JP2019033000A - Fuel battery - 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.
膜電極ガス拡散層接合体の周囲にフレームが配置され、膜電極ガス拡散層接合体とフレームとをアノード側セパレータ及びカソード側セパレータで挟持した燃料電池が知られている(例えば、特許文献1)。 A fuel cell is known in which a frame is disposed around a membrane electrode gas diffusion layer assembly, and the membrane electrode gas diffusion layer assembly and the frame are sandwiched between an anode separator and a cathode separator (for example, Patent Document 1). .
カソード側セパレータは、膜電極接合体を冷却する冷媒が流通する冷媒流路を有する。膜電極接合体は電気化学反応によって発熱することから、冷媒流路を流れる冷媒はこの発熱によって温度が上昇する。このため、冷媒流路の上流側での冷媒の温度に比べて、下流側での冷媒の温度は高くなる。 The cathode side separator has a refrigerant flow path through which a refrigerant for cooling the membrane electrode assembly flows. Since the membrane / electrode assembly generates heat by an electrochemical reaction, the temperature of the refrigerant flowing through the refrigerant flow path rises due to this heat generation. For this reason, the temperature of the refrigerant | coolant in a downstream becomes high compared with the temperature of the refrigerant | coolant in the upstream of a refrigerant flow path.
膜電極接合体は、適切な温度範囲内にある場合に発電性能が良好となり、適切な温度範囲よりも低くても高くても発電性能は低下してしまう。冷媒流路を流れる冷媒の温度は上流側で低く、下流側で高くなることから、膜電極接合体のうちの冷媒流路の上流側に位置する部分は適切な温度範囲よりも低くなり、下流側に位置する部分は適切な温度範囲よりも高くなることがある。この場合、発電性能が低下してしまう。 When the membrane / electrode assembly is within an appropriate temperature range, the power generation performance is good, and the power generation performance is degraded even if the temperature is lower or higher than the appropriate temperature range. Since the temperature of the refrigerant flowing through the refrigerant flow path is low on the upstream side and high on the downstream side, the portion of the membrane electrode assembly located on the upstream side of the refrigerant flow path is lower than the appropriate temperature range, and the downstream The part located on the side may be higher than the appropriate temperature range. In this case, the power generation performance is degraded.
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、発電性能の低下を抑制することを目的とする。 This invention is made | formed in view of the said subject, and aims at suppressing the fall of electric power generation performance.
本発明は、膜電極接合体と前記膜電極接合体を挟んで配置されたアノードガス拡散層及びカソードガス拡散層とを含む膜電極ガス拡散層接合体と、前記膜電極ガス拡散層接合体の周囲に配置されたシール部材と、前記膜電極ガス拡散層接合体及び前記シール部材を挟持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、を備え、前記カソード側セパレータは、前記膜電極ガス拡散層接合体とは反対側の面に前記膜電極接合体を冷却する冷媒が流通する冷媒流路を有し、前記シール部材は、前記冷媒流路の下流側で前記カソード側セパレータに接する部分の熱伝導率が前記冷媒流路の上流側で前記カソード側セパレータに接する部分の熱伝導率よりも大きい、及び/又は、前記冷媒流路の下流側で前記カソードガス拡散層に接する部分の熱伝導率が前記冷媒流路の上流側で前記カソードガス拡散層に接する部分の熱伝導率よりも大きい、燃料電池である。 The present invention relates to a membrane electrode gas diffusion layer assembly including a membrane electrode assembly and an anode gas diffusion layer and a cathode gas diffusion layer arranged with the membrane electrode assembly interposed therebetween, and the membrane electrode gas diffusion layer assembly. A seal member disposed around, and an anode-side separator and a cathode-side separator sandwiching the membrane-electrode gas diffusion layer assembly and the seal member, wherein the cathode-side separator is the membrane-electrode gas diffusion layer assembly A coolant channel through which a coolant for cooling the membrane electrode assembly flows on a surface opposite to the surface, and the seal member has a thermal conductivity of a portion in contact with the cathode separator on the downstream side of the coolant channel Is larger than the thermal conductivity of the portion in contact with the cathode separator on the upstream side of the refrigerant flow path and / or the portion in contact with the cathode gas diffusion layer on the downstream side of the refrigerant flow path. Greater than the thermal conductivity of the portion conductivity in contact with the cathode gas diffusion layer upstream of the coolant channel is a fuel cell.
本発明によれば、発電性能の低下を抑制することができる。 According to the present invention, it is possible to suppress a decrease in power generation performance.
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
実施例1の燃料電池は、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)の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造を有する。図1は、実施例1に係る燃料電池を構成する単セル100の分解斜視図である。
The fuel cell of Example 1 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 a reaction gas, and has a stack structure in which a large number of single cells are stacked. Have FIG. 1 is an exploded perspective view of a
図1のように、実施例1の単セル100は、アノード側セパレータ18a、膜電極ガス拡散層接合体(MEGA:Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly)20、及びカソード側セパレータ18cを備える。MEGA20の周囲にはシール部材40が配置されている。言い換えると、MEGA20はシール部材40の内側に配置されている。MEGA20及びシール部材40は、アノード側セパレータ18aとカソード側セパレータ18cによって挟持されている。
As shown in FIG. 1, the
アノード側セパレータ18a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、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18aには孔a1及び孔a2が設けられ、シール部材40には孔s1及び孔s2が設けられ、カソード側セパレータ18cの両側に配置された周縁部材70には孔c1及び孔c2が設けられている。周縁部材70は、例えば熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂などの絶縁部材である。孔a1と孔s1と孔c1は連通し、水素を供給する供給マニホールドを画定する。孔a2と孔s2と孔c2は連通し、水素を排出する排出マニホールドを画定する。アノード側セパレータ18aのMEGA20側の面には、供給マニホールドから排出マニホールドに向かって延在し、MEGA20に供給される水素が流れる燃料ガス流路26が設けられている。なお、周縁部材70はカソード側セパレータ18cと同じ材料によって形成されていてもよい。すなわち、カソード側セパレータ18cは周縁部材70を含んでいてもよい。
The anode-
カソード側セパレータ18cの中央部分の少なくともMEGA20に対向する部位は、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いる。カソード側セパレータ18cは、例えばプレス成型による曲げ加工によって凹凸形状が形成されたステンレス鋼などの金属部材からなる。カソード側セパレータ18cには、厚み方向の凹凸形状によって、それぞれ空気が流れる酸化剤ガス流路22と冷媒流路24が形成されている。酸化剤ガス流路22と冷媒流路24は、カソード側セパレータ18cの一端から他端に向かって直線状に延在し、互いに隣り合って配置されている。酸化剤ガス流路22及び冷媒流路24を流れる空気は、カソード側セパレータ18cの一端側である空気供給口から他端側である空気排出口に向かって流れる。
At least a portion of the central portion of the
酸化剤ガス流路22は、カソード側セパレータ18cのMEGA20側の面に設けられてMEGA20側に開口した凹部30によって形成されている。したがって、酸化剤ガス流路22を流れる空気は、MEGA20に供給されて主に発電に用いられる。冷媒流路24は、カソード側セパレータ18cのMEGA20とは反対側の面に設けられてMEGA20とは反対側に開口した凹部32によって形成されている。したがって、冷媒流路24を流れる空気は、MEGA20の冷却に主に用いられる。このように、実施例1の燃料電池は、空冷式の燃料電池である。
The oxidant
図2は、図1のA−A間の断面図である。図2のように、MEGA20は、電解質膜12、アノード触媒層14a、カソード触媒層14c、アノードガス拡散層16a、及びカソードガス拡散層16cを備える。アノード触媒層14aは電解質膜12の一方の面に設けられ、カソード触媒層14cは電解質膜12の他方の面に設けられている。これにより、膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)10が形成されている。電解質膜12は、例えばスルホン酸基を有するフッ素系樹脂材料又は炭化水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、例えば電気化学反応を進行する触媒(白金又は白金−コバルト合金など)を担持したカーボン粒子(カーボンブラックなど)と、スルホン酸基を有する固体高分子であって湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有するアイオノマーと、を含む。
2 is a cross-sectional view taken along a line AA in FIG. As shown in FIG. 2, the
アノードガス拡散層16aとカソードガス拡散層16cは、MEA10の両側にMEA10を挟んで設けられている。アノードガス拡散層16a及びカソードガス拡散層16c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いて、例えばカーボンクロス又は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。なお、MEA10とアノードガス拡散層16a及びカソードガス拡散層16cとの間に、MEA10内に含まれる水分量の調整を目的とした撥水層を備えていてもよい。
The anode
シール部材40は、枠部材42と、接着剤44から接着剤48と、を含んで構成されている。枠部材42は、MEGA20の周囲を囲んで設けられている。接着剤44は、枠部材42、アノード側セパレータ18a、及びMEA10に接着し、燃料ガス流路26の周囲を囲んで設けられている。これにより、燃料ガス流路26を流れる水素は外部に漏れないように封止されている。なお、接着剤44は、アノードガス拡散層16a及びカソードガス拡散層16cに接着していてもよい。
The
接着剤46は、カソード側セパレータ18cに設けられた冷媒流路24の上流側(空気供給口側)に設けられ、枠部材42、カソード側セパレータ18c、及びカソードガス拡散層16cに接着している。接着剤48は、カソード側セパレータ18cに設けられた冷媒流路24の下流側(空気排出口側)に設けられ、枠部材42、カソード側セパレータ18c、及びカソードガス拡散層16cに接着している。接着剤46及び接着剤48は、カソード側セパレータ18cの凹部32(図1参照)にてカソード側セパレータ18cと枠部材42とを接着している。一方、カソード側セパレータ18cの凹部30(図1参照)では、カソード側セパレータ18cと枠部材42とは離間しているため、接着剤46及び接着剤48により接着されていない。なお、カソード側セパレータ18cの両側に配置された周縁部材70(図1参照)は、枠部材42に直接接合されていてもよいし、接着剤で接着されていてもよい。
The
接着剤44及び接着剤46は、例えばシランカップリング剤が配合されたポリプロピレン又はポリエチレン、ポリオレフィンに官能基を導入した変形ポリオレフィンなどの熱可塑性樹脂であるが、熱硬化性樹脂であってもよい。接着剤48は、例えば変形オレフィン系樹脂などの熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂に伝熱性フィラーが添加されたものである。伝熱性フィラーとして、例えば窒化アルミニウム、アルミナ、窒化ホウ素、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、カーボンナノチューブ(CNT:Carbon Nanotube)、ダイヤモンド、グラファイト、又はグラフェンなどが挙げられる。接着剤48は、このような伝熱性フィラーを少なくとも1種含むことで、接着剤44及び接着剤46よりも熱伝導率が大きくなっている。 The adhesive 44 and the adhesive 46 are thermoplastic resins such as polypropylene or polyethylene in which a silane coupling agent is blended, or a modified polyolefin in which a functional group is introduced into polyolefin, but may be thermosetting resins. The adhesive 48 is obtained by adding a heat conductive filler to a thermoplastic resin such as a modified olefin resin or a thermosetting resin. Examples of the heat conductive filler include aluminum nitride, alumina, boron nitride, zinc oxide, magnesium oxide, carbon nanotube (CNT: Carbon Nanotube), diamond, graphite, and graphene. The adhesive 48 includes at least one kind of such a heat conductive filler, so that the thermal conductivity is higher than that of the adhesive 44 and the adhesive 46.
枠部材42は、例えばポリエチレンナフタレート(PEN:Polyethylene Naphthalate)などの樹脂で形成されている。なお、枠部材42は、絶縁性を有していれば、その他の絶縁性部材で形成されていてもよい。枠部材42が絶縁性を有することで、アノードとカソードの間の絶縁性が確保されている。
The
実施例1によれば、図2のように、冷媒流路24の下流側(空気排出口側)でカソード側セパレータ18cに接着する接着剤48は、伝熱性フィラーを含有し、熱伝導率が大きくなっている。すなわち、MEGA20の周囲に配置されたシール部材40は、冷媒流路24の下流側(空気排出口側)でカソード側セパレータ18cに接する部分の熱伝導率が上流側(空気供給口側)でカソード側セパレータ18cに接する部分の熱伝導率よりも大きくなっている。且つ、シール部材40は、冷媒流路24の下流側でカソードガス拡散層16cに接する部分の熱伝導率が上流側でカソードガス拡散層16cに接する部分の熱伝導率よりも大きくなっている。これにより、図2のように、冷媒流路24の下流側において、カソード触媒層14cで電気化学反応によって発生した熱の放熱経路として、カソードガス拡散層16cからカソード側セパレータ18cに直接放熱する経路(黒矢印I)に加え、カソードガス拡散層16cから接着剤48を経由してカソード側セパレータ18cに放熱する経路(黒矢印II)及び接着剤48から直接外部に放熱する経路(黒矢印III)が生じる。冷媒流路24を流れる空気はカソード触媒層14cでの発熱によって温度が上昇するため、MEA10のうちの冷媒流路24の下流側に位置する部分の温度が上昇し、その結果、発電性能が低下することがある。しかしながら、実施例1では、図2で説明したように、冷媒流路24の下流側において、カソード触媒層14cで発生した熱の放熱経路が増えるため、MEA10のうちの冷媒流路24の下流側に位置する部分の温度の上昇が抑えられる。よって、発電性能の低下を抑制できる。
According to Example 1, as shown in FIG. 2, the adhesive 48 that adheres to the
なお、実施例1において、カソード側の接着剤48の代わりに又は接着剤48に加えて、アノード側の接着剤44のうちの冷媒流路24の下流側に位置する部分に伝熱性フィラーを添加させてもよい。アノード側の接着剤44は、図2に示すように、カソードガス拡散層16cに接している。これにより、MEA10のうちの冷媒流路24の下流側に位置する部分において、カソード触媒層14cで発生する熱を効果的に放熱させて温度上昇を抑制できる。このように、シール部材40は、冷媒流路24の下流側でカソード側セパレータ18cに接する部分の熱伝導率が上流側でカソード側セパレータ18cに接する部分の熱伝導率より大きい、及び、冷媒流路24の下流側でカソードガス拡散層16cに接する部分の熱伝導率が上流側でカソードガス拡散層16cに接する部分の熱伝導率よりも大きい、ことの少なくとも一方を満たせばよい。
In Example 1, in place of or in addition to the adhesive 48 on the cathode side, in addition to the adhesive 48, a heat conductive filler is added to a portion of the anode side adhesive 44 located on the downstream side of the
なお、実施例1では、シール部材40は、枠部材42と接着剤44から接着剤48との複数の部材で構成されている場合を例に示したが、1つの部材で形成されていてもよい。この場合、アノード側及びカソード側の両方において、シール部材40のうちの冷媒流路24の下流側に位置する部分の熱伝導率が上流側に位置する部分の熱伝導率よりも大きくなる。
In the first embodiment, the case where the
図3は、実施例2に係る燃料電池を構成する単セル200の断面図である。図3のように、実施例2の単セル200では、カソード側において冷媒流路24の下流側(空気排出口側)に設けられた接着剤50は、アノード側に設けられた接着剤44と同じく、伝熱性フィラーを含有しない樹脂からなる。一方、カソード側において冷媒流路24の上流側(空気供給口側)に設けられた接着剤52は、断熱性フィラーを含有する樹脂からなる。断熱性フィラーとして、例えば中空ガラスビーズなどが挙げられる。接着剤52は、このような断熱性フィラーを含むことで、接着剤44及び接着剤50よりも熱伝導率が小さくなっている。
FIG. 3 is a cross-sectional view of a
また、カソード側セパレータ18cには、冷媒流路24の上流側に位置する部分に貫通孔60が設けられている。図4は、実施例2におけるカソード側セパレータ18cの斜視図である。図4のように、貫通孔60は、冷媒流路24の上流側において、冷媒流路24を形成する凹部32の底面を貫通して設けられている。貫通孔60は、例えば複数の冷媒流路24の全てに設けられているが、一部にのみ設けられている場合でもよい。また、各冷媒流路24において複数の貫通孔60が設けられていてもよい。また、貫通孔60は、カソード側セパレータ18cの両側に配置された周縁部材70のうちの冷媒流路24の上流側に相当する部分に設けられていてもよい。その他の構成は、実施例1と同じであるため説明を省略する。
The
実施例2によれば、図3のように、冷媒流路24の上流側(空気供給口側)でカソード側セパレータ18cに接着する接着剤52は、断熱性フィラーを含有し、熱伝導率が小さくなっている。すなわち、MEGA20の周囲に配置されたシール部材40は、冷媒流路24の上流側(空気供給口側)でカソード側セパレータ18cに接する部分の熱伝導率が下流側(空気排出口側)でカソード側セパレータ18cに接する部分の熱伝導率よりも小さくなっている。且つ、シール部材40は、冷媒流路24の上流側でカソードガス拡散層16cに接する部分の熱伝導率が下流側でカソードガス拡散層16cに接する部分の熱伝導率よりも小さくなっている。これにより、冷媒流路24の上流側において、カソード触媒層14cで電気化学反応によって発生した熱がカソードガス拡散層16cから接着剤52を介してカソード側セパレータ18cに放熱することが抑制される。MEA10のうちの冷媒流路24の上流側に位置する部分は、冷媒流路24を流れる空気によって温度が低下し、その結果、発電性能が低下することがある。しかしながら、実施例2では、冷媒流路24の上流側において、カソード触媒層14cで発生した熱が接着剤52を介してカソード側セパレータ18cに放熱することが抑制されるため、MEA10のうちの冷媒流路24の上流側に位置する部分の温度の低下が抑えられる。よって、発電性能の低下を抑制できる。
According to the second embodiment, as shown in FIG. 3, the adhesive 52 that adheres to the
また、実施例2によれば、冷媒流路24の上流側において、カソード側セパレータ18cに貫通孔60が設けられている。これにより、冷媒流路24の上流側において、カソードガス拡散層16cを介してカソード側セパレータ18cに伝わった熱が、発電領域から発電領域の外側に伝わることが抑制される。よって、MEA10のうちの冷媒流路24の上流側に位置する部分の温度の低下を更に抑制できる。
Further, according to the second embodiment, the through
なお、実施例2において、カソード側において冷媒流路24の下流側に設けられる接着剤に、実施例1の伝熱性フィラーを含有する接着剤48を用いてもよい。
In Example 2, the adhesive 48 containing the heat conductive filler of Example 1 may be used for the adhesive provided on the cathode side downstream of the
なお、実施例1及び実施例2では、空冷式の燃料電池の場合を例に説明したが、水冷式の燃料電池の場合でもよい。しかしながら、空冷式の燃料電池では、冷媒流路の上流域と下流域とでの冷媒の温度分布が大きくなり易い。このため、本発明を空冷式の燃料電池に適用することが好ましい。 In addition, although Example 1 and Example 2 demonstrated the case of the air-cooled fuel cell as an example, the case of a water-cooled fuel cell may be sufficient. However, in an air-cooled fuel cell, the temperature distribution of the refrigerant tends to increase in the upstream area and the downstream area of the refrigerant flow path. For this reason, it is preferable to apply the present invention to an air-cooled fuel cell.
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.
10 膜電極接合体
12 電解質膜
14a アノード触媒層
14c カソード触媒層
16a アノードガス拡散層
16c カソードガス拡散層
18a アノード側セパレータ
18c カソード側セパレータ
20 膜電極ガス拡散層接合体
22 酸化剤ガス流路
24 冷媒流路
26 燃料ガス流路
30、32 凹部
40 シール部材
42 枠部材
44〜52 接着剤
60 貫通孔
70 周縁部材
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記膜電極ガス拡散層接合体の周囲に配置されたシール部材と、
前記膜電極ガス拡散層接合体及び前記シール部材を挟持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、を備え、
前記カソード側セパレータは、前記膜電極ガス拡散層接合体とは反対側の面に前記膜電極接合体を冷却する冷媒が流通する冷媒流路を有し、
前記シール部材は、前記冷媒流路の下流側で前記カソード側セパレータに接する部分の熱伝導率が前記冷媒流路の上流側で前記カソード側セパレータに接する部分の熱伝導率よりも大きい、及び/又は、前記冷媒流路の下流側で前記カソードガス拡散層に接する部分の熱伝導率が前記冷媒流路の上流側で前記カソードガス拡散層に接する部分の熱伝導率よりも大きい、燃料電池。
A membrane electrode gas diffusion layer assembly comprising a membrane electrode assembly and an anode gas diffusion layer and a cathode gas diffusion layer disposed across the membrane electrode assembly;
A seal member disposed around the membrane electrode gas diffusion layer assembly;
An anode-side separator and a cathode-side separator that sandwich the membrane electrode gas diffusion layer assembly and the seal member,
The cathode-side separator has a refrigerant flow path through which a refrigerant for cooling the membrane electrode assembly flows on a surface opposite to the membrane electrode gas diffusion layer assembly.
The seal member has a thermal conductivity at a portion in contact with the cathode separator on the downstream side of the refrigerant flow path that is greater than a thermal conductivity of a portion on the upstream side of the refrigerant flow path in contact with the cathode separator, and / or Alternatively, the fuel cell has a thermal conductivity of a portion in contact with the cathode gas diffusion layer on the downstream side of the refrigerant flow path that is greater than a thermal conductivity of a portion in contact with the cathode gas diffusion layer on the upstream side of the refrigerant flow path.
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