaction.

燃料ガス流路29および酸化剤ガス流路31は、たとえば、図3Aに示すY方向に延びながら、X方向へ曲がる折れ線状に形成される。部分的(微視的)には、この酸化剤ガス流路31のY方向に延びる向きと、燃料ガス流路29のY方向に延びる向きとは相反する。ただし、燃料ガス流路29の全体的な(巨視的な)燃料ガスの流れ方向51も、酸化剤ガス流路31の全体的な(巨視的な)酸化剤ガスの流れ方向52も、図3Aに示すX方向である。よって、これらの全体的な(巨視的な)流れ方向は、図2に示すように、平行である。なお、燃料ガス流路29および酸化剤ガス流路31は、例えば、図3Bに示すように互いに平行な複数の直線状に形成されてもよい。つまり、燃料ガス流路29および酸化剤ガス流路31は、それぞれにおけるガスの全体的な流れ方向51、52が平行なものであれば、特に限定されない。   The fuel gas channel 29 and the oxidant gas channel 31 are formed in, for example, a broken line shape that curves in the X direction while extending in the Y direction shown in FIG. 3A. Partially (microscopically), the direction of the oxidant gas passage 31 extending in the Y direction and the direction of the fuel gas passage 29 extending in the Y direction are opposite to each other. However, the overall (macroscopic) fuel gas flow direction 51 of the fuel gas flow path 29 and the overall (macroscopic) oxidant gas flow direction 52 of the oxidant gas flow path 31 are both shown in FIG. The X direction shown in FIG. Thus, these overall (macroscopic) flow directions are parallel, as shown in FIG. The fuel gas channel 29 and the oxidant gas channel 31 may be formed in a plurality of straight lines parallel to each other as shown in FIG. 3B, for example. That is, the fuel gas channel 29 and the oxidant gas channel 31 are not particularly limited as long as the overall gas flow directions 51 and 52 are parallel to each other.

各セパレータ28、30の冷却面に形成された冷却媒体流路に水や不凍液などの冷却媒体が流れる。これにより、膜−電極接合体の発電時に発生する熱が除去される。   A cooling medium such as water or antifreeze flows through a cooling medium flow path formed on the cooling surface of each separator 28, 30. As a result, heat generated during power generation of the membrane-electrode assembly is removed.

[膜−電極接合体の製造装置の構成]
図4は、膜−触媒層接合体26の製造システム50を示す模式図である。
[Configuration of membrane-electrode assembly manufacturing apparatus]
FIG. 4 is a schematic diagram showing a manufacturing system 50 for the membrane-catalyst layer assembly 26.

膜−触媒層接合体26の製造システム50は、ロール51と、ダイ52と、ポンプ53と、第1および第2バルブ54、55と、第1および第2圧力計56、57とを備える。   The manufacturing system 50 of the membrane-catalyst layer assembly 26 includes a roll 51, a die 52, a pump 53, first and second valves 54 and 55, and first and second pressure gauges 56 and 57.

ロール51は、たとえば、円筒形状の部材である。ロール51は、支持シートの原反の巻き出し部(図示せず)と製品巻き取り部(図示せず)との間に配置される。ロール51に架け渡された支持シートの外面には、電解質膜32が貼り付けられている。電解質膜32のX方向は、支持シートの原反の長手方向に合わせられる。   The roll 51 is, for example, a cylindrical member. The roll 51 is disposed between an unwinding portion (not shown) of the original fabric of the support sheet and a product winding portion (not shown). An electrolyte membrane 32 is affixed to the outer surface of the support sheet that spans the roll 51. The X direction of the electrolyte membrane 32 is aligned with the longitudinal direction of the original sheet of the support sheet.

ダイ52は、たとえば、薄い膜状に塗布が可能なスロットダイである。ダイ52は、ロール51と対向する位置に配置されている。ダイ52は、触媒層38、42を形成するための触媒インクをロール51に向けて吐出する。   The die 52 is, for example, a slot die that can be applied in a thin film shape. The die 52 is disposed at a position facing the roll 51. The die 52 discharges the catalyst ink for forming the catalyst layers 38 and 42 toward the roll 51.

触媒インクは、白金系金属触媒を担持したカーボン微粒子とプロトン導電性高分子を溶媒で混合した触媒インクである。金属触媒としては、例えば、プラチナ、ルテニウム、ロジウム、及びイリジウムなどを用いることができる。カーボン粉末としては、カーボンブラック、ケッチェンブラック、及びアセチレンブラックなどを用いることができる。溶媒としては、水、エタノール、n−プロパノール、及びn−ブタノールなどのアルコール系、並びに、エーテル系、エステル系、及びフッ素系などの有機溶剤を用いることができる。白金系金属触媒インクの溶媒を乾燥することで、金属触媒を坦持したカーボン粉末を主成分とする各触媒層38、42を形成することができる。   The catalyst ink is a catalyst ink in which carbon fine particles supporting a platinum-based metal catalyst and a proton conductive polymer are mixed with a solvent. As the metal catalyst, for example, platinum, ruthenium, rhodium, iridium and the like can be used. As the carbon powder, carbon black, ketjen black, acetylene black and the like can be used. As the solvent, organic solvents such as water, ethanol, n-propanol, alcohols such as n-butanol, and ethers, esters, and fluorines can be used. By drying the solvent of the platinum-based metal catalyst ink, it is possible to form the catalyst layers 38 and 42 mainly composed of carbon powder carrying the metal catalyst.

ポンプ53は、供給経路58を介して、タンクなどの触媒インク供給部(図示せず)に接続される。ポンプ53は、一定流量の触媒インクを触媒インク供給部から供給経路58へ単調に送り出す。   The pump 53 is connected to a catalyst ink supply unit (not shown) such as a tank via a supply path 58. The pump 53 monotonously delivers a constant flow of catalyst ink from the catalyst ink supply unit to the supply path 58.

供給経路58は、吐出経路59および回収経路60に分岐する。これにより、供給経路58は、吐出経路59および回収経路60へ触媒インクを導く。   The supply path 58 branches into a discharge path 59 and a recovery path 60. As a result, the supply path 58 guides the catalyst ink to the discharge path 59 and the recovery path 60.

吐出経路59は、ダイ52に接続され、ポンプ53により供給経路58を介して供給された触媒インクをダイ52へ導く。   The discharge path 59 is connected to the die 52 and guides the catalyst ink supplied by the pump 53 via the supply path 58 to the die 52.

第1バルブ54は、吐出経路59に設けられ、開閉することにより吐出経路59を遮断または連通させる。第1バルブ54が開くことにより、供給経路58からの触媒インクは吐出経路59を通りダイ52に供給される。   The first valve 54 is provided in the discharge path 59, and shuts off or communicates the discharge path 59 by opening and closing. When the first valve 54 is opened, the catalyst ink from the supply path 58 is supplied to the die 52 through the discharge path 59.

第1圧力計56は、第1バルブ54とダイ52との間において吐出経路59に設けられ、この吐出経路59を通過する触媒インクの圧力を検出する。第1圧力計56の検出値により、ポンプ53によりダイ52へ供給される圧力、つまり、ダイ52から吐出される触媒インクの圧力(吐出圧力)が求められる。   The first pressure gauge 56 is provided in the discharge path 59 between the first valve 54 and the die 52, and detects the pressure of the catalyst ink passing through the discharge path 59. Based on the detection value of the first pressure gauge 56, the pressure supplied to the die 52 by the pump 53, that is, the pressure of the catalyst ink discharged from the die 52 (discharge pressure) is obtained.

第2バルブ55は、回収経路60に設けられ、開閉することにより回収経路60を遮断または連通させる。第2バルブ55は第1バルブ54と交互に開く。これにより、第1バルブ54が開いて第2バルブ55が閉じると、供給経路58からの触媒インクは吐出経路59に流入する。一方、第1バルブ54が閉じて第2バルブ55が開くと、供給経路58からの触媒インクは回収経路60に流入する。また、第2バルブ55は、開度を変化させることにより、回収経路60における触媒インクの流量を調整する。このため、第2バルブ55の開度が小さいほど、回収経路60における触媒インクの流量が少なくなる。これにより、第2バルブ55が閉じて第1バルブ54が開いた際、吐出経路59に流れる流量が多くなる。   The second valve 55 is provided in the recovery path 60, and shuts off or communicates with the recovery path 60 by opening and closing. The second valve 55 opens alternately with the first valve 54. Thus, when the first valve 54 is opened and the second valve 55 is closed, the catalyst ink from the supply path 58 flows into the discharge path 59. On the other hand, when the first valve 54 is closed and the second valve 55 is opened, the catalyst ink from the supply path 58 flows into the recovery path 60. The second valve 55 adjusts the flow rate of the catalyst ink in the collection path 60 by changing the opening degree. For this reason, the smaller the opening of the second valve 55, the smaller the flow rate of the catalyst ink in the recovery path 60. Thus, when the second valve 55 is closed and the first valve 54 is opened, the flow rate flowing through the discharge path 59 is increased.

回収経路60は、その上流端が第2バルブ55に接続され、下流端が回収タンクや触媒インク供給部などの回収部(図示せず)に接続される。このため、回収経路60を通過した触媒インクは、回収部に回収される。   The collection path 60 has an upstream end connected to the second valve 55 and a downstream end connected to a collection unit (not shown) such as a collection tank or a catalyst ink supply unit. For this reason, the catalyst ink that has passed through the collection path 60 is collected by the collection unit.

第2圧力計57は、第2バルブ55と回収部との間において回収経路60に設けられ、この回収経路60を通過する触媒インクの圧力を検出する。   The second pressure gauge 57 is provided in the recovery path 60 between the second valve 55 and the recovery unit, and detects the pressure of the catalyst ink passing through the recovery path 60.

[膜−電極接合体の製造方法]
図5は、第1圧力計56により検出された吐出圧力と、時間との関係を示すグラフである。なお、縦軸は、吐出圧力の測定値を所定値で規格化した吐出圧力を示している。図6は、触媒層に含まれる触媒の単位面積当たりの重量(触媒目付)と、触媒層におけるX方向の位置との関係を示すグラフである。なお、縦軸は、触媒目付の測定値を所定値で規格化した触媒目付を示している。
[Method for producing membrane-electrode assembly]
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the discharge pressure detected by the first pressure gauge 56 and time. In addition, the vertical axis | shaft has shown the discharge pressure which normalized the measured value of the discharge pressure with the predetermined value. FIG. 6 is a graph showing the relationship between the weight per unit area (catalyst weight) of the catalyst contained in the catalyst layer and the position in the X direction in the catalyst layer. In addition, the vertical axis | shaft has shown the catalyst basis weight which normalized the measured value of the catalyst basis weight with the predetermined value.

なお、ここでは、アノード側触媒層38の形成後に、カソード側触媒層42を形成する場合について説明する。ただし、これらの触媒層38、42を形成する順番は反対でもよい。   Here, a case where the cathode side catalyst layer 42 is formed after the anode side catalyst layer 38 is formed will be described. However, the order of forming these catalyst layers 38 and 42 may be reversed.

支持シートは、巻き出し部により支持シートの原反から引き出される。支持シートの原反は、その内面がローラ側になるようにロール51上に架け渡されて、ロール51によって支えられる。支持シートの外面に貼り付けられた電解質膜32はロール51上を移動する。この際、電解質膜32のX方向と移動方向とは一致する。   The support sheet is pulled out from the original sheet of the support sheet by the unwinding portion. The original sheet of the support sheet is supported on the roll 51 by being laid over the roll 51 so that the inner surface thereof is on the roller side. The electrolyte membrane 32 attached to the outer surface of the support sheet moves on the roll 51. At this time, the X direction and the moving direction of the electrolyte membrane 32 coincide with each other.

電解質膜32がダイ52に対向する位置に達するまで、たとえば、図5に示すtaとtbとの間、tcとtdとの間では、第2バルブ55が開き第1バルブ54が閉じられている。これにより、触媒インクは、供給経路58から回収経路60に流れて回収される。このため、触媒インクは供給経路58から吐出経路59に流入せず、第1圧力計56により検出された圧力、つまり、吐出経路59における触媒インクの圧力は0となる。   Until the electrolyte membrane 32 reaches a position facing the die 52, for example, between ta and tb and between tc and td shown in FIG. 5, the second valve 55 is opened and the first valve 54 is closed. . As a result, the catalyst ink flows from the supply path 58 to the recovery path 60 and is recovered. For this reason, the catalyst ink does not flow into the discharge path 59 from the supply path 58, and the pressure detected by the first pressure gauge 56, that is, the pressure of the catalyst ink in the discharge path 59 becomes zero.

電解質膜32がダイ52に対向する位置に達すると、たとえば、図5に示すtbおよびtdのとき、第2バルブ55が閉じ第1バルブ54が開く。これにより、触媒インクは、供給経路58から吐出経路59に流れる。この際の吐出経路59における触媒インクの圧力は、第1バルブ54が開くまで、つまり、第1バルブ54が閉じ第2バルブ55が開いている間(ta〜tb、tc〜td)の第2バルブ55の開度により異なる。   When the electrolyte membrane 32 reaches a position facing the die 52, for example, at tb and td shown in FIG. 5, the second valve 55 is closed and the first valve 54 is opened. As a result, the catalyst ink flows from the supply path 58 to the discharge path 59. The pressure of the catalyst ink in the discharge path 59 at this time is the second until the first valve 54 is opened, that is, while the first valve 54 is closed and the second valve 55 is opened (ta to tb, tc to td). It depends on the opening of the valve 55.

つまり、第2バルブ55の開度が、たとえば、水準2である場合、図5に示すように、第1バルブ54を開いて(tb)から少しの後(tb1)、吐出経路59における触媒インクの圧力はPになった。その後、触媒インクの圧力はほぼ一定に維持された。 That is, when the opening degree of the second valve 55 is, for example, level 2, as shown in FIG. 5, the catalyst ink in the discharge path 59 is opened slightly after opening the first valve 54 (tb1) (tb1). the pressure became P 1. Thereafter, the pressure of the catalyst ink was maintained almost constant.

第2バルブ55の開度が、たとえば、水準2より小さな水準3である場合、供給経路58から回収経路60へ流入する触媒インクの量は少ない。このため、図5に示すように、第1バルブ54を開いて(tb)から少しの後(tb1)、吐出経路59における触媒インクの圧力は急激に高くなる。そして、吐出経路59の触媒インクがダイ52から吐出されるに伴い、吐出経路59における触媒インクの圧力は徐々に低下してPとなる。 For example, when the opening degree of the second valve 55 is level 3 smaller than level 2, the amount of catalyst ink flowing from the supply path 58 to the recovery path 60 is small. For this reason, as shown in FIG. 5, the pressure of the catalyst ink in the discharge path 59 suddenly increases a little after the first valve 54 is opened (tb) (tb1). Then, the catalyst ink of the discharge passage 59 with the discharged from the die 52, the pressure of the catalyst ink in the discharge passage 59 becomes P 1 gradually decreases.

これに対し、第2バルブ55の開度が、たとえば、水準2より大きい水準1である場合、供給経路58から回収経路60へ流入する触媒インクの量は多い。このため、図5に示すように、第1バルブ54を開いた際に、吐出経路59における触媒インクの圧力は低い。そして、触媒インクが供給経路58から吐出経路59へ流入するに応じて、吐出経路59における触媒インクの圧力は徐々に増加しPとなる。 On the other hand, when the opening degree of the second valve 55 is, for example, level 1 greater than level 2, the amount of catalyst ink flowing from the supply path 58 to the recovery path 60 is large. For this reason, as shown in FIG. 5, when the first valve 54 is opened, the pressure of the catalyst ink in the discharge path 59 is low. Then, the catalyst ink according to flows from the supply passage 58 to the discharge passage 59, the pressure of the catalyst ink in the discharge passage 59 increases and becomes P 1 gradually.

このように吐出経路59を通過した触媒インクはダイ52から電解質膜32に向けて吐出されて、電解質膜32上に触媒インクが塗られる。この電解質膜32が移動するため、電解質膜32には薄膜が形成される。そして、触媒インクが塗布された電解質膜32は乾燥装置(図示せず)により乾燥されて、アノード側触媒層38が電解質膜32上に形成される。   Thus, the catalyst ink that has passed through the discharge path 59 is discharged from the die 52 toward the electrolyte membrane 32, and the catalyst ink is applied onto the electrolyte membrane 32. Since the electrolyte membrane 32 moves, a thin film is formed on the electrolyte membrane 32. Then, the electrolyte membrane 32 coated with the catalyst ink is dried by a drying device (not shown), and an anode side catalyst layer 38 is formed on the electrolyte membrane 32.

この電解質膜32上のアノード側触媒層38の厚みは、吐出経路59における触媒インクの圧力に依存する。つまり、触媒インクの圧力が高いほど、ダイ52から吐出される触媒インクの量が多くなり、電解質膜32上に塗布された触媒インクの厚みが大きくなって、アノード側触媒層38は厚くなる。このため、図5に示すように、吐出経路59における触媒インクの圧力は吐出時間に応じて変化する場合、これに伴い、図6に示すように、アノード側触媒層38の厚みはX方向における位置により変化する。なお、このアノード側触媒層38の厚みは、触媒層に含まれる触媒の単位面積当たりの重量(触媒目付)にほぼ比例する。このため、触媒の重量が大きいほど、アノード側触媒層38の厚みは大きくなる。また、カソード側触媒層42の厚みも、このアノード側触媒層38の厚みと同様である。   The thickness of the anode side catalyst layer 38 on the electrolyte membrane 32 depends on the pressure of the catalyst ink in the discharge path 59. That is, as the pressure of the catalyst ink is higher, the amount of the catalyst ink discharged from the die 52 is increased, the thickness of the catalyst ink applied on the electrolyte membrane 32 is increased, and the anode side catalyst layer 38 is increased. Therefore, as shown in FIG. 5, when the pressure of the catalyst ink in the discharge path 59 changes according to the discharge time, the thickness of the anode side catalyst layer 38 in the X direction is accordingly changed as shown in FIG. Varies with position. The thickness of the anode side catalyst layer 38 is substantially proportional to the weight per unit area (catalyst weight) of the catalyst contained in the catalyst layer. For this reason, the greater the weight of the catalyst, the greater the thickness of the anode side catalyst layer 38. The thickness of the cathode side catalyst layer 42 is the same as the thickness of the anode side catalyst layer 38.

たとえば、第2バルブ55の開度が水準2である場合、図5に示すように、第1バルブ54が開いている間、吐出経路59における触媒インクの圧力はほぼ一定であった。このため、図6に示すように、触媒目付、つまり、アノード側触媒層38の厚みはX方向における位置に対してほぼ一定である。   For example, when the opening degree of the second valve 55 is level 2, as shown in FIG. 5, the pressure of the catalyst ink in the discharge path 59 is substantially constant while the first valve 54 is open. For this reason, as shown in FIG. 6, the basis weight of the catalyst, that is, the thickness of the anode catalyst layer 38 is substantially constant with respect to the position in the X direction.

また、第2バルブ55の開度が水準3である場合、図5に示すように、第1バルブ54が開いている間、吐出経路59における触媒インクの圧力は時間に伴い減少する。このため、図6に示すように、触媒目付、つまり、アノード側触媒層38の厚みもX方向における位置が進むにつれ減少する。   When the opening degree of the second valve 55 is level 3, as shown in FIG. 5, the pressure of the catalyst ink in the discharge path 59 decreases with time while the first valve 54 is open. For this reason, as shown in FIG. 6, the basis weight of the catalyst, that is, the thickness of the anode catalyst layer 38 also decreases as the position in the X direction advances.

これに対して、第2バルブ55の開度が水準1である場合、図5に示すように、第1バルブ54が開いている間、吐出経路59における触媒インクの圧力は時間に伴い徐々に増加する。このため、図6に示すように、触媒目付、つまり、アノード側触媒層38の厚みはX方向における位置が進むにつれ増加する。   On the other hand, when the opening degree of the second valve 55 is level 1, as shown in FIG. 5, while the first valve 54 is open, the pressure of the catalyst ink in the discharge path 59 gradually increases with time. To increase. For this reason, as shown in FIG. 6, the basis weight of the catalyst, that is, the thickness of the anode side catalyst layer 38 increases as the position in the X direction advances.

このように電解質膜32の外面上にアノード側触媒層38が形成された後、アノード側触媒層38の上に形状保持シートが貼られる。この形状保持シートと支持シートとの間にアノード側触媒層38および電解質膜32が挟まれた積層体が形成される。次いで、この積層体が巻き取り部に巻き取られる。   After the anode side catalyst layer 38 is formed on the outer surface of the electrolyte membrane 32 in this way, a shape maintaining sheet is stuck on the anode side catalyst layer 38. A laminate in which the anode side catalyst layer 38 and the electrolyte membrane 32 are sandwiched between the shape maintaining sheet and the support sheet is formed. Then, this laminated body is wound up by a winding part.

次いで、巻き取られた積層体は、巻き出し部より引き出され、ロール51上に架け渡される。このローラ上に、形状保持シート、アノード側触媒層38、電解質膜32、および支持シートの順で積層される。そして、電解質膜32がロール51上を電解質膜32のX方向に移動する。これに伴い、支持シートが電解質膜32の内面上から剥がされ、電解質膜32の内面が外部に現れる。そして、上述のアノード側触媒層38と同様に、カソード側触媒層42が電解質膜32の内面上に形成される。これにより、膜−触媒層接合体26が製造される。   Next, the wound laminate is drawn out from the unwinding unit and is laid over the roll 51. On this roller, the shape maintaining sheet, the anode side catalyst layer 38, the electrolyte membrane 32, and the support sheet are laminated in this order. Then, the electrolyte membrane 32 moves on the roll 51 in the X direction of the electrolyte membrane 32. Accordingly, the support sheet is peeled off from the inner surface of the electrolyte membrane 32, and the inner surface of the electrolyte membrane 32 appears outside. Then, the cathode side catalyst layer 42 is formed on the inner surface of the electrolyte membrane 32 in the same manner as the anode side catalyst layer 38 described above. Thereby, the membrane-catalyst layer assembly 26 is manufactured.

[作用効果]
図2に示す実施の形態1の構成の膜−触媒層接合体26によれば、カソード側触媒層42の厚さが、酸化剤ガス流路31の上流端部31aから下流端部31bに向かって単調に大きくなるように形成される。このように、酸化剤ガス流路31の下流(下流端部31b)側に向かってカソード側触媒層42が厚くなるに伴い、カソード側触媒層42に含まれる触媒の量が増える。このため、図7に示すように、触媒目付(触媒層の厚み)が酸化剤ガス流路31の下流側に向かって増加するセル24の電圧は、触媒目付が酸化剤ガス流路31の下流側に向かって減少するセル24の電圧に比べて、たとえば、10mV大きくなる。このときの、酸化剤ガス流路31の下流側に向かって増加するカソード側触媒層42の厚みは、上流部で5〜12μm、下流部で8〜15μmである。また、酸化剤ガス流路31の下流側に向かって減少するカソード側触媒層42の厚みは、上流部で8〜15μm、下流部で5〜12μmである。このような電圧の違いは、セル24の電流密度分布の偏在により生じる。つまり、低加湿運転では酸化剤ガス流路31の下流側ほど、水分量が多く、電流密度が大きくなる。この電流密度の大きくなるほど、カソード側触媒層42において触媒量が多いことにより、触媒が有効活用されている。
[Function and effect]
According to the membrane-catalyst layer assembly 26 configured as shown in FIG. 2, the thickness of the cathode-side catalyst layer 42 increases from the upstream end 31 a to the downstream end 31 b of the oxidant gas channel 31. And is formed so as to increase monotonously. Thus, as the cathode side catalyst layer 42 becomes thicker toward the downstream side (downstream end portion 31b) of the oxidant gas flow path 31, the amount of catalyst contained in the cathode side catalyst layer 42 increases. For this reason, as shown in FIG. 7, the voltage of the cell 24 in which the catalyst basis weight (the thickness of the catalyst layer) increases toward the downstream side of the oxidant gas flow path 31 indicates that the catalyst weight is downstream of the oxidant gas flow path 31. For example, it becomes 10 mV larger than the voltage of the cell 24 that decreases toward the side. At this time, the thickness of the cathode side catalyst layer 42 increasing toward the downstream side of the oxidant gas flow path 31 is 5 to 12 μm in the upstream portion and 8 to 15 μm in the downstream portion. Moreover, the thickness of the cathode side catalyst layer 42 decreasing toward the downstream side of the oxidant gas flow path 31 is 8 to 15 μm at the upstream portion and 5 to 12 μm at the downstream portion. Such a voltage difference is caused by uneven distribution of the current density distribution of the cell 24. In other words, in the low humidification operation, the downstream side of the oxidant gas flow path 31 has a higher water content and a higher current density. As the current density increases, the amount of catalyst in the cathode side catalyst layer 42 increases, so that the catalyst is effectively utilized.

また、アノード側触媒層38の厚さが、燃料ガス流路29の上流端部29aから下流端部29bに向かって単調に小さくなるように形成される。このように、燃料ガス流路29の上流(上流端部29a)側に向かってアノード側触媒層38が厚くなるに伴い、アノード側触媒層38に含まれる触媒の量が増えることにより、燃料ガスに含まれるアンモニアによるスタック10の機能の低下が抑制される。つまり、燃料ガスの元になる原料ガスには都市ガスやプロパンガスなどが用いられ、原料ガスに窒素が含まれていることがある。この場合、微量のアンモニアが、原料ガスの改質反応により生成され、燃料ガスに含まれる。このアンモニアが燃料ガス流路29を通ってアノード側触媒層38に供給されると、アンモニアがアノード側触媒に吸着し被毒する。このアンモニアは上流側のアノード側触媒に付着し易い。しかし、燃料ガス流路29の上流側においてアノード側触媒が多いため、一部のアノード側触媒層38が被毒されても、活性のあるアノード側触媒が残る。これにより、アノード側触媒層38のX方向の全長に亘ってアノード側触媒の活性が維持され、スタック10の電圧や耐久性の低下が抑制される。   Further, the anode-side catalyst layer 38 is formed so that the thickness thereof monotonously decreases from the upstream end 29a to the downstream end 29b of the fuel gas channel 29. Thus, as the anode-side catalyst layer 38 becomes thicker toward the upstream side (upstream end portion 29a) of the fuel gas channel 29, the amount of catalyst contained in the anode-side catalyst layer 38 increases, so that the fuel gas Deterioration of the function of the stack 10 due to the ammonia contained in is suppressed. That is, city gas, propane gas, or the like is used as the source gas that is the source of the fuel gas, and the source gas may contain nitrogen. In this case, a small amount of ammonia is generated by the reforming reaction of the raw material gas and is contained in the fuel gas. When this ammonia is supplied to the anode side catalyst layer 38 through the fuel gas passage 29, the ammonia is adsorbed on the anode side catalyst and poisoned. This ammonia tends to adhere to the upstream anode catalyst. However, since there are many anode side catalysts on the upstream side of the fuel gas flow path 29, even if a part of the anode side catalyst layer 38 is poisoned, an active anode side catalyst remains. Thereby, the activity of the anode side catalyst is maintained over the entire length of the anode side catalyst layer 38 in the X direction, and a decrease in the voltage and durability of the stack 10 is suppressed.

(実施の形態2)
図8は、実施の形態2に係る膜−触媒層接合体26を示す模式図である。
(Embodiment 2)
FIG. 8 is a schematic diagram showing the membrane-catalyst layer assembly 26 according to the second embodiment.

カソード側触媒層42の厚さが、酸化剤ガス流路31の全体的な酸化剤ガスの流れにおける上流端部31aから下流端部31bに向かって、つまり、図8のX方向に、単調に小さくなるように形成される。   The thickness of the cathode side catalyst layer 42 is monotonous from the upstream end 31a to the downstream end 31b in the overall oxidant gas flow of the oxidant gas flow path 31, that is, in the X direction of FIG. It is formed to be smaller.

アノード側触媒層38の厚さが、燃料ガス流路29の全体的な燃料ガスの流れにおける上流端部29aから下流端部29bに向かって、つまり、図8のX方向に、単調に大きくなるように形成される。   The thickness of the anode catalyst layer 38 increases monotonously from the upstream end 29a to the downstream end 29b in the overall fuel gas flow in the fuel gas flow path 29, that is, in the X direction of FIG. Formed as follows.

上記構成の膜−触媒層接合体26によれば、酸化剤ガス流路31の上流(上流端部31a)側に向かってカソード側触媒層42が厚くなる。これに伴い、カソード側触媒層42に含まれる触媒の量が増えるため、空気中の汚染物質によるスタック10の機能の低下が抑制される。つまり、カソード側触媒層42に供給される空気には窒素酸化物などの汚染物質が含まれている。この汚染物質により上流側ほどカソード側触媒が被毒され易い。しかし、酸化剤ガス流路31の上流側ほどカソード側触媒が多いため、一部のカソード側触媒が被毒されても、活性のあるカソード側触媒が残る。これにより、カソード側触媒層42のX方向の全長に亘ってカソード側触媒の活性が維持され、スタック10の電圧や耐久性の低下が抑制される。   According to the membrane-catalyst layer assembly 26 configured as described above, the cathode side catalyst layer 42 becomes thicker toward the upstream side (upstream end portion 31a) of the oxidant gas flow path 31. As a result, the amount of the catalyst contained in the cathode side catalyst layer 42 increases, so that the deterioration of the function of the stack 10 due to contaminants in the air is suppressed. That is, the air supplied to the cathode side catalyst layer 42 contains contaminants such as nitrogen oxides. The cathode side catalyst is more likely to be poisoned toward the upstream side by this contaminant. However, since there are more cathode side catalysts on the upstream side of the oxidant gas flow path 31, an active cathode side catalyst remains even if some of the cathode side catalysts are poisoned. Thereby, the activity of the cathode side catalyst is maintained over the entire length of the cathode side catalyst layer 42 in the X direction, and the voltage and durability of the stack 10 are suppressed from being lowered.

また、燃料ガス流路29の下流(下流端部29b)側に向かってアノード側触媒層38が厚くなる。これに伴い、アノード側触媒層38に含まれる触媒の量が増えることにより、逆拡散水によるスタック10の機能の低下が抑制される。つまり、発電反応により水が生成されるためカソードの水分量は下流側ほど多くなる。このため、低加湿運転では、下流側の水が逆拡散により電解質膜32を経由してアノード側触媒層38に移動する割合が多くなる。この逆拡散した水に窒素酸化物などの汚染物質が付随してアノード側触媒層38に至ると、汚染物質がアノード側触媒を被毒する。しかし、燃料ガス流路29の下流側においてアノード側触媒が多いため、一部のアノード側触媒層38が被毒されても、活性のあるアノード側触媒が残る。これにより、アノード側触媒層38のX方向の全長に亘ってアノード側触媒の活性が維持され、スタック10の電圧や耐久性の低下が抑制される。   Further, the anode side catalyst layer 38 becomes thicker toward the downstream side (downstream end portion 29 b) side of the fuel gas passage 29. Accordingly, the amount of the catalyst contained in the anode side catalyst layer 38 is increased, so that the deterioration of the function of the stack 10 due to the reverse diffusion water is suppressed. That is, since water is generated by the power generation reaction, the amount of moisture at the cathode increases toward the downstream side. For this reason, in the low humidification operation, the rate at which downstream water moves to the anode side catalyst layer 38 via the electrolyte membrane 32 by reverse diffusion increases. When contaminants such as nitrogen oxides accompany the back-diffused water and reach the anode side catalyst layer 38, the contaminants poison the anode side catalyst. However, since there are many anode side catalysts in the downstream of the fuel gas flow path 29, an active anode side catalyst remains even if some anode side catalyst layers 38 are poisoned. Thereby, the activity of the anode side catalyst is maintained over the entire length of the anode side catalyst layer 38 in the X direction, and a decrease in the voltage and durability of the stack 10 is suppressed.

(実施の形態3)
図9は、実施の形態3に係る膜−触媒層接合体26を示す模式図である。
(Embodiment 3)
FIG. 9 is a schematic diagram showing the membrane-catalyst layer assembly 26 according to Embodiment 3. As shown in FIG.

カソード側触媒層42の厚さが、酸化剤ガス流路31の全体的な酸化剤ガスの流れにおける上流端部31aから下流端部31bに向かって、つまり、図9のX方向に、単調に小さくなるように形成される。   The thickness of the cathode-side catalyst layer 42 is monotonous from the upstream end 31a to the downstream end 31b in the overall oxidant gas flow of the oxidant gas flow path 31, that is, in the X direction of FIG. It is formed to be smaller.

アノード側触媒層38の厚さが、燃料ガス流路29の全体的な燃料ガスの流れにおける上流端部29aから下流端部29bに向かって、つまり、図9のX方向に、単調に小さくなるように形成される。   The thickness of the anode catalyst layer 38 decreases monotonously from the upstream end 29a toward the downstream end 29b in the overall fuel gas flow in the fuel gas passage 29, that is, in the X direction of FIG. Formed as follows.

上記構成の膜−触媒層接合体26によれば、酸化剤ガス流路31の上流(上流端部31a)側に向かってカソード側触媒層42が厚くなる。これに伴い、カソード側触媒層42に含まれる触媒の量が増えるため、実施の形態2と同様に、空気中の汚染物質によるスタック10の機能の低下が抑制される。   According to the membrane-catalyst layer assembly 26 configured as described above, the cathode side catalyst layer 42 becomes thicker toward the upstream side (upstream end portion 31a) of the oxidant gas flow path 31. As a result, the amount of the catalyst contained in the cathode side catalyst layer 42 increases, so that the function deterioration of the stack 10 due to contaminants in the air is suppressed as in the second embodiment.

また、アノード側触媒層38の厚さが、燃料ガス流路29の上流端部29aから下流端部29bに向かって単調に小さくなるように形成される。このように、燃料ガス流路29の上流(上流端部29a)側に向かってアノード側触媒層38が厚くなるに伴い、アノード側触媒層38に含まれる触媒の量が増えることにより、実施の形態1と同様に、燃料ガスに含まれるアンモニアによるスタック10の機能の低下が抑制される。   Further, the anode-side catalyst layer 38 is formed so that the thickness thereof monotonously decreases from the upstream end 29a to the downstream end 29b of the fuel gas channel 29. As described above, as the anode-side catalyst layer 38 becomes thicker toward the upstream side (upstream end portion 29a) of the fuel gas flow path 29, the amount of the catalyst contained in the anode-side catalyst layer 38 increases. As in the first mode, the deterioration of the function of the stack 10 due to the ammonia contained in the fuel gas is suppressed.

(実施の形態4)
図10は、実施の形態4に係る膜−触媒層接合体26を示す模式図である。
(Embodiment 4)
FIG. 10 is a schematic diagram showing the membrane-catalyst layer assembly 26 according to Embodiment 4. As shown in FIG.

カソード側触媒層42の厚さが、酸化剤ガス流路31の全体的な酸化剤ガスの流れにおける上流端部31aから下流端部31bに向かって、つまり、図10のX方向に、単調に大きくなるように形成される。   The thickness of the cathode-side catalyst layer 42 is monotonous from the upstream end 31a to the downstream end 31b in the overall oxidant gas flow in the oxidant gas flow path 31, that is, in the X direction of FIG. It is formed to be large.

アノード側触媒層38の厚さが、燃料ガス流路29の全体的な燃料ガスの流れにおける上流端部29aから下流端部29bに向かって、つまり、図10のX方向に、単調に大きくなるように形成される。   The thickness of the anode side catalyst layer 38 increases monotonously from the upstream end 29a to the downstream end 29b in the entire fuel gas flow in the fuel gas passage 29, that is, in the X direction of FIG. Formed as follows.

上記構成の膜−触媒層接合体26によれば、カソード側触媒層42の厚さが、酸化剤ガス流路31の上流端部31aから下流端部31bに向かって単調に大きくなるように形成される。このように、酸化剤ガス流路31の下流(下流端部31b)側に向かってカソード側触媒層42が厚くなる。これに伴い、カソード側触媒層42に含まれる触媒の量が増えるため、実施の形態1と同様に、スタック10における電圧が高まる。   According to the membrane-catalyst layer assembly 26 configured as described above, the thickness of the cathode side catalyst layer 42 is formed so as to increase monotonously from the upstream end portion 31a to the downstream end portion 31b of the oxidant gas flow channel 31. Is done. As described above, the cathode side catalyst layer 42 becomes thicker toward the downstream side (downstream end portion 31 b) side of the oxidant gas flow path 31. As a result, the amount of the catalyst contained in the cathode side catalyst layer 42 increases, so that the voltage in the stack 10 increases as in the first embodiment.

また、燃料ガス流路29の下流(下流端部29b)側に向かってアノード側触媒層38が厚くなる。これに伴い、アノード側触媒層38に含まれる触媒の量が増えることにより、実施の形態2と同様に、逆拡散水に含まれる汚染物質によるスタック10の機能の低下が抑制される。   Further, the anode side catalyst layer 38 becomes thicker toward the downstream side (downstream end portion 29 b) side of the fuel gas passage 29. As a result, the amount of the catalyst contained in the anode side catalyst layer 38 is increased, so that the deterioration of the function of the stack 10 due to the contaminant contained in the back diffusion water is suppressed as in the second embodiment.

なお、上記全実施の形態において、図3に示すように、1本の折れ線状の燃料ガス流路29がアノード側セパレータ28に設けられ、1本の折れ線状の酸化剤ガス流路31がカソード側セパレータ30に設けられた。ただし、燃料ガス流路29および酸化剤ガス流路31の各セパレータ28、30に設けられる数および形状はこれに限定されない。たとえば、複数の直線状の燃料ガス流路29および酸化剤ガス流路31の各セパレータ28、30に設けられてもよい。   In all the embodiments described above, as shown in FIG. 3, one polygonal fuel gas channel 29 is provided in the anode-side separator 28, and one polygonal oxidant gas channel 31 is the cathode. Provided on the side separator 30. However, the number and shape provided in each separator 28, 30 of the fuel gas channel 29 and the oxidant gas channel 31 are not limited to this. For example, the separators 28 and 30 in the plurality of linear fuel gas passages 29 and oxidant gas passages 31 may be provided.

また、上記全実施の形態は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせてもよい。   Further, all the above embodiments may be combined with each other as long as they do not exclude each other.

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の形態が明らかである。従って、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態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神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。   From the foregoing description, many modifications and other embodiments of the present invention are apparent to persons skilled in the art. Accordingly, the foregoing description should 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 spirit of the invention.

本発明の燃料電池スタック10は、触媒層の厚みと反応ガスの流れ方向との関係において、機能の向上が図られた燃料電池スタック10等として有用である。   The fuel cell stack 10 of the present invention is useful as a fuel cell stack 10 or the like whose function is improved in the relationship between the thickness of the catalyst layer and the flow direction of the reaction gas.

10 スタック
26 膜−触媒層接合体
28 アノード側セパレータ
29 燃料ガス流路
29a 上流端部
29b 下流端部
30 カソード側セパレータ
31 酸化剤ガス流路
31a 上流端部
31b 下流端部
32 電解質膜
38 アノード側触媒層
40 アノード側ガス拡散層
42 カソード側触媒層
44 カソード側ガス拡散層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Stack 26 Membrane-catalyst layer assembly 28 Anode side separator 29 Fuel gas flow path 29a Upstream end part 29b Downstream end part 30 Cathode side separator 31 Oxidant gas flow path 31a Upstream end part 31b Downstream end part 32 Electrolyte membrane 38 Anode side Catalyst layer 40 Anode side gas diffusion layer 42 Cathode side catalyst layer 44 Cathode side gas diffusion layer

Claims (5)

アノード側触媒層、カソード側触媒層、及び前記アノード側触媒層と前記カソード側触媒層とに挟まれる高分子電解質膜を有する膜−触媒層接合体と、
前記膜−触媒層接合体を挟むようにして互いに対向するアノード側ガス拡散層及びカソード側ガス拡散層と、
アノード側ガス拡散層及びカソード側ガス拡散層を挟むようにして互いに対向するアノード側セパレータ及びカソード側セパレータと、
前記アノード側セパレータと前記アノード側ガス拡散層との間に設けられた燃料ガス流路と、
前記カソード側セパレータと前記カソード側ガス拡散層の間に設けられた酸化剤ガス流路と、を備え、
前記燃料ガス流路の全体的な(巨視的な)燃料ガスの流れ方向と前記酸化剤ガス流路の全体的な(巨視的な)酸化剤ガスの流れ方向とが平行であり、
前記アノード側触媒層の厚さが、前記燃料ガス流路の全体的な燃料ガスの流れにおける上流端部から下流端部に向かって単調に変化するように形成され、
かつ、
前記カソード側触媒層の厚さが、前記酸化剤ガス流路の全体的な酸化剤ガスの流れにおける上流端部から下流端部に向かって単調に変化するように形成された、燃料電池スタック。
A membrane-catalyst layer assembly having an anode side catalyst layer, a cathode side catalyst layer, and a polymer electrolyte membrane sandwiched between the anode side catalyst layer and the cathode side catalyst layer;
An anode-side gas diffusion layer and a cathode-side gas diffusion layer facing each other so as to sandwich the membrane-catalyst layer assembly,
An anode-side separator and a cathode-side separator facing each other so as to sandwich the anode-side gas diffusion layer and the cathode-side gas diffusion layer;
A fuel gas flow path provided between the anode separator and the anode gas diffusion layer;
An oxidant gas flow path provided between the cathode side separator and the cathode side gas diffusion layer,
An overall (macroscopic) fuel gas flow direction in the fuel gas flow path and an overall (macroscopic) oxidant gas flow direction in the oxidant gas flow path are parallel,
The anode-side catalyst layer is formed so that the thickness thereof monotonously changes from the upstream end portion toward the downstream end portion in the overall fuel gas flow of the fuel gas flow path,
And,
A fuel cell stack formed such that the thickness of the cathode side catalyst layer monotonously changes from an upstream end to a downstream end in the overall oxidant gas flow of the oxidant gas flow path.
前記アノード側触媒層の厚さが、前記燃料ガス流路の全体的な燃料ガスの流れにおける上流端部から下流端部に向かって単調に小さくなるように形成され、
前記カソード側触媒層の厚さが、前記酸化剤ガス流路の全体的な酸化剤ガスの流れにおける上流端部から下流端部に向かって単調に大きくなるように形成された、請求項1に記載の燃料電池スタック。
The anode-side catalyst layer is formed so that the thickness thereof monotonously decreases from the upstream end to the downstream end in the overall fuel gas flow of the fuel gas flow path,
The thickness of the said cathode side catalyst layer was formed so that it might increase monotonically toward the downstream end part from the upstream end part in the flow of the whole oxidizing gas of the said oxidizing gas flow path. The fuel cell stack described.
前記アノード側触媒層の厚さが、前記燃料ガス流路の全体的な燃料ガスの流れにおける上流端部から下流端部に向かって単調に大きくなるように形成され、
前記カソード側触媒層の厚さが、前記酸化剤ガス流路の全体的な酸化剤ガスの流れにおける上流端部から下流端部に向かって単調に小さくなるように形成された、請求項1に記載の燃料電池スタック。
The anode catalyst layer is formed so that the thickness thereof monotonously increases from the upstream end portion toward the downstream end portion in the overall fuel gas flow of the fuel gas flow path,
The thickness of the said cathode side catalyst layer was formed so that it might become monotonically small toward the downstream end part from the upstream end part in the flow of the whole oxidizing agent gas flow path of the said oxidizing agent gas flow path. The fuel cell stack described.
前記アノード側触媒層の厚さが、前記燃料ガス流路の全体的な燃料ガスの流れにおける上流端部から下流端部に向かって単調に小さくなるように形成され、
前記カソード側触媒層の厚さが、前記酸化剤ガス流路の全体的な酸化剤ガスの流れにおける上流端部から下流端部に向かって単調に小さくなるように形成された、請求項1に記載の燃料電池スタック。
The anode-side catalyst layer is formed so that the thickness thereof monotonously decreases from the upstream end to the downstream end in the overall fuel gas flow of the fuel gas flow path,
The thickness of the said cathode side catalyst layer was formed so that it might become monotonically small toward the downstream end part from the upstream end part in the flow of the whole oxidizing agent gas flow path of the said oxidizing agent gas flow path. The fuel cell stack described.
前記アノード側触媒層の厚さが、前記燃料ガス流路の全体的な燃料ガスの流れにおける上流端部から下流端部に向かって単調に大きくなるように形成され、
前記カソード側触媒層の厚さが、前記酸化剤ガス流路の全体的な酸化剤ガスの流れにおける上流端部から下流端部に向かって単調に大きくなるように形成された、請求項1に記載の燃料電池スタック。
The anode catalyst layer is formed so that the thickness thereof monotonously increases from the upstream end portion toward the downstream end portion in the overall fuel gas flow of the fuel gas flow path,
The thickness of the said cathode side catalyst layer was formed so that it might increase monotonically toward the downstream end part from the upstream end part in the flow of the whole oxidizing gas of the said oxidizing gas flow path. The fuel cell stack described.
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