JP3693021B2 - Fuel cell - Google Patents

Fuel cell Download PDF

Info

Publication number
JP3693021B2
JP3693021B2 JP2002016819A JP2002016819A JP3693021B2 JP 3693021 B2 JP3693021 B2 JP 3693021B2 JP 2002016819 A JP2002016819 A JP 2002016819A JP 2002016819 A JP2002016819 A JP 2002016819A JP 3693021 B2 JP3693021 B2 JP 3693021B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel cell
separator
impurities
gas diffusion
resin
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.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2002016819A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2003217613A (en
Inventor
篤史 宮澤
剣波 張
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nissan Motor Co Ltd filed Critical Nissan Motor Co Ltd
Priority to JP2002016819A priority Critical patent/JP3693021B2/en
Publication of JP2003217613A publication Critical patent/JP2003217613A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3693021B2 publication Critical patent/JP3693021B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池、特に固体高分子型燃料電池の構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池から排出されてくる水を電池の加湿に再利用するため、燃料電池の外部に脱脂装置を設けて燃料電池から排出されてくる水の不純物を取り去るようにしたものがある(特開2000−331703号公報参照)。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、固体高分子型燃料電池では、電解質膜が酸性を呈しているためにガス拡散層(電極)やガス拡散層へのガス流路が形成(穿設)されるセパレータは耐酸性を有していなければならない。また、後述する(2)式のようにカソード側で水が発生することや、一般的に燃料電池の運転の際にカソード側(カソードに限らず燃料電池に供給されるガス)を外部から加湿することがあることから、ガス拡散層やセパレータは高温の環境で水と反応することがないように耐加水分解性を有し、さらに発電温度に耐えられる耐熱性も保持していなければならない。このような主に3つの要求を満足するために、種々の金属を加工してガス流路を形成した後に表面に金をはじめとした貴金属でメッキするか特殊な塗料でコーティングすることによりセパレータを製作していた。
【0004】
しかしながら、こうした金属を用いたセパレータの製作方法ではコストが高くなるので、近年は、黒鉛粉と樹脂を主成分とした材料をプレス成形してセパレータを得ることにより、安価で上記耐酸性、耐加水分解性及び耐熱性の各機能性をも有したセパレータが出現してきている。
【0005】
こうした、黒鉛紛と樹脂とを主成分とした材料を成形して得られるセパレータを用いて実際に発電を行ってみると、徐々に電解質膜の性能が低下したり着色されることが判明している。その原因を調べてみると、燃料電池から排出される水蒸気の一部が冷やされてできる60〜80℃の凝縮水に含まれる不純物が原因であることが分かってきている。ここでいう不純物は水溶性のものと不溶性ではあるが融点が低い(80℃以下)ために溶け出てくるものとに大きく分類され、具体的には後述するように、黒鉛自体に含まれていた炭素以外の化合物や、セパレータの成型時に用いられる離型剤もしくは硬化剤、改質剤に由来する化合物、さらに、未反応の樹脂モノマー(重合が不十分で分子単体で存在する樹脂成分のこと)等のことである。
【0006】
このような不純物を含んだ水がガス拡散層に接した場合には不純物がガス拡散層の孔をふさいだり表面に付着し、また不純物を含んだ水が電解質膜に接した場合に不純物が電解質膜に付着した後に熱硬化したりすることにより、ガス拡散層や電解質膜を汚染し、これによって発電性能が低下する。
【0007】
同様に燃料電池に供給するガスに対して外部から加湿する場合にも、ガスがセパレータのガス流路を通過する際に、一部凝縮した水がセパレータからの不純物を溶け出させることがあると、同様な問題が生じる。
【0008】
しかしながら、従来装置のように、燃料電池の外に脱脂装置を設けただけでは、このような不純物によるガス拡散層や電解質膜の汚染を阻止することができない。
【0009】
そこで本発明は、セパレータを導電性材料および樹脂を主成分として構成するとともに、このセパレータに起因する不純物であって電池の酸化反応で生成される水蒸気またはその水蒸気が冷却されて生じる凝縮水に溶け出てくる不純物を浄化する不純物浄化手段を燃料電池内部に備えさせることにより、コストの低減と発電性能の低下防止との両立を図ることを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
第1の発明は、イオン導電体である電解質を挟む2つのガス拡散層と、ガス拡散層の一方に接して燃料ガスを供給するためのガス流路を形成したセパレータと、ガス拡散層の他方に接して酸化剤を供給するためのガス流路を形成したセパレータとを備える燃料電池において、前記セパレータを導電性材料および樹脂を主成分として構成すると共に、このセパレータに起因する不純物であって電池の酸化反応で生成される水蒸気またはその水蒸気が冷却されて生じる凝縮水に前記ガス拡散層と接する側より溶け出てくる不純物を浄化する不純物浄化手段を燃料電池内部に備え、前記不純物浄化手段は、少なくとも一方のガス拡散層と接する側であって前記ガス流路を形成しているセパレータ壁面に分散して前記不純物を吸着する吸着媒体である。
【0011】
【発明の効果】
導電性材料および樹脂を主成分とするセパレータの場合には、燃料電池内部で生成される水蒸気や凝縮水に、ガス拡散層と接する側より溶け出てくる不純物がガス拡散層や電解質膜を汚染し、発電効率を低下させるのであるが、第1の発明によれば、その不純物を燃料電池内部においてセパレータのガス拡散層側のガス流路を形成している壁面に分散させた吸着媒体に吸着させて浄化するようにしたので、導電性材料および樹脂を主成分とする低コストのセパレータを用いる場合であっても発電効率を低下させることがなく、かつ不純物が燃料電池の外部に排出されることをも抑制することができる。
【0012】
また、カソードやアノード(ガス拡散層)の少なくとも一方を外部から公知の手段で加湿する場合に特に第1の発明は有効である。
【0013】
また、外部からの加湿なしにカソード側で発生した水の一部を電解質膜を介してアノード側に逆浸透させて発電する際には、逆浸透させる水が不純物を含んでいないことが必須の要件となるが、第1の発明によればこの要件を満たすことができるため、導電性材料および樹脂を主成分とする低コストのセパレータを用いる場合であっても外部からの加湿なしにカソード側で発生した水の一部を電解質膜を介してアノード側に逆浸透させての発電を行わせることができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【0015】
図1は固体高分子型燃料電池1の断面図、図2は図1の分解図、図3はセパレータのガス流路面を示す正面図である。
【0016】
図1、図2において30μm程度の極く薄い高分子電解質膜2を挟んで両側に300μm程度の厚さを有するガス拡散層(電極)3、4が、さらにその外側に1mm程度の薄板状のセパレータ5、6がそれぞれ配置され、これらが積層されて1セルを構成している。
【0017】
一方のガス拡散層(カソード)3に酸化剤(通常は空気)を、他方のガス拡散層(アノード)4に燃料ガス(通常は水素もしくは水素含有成分)を供給するため、各セパレータ5、6のガス拡散層側の側面5a、6aにそれぞれガス通路5b、6bが形成されている。
【0018】
これについて説明すると、例えば図3に示すように、ガス拡散層3と接する側のセパレータ5のガス拡散層3側の側面には、中央部12を残してその周囲に一定幅の平面状周縁部11が確保され、中央部12においては周縁部11と同一平面にある細長い部位13〜20を除いた残りの部位が全て穿設され、図で右上から左、左から右、右から左、…、へと折り返す溝21、22、23が形成されている。すなわち、周縁部11と中央部12との境界を12a、12b、12c、12dとすれば、右方の境界12aより左方の境界12bまでの長さ、一定幅及び一定深さを有する横溝21が平面状部位13〜20の間隔をおいて9個形成されると共に、上より数えて1番目と2番目、3番目と4番目、5番目と6番目、7番目と8番目の隣り合う2つの横溝21が左方の境界12bに沿って横溝21と同じ幅、同じ深さで穿設される4個の短い連絡溝22により、また上より数えて2番目と3番目、4番目と5番目、6番目と7番目、8番目と9番目の隣り合う2つの横溝21が右方の境界12aに沿って横溝21と同じ幅、同じ深さで穿設される4個の短い連絡溝23によりそれぞれ連通されている。
【0019】
このようにセパレータ5のガス拡散層3側の側面の中央部12全体にわたって溝21、22、23が形成されると、これらの溝とガス拡散層3との間に図1にも示したように空間が画成されることになり、この空間によりガス通路5bが形成される。
【0020】
また、図3において最も上に位置する横溝21の最右端に、積層される全てのセルを貫通する空気入口25が、これに対して最も下に位置する横溝21の最左端に同じく全てのセルを貫通する空気出口26が設けてある。
【0021】
右上に位置する空気入口25には一定圧の空気が図示しないエアポンプにより供給されるため、空気は空気入口25より最も上に位置する横溝21をまず左方に向けて流れ、左端に達すると折り返して今度は上から2番目の横溝21を右方に向けて流れ、右端に達すると再び上から3番目の横溝21を左方に向けて流れるというように、図で左右方向に往復しながら左下に位置する空気出口26に達する。
【0022】
もう一つのセパレータ6のガス拡散層4側の側面に形成されるガス通路6bも、図3に示すセパレータ5のガス通路5bと同様に形成されている。
【0023】
一方のガス通路6bを介してガス拡散層4に供給されたH2(水素ガス)はガス拡散層4で触媒により活性化され、電子と水素イオン(プロトン)とに分解される。これを化学式で表すと、
アノード側:H2→2H++2e-…(1)
である。
【0024】
(1)式の水素イオンは、水素イオンのみが透過できる高分子電解質膜2を通って、反対側のガス拡散層3に移動する。一方、(1)式の電子は図示しない外部回路を通って電気的な仕事をしたのち反対側のガス拡散層3に到達する。
【0025】
ガス拡散層3にはガス通路5bを介して空気が供給されるが、この空気中の酸素が、電解質膜2を通過してきた水素イオンおよび電子と反応してH2O(水)に還元される。化学式で表すと
カソード側:(1/2)O2+2H++2e-→H2O…(2)
である。
【0026】
この場合、ガス通路5b、6bは2つのセパレータ5、6のガス拡散層側の側面5a、6aの中央部全体に形成されているので、上記(1)、(2)の反応が電解質膜2とガス拡散層3、4のほぼ全体で効率良く起こることになる。ただし、上記の(2)式に利用される酸素は空気中の酸素の一部だけなので、利用しない残りの空気は空気出口26より外部に排出される。同様にして利用されなかった燃料ガスもセパレータ6に設けた燃料出口(図示しない)より外部に排出されてくる。
【0027】
各セパレータ5、6のガス拡散層と反対側の側面5c、6cにそれぞれ水通路5d、6d(ウォータジャケット)が形成されている。これは作動中の燃料電池内部を冷却する冷却水を循環させるためのものである。
【0028】
水通路5d、6dを流れる冷却水と、ガス通路5b、6bを流れる空気、燃料ガスが外部に漏れないようにシールするためのガスケット(シリコーンゴム、フッ素ゴム、エラストマー)7、8、9、10がセパレータ5、6の周縁部に設けた溝に収納されている。
【0029】
このように構成される固体高分子型燃料電池1では、電解質膜2が酸性を呈しているためにセパレータ5、6は耐酸性を有していなければならない。また、上記(2)式のようにカソード側で水が発生するため高温の環境で水と反応することがないように耐加水分解性を有し、さらに発電温度に耐えられる耐熱性も保持していなければならない。
【0030】
これらの要求を満たすと共に安価としたセパレータを得るため本発明では、上記のセパレータ5、6を、熱硬化性もしくは熱可塑性樹脂をバインダーとし、黒鉛粉末を導電材料として成形するのであるが、このような樹脂及び導電材料とを主成分とするセパレータ5、6からの不純物が電解質膜2やガス拡散層3、4を汚染して発電効率が低下しないように、吸着媒体をセパレータ5、6のガス拡散層側の表面(詳細にはガス拡散層側のガス流路5b、6bを形成する壁面)に分散させ、この吸着媒体に不純物を吸着させることにより不純物を浄化する。
【0031】
ここで、本発明におけるセパレータ5、6に起因する不純物とは、大きくは化合物とイオンである。詳細には、黒鉛由来の酸化金属や炭酸塩、硫酸塩といった塩類および硫黄化合物であり、成形後のセパレータからは、樹脂モノマーもしくは重合不足のもの、または樹脂分解生成物なども含まれる。さらに添加剤として離型剤(炭化水素系、脂肪族系、脂肪族アミド系、エステル系、アルコール系、金属石鹸、シリコーンなどの各単体もしくはこれらの複合系)や物性や加工性向上を目的とした各種改質剤も含まれる。
【0032】
ただし、セパレータ5、6からの化合物やイオンは永久的に溶け出てくるものではなく、主にセパレータ5、6の表面および表面層に存在する化合物やイオンだけが水に溶け出てくることがわかっている。したがって、セパレータ5、6の仕様と成形方法とが決まれば、事前にセパレータ5、6からの化合物やイオンの溶出量(セパレータ5、6に起因する不純物量)を把握することができる。
【0033】
そこで、本発明で用いる吸着媒体の種類、粒径および量は、ガス拡散層3、4の材質、気孔率および厚み、さらにはセパレータ5、6単体から水もしくは作動温度の水に溶出する化合物やイオンの量によって総合的に決定する。通常用いられるガス拡散層3、4の厚さはアノード側、カソード側ともに200〜350μm程度であることから、吸着媒体の粒径は50μm以下、好ましくは10μm以下が望ましい。吸着媒体の素材としては、カーボン、セラミック、樹脂の単一物かこれらが複数組み合わさったものが良い。
【0034】
吸着媒体をセパレータ5、6のガス拡散層側の表面(詳細にはガス拡散層側のガス流路を形成する壁面)に分散させる方法は特に限定するものでない
【0035】
ここで、本実施形態の作用を説明する。
【0036】
黒鉛粉(導電性材料)および樹脂を主成分とするセパレータ5、6の場合には、燃料電池内部で生成される水蒸気や凝縮水に溶け出てくる不純物がガス拡散層3、4や電解質膜2を汚染し発電効率を低下させるのであるが、本実施形態によれば、その不純物を燃料電池内部においてセパレータ5、6のガス拡散層側の表面(詳細にはガス拡散層側のガス流路を形成する壁面)に分散させた吸着媒体に吸着させて浄化するようにしたので、黒鉛粉および樹脂を主成分とする低コストのセパレータを用いる場合であっても発電効率を低下させることがなく、かつ不純物が燃料電池の外部に排出されることをも抑制することができる。
【0037】
また、ガス拡散層3、4の少なくとも一方を外部から公知の手段で加湿する場合に特に本実施形態は有効である。
【0038】
また、外部からの加湿なしにカソード側(ガス拡散層3側)で発生した水の一部を電解質膜2を介してアノード側(ガス拡散層4側)に逆浸透させて発電する際には、逆浸透させる水が不純物を含んでいないことが必須の要件となるが、本実施形態によればこの要件を満たすことができるため、コストの安い導電性材料および樹脂を主成分とする成形セパレータを用いる場合であっても、外部からの加湿なしにカソード側で発生した水の一部を電解質膜2を介してアノード側に逆浸透させての発電を行わせることができる。
【0039】
また、不純物(化合物やイオン)の成分を予め知り得る場合(ある成分が溶け出やすいまたはある成分は溶け出ることはない、といったこと)には、吸着媒体の成分(カーボン、セラミック、樹脂)を不純物の成分に合わせて調整すればよい。例えば離型剤を用いずに成形されたセパレータであれば、離型剤に由来する化合物が溶け出る可能性はないので、この化合物を吸着する目的で添加される吸着成分を省略して吸着媒体を構成する。これにより、不必要な吸着成分を省略できるだけでなく、他の不純物の吸着に特化した構成とすることができるので、他の不純物の吸着効率を高めてより大きな効果を得ることができる。
【0040】
また、ガスケット7、8にエラストマーを用いた場合、凝縮水に溶け出た離型剤がガスケット7、8の弾性を劣化させる可能性があるが、本実施形態によればこのようなことも避けることができる。
【0052】
実施形態では、図3で前述したように1個のガス流路が往復するように形成されている場合で説明したが、ガス流路の形成方法はこれに限られるものでない。例えば、ガス流路の圧損低減のため、図(a)に示したようにガス流路が入口31(空気入口または水素入口)より横方向に走る一本の流路33と、この流路33から分岐する複数の流路34と、下方において出口32(空気出口または水素出口)より横方向に走る1本の集約流路35とから構成されるものについても本発明の適用がある。
【0053】
この場合には、ガス流路の底面に粉末の吸着媒体を分散させるよりもイオン交換膜や多孔質の樹脂膜やチューブを流路の底面もしくは壁面に設置することが好ましい。また、集約流路35に不純物を吸着することのできる上記のイオン交換膜のような不純物浄化手段を設けることもできる。
【0054】
また、図(b)の示ように複数(図では3本)のガス流路が往復するように形成されている場合にも本発明の適用がある。
【0055】
実施形態では、セパレータ5、6を、熱硬化性もしくは熱可塑性樹脂をバインダーとし、黒鉛粉末を導電材料として成形している場合で説明したが、これに限られるものでなく、導電材料は黒鉛粉末、カーボンブラックまたは金属粉末の少なくとも一成分であればよい。
【0056】
本発明におけるセパレータは、樹脂と黒鉛粉もしくは金属粉を主成分とした材料を射出成形、圧縮成形、押出し成形、その他公知のいずれの方法を用いて成形したものでも良い。またグラファイト板に機械加工でガス流路を形成した後に、樹脂含浸させガス透過性を改善させたセパレータも含まれる。
【0057】
実施例2では、セパレータ5の空気出口26のある横溝21にこの横溝21と同じサイズにカットした電解質膜(イオン交換膜)を接着した場合で説明したが、これに代えて、セパレータ5の空気出口26のある横溝21に多孔質を有するカーボン、セラミック、樹脂またはこれらの複合体を用いて粉末状、チューブ状またはシート状に形成した吸着媒体を設置し、この吸着媒体により不純物を吸着することにより不純物を浄化するようにしてもかまわない。
【図面の簡単な説明】
【図1】固体高分子型燃料電池の断面図。
【図2】図1の分解図。
【図3】セパレータの正面図。
【図4】他の実施形態のセパレータに形成されるガス流路の構成図。
【符号の説明】
1 燃料電池
2 電解質膜
3、4 ガス拡散層(電極)
5、6 セパレータ
5b、6b ガス流路
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a structure of a fuel cell, particularly a polymer electrolyte fuel cell.
[0002]
[Prior art]
In order to reuse the water discharged from the fuel cell for humidification of the cell, there is a device in which a degreasing device is provided outside the fuel cell to remove the impurities of the water discharged from the fuel cell (Japanese Patent Laid-Open No. 2000). -3317033).
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the polymer electrolyte fuel cell, since the electrolyte membrane is acidic, the gas diffusion layer (electrode) and the separator in which the gas flow path to the gas diffusion layer is formed (perforated) has acid resistance. Must be. In addition, water is generated on the cathode side as shown in formula (2) described later, and generally the cathode side (gas supplied to the fuel cell, not limited to the cathode) is humidified from the outside during the operation of the fuel cell. For this reason, the gas diffusion layer and the separator must have hydrolysis resistance so as not to react with water in a high temperature environment, and must also have heat resistance that can withstand the power generation temperature. In order to satisfy these three main requirements, after processing various metals to form a gas flow path, the surface is plated with noble metals such as gold or coated with a special paint. I was making it.
[0004]
However, since the cost of manufacturing a separator using such a metal increases, in recent years, the above-mentioned acid resistance and water resistance can be reduced at low cost by obtaining a separator by press molding a material mainly composed of graphite powder and resin. Separators having decomposability and heat resistance functionalities have appeared.
[0005]
When power is actually generated using a separator obtained by molding a material mainly composed of graphite powder and resin, it has been found that the performance of the electrolyte membrane gradually deteriorates or becomes colored. Yes. Examining the cause, it has been found that impurities are contained in condensed water at 60 to 80 ° C., which is formed by cooling a part of the water vapor discharged from the fuel cell. Impurities here are broadly classified into those that are water-soluble and those that are insoluble but have a low melting point (80 ° C. or lower), and are specifically contained in graphite itself, as will be described later. Compounds other than carbon, release agents or curing agents used during molding of separators, compounds derived from modifiers, and unreacted resin monomers (resin components that are insufficiently polymerized and exist as single molecules) ) Etc.
[0006]
When water containing such impurities comes into contact with the gas diffusion layer, the impurities close the pores of the gas diffusion layer and adhere to the surface, and when water containing impurities comes into contact with the electrolyte membrane, By being thermally cured after adhering to the membrane, the gas diffusion layer and the electrolyte membrane are contaminated, thereby reducing the power generation performance.
[0007]
Similarly, when the gas supplied to the fuel cell is humidified from the outside, partially condensed water may dissolve impurities from the separator when the gas passes through the gas flow path of the separator. A similar problem arises.
[0008]
However, just by providing a degreasing device outside the fuel cell as in the conventional device, contamination of the gas diffusion layer and the electrolyte membrane due to such impurities cannot be prevented.
[0009]
In view of the above, the present invention comprises a separator composed mainly of a conductive material and a resin, and is dissolved in water vapor generated by the oxidation reaction of the battery, which is an impurity caused by the separator, or condensed water generated by cooling the water vapor. An object of the present invention is to achieve both reduction in cost and prevention of deterioration in power generation performance by providing an impurity purification means for purifying impurities coming out inside the fuel cell.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention, there are provided two gas diffusion layers sandwiching an electrolyte that is an ionic conductor, a separator that is in contact with one of the gas diffusion layers and formed with a gas flow path for supplying fuel gas, and the other of the gas diffusion layers And a separator having a gas flow path for supplying an oxidant in contact with the fuel cell, wherein the separator is composed of a conductive material and a resin as main components, and impurities caused by the separator are the battery. An impurity purifying means for purifying impurities dissolved from the side in contact with the gas diffusion layer into water vapor generated by the oxidation reaction of the water or condensed water generated by cooling the water vapor, and the impurity purifying means comprises adsorption medium for adsorbing said impurities dispersed in the separator wall are a in even without less side in contact with one of the gas diffusion layer forms the gas flow path
[0011]
【The invention's effect】
In the case of a separator composed mainly of a conductive material and a resin, impurities dissolved from the side in contact with the gas diffusion layer contaminate the gas diffusion layer and the electrolyte membrane in water vapor and condensed water generated inside the fuel cell. and, generating less efficient than is lowering, according to the first invention, the adsorption medium dispersed in wall the impurity Te fuel cell internal smell forms the gas diffusion layer side gas flow path of the separators As a result, the power generation efficiency is not lowered and impurities are discharged outside the fuel cell even when a low-cost separator mainly composed of a conductive material and a resin is used. It can also be suppressed.
[0012]
The first invention is particularly effective when at least one of the cathode and the anode (gas diffusion layer) is humidified from the outside by a known means.
[0013]
In addition, when power is generated by reverse osmosis of a part of the water generated on the cathode side without humidification from the outside to the anode side through the electrolyte membrane, it is essential that the water to be reverse osmosis does not contain impurities. Although it is a requirement, according to the first invention, this requirement can be satisfied. Therefore, even when a low-cost separator mainly composed of a conductive material and a resin is used, there is no need for external humidification. It is possible to generate electricity by reverse osmosis of a part of the water generated in step 1 to the anode side through the electrolyte membrane.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[0015]
1 is a cross-sectional view of a polymer electrolyte fuel cell 1, FIG. 2 is an exploded view of FIG. 1, and FIG. 3 is a front view showing a gas flow path surface of a separator.
[0016]
1 and 2, gas diffusion layers (electrodes) 3 and 4 having a thickness of about 300 μm on both sides sandwiching a very thin polymer electrolyte membrane 2 of about 30 μm, and a thin plate shape of about 1 mm on the outer side. Separators 5 and 6 are arranged, respectively, and are stacked to constitute one cell.
[0017]
In order to supply an oxidant (usually air) to one gas diffusion layer (cathode) 3 and a fuel gas (usually hydrogen or a hydrogen-containing component) to the other gas diffusion layer (anode) 4, each separator 5, 6 Gas passages 5b and 6b are formed in the side surfaces 5a and 6a on the gas diffusion layer side, respectively.
[0018]
This will be described, for example, as shown in FIG. 3, on the side of the separator 5 on the side in contact with the gas diffusion layer 3 on the side of the gas diffusion layer 3, leaving a central portion 12 and a flat peripheral portion having a constant width around it. 11 is secured, and all the remaining portions except for the elongated portions 13 to 20 in the same plane as the peripheral portion 11 are drilled in the central portion 12, and in the figure, from the upper right to the left, from the left to the right, from the right to the left,. Grooves 21, 22, and 23 that are folded back are formed. That is, if the boundaries between the peripheral edge portion 11 and the central portion 12 are 12a, 12b, 12c, and 12d, the lateral groove 21 having a length, a constant width, and a constant depth from the right boundary 12a to the left boundary 12b. Are formed at intervals of the planar portions 13 to 20, and the first and second, third and fourth, fifth and sixth, seventh and eighth adjacent 2 counted from above. The four lateral grooves 21 are drilled with the same width and the same depth as the lateral grooves 21 along the left boundary 12b, and the second, third, fourth and fifth from the top. Four short connecting grooves 23 in which the second, sixth and seventh, eighth and ninth adjacent lateral grooves 21 are drilled along the right boundary 12a with the same width and depth as the lateral grooves 21. Are communicated with each other.
[0019]
When the grooves 21, 22, and 23 are formed over the entire central portion 12 of the side surface of the separator 5 on the gas diffusion layer 3 side, as shown in FIG. 1 between these grooves and the gas diffusion layer 3. Thus, a space is defined, and the gas passage 5b is formed by this space.
[0020]
In addition, the air inlet 25 penetrating all the stacked cells at the rightmost end of the horizontal groove 21 located at the top in FIG. There is an air outlet 26 penetrating therethrough.
[0021]
Since air of a constant pressure is supplied to the air inlet 25 located at the upper right by an air pump (not shown), the air first flows to the left in the lateral groove 21 located at the uppermost position of the air inlet 25 and turns back when reaching the left end. This time, the second horizontal groove 21 from the top flows to the right, and when it reaches the right end, the third horizontal groove 21 flows from the top to the left again. The air outlet 26 located at is reached.
[0022]
The gas passage 6b formed on the side surface of the other separator 6 on the gas diffusion layer 4 side is also formed in the same manner as the gas passage 5b of the separator 5 shown in FIG.
[0023]
H 2 (hydrogen gas) supplied to the gas diffusion layer 4 through one gas passage 6b is activated by the catalyst in the gas diffusion layer 4 and decomposed into electrons and hydrogen ions (protons). When this is expressed in chemical formula,
Anode side: H 2 → 2H + + 2e (1)
It is.
[0024]
The hydrogen ions of the formula (1) move to the gas diffusion layer 3 on the opposite side through the polymer electrolyte membrane 2 through which only hydrogen ions can pass. On the other hand, the electrons of the formula (1) reach the opposite gas diffusion layer 3 after performing electrical work through an external circuit (not shown).
[0025]
Air is supplied to the gas diffusion layer 3 through the gas passage 5b. Oxygen in the air reacts with hydrogen ions and electrons that have passed through the electrolyte membrane 2 to be reduced to H 2 O (water). The In terms of chemical formula, cathode side: (1/2) O 2 + 2H + + 2e → H 2 O (2)
It is.
[0026]
In this case, since the gas passages 5b and 6b are formed in the entire central part of the side surfaces 5a and 6a on the gas diffusion layer side of the two separators 5 and 6, the reactions (1) and (2) described above are performed on the electrolyte membrane 2. This occurs efficiently in almost the entire gas diffusion layers 3 and 4. However, since oxygen used in the above equation (2) is only a part of oxygen in the air, the remaining unused air is discharged from the air outlet 26 to the outside. Similarly, fuel gas that has not been used is discharged outside through a fuel outlet (not shown) provided in the separator 6.
[0027]
Water passages 5d and 6d (water jackets) are respectively formed on the side surfaces 5c and 6c opposite to the gas diffusion layers of the separators 5 and 6, respectively. This is for circulating cooling water for cooling the inside of the fuel cell in operation.
[0028]
Gaskets (silicone rubber, fluororubber, elastomer) 7, 8, 9, 10 for sealing the cooling water flowing through the water passages 5 d, 6 d, the air flowing through the gas passages 5 b, 6 b, and the fuel gas so as not to leak outside. Is housed in a groove provided at the peripheral edge of the separators 5 and 6.
[0029]
In the polymer electrolyte fuel cell 1 configured as described above, since the electrolyte membrane 2 is acidic, the separators 5 and 6 must have acid resistance. In addition, since water is generated on the cathode side as in the above formula (2), it has hydrolysis resistance so that it does not react with water in a high-temperature environment, and also has heat resistance that can withstand the power generation temperature. Must be.
[0030]
In order to obtain a separator that satisfies these requirements and is inexpensive, in the present invention, the separators 5 and 6 are molded using a thermosetting or thermoplastic resin as a binder and graphite powder as a conductive material. impurities of the resin and the conductive material from the separator 5 and 6 for the main component and contaminate the electrolyte membrane 2 and the gas diffusion layers 3 and 4 so that the power generation efficiency is not lowered, the separators 5,6 adsorption medium surface of the gas diffusion layer side (specifically wall surface forming a gas flow path 5b, 6b of the gas diffusion layer side) are dispersed in, for purifying impurities by adsorption of impurities to the adsorption medium.
[0031]
Here, the impurities caused by the separators 5 and 6 in the present invention are mainly compounds and ions. Specifically, it is a metal oxide derived from graphite, a salt such as carbonate or sulfate, and a sulfur compound, and the molded separator includes a resin monomer or a polymer insufficient product, or a resin decomposition product. Furthermore, as an additive, release agents (hydrocarbons, aliphatics, aliphatic amides, esters, alcohols, metal soaps, silicones, etc.) or for improving physical properties and processability Various modifiers are also included.
[0032]
However, the compounds and ions from the separators 5 and 6 are not permanently dissolved, and only the compounds and ions existing mainly on the surfaces and surface layers of the separators 5 and 6 may be dissolved in water. know. Therefore, if the specifications and the molding method of the separators 5 and 6 are determined, the amount of compounds and ions eluted from the separators 5 and 6 (the amount of impurities due to the separators 5 and 6) can be grasped in advance.
[0033]
Therefore, the type, particle size, and amount of the adsorption medium used in the present invention include the material, porosity, and thickness of the gas diffusion layers 3 and 4, and compounds that are eluted from the separators 5 and 6 into water or water at the operating temperature. It is determined comprehensively depending on the amount of ions. Since the thickness of the gas diffusion layers 3 and 4 that are usually used is about 200 to 350 μm on both the anode side and the cathode side, the particle size of the adsorption medium is 50 μm or less, preferably 10 μm or less. The material of the adsorption medium is preferably a single material of carbon, ceramic, or resin or a combination of these.
[0034]
A method of dispersing the (wall surface forming a gas flow path of the gas diffusion layer side in detail) surface of the gas diffusion layer side of the adsorption medium separators 5,6 are not particularly limited.
[0035]
Here, the operation of the present embodiment will be described.
[0036]
In the case of separators 5 and 6 containing graphite powder (conductive material) and resin as main components, impurities dissolved in water vapor or condensed water generated inside the fuel cell are gas diffusion layers 3 and 4 or electrolyte membranes. 2 While it reduce the contaminated power generation efficiency, according to this embodiment, the gas diffusion layer side of the separators 5, 6 and the impurity Te fuel cell interior smell surface (in particular of the gas diffusion layer side gas Since it is adsorbed on the adsorption medium dispersed on the wall surface forming the flow path and purified, the power generation efficiency is lowered even when a low-cost separator mainly composed of graphite powder and resin is used. It is also possible to prevent impurities from being discharged to the outside of the fuel cell.
[0037]
In addition, this embodiment is particularly effective when at least one of the gas diffusion layers 3 and 4 is humidified from the outside by a known means.
[0038]
When generating electricity by reversely osmosis part of the water generated on the cathode side (gas diffusion layer 3 side) through the electrolyte membrane 2 to the anode side (gas diffusion layer 4 side) without external humidification In addition, it is an essential requirement that the water to be reverse osmosis does not contain impurities, but according to the present embodiment, this requirement can be satisfied. Therefore, a molded separator whose main component is a low-cost conductive material and resin. Even in the case of using, it is possible to perform power generation by reverse osmosis of a part of the water generated on the cathode side to the anode side through the electrolyte membrane 2 without humidification from the outside.
[0039]
In addition, when the components of impurities (compounds and ions) can be known in advance (some components are easily dissolved or some components are not dissolved), the components (carbon, ceramic, resin) of the adsorption medium are used. What is necessary is just to adjust according to the component of an impurity. For example, in the case of a separator formed without using a release agent, there is no possibility that a compound derived from the release agent will dissolve, so the adsorption component added for the purpose of adsorbing this compound is omitted and the adsorption medium Configure. Thereby, not only unnecessary adsorption components can be omitted, but also a structure specialized for adsorption of other impurities can be obtained, so that the adsorption efficiency of other impurities can be increased and a greater effect can be obtained.
[0040]
Further, when an elastomer is used for the gaskets 7 and 8, the release agent dissolved in the condensed water may deteriorate the elasticity of the gaskets 7 and 8. However, according to the present embodiment, such a situation is avoided. be able to.
[0052]
In the embodiment, the case where one gas flow path is formed so as to reciprocate as described above with reference to FIG. 3 has been described, but the method of forming the gas flow path is not limited to this. For example, since the pressure loss reduction in the gas flow path, and a single flow path 33 which runs in a transverse direction from the gas flow path inlet 31 (air inlet or hydrogen inlet) as shown in FIG. 4 (a), the flow path The present invention is also applicable to a configuration including a plurality of flow paths 34 branched from 33 and a single aggregate flow path 35 that runs below the outlet 32 (air outlet or hydrogen outlet) in the lateral direction.
[0053]
In this case, it is preferable to install an ion exchange membrane, a porous resin membrane, or a tube on the bottom surface or wall surface of the flow channel rather than dispersing the powder adsorption medium on the bottom surface of the gas flow channel. In addition, an impurity purification means such as the above-described ion exchange membrane capable of adsorbing impurities to the aggregation channel 35 can be provided.
[0054]
Further, there is application of the present invention is also applicable to the case where the gas flow path of the plurality (three in the figure) shown so shown in FIG. 4 (b) is formed so as to reciprocate.
[0055]
In the embodiment, the separators 5 and 6 have been described in the case where the thermosetting or thermoplastic resin is used as a binder and the graphite powder is formed as a conductive material. However, the present invention is not limited to this, and the conductive material is graphite powder. And at least one component of carbon black or metal powder.
[0056]
The separator in the present invention may be formed by injection molding, compression molding, extrusion molding, or any other known method using a material mainly composed of resin and graphite powder or metal powder. Also included is a separator in which a gas flow path is formed on a graphite plate by machining and then impregnated with a resin to improve gas permeability.
[0057]
In the second embodiment, the case where an electrolyte membrane (ion exchange membrane) cut to the same size as the lateral groove 21 is bonded to the lateral groove 21 where the air outlet 26 of the separator 5 is provided is described. An adsorbing medium formed in the form of a powder, tube or sheet using porous carbon, ceramic, resin or a composite thereof is installed in the lateral groove 21 having the outlet 26, and impurities are adsorbed by the adsorbing medium. The impurity may be purified by the above.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a polymer electrolyte fuel cell.
FIG. 2 is an exploded view of FIG.
FIG. 3 is a front view of a separator.
FIG. 4 is a configuration diagram of a gas flow path formed in a separator according to another embodiment.
[Explanation of symbols]
1 Fuel Cell 2 Electrolyte Membrane 3 and 4 Gas Diffusion Layer (Electrode)
5, 6 Separator 5b, 6b Gas flow path

Claims (8)

イオン導電体である電解質を挟む2つのガス拡散層と、
ガス拡散層の一方に接して燃料ガスを供給するためのガス流路を形成したセパレータと、
ガス拡散層の他方に接して酸化剤を供給するためのガス流路を形成したセパレータと
を備える燃料電池において、
前記セパレータを導電性材料および樹脂を主成分として構成すると共に、このセパレータに起因する不純物であって電池の酸化反応で生成される水蒸気またはその水蒸気が冷却されて生じる凝縮水に溶け出てくる不純物を浄化する不純物浄化手段を燃料電池内部に備え、
前記不純物浄化手段は、少なくとも一方のガス拡散層と接する側であって前記ガス流路を形成しているセパレータ壁面に分散して前記不純物を吸着する吸着媒体である
ことを特徴とする燃料電池。
Two gas diffusion layers sandwiching an electrolyte that is an ionic conductor;
A separator formed with a gas flow path for supplying fuel gas in contact with one of the gas diffusion layers;
A separator having a gas flow path for supplying an oxidant in contact with the other of the gas diffusion layers,
The separator is composed of a conductive material and a resin as main components, and impurities are attributed to the separator and dissolved in water vapor generated by the oxidation reaction of the battery or condensed water generated by cooling the water vapor. Impurity purification means for purifying the fuel is provided inside the fuel cell,
The fuel cell, wherein the impurity purification means is an adsorption medium that is dispersed on a separator wall surface that forms the gas flow path on the side in contact with at least one gas diffusion layer and adsorbs the impurities.
前記吸着媒体は、多孔質を有するカーボン、セラミック、樹脂またはこれらの複合体の粉末であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。2. The fuel cell according to claim 1 , wherein the adsorption medium is porous carbon, ceramic, resin, or a composite powder thereof. 前記導電性材料は、黒鉛粉、カーボンブラックまたは金属紛の少なくとも一つを用いた材料であり、この導電性材料と樹脂とを主成分として成形によってセパレータを形成することを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池。The conductive material is a material using at least one of graphite powder, carbon black, or metal powder, and the separator is formed by molding with the conductive material and a resin as main components. Or the fuel cell of 2 . 前記導電性材料は、グラファイト板であり、このグラファイト板に機械加工でガス流路を形成した後に樹脂を含浸させてセパレータを形成することを特徴とする請求項1から3までのいずれか一つに記載の燃料電池。  The conductive material is a graphite plate, and a gas flow path is formed on the graphite plate by machining and then impregnated with a resin to form a separator. A fuel cell according to claim 1. 前記不純物の成分を予め知り得る場合に、その不純物の成分に合わせて前記吸着媒体の成分を調整することを特徴とする請求項1からまでのいずれか一つに記載の燃料電池。If that can know the ingredients of the impurities in advance, the fuel cell according to any one of claims 1 to 4, characterized by adjusting the components of the adsorption medium in accordance with the component of the impurities. 前記不純物浄化手段をガス流路の一部に備えることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。The fuel cell according to claim 1 , wherein the impurity purification means is provided in a part of a gas flow path. 前記不純物浄化手段は、多孔質を有するカーボン、セラミック、樹脂またはこれらの複合体を用いて粉末状、チューブ状またはシート状に形成した吸着媒体であって、この吸着媒体により前記不純物を吸着させることを特徴とする請求項に記載の燃料電池。The impurity purification means is an adsorption medium formed into a powder, tube or sheet using porous carbon, ceramic, resin or a composite thereof, and the impurities are adsorbed by the adsorption medium. The fuel cell according to claim 6 . 前記不純物がイオンまたは化合物を含む場合に、前記不純物浄化手段はこのイオンまたは化合物を選択的に吸着させる手段であることを特徴とする請求項に記載の燃料電池。The fuel cell according to claim 6 , wherein when the impurities include ions or compounds, the impurity purification means is means for selectively adsorbing the ions or compounds.
JP2002016819A 2002-01-25 2002-01-25 Fuel cell Expired - Fee Related JP3693021B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002016819A JP3693021B2 (en) 2002-01-25 2002-01-25 Fuel cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002016819A JP3693021B2 (en) 2002-01-25 2002-01-25 Fuel cell

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2003217613A JP2003217613A (en) 2003-07-31
JP3693021B2 true JP3693021B2 (en) 2005-09-07

Family

ID=27652753

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2002016819A Expired - Fee Related JP3693021B2 (en) 2002-01-25 2002-01-25 Fuel cell

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3693021B2 (en)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1469544A1 (en) * 2003-04-11 2004-10-20 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Method of operating a fuel cell, air purifying apparatus and fuel cell
JP4700918B2 (en) * 2004-02-19 2011-06-15 本田技研工業株式会社 Fuel cell
JP2006156173A (en) * 2004-11-30 2006-06-15 Nissan Motor Co Ltd Separator for fuel cell using pipe material, manufacturing method of fuel cell and separator for fuel cell
JP2010267535A (en) * 2009-05-15 2010-11-25 Panasonic Corp Polymer electrolyte fuel cell
JP4701304B2 (en) * 2010-02-01 2011-06-15 本田技研工業株式会社 Fuel cell
US9196910B2 (en) 2011-08-10 2015-11-24 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Fuel cell
JP6691247B1 (en) * 2019-01-22 2020-04-28 東京瓦斯株式会社 Reactor and fuel cell power generation system

Also Published As

Publication number Publication date
JP2003217613A (en) 2003-07-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5584177B2 (en) Gas diffusion layer, method for producing the same, and fuel cell
JP4938912B2 (en) POLYMER ELECTROLYTE FUEL CELL AND FUEL CELL STACK HAVING THE SAME
JP5223849B2 (en) Fuel cell
CN107342429B (en) Fuel cell
KR101240973B1 (en) Locally hydrophilic gas diffusion layer and fuel cell stack comprising the same
JP2006523933A (en) Variable pressure drop fuel cell stack
WO2012114681A1 (en) Fuel cell and fuel cell stack comprising same
JP2009026727A (en) Metal separator for fuel cell
JP3693021B2 (en) Fuel cell
JP2006048983A (en) Fuel cell stack
US7638227B2 (en) Fuel cell having stack structure
US20130101917A1 (en) Polymer electrolyte fuel cell and method of fabricating the same
US20050112422A1 (en) Fuel cell and fuel cell separator
JP2008047395A (en) Fuel cell
JP4917737B2 (en) ELECTROLYTE MEMBRANE FOR FUEL CELL AND FUEL CELL
JP2007087742A (en) Solid polymer fuel cell
JP6344028B2 (en) Air battery stack
JP4989185B2 (en) Separator set for fuel cell
JP5466136B2 (en) Fuel cell separator and method of manufacturing the same
JP2013114899A (en) Fuel cell stack
JP5657429B2 (en) Fuel cell
JP2004207082A (en) Fuel cell and separator for fuel cell
JP4183428B2 (en) Fuel cell
JP4678830B2 (en) Fuel cell stack
KR20180035002A (en) Fuel Cell

Legal Events

Date Code Title Description
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20040325

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20050105

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20050214

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20050315

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20050509

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20050531

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20050613

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees