JP2023139576A - Fuel battery cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池セルの構造に係り、より詳細には、燃料電池セルに於いて発電反応により生成された水の排水性能に関する構造に係る。 The present invention relates to a structure of a fuel cell, and more particularly to a structure related to drainage performance of water generated by a power generation reaction in a fuel cell.
燃料電池セルは、基本的には、電解質膜をその両側から一対の触媒電極層にて挟持してなる膜電極接合体を、一対のガス拡散層が挟持し、更に、その両側にて水素ガス、酸素ガス(空気)或いは水のための流路を形成する一対のセパレータが挟持して成る構造を有する。かかる燃料電池セルに於いて、発電性能をより向上するために種々の構成が提案されている。例えば、特許文献1に於いては、高加湿及び高電流密度運転に於いてカソード側で生成される水がカソード触媒層に溜まり、その生成水に阻害されて、反応物がカソード触媒層に十分に供給されず、電池出力が低下する現象(フラッディング)を回避すべく、カソード側からの生成水を適切に排出する条件として、カソード側のガス拡散層に於けるガスの通気度と水の通水度とをほぼ同じにすることが提案されている。また、特許文献2に於いては、無加湿状態でかつ高温の環境下に於いて、カソード極側から水が過剰に排出されて電解質膜が乾燥し、電解質膜のプロトン伝導度が低下して、燃料電池の電圧が低下することを回避するための条件として、ガス拡散層が、基材と、該基材と触媒層との間に設けられる撥水層とを備え、カソード極の撥水層の水蒸気拡散係数を0.01以上とし、アノード極の撥水層の水蒸気拡散係数をカソード極の撥水層の水蒸気拡散係数以下とすることが提案されている。
A fuel cell basically consists of a membrane electrode assembly consisting of an electrolyte membrane sandwiched between a pair of catalyst electrode layers on both sides, a membrane electrode assembly sandwiched between a pair of gas diffusion layers, and hydrogen gas on both sides. It has a structure in which a pair of separators are sandwiched between each other to form a flow path for oxygen gas (air) or water. Various configurations have been proposed for such fuel cells to further improve power generation performance. For example, in
上記の如き燃料電池セルに於いて、プロトンをアノード側からカソード側へ伝導する電解質膜は液体の水で常に湿潤されている必要があり、燃料電池の動作温度が高温である場合に、電解質膜が乾燥すると、膜内でのプロトン抵抗が高くなって、発電性能の低下が生ずることとなる。しかしながら、カソード側では、発電反応に伴って水が常に生成されるので、特に、燃料電池の動作温度が低温である場合には、セル内に水が滞留しやすくなり、その滞留した水がガス拡散に対する抵抗となり、やはり、発電性能の低下を生ずる。従って、燃料電池セルに於いては、高温運転時には、電解質膜の乾燥を回避して湿潤性を保持して、水が滞留しやすい低温運転時には、生成水の排水性を高めつつ、高温運転時と低温運転時の性能を両立できるように、セルからの排水の程度(排水性)を制御できることが好ましい。 In the fuel cell described above, the electrolyte membrane that conducts protons from the anode side to the cathode side must be constantly moistened with liquid water, and when the operating temperature of the fuel cell is high, the electrolyte membrane When the membrane dries, proton resistance within the membrane increases, resulting in a decrease in power generation performance. However, on the cathode side, water is constantly generated as a result of the power generation reaction, so especially when the operating temperature of the fuel cell is low, water tends to accumulate inside the cell, and the accumulated water can be used to generate gas. It becomes a resistance to diffusion, which also causes a decrease in power generation performance. Therefore, in fuel cells, during high-temperature operation, the electrolyte membrane should be kept moist by avoiding drying, and during low-temperature operation, where water tends to accumulate, it is possible to improve the drainage of generated water. It is preferable to be able to control the degree of drainage from the cell (drainability) so as to achieve both performance and performance during low-temperature operation.
かくして、本発明の一つの課題は、燃料電池セルに於いて、高温運転時の乾燥を抑止して湿潤性を保持しつつ、低温運転時の生成水の排水性を高められるようにすることである。 Thus, one object of the present invention is to suppress drying and maintain wettability during high-temperature operation in a fuel cell, while increasing drainage of generated water during low-temperature operation. be.
この点に関し、本発明の発明者の研究に於いて、燃料電池セルに於ける電解質膜の排水と保水の性能がアノード側のガス拡散層の「屈曲度」に依存することが見出された。ここで「屈曲度」とは、アノード側ガス拡散層のガスの透過方向の厚みdに対するアノード側ガス拡散層に於けるガスが移動する距離Lの比(L/d)である(図2参照)。そして、本発明の発明者が、種々、検討したところ、後に詳細に説明される如く、アノード側ガス拡散層の「屈曲度」を3.7以下、好ましくは3以下にすると、排水と保水の機能が両立された構造となり、高温作動時も低温作動時も背反なく、セルの発電性能を維持できることが実験により見出された。本発明に於いては、この知見が利用される。 Regarding this point, in the research conducted by the inventor of the present invention, it was found that the drainage and water retention performance of the electrolyte membrane in a fuel cell depends on the "degree of curvature" of the gas diffusion layer on the anode side. . Here, the "degree of curvature" is the ratio (L/d) of the distance L that gas moves in the anode side gas diffusion layer to the thickness d of the anode side gas diffusion layer in the gas transmission direction (see Figure 2). ). The inventor of the present invention conducted various studies and found that, as will be explained in detail later, if the "curvature" of the anode side gas diffusion layer is set to 3.7 or less, preferably 3 or less, drainage and water retention will be improved. Through experiments, it was discovered that the structure is compatible with both functions, and that the cell's power generation performance can be maintained without any trade-offs during high-temperature or low-temperature operation. This knowledge is utilized in the present invention.
本発明によれば、上記の課題は、電解質膜の両側に触媒電極層が積層され、更にその両側にガス拡散層が積層された積層体と、その積層体を、前記ガス拡散層のうちのアノード側のガス拡散層へ水素を含むガスを供給する流路を画定するアノード側セパレータと、前記ガス拡散層のうちのカソード側のガス拡散層へ酸素を含むガスを供給すると共に生成された水を排出するための流路を画定するカソード側セパレータとにより挟持した構成を有する燃料電池セルであって、前記アノード側ガス拡散層の屈曲度が3.7以下である燃料電池セルによって達成される。 According to the present invention, the above problem can be solved by providing a laminate in which a catalyst electrode layer is laminated on both sides of an electrolyte membrane, and a gas diffusion layer is further laminated on both sides, An anode-side separator that defines a flow path for supplying a hydrogen-containing gas to a gas diffusion layer on an anode side, and water generated when supplying a gas containing oxygen to a gas diffusion layer on a cathode side of the gas diffusion layer. This is achieved by a fuel cell having a configuration in which the gas diffusion layer is sandwiched between cathode-side separators that define a flow path for discharging gas, and the degree of curvature of the anode-side gas diffusion layer is 3.7 or less. .
上記の構成に於いて、「燃料電池セル」は、所謂「固体高分子形燃料電池」の単セルであってよく、電解質膜、触媒電極層及びガス拡散層から成る積層体、セパレータ及びセパレータの間にて積層体を囲繞して支持する枠部材等は、基本的には、燃料電池セルに通常用いられる形態のものであってよい。「水素を含むガス」は、通常この分野で使用される水素ガスであってよく、「酸素を含むガス」は、空気又は通常この分野で使用される酸素を含むガスであってよい。「屈曲度」とは、上記の如く、アノード側ガス拡散層のガスの透過方向の厚みdに対するアノード側ガス拡散層に於けるガスが移動する経路の距離Lの比(L/d)であり、アノード側ガス拡散層として、その屈曲度が3.7以下となるように材質が調製されたガス拡散層が用いられる。 In the above configuration, the "fuel cell" may be a single cell of a so-called "polymer electrolyte fuel cell", and includes a laminate consisting of an electrolyte membrane, a catalyst electrode layer, and a gas diffusion layer, a separator, and a separator. The frame member, etc. that surrounds and supports the stacked body therebetween may basically be of a form normally used for fuel cells. The "hydrogen-containing gas" may be a hydrogen gas commonly used in this field, and the "oxygen-containing gas" may be air or an oxygen-containing gas commonly used in this field. As mentioned above, the "curvature degree" is the ratio (L/d) of the distance L of the path through which gas moves in the anode side gas diffusion layer to the thickness d of the anode side gas diffusion layer in the gas transmission direction. As the anode side gas diffusion layer, a gas diffusion layer whose material is adjusted so that its degree of curvature is 3.7 or less is used.
上記の如く、本発明に於いては、所謂「固体高分子形燃料電池」に於いて、積層体の両側にて電解質膜と触媒電極層とを挟持して積層されている一対のガス拡散層のうち、アノード側ガス拡散層の特性に於いて、屈曲度が3.7以下となるように部材が選択される。かかる構成によれば、後の実施形態の欄に於いて、詳細に説明される如く、高温域に於いても低温域に於いても、高い発電性能が得られ或いは維持されることが見出されている。これは、屈曲度がガス拡散層に於ける流体の通り抜け易さに関連しており(一般的な傾向として、屈曲度が高いほど、流体の移動経路が長くなり、流体が通り抜け難くなる。)、アノード側ガス拡散層の屈曲度を上記の如く調節することにより、低温運転時に於いて、水が適切に排出されて、ガスに対する流通抵抗が低く抑えられ、ガス拡散層に於けるガスの高い透過性が確保されたことによると考察される。かくして、上記の本発明の構成によれば、アノード側ガス拡散層の特性に於いて屈曲度を適切に制御することにより、広い運転温度範囲に亙って高い発電性能の燃料電池セルを得ることが可能となる。 As described above, in the present invention, in a so-called "polymer electrolyte fuel cell", a pair of gas diffusion layers are stacked on both sides of a stacked body with an electrolyte membrane and a catalyst electrode layer sandwiched therebetween. Among these, members are selected so that the characteristics of the anode side gas diffusion layer have a bending degree of 3.7 or less. It has been found that with such a configuration, high power generation performance can be obtained or maintained in both high temperature and low temperature ranges, as will be explained in detail in the embodiment section below. has been done. This is because the degree of curvature is related to the ease with which fluid passes through the gas diffusion layer (generally speaking, the higher the degree of curvature, the longer the fluid movement path becomes, making it more difficult for fluid to pass through). By adjusting the degree of curvature of the anode side gas diffusion layer as described above, water can be properly discharged during low-temperature operation, the flow resistance to gas can be kept low, and the high gas concentration in the gas diffusion layer can be suppressed. This is thought to be due to the fact that transparency was ensured. Thus, according to the above configuration of the present invention, by appropriately controlling the degree of curvature in the characteristics of the anode side gas diffusion layer, it is possible to obtain a fuel cell with high power generation performance over a wide operating temperature range. becomes possible.
上記の本発明の構成に於いて、ガス拡散層は、より詳細には、カーボンペーパなどから形成される基材層を有し、その基材層に於ける触媒電極層に接する側に、MPL(Micro porous layer)が積層された構成を有していてよい。MPLは、カーボンブラック、撥水剤又は更にラジカルクエンチ剤を含むペーストを基材層に適用し、焼成することにより形成されてよい。 In the above configuration of the present invention, the gas diffusion layer has a base material layer made of carbon paper or the like, and the MPL layer is provided on the side of the base material layer in contact with the catalyst electrode layer. (Micro porous layer) may have a laminated structure. The MPL may be formed by applying a paste containing carbon black, a water repellent, or even a radical quenching agent to a base layer and firing.
また、アノード側ガス拡散層の材料の調製又は選定に於いて、材料の屈曲度は、下記の式を用いて、決定されてよい。
τ=Rgas・D・ε/d …(1)
ここに於いて、τは、屈曲度であり、Rgasは、ガス拡散抵抗であり、Dは空気中の酸素の拡散係数であり、εは、ガス拡散層の空隙率であり、dは、(無荷重時の)ガス拡散層の厚さである。ガス拡散抵抗Rgasは、ガス拡散層に於ける酸素の拡散係数Deffとガス拡散層の厚さdとから、d/Deffにより定義される量であり、ガルバニ式電池を用いた測定方法(非特許文献1参照)により、測定される。空隙率εは、ガス拡散層の体積に対するガス拡散層に於ける空隙の容積の比率であり、水銀ポロシメータを用いた水銀圧入法により測定される。ガス拡散層の厚さdは、マイクロメータ等を用いて計測されてよい。即ち、本発明の構成に於いて、式(1)を用いて屈曲度が決定されたアノード側ガス拡散層が用いられてよい。なお、式(1)は、ガス拡散層に於ける酸素の拡散係数Deffと空気中の酸素の拡散係数Dとの間に於ける
Deff=(ε/τ)D …(2)
の関係(非特許文献2)から導出された。
Furthermore, in preparing or selecting the material of the anode side gas diffusion layer, the degree of curvature of the material may be determined using the following formula.
τ=Rgas・D・ε/d…(1)
Here, τ is the degree of tortuosity, Rgas is the gas diffusion resistance, D is the diffusion coefficient of oxygen in the air, ε is the porosity of the gas diffusion layer, and d is ( This is the thickness of the gas diffusion layer (when no load is applied). The gas diffusion resistance Rgas is a quantity defined by d/Deff from the oxygen diffusion coefficient Deff in the gas diffusion layer and the thickness d of the gas diffusion layer. (see Reference 1). The porosity ε is the ratio of the volume of voids in the gas diffusion layer to the volume of the gas diffusion layer, and is measured by mercury intrusion method using a mercury porosimeter. The thickness d of the gas diffusion layer may be measured using a micrometer or the like. That is, in the configuration of the present invention, an anode-side gas diffusion layer whose degree of curvature is determined using equation (1) may be used. Equation (1) is calculated as follows between the oxygen diffusion coefficient Deff in the gas diffusion layer and the oxygen diffusion coefficient D in the air: Deff=(ε/τ)D...(2)
It was derived from the relationship (Non-Patent Document 2).
本発明の発明者は、燃料電池セルに於いて、燃料電池セルからの排水性が、ガス拡散層に於けるガスの通気度と水の通水度ではなく、アノード側ガス拡散層の屈曲度を調節することによって制御できる点に着目し、アノード側ガス拡散層の屈曲度が3.7以下、より好ましくは3以下になるようにアノード側ガス拡散層の部材を選択することにより、低温運転時及び高温運転時の双方に於いても良好な発電性能が得られることを見出した。これは、後述の実験結果からも理解される如く、アノード側ガス拡散層の屈曲度を前記の如く制御することによれば、高温運転時に於いて膜の湿潤状態が維持されつつ、低温運転時にはアノード側に於ける流体の流通性を適度に良くして、水の滞留によるガスの供給の滞りが抑制されるためであると考えられる。かかる本発明の構成によれば、広い温度範囲の運転に於いて、好適な発電性能が得られることが期待される。また、かかる構成は、アノード側ガス拡散層の材料を適切に選択するだけで簡便に好ましい効果が達成可能である点でも有利である。 The inventor of the present invention has discovered that in a fuel cell, the drainage performance from the fuel cell is determined not by the gas permeability and water permeability in the gas diffusion layer, but by the degree of curvature of the anode side gas diffusion layer. Focusing on the point that can be controlled by adjusting the It has been found that good power generation performance can be obtained both at low temperatures and during high temperature operation. As will be understood from the experimental results described below, by controlling the degree of curvature of the anode side gas diffusion layer as described above, the moist state of the membrane can be maintained during high temperature operation, while during low temperature operation. This is thought to be because fluid circulation on the anode side is appropriately improved, thereby suppressing stagnation in gas supply due to water stagnation. According to the configuration of the present invention, it is expected that suitable power generation performance can be obtained during operation in a wide temperature range. Further, such a configuration is advantageous in that preferred effects can be easily achieved simply by appropriately selecting the material of the anode side gas diffusion layer.
本発明のその他の目的及び利点は、以下の本発明の好ましい実施形態の説明により明らかになるであろう。 Other objects and advantages of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments of the invention.
1…燃料電池セル
2…電解質膜
3a、3c…アノード側触媒電極層、カソード側触媒電極層
4a、4c…アノード側ガス拡散層、カソード側ガス拡散層
5a、5c…アノード側セパレータ、カソード側セパレータ
6a、6c…アノード側流路、カソード側流路
7a、7c…アノード側基材層、カソード側基材層
8a、8c…アノード側MPL、カソード側MPL
1...
以下に添付の図を参照しつつ、本発明を好ましい実施形態について詳細に説明する。図中、同一の符号は、同一の部位を示す。 BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The present invention will now be described in detail with reference to preferred embodiments and with reference to the accompanying drawings. In the figures, the same reference numerals indicate the same parts.
燃料電池セルの基本構造
図1を参照して、燃料電池セル1の基本構造に於いては、電解質膜2がアノード側及びカソード側触媒電極層3a、3cに挟持され、更に、アノード側及びカソード側ガス拡散層4a、4cに挟持された積層体が形成され、この積層体と、その周囲を囲繞するように配置された枠部材(図示せず)とがアノード側及びカソード側セパレータ5a、5cに挟持される。電解質膜2は、典型的には、高分子電解質材料により形成されたプロトン伝導性のある厚み数μm程度のイオン交換膜であり、例えば、側鎖末端にスルホ基を有するパーフルオロスルホン酸ポリマーなどから形成されてよい。触媒電極層3a、3cは、水の生成反応を進行する触媒金属(例えば、白金若しくは白金とルテニウムなどの他の金属とから成る白金合金など)を担持するカーボン粒子とプロトン伝導性を有する高分子電解質とを含む材料が、厚み数μm程度の層状に適用されて形成される。ガス拡散層4a、4cは、カーボンクロスやカーボンペーパなどのカーボン製材料からなる基材層7a、7cと、それらの触媒電極層3a、3cに接する側にカーボンブラック、撥水剤又は更にラジカルクエンチ剤(例えば、酸化セリウム)を含むペーストを塗布して焼結されて形成されたMPL(Micro porous layer:撥水層)8a、8cとを有する多孔質性材料の層である。そして、セパレータ5a、5cのガス拡散層4a、4cに面する側には、それぞれ、流体が流通する通路(流路)6a、6cが設けられ、図示していないが、積層体の周囲が枠部材によりセパレータ5a、5cの間に封止される。セパレータ5a、5cは、カーボンペーパや金属板にて形成されていてよい。
Basic Structure of Fuel Cell Referring to FIG. 1, in the basic structure of
上記の燃料電池セルの発電作動に於いては、水素ガスと空気とが、それぞれ、アノード側流路6a、カソード側流路6cを通して供給され、ガス拡散層4a、4cを経て、触媒電極層3a、触媒電極層3cに到達し、触媒電極層3aにて、水素ガスが電子を放出して、プロトンとなって、電解質膜2を通って触媒電極層3cに到達し、そこに於いて、空気中の酸素と反応して、水を生成し、生成された水は、カソード側流路6cへ回収されて排出されることとなる。
In the power generation operation of the fuel cell described above, hydrogen gas and air are supplied through the anode
ガス拡散層の排水と保水の機能の両立
上記の燃料電池セル1に於いて、アノード側で生成されたプロトンが電解質膜2を通ってカソード側へ伝導されるためには、電解質膜2が液体の水で湿潤されている必要がある。特に、燃料電池の動作温度が高温である場合、水が気化して排出され易くなり過ぎると、電解質膜2が乾燥し、膜内でのプロトン抵抗が高くなって、発電性能の低下が生ずることとなるので、ガス拡散層4a、4cに於いては、そのような高温運転時に於いても電解質膜2の湿潤状態が保たれるような保水性を有している必要がある。一方、発電反応に伴って、カソード側に於いては、水が生成されるので、セルの運転温度が沸点よりも低いとき、生成水がセル内に滞留しやすくなり、その場合、触媒電極層へ供給されるガスの流通を阻害することとなり、発電性能を低下させてしまうので、適切に排水されることが好ましい。従って、燃料電池セルに於いては、燃料電池セルの発電性能が広い動作温度範囲に亙って低下しないようにするには、高温運転時には、電解質膜2の乾燥を回避して湿潤性を保持しつつ、水が滞留しやすい低温運転時には、生成水の排水性を高められるように、セル1に於ける排水と保水とを両立できていることが好ましい。
Balancing the drainage and water retention functions of the gas diffusion layer In the
この点に関し、本発明の発明者は、セル1に於ける排水及び保水性能がガス拡散層の流体の流通のし易さにより決定され、ガス拡散層の流体の流通のし易さがガス拡散層に於ける「屈曲度」に依存する点に着目し、種々研究したところ、アノード側ガス拡散層の「屈曲度」を適切に制御することによって、適切な排水性を実現できることを見出した。具体的には、アノード側ガス拡散層の屈曲度が3.7以下、又は、より好適には、3以下の範囲内になるようにアノード側のガス拡散層の材質を調整又は選択すると、高温運転時に於いても低温運転時に於いても良好な発電性能が得られることが見出された。これは、アノード側ガス拡散層の屈曲度を前記の如く制御することによれば、高温運転時に於いて膜の湿潤状態が維持されつつ、低温運転時にはアノード側に於ける流体の流通性を適度に良くして、水の滞留が解消されてガスの流通がよくなるためであると考えられる。
Regarding this point, the inventors of the present invention believe that the drainage and water retention performance in the
そこで、本実施形態に於いては、アノード側のガス拡散層4aの屈曲度が3.7以下、又は、より好適には、3以下の範囲内になるように、アノード側のガス拡散層4aが調整され、又は、材料が選択される。
Therefore, in the present embodiment, the
ガス拡散層の屈曲度の計測について
図2を参照して、「屈曲度」とは、「発明の概要」の欄に於いて述べられている如く、ガス拡散層の厚さdに対するガス拡散層を透過する流体の経路の長さLの比である(より厳密には、流体がガス拡散層を直線的に透過する場合の経路の長さ(=d)に対する実際の流体の経路の長さLの比である。)。しかしながら、かかる屈曲度の計測に於いて、直接的に流体の経路の長さLを計測することは困難であるので、ガス拡散層の屈曲度は、いくつかの計測可能な量を用いた推定により、決定されてよい。
Regarding the measurement of the degree of curvature of the gas diffusion layer , referring to FIG. is the ratio of the length L of the fluid path passing through the gas diffusion layer (more precisely, the actual fluid path length to the path length (=d) when the fluid permeates the gas diffusion layer in a straight line) ). However, in measuring the degree of curvature, it is difficult to directly measure the length L of the fluid path, so the degree of curvature of the gas diffusion layer is estimated using several measurable quantities. It may be determined by
具体的には、まず、屈曲度τは、ガス拡散層に於ける酸素の拡散係数Deffと空気中の酸素の拡散係数Dと、近似的に、下記の関係式により関連づけられる(非特許文献2)。
Deff=(ε/τ)D …(2)
ここで、εは、ガス拡散層の空隙率(ガス拡散層の体積に対するガス拡散層に於ける空隙の容積の比率)である。また、ガス拡散層に於ける酸素の拡散係数Deffについては、ガス拡散抵抗Rgasとガス拡散層の厚さdとを用いて、以下の関係が与えられる。
Rgas=d/Deff …(3)
従って、屈曲度τは、
τ=Rgas・D・ε/d …(1)
により与えられる。
Specifically, first, the tortuosity τ is approximately related to the oxygen diffusion coefficient Deff in the gas diffusion layer and the oxygen diffusion coefficient D in the air by the following relational expression (Non-patent Document 2 ).
Deff=(ε/τ)D...(2)
Here, ε is the porosity of the gas diffusion layer (the ratio of the volume of voids in the gas diffusion layer to the volume of the gas diffusion layer). Further, regarding the oxygen diffusion coefficient Deff in the gas diffusion layer, the following relationship is given using the gas diffusion resistance Rgas and the thickness d of the gas diffusion layer.
Rgas=d/Deff...(3)
Therefore, the degree of curvature τ is
τ=Rgas・D・ε/d…(1)
is given by
上記の式(1)に於いて、空気中の酸素の拡散係数Dは、任意の手法にて得られた値が利用されてよい。ガス拡散層の厚さdは、マイクロメータ等を用いて計測され、空隙率εは、水銀ポロシメータを用いた水銀圧入法により測定される。ガス拡散抵抗Rgasは、非特許文献1に記載されている如きガルバニ式電池を用いた測定方法により計測可能である。かかる測定方法に於いては、端的に述べれば、ガルバニ式電池のカソードの酸素の供給流路にガス拡散層を配置した場合の酸素濃度の低下量ΔC(カソードの酸素の供給流路にガス拡散層を配置していない場合と配置した場合の酸素の濃度差)と、ガルバ二電池と同じ側に、空気亜鉛電池を配置し、空気亜鉛電池に流れる電流より算出される酸素消費量Qと、ガス拡散層のガスの流通方向に垂直な方向の断面積Aとが、それぞれ、計測され、ガス拡散抵抗Rgasが、
Rgas=ΔC/Q×A …(4)
により算出される。
In the above equation (1), a value obtained by any method may be used as the diffusion coefficient D of oxygen in the air. The thickness d of the gas diffusion layer is measured using a micrometer or the like, and the porosity ε is measured by mercury intrusion method using a mercury porosimeter. The gas diffusion resistance Rgas can be measured by a measurement method using a galvanic cell as described in
Rgas=ΔC/Q×A…(4)
Calculated by
かくして、本実施形態による燃料電池セルを構成するに際して、アノード側ガス拡散層については、上記の式(1)の各々の数値として、上記の如く計測した値を用いて算出された屈曲度を参照して、その屈曲度が3.7以下のものが、アノード側ガス拡散層として採用されてよい。アノード側ガス拡散層4aの屈曲度は、ガス拡散層の調製の際に、そこに含まれるカーボン基材の空隙率、撥水剤の塗布量又は添加量、樹脂バインダ量、ガス拡散層の厚みを種々変更することによって調節される。カソード側ガス拡散層は、任意の手法により適宜選択されてよい。
Thus, when configuring the fuel cell according to the present embodiment, for the anode side gas diffusion layer, refer to the bending degree calculated using the values measured as described above as each numerical value of the above formula (1). A layer having a bending degree of 3.7 or less may be used as the anode side gas diffusion layer. The degree of curvature of the anode side
本実施形態の作用効果の確認
複数の屈曲度の異なるアノード側ガス拡散層を用いて燃料電池セルを作成し、高温運転時と低温運転時に於けるそれらの燃料電池セルの発電性能を実験に於いて確認した。
Confirming the effects of this embodiment Fuel cells were created using a plurality of anode-side gas diffusion layers with different degrees of curvature, and experiments were conducted to check the power generation performance of these fuel cells during high-temperature operation and low-temperature operation. I checked it.
実験に於いて、本実施形態の実施例及び比較例として、以下の特性のアノード側ガス拡散層を調製し、燃料電池セルに用いた。なお、燃料電池セルに於いて、アノード側ガス拡散層の他は、全て同一の部材を用いた。
セルの運転条件は、以下の通りとした。
・高温運転時
セル温度:105℃
露点温度:アノード側45℃、カソード側74℃
・低温運転時
セル温度:40℃
露点温度:アノード側45℃、カソード側-40℃
供給ガスのストイキ比、圧力等の条件は、高温運転時及び低温運転時のそれぞれに於いて共通とした。
The cell operating conditions were as follows.
・Cell temperature during high temperature operation: 105℃
Dew point temperature: Anode side 45℃, cathode side 74℃
・Cell temperature during low temperature operation: 40℃
Dew point temperature: 45℃ on the anode side, -40℃ on the cathode side
Conditions such as the stoichiometric ratio and pressure of the supplied gas were the same during high-temperature operation and low-temperature operation.
図3(A)、(B)は、それぞれ、上記の実施例1、2、3(Ex.1、Ex.2、Ex.3)と比較例(Co)をアノード側ガス拡散層として用いたセルに於いて、電流を或る所定値に設定した場合の、低温運転時、高温運転時に於ける発電電圧を、各ガス拡散層の屈曲度に対してプロットした図である。同図を参照して理解される如く、高温運転時には、いずれの屈曲度の場合も比較的高い発電電圧が得られたが、低温運転時に、屈曲度が3.7を上回ったとき(比較例Co)、発電電圧の低下が観察された。これは、屈曲度が3.7を上回ると、排水性能が低下して、ガスの供給量が低下してしまったためと考えられる。また、図3(C)は、図3(A)、(B)の発電電圧の値を乗じた値を各ガス拡散層の屈曲度に対してプロットした図であり、図に於いては、値が高いほど、低温運転時及び高温運転時の双方に於いて発電性能が高いことを示している。同図を参照して理解される如く、実施例1、2、3の場合、即ち、アノード側ガス拡散層の屈曲度が3.7以下であるときに、高い発電性能が得られた。なお、図3(C)の値の傾向から、アノード側ガス拡散層の屈曲度が3.0より低いときに、より安定的に高い発電性能が得られることが期待される。(また、実験よれば、屈曲度が2.6~3.7の範囲に於いて、高い発電性能が確実に得られることが示された。)これらの結果から、本実施形態の教示するところにより、アノード側ガス拡散層の条件として、その屈曲度が3.7以下、好適には、3.0以下となるようにすると、広い温度範囲の運転に於いて、良好な発電性能が得られることが示された。 Figures 3 (A) and (B) show examples 1, 2, 3 (Ex. 1, Ex. 2, Ex. 3) and comparative example (Co) used as the anode side gas diffusion layer, respectively. FIG. 4 is a diagram plotting the generated voltages during low-temperature operation and high-temperature operation with respect to the degree of curvature of each gas diffusion layer when the current is set to a certain predetermined value in the cell. As can be understood with reference to the figure, during high-temperature operation, a relatively high generated voltage was obtained for any degree of tortuosity, but when the degree of tortuosity exceeded 3.7 during low-temperature operation (comparative example Co), a decrease in the generated voltage was observed. This is considered to be because when the degree of curvature exceeds 3.7, drainage performance deteriorates and the amount of gas supplied decreases. Moreover, FIG. 3(C) is a diagram in which the value multiplied by the value of the generated voltage in FIGS. 3(A) and (B) is plotted against the degree of curvature of each gas diffusion layer, and in the diagram, The higher the value, the higher the power generation performance in both low-temperature and high-temperature operation. As understood with reference to the figure, high power generation performance was obtained in Examples 1, 2, and 3, that is, when the degree of curvature of the anode side gas diffusion layer was 3.7 or less. Note that from the tendency of the values in FIG. 3(C), it is expected that higher power generation performance can be obtained more stably when the degree of curvature of the anode side gas diffusion layer is lower than 3.0. (According to experiments, it has been shown that high power generation performance can be reliably obtained in a bending degree range of 2.6 to 3.7.) From these results, the teachings of this embodiment Accordingly, when the anode side gas diffusion layer is set such that its degree of curvature is 3.7 or less, preferably 3.0 or less, good power generation performance can be obtained in operation over a wide temperature range. It was shown that
以上の説明は、本発明の実施の形態に関連してなされているが、当業者にとつて多くの修正及び変更が容易に可能であり、本発明は、上記に例示された実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の概念から逸脱することなく種々の装置に適用されることは明らかであろう。 Although the above description has been made in connection with the embodiments of the present invention, many modifications and changes are easily possible to those skilled in the art, and the present invention is limited to the embodiments illustrated above. It will be obvious that the present invention is not limiting and may be applied to a variety of devices without departing from the inventive concept.
Claims (1)
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2022
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