JP4507833B2 - Fuel cell and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池及びその製造方法にかかり、特に、多孔体からなるガス流路を備えた燃料電池及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell and a method for manufacturing the same, and more particularly to a fuel cell having a gas flow path made of a porous body and a method for manufacturing the same.
従来から、一般的な固体高分子型燃料電池は、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一方の面に配置された触媒層及び拡散層からなる燃料極（アノード電極）及び前記電解質膜の他方の面に配置された触媒層及び拡散層からなる酸化剤極（カソード電極）と、からなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly、以下、単に「ＭＥＡ」という）と、このＭＥＡの両側に各々配設されたセパレータと、を備えたセルを構成し、このセルを複数積層してモジュールとしているものがある。 Conventionally, a general polymer electrolyte fuel cell includes an electrolyte membrane composed of an ion exchange membrane, a fuel electrode (anode electrode) composed of a catalyst layer and a diffusion layer disposed on one surface of the electrolyte membrane, and the electrolyte membrane. An oxidant electrode (cathode electrode) comprising a catalyst layer and a diffusion layer disposed on the other surface of the membrane, a membrane-electrode assembly (MEA) comprising the MEA, and a MEA There is a type in which a cell including a separator disposed on each side is formed and a plurality of such cells are stacked to form a module.
このような燃料電池としては、例えば、電解質の両面に電極を配した単位セルと、この単位セルの各電極に対向して配され各電極に反応ガスを送るための配流板と、前記単位セルと配流板を挟持するセパレータ板とを備え、配流板の少なくとも一方を、三次元網状を有する多孔質カーボンから構成したものがある。この燃料電池は、反応ガスを均一に電極に供給させ、かつガス供給能を向上させることによって、高電流密度域において高い性能を発揮している。（例えば、特許文献１参照）。 As such a fuel cell, for example, a unit cell in which electrodes are arranged on both surfaces of an electrolyte, a flow distribution plate arranged to face each electrode of the unit cell and for sending a reaction gas to each electrode, and the unit cell And a separator plate that sandwiches the flow distribution plate, and at least one of the flow distribution plates is made of porous carbon having a three-dimensional network shape. This fuel cell exhibits high performance in a high current density region by uniformly supplying the reaction gas to the electrode and improving the gas supply capability. (For example, refer to Patent Document 1).
また、毛細管凝縮作用により水の輸送特性を生じさせる小孔径細孔と、気体流動特性を生じさせる大孔径細孔とが互いに連通し、所定の割合で分布する導電性で、かつ親水性の多孔質体をガスセパレータに使用した燃料電池も紹介されている。この燃料電池では、気水の分離が容易となり、電解質膜の湿潤化が膜全体に均一に行われると共に、水素又は空気の水膜による閉塞がなくなり、発電効率を向上することができる。（例えば、特許文献２参照）。 In addition, small pore diameter pores that cause water transport properties by capillary condensation and large pore diameter pores that produce gas flow characteristics communicate with each other, and are distributed in a predetermined ratio, and are electrically conductive and hydrophilic porous. A fuel cell using a material as a gas separator has also been introduced. In this fuel cell, the separation of air and water is facilitated, and the electrolyte membrane is uniformly wetted over the entire membrane, and the blockage by the hydrogen or air water membrane is eliminated, and the power generation efficiency can be improved. (For example, refer to Patent Document 2).
さらにまた、燃料ガス流路の溝深さと酸化ガス流路の溝深さを各々セル面内方向に変化させ、セパレータの、燃料ガス流路溝底厚み及び酸化ガス流路溝底厚みを、各々セル面内全域で一定にした燃料電池も紹介されている。この構成を備えた燃料電池は、セパレータ厚に無駄を生じさせず、スタックをコンパクトにすることができる。（例えば、特許文献３参照）。
従来の燃料電池スタック内に配設される各セルに供給される燃料ガス及び酸化ガスの流路は、これらのガスをアノード電極及びカソード電極にそれぞれできるだけ均一に供給するために、セパレータに均一な幅及び高さで、ガス入口側からガス出口側まで多数本並設されている。しかしながら、ガスの実際の消費量は、ガス入口からガス出口に向かって漸次減少していく。このため、ガス圧が出口方向に向かって下がるため、実質的に燃料電池全体で均一な発電ができなくなることが知られている。また、カソード電極側では、酸化ガスの流速が下がることによって、生成水の排出性が悪くなり、一層発電性を落とす原因になることが知られている。 The flow path of the fuel gas and the oxidizing gas supplied to each cell arranged in the conventional fuel cell stack is uniform in the separator in order to supply these gases to the anode electrode and the cathode electrode as uniformly as possible. Many are arranged in parallel by the width and height from the gas inlet side to the gas outlet side. However, the actual consumption of gas gradually decreases from the gas inlet toward the gas outlet. For this reason, it is known that since the gas pressure decreases in the direction of the outlet, substantially uniform power generation cannot be performed in the entire fuel cell. Further, it is known that, on the cathode electrode side, when the flow rate of the oxidizing gas is lowered, the discharged water of the produced water is deteriorated, and the power generation performance is further reduced.
前記従来の燃料電池と同様に、特許文献１に記載された燃料電池は、前記配電板の幅及び厚さ（ガス流れ方向に垂直な断面積）が、上流側（ガス入口側）と下流側（ガス出口側）とで同じであるため、実質的に燃料電池全体で均一な発電ができない虞がある。また、配電板の上流でガスが消費され、下流でガスの流速が下がるため、生成水が排出されにくい虞もある。 Similar to the conventional fuel cell, the fuel cell described in Patent Document 1 is such that the distribution plate has a width and thickness (a cross-sectional area perpendicular to the gas flow direction) on the upstream side (gas inlet side) and the downstream side. Since it is the same on the (gas outlet side), there is a possibility that substantially uniform power generation cannot be performed in the entire fuel cell. In addition, gas is consumed upstream of the power distribution plate, and the flow rate of the gas decreases downstream, so that the generated water may not be easily discharged.
また、引用文献２に記載された燃料電池は、水の輸送特性を生じさせる小孔径細孔と、気体流動特性を生じさせる大孔径細孔とが互いに連通したガス流路を構成しているが、この燃料電池も上流側（ガス入口側）と下流側（ガス出口側）で、ガスの流速を変化させるための構成がないため、上流でガスが消費されると、下流でガスの流速が下がり、生成水が排出されにくいという問題を解決するには至っていない。 Further, the fuel cell described in the cited document 2 constitutes a gas flow path in which a small pore having a water transport property and a large pore having a gas flow property communicate with each other. This fuel cell also has no configuration for changing the gas flow rate on the upstream side (gas inlet side) and downstream side (gas outlet side), so when the gas is consumed upstream, the gas flow rate is reduced downstream. The problem that the generated water is difficult to be discharged has not been solved.
そしてまた、特許文献３に記載された燃料電池は、燃料ガス流路の溝深さと酸化ガス流路の溝深さを各々セル面内方向に変化させ、セパレータの、燃料ガス流路溝底厚み及び酸化ガス流路溝底厚みを、各々セル面内全域で一定にすることで、スタックをコンパクトにするものであるが、燃料電池も上流側（ガス入口側）と下流側（ガス出口側）で、ガスの流速を変化させることについては、言及されていない。 In addition, the fuel cell described in Patent Document 3 changes the groove depth of the fuel gas channel and the groove depth of the oxidizing gas channel in the cell plane direction, and the fuel gas channel groove bottom thickness of the separator is changed. In addition, the stack thickness is made constant by making the thickness of the oxidizing gas channel groove bottom constant throughout the cell surface, but the fuel cell is also upstream (gas inlet side) and downstream (gas outlet side). However, there is no mention of changing the gas flow rate.
本発明は、このような従来の燃料電池を改良することを課題とするものであり、ガス流路の上流側から下流側に向けてガスの流速を上げることで、生成水の排出を促進することが可能な燃料電池、及びこの燃料電池の製造方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to improve such a conventional fuel cell, and promote the discharge of generated water by increasing the gas flow rate from the upstream side to the downstream side of the gas flow path. It is an object of the present invention to provide a fuel cell that can be used and a method for manufacturing the fuel cell.
この目的を達成するため、本発明は、電解質膜及び当該電解質膜の両面に形成された一対の電極を備えた膜−電極アッセンブリと、前記一対の電極にガスをそれぞれ供給するガス流路とを有し、当該ガス流路を、多孔体を用いて形成してなる燃料電池であって、前記ガス流路の、ガス流れ方向に対し略垂直方向の断面積が、当該ガス流路の上流から下流に向けて小さくなるよう構成した燃料電池を提供するものである。 In order to achieve this object, the present invention includes an electrolyte membrane and a membrane-electrode assembly including a pair of electrodes formed on both surfaces of the electrolyte membrane, and gas passages for supplying gas to the pair of electrodes, respectively. The gas flow path is formed using a porous body, and a cross-sectional area of the gas flow path in a direction substantially perpendicular to the gas flow direction is from upstream of the gas flow path. A fuel cell configured to become smaller toward the downstream is provided.
この構成を備えた燃料電池は、ガス流路が、当該ガス流路の上流側から下流側に向けて狭くなるため、当該ガス流路の上流側から下流側に向けてガスの流速を上げることができる。このため、ガス流路内に存在する生成水は、このガス流路の上流側から下流側に向けて移動し易くなり、生成水の排出を促進することができる。 In a fuel cell having this configuration, the gas flow path becomes narrower from the upstream side to the downstream side of the gas flow path, so that the gas flow rate is increased from the upstream side to the downstream side of the gas flow path. Can do. For this reason, the generated water existing in the gas flow path can easily move from the upstream side to the downstream side of the gas flow path, and the discharge of the generated water can be promoted.
また、通常の燃料電池では、ガスの実際の消費量は、ガス入口からガス出口に向かって漸次減少していくため、ガス圧が出口方向に向かって下がる。本発明にかかる燃料電池では、ガス圧が下がる下流側（出口側）が、上流側（入口側）よりも前記断面積を小さく構成したため、ガス圧を均一にすることができる。したがって、燃料電池全体で均一な発電を行うことができる。 Further, in a normal fuel cell, the actual gas consumption gradually decreases from the gas inlet toward the gas outlet, so that the gas pressure decreases toward the outlet. In the fuel cell according to the present invention, the downstream side (exit side) where the gas pressure is reduced is configured to have a smaller cross-sectional area than the upstream side (inlet side), so the gas pressure can be made uniform. Therefore, uniform power generation can be performed in the entire fuel cell.
また、本発明にかかる燃料電池は、前記ガス流路を、当該ガス流路の上流から下流に向けて、空隙率が低くなるよう構成された多孔体を用いて形成することができる。このように構成することで、前記ガス流路のガスが流通可能な合計断面積を、当該ガス流路の上流側から下流側に向けて小さくすることができ、ガスの圧力損失が下流側に向けて大きくなる。したがって、ガス流路の上流側から下流側に向けてガスの流速をさらに上げることができ、生成水の排出を一層促進することができる。 In addition, the fuel cell according to the present invention can be formed using a porous body configured such that the porosity of the gas flow path decreases from the upstream side to the downstream side of the gas flow path. With this configuration, the total cross-sectional area through which the gas in the gas channel can flow can be reduced from the upstream side to the downstream side of the gas channel, and the pressure loss of the gas can be reduced to the downstream side. Become bigger towards. Therefore, the gas flow rate can be further increased from the upstream side to the downstream side of the gas flow path, and the discharge of the generated water can be further promoted.
そしてまた、本発明にかかる燃料電池は、前記ガス流路を、前記ガス流路の上流から下流に向けてコーティング層が厚く形成された多孔体を用いて形成することができる。このように構成することでも、ガス流路を、当該ガス流路の上流側から下流側に向けて狭くすることができる。したがって、当該ガス流路の上流側から下流側に向けてガスの流速を上げることができ、生成水の排出を促進することができる。この構成の場合、前記コーティング層は、カーボンを主成分として形成することができる。 In the fuel cell according to the present invention, the gas flow path can be formed using a porous body having a coating layer formed thick from the upstream side to the downstream side of the gas flow path. Even with this configuration, the gas flow path can be narrowed from the upstream side to the downstream side of the gas flow path. Therefore, the gas flow rate can be increased from the upstream side to the downstream side of the gas flow path, and the discharge of the generated water can be promoted. In the case of this configuration, the coating layer can be formed with carbon as a main component.
さらにまた、本発明にかかる燃料電池は、前記ガス流路を、当該ガス流路の上流から下流に向けて、ガス流れ方向に対し略垂直方向の長さが短くなるよう構成された多孔体（すなわち、ガス流路の上流から下流に向けて、厚さが薄くなった多孔体）を用いて形成することができる。このように構成することでも、ガス流路を、当該ガス流路の上流側から下流側に向けて狭くすることができる。したがって、当該ガス流路の上流側から下流側に向けてガスの流速を上げることができ、生成水の排出を促進することができる。 Still further, the fuel cell according to the present invention is a porous body configured such that the length of the gas flow path is shortened in a direction substantially perpendicular to the gas flow direction from the upstream to the downstream of the gas flow path. That is, it can be formed using a porous body whose thickness is reduced from the upstream to the downstream of the gas flow path. Even with this configuration, the gas flow path can be narrowed from the upstream side to the downstream side of the gas flow path. Therefore, the gas flow rate can be increased from the upstream side to the downstream side of the gas flow path, and the discharge of the generated water can be promoted.
また、前記ガス流路は、前記多孔体の、少なくとも前記膜−電極アッセンブリと接触していない面側に、当該膜−電極アッセンブリと接触している面側に対して空隙率が高い層を有してなることができる。このように構成することで、前記利点に加え、前記膜−電極アッセンブリと接触していない面側の多孔体では、気体の流速が速くなり、生成水等の水を吹き飛ばし易くなるため、前記膜−電極アッセンブリと接触していない面側の多孔体と、前記膜−電極アッセンブリと接触している面側の多孔体間に圧力差が生じ、前記膜−電極アッセンブリと接触している面側の生成水が前記膜−電極アッセンブリと接触していない面側に吸い寄せられることになる。したがって、生成水等の水の排出をさらに促進させることができる。 In addition, the gas flow path has a layer having a higher porosity than the surface of the porous body that is in contact with the membrane-electrode assembly, on the surface of the porous body that is not in contact with the membrane-electrode assembly. It can be done. By configuring in this way, in addition to the advantages described above, the porous body on the side not in contact with the membrane-electrode assembly has a high gas flow rate, and it is easy to blow off water such as generated water. A pressure difference is generated between the porous body on the surface side not in contact with the electrode assembly and the porous body on the surface side in contact with the membrane-electrode assembly, and the surface side in contact with the membrane-electrode assembly; The generated water is sucked to the side of the surface not in contact with the membrane-electrode assembly. Therefore, discharge of water such as generated water can be further promoted.
さらにまた、前記ガス流路は、前記多孔体全体に親水コート層を有してなることもできる。このように構成することで、前記利点に加え、ガス流路内において水の粒が大きくならず、多孔体内の流路を塞ぐことがなく、生成水等の水の排出をさらに促進させることができる。
そしてまた、本発明にかかる燃料電池は、前記両ガス流路の各々のガス流れ方向が、互いに反対方向となるよう構成することもできる。このように構成することで、一方のガス流路（例えば、燃料ガス流路）の上流側と、他方のガス流路（例えば、酸化ガス流路）の下流側とを対向配置させることができる。すなわち、両ガス流路が、上流側が厚く形成され、下流側が薄く形成された傾いた形状を有していたとしても、セル積層方向において、一方のガス流路の上流側には、他方のガス流路の下流側が積層されることになるため、両ガス流路の互いの厚さを相補しあって、無駄なスペースが生じることを防止することができる。したがって、小スペース化を達成することができる。
Furthermore, the gas channel may have a hydrophilic coat layer on the entire porous body. By configuring in this way, in addition to the advantages described above, water particles are not enlarged in the gas flow path, the flow path in the porous body is not blocked, and the discharge of water such as generated water can be further promoted. it can.
Further, the fuel cell according to the present invention can be configured such that the gas flow directions of the two gas flow paths are opposite to each other. With this configuration, the upstream side of one gas flow path (for example, a fuel gas flow path) and the downstream side of the other gas flow path (for example, an oxidizing gas flow path) can be arranged to face each other. . That is, even if both gas flow paths have an inclined shape in which the upstream side is formed thick and the downstream side is formed thin, the other gas flow is located upstream of one gas flow path in the cell stacking direction. Since the downstream side of the flow path is stacked, it is possible to prevent the useless space from being generated by complementing the thicknesses of the two gas flow paths. Accordingly, a reduction in space can be achieved.
さらにまた、前記両ガス流路が、上流側が厚く形成され、下流側が薄く形成された傾いた形状を有している場合、前記両ガス流路の間に冷却媒体通路を配設し、当該冷却媒体通路が、前記電解質膜に対して傾斜するよう構成することもできる。このように構成することで、無駄なスペースが生じることをさらに防止することができる。したがって、小スペース化をより効率よく達成することができる。 Furthermore, when both the gas flow paths have an inclined shape in which the upstream side is formed thick and the downstream side is formed thin, a cooling medium path is disposed between the both gas flow paths, and the cooling The medium passage may be inclined with respect to the electrolyte membrane. With this configuration, it is possible to further prevent a useless space from being generated. Therefore, the space can be reduced more efficiently.
また、本発明は、電解質膜及び当該電解質膜の両面に形成された一対の電極を備えた膜−電極アッセンブリと、前記一対の電極にガスをそれぞれ供給するガス流路と、を有し、当該ガス流路を、多孔体を用いて形成してなる燃料電池の製造方法であって、前記多孔体の少なくとも一部を圧縮する工程を備えた燃料電池の製造方法を提供するものである。 The present invention also includes an electrolyte membrane and a membrane-electrode assembly including a pair of electrodes formed on both surfaces of the electrolyte membrane, and a gas flow path for supplying gas to the pair of electrodes, A method for manufacturing a fuel cell, in which a gas flow path is formed using a porous body, comprising a step of compressing at least a part of the porous body.
この燃料電池の製造方法によれば、前記圧縮により、多孔体の空隙率を変更することができるため、同一面内で空隙率の異なった多孔体を簡単に製造することができる。 According to this method of manufacturing a fuel cell, the porosity of the porous body can be changed by the compression, so that porous bodies having different porosity in the same plane can be easily manufactured.
そしてまた、本発明にかかる燃料電池の製造方法では、前記多孔体の少なくとも一部を圧縮した後、当該多孔体の少なくとも一部表面に、親水性付与剤を付着させる工程をさらに備えることができる。この工程を行うことで、生成水の排出をさらに促進させることができる。 The method for producing a fuel cell according to the present invention may further include a step of attaching a hydrophilicity imparting agent to at least a part of the surface of the porous body after compressing at least a part of the porous body. . By performing this step, the discharge of generated water can be further promoted.
さらにまた、本発明は、電解質膜及び当該電解質膜の両面に形成された一対の電極を備えた膜−電極アッセンブリと、前記一対の電極にガスをそれぞれ供給するガス流路と、を有し、当該ガス流路を、多孔体を用いて形成してなる燃料電池の製造方法であって、前記多孔体の少なくとも一部に、コーティング剤を付着させる工程を備えた燃料電池の製造方法を提供するものである。 Furthermore, the present invention has an electrolyte membrane and a membrane-electrode assembly provided with a pair of electrodes formed on both surfaces of the electrolyte membrane, and a gas flow path for supplying gas to the pair of electrodes, Provided is a method of manufacturing a fuel cell in which the gas flow path is formed using a porous body, and includes a step of attaching a coating agent to at least a part of the porous body. Is.
この燃料電池の製造方法によれば、前記多孔体の少なくとも一部に、コーティング剤を付着させることで、多孔体の空隙率を変更することができるため、同一面内で空隙率の異なった多孔体を簡単に製造することができる。 According to this method for producing a fuel cell, the porosity of the porous body can be changed by attaching a coating agent to at least a part of the porous body. The body can be manufactured easily.
本発明にかかる燃料電池の製造方法におけるコーティング剤を付着させる工程は、前記ガス流路の上流から下流に向けて、当該コーティング剤を厚く付着する工程を備えることができる。この工程によれば、ガス流路を、当該ガス流路の上流側から下流側に向けて狭くすることができる。したがって、当該ガス流路の上流側から下流側に向けてガスの流速を上げることができ、生成水の排出を促進することができる。 The step of attaching the coating agent in the method of manufacturing a fuel cell according to the present invention can include the step of attaching the coating agent thickly from the upstream side to the downstream side of the gas flow path. According to this step, the gas channel can be narrowed from the upstream side to the downstream side of the gas channel. Therefore, the gas flow rate can be increased from the upstream side to the downstream side of the gas flow path, and the discharge of the generated water can be promoted.
また、本発明にかかる燃料電池の製造方法におけるコーティング剤を付着させる工程は、前記コーティング剤が収容されたコーティング剤槽に、前記多孔体を浸漬する工程と、前記コーティング剤槽に浸漬した多孔体を、当該コーティング剤槽から引き上げる工程と、を備え、前記多孔体をコーティング剤槽から引き上げる工程は、前記多孔体を引き上げる速度を調整して、当該多孔体が当該コーティング剤槽に浸漬している時間を調整することができる。 The step of attaching the coating agent in the method for producing a fuel cell according to the present invention includes the step of immersing the porous body in a coating agent tank containing the coating agent, and the porous body immersed in the coating agent tank. And the step of pulling up the porous body from the coating agent tank, the step of pulling up the porous body from the coating agent tank is adjusted, and the porous body is immersed in the coating agent tank. The time can be adjusted.
これらの工程では、多孔体をコーティング剤槽から引き上げる工程を行う際に、当該多孔体が当該コーティング剤槽に浸漬している時間を変更することができる。すなわち、多孔体にコーティング剤を多量に塗布したい場合は、多孔体をコーティング剤槽に浸漬している時間を長くすることで、この目的は達成され、多孔体にコーティング剤を少量塗布したい場合は、多孔体をコーティング剤槽に浸漬している時間を短くすることで、この目的を達成することができる。なお、多孔体にコーティング剤を多量に塗布した場合は、当該多孔体にコーティング層が厚く形成されるため、ガス流路を狭く構成することができ、多孔体にコーティング剤を少量塗布した場合は、当該多孔体にコーティング層が薄く形成されるため、ガス流路を広く構成することができる。 In these steps, when performing the step of pulling up the porous body from the coating agent tank, the time during which the porous body is immersed in the coating agent tank can be changed. That is, if you want to apply a large amount of coating agent to the porous body, this purpose can be achieved by increasing the time that the porous body is immersed in the coating agent tank, and if you want to apply a small amount of coating agent to the porous body. By shortening the time during which the porous body is immersed in the coating agent tank, this object can be achieved. When a large amount of coating agent is applied to the porous body, the coating layer is formed thick on the porous body, so the gas flow path can be narrowed. When a small amount of coating agent is applied to the porous body, Since the coating layer is thinly formed on the porous body, the gas flow path can be configured widely.
そしてまた、本発明にかかる燃料電池の製造方法では、前記コーティング剤を付着させる工程後、当該コーティング剤が付着した多孔体に親水性付与剤を付着させる工程をさらに備えることができる。この多孔体に親水性付与剤を付着させる工程により、生成水の排出をさらに促進することができる。 In addition, the method for producing a fuel cell according to the present invention may further include a step of attaching a hydrophilicity imparting agent to the porous body to which the coating agent is attached after the step of attaching the coating agent. By the step of adhering the hydrophilicity imparting agent to the porous body, discharge of generated water can be further promoted.
本発明にかかる燃料電池によれば、ガス流路が、当該ガス流路の上流側から下流側に向けて狭くなるよう構成することができるため、当該ガス流路の上流側から下流側に向けてガスの流速を上げることができる。このため、ガス流路内に存在する生成水は、上流側から下流側に向けて移動し易くなる結果、生成水の排出を促進することができる。 According to the fuel cell of the present invention, since the gas flow path can be configured to become narrower from the upstream side to the downstream side of the gas flow path, the gas flow path is directed from the upstream side to the downstream side. The gas flow rate can be increased. For this reason, as a result that the generated water existing in the gas flow path is easily moved from the upstream side toward the downstream side, discharge of the generated water can be promoted.
また、本発明にかかる燃料電池の製造方法によれば、ガス流路を構成する多孔体を圧縮する、あるいは、前記多孔体の少なくとも一部に、コーティング剤を付着させることで、前記多孔体の空隙率を変更することができる。この結果、同一面内で空隙率の異なった多孔体を簡単に製造することができる。 Further, according to the method of manufacturing a fuel cell according to the present invention, the porous body constituting the gas flow path is compressed, or the coating agent is attached to at least a part of the porous body, thereby The porosity can be changed. As a result, porous bodies having different porosity in the same plane can be easily manufactured.
次に、本発明の実施の形態にかかる燃料電池について図面を参照して説明する。なお、以下に記載される実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施の形態にのみ限定するものではない。したがって、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。 Next, a fuel cell according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, embodiment described below is the illustration for demonstrating this invention, and this invention is not limited only to these embodiment. Therefore, the present invention can be implemented in various forms without departing from the gist thereof.
図１は、本発明の実施例１にかかる燃料電池のセル積層方向を上下方向とした姿勢での全体概略図、図２は、図１に示す燃料電池のセル積層体の一部を示す断面図である。 1 is an overall schematic diagram in a posture in which the cell stacking direction of the fuel cell according to Example 1 of the present invention is the vertical direction, and FIG. 2 is a cross-sectional view showing a part of the cell stack of the fuel cell shown in FIG. FIG.
図１及び図２に示すように、実施例１にかかる燃料電池１は、イオン交換膜からなる電解質膜１１と、この電解質膜１１の一方の面に配置された燃料極１２（アノード）と、電解質膜１１の他方の面に配置された酸化剤極１３（カソード）と、燃料極１２の電解質膜１１と反対側の面に形成された拡散層１４と、酸化剤極１３の電解質膜１１と反対側の面に形成された拡散層１５と、からなる膜−電極アッセンブリ（以下、「ＭＥＡ」という）１０と、ＭＥＡ１０の燃料極１２側に形成された燃料ガス流路１６と、ＭＥＡ１０の酸化剤極１３側に形成された酸化ガス流路１７と、ＭＥＡ１０と共に燃料ガス流路１６を挟むように配設されたセパレータ１８と、ＭＥＡ１０と共に酸化ガス流路１７を挟むように配設されたセパレータ１９と、セパレータ１８とセパレータ１９との間に形成された冷却媒体通路３０と、を重ねてセルを形成し、該セルを１層以上積層してモジュール９を構成し（図示例では、１セルで１モジュールを構成している）、モジュール９を積層してモジュール群とし、モジュール群のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置してスタック２３を構成し、スタック２３をセル積層方向に締め付けスタック２３の外側でセル積層方向に延びる締結部材２４（例えば、テンションプレート、スルーボルトなど）とボルト２５またはナット等で固定したものから構成されている。 As shown in FIGS. 1 and 2, the fuel cell 1 according to Example 1 includes an electrolyte membrane 11 made of an ion exchange membrane, and a fuel electrode 12 (anode) disposed on one surface of the electrolyte membrane 11. An oxidant electrode 13 (cathode) disposed on the other surface of the electrolyte membrane 11, a diffusion layer 14 formed on the surface of the fuel electrode 12 opposite to the electrolyte membrane 11, and the electrolyte membrane 11 of the oxidant electrode 13 Membrane-electrode assembly (hereinafter referred to as “MEA”) 10, a diffusion layer 15 formed on the opposite surface, a fuel gas flow path 16 formed on the fuel electrode 12 side of the MEA 10, and oxidation of the MEA 10 An oxidizing gas channel 17 formed on the agent electrode 13 side, a separator 18 disposed so as to sandwich the fuel gas channel 16 together with the MEA 10, and a separator disposed so as to sandwich the oxidizing gas channel 17 together with the MEA 10 19 and Se A cell is formed by stacking the cooling medium passage 30 formed between the separator 18 and the separator 19, and one or more layers of the cells are stacked to form a module 9 (in the example shown, one module per cell). The module 9 is stacked to form a module group, and a terminal 23, an insulator 21 and an end plate 22 are arranged at both ends of the module group in the cell stacking direction to form a stack 23, and the stack 23 is stacked in the cell stack. A fastening member 24 (for example, a tension plate, a through bolt, etc.) extending in the cell stacking direction outside the clamping stack 23 in a direction and a bolt 25 or a nut fixed thereto.
燃料ガス流路１６は、多孔体１６Ａから構成されており、上流側（燃料ガス入口側：図２でいう左側）から下流側（燃料ガス出口側：図２でいう右側）に向けてセル積層方向の厚さが徐々に薄くなる形状を備えている。すなわち、燃料ガス流路１６は、燃料ガスの流れ方向に対し略垂直方向（セル積層方向）の断面積が、上流側から下流側に向けて小さくなるよう構成されている。なお、実施例１では、この燃料ガス流路１６のセル積層方向の厚さの差は、燃料ガス流路１６のＭＥＡ１０とは反対側、すなわち、セパレータ１８側の面にテーパ（傾斜）を付けることで得ている。 The fuel gas flow path 16 is composed of a porous body 16A, and cell stacking from the upstream side (fuel gas inlet side: left side in FIG. 2) to the downstream side (fuel gas outlet side: right side in FIG. 2). It has a shape in which the thickness in the direction gradually decreases. That is, the fuel gas channel 16 is configured such that a cross-sectional area in a direction substantially perpendicular to the fuel gas flow direction (cell stacking direction) decreases from the upstream side toward the downstream side. In Example 1, the difference in the thickness of the fuel gas channel 16 in the cell stacking direction is such that the surface of the fuel gas channel 16 opposite to the MEA 10, that is, the surface on the separator 18 side is tapered (inclined). I get it.
酸化ガス流路１７は、多孔体１７Ａから構成されており、酸化ガスの流れ方向は、燃料ガスの流れ方向と反対となっている。この酸化ガス流路１７は、上流側（燃料ガス入口側：図２でいう右側）から下流側（燃料ガス出口側：図２でいう左側）に向けてセル積層方向の厚さが徐々に薄くなる形状を備えている。すなわち、酸化ガス流路１７は、酸化ガスの流れ方向に対し略垂直方向（セル積層方向）の断面積が、上流側から下流側に向けて小さくなるよう構成されている。なお、実施例１では、この酸化ガス流路１７のセル積層方向の厚さの差は、酸化ガス流路１７のＭＥＡ１０とは反対側、すなわち、セパレータ１９側の面にテーパ（傾斜）を付けることで得ている。 The oxidizing gas flow path 17 is composed of a porous body 17A, and the flow direction of the oxidizing gas is opposite to the flow direction of the fuel gas. The oxidizing gas flow path 17 gradually decreases in thickness in the cell stacking direction from the upstream side (fuel gas inlet side: right side in FIG. 2) to the downstream side (fuel gas outlet side: left side in FIG. 2). It has a shape to become. That is, the oxidizing gas channel 17 is configured such that the cross-sectional area in the direction substantially perpendicular to the oxidizing gas flow direction (cell stacking direction) decreases from the upstream side toward the downstream side. In Example 1, the difference in thickness of the oxidizing gas channel 17 in the cell stacking direction is such that the surface of the oxidizing gas channel 17 opposite to the MEA 10, that is, the surface on the separator 19 side is tapered (inclined). I get it.
前述したように、燃料ガス流路１６と酸化ガス流路１７は、ガスの流れ方向が互いに反対向きとなっているため、燃料ガス流路１６のセル積層方向の厚さが厚い部分に、酸化ガス流路１７のセル積層方向の厚さの薄い部分が配設されることになる。すなわち、燃料ガス流路１６のセル積層方向の厚さの変化と、酸化ガス流路１７のセル積層方向の厚さの変化を互いに相補しあうことができるため、燃料ガス流路１６及び酸化ガス流路１７が傾斜した形状であっても、無駄なスペースを生じることなく、小スペース化を達成することができる。 As described above, the fuel gas flow channel 16 and the oxidizing gas flow channel 17 are opposite to each other in the gas flow direction. A portion having a small thickness in the cell stacking direction of the gas flow path 17 is disposed. That is, since the change in the thickness of the fuel gas channel 16 in the cell stacking direction and the change in the thickness of the oxidizing gas channel 17 in the cell stacking direction can be complemented, the fuel gas channel 16 and the oxidizing gas Even if the flow path 17 has an inclined shape, a small space can be achieved without generating a useless space.
セパレータ１８は、燃料ガス流路１６の傾斜面上に、当該傾斜面に沿って形成されている。したがって、セパレータ１８は、セル積層方向に対し、傾斜した状態で配設される。このセパレータ１８は、ステンレスやチタン等の金属や、カーボン材料等から形成することができる。 The separator 18 is formed on the inclined surface of the fuel gas channel 16 along the inclined surface. Therefore, the separator 18 is disposed in an inclined state with respect to the cell stacking direction. The separator 18 can be formed of a metal such as stainless steel or titanium, a carbon material, or the like.
セパレータ１８の燃料ガス流路１６と反対側の面には、冷却媒体通路３０が配設されている。この冷却媒体通路３０は、セパレータ１８と同様に、傾斜した状態で配設されており、例えば、表面が波状となった板材等から構成することができる。 A cooling medium passage 30 is disposed on the surface of the separator 18 opposite to the fuel gas passage 16. The cooling medium passage 30 is disposed in an inclined state, like the separator 18, and can be formed of, for example, a plate material having a corrugated surface.
セパレータ１９は、傾斜した状態で配設された冷却媒体通路３０の傾斜面上に、当該傾斜面に沿って形成されている。したがって、セパレータ１９は、セル積層方向に対し、傾斜した状態で配設される。このセパレータ１９もセパレータ１８と同様の材料から構成することができる。 The separator 19 is formed on the inclined surface of the cooling medium passage 30 disposed in an inclined state along the inclined surface. Therefore, the separator 19 is disposed in an inclined state with respect to the cell stacking direction. The separator 19 can also be made of the same material as the separator 18.
傾斜した状態で配設されたセパレータ１９上には、前述した酸化ガス流路１７の傾斜面側が、セパレータ１９の傾斜と酸化ガス流路１７の傾斜が互いに相殺されるように配設されている。この配設によって、燃料ガス流路１６、セパレータ１８、冷却媒体通路３０、セパレータ１９及び酸化ガス流路１７からなる層は、上流側と下流側とで、セル積層方向の厚さが同一となり、実質的に平行な形状となる。 On the separator 19 disposed in an inclined state, the aforementioned inclined surface side of the oxidizing gas flow path 17 is disposed so that the inclination of the separator 19 and the inclination of the oxidizing gas flow path 17 cancel each other. . By this arrangement, the layer composed of the fuel gas flow path 16, the separator 18, the cooling medium path 30, the separator 19, and the oxidizing gas flow path 17 has the same thickness in the cell stacking direction on the upstream side and the downstream side. It becomes a substantially parallel shape.
なお、実施例１では、燃料ガス流路１６のガスの流れ方向に対し略垂直方向（セル積層方向）の断面積は、特に図１０に示すように、酸化ガス流路１７のガスの流れ方向に対し略垂直方向（セル積層方向）の断面積に比べ、小さくなるように形成した。この両者の断面積は、燃料ガス流路１６の上流側と、酸化ガス流路１７の上流側とを比較した場合、例えば、燃料ガス流路１６の上流側：酸化ガス流路１７の上流側＝１：５程度とすることができるが、これに限定されるものではない。 In Example 1, the cross-sectional area in the direction substantially perpendicular to the gas flow direction of the fuel gas flow channel 16 (cell stacking direction) is the gas flow direction of the oxidizing gas flow channel 17 as shown in FIG. On the other hand, it was formed so as to be smaller than the cross-sectional area in the substantially vertical direction (cell lamination direction). The cross-sectional area of both is, for example, the upstream side of the fuel gas flow channel 16: the upstream side of the oxidation gas flow channel 17 when comparing the upstream side of the fuel gas flow channel 16 and the upstream side of the oxidation gas flow channel 17. = 1: 5 or so, but is not limited to this.
この構成を備えた燃料電池１は、燃料ガス流路１６に燃料ガス（水素）が供給され、酸化ガス流路１７に酸化ガス（空気）が供給され、電気反応を開始すると、
燃料極（アノード）側では、 Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
酸化剤極（カソード）側では、 （１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
燃料電池全体としては、 Ｈ2＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ
の反応が起こる。この電池反応により、燃料ガス流路１６内には、前記電気反応により生成された生成水が、未使用の水素と共に流通し、酸化ガス流路１７内には、前記電気反応により生成された生成水が未使用の空気と共に流通する。
In the fuel cell 1 having this configuration, when a fuel gas (hydrogen) is supplied to the fuel gas channel 16 and an oxidizing gas (air) is supplied to the oxidizing gas channel 17, and an electric reaction is started,
On the fuel electrode (anode) side, H 2 → 2H + + 2e −
On the oxidant electrode (cathode) side, (1/2) O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O
As a whole fuel cell, H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O
The reaction occurs. As a result of this cell reaction, the produced water produced by the electric reaction flows in the fuel gas flow channel 16 together with unused hydrogen, and the produced gas produced by the electric reaction flows in the oxidizing gas flow channel 17. Water circulates with unused air.
この時、燃料ガス流路１６及び酸化ガス流路１７は共に、ガスの流れ方向に対し略垂直方向（セル積層方向）の断面積が、上流側から下流側に向けて小さくなる（狭くなる）よう構成されているため、下流側に行くにしたがって、ガスの流速が速くなり、燃料ガス流路１６内及び酸化ガス流路１７内に存在する生成水は、上流側から下流側に向けて移動し易くなり、生成水の排出を促進することができ、生成水を外部に効率よく排出することができる。 At this time, in both the fuel gas channel 16 and the oxidizing gas channel 17, the cross-sectional area in the direction substantially perpendicular to the gas flow direction (cell stacking direction) becomes smaller (narrower) from the upstream side toward the downstream side. Therefore, the gas flow rate increases as going downstream, and the generated water in the fuel gas channel 16 and the oxidizing gas channel 17 moves from the upstream side toward the downstream side. It becomes easy to do, it can promote discharge | emission of produced | generated water, and produced | generated water can be efficiently discharged | emitted outside.
また、実施例１にかかる構造を備えた燃料ガス流路１６及び酸化ガス流路１７は、燃料ガス流路１６全体及び酸化ガス流路１７全体にわたって燃料ガス及び酸化ガスの供給圧がそれぞれ均一化されるため、セル全体で高い出力を均一に得ることができる。また、特に、酸化ガスが流れる酸化ガス流路１７の出口側でもガスの流速を速く（高く）維持することができるため、生成水のフラッティングを確実に防止することができ、燃料電池１の出力低下を防止することができる。 Further, in the fuel gas channel 16 and the oxidizing gas channel 17 having the structure according to the first embodiment, the supply pressures of the fuel gas and the oxidizing gas are made uniform over the entire fuel gas channel 16 and the entire oxidizing gas channel 17, respectively. Therefore, a high output can be obtained uniformly throughout the cell. In particular, since the gas flow rate can be maintained fast (high) even at the outlet side of the oxidizing gas flow path 17 through which the oxidizing gas flows, the generated water can be reliably prevented from being flattened. Output reduction can be prevented.
そしてまた、均一な厚さ（断面高さ）の燃料ガス流路及び酸化ガス流路を備えた従来の燃料電池に比べ、燃料ガス流路１６及び酸化ガス流路１７の断面高さの合計値を小さくすることができるため、実質的に燃料ガス流路１６及び酸化ガス流路１７（あるいは、燃料ガス流路１６及び酸化ガス流路１７を画定するセパレータ）薄くできる。このため、燃料電池スタックを大幅に小型軽量化することもできる。さらにまた、ガス圧力を流路全域で均一化して低くすることができるため、ＭＥＡ１０へのダメージも少なくなり、耐久寿命を大幅に向上させることもできる。 Also, the total value of the cross-sectional heights of the fuel gas passage 16 and the oxidizing gas passage 17 compared to a conventional fuel cell having a fuel gas passage and an oxidizing gas passage having a uniform thickness (cross-sectional height). Therefore, the fuel gas channel 16 and the oxidizing gas channel 17 (or the separator that defines the fuel gas channel 16 and the oxidizing gas channel 17) can be substantially thinned. For this reason, the fuel cell stack can be significantly reduced in size and weight. Furthermore, since the gas pressure can be made uniform and low throughout the entire flow path, damage to the MEA 10 can be reduced and the durability life can be greatly improved.
なお、燃料ガス流路１６の下流側は、出口が閉じた構造であってもよい。 The downstream side of the fuel gas channel 16 may have a structure in which the outlet is closed.
また、セル積層体の一番上と一番下には、ダミーのセパレータ１８及び１９を各々配設してもよい。 Further, dummy separators 18 and 19 may be disposed on the top and bottom of the cell stack, respectively.
次に、本発明の実施例２にかかる燃料電池について図面を参照して説明する。 Next, a fuel cell according to Example 2 of the present invention will be described with reference to the drawings.
図３は、実施例２にかかる燃料電池のセル積層体の一部を示す断面図、図４は、図３のIV−IV線に沿った一部断面図である。 FIG. 3 is a cross-sectional view showing a part of the cell stack of the fuel cell according to Example 2, and FIG. 4 is a partial cross-sectional view taken along line IV-IV in FIG.
なお、実施例２では、実施例１で説明した部材と同様の部材には、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。 In the second embodiment, the same members as those described in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図３及び図４に示すように、実施例２にかかる燃料電池２の、実施例１にかかる燃料電池１と異なる主な点は、冷却媒体通路４０の配設位置である。すなわち、連客媒体通路４０は、凹凸状に形成されたセパレータ１８の燃料ガス流路１６としての多孔体１６Ａが配設されない部分と、セパレータ１９の酸化ガス流路１７としての多孔体１７Ａが配設されない部分とで画定され、セル積層方向に配設された燃料ガス流路１６と酸化ガス流路１７と、これに隣接するセル積層方向に配設された燃料ガス流路１６と酸化ガス流路１７との間、すなわち、セル積層方向とは略垂直方向に並設されている。 As shown in FIGS. 3 and 4, the main difference of the fuel cell 2 according to the second embodiment from the fuel cell 1 according to the first embodiment is the arrangement position of the cooling medium passage 40. That is, the customer medium passage 40 is provided with a portion where the porous body 16A as the fuel gas flow path 16 of the separator 18 formed in an uneven shape is not disposed and the porous body 17A as the oxidizing gas flow path 17 of the separator 19. The fuel gas channel 16 and the oxidizing gas channel 17 which are defined by the portions not provided and are arranged in the cell stacking direction, and the fuel gas channel 16 and the oxidizing gas flow which are arranged in the cell stacking direction adjacent thereto It is arranged in parallel with the path 17, that is, in a direction substantially perpendicular to the cell stacking direction.
このように、実施例２では、セパレータ１９、酸化ガス流路１７、ＭＥＡ１０、燃料ガス流路１６及びセパレータ１８からなる層は、上流側と下流側とで、セル積層方向の厚さが同一となり、実質的に平行な形状となる。また、セル積層体の一番上と一番下には、ダミーのセパレータ１８及び１９を各々配設し、全体として平行な（傾斜していない）セル積層体を形成することができる。この燃料電池２も前述した燃料電池１と同様の利点を有している。 As described above, in Example 2, the layers including the separator 19, the oxidizing gas channel 17, the MEA 10, the fuel gas channel 16, and the separator 18 have the same thickness in the cell stacking direction on the upstream side and the downstream side. The shape is substantially parallel. In addition, dummy separators 18 and 19 are disposed on the top and bottom of the cell stack, respectively, so that a cell stack that is parallel (not inclined) as a whole can be formed. The fuel cell 2 has the same advantages as the fuel cell 1 described above.
なお、実施例２では、セル積層方向において、ＭＥＡ１０とＭＥＡ１０との間に、２枚のセパレータ１８及び１９が積層された構成を備えているが、この２枚のセパレータ１８及び１９は、互いに分離されていてもよく、例えば、接着や溶接等により一体に形成してもよい。 In the second embodiment, the separators 18 and 19 are stacked between the MEA 10 and the MEA 10 in the cell stacking direction. The two separators 18 and 19 are separated from each other. For example, they may be integrally formed by adhesion or welding.
また、実施例２では、略矩形の凹凸形状が形成されたセパレータ１８及び１９を使用して、セル積層方向に略垂直な断面が略矩形の燃料ガス流路１６及び酸化ガス流路１７を形成した場合について説明したが、これに限らず、セパレータ１８及び１９の凹凸形状をなだらかに形成し、セル積層方向に略垂直な断面が略台形状の燃料ガス流路１６及び酸化ガス流路１７を形成してもよい。 In Example 2, the fuel gas flow path 16 and the oxidation gas flow path 17 having a substantially rectangular cross section perpendicular to the cell stacking direction are formed by using the separators 18 and 19 having a substantially rectangular uneven shape. However, the present invention is not limited to this, and the fuel gas flow path 16 and the oxidation gas flow path 17 are formed by gently forming the uneven shapes of the separators 18 and 19 and having a substantially trapezoidal cross section substantially perpendicular to the cell stacking direction. It may be formed.
次に、本発明の実施例３にかかる燃料電池について図面を参照して説明する。 Next, a fuel cell according to Example 3 of the present invention will be described with reference to the drawings.
図５は、実施例３にかかる燃料電池のセル積層体の一部を示す断面図、図６は、図５のVＩ−VＩ線に沿った一部断面図、図７は、実施例３にかかる燃料電池の燃料ガス流路及び酸化ガス流路の製造方法の一部を示す模式図である。 5 is a cross-sectional view showing a part of a cell stack of a fuel cell according to Example 3, FIG. 6 is a partial cross-sectional view taken along line VI-VI in FIG. 5, and FIG. It is a schematic diagram which shows a part of manufacturing method of the fuel gas flow path and oxidation gas flow path of this fuel cell.
なお、実施例３では、実施例１で説明した部材と同様の部材には、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。 In the third embodiment, the same members as those described in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図５及び図６に示すように、実施例３にかかる燃料電池３の、実施例１にかかる燃料電池１と異なる主な点は、燃料ガス流路３６と酸化ガス流路３７の構造である。 As shown in FIGS. 5 and 6, the main difference of the fuel cell 3 according to the third embodiment from the fuel cell 1 according to the first embodiment is the structure of the fuel gas channel 36 and the oxidizing gas channel 37. .
燃料ガス流路３６は、多孔体３６Ａと、多孔体３６Ａの表面に形成されたカーボン層３９を備えて構成されている。すなわち、燃料ガス流路３６は、多孔体３６Ａの表面にコーティング剤としてカーボン１１０がコートされ、多孔体３６Ａの表面から内部に浸透して多孔体３６Ａの空隙に充填されている。このカーボン１１０は、多孔体３６Ａの、燃料ガス流路３６の上流側となる側から下流側となる側に向けて、多孔体３６Ａの厚さ方向に徐々に深く浸透しており、多孔体３６Ａには、燃料ガス流路３６の上流側となる側から下流側となる側に向けて徐々に厚くなったカーボン層３９が形成される。したがって、多孔体３６Ａの空隙の合計断面積は、燃料ガス流路３６の上流側となる側から、下流側となる側に向けて徐々に小さくなっている。 The fuel gas channel 36 includes a porous body 36A and a carbon layer 39 formed on the surface of the porous body 36A. That is, the fuel gas channel 36 is coated with carbon 110 as a coating agent on the surface of the porous body 36A, penetrates from the surface of the porous body 36A to the inside, and fills the voids of the porous body 36A. The carbon 110 gradually permeates deeply in the thickness direction of the porous body 36A from the upstream side of the fuel gas flow path 36 to the downstream side of the porous body 36A. A carbon layer 39 that is gradually thickened from the upstream side to the downstream side of the fuel gas flow path 36 is formed. Therefore, the total cross-sectional area of the voids of the porous body 36A gradually decreases from the upstream side of the fuel gas flow path 36 toward the downstream side.
酸化ガス流路３７は、多孔体３７Ａと、多孔体３６Ａの表面に形成されたカーボン層３９を備えて構成されている。この酸化ガス流路３７は、燃料ガス流路３６と同様に、多孔体３７Ａには、酸化ガス流路３７の上流側となる側から下流側となる側に向けて徐々に厚くなったカーボン層３９が形成されている。したがって、多孔体３７Ａの空隙の合計断面積は、酸化ガス流路３７の上流側となる側から下流側となる側に向けて徐々に小さくなっている。 The oxidizing gas channel 37 includes a porous body 37A and a carbon layer 39 formed on the surface of the porous body 36A. Like the fuel gas flow path 36, the oxidizing gas flow path 37 has a porous carbon layer 37A with a carbon layer that gradually increases in thickness from the upstream side to the downstream side of the oxidizing gas flow path 37. 39 is formed. Therefore, the total cross-sectional area of the voids of the porous body 37A gradually decreases from the upstream side of the oxidizing gas flow path 37 toward the downstream side.
なお、符号３８は、外周シール部であり、この外周シール部３８によって、ガスが外部に漏れない構造となっている。 In addition, the code | symbol 38 is an outer periphery seal part, and it has a structure where this outer periphery seal part 38 does not leak gas outside.
この構成を備えた燃料電池３も、燃料ガス流路３６及び酸化ガス流路３７が、上流側から下流側に向けてガスが通過可能な断面積が小さくなった構造となるため、実施例１にかかる燃料電池１と同様の利点を得ることができる。また、燃料ガス流路３６及び酸化ガス流路３７は、多孔体３６Ａ及び３７Ａの表面にカーボン層３９が形成されているため、防食性を向上させることができ、セパレータ１８及び１９の耐久性を向上させることもできる。 Also in the fuel cell 3 having this configuration, the fuel gas channel 36 and the oxidizing gas channel 37 have a structure in which the cross-sectional area through which gas can pass from the upstream side toward the downstream side becomes smaller. Advantages similar to those of the fuel cell 1 can be obtained. Further, since the carbon layer 39 is formed on the surfaces of the porous bodies 36A and 37A, the fuel gas passage 36 and the oxidant gas passage 37 can improve the anticorrosion property, and improve the durability of the separators 18 and 19. It can also be improved.
次に、多孔体３６Ａ及び３７Ａの表面にカーボン層３９を形成する方法について、図７を参照して説明する。 Next, a method for forming the carbon layer 39 on the surfaces of the porous bodies 36A and 37A will be described with reference to FIG.
この方法に使用される浸漬塗布装置１００は、図７（１）に示すように、浸漬槽１０１と、浸漬槽１０１に浸漬される多孔体３６Ａ（３７Ａ）を懸架するハンガー１０２と、ハンガー１０２を浸漬槽１０１に対して上下移動させる搬送装置１０３と、を備えて構成されている。なお、実施例３では、浸漬槽１０には、コーティング剤としてのカーボン１１０が収容されている。 As shown in FIG. 7A, the dip coating apparatus 100 used in this method includes a dip tank 101, a hanger 102 for suspending a porous body 36A (37A) immersed in the dip tank 101, and a hanger 102. And a transfer device 103 that moves up and down with respect to the immersion bath 101. In Example 3, the immersion tank 10 contains carbon 110 as a coating agent.
この方法に使用される乾燥装置１２０は、図７（２）に示すように、乾燥槽１２１を備え、カーボン１１０が付着した多孔体３６Ａ（３７Ａ）を懸架するハンガー１０２を収容して、カーボン１１０を乾燥させ、多孔体３６Ａ（３７Ａ）の表面にカーボン層３９を形成する。 As shown in FIG. 7 (2), the drying device 120 used in this method includes a drying tank 121, and stores the hanger 102 that suspends the porous body 36 A (37 A) to which the carbon 110 is adhered. The carbon layer 39 is formed on the surface of the porous body 36A (37A).
多孔体３６Ａ（３７Ａ）の表面に、燃料ガス流路３６（酸化ガス流路３７）の上流側となる側から下流側となる側に向けて徐々に厚くなったカーボン層３９を形成するには、先ず、ハンガー１０２で懸架した多孔体３６Ａ（３７Ａ）を、搬送装置１０３によって下方に移動させ、カーボン１１０が収容された浸漬槽１０１内に浸漬させる。この工程において、多孔体３６Ａ（３７Ａ）を上下移動させる時間を調整し、多孔体３６Ａ（３７Ａ）がカーボン１１０に浸漬している時間を、多孔体３６Ａ（３７Ａ）の上部側が短く、下部側が長くなるように変えることによって、多孔体３６Ａ（３７Ａ）の上部側に形成されるカーボン層３９が薄く、多孔体３６Ａ（３７Ａ）の下部側に形成されるカーボン層３９が厚くなるように製造することができる。すなわち、カーボン層３９の厚みによって、多孔体３６Ａ（３７Ａ）の空隙率を制御することができる。 To form a carbon layer 39 that gradually increases in thickness from the upstream side to the downstream side of the fuel gas passage 36 (oxidizing gas passage 37) on the surface of the porous body 36A (37A). First, the porous body 36 </ b> A (37 </ b> A) suspended by the hanger 102 is moved downward by the transport device 103 and immersed in the immersion tank 101 in which the carbon 110 is accommodated. In this step, the time for moving the porous body 36A (37A) up and down is adjusted, and the time for which the porous body 36A (37A) is immersed in the carbon 110 is shorter for the upper side of the porous body 36A (37A) and longer for the lower side. The carbon layer 39 formed on the upper side of the porous body 36A (37A) is thin, and the carbon layer 39 formed on the lower side of the porous body 36A (37A) is thickened. Can do. That is, the porosity of the porous body 36A (37A) can be controlled by the thickness of the carbon layer 39.
この浸漬工程後、カーボン１１０が塗布された多孔体３６Ａ（３７Ａ）は、乾燥槽１２１に収容され、１００〜２００℃程度の温度で乾燥される。 After this dipping step, the porous body 36A (37A) coated with the carbon 110 is accommodated in the drying tank 121 and dried at a temperature of about 100 to 200 ° C.
なお、実施例３では、多孔体３６Ａ及び３７Ａにカーボン１１０を付着させた場合について説明したが、このカーボン１１０としては、黒鉛、カーボンブラック、及びゴムまたは樹脂の合成物等を挙げることができる。 In the third embodiment, the case where the carbon 110 is adhered to the porous bodies 36A and 37A has been described. Examples of the carbon 110 include graphite, carbon black, and a composite of rubber or resin.
また、多孔体３６Ａ及び３７Ａは、ステンレスやチタン等の金属や、カーボン材料等から形成することができる。ステンレスやチタン等の金属を使用しても、カーボン１１０を付着させることで、防食性が高めることができる。 The porous bodies 36A and 37A can be formed of a metal such as stainless steel or titanium, a carbon material, or the like. Even when a metal such as stainless steel or titanium is used, the corrosion resistance can be improved by attaching the carbon 110.
次に、本発明の実施例４にかかる燃料電池について図面を参照して説明する。 Next, a fuel cell according to Example 4 of the present invention will be described with reference to the drawings.
図８は、実施例４にかかる燃料電池のセル積層体の一部を示す断面図、図９は、図８のＩX−ＩX線に沿った一部断面図である。 FIG. 8 is a cross-sectional view showing a part of the cell stack of the fuel cell according to Example 4, and FIG. 9 is a partial cross-sectional view taken along the line IX-IX of FIG.
なお、実施例４では、実施例３で説明した部材と同様の部材には、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。 In the fourth embodiment, the same members as those described in the third embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図８及び図９に示すように、実施例４にかかる燃料電池４の、実施例３にかかる燃料電池３と異なる主な点は、燃料ガス流路３６のセパレータ１８側の面と、酸化ガス流路３７のセパレータ１９側の面に、親水性膜４１を形成した点である。この親水性膜４１を形成する場合は、多孔体３６Ａ及び３７Ａの表面に形成するカーボン層３９の厚さを全体的に薄くし、その上に親水性膜４１を形成することができる。具体的には、実施例３で説明したように、多孔体３６Ａ及び３７Ａを、カーボン１１０が収容された浸漬槽１０１に浸漬し、次いで浸漬槽１０１から取り出した後、親水性膜４１を形成する領域を洗浄液で洗浄して、カーボン１１０の厚さを薄く（あるいは除去）する。次に、この処理を施した多孔体３６Ａ及び３７Ａを、例えば、酸化チタン等の親水性溶液に浸漬させた後、乾燥させることにより、親水性膜４１を形成することができる。 As shown in FIGS. 8 and 9, the main differences of the fuel cell 4 according to the fourth embodiment from the fuel cell 3 according to the third embodiment are the surface on the separator 18 side of the fuel gas flow path 36 and the oxidizing gas. The hydrophilic film 41 is formed on the surface of the flow path 37 on the separator 19 side. When the hydrophilic film 41 is formed, the thickness of the carbon layer 39 formed on the surfaces of the porous bodies 36A and 37A can be reduced as a whole, and the hydrophilic film 41 can be formed thereon. Specifically, as described in Example 3, the porous bodies 36A and 37A are immersed in the immersion tank 101 in which the carbon 110 is accommodated, and then taken out from the immersion tank 101, and then the hydrophilic film 41 is formed. The region is cleaned with a cleaning solution to reduce (or remove) the thickness of the carbon 110. Next, the porous films 36A and 37A subjected to this treatment are immersed in a hydrophilic solution such as titanium oxide and then dried, whereby the hydrophilic film 41 can be formed.
この構成を備えた燃料電池４は、実施例３にかかる燃料電池３と同様の利点を得ることができることに加え、生成水の排出をさらに促進させることができる。 In addition to being able to obtain the same advantages as the fuel cell 3 according to the third embodiment, the fuel cell 4 having this configuration can further promote the discharge of generated water.
１、２、３、４ 燃料電池
１０ ＭＥＡ
１６、３６ 燃料ガス流路
１７、３７ 酸化ガス流路
１８、１９ セパレータ
３９、４０ 冷却媒体通路
３６Ａ、３７Ａ 多孔体
３９ カーボン層
４１ 親水性層
１００ 浸漬塗布装置
１２０ 乾燥装置
1, 2, 3, 4 Fuel cell 10 MEA
16, 36 Fuel gas channel 17, 37 Oxidizing gas channel 18, 19 Separator 39, 40 Cooling medium channel 36A, 37A Porous body 39 Carbon layer 41 Hydrophilic layer 100 Immersion coating device 120 Drying device
Claims (8)
前記ガス流路は、当該ガス流路の上流から下流に向けて、空隙率が低くなるよう構成された多孔体を用いて形成されてなるよう構成した燃料電池。 A membrane-electrode assembly having an electrolyte membrane and a pair of electrodes formed on both surfaces of the electrolyte membrane, and a gas flow path for supplying gas to the pair of electrodes, and the gas flow path is porous. A fuel cell formed using a body,
It said gas flow path from upstream to downstream of the gas passage, a fuel cell porosity is so that structure is formed using a so as configured porous body low.
前記多孔体の少なくとも一部に、コーティング剤を付着させる工程を備えた燃料電池の製造方法。 Film having a pair of electrodes formed on both surfaces of the electrolyte membrane and the electrolyte membrane - a and the electrode assembly, and a gas flow path for supplying each gas to the pair of electrodes, the gas flow path, the A method of manufacturing a fuel cell configured to be formed using a porous body configured to have a lower porosity from upstream to downstream of a gas flow path ,
A method for producing a fuel cell, comprising a step of attaching a coating agent to at least a part of the porous body.
前記コーティング剤が収容されたコーティング剤槽に、前記多孔体を浸漬する工程と、
前記コーティング剤槽に浸漬した多孔体を、当該コーティング剤槽から引き上げる工程と、
を備え、
前記多孔体をコーティング剤槽から引き上げる工程は、前記多孔体を引き上げる速度を調整して、当該多孔体が当該コーティング剤槽に浸漬している時間を調整する請求項６記載の燃料電池の製造方法。 The step of attaching the coating agent includes:
Immersing the porous body in a coating agent tank containing the coating agent; and
A step of pulling up the porous body immersed in the coating agent tank from the coating agent tank;
With
The method of manufacturing a fuel cell according to claim 6 , wherein the step of pulling up the porous body from the coating agent tank adjusts a time for which the porous body is immersed in the coating agent tank by adjusting a speed of pulling up the porous body. .
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