JP3991102B2 - Fuel cell - Google Patents

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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池のガス供給方法を簡略化し、セパレータ板にサーペンタインあるいは平行流のガス流路溝を刻むことなく、マニホールドからガス拡散層に直接ガスを供給するガス流路を有してなるガス拡散電極とそれを用いた燃料電池に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池には、固体電解質型、溶融炭酸塩型、固体高分子型、アルカリ型、リン酸型、直接型メタノール燃料電池等のような種類があるが、燃料あるいは空気ガスを電解質板あるいは膜の各々一方側に配置された触媒層に供給することで発電する原理は共通している。また、いずれの場合も単セルと呼ばれる発電ユニットをいくつも積層することによって燃料電池スタックを組み立て、必要な電力を達成している。そして、燃料電池スタックにおいて、これらの単セルはセパレータと呼ばれる材料で各々分割されている。
固体高分子型、アルカリ型、リン酸型、直接型メタノール燃料電池のような低温型燃料電池においては、セパレータはカーボンあるいは金属材料でできた板であり、これらは隣り合う単セルの燃料極ガスと空気とが混合するのを防ぐ役割を果たすと共に、二つのセルを直列につなぐための電子導電体の役割も果たすものである。セパレータと次のセパレータの間に単セルのユニットがあり、単セルは燃料ガス拡散層、燃料極触媒層、電解質、空気極触媒層、空気拡散層からなっている。
【0003】
図2は一般的な従来の燃料電池におけるガス流路及びガス拡散層部分を図示したものである。(A)は燃料電池のセパレータの底面図を、(B)はガス拡散層部分の断面図を、(C)はそのガス拡散層部分の要部の分解図を示す。図2(A)及び(B)に示すように、セパレータ1にはガスが流れるための溝2が刻まれており、図2(B)に示すように供給された燃料ガスあるいは空気がこの溝の中を流れる間にガス拡散層3にしみ出して行き、ガス拡散層3と電解質層5(例えば、高分子電解質)との間に設けた各々の触媒層4に達して反応することで燃料電池反応が起きる。なお、セパレータの溝は(A)では蛇行しているが(C)では簡略化して直線で示した。5は電解質層であり、その反対側にも同様な触媒層、ガス拡散層、溝、セパレータが存在する。このような流路構成においては、セパレータに設けられたガスが供給され流れる溝と、ガスが触媒層に向かって自然拡散していくガス拡散層(カーボンペーパー、カーボンクロスなど)とが隣り合う配置となっており、それぞれが別個に設けられることで燃料電池スタックのスペースがかさみ、エネルギー密度(単位体積あるいは単位重量当たりのkW数)低下の原因にもなっていた。
【0004】
更に、これらセパレータとなる板1の表面にガスの流れる溝2(サーペンタインと呼ばれる蛇行する形の溝や平行流路と呼ばれる一方向に並んだ溝などがある)を加工して刻み入れるために、1枚のセパレータには少なくとも3mm程度の厚みを要する。そのため、燃料電池スタックのスペース増だけでなく、材料のコスト、及び加工に要する歩留まりの悪さによって、燃料電池コスト高の主要な原因ともなっていた。
【0005】
サーペンタイン流路や平行流路をセパレータに刻み込む従来技術では、流路中をガスが入り口から出口まで通過する間に、ガス拡散層に染み込んで行くことで触媒層への補給がなされている。しかし、この場合は例えば空気極において発生した水蒸気がガス拡散層内で凝縮した時に、その部分で酸素ガスの拡散が阻害され、電流が流れない部分ができて燃料電池の出力低下につながっていた。これを改善するため、セパレータに刻み込んだ流路を行き止まりとし強制的にガスを拡散層を通して隣接の流路へ送り出す、Interdigitated flow fieldと呼ばれる新しい流路方式が提案されている(例えば、非特許文献1参照)。
【0006】
【非特許文献1】
W. He, J. S. Yi, and T. V. Nguyen, AIChE
Journal, 46, No. 10, 2053-2064 (2000)
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような従来の燃料電池のスタックのスペース増、加工の手間によるコスト増、歩留まりの悪さの問題を克服することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような燃料電池の構成法を根本的に変更しようとするものである。即ち、ガスの供給方法を、セパレータ1に刻まれたガス流路2を介して行うのでなく、ガス拡散層に横方向(厚み方向)から直接供給するものである。そのため、セパレータを最小の厚さに止めることで燃料電池スペースを小さく、よりコンパクトにすることができる。その上、加工コストを削減し燃料電池のコストを大幅に低減するというメリットも有する。更に重要な効果として、ガス拡散性の改善が期待できる。本発明では、ガスは最初からガス拡散層中へ供給されるため、上記の水蒸気凝縮によるガス滞留を防止する上で大きな効果を有する。
【0009】
本発明者らは、燃料電池のガス流路構成法につき様々な可能性を検討した結果、ガス拡散層に直接ガスを供給する構造を設けそれぞれ燃料極および空気極としたとき、電池のコンパクト化が実現できることを見出した。ここでガス拡散層にガスを供給するため、相似形となる図形を平面上にいくつも組み合わせたガス拡散層とする。このようにガス拡散層を分割し、分割されたガス拡散層各々に厚み方向の(側面からの)ガス供給口とガス排出口を設けることで燃料電池の燃料極及び空気極反応層を平面的に分割するものである。このように分割された図形は相似形である故、大きさを段階的に幾らでも細かく設計することができる(以下、本発明による流路をフラクタル流路と呼ぶことがある)。また、本発明者らは、図形が大きいと電流密度などに不均一性が生じる恐れがあるが、細かくすることで均一性を実現することが可能となることを見出した。本発明はこれらの知見に基づきなされるに至ったものである。
【0010】
即ち、本発明は、
(1) サーペンタインあるいは平行流のガス流路をきざんでいない、ガスの供給をセパレータに刻まれたガス流路を介して行わないセパレータシートと、このセパレータシートと同様のセパレータシートとの間に燃料ガス拡散層、燃料極触媒層、電解質膜、空気極触媒層、空気拡散層を配置して、燃料極及び空気極を形成した単セルのユニットよりなる燃料電池において、
前記の燃料極及び空気極をそれぞれ構成する前記の燃料ガス拡散層及び空気拡散層として、多孔質材層を設けてなり、この多孔質材層が平面形状を相似形単位に分割・分離されて、この相似形の間にガス流出溝としての空隙を有し、かつ相似形単位ごとに、それぞれ燃料もしくは空気のガス供給口及びガス排出口を有しており、前記の燃料もしくは空気のガス拡散層に対し、垂直方向の燃料もしくは空気のガス流路から導入したガスを、該ガス拡散層の横側の前記ガス供給口から前記多孔質材層中に横側から直接供給流入させて多孔質材層中を相似形単位で前記ガス拡散させ、該相似形単位から流出するガスを、前記空隙流出させ、前記のガス排出口から排出する、ガス拡散電極を用いたことを特徴とする燃料電池、
(2)前記相似形の形が、三角形、四角形、菱形、もしくは台形であることを特徴とする(1)項に記載の燃料電池、
(3)上記燃料電池が、固体高分子型燃料電池であることを特徴とする(1)又は(2)項に記載の燃料電池、
(4)多孔質材層がカーボン材又は金属フェルトであることを特徴とする(1)〜(3)のいずれか1項に記載の燃料電池、
(5)多孔質材層の多孔質材の空隙率が50〜95%である(1)〜(4)のいずれか1項に記載の燃料電池、
(6)燃料ガスの代わりに液燃料を供給することを特徴とする(1)〜(5)のいずれか1項に記載の燃料電池、
(7)サーペンタインあるいは平行流のガス流路をきざんでいない、ガスの供給をセパレータに刻まれたガス流路を介して行わないセパレータシートと、このセパレータシートと同様のセパレータシートとの間に燃料ガス拡散層、燃料極触媒層、電解質膜、空気極触媒層、空気拡散層を配置して、燃料極及び空気極を形成した単セルのユニットよりなる燃料電池に対して用いられ、前記の燃料極及び空気極をそれぞれ構成する前記の燃料ガス拡散層及び空気拡散層として、多孔質材層を設けてなり、この多孔質材層が平面形状を相似形単位に分割・分離されて、この相似形の間に多孔質材層からのガス流出溝としての空隙を有し、かつ相似形単位ごとに、それぞれ燃料もしくは空気のガス供給口及びガス排出口を有しており、前記の燃料もしくは空気のガス拡散層に対し、垂直方向の燃料もしくは空気のガス流路から導入したガスを、該ガス拡散層の横側の前記ガス供給口から前記多孔質材層中に横側から直接供給流入させて多孔質材層中を相似形単位で前記ガス拡散させ、該相似形単位から流出するガスを、前記空隙流出させ、前記のガス排出口から排出することを特徴とするガス拡散電極、
(8)前記相似形の形が、三角形、四角形、菱形、もしくは台形であることを特徴とする(7)に記載のガス拡散電極、及び
(9)多孔質材層の多孔質材の空隙率が50〜95%である(7)又は(8)に記載のガス拡散電極
を提供するものである。
本発明においては、好ましくは単セルが積層された燃料電池スタックを貫くガス供給口及び排出口をそれぞれの前記の相似形毎に設け、スタックのユニットである単セルの燃料ガス拡散層及び空気拡散層に前記ガス供給口及び排出口を別々に接続した(1)〜(6)のいずれか1項に記載の燃料電池を提供する
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい一実施形態について、燃料電池ガス流路の具体的な構成を図面にしたがって説明する。
図1は本発明を採用した燃料電池におけるガス流路(フラクタル流路)を図示したものであり、相似形が二等辺直角三角形である場合の構成例である。
図1において11はセパレータであり、相接する単セルのガス(燃料ガス及び空気)を単に分離すれば十分なので、1mm厚さ以下のカーボン、金属、あるいは導電性材料のシートで構成することが可能である。13はガス拡散層となる多孔質状のカーボン材(カーボンペーパーやカーボンクロスなど)又は金属フェルトであり、この部分に横方向の流入口inlet部13aよりガスが流入し、また流出口outlet13bから流出する。またこの部分は、平面を分割する相似形の図形(この場合は三角形13c、13d)を、空隙16を設けて次々に組み合わせることで燃料電池単セル全体の電極面を構成することができる。14は触媒層、15は電解質(板あるいは膜)であり、この反対側は同様に触媒層、ガス拡散層、セパレータから構成される。ガス拡散層13へのガス供給は、側面に設けたガス流路17(図1(B)参照)から行われる。
【0012】
ここで13のガス拡散層は、電解質の一方と反対側で重なった形となる必要はない。単セル電極面での電流密度が均一となるように、相似形の図形をずらして構成することも望ましい場合がある。又、相似形の大きさは電流密度が均一になるように、図3に示す如く次々と細かく取っていくことも望ましい。その場合、ガスの供給口及び排出口はこれらの相似形それぞれに配置する必要があるが、これは燃料電池スタックを貫くガス供給口及び排出口をそれぞれの相似形毎に設け、スタックのユニットである単セルの燃料ガス拡散層及び空気拡散層に別々に接続することで解決できる。図3において、(A)、(B)はガス拡散層を8分割した例であり、(C)、(D)は32分割した例である。(A)、(C)は燃料ガス拡散層を、(B)、(D)は空気拡散層をそれぞれ上から見たものである。実際は立体的に重なった面であるが、説明の都合上並べて描いてある。(A)〜(D)において、白丸21はガス流入口、黒丸22はガス流出口を示す。23は分割部に設けた空隙であり、ガス流出溝を形成する。図中、矢印はガスの流入を示す。黒線部24は各々の相似形を分離する境目である。
【0013】
図4は同様なガス流路において、相似形が四角形である場合の構成例を図示したものである。三角形の場合よりも電流密度の均一性が向上すると期待される。図4の(A)〜(D)はフラクタル流路を四角形に分割した例を示し、(A)、(B)が2分割、(C)、(D)が4分割である。同図において、31からガスがガス拡散層に流入され、32からガスが流出する。33は仕切りを示す。
図5はさらに異なる分割の態様を有するガス拡散層の説明図である。この図に示すように相似形を六角形を分割して形成した、正三角形(図5(A))、菱形(図5(B))、台形(図5(C))とすることも可能である。
相似形の図形の大きさとしては、1辺が0.5cm〜10cmのものが好ましいが、作成を容易にしかつ電流密度の均一性を保つためには、1cm〜3cmのもので構成することがより好ましい。
【0014】
またガス拡散層の材料として用いる、多孔質材の具体例としてはカーボンペーパーあるいはカーボンクロスのようなカーボン材が挙げられ、好ましくは空隙率が50%〜95%、厚さが50μm〜1mmのもの、より好ましくは空隙率が70%〜90%、厚さが90μm〜500μmのものが用いられるが、本発明の目的を満たすものであれば同様な空隙率及び厚さを有する多孔質の金属フェルトを用いることもできる。
【0015】
ガス供給部あるいは排出部に接続する、燃料電池スタックを貫くガス供給口及び排出口の大きさは適宜選ぶことができるが、使われない電極面積をできるだけ小さくする一方で、ガスの圧損を最小限に抑えるために、好ましくは1mm〜15mmのもの、より好ましくは2mm〜5mmに設計される。
セパレータ材料としては、ガス透過性がない一方で電気伝導性を有する、好ましくは厚さ0.05mm〜5mm、より好ましくは0.2mm〜1mmのカーボンシート、あるいは金属箔や板を用いることができる。
燃料ガスおよび空気を流す方向は、温度分布、反応物質及び生成物質分布、電流密度分布を見ながら適宜決定するのが好ましい。
【0016】
分割された相似形をそれぞれ分離するための境目は、ガスを遮断できるポリマー材料、ゴム、カーボンあるいは金属材料で枠を設けた後、枠の間にカーボンペーパーあるいはカーボンクロスなどでできた相似形を埋め込んでいくことで1層のガス拡散層を構成することができる。あるいは、最初にカーボンペーパーあるいはカーボンクロスなどで1層のガス拡散層を作った後、相似形の部分は残す一方で境目となる部分に接着剤あるいは熱硬化性樹脂を埋め込んで行き、最後に固化させることで目的のガス拡散層を形成することができる。
【0017】
次に、燃料電池スタックを製造する際に燃料ガスあるいは空気を各々の単セルに導くためのマニホールドの構成について説明する。例えば図6に拡大図で示すように積層された単セル電極面に対し垂直な方向にスタックを貫通し、燃料極あるいは空気極の位置でガス拡散層の平面方向に分配するようなガス供給方法を適宜採用することができる。その際、分割された相似形のそれぞれにガス供給口及び排出口を設けるのが望ましいが、相接する部分では共通させることもできる。図6はこの燃料電池の実施態様を模式的に示しており、41はセパレータ、42は燃料極ガス拡散層、43は電解質、44は空気極ガス拡散層、45は燃料極触媒層、46は空気極触媒層である。燃料電池は組み合わせ単位が所定数積層されている。47は、燃料ガス48の流通管であり、側部に設けた透孔(図示せず)より、燃料ガス48aを燃料極ガス拡散層中に流入させる。一方、49は空気極ガス50の流通管であり、側部に設けた透孔(図示せず)より、空気50aを空気極ガス拡散層中に供給する。なお、図6ではガスの流れの説明上、燃料極ガス拡散層42及び空気極ガス拡散層44は存在するが一点鎖線で示したのみである。
【0018】
図6に示す燃料電池スタックにおいて上記マニホールドは、最初に各々の単セルにおけるセパレータ、ガス拡散層、膜電極接合体(電解質膜と燃料極及び空気極触媒層が一体となったもの)のそれぞれに作製した後、孔の位置が合うように1つ1つ積み上げてスタックを積層する方法で完成することができる。
あるいは、始めから孔を設けることはしないで、各々の単セルにおけるセパレータ、ガス拡散層、膜電極接合体を積層しスタックとした後、電極面に垂直に孔を貫き加工する形でマニホールドを形成することができる。
【0019】
【実施例】
次に、本発明の実施例を、図面を参照してさらに詳細に説明する。
実施例1
図3に示した設計に従って、一辺33mmの正方形の白色多孔体(ミリポアメンブレンフィルター)を、二等辺直角三角形をした相似形で2分割、4分割、8分割したとき、構成する二等辺直角三角形ユニットの一つの頂点から反対側の底辺に向かって着色液体を浸透させ、液体が底辺に達するときの時間を計測した。その際、45°の角度の頂点から浸透させる場合と、90°の角度の頂点から浸透させる場合との2種類が存在するので、それぞれ45°モード、90°モードと呼ぶことにする。
【0020】
白色多孔体と着色液による可視化によって得られた、ガスなどの流体の流入方向と分割数による流体拡散に要した時間を図7に示す。浸透は均一に進み、拡散がいずれかの場所に偏るということはなかった。また、45°モードついても90°モードについても分割数が増加するにつれて、拡散に要する時間は当然減少するが、分割数の逆数と拡散に要する時間にはほぼ比例の関係がある。すなわち、面積が2倍になると、拡散に要する時間もまた2倍になる。一方で、流入モードによる拡散時間について見てみると、90°モードの方が45°モードよりも拡散に要する時間が短いことも分かる。
【0021】
実施例2
図8に示した装置を用いて、一辺25mmの二等辺直角三角形に切り出されたカーボンペーパー81(東レインターナショナル社製)から構成されるユニットの45°の頂点から反対側の底辺に向かって酸素ガス82を一定流速で通過させ、その際のガス入り口と出口の間で発生する圧力損失を、差圧計を用いて測定した。図中、(A)は正面図、(B)は(A)に対応する酸素ガス拡散層のガスの流れを説明する図である。図8(B)中、81aはガス流入口、81bはガス流出口であり、図8(A)に示されるように酸素ガス拡散層81の側部からガス流入を行う。
【0022】
厚さ0.35mm、嵩密度0.49g/cm3、空隙率76%の東レ製カーボンペーパーTPG−H−120(商品名)において、二等辺直角三角形の一辺の長さを種々に変えた時に測定された圧力損失−ガス流量の関係を図9に示す。一辺の長さが12.5mmの時を2分割の単セルとすると、一辺の長さが6.25mmの場合は8分割に相当する。同じ電流を取り出すときに2分割の場合に比べ8分割では1つのユニット当たりの酸素ガス流量は1/4であるが、同じ面積に積算すれば結局ガス流量は同じとなる。
【0023】
実施例3
実施例2と同様に、図8に示した装置を用いて、幅40mm、ガス通過距離50mm、30mm、10mmの長方形に切り出されたカーボンペーパー(東レインターナショナル社製、TPG-H-120(商品名))から構成されるユニットの片側から反対側の底辺に向かって酸素ガスを一定流速で通過させ、その際のガス入り口と出口の間で発生する圧力損失を差圧系を用いて測定した。
結果を圧力損失−ガス流量の関係として図10に示す。長方形ではガスの通過距離に対してほぼ比例する圧力損失の関係が得られた。実施例2の45°モード三角形と比較すると、ガスの通過距離による圧力損失の違いがよりはっきり出ていることが分かる。その様子をガスの通過距離−圧力損失の関係として図11に示す。
【0024】
実施例4
図8に示した装置を用いて、一辺50mmの二等辺直角三角形に切り出されたカーボンペーパー(東レインターナショナル社製、厚さ0.37mm)から構成されるユニットに対し、45°モード、90°モードで三角形の頂点から反対側の底辺に向かって酸素ガスを一定流速で通過させ、その際のガス入り口と出口の間で発生する圧力損失を差圧系を用いて測定した。
その際、カーボンペーパーの嵩密度及び空隙率が0.45g/cm3及び78%のものと、0.32g/cm3及び84%のものにおいて測定された圧力損失−ガス流量の関係を図12の(A)と(B)に示す。これにより45°モードは90°モードの約2倍の圧力損失が発生していることが分かった。これは三角形のカーボンペーパーの場合、ガス拡散層への導入部分での抵抗が一番大きいが、その部分の断面積が45°モードでは90°モードの半分となっているため、その部分で極端に損失が大きくなったと考えられる。
【0025】
実施例5
ナフィオン115膜(厚さ約130μm)の両面に図1で示したような90°モードの二等辺直角三角形2つからなるフラクタル流路を構成するように、厚さ0.38mmのカーボンペーパーを用いて25mm角の膜・電極接合体を構成した。この際、燃料極側及び空気極側の触媒層には、20wt%Pt/C Vulcan XC−72(ElectroChem社製、商品名)触媒を、それぞれ白金量1mg/cm2となるように担持した。この膜・電極接合体を用い、50℃で単セル発電試験を行い、電流・電圧と出力密度を測定した。なお、燃料ガスには70℃で加湿した水素ガス、空気極ガスには70℃で加湿した酸素ガスを用い、各々20cm3/minで供給した。
フラクタル流路において得られた電極面積当たりの出力密度0.067W/cm2を、セパレータ厚さ0.2mmとして単セルの体積当たりに換算すると、0.067W/cm2÷0.11cm=0.61W/cm3が得られた。
【0026】
一方、比較のために、ナフィオン115膜(厚さ約130μm)の両面に図2で示したような通常のガス流路(サーペンタイン流路)を構成するように厚さ0.19mmのカーボンペーパーを用いて23mm角の膜・電極接合体を構成した。この際、燃料極側及び空気極側の触媒層には、20wt%Pt/C Vulcan XC−72触媒を、それぞれ白金量1mg/cm2となるように担持した。この膜・電極接合体を用い、上記と同様な条件で行った単セル発電試験を行い、電流・電圧及び出力密度を試験した。
サーペンタイン流路において得られた電極面積当たりの出力密度0.1W/cm2を、セパレータ厚さ3mmとして単セルの体積当たりに換算すると、0.1W/cm2÷0.35cm=0.29W/cm3が得られた。このように、フラクタル流路を用いた本発明の実施例5と比較し、通常の流路では燃料電池単セル当たりの出力密度が半分以下と低く、従ってフラクタル流路は燃料電池の材料コストのみならずエネルギー密度でも優位性を持つことが示された。
【0027】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は燃料電池の構成法を根本的に変更しようとするものであり、ガスの供給方法として、従来のようにセパレータに刻まれたガス流路を介して行うのでなく、ガス拡散層に横方向(厚み方向)から直接供給するものである。
すなわち、本発明の燃料電池は、コンパクトに設計することができ、かつ加工コストを削減し燃料電池のコストを大幅に低減するという優れた効果を奏する。更に、本発明の燃料電池は、ガスが強制的にガス拡散層へ供給されるため、空気極で起きる水蒸気凝縮によるガス滞留を防止し、出力を向上させることができるという優れた効果を有する。
また、本発明のガス拡散電極は、相似形となる図形を平面上にいくつも組み合わせた構造に分割されており、分割された形の各々に直接ガスが供給されることで均一性を実現でき、燃料電池の出力を向上させることができる。また、相似形に分割されているため、大きさを段階的に幾らでも細かく設計することができコンパクトな燃料電池を設計することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の燃料電池の構成単位に関し、(A)がガス拡散層の平面図、(B)が燃料電池の構成単位の要部の正面図、(C)が燃料電池の構成単位の要部の分解図である。
【図2】従来の燃料電池の構成単位に関し、(A)がセパレータの平面図、(B)が燃料電池の構成単位の要部の正面図、(C)が燃料電池の構成単位の要部の分解図である。
【図3】フラクタル流路分割を示す説明図であり、(A)、(B)が8分割の例、(C)、(D)が32分割の例である。
【図4】四角形フラクタル流路分割を示す説明図であり、(A)、(B)が2分割の例、(C)、(D)が4分割の例である。
【図5】六角形から派生したフラクタル流路の構成を示し、(A)が正三角形、(B)が菱形、(C)が台形からなる例である。
【図6】燃料電池スタックと燃料ガスあるいは空気の流れを示す斜視図である。
【図7】フラクタル流路の分割数と白色多孔体中への着色流体の拡散速度との関係を示すグラフである。
【図8】圧力損失測定装置の概略図であり、(A)は正面図、(B)はこの装置におけるガス拡散層のガス拡散の状態を示す説明図である。
【図9】TGP−H−120 45°モードでの圧力損失とカーボンペーパーの一辺の長さとの関係を示すグラフである。
【図10】TGP−H−120長方形型の圧力損失とガス流量の関係を示すグラフである。
【図11】ガスの通過距離と圧力損失(TGP−H−120、150sccm)との関係を示すグラフである。
【図12】圧力損失−ガス流量における45°モードと90°モードとの比較試験の結果を示し、(A)TGP−H−120(空隙率78%)、ペーパー面積12.5cm2、(B)TGP−H−120気体透過度改善品(空隙率84%)、ペーパー面積12.5cm2である。
【符号の説明】
11 セパレータ
13 ガス拡散層(多孔質カーボン材)
13a 流入口(inlet)
13b 流出口(outlet)
14 触媒層
15 電解質(板あるいは膜)
16、23 空隙
17 ガス流路
21、31 ガス流入口
22、32 ガス流出口
24、33 境目
41 セパレータ
42 燃料極ガス拡散層
43 電解質
44 空気極ガス拡散層
45 燃料極触媒層
46 空気極触媒層
47 燃料ガスの流通管
48 燃料ガス
49 空気極ガスの流通管
50 空気極ガス
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention simplifies the fuel cell gas supply method, and has a gas flow path for supplying gas directly from the manifold to the gas diffusion layer without carving serpentine or a parallel flow gas flow path groove in the separator plate. The present invention relates to a gas diffusion electrode and a fuel cell using the same.
[0002]
[Prior art]
There are various types of fuel cells, such as solid electrolyte type, molten carbonate type, solid polymer type, alkali type, phosphoric acid type, direct type methanol fuel cell, etc., but fuel or air gas is used as an electrolyte plate or membrane. The principle of generating electricity by supplying the catalyst layers arranged on one side is common. In either case, a fuel cell stack is assembled by stacking a number of power generation units called single cells to achieve the required power. In the fuel cell stack, these single cells are each divided by a material called a separator.
In low temperature fuel cells such as solid polymer type, alkaline type, phosphoric acid type, and direct type methanol fuel cells, the separator is a plate made of carbon or a metal material, and these are anode cell electrodes of adjacent single cells. In addition to preventing air and air from mixing, it also serves as an electronic conductor for connecting the two cells in series. There is a unit of a single cell between the separator and the next separator, and the single cell includes a fuel gas diffusion layer, a fuel electrode catalyst layer, an electrolyte, an air electrode catalyst layer, and an air diffusion layer.
[0003]
FIG. 2 shows a gas flow path and a gas diffusion layer portion in a general conventional fuel cell. (A) is a bottom view of the separator of the fuel cell, (B) is a sectional view of the gas diffusion layer portion, and (C) is an exploded view of the main part of the gas diffusion layer portion. As shown in FIGS. 2 (A) and 2 (B), the separator 1 has a groove 2 through which gas flows, and the fuel gas or air supplied as shown in FIG. The fuel flows into the gas diffusion layer 3 while flowing through the gas, reaches each catalyst layer 4 provided between the gas diffusion layer 3 and the electrolyte layer 5 (for example, polymer electrolyte), and reacts. Battery reaction occurs. In addition, although the groove | channel of the separator meandered in (A), in (C), it simplified and showed with the straight line. Reference numeral 5 denotes an electrolyte layer, and a similar catalyst layer, gas diffusion layer, groove, and separator exist on the opposite side. In such a flow path configuration, a groove provided with a gas supplied to the separator and a gas diffusion layer (carbon paper, carbon cloth, etc.) in which the gas naturally diffuses toward the catalyst layer are arranged adjacent to each other. Since each of them is provided separately, the space of the fuel cell stack is bulky, which causes a decrease in energy density (the number of kW per unit volume or unit weight).
[0004]
Furthermore, in order to process and engrave the groove 2 in which gas flows (the serpentine-shaped groove called serpentine or the one-sided groove called parallel flow path) is formed on the surface of the plate 1 serving as a separator. One separator requires a thickness of at least about 3 mm. For this reason, not only the space of the fuel cell stack is increased, but also the cost of materials and the poor yield required for processing have become main causes of high fuel cell costs.
[0005]
In the prior art in which a serpentine channel or a parallel channel is cut into a separator, the gas is diffused into the gas diffusion layer while gas passes through the channel from the inlet to the outlet, so that the catalyst layer is replenished. However, in this case, for example, when water vapor generated in the air electrode is condensed in the gas diffusion layer, the diffusion of oxygen gas is inhibited in that portion, and a portion where current does not flow is generated, leading to a decrease in the output of the fuel cell. . In order to improve this, a new flow channel method called Interdigitated flow field has been proposed in which the flow channel cut into the separator is stopped and the gas is forcibly sent to the adjacent flow channel through the diffusion layer (for example, non-patent literature) 1).
[0006]
[Non-Patent Document 1]
W. He, J. S. Yi, and T. V. Nguyen, AIChE
Journal, 46, No. 10, 2053-2064 (2000)
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to overcome such problems of an increase in the space of a conventional fuel cell stack, an increase in cost due to processing work, and a poor yield.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present invention intends to fundamentally change the configuration method of such a fuel cell. That is, the gas supply method is not performed via the gas flow path 2 carved in the separator 1, but is directly supplied to the gas diffusion layer from the lateral direction (thickness direction). Therefore, the fuel cell space can be made smaller and more compact by stopping the separator to the minimum thickness. In addition, it has the merit of reducing the processing cost and greatly reducing the cost of the fuel cell. As a further important effect, improvement in gas diffusivity can be expected. In the present invention, since gas is supplied into the gas diffusion layer from the beginning, it has a great effect in preventing gas retention due to the water vapor condensation.
[0009]
As a result of examining various possibilities for the gas flow path configuration method of the fuel cell, the present inventors have provided a structure for supplying gas directly to the gas diffusion layer, and when the fuel electrode and the air electrode are respectively used, the battery is made compact. It was found that can be realized. Here, in order to supply gas to the gas diffusion layer, the gas diffusion layer is formed by combining a number of similar figures on a plane. By dividing the gas diffusion layer in this way and providing each of the divided gas diffusion layers with a gas supply port and a gas discharge port in the thickness direction (from the side surface), the fuel electrode and the air electrode reaction layer of the fuel cell are planarized. Is to be divided. Since the figure divided in this way is a similar shape, the size can be designed finely in any number of steps (hereinafter, the flow channel according to the present invention may be called a fractal flow channel). In addition, the present inventors have found that if the figure is large, non-uniformity may occur in the current density and the like, but it is possible to achieve uniformity by making it fine. The present invention has been made based on these findings.
[0010]
  That is, the present invention
(1) Separator sheet that does not cut through the serpentine or parallel flow gas flow path and does not supply gas via the gas flow path carved into the separatorA fuel cell and an air electrode by disposing a fuel gas diffusion layer, a fuel electrode catalyst layer, an electrolyte membrane, an air electrode catalyst layer, and an air diffusion layer between the separator sheet and the same separator sheet In a fuel cell consisting of
A porous material layer is provided as the fuel gas diffusion layer and the air diffusion layer constituting the fuel electrode and the air electrode, respectively, and the porous material layer is divided and separated into units of similar shapes. In addition, there is a gap as a gas outflow groove between the similar shapes, and each similar shape unit has a gas supply port and a gas discharge port for fuel or air, respectively. Gas introduced from the gas flow path of fuel or air in the vertical direction with respect to the layerLateralFrom the gas supply portIn the porous material layerDirectly from the sideSupplyInflow into the porous material layerPhaseIn units of similar shapeSaidgasThediffusionLetFrom the similar unitleakgasTheThe gapWhatOutflowDischarge from the gas outlet,Gas diffusion electrodeUsedA fuel cell, characterized by
(2) The fuel cell according to (1), wherein the shape of the similar shape is a triangle, a quadrangle, a rhombus, or a trapezoid.
(3) The fuel cell according to (1) or (2), wherein the fuel cell is a polymer electrolyte fuel cell,
(4) The fuel cell according to any one of (1) to (3), wherein the porous material layer is a carbon material or a metal felt.
(5) The fuel cell according to any one of (1) to (4), wherein the porosity of the porous material of the porous material layer is 50 to 95%,
(6) The fuel cell according to any one of (1) to (5), wherein liquid fuel is supplied instead of fuel gas.
(7) Separator sheet that does not cut through the serpentine or parallel flow gas flow path and does not supply gas via the gas flow path carved into the separatorA fuel cell and an air electrode by disposing a fuel gas diffusion layer, a fuel electrode catalyst layer, an electrolyte membrane, an air electrode catalyst layer, and an air diffusion layer between the separator sheet and the same separator sheet A porous material layer is provided as the fuel gas diffusion layer and the air diffusion layer that constitute the fuel electrode and the air electrode, respectively. The planar shape is divided / separated into similar shape units, and there is a gap as a gas outflow groove from the porous material layer between the similar shapes, and the fuel supply or air gas supply port for each similar shape unit. And gas introduced from a gas flow path of fuel or air in the vertical direction to the fuel or air gas diffusion layer.LateralFrom the gas supply portIn the porous material layerDirectly from the sideSupplyInflow into the porous material layerPhaseIn units of similar shapeSaidgasThediffusionLetFrom the similar unitleakgasTheThe gapWhatOutflowAnd discharge from the gas outletA gas diffusion electrode, characterized by
(8) The gas diffusion electrode according to (7), wherein the shape of the similar shape is a triangle, a quadrangle, a rhombus, or a trapezoid, and
(9) The porosity of the porous material of the porous material layer is 50 to 95% as described in (7) or (8)gasDiffusion electrode
Is to provide.
  In the present invention, preferably, a gas supply port and an exhaust port penetrating through the fuel cell stack in which single cells are stacked are provided for each of the similar shapes, and the fuel gas diffusion layer and air diffusion of the single cell which is a unit of the stack. The fuel cell according to any one of (1) to (6), wherein the gas supply port and the discharge port are separately connected to a layer.I will provide a.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In a preferred embodiment of the present invention, a specific configuration of the fuel cell gas flow path will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 illustrates a gas flow path (fractal flow path) in a fuel cell employing the present invention, and is a configuration example in the case where the similar shape is an isosceles right triangle.
In FIG. 1, reference numeral 11 denotes a separator, and it is sufficient to simply separate the gas (fuel gas and air) in contact with each other. Therefore, the separator 11 may be composed of a sheet of carbon, metal, or conductive material having a thickness of 1 mm or less. Is possible. Reference numeral 13 denotes a porous carbon material (carbon paper, carbon cloth, etc.) or a metal felt which becomes a gas diffusion layer. Gas flows into this portion from the lateral inlet inlet portion 13a and flows out from the outlet outlet 13b. To do. In addition, this portion can constitute the electrode surface of the entire fuel cell unit cell by combining similar figures (in this case, triangles 13c and 13d) that divide the plane, with the gaps 16 provided one after another. 14 is a catalyst layer, 15 is an electrolyte (plate or membrane), and the opposite side is similarly composed of a catalyst layer, a gas diffusion layer, and a separator. Gas supply to the gas diffusion layer 13 is performed from a gas flow path 17 (see FIG. 1B) provided on the side surface.
[0012]
Here, the 13 gas diffusion layers do not need to overlap each other on the opposite side of the electrolyte. In some cases, it may be desirable to configure similar figures so that the current density on the single cell electrode surface is uniform. In addition, it is also desirable that the size of the similar shape is successively fined as shown in FIG. 3 so that the current density becomes uniform. In that case, it is necessary to arrange the gas supply port and the exhaust port for each of these similar shapes. This is because the gas supply port and the exhaust port penetrating the fuel cell stack are provided for each similar shape, and the unit of the stack is used. This can be solved by separately connecting to the fuel gas diffusion layer and the air diffusion layer of a single cell. In FIG. 3, (A) and (B) are examples in which the gas diffusion layer is divided into 8 parts, and (C) and (D) are examples in which the gas diffusion layer is divided into 32 parts. (A) and (C) are fuel gas diffusion layers, and (B) and (D) are air diffusion layers as viewed from above. Actually, they are three-dimensionally overlapping, but they are drawn side by side for convenience of explanation. In (A) to (D), the white circle 21 indicates a gas inlet, and the black circle 22 indicates a gas outlet. Reference numeral 23 denotes a gap provided in the dividing portion, which forms a gas outflow groove. In the figure, arrows indicate the inflow of gas. The black line portion 24 is a boundary that separates the similar shapes.
[0013]
  FIG. 4 shows a configuration example in the case where the similar shape is a quadrangle in a similar gas flow path. It is expected that the uniformity of the current density is improved as compared with the case of the triangle. 4A to 4D show an example in which the fractal channel is divided into quadrangles, where (A) and (B) are divided into two, and (C) and (D) are divided into four. In the figure, gas flows from 31 to the gas diffusion layer, and gas flows out from 32. Reference numeral 33 denotes a partition.
  FIG. 5 is an explanatory view of a gas diffusion layer having further different division modes. As shown in this figure, the similar shape is a hexagon.Formed by dividing, Regular triangles (FIG. 5A), diamonds (FIG. 5B), and trapezoids (FIG. 5C).
  The size of the similar figure is preferably 0.5 cm to 10 cm on a side, but in order to facilitate the creation and maintain the uniformity of the current density, it may be composed of 1 cm to 3 cm. More preferred.
[0014]
Specific examples of the porous material used as the material for the gas diffusion layer include carbon materials such as carbon paper and carbon cloth, preferably those having a porosity of 50% to 95% and a thickness of 50 μm to 1 mm. More preferably, a porous metal felt having a porosity of 70% to 90% and a thickness of 90 μm to 500 μm is used as long as it satisfies the object of the present invention. Can also be used.
[0015]
The size of the gas supply port and exhaust port that penetrates the fuel cell stack connected to the gas supply unit or the discharge unit can be selected as appropriate, but minimizes the unused electrode area while minimizing the gas pressure loss. In order to suppress it, it is preferably designed to be 1 mm to 15 mm, more preferably 2 mm to 5 mm.
As the separator material, a carbon sheet having a thickness of 0.05 mm to 5 mm, more preferably 0.2 mm to 1 mm, or a metal foil or plate having no electrical conductivity but having electrical conductivity can be used. .
The direction in which the fuel gas and air flow is preferably determined as appropriate while looking at the temperature distribution, reactant and product distribution, and current density distribution.
[0016]
The boundary for separating the divided similar shapes is that a frame made of polymer material, rubber, carbon or metal material that can block gas is used, and then a similar shape made of carbon paper or carbon cloth is used between the frames. By embedding, one gas diffusion layer can be formed. Alternatively, after making a gas diffusion layer with carbon paper or carbon cloth first, leave similar parts while embedding adhesive or thermosetting resin at the boundary, and finally solidify By doing so, the target gas diffusion layer can be formed.
[0017]
Next, the structure of the manifold for guiding the fuel gas or air to each single cell when manufacturing the fuel cell stack will be described. For example, as shown in an enlarged view in FIG. 6, a gas supply method that penetrates the stack in a direction perpendicular to the surface of the stacked unit cell electrodes and distributes in the plane direction of the gas diffusion layer at the position of the fuel electrode or the air electrode. Can be adopted as appropriate. At that time, it is desirable to provide a gas supply port and a discharge port for each of the divided similar shapes, but they may be made common at the adjacent portions. FIG. 6 schematically shows an embodiment of this fuel cell, in which 41 is a separator, 42 is a fuel electrode gas diffusion layer, 43 is an electrolyte, 44 is an air electrode gas diffusion layer, 45 is a fuel electrode catalyst layer, 46 is It is an air electrode catalyst layer. A predetermined number of combination units are stacked in the fuel cell. 47 is a flow pipe for the fuel gas 48, and allows the fuel gas 48a to flow into the fuel electrode gas diffusion layer through a through hole (not shown) provided in the side portion. On the other hand, 49 is a flow tube for the air electrode gas 50, and air 50a is supplied into the air electrode gas diffusion layer from a through hole (not shown) provided in the side portion. In FIG. 6, the fuel electrode gas diffusion layer 42 and the air electrode gas diffusion layer 44 exist for the explanation of the gas flow, but are only indicated by a one-dot chain line.
[0018]
In the fuel cell stack shown in FIG. 6, the manifold is first attached to each of the separator, the gas diffusion layer, and the membrane electrode assembly (one in which the electrolyte membrane, the fuel electrode, and the air electrode catalyst layer are integrated) in each single cell. After the fabrication, it can be completed by stacking the stacks one by one so that the holes are aligned.
Alternatively, without providing holes from the beginning, the separator, gas diffusion layer, and membrane electrode assembly in each single cell are stacked to form a stack, and then a manifold is formed by penetrating the holes perpendicular to the electrode surface. can do.
[0019]
【Example】
Next, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
Example 1
According to the design shown in FIG. 3, an isosceles right triangle unit that is formed when a white porous body having a side of 33 mm (Millipore membrane filter) is divided into 2 parts, 4 parts, and 8 parts in a similar shape with an isosceles right triangle. The colored liquid was infiltrated from one apex to the bottom on the opposite side, and the time when the liquid reached the bottom was measured. At that time, there are two types of cases, namely, the case of penetration from the apex of 45 ° and the case of penetration from the apex of 90 °, and they will be referred to as 45 ° mode and 90 ° mode, respectively.
[0020]
FIG. 7 shows the time required for fluid diffusion according to the inflow direction of the fluid such as gas and the number of divisions obtained by visualization with the white porous body and the colored liquid. The permeation was uniform and the diffusion was not biased anywhere. In addition, as for the 45 ° mode and the 90 ° mode, as the number of divisions increases, the time required for diffusion naturally decreases, but the reciprocal of the number of divisions and the time required for diffusion have a substantially proportional relationship. That is, when the area is doubled, the time required for diffusion is also doubled. On the other hand, looking at the diffusion time in the inflow mode, it can be seen that the time required for diffusion is shorter in the 90 ° mode than in the 45 ° mode.
[0021]
Example 2
Using the apparatus shown in FIG. 8, oxygen gas from the 45 ° apex of the unit made of carbon paper 81 (made by Toray International Co., Ltd.) cut into an isosceles right triangle with a side of 25 mm toward the bottom on the opposite side 82 was passed at a constant flow rate, and the pressure loss generated between the gas inlet and outlet at that time was measured using a differential pressure gauge. In the figure, (A) is a front view, and (B) is a diagram for explaining the gas flow in the oxygen gas diffusion layer corresponding to (A). In FIG. 8B, 81a is a gas inlet and 81b is a gas outlet, and gas is introduced from the side of the oxygen gas diffusion layer 81 as shown in FIG. 8A.
[0022]
Thickness 0.35mm, bulk density 0.49g / cmThreeFIG. 9 shows the relationship between pressure loss and gas flow rate measured when the length of one side of an isosceles right triangle is variously changed in Toray carbon paper TPG-H-120 (trade name) having a porosity of 76%. Show. If the length of one side is 12.5 mm and the single cell is divided into two, the case where the length of one side is 6.25 mm corresponds to eight divisions. When the same current is taken out, the oxygen gas flow rate per unit is 1/4 in 8 divisions compared to the case of 2 divisions. However, if integrated into the same area, the gas flow rate will be the same.
[0023]
Example 3
Similarly to Example 2, using the apparatus shown in FIG. 8, carbon paper (TPG-H-120 (trade name, manufactured by Toray International Co., Ltd.) cut into a rectangle having a width of 40 mm, a gas passage distance of 50 mm, 30 mm, and 10 mm. )), Oxygen gas was passed at a constant flow rate from one side to the bottom of the opposite side, and the pressure loss generated between the gas inlet and outlet at that time was measured using a differential pressure system.
The results are shown in FIG. 10 as the relationship between pressure loss and gas flow rate. In the case of the rectangle, the relationship of the pressure loss almost proportional to the gas passing distance was obtained. Compared to the 45 ° mode triangle of Example 2, it can be seen that the difference in pressure loss due to the gas passage distance is more apparent. This is shown in FIG. 11 as the relationship between gas passage distance and pressure loss.
[0024]
Example 4
Using the apparatus shown in FIG. 8, 45 ° mode and 90 ° mode for a unit composed of carbon paper (made by Toray International, thickness 0.37 mm) cut into an isosceles right triangle with a side of 50 mm Then, oxygen gas was passed at a constant flow rate from the top of the triangle toward the bottom of the opposite side, and the pressure loss generated between the gas inlet and outlet at that time was measured using a differential pressure system.
At that time, the bulk density and porosity of the carbon paper are 0.45 g / cm.ThreeAnd 78% and 0.32 g / cmThree12A and 12B show the relationship between the pressure loss and the gas flow rate measured at 84% and 84%. As a result, it was found that the pressure loss in the 45 ° mode was approximately twice that of the 90 ° mode. In the case of triangular carbon paper, the resistance at the introduction portion to the gas diffusion layer is the largest, but the cross-sectional area of that portion is half that of the 90 ° mode in the 45 ° mode. The loss is thought to have increased.
[0025]
Example 5
Carbon paper with a thickness of 0.38 mm is used to form fractal channels consisting of two 90 ° -mode isosceles right triangles as shown in FIG. 1 on both sides of the Nafion 115 membrane (thickness: about 130 μm). A 25 mm square membrane / electrode assembly was constructed. At this time, 20 wt% Pt / C Vulcan XC-72 (manufactured by ElectroChem Co., Ltd., trade name) catalyst is used for the catalyst layer on the fuel electrode side and the air electrode side, respectively, with a platinum amount of 1 mg / cm.2It carried so that it might become. Using this membrane / electrode assembly, a single cell power generation test was conducted at 50 ° C., and current / voltage and output density were measured. In addition, hydrogen gas humidified at 70 ° C. is used as the fuel gas, and oxygen gas humidified at 70 ° C. is used as the air electrode gas.Three/ Min.
Power density per electrode area obtained in the fractal flow path 0.067W / cm2Is converted to per unit cell volume with a separator thickness of 0.2 mm, 0.067 W / cm2÷ 0.11cm = 0.61W / cmThreewas gotten.
[0026]
On the other hand, for comparison, carbon paper having a thickness of 0.19 mm is used so that a normal gas flow path (serpentine flow path) as shown in FIG. 2 is formed on both sides of the Nafion 115 film (thickness: about 130 μm). A 23 mm square membrane / electrode assembly was constructed. At this time, 20 wt% Pt / C Vulcan XC-72 catalyst was added to the catalyst layer on the fuel electrode side and the air electrode side, respectively, with a platinum amount of 1 mg / cm.2It carried so that it might become. Using this membrane / electrode assembly, a single cell power generation test was performed under the same conditions as described above, and current / voltage and output density were tested.
Power density per electrode area obtained in the serpentine channel 0.1 W / cm2Is converted into per unit cell volume with a separator thickness of 3 mm, 0.1 W / cm2÷ 0.35cm = 0.29W / cmThreewas gotten. Thus, compared with Example 5 of the present invention using the fractal flow path, the output density per unit cell of the fuel cell is lower than half in the normal flow path, so the fractal flow path is only the material cost of the fuel cell. It was also shown that energy density has an advantage.
[0027]
【The invention's effect】
As described above, the present invention is intended to fundamentally change the configuration method of the fuel cell, and as a gas supply method, it is not performed through the gas flow path engraved in the separator as in the prior art. The gas diffusion layer is directly supplied from the lateral direction (thickness direction).
That is, the fuel cell of the present invention can be designed compactly, and has an excellent effect of reducing the processing cost and greatly reducing the cost of the fuel cell. Furthermore, since the fuel cell of the present invention is forcibly supplied to the gas diffusion layer, it has an excellent effect of preventing gas retention due to water vapor condensation occurring at the air electrode and improving the output.
Further, the gas diffusion electrode of the present invention is divided into a structure in which a number of similar figures are combined on a plane, and uniformity can be realized by supplying gas directly to each of the divided shapes. The output of the fuel cell can be improved. Moreover, since it is divided into similar shapes, it is possible to design the fuel cell in a small size in steps and to design a compact fuel cell.
[Brief description of the drawings]
1A is a plan view of a gas diffusion layer, FIG. 1B is a front view of a main part of a constituent unit of a fuel cell, and FIG. 1C is a constituent unit of a fuel cell. It is an exploded view of the principal part.
2A is a plan view of a separator, FIG. 2B is a front view of a main part of a constituent unit of a fuel cell, and FIG. 2C is a main part of a constituent unit of the fuel cell. FIG.
FIGS. 3A and 3B are explanatory diagrams showing fractal channel division, in which FIGS. 3A and 3B are examples of 8 divisions, and FIGS. 3C and 3D are examples of 32 divisions. FIGS.
FIGS. 4A and 4B are explanatory diagrams showing rectangular fractal channel division, in which FIGS. 4A and 4B are examples of two divisions, and FIGS. 4C and 4D are examples of four divisions. FIGS.
FIG. 5 shows a configuration of a fractal channel derived from a hexagon, in which (A) is an equilateral triangle, (B) is a rhombus, and (C) is a trapezoid.
FIG. 6 is a perspective view showing the flow of a fuel cell stack and fuel gas or air.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the number of divisions of the fractal flow path and the diffusion speed of the colored fluid into the white porous body.
8A and 8B are schematic views of a pressure loss measuring device, in which FIG. 8A is a front view and FIG. 8B is an explanatory diagram showing a state of gas diffusion in a gas diffusion layer in this device.
FIG. 9 is a graph showing the relationship between the pressure loss in TGP-H-120 45 ° mode and the length of one side of the carbon paper.
FIG. 10 is a graph showing a relationship between pressure loss and gas flow rate of a TGP-H-120 rectangular type.
FIG. 11 is a graph showing the relationship between gas passage distance and pressure loss (TGP-H-120, 150 sccm).
FIG. 12 shows the result of a comparison test between 45 ° mode and 90 ° mode in pressure loss-gas flow rate, (A) TGP-H-120 (porosity 78%), paper area 12.5 cm2(B) TGP-H-120 gas permeability improved product (void ratio 84%), paper area 12.5 cm2It is.
[Explanation of symbols]
11 Separator
13 Gas diffusion layer (porous carbon material)
13a Inlet
13b outlet
14 Catalyst layer
15 Electrolyte (plate or membrane)
16, 23 Air gap
17 Gas flow path
21, 31 Gas inlet
22, 32 Gas outlet
24, 33 border
41 separator
42 Fuel electrode gas diffusion layer
43 electrolyte
44 Air electrode gas diffusion layer
45 Fuel electrode catalyst layer
46 Air electrode catalyst layer
47 Fuel gas distribution pipe
48 Fuel gas
49 Air electrode gas distribution pipe
50 cathode gas

Claims (9)

サーペンタインあるいは平行流のガス流路をきざんでいない、ガスの供給をセパレータに刻まれたガス流路を介して行わないセパレータシートと、このセパレータシートと同様のセパレータシートとの間に燃料ガス拡散層、燃料極触媒層、電解質膜、空気極触媒層、空気拡散層を配置して、燃料極及び空気極を形成した単セルのユニットよりなる燃料電池において、
前記の燃料極及び空気極をそれぞれ構成する前記の燃料ガス拡散層及び空気拡散層として、多孔質材層を設けてなり、この多孔質材層が平面形状を相似形単位に分割・分離されて、この相似形の間にガス流出溝としての空隙を有し、かつ相似形単位ごとに、それぞれ燃料もしくは空気のガス供給口及びガス排出口を有しており、前記の燃料もしくは空気のガス拡散層に対し、垂直方向の燃料もしくは空気のガス流路から導入したガスを、該ガス拡散層の横側の前記ガス供給口から前記多孔質材層中に横側から直接供給流入させて多孔質材層中を相似形単位で前記ガス拡散させ、該相似形単位から流出するガスを、前記空隙流出させ、前記のガス排出口から排出する、ガス拡散電極を用いたことを特徴とする燃料電池。
A fuel gas diffusion layer between a separator sheet that does not cut through a serpentine or parallel flow gas passage, and that does not supply gas via a gas passage engraved in the separator, and a separator sheet similar to this separator sheet In a fuel cell comprising a unit of a single cell in which a fuel electrode catalyst layer, an electrolyte membrane, an air electrode catalyst layer, an air diffusion layer are arranged to form a fuel electrode and an air electrode,
A porous material layer is provided as the fuel gas diffusion layer and the air diffusion layer constituting the fuel electrode and the air electrode, respectively, and the porous material layer is divided and separated into units of similar shapes. In addition, there is a gap as a gas outflow groove between the similar shapes, and each similar shape unit has a gas supply port and a gas discharge port for fuel or air, respectively. to the layer, the gas introduced from the vertical direction of the fuel or the gas flow path of the air, by directly supplying and flowing from the lateral side to the porous material layer from the gas supply port of the lateral side of the gas diffusion layer wherein the porous material layer at the phase Nigata unit by diffusing the gas, the gas flowing out of said phase Nigata units, drained into the gap, is discharged from the gas discharge port, for using the gas diffusion electrode A fuel cell.
前記相似形の形が、三角形、四角形、菱形、もしくは台形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 shape of the similar shape is a triangle, a quadrangle, a rhombus, or a trapezoid. 上記燃料電池が、固体高分子型燃料電池であることを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池。  The fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the fuel cell is a polymer electrolyte fuel cell. 多孔質材層がカーボン材又は金属フェルトであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池。  The fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the porous material layer is a carbon material or a metal felt. 多孔質材層の多孔質材の空隙率が50〜95%である請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池。  The fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein a porosity of the porous material of the porous material layer is 50 to 95%. 燃料ガスの代わりに液燃料を供給することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池。  6. The fuel cell according to claim 1, wherein liquid fuel is supplied instead of the fuel gas. サーペンタインあるいは平行流のガス流路をきざんでいない、ガスの供給をセパレータに刻まれたガス流路を介して行わないセパレータシートと、このセパレータシートと同様のセパレータシートとの間に燃料ガス拡散層、燃料極触媒層、電解質膜、空気極触媒層、空気拡散層を配置して、燃料極及び空気極を形成した単セルのユニットよりなる燃料電池に対して用いられ、前記の燃料極及び空気極をそれぞれ構成する前記の燃料ガス拡散層及び空気拡散層として、多孔質材層を設けてなり、この多孔質材層が平面形状を相似形単位に分割・分離されて、この相似形の間に多孔質材層からのガス流出溝としての空隙を有し、かつ相似形単位ごとに、それぞれ燃料もしくは空気のガス供給口及びガス排出口を有しており、前記の燃料もしくは空気のガス拡散層に対し、垂直方向の燃料もしくは空気のガス流路から導入したガスを、該ガス拡散層の横側の前記ガス供給口から前記多孔質材層中に横側から直接供給流入させて多孔質材層中を相似形単位で前記ガス拡散させ、該相似形単位から流出するガスを、前記空隙流出させ、前記のガス排出口から排出することを特徴とするガス拡散電極。A fuel gas diffusion layer between a separator sheet that does not cut through a serpentine or parallel flow gas passage, and that does not supply gas via a gas passage engraved in the separator, and a separator sheet similar to this separator sheet A fuel electrode catalyst layer, an electrolyte membrane, an air electrode catalyst layer, and an air diffusion layer, which are used for a fuel cell comprising a single cell unit in which a fuel electrode and an air electrode are formed. A porous material layer is provided as the fuel gas diffusion layer and the air diffusion layer constituting each of the poles, and the porous material layer is divided and separated into units of similar shapes. Each of which has a gas supply port and a gas discharge port for each of the similar units, and each of the similar shape units has a gap as a gas outflow groove from the porous material layer. Respect of the gas diffusion layer, the gas introduced from the vertical direction of the fuel or the gas flow path of the air, directly supply and from the lateral side to the porous material layer from the gas supply port of the lateral side of the gas diffusion layer allowed to flow by diffusing said gas porous material layer in the phase Nigata units, the gas flowing out of said phase Nigata units, drained into the gap, characterized in that it discharged from the gas outlet gas Diffusion electrode. 前記相似形の形が、三角形、四角形、菱形、もしくは台形であることを特徴とする請求項7に記載のガス拡散電極。  The gas diffusion electrode according to claim 7, wherein the shape of the similar shape is a triangle, a quadrangle, a rhombus, or a trapezoid. 多孔質材層の多孔質材の空隙率が50〜95%である請求項7又は8に記載のガス拡散電極。The gas diffusion electrode according to claim 7 or 8, wherein the porosity of the porous material in the porous material layer is 50 to 95%.
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