JP2018022570A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell.
燃料電池においては、電気化学反応に伴って触媒層で過酸化水素が生成され、過酸化水素からヒドロキシラジカルが生成される。このヒドロキシラジカルは、電解質膜を薄くし強度を低下させる。このため、触媒層等にヒドロキシラジカルを抑制するラジカル抑制剤を含有させた燃料電池が知られている(例えば特許文献1参照)。 In the fuel cell, hydrogen peroxide is generated in the catalyst layer along with the electrochemical reaction, and hydroxy radicals are generated from the hydrogen peroxide. This hydroxy radical makes the electrolyte membrane thinner and lowers strength. For this reason, a fuel cell is known in which a radical inhibitor that suppresses hydroxy radicals is contained in a catalyst layer or the like (see, for example, Patent Document 1).
ラジカル抑制剤は、発電停止後に燃料電池内に残留する残水中に溶出して、電解質膜内に蓄積される。このため、電解質膜内でもヒドロキシラジカルを抑制できる。しかしながら、発電停止後での燃料電池内の残水量の分布は、均一ではない。このため、残水量が少ない部位では、ラジカル抑制剤の溶出量は少なくなり、その部位での電解質膜内での蓄積量も少なくなる。これにより、残水量が少ない部位でヒドロキシラジカルを抑制できずに、電解質膜の強度が低下する可能性がある。一方、残水量が多い部位では、ラジカル抑制剤の溶出量が多くなり、その部位での電解質膜内での蓄積量も増大する。ここで、このようなラジカル抑制剤の蓄積量が、ヒドロキシラジカルを抑制するのに必要以上にまで増大すると、電解質膜でのプロトン移動抵抗が増大して、燃料電池の発電性能が低下する可能性がある。 The radical inhibitor elutes in the residual water remaining in the fuel cell after power generation is stopped, and is accumulated in the electrolyte membrane. For this reason, hydroxy radicals can be suppressed even in the electrolyte membrane. However, the distribution of the remaining water amount in the fuel cell after power generation is stopped is not uniform. For this reason, in the site | part with little residual water amount, the elution amount of a radical inhibitor decreases, and the accumulation amount in the electrolyte membrane in the site | part also decreases. As a result, there is a possibility that the strength of the electrolyte membrane is lowered without being able to suppress hydroxy radicals at a site where the amount of residual water is small. On the other hand, at a site where the amount of residual water is large, the elution amount of the radical inhibitor increases, and the amount of accumulation in the electrolyte membrane at that site also increases. Here, if the accumulated amount of such a radical inhibitor increases more than necessary to suppress hydroxy radicals, the proton transfer resistance in the electrolyte membrane increases, which may reduce the power generation performance of the fuel cell. There is.
本発明は、残水量が少ない部位でのラジカル抑制剤の溶出量を確保しつつ、残水量が多い部位でのラジカル抑制剤の溶出量を抑制できる燃料電池を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the fuel cell which can suppress the elution amount of the radical inhibitor in the site | part with much residual water amount, ensuring the elution amount of the radical inhibitor in the site | part with little residual water amount.
上記目的は、電解質膜を挟む一対の電極と一対の前記電極を挟む一対のセパレータとを有したセルを備えた燃料電池において、一対の前記電極及び一対の前記セパレータの少なくとも一つは、ラジカル抑制剤を含有した第1部位と、ラジカル抑制剤を含有し前記第1部位よりも鉛直下方側に位置する第2部位と、を備え、前記第2部位は、前記第1部位よりも、ラジカル抑制剤の濃度が低い、単位体積当たりに含有されているラジカル抑制剤の合計表面積が小さい、及びラジカル抑制剤の結晶性が高い、のうちの少なくとも一つにより、前記第1及び第2部位のそれぞれに同一条件下で水を分布させた場合に、単位体積当たりの水へのラジカル抑制剤の単位時間当たりでの溶出量は、前記第2部位からの方が前記第1部位からよりも少ない、燃料電池によって達成できる。 The object is to provide a fuel cell including a cell having a pair of electrodes sandwiching an electrolyte membrane and a pair of separators sandwiching the pair of electrodes, wherein at least one of the pair of electrodes and the pair of separators is radical suppression. A first part containing an agent and a second part containing a radical inhibitor and positioned vertically downward from the first part, wherein the second part is more radical-inhibiting than the first part. Each of the first and second portions is caused by at least one of a low concentration of the agent, a small total surface area of the radical inhibitor contained per unit volume, and a high crystallinity of the radical inhibitor. In the case where water is distributed under the same conditions, the elution amount per unit time of the radical inhibitor into water per unit volume is smaller from the second part than from the first part. It can be achieved by charge the battery.
上記目的は、電解質膜を挟む一対の電極と一対の前記電極を挟む一対のセパレータとの少なくとも一つがラジカル抑制剤を含有したセルが複数積層された燃料電池において、複数の前記セルのうちの一つである第1セルと、複数の前記セルのうちの一つであり、前記第1セルよりも前記セルの積層方向で鉛直下方側に位置した第2セルと、を備え、前記第2セルは、前記第1セルよりも、ラジカル抑制剤の濃度が低い、単位体積当たりに含有されているラジカル抑制剤の合計表面積が小さい、及びラジカル抑制剤の結晶性が高い、のうちの少なくとも一つにより、前記第1及び第2セル内に同一条件下で水を分布させた場合に、単位体積当たりの水へのラジカル抑制剤の単位時間当たりでの溶出量は、前記第2セルからの方が前記第1セルからよりも少ない、燃料電池によっても達成できる。 The object is to provide a fuel cell in which at least one of a pair of electrodes sandwiching an electrolyte membrane and a pair of separators sandwiching a pair of electrodes includes a plurality of cells containing radical inhibitors, and one of the plurality of cells is stacked. A first cell that is one of the plurality of cells, and a second cell that is positioned vertically downward in the stacking direction of the cells relative to the first cell, and the second cell Is at least one of a lower concentration of radical inhibitor, a smaller total surface area of radical inhibitors contained per unit volume, and a higher crystallinity of the radical inhibitor than the first cell. Thus, when water is distributed in the first and second cells under the same conditions, the elution amount of the radical inhibitor per unit volume of water per unit volume is equal to that from the second cell. Is the first cell Less than can be achieved by the fuel cell.
上記目的は、電解質膜を挟む一対の電極と一対の前記電極を挟む一対のセパレータとの少なくとも一つがラジカル抑制剤を含有したセルが複数積層された燃料電池において、複数の前記セルを貫通し、第1方向に反応ガスが流通する供給マニホールドと、複数の前記セルを貫通し、前記供給マニホールドから複数の前記セルを介して反応ガスが流入し、前記第1方向とは逆方向の第2方向に反応ガスが流通する排出マニホールドと、複数の前記セルのうちの一つである第1セルと、複数の前記セルのうちの一であり、前記第1セルよりも前記第1方向側に位置した第2セルと、を備え、前記第2セルは、前記第1セルよりも、ラジカル抑制剤の濃度が低い、単位体積当たりに含有されているラジカル抑制剤の合計表面積が小さい、及びラジカル抑制剤の結晶性が高い、のうちの少なくとも一つにより、前記第1及び第2セル内に同一条件下で水を分布させた場合に、単位体積当たりの水への前記ラジカル抑制剤の単位時間当たりでの溶出量は、前記第2セルからの方が前記第1セルからよりも少ない、燃料電池によっても達成できる。 In the fuel cell in which at least one of the pair of electrodes sandwiching the electrolyte membrane and the pair of separators sandwiching the pair of electrodes is stacked with a plurality of cells each containing a radical inhibitor, the object passes through the plurality of cells. A supply manifold in which a reaction gas flows in a first direction and a plurality of the cells, the reaction gas flows from the supply manifold through the plurality of cells, and a second direction opposite to the first direction A discharge manifold through which the reaction gas flows, a first cell that is one of the plurality of cells, and one of the plurality of cells, which is located closer to the first direction than the first cell. The second cell has a lower concentration of radical inhibitor than the first cell, a smaller total surface area of radical inhibitors contained per unit volume, and a radio When the water is distributed under the same conditions in the first and second cells by at least one of the high crystallinity of the inhibitor, the unit of the radical inhibitor into water per unit volume The amount of elution per time can also be achieved with a fuel cell, which is less from the second cell than from the first cell.
上記目的は、電解質膜を挟む一対の電極と一対の前記電極を挟む一対のセパレータとの少なくとも一つがラジカル抑制剤を含有したセルが複数積層された燃料電池において、複数の前記セルを貫通し、第1方向に反応ガスが流通する供給マニホールドと、複数の前記セルを貫通し、前記供給マニホールドから複数の前記セルを介して反応ガスが流入し、前記第1方向に反応ガスが流通する排出マニホールドと、複数の前記セルのうちの一つであり、最も前記第1方向とは逆方向の第2方向側に位置した第1セルと、複数の前記セルのうちの一つであり、前記第1セルよりも前記第1方向側に位置した第2セルと、複数の前記セルのうちの一つであり、最も前記第1方向側に位置した第3セルと、を備え、前記第2セルは、前記第1及び第3セルのそれぞれよりも、ラジカル抑制剤の濃度が低い、単位体積当たりに含有されているラジカル抑制剤の合計表面積が小さい、及びラジカル抑制剤の結晶性が高い、のうちの少なくとも一つにより、前記第1、第2、及び第3セル内に同一条件下で水を分布させた場合に、単位体積当たりの水へのラジカル抑制剤の単位時間当たりでの溶出量は、前記第2セルからの方が前記第1及び第3セルのそれぞれからよりも少ない、燃料電池によっても達成できる。 In the fuel cell in which at least one of the pair of electrodes sandwiching the electrolyte membrane and the pair of separators sandwiching the pair of electrodes is stacked with a plurality of cells each containing a radical inhibitor, the object passes through the plurality of cells. A supply manifold through which the reaction gas flows in a first direction, and a discharge manifold through which the reaction gas flows from the supply manifold through the plurality of cells and the reaction gas flows in the first direction. One of the plurality of cells, the first cell located closest to the second direction opposite to the first direction, and one of the plurality of cells, A second cell located closer to the first direction than one cell, and a third cell that is one of the plurality of cells and located closest to the first direction, the second cell Are the first and third sections. The concentration of the radical inhibitor is lower than that of each of the above, the total surface area of the radical inhibitor contained per unit volume is small, and the crystallinity of the radical inhibitor is high. When water is distributed in the first, second, and third cells under the same conditions, the elution amount of the radical inhibitor per unit volume of water per unit volume is from the second cell. Can also be achieved with a fuel cell, less than from each of the first and third cells.
本発明によれば、残水量が少ない部位でのラジカル抑制剤の溶出量を確保しつつ、残水量が多い部位でのラジカル抑制剤の溶出量を抑制できる燃料電池を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell which can suppress the elution amount of the radical inhibitor in a site | part with much residual water amount can be provided, ensuring the elution amount of the radical inhibitor in a site | part with little residual water amount.
図1Aは、燃料電池を構成するセルを示す断面図、図1Bは、セルを示す分解斜視図である。燃料電池は、反応ガスとして燃料ガス(例えば水素)と酸化剤ガス(例えば空気)との供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池であり、例えば燃料電池自動車や電気自動車などに搭載される。図1Aのように、セル10は、電解質膜12の一方の面にアノード触媒層14aが形成され、他方の面にカソード触媒層14cが形成されたMEA(Membrane Electrode Assembly)11を備える。
FIG. 1A is a cross-sectional view showing a cell constituting the fuel cell, and FIG. 1B is an exploded perspective view showing the cell. A fuel cell is a polymer electrolyte fuel cell that generates power by receiving supply of a fuel gas (for example, hydrogen) and an oxidant gas (for example, air) as reaction gases, and is mounted on, for example, a fuel cell vehicle or an electric vehicle. . As shown in FIG. 1A, the
電解質膜12は、フッ素系樹脂材料又は炭素系樹脂材料で形成された固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。アノード触媒層14a及びカソード触媒層14cは、電気化学反応を進行させる触媒(例えば白金や、白金−コバルト合金)を担持したカーボン粒子(例えばカーボンブラック)と、プロトン伝導性を有するアイオノマーと、を含む。アノード触媒層14a及びカソード触媒層14cのカーボン粒子は、電子伝導性を有する。
The
MEA11の両側には、一対の撥水層(アノード側撥水層16aとカソード側撥水層16c)と、一対のガス拡散層(アノードガス拡散層18aとカソードガス拡散層18c)と、が配置されている。一対の撥水層は、MEA11内に含まれる水分を適正量に保つために設けられている。MEA11、一対の撥水層、及び一対のガス拡散層を総称してMEGA(Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly)30と称す。
A pair of water repellent layers (anode side
アノード側撥水層16a、カソード側撥水層16c、アノードガス拡散層18a、及びカソードガス拡散層18cは、ガス透過性及び電子伝導性を有する部材によって形成されており、例えばカーボンクロスやカーボンペーパなどの多孔質カーボン製部材によって形成されている。アノード側撥水層16a及びカソード側撥水層16cは、アノードガス拡散層18a及びカソードガス拡散層18cと比べて、多孔質カーボン製部材の細孔が小さい。例えば、アノード側撥水層16a及びカソード側撥水層16cの細孔の大きさは直径0.1μm〜1μm程度であり、アノードガス拡散層18a及びカソードガス拡散層18cの細孔の大きさは直径10μm〜100μm程度である。このように、アノード側撥水層16a及びカソード側撥水層16cの細孔が小さいことから、アノード触媒層14a及びカソード触媒層14cから液水が流出することを抑制でき、MEA11内に含まれる水分を適正量に保つことができる。
The anode-side water-
以上のように、アノード触媒層14a、アノード側撥水層16a、及びアノードガス拡散層17aは、アノード側の電極に相当し、カソード触媒層14c、カソード側撥水層16c、及びカソードガス拡散層17cは、カソード側の電極に相当し、これらは電解質膜12を挟む一対の電極の一例である。
As described above, the
MEGA30の両側には、MEGA30を挟持する一対のセパレータ(アノード側セパレータ20aとカソード側セパレータ20c)が配置されている。アノード側セパレータ20a及びカソード側セパレータ20cは、ガス遮断性及び電子伝導性を有する部材によって形成されており、例えばカーボンを圧縮してガス不透過とした緻密性カーボンなどのカーボン部材やプレス成型したステンレス鋼などの金属部材によって形成されている。アノード側セパレータ20a及びカソード側セパレータ20cは、表面にガスが流通するガス流路を形成するための凹凸を有する。アノード側セパレータ20aは、アノードガス拡散層18aとの間にアノードガス流路22aを形成する。カソード側セパレータ20cは、カソードガス拡散層18cとの間にカソードガス流路22cを形成する。燃料電池の発電中においては、アノードガス流路22aを燃料ガスが流通し、カソードガス流路22cを酸化剤ガスが流通する。なお、アノードとカソードの両方にガス拡散層を備える構成を例に示したが、これに限定されない。アノードとカソードの一方又は両方にガス拡散層を備えない構成であってもよい。この場合には、アノードガス流路又はカソードガス流路から直接撥水層を介して触媒層にガスが供給される。ガス拡散層を備えない構成においては、撥水層は撥水、ガス透過、及び導電の各機能を有するシート部材が使用されてもよい。
A pair of separators (an
図1Bのように、MEGA30は、例えば樹脂(エポキシ樹脂やフェノール樹脂など)からなる絶縁部材40の内側に配置されている。言い換えると、MEGA30の外周を覆って、枠状の絶縁部材40が配置されている。絶縁部材40は、アノード側セパレータ20aとカソード側セパレータ20cとによって挟持されている。
As shown in FIG. 1B, the
アノード側セパレータ20a及びカソード側セパレータ20cには、それぞれ孔a1〜a3及び孔c1〜c3が設けられている。絶縁部材40にも同様に、孔s1〜s3が設けられている。孔a1〜a3、孔s1〜s3、及び孔c1〜c3は、それぞれ連通し、孔a1、s1、及びc1は酸化剤ガス供給マニホールドを、孔a2、s2、及びc2は冷媒供給マニホールドを、孔a3、s3、及びc3は燃料ガス排出マニホールドを画定する。
The
また、アノード側セパレータ20a及びカソード側セパレータ20cには、それぞれ孔a4〜a6及び孔c4〜c6が設けられている。絶縁部材40にも同様に、孔s4〜s6が設けられている。孔a4〜a6、s4〜s6、及びc4〜c6は、それぞれ連通し、孔a4、s4、及びc4は燃料ガス供給マニホールドを、孔a5、s5、及びc5は冷媒排出マニホールドを、孔a6、s6、及びc6は酸化剤ガス排出マニホールドを画定する。
The
アノード側セパレータ20aのMEGA30に対向する面には、燃料ガス供給マニホールドと燃料ガス排出マニホールドとを連通し、発電中において燃料ガスが流れるアノードガス流路22aが形成されている。カソード側セパレータ20cのMEGA30に対向する面には、酸化剤ガス供給マニホールドと酸化剤ガス排出マニホールドとを連通し、発電中において酸化剤ガスが流れるカソードガス流路22cが形成されている。アノード側セパレータ20aのアノードガス流路22aが形成された面とは反対側の面、及び、カソード側セパレータ20cのカソードガス流路22cが形成された面とは反対側の面には、冷媒供給マニホールドと冷媒排出マニホールドとを連通し、冷媒が流れる冷媒流路24が形成されている。
An anode
図2は、燃料電池1の分解図である。なお、図2では、図の明瞭化のために、セル10を簡略化して図示している。まず、燃料電池について説明する。図2のように、燃料電池1は、複数のセル10と、一対のターミナルプレート50、52と、一対の絶縁プレート60、62と、一対のエンドプレート70、72と、を備える。燃料電池1は、複数のセル10が一対のターミナルプレート50、52と一対の絶縁プレート60、62と一対のエンドプレート70、72とで挟持されたスタック構造をしている。ターミナルプレート50、52は、金属製であり、複数のセル10からの電圧及び電流を取り出すために用いられる。エンドプレート70、72は、複数のセル10とターミナルプレート50、52と絶縁プレート60、62とを締結するために用いられる。
FIG. 2 is an exploded view of the
ターミナルプレート50、絶縁プレート60、及びエンドプレート70には、それぞれ孔t1〜t6、孔i1〜i6、及び孔e1〜e6が設けられている。孔t1、i1、及びe1は酸化剤ガス供給マニホールドを、孔t2、i2、及びe2は冷媒供給マニホールドを、孔t3、i3、及びe3は燃料ガス排出マニホールドを画定する。孔t4、i4、及びe4は燃料ガス供給マニホールドを、孔t5、i5、及びe5は冷媒排出マニホールドを、孔t6、i6、及びe6は酸化剤ガス排出マニホールドを画定する。一方、ターミナルプレート52、絶縁プレート62、及びエンドプレート72には、孔は設けられていない。これにより、孔e4から導入された燃料ガスは、複数のセル10それぞれのアノードガス流路22aを流れた後、孔e3から排出される。孔e2から導入された冷媒は、複数のセル100それぞれの冷媒流路24を流れた後、孔e5から排出される。孔e1から導入された酸化剤ガスは、複数のセル10それぞれのカソードガス流路22cを流れた後、孔e6から排出される。
The
尚、複数のセル10は、ターミナルプレート50側からターミナルプレート52側へ順にn枚積層されている。本明細書では、各セルをターミナルプレート50側から順にセル10−1、10−2…10−n−1、10−nとして表記する。また、本明細書ではセルの総称としてセル10と表記する。
The plurality of
次に、ラジカル抑制剤について説明する。アノード側撥水層16a及びカソード側撥水層16cには、ヒドロキシラジカルの生成を抑制するラジカル抑制剤が含有されている。本実施例においてラジカル抑制剤は、セリウム含有酸化物であり、具体的にはCeO2である。CeO2によりラジカルの生成が抑制される原理は以下のとおりである。燃料電池1の発電時には、燃料電池1に供給される酸化剤ガス中の酸素の一部が、電解質膜12を透過して、アノード触媒層14aへと達する場合がある。この酸素がアノード触媒層14aにおいて還元されると過酸化水素が生成され、当該過酸化水素に起因してヒドロキシラジカルが生成される。ヒドロキシラジカルは、電解質膜12を分解して強度を低下させる。ここで、アノード側撥水層16a及びカソード側撥水層16cに含有されているラジカル抑制剤であるCeO2は、燃料電池1内の水分中にCe3+として溶出され、以下の式(1)の反応によりヒドロキシラジカルが消費される。これによりヒドロキシラジカルが抑制される。
・OH+Ce3++H+→Ce4++H2O・・・(1)
Next, the radical inhibitor will be described. The anode-side water-
OH + Ce 3+ + H + → Ce 4+ + H 2 O (1)
しかしながら、溶出したCe3+は、燃料電池1の使用時間と共に徐々に電解質膜12内に蓄積される。このためヒドロキシラジカルを抑制する必要量以上のCe3+が電解質膜12に蓄積されると、Ce3+は陽イオン不純物として電解質膜12のプロトン移動抵抗を増大させる。
However, the eluted Ce 3+ gradually accumulates in the
図3Aは、電解質膜12内でのCe3+の蓄積量と、ヒドロキシラジカルによる電解質膜12の分解速度と、電解質膜12のプロトン移動抵抗との関係を示したグラフである。電解質膜12内でのCe3+の蓄積量が少なすぎると、ヒドロキシラジカルによる電解質膜12の分解速度が増大するが、電解質膜12内でのCe3+の蓄積量が多すぎるとプロトン移動抵抗が増大する。図3Bは、電解質膜12内でのCe3+の蓄積量と電解質膜12のプロトン移動抵抗との関係を示したグラフであり、それぞれ相対湿度が30及び80パーセントの場合でのCe3+の蓄積量とプロトン移動抵抗との関係を示している。Ce3+の蓄積量が多い場合には、相対湿度が低くなるにつれてプロトン移動抵抗が顕著に増大する。このため、Ce3+の蓄積量が適量よりも多い場合には、低湿潤状態で燃料電池1の発電性能が大きく低下する。
FIG. 3A is a graph showing the relationship between the accumulation amount of Ce 3+ in the
ここで、燃料電池1が採用される発電システムにおいては、一般的に燃料電池1の発電停止後に、掃気ガスを燃料電池1に供給して燃料電池1内の残水を外部に排出する掃気制御が実行される。しかしながら、掃気制御の実行後であっても、燃料電池1内に残水が部分的に残留する場合があり、発電停止後での燃料電池1内の残水量の分布は、均一ではない。このため、残水量が少ない部位では、発電停止中での残水中へのCe3+の溶出量は少ないため、電解質膜12内でのCe3+の蓄積量を部分的に確保できずに、ヒドロキシラジカルを十分に抑制できずに電解質膜12の強度が低下する可能性がある。一方、残水量が多い部位では、発電停止中での残水中にCe3+が溶出して、電解質膜12内のCe3+の蓄積量が部分的に増大して、部分的にプロトン移動抵抗が増大する可能性がある。これにより、燃料電池1の発電性能が低下する可能性がある。
Here, in a power generation system in which the
図4Aは、燃料電池1の斜視図である。本実施例での燃料電池1は、セル10の積層方向が水平方向と略並行となり、各セル10での酸化剤ガスの流通方向が水平方向と略平行となる姿勢で使用される。図4Bは、あるセル10での絶縁部材40とアノード側撥水層16aとを示した正面図である。アノード側撥水層16aには上部161a及び下部162aを有している。下部162aは、上部161aよりも鉛直下方側に位置している。このため、発電停止後であって掃気制御実行後での燃料電池1内の残水は、重力の作用によって、下部162a周辺の方が上部161a周辺よりも多く存在する。また、上部161a及び下部162aを含むアノード側撥水層16aには、ラジカル抑制剤が含有されている。従って、上部161aは、ラジカル抑制剤を含有した第1部位の一例であり、下部162aは、ラジカル抑制剤を含有し上部161aよりも鉛直下方側に位置する第2部位の一例である。
FIG. 4A is a perspective view of the
図4Cは、アノード側撥水層16aでのラジカル抑制剤の濃度を示したグラフである。縦軸は、鉛直方向でのアノード側撥水層16aの位置を示し、横軸はラジカル抑制剤の濃度を示している。ラジカル抑制剤の濃度は、アノード側撥水層16aの鉛直上方側から鉛直下方側につれて、低くなっている。尚、カソード側撥水層16cでのラジカル抑制剤の濃度も同様である。従って、ラジカル抑制剤の濃度は、下部162aの方が上部161aよりも低い。このように、周辺に残水量が多く存在する下部162aでのラジカル抑制剤の濃度が低いため、単位体積当たりの水への下部162aからのCe3+の単位時間当たりの溶出量を抑制できる。これにより、電解質膜12内の一部分でのCe3+の蓄積量の増大が抑制され、燃料電池1の発電性能の低下が抑制される。
FIG. 4C is a graph showing the concentration of the radical inhibitor in the anode water-
また、上部161a周辺では残水量が少ないため、ラジカル抑制剤の濃度は、上部161aの方が下部162aよりも高くなっている。このため、単位体積当たりの水への上部161aからのCe3+の溶出量を確保して、アノード触媒層14aを介して上部161aと対向する電解質膜12でのCe3+の蓄積量を確保できる。これにより、ヒドロキシラジカルを抑制でき、電解質膜12の強度の低下が抑制される。以上のように、電解質膜12の強度の低下を抑制しつつ燃料電池1の発電性能の低下も抑制される。
Further, since the amount of residual water is small around the
尚、上部161a及び下部162aに同一条件下で水を分布させた場合には、下部162aのほうがラジカル抑制剤の濃度は低いため、単位体積当たりの水へのCe3+の単位時間当たりでの溶出量は、下部162aからの方が上部161aからよりも少ない。同一条件下で水を分布させた場合とは、上部161a及び下部162aに対して同一の姿勢で、水を同一の密度で均一に一定期間にわたって分布させた場合である。例えば、単体のセル10を水平状態にしてアノードガス流路22a内に十分な水を供給した場合や、MEA11やアノードガス拡散層18aに接合する前の状態のアノード側撥水層16a上に水を均一に分布させた場合、又は、単体のセル10や単体のアノード側撥水層16aを水中に沈ませた場合である。
When water is distributed to the
尚、他のセルのアノード側撥水層16a及びカソード側撥水層16cにも同様な濃度分布でラジカル抑制剤が含有されているが、これに限定されない。燃料電池1のうち、少なくとも1枚のセル10のアノード側撥水層16a及びカソード側撥水層16cの少なくとも一方の濃度が、鉛直下方側の方が鉛直上方側よりも低ければよく、このセル10のアノード側撥水層16a及びカソード側撥水層16cの他方、及び他のセル10のアノード側撥水層16a及びカソード側撥水層16cのラジカル抑制剤の濃度は、部位によらずに均一であってもよい。例えば、複数のセルのうち、比較的残水に晒されやすいセルが特定されている場合には、そのセルのアノード側撥水層16a及びカソード側撥水層16cの少なくとも一方のラジカル抑制剤の濃度を、鉛直下方側の方が鉛直上方側よりも低くしてもよい。これにより、濃度分布に偏りをもたせたセルの枚数を削減でき、製造コストを抑制できる。また、図4Cでは、ラジカル抑制剤の濃度は直線で表されているが、これに限定されず、鉛直上方側から下方側に従って濃度が低くなっていくのであれば、曲線で表されてもよい。尚、上記実施例の燃料電池1をセル10の積層方向が水平方向に略平行にしつつ、孔e1〜e3が孔e4〜e6よりも鉛直下方側又は上方側に位置する姿勢で使用する場合には、その姿勢でのアノード側撥水層16aの鉛直下方側の部位が鉛直上方側の部位よりもラジカル抑制剤の濃度が低ければよい。
Although the anode side
次に、燃料電池の複数の変形例について説明する。尚、以下で説明する複数の変形例について、上記実施例と同一及び類似の構成については、それぞれ同一及び類似の符号を付することにより重複する説明を省略する。図5Aは、第1変形例の燃料電池1Aの外観図である。燃料電池1Aは、複数のセル10aの積層方向が鉛直方向と略平行となる姿勢で使用される。具体的には、ターミナルプレート50a、絶縁プレート60a、及びエンドプレート70aが鉛直下方側に位置し、ターミナルプレート52a、絶縁プレート62a、及びエンドプレート72aが鉛直上方側に位置する。上述した場合と同様に、セル10aのそれぞれのアノード側撥水層及びカソード側撥水層にはラジカル抑制剤が含有されているが、以下の変形例では、説明の便宜上、各セルのアノード側撥水層でのラジカル抑制剤の濃度とカソード側撥水層のラジカル抑制剤の濃度との平均値を、各セル10aでのラジカル抑制剤の濃度と説明する。複数のセル10aには、鉛直方向で最も上方側及び最も下方側にそれぞれ配置されたセル10a−n及び10a―1を含む。発電停止後であって掃気制御実行後の燃料電池1A内の残水量は、重力の作用によって、セル10a―1周辺の方がセル10a―n周辺よりも多い。セル10a―nは、複数のセル10aのうちの一つである第1セルの一例である。セル10a―1は、セル10a―nよりもセル10aの積層方向で鉛直下方側に位置し、複数のセル10aのうちの一つである第2セルの一例である。
Next, a plurality of modifications of the fuel cell will be described. In addition, about the some modification demonstrated below, about the same and similar structure as the said Example, the duplicate description is abbreviate | omitted by attaching | subjecting the same and similar code | symbol, respectively. FIG. 5A is an external view of a fuel cell 1A according to a first modification. The fuel cell 1A is used in a posture in which the stacking direction of the plurality of
図5Bは、第1変形例での各セル10aのラジカル抑制剤の濃度を示したグラフである。縦軸は、積層方向での各セル10aの位置を示し、横軸はラジカル抑制剤の濃度を示している。第1変形例では、積層方向で鉛直上方側から下方側に従って、各セル10のラジカル抑制剤の濃度が低くなっている。従って、セル10a―1の方がセル10a―nよりもラジカル抑制剤の濃度が低くなっている。このように、周辺に残水量が多く存在するセル10a―1のラジカル抑制剤の濃度が低いため、単位体積当たりの水へのセル10a―1からのCe3+の単位時間当たりの溶出量を抑制できる。また、周辺に残水量が少ないセル10a―nのラジカル抑制剤の濃度が高いため、単位体積当たりの水へのセル10a―nからのCe3+の単位時間当たりの溶出量を確保できる。これにより電解質膜の強度の低下を抑制しつつ燃料電池1Aの発電性能の低下も抑制される。
FIG. 5B is a graph showing the concentration of the radical inhibitor in each
尚、セル10a―1及び10a―n内に同一条件下で水を分布させた場合には、セル10a―1のほうがラジカル抑制剤の濃度は低いため、単位体積当たりの水へのCe3+の単位時間当たりでの溶出量は、セル10a―1からの方がセル10a―nからよりも少ない。第1変形例において同一条件下で水を分布させた場合とは、同一の姿勢でセル10a―1及び10a―n内に水を同一の密度で均一に、一定期間にわたって分布させた場合である。例えば単体のセル10a―1と単体のセル10a―nを同一姿勢でそれぞれのアノード流路及びカソード流路の少なくとも一方に十分に水を供給した場合や、単体のセル10a―1と単体のセル10a―nを水中に沈めた場合などである。
When water is distributed in the
図5Cは、第2変形例の燃料電池1Bの外観図である。燃料電池1Bは、複数のセル10bの積層方向が鉛直方向及び水平方向に対して斜めとなる姿勢で使用される。この場合においても、ターミナルプレート50b、絶縁プレート60b、及びエンドプレート70bが鉛直下方側に位置し、ターミナルプレート52b、絶縁プレート62b、及びエンドプレート72bが鉛直上方側に位置する。複数のセル10bに含まれるセル10b−n及び10b―1は、最も上方側及び最も下方側に配置されている。このように斜めに燃料電池1Bが配置されている場合であっても、発電停止後での燃料電池1B内の残水量は、重力の作用によって、セル10b―1周辺の方がセル10b―n周辺よりも多くなる。セル10b―nは、複数のセル10bのうちの一つである第1セルの一例である。セル10b―1は、セル10b―nよりもセル10bの積層方向で鉛直下方側に位置し、複数のセル10bのうちの一つである第2セルの一例である。
FIG. 5C is an external view of a
図5Dは、第2変形例での各セル10bのラジカル抑制剤の濃度を示したグラフである。縦軸は、積層方向での各セル10bの位置を示し、横軸はラジカル抑制剤の濃度を示している。第1変形例と同様に、積層方向で上方側から下方側に低くなっていく。このため、単位体積当たりの水へのセル10b―1からのCe3+の単位時間当たりの溶出量を抑制でき、単位体積当たりの水へのセル10b―nからのCe3+の単位時間当たりの溶出量を確保できる。これにより電解質膜の強度の低下を抑制しつつ燃料電池1Bの発電性能の低下も抑制される。
FIG. 5D is a graph showing the concentration of the radical inhibitor in each
この場合も、セル10b―1及び10b―n内に同一条件下で水を分布させた場合には、セル10b―1のほうがラジカル抑制剤の濃度は低いため、単位体積当たりの水へのCe3+の単位時間当たりでの溶出量は、セル10b―1からの方がセル10b―nからよりも少ない。第2変形例において同一条件下で水を分布させた場合とは、第1変形例と同様である。
Also in this case, when water is distributed in the
図6Aは、第3変形例の燃料電池1Cの外観図である。燃料電池1Cは、上述した実施例の燃料電池1と同様の姿勢で使用される。図6Bは、第3変形例の燃料電池1Cの内部を示した断面図である。図6Bには、上述した酸化剤ガス供給マニホールドS1及び酸化剤ガス排出マニホールドS6を示し、掃気制御中に各セル10cを介して酸化剤ガス供給マニホールドS1及び酸化剤ガス排出マニホールドS6内を流通する掃気ガスの流れを矢印で示している。発電中においては、掃気ガスではなく酸化剤ガスが、図6Bに示した掃気ガスの流れと同じ態様で酸化剤ガス供給マニホールドS1及び酸化剤ガス排出マニホールドS6内を流通する。酸化剤ガス供給マニホールドS1及び酸化剤ガス排出マニホールドS6には、それぞれ反対方向にガスが流れる。酸化剤ガス供給マニホールドS1は、複数のセル10cを貫通し、第1方向に酸化剤ガスが流通する供給マニホールドの一例である。酸化剤ガス排出マニホールドS6は、複数のセル10cを貫通し、酸化剤ガス供給マニホールドS1から複数のセル10cを介して酸化剤ガスが流入し、第1方向とは逆方向の第2方向に反応ガスが流通する排出マニホールドの一例である。
FIG. 6A is an external view of a
各セル10cを通過する掃気ガスの流量は、酸化剤ガス供給マニホールドS1及び酸化剤ガス排出マニホールドS6のそれぞれの入口及び出口に近いセル10c―1で最も多く、酸化剤ガス供給マニホールドS1及び酸化剤ガス排出マニホールドS6のそれぞれの入口及び出口から最も離れたセル10c−nで最も少ない。これは、酸化剤ガス供給マニホールドS1及び酸化剤ガス排出マニホールドS6のそれぞれの入口及び出口から離れるほど掃気ガスの圧損が増大するからと考えられる。このため発電停止後では、セル10c−n周辺での方がセル10c−1周辺よりも残水量が多い。セル10c−1は、複数のセル10cのうちの一つである第1セルの一例である。セル10c−nは、複数のセル10cのうちの一であり、セル10c−1よりも第1方向側に位置した第2セルの一例である。
The flow rate of the scavenging gas passing through each
図6Cは、第3変形例での各セル10cのラジカル抑制剤の濃度を示したグラフである。縦軸は、積層方向での各セル10cの位置を示し、横軸はラジカル抑制剤の濃度を示している。セル10c−1からセル10c−nの順にラジカル抑制剤の濃度は低くなっている。即ち、酸化剤ガス供給マニホールドS1の入口及び酸化剤ガス排出マニホールドS6の出口から離れている側のセル10のラジカル抑制剤の濃度が低くなっている。このため、単位体積当たりの水へのセル10c―nからのCe3+の単位時間当たりの溶出量を抑制でき、単位体積当たりの水へのセル10c―1からのCe3+の単位時間当たりの溶出量を確保できる。これにより電解質膜の強度の低下を抑制しつつ燃料電池1Cの発電性能の低下も抑制される。
FIG. 6C is a graph showing the concentration of the radical inhibitor in each
この場合も、セル10c―1及び10c―n内に同一条件下で水を分布させた場合には、セル10c―nのほうがラジカル抑制剤の濃度は低いため、単位体積当たりの水へのCe3+の単位時間当たりでの溶出量は、セル10c―nからの方がセル10c―1からよりも少ない。第3変形例において同一条件下で水を分布させた場合とは、第1変形例と同様である。
Also in this case, when water is distributed in the
尚、第3変形例において、掃気ガスが酸化剤ガス供給マニホールドS1及び酸化剤ガス排出マニホールドS6を流れる場合での残水量が多い部位について説明したが、掃気ガスが燃料ガス供給マニホールドを画定する孔e4から供給されて燃料ガス排出マニホールドを画定する孔e3から排出される場合においても、残水量が多い部位は同じである。掃気ガスが酸化剤ガス供給マニホールドS1及び酸化剤ガス排出マニホールドS6に流れる場合と、燃料ガス供給マニホールド及び燃料ガス排出マニホールドに流れる場合とで、流通方向が逆向きになっているだけだからである。従って、第3変形例において、燃料ガス供給マニホールド及び燃料ガス排出マニホールドに掃気ガスを流してもよく、この場合、燃料ガス供給マニホールド及び燃料ガス排出マニホールドはそれぞれ上述した供給マニホールド及び排出マニホールドの一例でもある。 In the third modification, the portion where the remaining water amount is large when the scavenging gas flows through the oxidant gas supply manifold S1 and the oxidant gas discharge manifold S6 has been described. However, the scavenging gas defines a hole that defines the fuel gas supply manifold. Even in the case where the fuel gas is supplied from e4 and discharged from the hole e3 that defines the fuel gas discharge manifold, the portion where the remaining water amount is large is the same. This is because the flow direction is merely opposite between when the scavenging gas flows through the oxidant gas supply manifold S1 and the oxidant gas discharge manifold S6 and when the scavenging gas flows through the fuel gas supply manifold and the fuel gas discharge manifold. Therefore, in the third modified example, the scavenging gas may flow through the fuel gas supply manifold and the fuel gas discharge manifold. In this case, the fuel gas supply manifold and the fuel gas discharge manifold may be examples of the supply manifold and the discharge manifold, respectively. is there.
尚、第3変形例においても、上述した実施例のように、各セル10cのアノード側撥水層及びカソード側撥水層の少なくとも一方が、鉛直下方側の部位が鉛直上方側よりもラジカル抑制剤の濃度が低くてもよい。このように、第3変形例において各セル10cの面方向でラジカル抑制剤の濃度に差が設けられている場合には、各セル10cでのラジカル抑制剤の濃度の平均値が、図6Cに示すようにセル10c−1からセル10c−nの順に低くなっていればよい。
In the third modified example, as in the above-described embodiment, at least one of the anode-side water-repellent layer and the cathode-side water-repellent layer of each
図7Aは、第4変形例の燃料電池1Dの外観図である。燃料電池1Dは、燃料電池1及び1Cと同様の姿勢で使用される。但し、燃料電池1Dでは、エンドプレート70dに孔e1〜e3は設けられているが、孔e4〜e6は設けられていない。孔e4〜e6に相当する孔は、エンドプレート72dに設けられている。即ち、酸化剤ガスはエンドプレート70dの孔e1から、冷媒は孔e2から、絶縁プレート60d、ターミナルプレート50d、セル10d、ターミナルプレート52d、絶縁プレート62d、エンドプレート72dの順に流れる。燃料ガスは、エンドプレート72d、絶縁プレート62d、セル10d、ターミナルプレート50d、絶縁プレート60dの順に流れエンドプレート70dの孔e1から排出される。
FIG. 7A is an external view of a
図7Bは、第4変形例の燃料電池1Dの内部を示した断面図である。図7Bには、酸化剤ガス供給マニホールドSd1及び酸化剤ガス排出マニホールドSd6を示し、掃気制御中に各セル10dを介して酸化剤ガス供給マニホールドSd1及び酸化剤ガス排出マニホールドSd6内を流通する掃気ガスの流れを矢印で示している。発電中においては、掃気ガスではなく酸化剤ガスが、図7Bに示した掃気ガスの流れと同じ態様で酸化剤ガス供給マニホールドSd1及び酸化剤ガス排出マニホールドSd6内を流通する。酸化剤ガス供給マニホールドSd1及び酸化剤ガス排出マニホールドSd6には、それぞれ同一方向にガスが流れる。酸化剤ガス供給マニホールドSd1は、複数のセル10dを貫通し、第1方向に反応ガスが流通する供給マニホールドの一例である。酸化剤ガス排出マニホールドSd6は、複数のセル10dを貫通し、酸化剤ガス供給マニホールドSd1から複数のセル10dを介して酸化剤ガスが流入し、第1方向に反応ガスが流通する排出マニホールドの一例である。
FIG. 7B is a cross-sectional view showing the inside of the
セル10d―1は、酸化剤ガス排出マニホールドSd6の出口から最も離れているが酸化剤ガス供給マニホールドSd1の入口には最も近い。また、セル10d−nは、酸化剤ガス供給マニホールドSd1の入口から最も離れているが酸化剤ガス排出マニホールドSd6の出口には最も近い。これに対して、セル10d−1とセル10d−nとの間の中間位置に配置されたセル10d−mは、酸化剤ガス供給マニホールドSd1の入口及び酸化剤ガス排出マニホールドSd6の出口の双方から離れている。このため、掃気完了後には、セル10d−m周辺の方がセル10d−1及び10d−nのそれぞれの周辺での残水量よりも多い。セル10d−1は、複数のセル10dのうちの一つであり、最も第1方向とは逆方向の第2方向側に位置した第1セルの一例である。セル10d−mは、複数のセル10dのうちの一つであり、セル10d−1よりも第1方向側に位置した第2セルの一例である。セル10d−nは、複数のセル10dのうちの一のセルであり、最も第1方向側に位置した第3セルの一例である。
The
図7Cは、第4変形例での各セル10dのラジカル抑制剤の濃度を示したグラフである。縦軸は、積層方向での各セル10dの位置を示し、横軸はラジカル抑制剤の濃度を示している。図7Aにおいて、積層方向の手前側から積層方向の中間の位置まで、即ち、セル10d−1からセル10d−mの順にラジカル抑制剤の濃度は低くなっている。また、図7Aにおいて、積層方向の中間の位置から奥側に、即ちセル10d−mからセル10d−nの順にラジカル抑制剤の濃度は高くなっている。このため、セル10d−mはセル10d−1及び10d−nのそれぞれよりもラジカル抑制剤の濃度は低い。このため、単位体積当たりの水へのセル10d―mからのCe3+の単位時間当たりの溶出量を抑制でき、単位体積当たりの水へのセル10d―1及び10d−nのそれぞれからのCe3+の単位時間当たりの溶出量を確保できる。これにより電解質膜の強度の低下を抑制しつつ燃料電池1Dの発電性能の低下も抑制される。
FIG. 7C is a graph showing the concentration of the radical inhibitor in each
この場合も、セル10d―1、10d−m、及び10d―n内に同一条件下で水を分布させた場合には、セル10d―mのほうがラジカル抑制剤の濃度は低いため、単位体積当たりの水へのCe3+の単位時間当たりでの溶出量は、セル10d―mからの方がセル10d―1及び10d−nのそれぞれからよりも少ない。第3変形例において同一条件下で水を分布させた場合とは、第1変形例と同様である。
Also in this case, when water is distributed in the
尚、第4変形例において、複数のセル10dのうち最もラジカル抑制剤の濃度が低いセルは、セル10d−1からセル10d−nまで間の中間位置に配置されたセル10d−mに限定されない。セル10d−1からセル10d−nまでの間に配置されたセルで濃度が最も低ければよい。
In the fourth modification, the cell having the lowest concentration of the radical inhibitor among the plurality of
第4変形例において、掃気ガスが酸化剤ガス供給マニホールドSd1及び酸化剤ガス排出マニホールドSd6を流れる場合での残水量が多い部位について説明したが、掃気ガスが燃料ガス供給マニホールドを画定する孔から供給されて燃料ガス排出マニホールドを画定する孔e3から排出される場合においても、残水量が多い部位は同じである。掃気ガスが酸化剤ガス供給マニホールドSd1及び酸化剤ガス排出マニホールドSd6に流れる場合と、燃料ガス供給マニホールド及び燃料ガス排出マニホールドに流れる場合とで、流通方向が逆向きになっているだけだからである。従って、第4変形例において、燃料ガス供給マニホールド及び燃料ガス排出マニホールドに掃気ガスを流してもよく、この場合、燃料ガス供給マニホールド及び燃料ガス排出マニホールドはそれぞれ上述した供給マニホールド及び排出マニホールドの一例でもある。 In the fourth modification, the portion where the remaining water amount is large when the scavenging gas flows through the oxidant gas supply manifold Sd1 and the oxidant gas discharge manifold Sd6 has been described. However, the scavenging gas is supplied from the hole that defines the fuel gas supply manifold. Even when the fuel gas is discharged from the hole e3 that defines the fuel gas discharge manifold, the portion where the remaining water amount is large is the same. This is because the flow direction is only reversed between when the scavenging gas flows to the oxidant gas supply manifold Sd1 and the oxidant gas discharge manifold Sd6 and when the scavenging gas flows to the fuel gas supply manifold and the fuel gas discharge manifold. Therefore, in the fourth modified example, the scavenging gas may flow through the fuel gas supply manifold and the fuel gas discharge manifold. In this case, the fuel gas supply manifold and the fuel gas discharge manifold may be examples of the above-described supply manifold and discharge manifold, respectively. is there.
上記実施例及び変形例において、ラジカル抑制剤の濃度が連続的に変化している場合を例に説明したがこれに限定されず、段階的に変化してもよい。図8A〜8Dは、ラジカル抑制剤が段階的に変化している場合のグラフである。例えば、上記実施例においては、ラジカル抑制剤の濃度は、図8Aに示すように上方側から下方側に段階的に低下してもよい。このようにラジカル抑制剤の濃度が段階的に変化する場合には、連続的に変化する場合よりも、アノード側撥水層16aの製造が容易となり、製造コストを抑制できる。また、第1変形例においては、図8Bに示すように、ラジカル抑制剤の濃度をセル10a―nからセル10a―1の順に段階的に低下してもよい。第2変形例においても、図8Bと同様にラジカル抑制剤の濃度がセル10b−nからセル10b−1の順に段階的に低下してもよい。第3変形例においても、図8Cに示すように、セル10c―1からセル10c−nの順にラジカル抑制剤の濃度が段階的に低下してもよい。第4変形例においても、図8Dに示すように、セル10d−1からセル10d−mの順にラジカル抑制剤の濃度が段階的に低下し、セル10d−mからセル10d−nの順にラジカル抑制剤の濃度が段階的に増加してもよい。このように、ラジカル抑制部材の濃度が段階的に変化している場合には、ラジカル抑制剤の濃度が同じである複数のセルを用いて燃料電池を製造できるため、製造コストを抑制できる。
In the said Example and modification, although the case where the density | concentration of the radical inhibitor was changing continuously was demonstrated to the example, it is not limited to this, You may change in steps. 8A to 8D are graphs in the case where the radical inhibitor is changed stepwise. For example, in the above embodiment, the concentration of the radical inhibitor may be decreased stepwise from the upper side to the lower side as shown in FIG. 8A. Thus, when the radical inhibitor concentration changes stepwise, the anode-side water-
また、第3及び第4変形例において、単一のセルのアノード側撥水層の鉛直下方側の部位が鉛直上方側のアノード側撥水層の上部よりもラジカル抑制剤の濃度が低くてもよく、単一のセルのカソード側撥水層の鉛直下方側の部位が鉛直上方側のカソード側撥水層の上部よりもラジカル抑制剤の濃度が低くてもよい。 Further, in the third and fourth modified examples, even when the concentration of the radical inhibitor is lower in the vertically lower portion of the anode-side water-repellent layer of the single cell than in the upper portion of the anode-side water-repellent layer on the vertically upper side. In addition, the concentration of the radical inhibitor may be lower in the vertically lower part of the cathode-side water-repellent layer of the single cell than in the upper part of the vertically upper-side cathode-side water-repellent layer.
次に、ラジカル抑制剤の濃度の代わりに、ラジカル抑制剤の合計表面積の違いに基づいて、電解質膜の強度の低下を抑制しつつ燃料電池の発電性能の低下も抑制された第5変形例について説明する。第5変形例の燃料電池は、図4Aに示した実施例と同じ態様で使用される。図9A及び図9Bは、第5変形例での燃料電池のセルのアノード側撥水層16aeの単位体積当たりでのラジカル抑制剤の合計表面積の違いの説明図である。第5変形例では、上部161ae及び下部162aeのそれぞれでの単位体積当たりに含有されているラジカル抑制剤の質量は同じである。このため、ラジカル抑制剤の濃度は上部161ae及び下部162aeで同じである。しかしながら、ラジカル抑制剤の粒子の粒径は、下部162aeでの粒子P2の方が上部161aeの粒子P1よりも大きく、単位体積中でのラジカル抑制剤の粒子の数は、下部162aeの方が上部161aeよりも少ない。このため、上部161aeの方が下部162aeよりもラジカル抑制剤の粒子が微細であり、アノード側撥水層16aeの単位体積当たりでのラジカル抑制剤の合計表面積は、下部162aeの方が上部161aeよりも小さい。ここで、粒径が小さい粒子の方が、水に晒される表面積が小さいため、粒径が大きい粒子と比較して、単位体積当たりの水へのCe3+の溶出量は少ない。従って、上部161ae及び下部162aeのそれぞれに同一条件下で水を分布させた場合に、単位体積当たりの水へのラジカル抑制剤の単位時間当たりでの溶出量は、下部162aeからの方が上部161aeからよりも少ない。カソード側撥水層16cについても同様である。図9Cは、第5変形例でのアノード側撥水層16aeでのラジカル抑制剤の合計表面積を示したグラフである。縦軸は、鉛直方向でのアノード側撥水層16aeの位置を示し、横軸はラジカル抑制剤の合計表面積を示している。これにより第5変形例においても、電解質膜の強度の低下を抑制しつつ燃料電池の発電性能の低下も抑制される。
Next, regarding the fifth modification in which the decrease in the power generation performance of the fuel cell is suppressed while the decrease in the strength of the electrolyte membrane is suppressed based on the difference in the total surface area of the radical inhibitor instead of the concentration of the radical inhibitor. explain. The fuel cell of the fifth modified example is used in the same manner as the embodiment shown in FIG. 4A. 9A and 9B are explanatory diagrams of the difference in the total surface area of the radical inhibitor per unit volume of the anode-side water-repellent layer 16ae of the fuel cell in the fifth modification. In the fifth modification, the mass of the radical inhibitor contained per unit volume in each of the upper part 161ae and the lower part 162ae is the same. For this reason, the concentration of the radical inhibitor is the same in the upper portion 161ae and the lower portion 162ae. However, the particle size of the radical inhibitor particles is larger in the particles P2 at the lower portion 162ae than the particles P1 at the upper portion 161ae, and the number of radical inhibitor particles in the unit volume is higher at the lower portion 162ae. Less than 161ae. For this reason, the particles of the radical inhibitor are finer in the upper part 161ae than in the lower part 162ae, and the total surface area of the radical inhibitor per unit volume of the anode-side water-repellent layer 16ae is lower in the lower part 162ae than in the upper part 161ae. Is also small. Here, the smaller the particle size, the smaller the surface area exposed to water, so that the amount of Ce 3+ dissolved in water per unit volume is smaller than that of the larger particle size. Therefore, when water is distributed to the upper part 161ae and the lower part 162ae under the same conditions, the amount of elution of the radical inhibitor per unit volume of water per unit volume is higher from the lower part 162ae to the upper part 161ae. Less than from. The same applies to the cathode-side water-
尚、第5変形例において、上部161ae及び下部162aeでのラジカル抑制剤の濃度は略一定であるが、これに限定されない。即ち、下部162aeの方が上部161aeよりもラジカル抑制剤の濃度が低くてもよい。 In the fifth modification, the concentration of the radical inhibitor in the upper portion 161ae and the lower portion 162ae is substantially constant, but is not limited to this. That is, the concentration of the radical inhibitor may be lower in the lower portion 162ae than in the upper portion 161ae.
また、下部162aeの方が上部161aeよりもラジカル抑制剤の濃度が高くてもよいが、この場合、下部162aeの方が上部161aeよりも単位体積当たりでのラジカル抑制剤の合計表面積が小さく、かつ濃度の差よりも合計表面積の差の方がCe3+の溶出量に対して支配的であればよい。即ち、この場合も、上部161ae及び下部162aeに同一条件下で水を分布させた場合には、単位体積当たりの水へのCe3+の単位時間当たりでの溶出量は、下部162aeからの方が上部161aeからよりも少なくなればよい。カソード側撥水層16cについても同様である。
In addition, the lower 162ae may have a higher concentration of radical inhibitor than the upper 161ae, but in this case, the lower 162ae has a smaller total surface area of the radical inhibitor per unit volume than the upper 161ae, and It suffices if the total surface area difference is more dominant than the Ce 3+ elution amount than the concentration difference. That is, also in this case, when water is distributed to the upper part 161ae and the lower part 162ae under the same conditions, the amount of Ce 3+ dissolved in water per unit volume per unit time is higher from the lower part 162ae. It may be less than from the upper part 161ae. The same applies to the cathode-side water-
尚、第1〜第4変形例においても、第5変形例と同様に、ラジカル抑制剤の濃度の代わりにラジカル抑制剤の合計表面積が違っていてもよい。尚、例えば第1変形例において、ラジカル抑制剤の濃度の代わりに、ラジカル抑制剤の合計表面積が違っている場合には、単一のセル10a中のラジカル抑制剤の合計表面積をセル10aの合計体積で除算した値を、セル10aの単位体積当たりのラジカル抑制剤の合計表面積とする。第2〜第4変形例の場合も同様である。
In the first to fourth modified examples, the total surface area of the radical inhibitor may be different from the concentration of the radical inhibitor, similarly to the fifth modified example. For example, in the first modification, instead of the concentration of the radical inhibitor, when the total surface area of the radical inhibitor is different, the total surface area of the radical inhibitor in the
次に、ラジカル抑制剤の濃度の代わりに、ラジカル抑制剤の結晶性の違いに基づいて、電解質膜の強度の低下を抑制しつつ燃料電池の発電性能の低下も抑制された第6変形例について説明する。第6変形例の燃料電池は、図4Aに示した実施例と同じ態様で使用される。ここで結晶性が高いとは、結晶度が高いことと略同義である。結晶度とは、結晶部分と非結晶部分からなる高分子化合物における、結晶部分が全体に占める重量比である。図10Aは、ラジカル抑制剤であるCeO2の結晶構造の模式図である。図10Bは、結晶性が高いラジカル抑制剤の概念図である。図10Cは、結晶性が低いラジカル抑制剤の概念図である。結晶性が高い場合には、分子が格子配列されるのに対して、結晶性が低い場合には、分子がランダムに配列される。このため、単位体積当たりの水へのCe3+の単位時間当たりの溶出量は、結晶性が低い方が高い場合よりも多い。 Next, instead of the concentration of the radical inhibitor, based on the difference in crystallinity of the radical inhibitor, the sixth modified example in which the decrease in the power generation performance of the fuel cell is suppressed while the decrease in the strength of the electrolyte membrane is suppressed. explain. The fuel cell of the sixth modified example is used in the same manner as the embodiment shown in FIG. 4A. Here, high crystallinity is substantially synonymous with high crystallinity. The crystallinity is the weight ratio of the crystal part to the whole in the polymer compound composed of the crystal part and the non-crystal part. FIG. 10A is a schematic diagram of the crystal structure of CeO 2 which is a radical inhibitor. FIG. 10B is a conceptual diagram of a radical inhibitor with high crystallinity. FIG. 10C is a conceptual diagram of a radical inhibitor having low crystallinity. When the crystallinity is high, the molecules are arranged in a lattice, whereas when the crystallinity is low, the molecules are randomly arranged. For this reason, the amount of Ce 3+ dissolved in water per unit volume per unit time is larger when the crystallinity is lower than when the crystallinity is higher.
図10Dは、第6変形例でのアノード側撥水層でのラジカル抑制剤の結晶性を示したグラフである。縦軸は、鉛直方向でのアノード側撥水層の位置を示し、横軸はラジカル抑制剤の結晶性を示している。尚、第6変形例の燃料電池のセルのアノード側撥水層及びカソード側撥水層では、上述したラジカル抑制剤の濃度及び合計表面積は一定である。このように、第6変形例の燃料電池のセルのアノード側撥水層は、鉛直下方側の下部の方が上部よりもラジカル抑制剤の結晶性が高い。このため、アノード側撥水層の下部からのラジカル抑制剤の溶出量を抑制しつつ、アノード側撥水層の上部からのラジカル抑制剤の溶出量を確保されている。これにより第6変形例においても、電解質膜の強度の低下を抑制しつつ燃料電池1Aの発電性能の低下も抑制される。尚、カソード側撥水層のラジカル抑制剤の結晶性も同様である。また、アノード側撥水層の上部及び下部のそれぞれに同一条件下で水を分布させた場合に、単位体積当たりの水へのラジカル抑制剤の単位時間当たりでの溶出量は、下部からの方が上部からよりも少ない。 FIG. 10D is a graph showing the crystallinity of the radical inhibitor in the anode-side water-repellent layer in the sixth modified example. The vertical axis represents the position of the anode-side water-repellent layer in the vertical direction, and the horizontal axis represents the crystallinity of the radical inhibitor. Note that, in the anode-side water-repellent layer and the cathode-side water-repellent layer of the fuel cell of the sixth modified example, the concentration and the total surface area of the radical inhibitor described above are constant. As described above, in the anode-side water-repellent layer of the cell of the fuel cell of the sixth modified example, the crystallinity of the radical inhibitor is higher in the lower part on the vertically lower side than in the upper part. For this reason, the elution amount of the radical inhibitor from the upper part of the anode side water-repellent layer is ensured while suppressing the elution amount of the radical inhibitor from the lower part of the anode side water-repellent layer. Thereby, also in the sixth modified example, a decrease in the power generation performance of the fuel cell 1A is suppressed while suppressing a decrease in the strength of the electrolyte membrane. The same applies to the crystallinity of the radical inhibitor in the cathode-side water-repellent layer. In addition, when water is distributed to the upper and lower parts of the anode-side water-repellent layer under the same conditions, the elution amount of the radical inhibitor per unit volume of water per unit volume is from the lower part. There is less than from the top.
尚、第6変形例において、アノード側撥水層の部位によらずにラジカル抑制剤の濃度は略一定であり、その部位の単位体積当たりのラジカル抑制剤の合計表面積も略一定であるが、これに限定されない。即ち、第6変形例においても、アノード側撥水層の少なくとも一方の下部の方が上部よりも、ラジカル抑制剤の濃度が低くてもよいし、単位体積当たりのラジカル抑制剤の合計表面積が小さくてもよい。カソード側撥水層についても同様である。 In the sixth modification, the concentration of the radical inhibitor is substantially constant regardless of the portion of the anode-side water-repellent layer, and the total surface area of the radical inhibitor per unit volume of the portion is also substantially constant. It is not limited to this. That is, also in the sixth modification, the concentration of the radical inhibitor may be lower in the lower part of at least one of the anode-side water-repellent layers than in the upper part, and the total surface area of the radical inhibitor per unit volume is smaller. May be. The same applies to the cathode-side water-repellent layer.
また、第6変形例において、アノード側撥水層の下部の方が上部よりも、ラジカル抑制剤の濃度が高くてもよいし、アノード側撥水層の単位体積当たりのラジカル抑制剤の合計表面積が大きくてもよいが、この場合、下部の方が上部よりも結晶性が高く、かつ濃度の差や合計表面積の差よりも結晶性の差の方がCe3+の溶出量に対して支配的であればよい。即ち、この場合も、上部及び下部に同一の密度で水を均一に分布させた場合には、単位体積当たりの水へのCe3+の単位時間当たりでの溶出量は、下部からの方が上部からよりも少なくなればよい。カソード側撥水層についても同様である。 Further, in the sixth modification, the concentration of the radical inhibitor may be higher in the lower part of the anode-side water-repellent layer than in the upper part, and the total surface area of the radical inhibitor per unit volume of the anode-side water-repellent layer. However, in this case, the lower part has higher crystallinity than the upper part, and the difference in crystallinity is more dominant than the difference in concentration and total surface area with respect to the Ce 3+ elution amount. If it is. That is, also in this case, when water is uniformly distributed at the upper and lower portions, the amount of Ce 3+ per unit volume of water dissolved per unit volume is higher from the lower portion. Less than. The same applies to the cathode-side water-repellent layer.
尚、第1〜第4変形例においても、第6変形例と同様に、ラジカル抑制剤の濃度の代わりに、ラジカル抑制剤の結晶性が相違していてもよい。 In the first to fourth modifications, the crystallinity of the radical inhibitor may be different instead of the concentration of the radical inhibitor, as in the sixth modification.
以上のように、上記実施例及び第1〜第6変形例において、残水量が多い部位で単位体積当たりの水へのラジカル抑制剤の単位時間当たりでの溶出量を抑制し、残水量が少ない部位で単位体積当たりの水へのラジカル抑制剤の単位時間当たりでの溶出量を確保することにより、電解質膜の強度の低下を抑制しつつ燃料電池の発電性能の低下を抑制できる。 As mentioned above, in the said Example and 1st-6th modification, the elution amount per unit time of the radical inhibitor to the water per unit volume is suppressed in the site | part with much residual water amount, and there is little residual water amount. By securing the elution amount per unit time of the radical inhibitor into water per unit volume at the site, it is possible to suppress a decrease in power generation performance of the fuel cell while suppressing a decrease in the strength of the electrolyte membrane.
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to such specific embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. It can be changed.
上記実施例及び変形例の燃料電池は、発電停止後に掃気制御が実行されるものに限定されない。掃気制御が実行されることにより、燃料電池内の残水量を減少させることができるが、掃気制御を実行しない場合であっても発電停止後に燃料電池内での残水量が多い部位と少ない部位とに変わりはないからである。例えば、上記実施例や第1及び第2変形例においては、重力の作用により残水量が多い部位が発生し、第3及び第4変形例においては、掃気ガスと同じ経路を流れる酸化剤ガスの流通により残水量が多い部位が発生するからである。 The fuel cells of the above-described embodiments and modifications are not limited to those in which scavenging control is executed after power generation is stopped. By executing scavenging control, the amount of remaining water in the fuel cell can be reduced, but even when scavenging control is not performed, there are parts where the amount of residual water in the fuel cell is large and parts that are small after stopping power generation. This is because there is no change. For example, in the above embodiment and the first and second modified examples, a portion having a large amount of residual water is generated due to the action of gravity, and in the third and fourth modified examples, the oxidant gas flowing through the same path as the scavenging gas is generated. This is because a part with a large amount of residual water is generated by circulation.
上記実施例及び変形例では、ラジカル抑制剤は、アノード側撥水層16a及びカソード側撥水層16cに含有されているがこれに限定されず、アノード触媒層14a、カソード触媒層14c、アノード側撥水層16a、カソード側撥水層16c、アノードガス拡散層17a、カソードガス拡散層17c、アノード側セパレータ20a、及びカソード側セパレータ20cの少なくとも一つに含有されていればよい。
In the above-described embodiments and modifications, the radical inhibitor is contained in the anode-side water-
ここで、アノード側セパレータ20aにラジカル抑制剤が含有されている場合とは、アノード側セパレータ20aの基体のMEGA30に対向する面の表面に、ラジカル抑制剤を含有した層が形成されている場合である。ラジカル抑制剤を含有した層は、例えば、アノード側セパレータ20aの基体のMEGA30に対向する面を、ラジカル抑制剤を含有したペーストによりコーティングすることにより形成できる。アノード側セパレータ20aの基体のMEGA30に対向する面全体にこのようなペーストをコーティングする場合には、アノード側セパレータ20aとMEGA30との導電性を確保するために、ペーストにカーボン等の導電性粒子を更に含有させることが好ましい。また、ペーストに導電性粒子を含有させない場合には、MEGA30と接しないアノード側セパレータ20aのアノードガス流路22aの底部のみにペーストをコーティングすることが好ましい。カソード側セパレータ20cについても同様である。
Here, the case where the anode-
また、ラジカル抑制剤は、金属単体及び/又は当該金属元素を含む金属化合物であれば特に限定されない。ラジカル抑制剤のCe以外の具体例としては、Mn、Fe、Pt、Pd、Ni、Cr、Cu、Rb、Co、Ir、Ag、Au、Rh、Ti、Zr、Al、Hf、Ta、Nb、Os等からなる単体及び/又は上記元素を含む化合物である。 Moreover, a radical inhibitor will not be specifically limited if it is a metal simple substance and / or the metal compound containing the said metal element. Specific examples of the radical inhibitor other than Ce include Mn, Fe, Pt, Pd, Ni, Cr, Cu, Rb, Co, Ir, Ag, Au, Rh, Ti, Zr, Al, Hf, Ta, Nb, A simple substance composed of Os or the like and / or a compound containing the above element.
10、10a、10b、10c、10d セル
10a―n、10b−n、10c−1、10d−1 セル(第1セル)
10a―1、10b−1、10c−n、10d−m セル(第2セル)
10d−n セル(第3セル)
11 MEA
12 電解質膜
14a アノード触媒層
14c カソード触媒層
16a アノード側撥水層
161a 上部(第1部位)
162a 下部(第2部位)
16c カソード側撥水層
18a アノードガス拡散層
18c カソードガス拡散層
20a アノード側セパレータ
20c カソード側セパレータ
20 燃料電池
10, 10a, 10b, 10c,
10a-1, 10b-1, 10c-n, 10dm cell (second cell)
10d-n cell (third cell)
11 MEA
12
162a Lower part (second part)
16c Cathode side water-
Claims (4)
一対の前記電極及び一対の前記セパレータの少なくとも一つは、ラジカル抑制剤を含有した第1部位と、ラジカル抑制剤を含有し前記第1部位よりも鉛直下方側に位置する第2部位と、を備え、
前記第2部位は、前記第1部位よりも、ラジカル抑制剤の濃度が低い、単位体積当たりに含有されているラジカル抑制剤の合計表面積が小さい、及びラジカル抑制剤の結晶性が高い、のうちの少なくとも一つにより、前記第1及び第2部位のそれぞれに同一条件下で水を分布させた場合に、単位体積当たりの水へのラジカル抑制剤の単位時間当たりでの溶出量は、前記第2部位からの方が前記第1部位からよりも少ない、燃料電池。 In a fuel cell comprising a cell having a pair of electrodes sandwiching an electrolyte membrane and a pair of separators sandwiching a pair of the electrodes,
At least one of the pair of electrodes and the pair of separators includes a first part containing a radical inhibitor, and a second part containing a radical inhibitor and positioned vertically below the first part. Prepared,
The second part has a lower concentration of radical inhibitor than the first part, a small total surface area of radical inhibitors contained per unit volume, and a high crystallinity of the radical inhibitor. According to at least one of the above, when water is distributed to each of the first and second sites under the same conditions, the elution amount of the radical inhibitor per unit volume of water per unit volume is A fuel cell having less from two parts than from the first part.
複数の前記セルのうちの一つである第1セルと、
複数の前記セルのうちの一つであり、前記第1セルよりも前記セルの積層方向で鉛直下方側に位置した第2セルと、を備え、
前記第2セルは、前記第1セルよりも、ラジカル抑制剤の濃度が低い、単位体積当たりに含有されているラジカル抑制剤の合計表面積が小さい、及びラジカル抑制剤の結晶性が高い、のうちの少なくとも一つにより、前記第1及び第2セル内に同一条件下で水を分布させた場合に、単位体積当たりの水へのラジカル抑制剤の単位時間当たりでの溶出量は、前記第2セルからの方が前記第1セルからよりも少ない、燃料電池。 In a fuel cell in which at least one of a pair of electrodes sandwiching an electrolyte membrane and a pair of separators sandwiching a pair of the electrodes is laminated with a plurality of cells containing radical inhibitors,
A first cell that is one of the plurality of cells;
A second cell that is one of the plurality of cells and is positioned vertically lower than the first cell in the stacking direction of the cells,
In the second cell, the concentration of the radical inhibitor is lower than the first cell, the total surface area of the radical inhibitor contained per unit volume is small, and the crystallinity of the radical inhibitor is high. According to at least one of the above, when water is distributed in the first and second cells under the same conditions, the elution amount of the radical inhibitor per unit volume of water per unit volume is the second amount. A fuel cell having fewer cells than the first cell.
複数の前記セルを貫通し、第1方向に反応ガスが流通する供給マニホールドと、
複数の前記セルを貫通し、前記供給マニホールドから複数の前記セルを介して反応ガスが流入し、前記第1方向とは逆方向の第2方向に反応ガスが流通する排出マニホールドと、
複数の前記セルのうちの一つである第1セルと、
複数の前記セルのうちの一つであり、前記第1セルよりも前記第1方向側に位置した第2セルと、を備え、
前記第2セルは、前記第1セルよりも、ラジカル抑制剤の濃度が低い、単位体積当たりに含有されているラジカル抑制剤の合計表面積が小さい、及びラジカル抑制剤の結晶性が高い、のうちの少なくとも一つにより、前記第1及び第2セル内に同一条件下で水を分布させた場合に、単位体積当たりの水への前記ラジカル抑制剤の単位時間当たりでの溶出量は、前記第2セルからの方が前記第1セルからよりも少ない、燃料電池。 In a fuel cell in which at least one of a pair of electrodes sandwiching an electrolyte membrane and a pair of separators sandwiching a pair of the electrodes is laminated with a plurality of cells containing radical inhibitors,
A supply manifold that passes through the plurality of cells and in which a reaction gas flows in a first direction;
A discharge manifold through which the reaction gas flows through the plurality of cells, through the plurality of cells from the supply manifold, and in which the reaction gas flows in a second direction opposite to the first direction;
A first cell that is one of the plurality of cells;
A second cell that is one of the plurality of cells and is located closer to the first direction than the first cell,
In the second cell, the concentration of the radical inhibitor is lower than the first cell, the total surface area of the radical inhibitor contained per unit volume is small, and the crystallinity of the radical inhibitor is high. When water is distributed under the same conditions in the first and second cells by at least one of the following, the elution amount of the radical inhibitor per unit volume of water per unit volume is A fuel cell that has fewer cells than two cells than the first cell.
複数の前記セルを貫通し、第1方向に反応ガスが流通する供給マニホールドと、
複数の前記セルを貫通し、前記供給マニホールドから複数の前記セルを介して反応ガスが流入し、前記第1方向に反応ガスが流通する排出マニホールドと、
複数の前記セルのうちの一つであり、最も前記第1方向とは逆方向の第2方向側に位置した第1セルと、
複数の前記セルのうちの一つであり、前記第1セルよりも前記第1方向側に位置した第2セルと、
複数の前記セルのうちの一つであり、最も前記第1方向側に位置した第3セルと、を備え、
前記第2セルは、前記第1及び第3セルのそれぞれよりも、ラジカル抑制剤の濃度が低い、単位体積当たりに含有されているラジカル抑制剤の合計表面積が小さい、及びラジカル抑制剤の結晶性が高い、のうちの少なくとも一つにより、前記第1、第2、及び第3セル内に同一条件下で水を分布させた場合に、単位体積当たりの水へのラジカル抑制剤の単位時間当たりでの溶出量は、前記第2セルからの方が前記第1及び第3セルのそれぞれからよりも少ない、燃料電池。 In a fuel cell in which at least one of a pair of electrodes sandwiching an electrolyte membrane and a pair of separators sandwiching a pair of the electrodes is laminated with a plurality of cells containing radical inhibitors,
A supply manifold that passes through the plurality of cells and in which a reaction gas flows in a first direction;
A discharge manifold that passes through the plurality of cells, the reaction gas flows from the supply manifold through the plurality of cells, and the reaction gas flows in the first direction;
A first cell that is one of the plurality of cells and is located closest to the second direction opposite to the first direction;
A second cell that is one of the plurality of cells and is located closer to the first direction than the first cell;
A third cell that is one of the plurality of cells and is located closest to the first direction,
The second cell has a lower concentration of radical inhibitor than each of the first and third cells, the total surface area of the radical inhibitor contained per unit volume, and the crystallinity of the radical inhibitor. Per unit time of radical inhibitor into water per unit volume when water is distributed under the same conditions in the first, second and third cells due to at least one of The amount of elution in the fuel cell is smaller from the second cell than from each of the first and third cells.
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