JP2014120212A - Polymer electrolyte type fuel cell - Google Patents
Polymer electrolyte type fuel cell Download PDFInfo
- Publication number
- JP2014120212A JP2014120212A JP2012271963A JP2012271963A JP2014120212A JP 2014120212 A JP2014120212 A JP 2014120212A JP 2012271963 A JP2012271963 A JP 2012271963A JP 2012271963 A JP2012271963 A JP 2012271963A JP 2014120212 A JP2014120212 A JP 2014120212A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- polymer electrolyte
- gas
- fuel
- electrode
- protrusion
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Description
本発明は、ポータブル電源、電気自動車電源、または、家庭用コージェネレーションシステム等に使用する燃料電池に関し、特に高分子電解質型燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell used for a portable power source, an electric vehicle power source, a household cogeneration system, or the like, and more particularly to a polymer electrolyte fuel cell.
高分子電解質を用いた燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させるものである。 A fuel cell using a polymer electrolyte generates electric power and heat simultaneously by electrochemically reacting a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen such as air.
この燃料電池は、基本的には、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜、及び高分子電解質膜の両面に形成された一対の電極、すなわちアノードとカソードから構成される。これらの電極は、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とし、高分子電解質膜の表面に形成される触媒層、及び触媒層の外面に配置される、通気性と電子導電性を併せ持つガス拡散層を有する。 This fuel cell basically includes a polymer electrolyte membrane that selectively transports hydrogen ions and a pair of electrodes formed on both sides of the polymer electrolyte membrane, that is, an anode and a cathode. These electrodes are mainly composed of carbon powder supporting a platinum group metal catalyst, and have both a gas permeability and an electronic conductivity disposed on the outer surface of the catalyst layer formed on the surface of the polymer electrolyte membrane and the catalyst layer. It has a gas diffusion layer.
このように高分子電解質膜と電極(ガス拡散層を含む)とが一体的に接合されて組み立てられたものを電解質膜電極接合体(以降、「MEA」とする。)と呼ぶ。 An assembly in which the polymer electrolyte membrane and the electrode (including the gas diffusion layer) are integrally joined together is called an electrolyte membrane electrode assembly (hereinafter referred to as “MEA”).
また、MEAの両側には、MEAを機械的に挟み込んで固定するとともに、隣接するMEAを互いに電気的に直列に接続するための導電性のセパレータがそれぞれ配置される。各セパレータにおいてMEAと接触する部分には、それぞれの電極に燃料ガス又は酸化剤ガスなどの反応ガスを供給し、生成水又は余剰ガスを運び去るための流路溝が形成される。 In addition, on both sides of the MEA, conductive separators are disposed for mechanically sandwiching and fixing the MEAs and electrically connecting adjacent MEAs in series with each other. In each separator, a flow channel for supplying a reaction gas such as a fuel gas or an oxidant gas to each electrode and carrying away generated water or surplus gas is formed in a portion that contacts the MEA.
このようなガス流路は、セパレータと別に設けることもできるが、セパレータの表面にそれぞれ溝を設けてそれぞれガス流路とする方式が一般的である。 Such a gas flow path can be provided separately from the separator, but a system in which a groove is provided on the surface of the separator to form a gas flow path is generally used.
このような燃料電池において、ガス拡散層は反応ガスをガス流路から触媒層にスムーズに移動させたり、生成ガスや水などの反応生成物を流路溝に排出させたりする機能を有していると同時に、電池の平面方向でみると反応ガスのショートカットする経路にもなっており、ガス利用率低下の要因にもなっている。 In such a fuel cell, the gas diffusion layer has a function of smoothly moving the reaction gas from the gas flow path to the catalyst layer and discharging a reaction product such as product gas or water to the flow path groove. At the same time, when viewed in the plane direction of the battery, it also serves as a shortcut route for the reaction gas, which causes a reduction in gas utilization.
従来の燃料電池は、例えば特許文献1に記載の通り、電解質膜を燃料電極および酸化剤電極で挟持してなる単セルと、上記燃料電池に燃料流体を供給し、並行した複数の溝からなる燃料並行流路群および上記酸化剤電極に酸化剤流体を供給し、並行した複数の溝からなる酸化剤並行流路群が折り返して走行するセパレータとを、順次積層した積層体からなる燃料電池が知られる。そして、上記並行流路群内の溝間の畝幅より、隣接する並行流路群間の畝幅が大であるようにして、セパレータ流路内でのガスのショートカットを減少させようとしている。
A conventional fuel cell includes, for example, a single cell in which an electrolyte membrane is sandwiched between a fuel electrode and an oxidant electrode, and a plurality of parallel grooves for supplying fuel fluid to the fuel cell as described in
また、燃料電池の構成としては、MEAを機械的に挟み込んで固定する接合方法では、高分子電解質膜と枠体の微小の隙間からクロスリーク現象が発生しやすいという課題がある。 In addition, as a configuration of the fuel cell, there is a problem that a cross leak phenomenon is likely to occur from a minute gap between the polymer electrolyte membrane and the frame in the joining method in which the MEA is mechanically sandwiched and fixed.
ここで、図9は、従来の燃料電池スタックが備える電極−膜−枠体接合体の断面の模式図である。106は電解質膜、110は触媒層で、高分子電解質膜106の両側に設けられている。108は酸化剤ガス拡散層、109は燃料ガス拡散層で、触媒層110の外側に設けられている。112は枠体で、枠体112の内縁と触媒層110との間に発生する僅かな隙間107を、電池内に供給されたガスの一部が通って燃料ガス側又は酸化剤ガス側の一方へガスがリークしてしまう現象をクロスリークと言う。
Here, FIG. 9 is a schematic view of a cross section of an electrode-membrane-frame assembly provided in a conventional fuel cell stack. 106 is an electrolyte membrane, and 110 is a catalyst layer, which are provided on both sides of the
燃料電池における発電効率をあげるためには、このようなクロスリークを減少させる必要がある。 In order to increase the power generation efficiency in the fuel cell, it is necessary to reduce such cross leakage.
また、図10は、特許文献2に記載された従来の燃料電池の燃料ガス拡散層側からみたセパレータの平面図である。セパレータ10には流路溝5aの刻まれた反応有効領域H×Lの形状がある。 流路溝5aの折り返し部52の上流側と下流側に位置する主走行部51では互いに逆方向に燃料ガスが流れる。折り返し部52が配置された方向の長さが、流路溝の主走行部51に沿った方向の長さよりも長いことを特長とするセパレータが提案されている。
FIG. 10 is a plan view of the separator as viewed from the fuel gas diffusion layer side of the conventional fuel cell described in
図11に特許文献3における電極―膜−枠接合体の部分模式図を示す。
FIG. 11 shows a partial schematic diagram of the electrode-membrane-frame assembly in
特許文献3の電極―膜−枠接合体は、高分子電解質膜106の周縁部106aにおけるカソード面側に枠体118が配置され、その端面部は凸形状部118aと凹形状部118bが交互にくし歯形状に形成され、また、アノード面側に枠体119が配置され、その端面部は凸形状部119aと凹形状部119bが交互にくし歯形状に形成されている。
In the electrode-membrane-frame assembly of
このときカソード面側枠体の凸部118aにおける高分子電解質膜106を境に対応する、アノード面側の枠体形状は、凹形状119bになっており、また、カソード面側枠体の凹部118bにおける高分子電解質膜106を境に対応する、アノード面側の枠体形状は、凸形状119aになっている。
At this time, the shape of the frame on the anode surface side corresponding to the boundary of the
図12は、特許文献3の電極―膜−枠接合体において、枠体くし歯部分の凹形状となっている部分に、弾性体を設置した状態の模式図を示す。
FIG. 12 shows a schematic diagram of the electrode-membrane-frame assembly of
高分子電解質膜106が、アノード、カソードおよび枠体118にて覆われておらず、膜自身が外部に露出している部分、すなわちカソード面側枠体の凸部118aの間の高分子電解質膜106の周縁部106aを、弾性体120にて覆いかぶせた状態であり、このような電解質膜―電極接合体(MEA)が使用されている。
The
しかしながら、上記従来の構成では、特許文献1に示す溝間の畝幅の制御では、ガスのショートカットを極力なくすために畝幅を広くし過ぎると、この部分の触媒層への反応ガスの拡散が難しくなり、電極反応面として有効に作用しなくなるという課題を有している。
However, in the conventional configuration described above, in the control of the width of the groove between the grooves shown in
また、特許文献2に示す構成では、セパレータの縦横比に制約が設けられてしまうため、スタック小型化が困難という課題を有している。
Moreover, in the structure shown in
特許文献3に示す構成であっても、弾性体120にて覆われていない高分子電解質膜106の周縁部106aにおいてクロスリークが発生することになる。
Even in the configuration shown in
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、高分子電解質型燃料電池において電極反応の有効面積を減らすことがなく、かつ、スタック小型化の実現が可能なガスのショートカットならびにクロスリーク現象を低減し、ガスの利用効率を高め、発電効率を高めることができる高分子電解質型燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and eliminates gas shortcuts and cross-leakage phenomena that do not reduce the effective area of the electrode reaction in a polymer electrolyte fuel cell and that can realize stack miniaturization. An object of the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell that can reduce the gas utilization efficiency and increase the power generation efficiency.
上記目的を達成するために本発明は、高分子電解質膜の周辺部より内側の両面に燃料ガス側の電極層および酸化剤ガス側の電極層が配置され、かつ、前記両電極層を、前記燃料ガス側の電極層および酸化剤側の電極層にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給する流路溝が形成されたセパレータで挟んで構成される単電池モジュールを複数個積層した高分子電解質型燃料電池において、
前記高分子電解質膜の周辺部を狭持する枠体は、電極層の内側に突出する電極側突起を有し、かつ、電極側突起は、前記セパレータの隣接する流路溝でガスが対向して流れる折り返し部の畝に当接するよう、少なくとも1つ以上配置されていることを特徴とする高分子電解質型燃料電池を提供する。
In order to achieve the above object, the present invention provides a fuel gas-side electrode layer and an oxidant gas-side electrode layer on both surfaces inside the periphery of the polymer electrolyte membrane, and the both electrode layers are A polymer electrolyte type in which a plurality of unit cell modules are formed by sandwiching a fuel gas side electrode layer and an oxidant side electrode layer with separators each having a flow channel for supplying fuel gas and oxidant gas. In fuel cells,
The frame that sandwiches the periphery of the polymer electrolyte membrane has an electrode-side protrusion that protrudes inside the electrode layer, and the electrode-side protrusion is opposed to the gas in a channel groove adjacent to the separator. There is provided a polymer electrolyte fuel cell, wherein at least one is disposed so as to abut against a fold of the folded-back portion flowing.
以上のように、本発明の高分子型燃料電池によれば、ショートカットを低減することができ、さらに、突起部がセパレータと接し圧縮することにより、枠体と高分子電解質膜の隙間からのクロスリーク現象を低減し、ガスの利用効率を高め、発電効率を高めることができる高分子電解質型燃料電池を提供することができる。 As described above, according to the polymer fuel cell of the present invention, it is possible to reduce shortcuts, and further, the protrusions are in contact with the separator and compressed, thereby crossing the gap between the frame and the polymer electrolyte membrane. It is possible to provide a polymer electrolyte fuel cell that can reduce the leak phenomenon, increase the gas utilization efficiency, and increase the power generation efficiency.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(実施の形態1)
最初に、本発明の高分子電解質型燃料電池の全体構成を説明する。
(Embodiment 1)
First, the overall configuration of the polymer electrolyte fuel cell of the present invention will be described.
図1は、本発明の燃料電池の分解斜視図である。 FIG. 1 is an exploded perspective view of a fuel cell according to the present invention.
図1に示すように、燃料電池スタック30は、その中心部に、単電池モジュール(セル)1を複数層積層させてセル積層体20が構成されている。なお、セル積層体20の両端部の最外層には、集電板2と、内面に弾性体の一例としての多数の内側バネ4を有する端板3とが配置されている。
As shown in FIG. 1, a
外側バネ5が嵌め込まれた4本の締結ボルト7が、セル積層体20の一方の端部から、端板3と集電板2とセル積層体20と反対側の集電板2と端板3とのそれぞれの角部のボルト孔6を貫通し、ナット8で締結されるように構成されている。なお、締結部材は、締結ボルト7とナット8とで構成するものに限らず、締結バンドなど他の構成でもよい。
The four
集電板2は、セル積層体20の外側にそれぞれ配置し、発電された電気を効率良く集電できるように、銅板に金メッキが施されたものを使用する。なお、集電板2には、電気伝導性の良好な金属材料、例えば、鉄、ステンレス鋼、アルミニウム等を使用しても良い。また、各集電板2の表面処理には、スズメッキ、又は、ニッケルメッキ等を施してもよい。
The
各集電板2の外側には、電気を絶縁するために電気絶縁性のある材料を用いた端板3を配置し、絶縁の役割も兼用させている。端板3としては、強度と耐熱性からガラス繊維入りポリフェニレンサルファイド樹脂を用いて射出成形で製作したものが良い。端板3と一体となっている各配管3aは、セル積層体20の各マニホールドに、マニホールド用シール部材として機能しかつマニホールド用貫通穴を有するガスケット(図示せず)を介して押し当てられて連通させて構成している。
An
各端板3の内側には、セル1に荷重を加える前記多数の内側バネ4が、高分子電解質膜電極接合体(以降、「MEA」とする。)9の投影部分、つまり、セル1の内側に、集中的に均等に配置され、締め付けた状態で所定の荷重がセル積層体20に加えられるように締め付け寸法が管理されている。外側バネ5は、各締結ボルト7の頭部と端板3の外面との間に配置されて、複数本の締結ボルト7と複数個のナット8で組立時に調整されて締結されている。
Inside each
セル1は、周縁部に枠体14を有するMEA9を一対の導電性のセパレータ10、具体的には燃料側セパレータ10a及び酸化剤側セパレータ10cで挟み、さらに、一方のセパレータ例えば酸化剤側セパレータ10cの外側に冷却水セパレータ10wを配置して構成されている。燃料側セパレータ10a及び酸化剤側セパレータ10c、冷却水セパレータ10w、MEA9の周縁部に配置された枠体14には、燃料ガス、酸化剤ガス、及び、冷却水が流通するそれぞれ一対の貫通孔、すなわち、マニホールド孔11が設けられている。
The
また、複数個のセル1が積層されたセル積層体20の状態では、これらマニホールド孔11が積層されて互いに連通し、燃料ガスマニホールド、酸化剤ガスマニホールド、冷却水マニホールドをそれぞれ形成している。
In the state of the
MEA9は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜と、高分子電解質膜の周縁部より内側の部分の両面に形成された一対の電極層、すなわち燃料ガスと酸化剤ガスの電極層とより構成されている。電極層は、ガス拡散層と、ガス拡散層と高分子電解質膜との間に配置される触媒層とを有する積層構造を有している。
The
燃料側セパレータ10a及び酸化剤側セパレータ10cは、平板状であって、MEA9と接触する側の面、すなわち内面は、MEA9と枠体14との形状にそれぞれ対応した形状を有するように構成している。各セパレータ10では、各種マニホールド孔11及びボルト孔6が該各セパレータ10を厚み方向に貫通している。
The fuel-
燃料側セパレータ10aの内面には燃料ガス流路溝12aが形成されており、酸化剤側セパレータ10cの内面には酸化剤ガス流路溝12cが、冷却水セパレータ10wの内面(酸化剤側セパレータ10c側の面)には冷却水流路溝12wが形成されている。各種マニホールド孔11と、ボルト孔6と、燃料ガス流路溝12aと、酸化剤ガス流路溝11cと、冷却水流路溝等12wとは、切削加工あるいは成形加工によりそれぞれ形成されている。
A fuel
MEA9の周囲に配置された枠体14は、樹脂で構成され、MEA9と一体成形されている。 各セパレータ10にはガスケット(図示せず)が配設されており、このガスケットによって、隣接するセル1間やセル1内部のセパレータ10と枠体14、セパレータ10間において、燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却水のそれぞれの漏出が防止される。
The
本発明の特徴は、電極層の内側に突出する電極側突起を有し、かつ、電極側突起は、前記セパレータの隣接する流路溝でガスが対向して流れる折り返し部の畝に当接するよう、少なくとも1つ以上配置されていることである。 A feature of the present invention is that it has an electrode-side protrusion that protrudes to the inside of the electrode layer, and the electrode-side protrusion is in contact with the fold of the folded portion where the gas flows oppositely in the adjacent channel groove of the separator. , At least one is arranged.
突起部のある場所、その形状、セル組立ての際の突起とガス拡散層の圧縮変形、燃料ガスと酸化剤ガスの流れに関する作用について順次説明する。 The operation regarding the location of the protrusion, its shape, the compression deformation of the protrusion and gas diffusion layer during cell assembly, and the flow of fuel gas and oxidant gas will be described in order.
突起部のある場所について説明する。 The place where the protrusion is located will be described.
図2、図3、図4、図5は、本発明の実施の形態1における高分子電解質型燃料電池を説明するための図である。
2, 3, 4, and 5 are diagrams for explaining the polymer electrolyte fuel cell according to
図2は本発明の燃料電池の酸化剤ガス拡散層の側から見た酸化剤側セパレータの平面図である。 図2において、酸化剤側セパレータ101(図1では10cに相当)は、入口マニホールド102と出口マニホールド103を備えている。 入口マニホールド102から出口マニホールド103には6本の流路溝104が折り返して走行しており、流路溝104の一端から他端へとガスが流れるように構成されている。なお、流路溝104の本数は一例であり、6本に限ったものではない。
FIG. 2 is a plan view of the oxidant side separator viewed from the oxidant gas diffusion layer side of the fuel cell of the present invention. In FIG. 2, the oxidant side separator 101 (corresponding to 10 c in FIG. 1) includes an
酸化剤側セパレータ101に投影された高分子電解質膜106の外縁の位置を2点鎖線で、触媒層110の外縁を破線で、ガスケット115の位置を太い実線で示している。
The position of the outer edge of the
図2において、酸化剤ガスがショートカットする経路は、矢印で示すように隣接する流路溝部内のB点からC点へ短絡する経路である。 より詳しく述べると、実線の矢印は酸化剤ガス拡散層が露出している方の経路であり、破線の矢印は酸化剤ガス拡散層が枠体で被覆されているほうの経路である。枠体突起部の配置位置105は、流路溝部内のB点とC点の間に、流路溝104の長手方向(A−A断面方向)に平行にすると良い。
In FIG. 2, the path on which the oxidant gas is short-circuited is a path that is short-circuited from the point B to the point C in the adjacent channel groove portion as indicated by an arrow. More specifically, the solid line arrow is the path where the oxidant gas diffusion layer is exposed, and the broken line arrow is the path where the oxidant gas diffusion layer is covered with the frame. The
これは、B点とC点間の折り返し部では、ガスの流れが対向しており、さらに入口マニホールド102の上流から出口マニホールド103の下流にかけてガスの濃度差が生じており、B点とC点間の折り返し部ではガス濃度の差が大きくなるためである。
This is because the gas flow is opposite at the folded portion between the point B and the point C, and further, a gas concentration difference is generated from the upstream side of the
また、酸化剤ガスが流れの方向を直角に曲げるB点では、内側より外側の流速が早くなるなどの偏流が生ずる。偏流の影響は曲がった場所が一番大きく、下流に行くに従い小さくなる。シミュレーションによると、偏流の影響は流路溝の幅の20倍まで及び、偏流は流路溝の幅の5倍のところで2%以下、10倍のところで0.5%以下になる。 Further, at point B where the oxidant gas bends the flow direction at a right angle, a drift occurs such that the flow velocity outside the inside becomes faster. The influence of the drift current is the largest at the bent part and becomes smaller as it goes downstream. According to the simulation, the influence of the drift is up to 20 times the width of the channel groove, and the drift is 2% or less at 5 times the width of the channel groove and 0.5% or less at 10 times.
突起の形状について説明する。 The shape of the protrusion will be described.
図3(a)は突起の斜視図、図3(b)は図2の丸で囲った部分に対応する枠体の平面図である。 3A is a perspective view of a protrusion, and FIG. 3B is a plan view of a frame corresponding to a circled portion in FIG.
図3(a)において、108は酸化剤ガス拡散層で、図1のMEA9の表面に対応する。112は枠体であり図1の枠体14に相当する。113は酸化剤側の枠体突起部であり、酸化剤ガス拡散層108の外縁を全周、覆いかぶさるように配置されている。酸化剤側枠体突起部113の外縁は、ガスケット115の内側になるよう配置されている。
3A,
酸化剤側枠体突起部113には、電極層の内側に突出する電極側突起113aが図2に示す枠体突起部の配置位置105に、流路溝104の長手方向(A−A断面方向)に平行にある。
In the oxidant
図3(a)において、厚さT1aは、0を越え、酸化剤ガス拡散層108の厚さの0.8倍以下が良く、更には、酸化剤ガス拡散層108の空孔率以下が良い。空孔率を越える厚さになると触媒層をも圧縮し発電効率が下がる。電極側突起113aの幅W1は、流路溝の折り返し部の畝幅未満で、厚さT1a以上が良い。流路溝の折り返し部の畝幅以上になると発電効率が下がり、厚さT1a未満になると積層する際に倒れやすくなる。
In FIG. 3A, the thickness T1a is more than 0, preferably 0.8 times or less of the thickness of the oxidant
113bは積層方向の突起で、電極側突起113aの延長上に配置されている。積層方向の突起113bの厚さT1bは厚さT1aに後述する酸化剤側セパレータと酸化剤側枠体突起部113との隙間を足したものである。
113b is a protrusion in the stacking direction, and is disposed on the extension of the electrode-
燃料側の突起も図示しないが同様に電極側突起114aの厚さT2aは、0を越え、酸化剤ガス拡散層108の厚さの0.8倍以下が良く、更には、燃料ガス拡散層109の空孔率以下が良い。空孔率を越える厚さになると触媒層をも圧縮し発電効率が下がる。電極側突起114aの幅W2は、流路溝の折り返し部の畝幅未満で、厚さT2a以上が良い。流路溝の折り返し部の畝幅以上になると発電効率が下がり、厚さT2a未満になると積層する際に倒れやすくなる。
Similarly, the fuel-side protrusion is not shown, but the thickness T2a of the electrode-
燃料側の突起も図示しないが同様に114bは積層方向の突起で、電極側突起114aの延長上に配置されている。積層方向の突起114bの厚さT2bは厚さT2aに後述する燃料側セパレータと燃料側枠体突起部114との隙間を足したものである。
Similarly, although the
酸化剤側枠体突起部113と電極側突起113aと積層方向の突起113bとの材質は、耐薬品性の高いポリプロピレンやシリコン樹脂が良く、枠体112と同じにすると一体成形できるので、製造工数を下げることができる。枠体112と異なる材料にする場合は、枠体112より弾性率が低いものを使うと枠体112のそりを抑制でき、酸化剤ガス拡散層108より弾性率を高いものにすると積層する際にガス拡散層が圧縮変形し易い。
The material of the oxidant
図3(b)において高分子電解質膜106の外縁を2点鎖線で、触媒層110の外縁は酸化剤ガス拡散層108の外縁と一致しており、その位置を破線で、ガスケット115の位置を太い実線で示している。
In FIG. 3B, the outer edge of the
セル組立ての際の、電極側突起と積層方向の突起とガス拡散層の圧縮変形、燃料ガスと酸化剤ガスの流れに関する作用について順次説明する。 Actions relating to the electrode side protrusion, the protrusion in the stacking direction, the compression deformation of the gas diffusion layer, and the flow of fuel gas and oxidant gas during cell assembly will be described in order.
図4は、図2のA‐Aでの単電池モジュールの断面図である。高分子電解質膜106の両面にそれぞれ触媒層110とさらにその外側に酸化剤ガス拡散層108及び燃料ガス拡散層109が形成され、それらが酸化剤ガス側電極層116と燃料ガス側電極層117をなしている。
4 is a cross-sectional view of the unit cell module taken along the line AA of FIG. A
高分子電解質膜106の周辺部は樹脂材料でできている枠体112によって挟持されている。酸化剤ガス拡散層108側には酸化剤側セパレータ101が当接し、燃料ガス拡散層109には燃料側セパレータ111が当接し、触媒層110を挟み込む構造となっている。
The peripheral portion of the
ガスケット115は、弾性体で構成されたシール部材であり、枠体112と酸化剤側セパレータ101と燃料側セパレータ111との押圧によってガスケット115は圧縮変形する。ガスケット115が圧縮変形するに伴い、電極側突起113aと積層方向の突起113bとは酸化剤側セパレータ101と当接し、電極側突起113aと積層方向の突起113bの下の酸化剤ガス側電極層116が圧縮される。電極側突起113aと積層方向の突起113bと酸化剤側枠体突起部113を酸化剤ガス拡散層108より弾性率の高いものにすると積層する際に、主に酸化剤ガス拡散層108が圧縮される。酸化剤ガス拡散層108の空孔が塞がれるので酸化剤ガスのショートカットを低減できる。
The
特に電極側突起113aの下層にある酸化剤ガス拡散層が圧縮されるのでその空孔が帯状に塞がれる。酸化剤ガスが流れの方向を直角に曲げる図2のB点では、流路溝104の内側より外側の流速が早くなるなどの偏流が生じ、酸化剤ガスが図2のB点からC点へと実線の矢印に示すガス拡散層を通り抜けようとするショートカットを起こしやすくなる。電極側突起113aの下層にあるガス拡散層の空孔が塞がれているので、ガス拡散層を通り抜けようとするショートカットを低減できる。
In particular, since the oxidant gas diffusion layer under the electrode-
流路溝104の中心より電極側突起113aの先端までの長さL1は、流路溝の幅の0.5倍以上で偏流の影響が残る20倍までが良く、更に偏流の影響が少なくなる流路溝の幅の5倍から10倍が効率的である。
The length L1 from the center of the
積層方向の突起113bも樹脂で覆われている酸化剤ガス拡散層108の空孔を塞ぎ、酸化剤ガスが図2のB点からC点へと破線の矢印に示すように酸化剤ガス拡散層のショートカットするのを低減できる。
The
なお、電極側突起113aと積層方向の突起113bとの間の斜面と裾野部も酸化剤側セパレータ101を当てることにより酸化剤ガス拡散層108の空孔を塞ぎ、酸化剤ガスのショートカットを低減できる。
Note that the oxidant
燃料ガス側も酸化剤ガス側と同様に、
ガスケット115が圧縮変形するに伴い、電極側突起114aと積層方向の突起114bとは燃料側セパレータ111と当接し、電極側突起114aと積層方向の突起114bの下の燃料ガス側電極層117が圧縮される。電極側突起114aと積層方向の突起114bと燃料側枠体突起部114を燃料ガス拡散層109より弾性率の高いものにすると積層する際に、主に燃料ガス拡散層109が圧縮される。燃料ガス拡散層109の空孔が塞がれるので燃料ガスのショートカットを低減できる。
The fuel gas side is the same as the oxidant gas side,
As the
特に電極側突起114aの下層にある燃料ガス拡散層が圧縮されるのでその空孔が帯状に塞がれる。燃料ガスが流れの方向を直角に曲げる折り返し部では、流路溝104の内側より外側の流速が早くなるなどの偏流が生じ、燃料ガスが図2のB点からC点に相当する折り返し部でガス拡散層を通り抜けようとするショートカットを起こしやすくなる。電極側突起114aの下層にあるガス拡散層の空孔が塞がれているので、ガス拡散層を通り抜けようとする燃料ガスのショートカットを低減できる。
In particular, since the fuel gas diffusion layer under the electrode-
流路溝104の中心より電極側突起114aの先端までの長さL2は、流路溝の幅の0.5倍以上で偏流の影響が残る20倍までが良く、更に偏流の影響が少なくなる流路溝の幅の5倍から10倍が効率的である。
The length L2 from the center of the
積層方向の突起114bも樹脂で覆われている燃料ガス拡散層109の空孔を塞ぎ、燃料ガスのショートカットを低減できる。
The
なお、電極側突起114aと積層方向の突起114bとの間の斜面と裾野部も燃料側セパレータ111を当てることにより燃料ガス拡散層109空孔を塞ぎ、燃料ガスのショートカットを低減できる。
It is to be noted that the fuel
よって、酸化剤ガス及び燃料ガスの利用効率を高め、発電効率を高めることができる。 Therefore, the utilization efficiency of oxidant gas and fuel gas can be improved, and power generation efficiency can be improved.
なお、図4では酸化剤ガス側の電極側突起113aと積層方向の突起113b、燃料ガス側の電極側突起114aと積層方向の突起114bとを書いているが、片方の面だけでも良い。
In FIG. 4, the electrode-
図5は、図2のD−Dでの単電池モジュールの断面図である。図4と同じところは説明を省略する。図2と異なるところは、 電極側突起113aと114aおよび積層方向の突起113bと114bが無く、酸化剤側枠体突起部113は、酸化剤側セパレータ101とは接せず前述の隙間があり、同様に燃料側枠体突起部114は、燃料側セパレータ111とは接せず隙間があるところである。枠体突起部とセパレータが接していないことが少ない押圧力でも流路折り返し部を効率的に押圧できる所以である。
FIG. 5 is a cross-sectional view of the cell module taken along the line DD of FIG. The description of the same parts as in FIG. 4 is omitted. The difference from FIG. 2 is that there are no electrode-
(実施の形態2)
図6は本発明の実施の形態2における燃料電池の突起の斜視図である。
(Embodiment 2)
FIG. 6 is a perspective view of the protrusion of the fuel cell according to
実施の形態1と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。実施の形態1と異なるところは、積層方向の突起113bが広がり酸化剤側枠体突起部113と一体となっていることである。
The same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. The difference from the first embodiment is that the
この枠体112をセパレータで挟み、押圧すると、酸化剤側枠体突起部113と燃料側枠体突起部114は圧縮変形する。酸化剤ガス側電極層116と燃料ガス側電極層117も圧縮変形し、両者の触媒層110の端面は外側に膨れ隙間107を埋める。圧縮変形したときの形状を2点鎖線で示す。
When the
図7は、図6に示す枠体を燃料電池として組付けた状態の部分断面図であり、図2のA−Aでの位置に相当する。 FIG. 7 is a partial cross-sectional view of the state where the frame shown in FIG. 6 is assembled as a fuel cell, and corresponds to the position at A-A in FIG.
酸化剤側枠体突起部113の積層方向の突起113bの高分子電解質膜106からの高さをH1とし、枠体112と酸化剤側セパレータ101、燃料側セパレータ111との押圧によってガスケット115が変形した後の高さH2とし、その関係がH1>H2である。燃料側枠体突起部114と積層方向の突起114bも同様に圧縮変形する。なお、破線は圧縮される前の位置を示す。
The height of the
かかる構成によれば、酸化剤側の積層方向の突起113bと燃料側の積層方向の突起114bがそれぞれ酸化剤側セパレータ101と 燃料側セパレータ111とに接し、圧縮されることにより、枠体112の内縁と触媒層110端部との間に生じる僅かな隙間107を触媒層110の端面が外側に膨れることによりなくすことができる。
According to such a configuration, the oxidant-side stacking
燃料電池内に供給されたガスの一部が発電に寄与しない隙間107の高分子電解質膜106を通って燃料ガス側又は酸化材ガス側の一方から他方へとガスがリークしてしまうクロスリーク現象を低減することができる。よって、酸化剤ガス及び燃料ガスの利用効率を高め、発電効率を高めることができる。
A cross-leak phenomenon in which part of the gas supplied into the fuel cell leaks from one of the fuel gas side or the oxidant gas side to the other through the
(実施の形態3)
図8は、本発明の燃料電池の燃料ガス拡散層の側から見た燃料側セパレータの配置平面図である。燃料側セパレータ111に投影された高分子電解質膜106の外縁の位置を2点鎖線で、触媒層110の外縁を破線で、ガスケット115の位置を太い実線で示している。
(Embodiment 3)
FIG. 8 is an arrangement plan view of the fuel-side separator as viewed from the fuel gas diffusion layer side of the fuel cell of the present invention. The position of the outer edge of the
図8において、図2と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。異なるところは、流れるガスが水素であること、流路溝104の折り返しが図2の酸化剤側セパレータより多いことである。
In FIG. 8, the same components as those in FIG. The difference is that the flowing gas is hydrogen, and that the
一般的に、燃料電池において生ずる化学反応は下記反応式である。 In general, a chemical reaction occurring in a fuel cell is represented by the following reaction formula.
H2+(1/2)O2→H2O
水素を含有している燃料ガスは酸化剤ガスよりも必要体積量が多い。
H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O
The fuel gas containing hydrogen requires a larger volume than the oxidant gas.
また、水素は、酸化剤ガスとして流す空気より粘度が低い。燃料電池の燃料極側と酸化剤電極側のガスの圧力損失を同じにするため、燃料極側セパレータの111の流路溝104の折り返しを酸化剤側セパレータより多くすると良い。
Further, hydrogen has a lower viscosity than air flowing as an oxidant gas. In order to make the pressure loss of the gas on the fuel electrode side and the oxidant electrode side of the fuel cell the same, it is preferable that the flow path groove 104 of the fuel
なお、図8では、燃料極側セパレータの111の流路溝104の折り返しの全てに枠体突起部の配置位置105を示しているが、少なくとも出口マニホールド103に一番近い突起部の配置位置105aに燃料側枠体突起の電極側突起を設けると良い。 ショートカットした水素ガスが出口マニホールド103からオフガスとして流出するのを少なくできるので、燃料ガスの利用効率を高め、発電効率を高めることができる。
In FIG. 8, the arrangement positions 105 of the projections of the frame body are shown in all of the folding of the
本発明の高分子電解質型燃料電池は、ポータブル電源、電気自動車用電源、又は、家庭用コージェネレーションシステム等に使用する高分子電解質型燃料電池として有用である。 The polymer electrolyte fuel cell of the present invention is useful as a polymer electrolyte fuel cell used for a portable power source, an electric vehicle power source, a household cogeneration system, or the like.
また、水素を提供する燃料ガスの代わりにメタノールを用いる直接メタノール型燃料電池(DMFC)に適用することも可能である。 Further, the present invention can be applied to a direct methanol fuel cell (DMFC) that uses methanol instead of the fuel gas that provides hydrogen.
10c,101 酸化剤側セパレータ
102 入口マニホールド
103 出口マニホールド
5a,104 流路溝
105 枠体突起部の配置位置
106 高分子電解質膜
107 隙間
108 酸化剤ガス拡散層
109 燃料ガス拡散層
110 触媒層
10a,111 燃料側セパレータ
14,112,118,119 枠体
113 酸化剤側枠体突起部
114 燃料側枠体突起部
115 ガスケット
116 酸化剤ガス側電極層
117 燃料ガス側電極層
10c, 101
Claims (4)
前記高分子電解質膜の周辺部に前記高分子電解質膜を狭持する枠体を有し、
前記枠体は、前記枠体の内側に突出する突起部を1つ以上有し、かつ、前記突起部は、前記セパレータにおいてガスが流路溝を隣接して流れる折り返し部の畝に当接するように配置されてなること、
を特徴とする高分子電解質型燃料電池。 The electrode layer for fuel gas is disposed on one surface inside the outer periphery of the polymer electrolyte membrane, the electrode layer for oxidant gas is disposed on the other surface, the electrode layer for fuel gas, and the electrode layer for oxidant gas, A polymer electrolyte in which a plurality of unit cell modules, each of which is sandwiched between separators each having a flow channel for supplying fuel gas and oxidant gas to each of the electrode layer for fuel gas and the electrode layer for oxidant gas, are stacked Type fuel cell,
It has a frame that sandwiches the polymer electrolyte membrane around the polymer electrolyte membrane,
The frame has one or more protrusions projecting inward of the frame, and the protrusions come into contact with the folds of the folded portions where the gas flows adjacent to the flow channel in the separator. Being arranged in the
A polymer electrolyte fuel cell.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012271963A JP2014120212A (en) | 2012-12-13 | 2012-12-13 | Polymer electrolyte type fuel cell |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012271963A JP2014120212A (en) | 2012-12-13 | 2012-12-13 | Polymer electrolyte type fuel cell |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2014120212A true JP2014120212A (en) | 2014-06-30 |
Family
ID=51174915
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2012271963A Pending JP2014120212A (en) | 2012-12-13 | 2012-12-13 | Polymer electrolyte type fuel cell |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2014120212A (en) |
-
2012
- 2012-12-13 JP JP2012271963A patent/JP2014120212A/en active Pending
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4733237B2 (en) | Polymer electrolyte fuel cell | |
JP3793141B2 (en) | Polymer electrolyte fuel cell and separator | |
JP4800443B2 (en) | Gasket for polymer electrolyte fuel cell | |
US9225032B2 (en) | Fuel cell | |
US7759014B2 (en) | Fuel cell having a seal member | |
US8846269B2 (en) | Polymer electrolyte fuel cell and fuel cell stack comprising the same | |
JP5564623B1 (en) | Solid polymer electrolyte fuel cell and electrolyte membrane-electrode-frame assembly | |
US9660276B2 (en) | Fuel cell including separator with outer ends placed inward of fluid passages formed in frame | |
CN107293767B (en) | Fuel cell stack | |
US9034536B2 (en) | Fuel cell having voltage monitor terminal with exposed portion | |
CN102725896A (en) | Fuel battery | |
CN104051772A (en) | Sealing design for stamped plate fuel cells | |
US9590255B2 (en) | Fuel cell including separator with elliptical shaped embossed portions in gas inlet and outlet portions | |
KR20190047822A (en) | Cell frame for fuel cell and fuel cell stack using the same | |
US9490487B2 (en) | Fuel cell | |
KR20070073340A (en) | Flat type fuel cell assembly having housing | |
US8691471B2 (en) | Polymer electrolyte fuel cell and fuel cell stack comprising the same | |
US10003098B2 (en) | Fuel cell | |
JP5454301B2 (en) | Fuel cell stack | |
CN109950571B (en) | Fuel cell | |
KR101347769B1 (en) | Fuel cell | |
US9203102B2 (en) | Fuel cell | |
JP2012195128A (en) | Gasket for polymer electrolyte fuel cell and polymer electrolyte fuel cell | |
JP5664457B2 (en) | FUEL CELL SEPARATOR PLATE, FUEL CELL SEPARATOR, FUEL CELL, AND METHOD FOR PRODUCING FUEL CELL SEPARATOR PLATE | |
JP5255849B2 (en) | Fuel cell and separator / seal structure |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711 Effective date: 20150312 |