JP4652015B2

JP4652015B2 - Fuel cell

Info

Publication number: JP4652015B2
Application number: JP2004306792A
Authority: JP
Inventors: 泰行堤; 進山下; 直也小川
Original assignee: Electric Power Development Co Ltd
Current assignee: Electric Power Development Co Ltd
Priority date: 2004-10-21
Filing date: 2004-10-21
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2024-10-21
Also published as: JP2006120443A

Description

本発明は、燃料電池セルがセパレータによって挟持されて構成される燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell in which a fuel cell is sandwiched between separators.

近年、環境問題やエネルギー問題の高まりに伴って、種々の燃料電池が使用されてきている。これら燃料電池の中には、アノード側電極とカソード側電極とによって電解質膜が挟まれて構成されるセルと、このセルを挟持するセパレータとを備えたものが周知となっている（例えば、特許文献１参照。）。そして、アノード側電極に例えば水素を有する燃料を供給し、カソード側電極に酸素を有する酸化剤を供給することによって、電気化学的な反応により発電が行われるようになっている。 In recent years, various fuel cells have been used with increasing environmental problems and energy problems. Among these fuel cells, those having a cell constituted by sandwiching an electrolyte membrane between an anode side electrode and a cathode side electrode and a separator sandwiching the cell are well known (for example, patents). Reference 1). Then, for example, by supplying a fuel containing hydrogen to the anode side electrode and supplying an oxidant containing oxygen to the cathode side electrode, power generation is performed by an electrochemical reaction.

この種の燃料電池としては、アノード側電極に燃料を供給するための燃料供給溝がセパレータに形成されたものが知られている。この燃料供給溝に燃料を流すことによって、アノード側電極に燃料が供給される。
特表２００２−５０５５１１号公報 As this type of fuel cell, a fuel cell in which a fuel supply groove for supplying fuel to an anode electrode is formed in a separator is known. The fuel is supplied to the anode side electrode by flowing the fuel into the fuel supply groove.
Special Table 2002-505511

しかしながら、上記のような燃料電池によると、燃料供給のための所定の圧力をかけて燃料供給溝に燃料を流すと、燃料供給溝とアノード側電極との隙間から燃料が漏れ易く、アノード側電極の全面にわたって均一に燃料を供給するのが困難になるという問題がある。また、燃料が均一に供給されないため、燃料の無駄が多くなるだけでなく、発電を円滑に行うのが困難になってしまう。 However, according to the fuel cell as described above, when the fuel is supplied to the fuel supply groove with a predetermined pressure for supplying the fuel, the fuel easily leaks from the gap between the fuel supply groove and the anode side electrode. There is a problem that it becomes difficult to supply fuel uniformly over the entire surface of the substrate. In addition, since fuel is not supplied uniformly, not only fuel is wasted, but it is difficult to smoothly generate power.

本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、アノード側電極に燃料をムラ無く一様に供給することができ、燃料の利用効率や発電効率を向上させることのできる燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such a problem, and can uniformly supply fuel to the anode side electrode uniformly, and can improve fuel utilization efficiency and power generation efficiency. The purpose is to provide.

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提供する。
請求項１に係る発明は、アノード側電極とカソード側電極とによって電解質膜が挟まれて構成されるセルと、このセル内に燃料を供給するための燃料供給溝を有するセパレータとを備える燃料電池において、
前記燃料供給溝には、この燃料供給溝に沿って延在し、内部に前記燃料が流される管状燃料通路が設けられており、この管状燃料通路は、前記燃料が流されると前記燃料を外部に流出させる微細孔を備える燃料電池であって、
前記管状燃料通路は、多孔材質からなり、
前記管状燃料通路内面に、前記管状燃料通路に沿って延在する多孔材質からなる透過膜が設けられていることを特徴とする燃料電池である。 In order to solve the above problems, the present invention provides the following means.
The invention according to claim 1 is a fuel cell comprising a cell configured by sandwiching an electrolyte membrane between an anode side electrode and a cathode side electrode, and a separator having a fuel supply groove for supplying fuel into the cell. In
The fuel supply groove is provided with a tubular fuel passage that extends along the fuel supply groove and into which the fuel flows. The tubular fuel passage allows the fuel to be discharged to the outside when the fuel is supplied. A fuel cell having micropores that flow into
The tubular fuel passage is made of a porous material,
In the fuel cell, a permeable membrane made of a porous material extending along the tubular fuel passage is provided on an inner surface of the tubular fuel passage.

この発明に係る燃料電池においては、管状燃料通路に所定の圧力をかけて燃料を流すと、透過膜に圧力がかかるとともに、その透過膜から超微量の燃料が透過していく。このときの透過した燃料の圧力は透過膜を透過することにより減少する。そして、透過した燃料が管状燃料通路の微細孔から外部に微量づつ流出していく。
これにより、高い供給圧力をかけても管状燃料通路の上流付近で多くの燃料が流出してしまうことなく、上流から下流にわたって燃料を均一に流出させることができる。 In the fuel cell according to the present invention, when a predetermined pressure is applied to the tubular fuel passage to cause the fuel to flow, pressure is applied to the permeable membrane and an extremely small amount of fuel permeates from the permeable membrane. The pressure of the permeated fuel at this time is reduced by permeating the permeable membrane. Then, the permeated fuel flows out from the fine hole of the tubular fuel passage little by little to the outside.
Thereby, even if a high supply pressure is applied, a large amount of fuel does not flow out in the vicinity of the upstream side of the tubular fuel passage, and the fuel can flow out uniformly from the upstream side to the downstream side.

本発明によれば、アノード側電極に燃料をムラ無く円滑に行き渡らせることができ、燃料の利用効率や発電効率を向上させることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, a fuel can be spread smoothly to an anode side electrode without unevenness, and the utilization efficiency and power generation efficiency of a fuel can be improved.

（実施例）
以下、本発明の実施例における燃料電池について、図面を参照して説明する。
図１に示すように、この燃料電池１は、発電を行うための単位セル（セル）２を備えている。そして、燃料電池１はこの単位セル２がセパレータ４により挟持されて構成されている。この燃料電池１は、単位セル２が１個から構成されるものであってもよいが、通常、充分な出力を得るために、単位セル２を重ねてそれらが一つのパッケージとして使用される。このパッケージが符号３に示すスタックと呼ばれるものである。 (Example)
Hereinafter, the fuel cell in the Example of this invention is demonstrated with reference to drawings.
As shown in FIG. 1, the fuel cell 1 includes a unit cell (cell) 2 for generating power. The fuel cell 1 is configured by sandwiching the unit cell 2 with a separator 4. This fuel cell 1 may be composed of a single unit cell 2, but usually, unit cells 2 are stacked and used as a single package in order to obtain a sufficient output. This package is called a stack indicated by reference numeral 3.

単位セル２は、イオン導電性を有する電解質膜５を備えており、この電解質膜５がアノード側電極部６とカソード側電極部７とに挟まれて構成されている。
電解質膜５としては、例えば、パーフルオロスルホン酸、スルホン化ポリイミド、スルホン化芳香族ポリエーテルケトン、スルホン化ポリアリーレン、酸性基含有ポリベンズイミダゾール、スルホン化ポリフェニール、リン酸ドープ高分子材などが用いられる。 The unit cell 2 includes an electrolyte membrane 5 having ionic conductivity, and the electrolyte membrane 5 is sandwiched between an anode side electrode portion 6 and a cathode side electrode portion 7.
Examples of the electrolyte membrane 5 include perfluorosulfonic acid, sulfonated polyimide, sulfonated aromatic polyether ketone, sulfonated polyarylene, acidic group-containing polybenzimidazole, sulfonated polyphenyl, and phosphate-doped polymer material. Used.

アノード側電極部６は、図２に示すように、電気化学的反応を起こさせるためのアノード側触媒層８を備えており、このアノード側触媒層８は、電解質膜５の一面に連接されている。そして、アノード側触媒層８は、カーボンペーパーやカーボンクロスなどからなる電極基質の片方の面に、電極触媒が付着されて構成されるものである。このアノード側触媒層８の厚さは、５〜２０μｍの範囲にあることが好ましい。
さらに、アノード側触媒層８には、多孔質カーボンペーパーなどから構成されるアノード側拡散層９が連接されている。アノード側拡散層９は、カーボンペーパーやカーボン布などからなり、セパレータ４を介して供給された燃料を浸透拡散させてアノード側触媒層８全体に燃料を行き渡らせるようにするためのものである。 As shown in FIG. 2, the anode side electrode portion 6 includes an anode side catalyst layer 8 for causing an electrochemical reaction. The anode side catalyst layer 8 is connected to one surface of the electrolyte membrane 5. Yes. The anode catalyst layer 8 is configured by adhering an electrode catalyst to one surface of an electrode substrate made of carbon paper, carbon cloth, or the like. The anode catalyst layer 8 preferably has a thickness in the range of 5 to 20 μm.
Further, an anode side diffusion layer 9 made of porous carbon paper or the like is connected to the anode side catalyst layer 8. The anode side diffusion layer 9 is made of carbon paper, carbon cloth, or the like, and is used to permeate and diffuse the fuel supplied through the separator 4 so as to spread the fuel throughout the anode side catalyst layer 8.

一方、カソード側電極部７はカソード側触媒層１２を備えており、カソード側触媒層１２は電解質膜５の他面に連接されている。このカソード側触媒層１２にはさらにカソード側拡散層１３が連接されている。
これらカソード側触媒層１２およびカソード側拡散層１３は、アノード側触媒層８およびアノード側拡散層９と同様の構成である。なお、カソード側拡散層１３は、供給された酸化剤ガスを取り込み、それら酸化剤ガスを拡散させてカソード側触媒層１２の全体に酸素を行き渡らせるようになっている。 On the other hand, the cathode side electrode unit 7 includes a cathode side catalyst layer 12, and the cathode side catalyst layer 12 is connected to the other surface of the electrolyte membrane 5. A cathode side diffusion layer 13 is further connected to the cathode side catalyst layer 12.
The cathode side catalyst layer 12 and the cathode side diffusion layer 13 have the same configuration as the anode side catalyst layer 8 and the anode side diffusion layer 9. The cathode side diffusion layer 13 takes in the supplied oxidant gas, diffuses the oxidant gas, and distributes oxygen throughout the cathode side catalyst layer 12.

また、前記セパレータ４は、緻密なカーボン板を加工した導電性を有する基板からなっており、供給された燃料や反応後の気体が外部に流出するのを防止するようになっている。さらに、図１に示すセパレータ４の一面４ａには、カソード側電極部７に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給溝１５が設けられており、不図示の酸化剤タンクにより送られた酸化剤ガスが酸化剤ガス供給溝１５を通ってカソード側拡散層１３に供給されるようになっている。さらに、セパレータ４の他面４ｂには、アノード側電極部６に燃料を供給するための燃料供給溝１６が設けられている。 The separator 4 is made of a conductive substrate obtained by processing a dense carbon plate, and prevents the supplied fuel and the gas after reaction from flowing out. Further, an oxidant gas supply groove 15 for supplying an oxidant gas to the cathode side electrode portion 7 is provided on the one surface 4a of the separator 4 shown in FIG. 1, and sent by an oxidant tank (not shown). The oxidant gas is supplied to the cathode side diffusion layer 13 through the oxidant gas supply groove 15. Further, the other surface 4 b of the separator 4 is provided with a fuel supply groove 16 for supplying fuel to the anode side electrode portion 6.

前記燃料供給溝１６には燃料の通路となる管状燃料通路１８が設けられている。この管状燃料通路１８は、その内壁の横断面形状が略円形をなして構成されるものであって、燃料供給溝１６に沿って、かつ燃料供給溝１６の略全長にわたって延在して設けられている。そして、この管状燃料通路１８の内部２３に不図示の燃料タンクから供給される燃料が流されるようになっている。
また、管状燃料通路１８は多孔材質からなっており、図３に示すように、無数の微細孔２０が形成されている。管状燃料通路１８の材料としては、燃料によって劣化しない材料であって、アノード側触媒層８などを被毒したり、電解質膜５のプロトン伝導度を低下させたりする金属イオンやアルカリイオンなどを溶出しない材料が使用される。例えば、シリコーンやポリイミドなど、中空糸として使用される材料は、燃料透過性の高い管を容易に製造できる点で好適である。 The fuel supply groove 16 is provided with a tubular fuel passage 18 serving as a fuel passage. The tubular fuel passage 18 is configured such that the inner wall has a substantially circular cross-sectional shape and extends along the fuel supply groove 16 and over the entire length of the fuel supply groove 16. ing. A fuel supplied from a fuel tank (not shown) is caused to flow into the inside 23 of the tubular fuel passage 18.
The tubular fuel passage 18 is made of a porous material, and an infinite number of fine holes 20 are formed as shown in FIG. The material of the tubular fuel passage 18 is a material that is not deteriorated by the fuel, and it elutes metal ions, alkali ions, etc. that poison the anode catalyst layer 8 and reduce the proton conductivity of the electrolyte membrane 5. Not material is used. For example, materials used as hollow fibers, such as silicone and polyimide, are preferable in that a tube with high fuel permeability can be easily manufactured.

さらに、前記管状燃料通路１８の内周面には、図３に示すように、管状燃料通路１８の外部への燃料の流出量を調整するための透過膜２１が設けられている。
この透過膜２１は、横断面形状が略円形をなして構成されるものであって、その外周面が管状燃料通路１８の内周面と接触するように設けられている。すなわち、透過膜２１の外径と管状燃料通路１８の内径とが略一致するように設定されている。また、透過膜２１は、管状燃料通路１８に沿って、かつ管状燃料通路１８の略全長にわたって延在して設けられている。そして、管状燃料通路１８に燃料を高圧ガスとして供給すると、透過膜２１にその供給圧力がかかり、さらに透過膜２１は燃料を超微量づつ透過させるようになっている。また、透過膜２１の材料としては、例えば、シリコーンやポリイミドなど、中空糸として使用されるものが用いられる。 Further, as shown in FIG. 3, a permeable membrane 21 for adjusting the amount of fuel flowing out of the tubular fuel passage 18 is provided on the inner peripheral surface of the tubular fuel passage 18.
The permeable membrane 21 has a substantially circular cross-sectional shape, and is provided so that its outer peripheral surface is in contact with the inner peripheral surface of the tubular fuel passage 18. That is, the outer diameter of the permeable membrane 21 and the inner diameter of the tubular fuel passage 18 are set so as to substantially match. The permeable membrane 21 is provided along the tubular fuel passage 18 and extending over substantially the entire length of the tubular fuel passage 18. When the fuel is supplied to the tubular fuel passage 18 as a high-pressure gas, the supply pressure is applied to the permeable membrane 21, and the permeable membrane 21 allows the fuel to permeate in an extremely small amount. Moreover, as a material of the permeable membrane 21, what is used as a hollow fiber, such as silicone and a polyimide, is used, for example.

このような構成のもと、管状燃料通路１８の内部２３にジメチルエーテルなどを高圧ガスとして供給すると、透過膜２１にその供給圧力がかかるため、透過膜２１は膨張しようとして応力がかかる。このとき、透過膜２１の横断面形状は略円形とされていることから、その応力は、曲部的に集中することなく均一に分散される。そして、供給された燃料は透過膜２１を超微量づつ透過し、これにより透過した燃料の圧力は減少する。そしてその透過した燃料は管状燃料通路１８の内周面に到達する。これら燃料は微細孔２０を通って微量ずつ外部に流出する。そして、燃料供給溝１６からアノード側拡散層９にガスが一様に行き渡る。 Under such a configuration, when dimethyl ether or the like is supplied to the inside 23 of the tubular fuel passage 18 as a high-pressure gas, the supply pressure is applied to the permeable membrane 21, so that the permeable membrane 21 is stressed to expand. At this time, since the cross-sectional shape of the permeable membrane 21 is substantially circular, the stress is uniformly distributed without concentrating in a curved portion. The supplied fuel permeates through the permeable membrane 21 in an extremely small amount, and the pressure of the permeated fuel is thereby reduced. The permeated fuel reaches the inner peripheral surface of the tubular fuel passage 18. These fuels flow through the fine holes 20 to the outside in small amounts. Then, the gas uniformly spreads from the fuel supply groove 16 to the anode side diffusion layer 9.

さらに、透過膜２１を透過させることにより、透過した燃料の圧力を減らすことができ、高い供給圧力をかけても管状燃料通路１８の上流付近で多くの燃料が流出してしまうことなく、上流から下流にわたって燃料を均一に流出させることができる。
また、透過膜２１により燃料の供給圧力が保持されるため、高い圧力を加えた状態で燃料を供給することができる。すなわち、例えば、ジメチルエーテルを燃料とする場合は５ａｔ程度の内圧を加えた状態で供給する必要があるため、透過膜２１を設けることにより、このような種々の燃料に対応することができる。 Further, by allowing the permeation membrane 21 to permeate, the pressure of the permeated fuel can be reduced. Even when a high supply pressure is applied, a large amount of fuel does not flow out in the vicinity of the upstream side of the tubular fuel passage 18, and from the upstream side The fuel can be discharged uniformly over the downstream.
Further, since the fuel supply pressure is held by the permeable membrane 21, the fuel can be supplied in a state where a high pressure is applied. That is, for example, when dimethyl ether is used as the fuel, it is necessary to supply it with an internal pressure of about 5 at. Therefore, by providing the permeable membrane 21, it is possible to deal with such various fuels.

また、透過膜２１の横断面形状が略円形とされ、透過膜２１に加わる応力が均一に分散されるため、高い圧力にも耐えることができる。そのため、高い供給圧力により燃料を流すことができる。
さらに、透過膜２１の外径と管状燃料通路１８の内径とが略一致するように設定されていることから、透過膜２１に加わった圧力を管状燃料通路１８でも受けることができ、より高い燃料圧力をかけることができる。同様に、透過膜２１の外径と管状燃料通路１８の内径とが略一致するように設定されていることから、透過膜２１の外周面と管状燃料通路１８の内周面との間で、ガスが滞留したり偏在したりすることなく、スムーズにガスを送ることができる。そのため燃料の利用効率を向上させることができる。
また、ジメチルエーテルを使用すると、管状燃料通路１８に高圧力ガス燃料を直接導入することができるため、液化ガス貯蔵タンクの元圧を利用して燃料供給を行うことができる。そのため、燃料ポンプが不要となり、システムを簡素化することができる。 Moreover, since the cross-sectional shape of the permeable membrane 21 is substantially circular and the stress applied to the permeable membrane 21 is uniformly dispersed, it can withstand high pressure. Therefore, fuel can be flowed with a high supply pressure.
Furthermore, since the outer diameter of the permeable membrane 21 and the inner diameter of the tubular fuel passage 18 are set to substantially coincide with each other, the pressure applied to the permeable membrane 21 can be received also by the tubular fuel passage 18, and higher fuel can be obtained. Pressure can be applied. Similarly, since the outer diameter of the permeable membrane 21 and the inner diameter of the tubular fuel passage 18 are set to substantially coincide with each other, between the outer peripheral surface of the permeable membrane 21 and the inner peripheral surface of the tubular fuel passage 18, Gas can be sent smoothly without stagnation or uneven distribution of gas. Therefore, the fuel utilization efficiency can be improved.
Further, when dimethyl ether is used, high-pressure gas fuel can be directly introduced into the tubular fuel passage 18, so that fuel can be supplied using the original pressure of the liquefied gas storage tank. Therefore, a fuel pump is unnecessary and the system can be simplified.

なお、上記実施例においては、管状燃料通路１８の内壁の横断面形状を略円形としたが、これに限ることはなく、楕円形や矩形など適宜変更してもよい。但し、円形とした方が、高い圧力の燃料を保持することができる点で好ましいのは上述の通りである。
また、透過膜２１の横断面形状も、楕円形や矩形など適宜変更してもよい。但し、円形とした方が好ましいのは上述の通りである。
なお、本発明の技術範囲は上記の実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。 In the above-described embodiment, the cross-sectional shape of the inner wall of the tubular fuel passage 18 is substantially circular. However, the shape is not limited to this, and may be appropriately changed such as an ellipse or a rectangle. However, as described above, the circular shape is preferable in that a fuel with a high pressure can be held.
Further, the cross-sectional shape of the permeable membrane 21 may be changed as appropriate, such as an ellipse or a rectangle. However, the circular shape is preferable as described above.
Note that the technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

本発明に係る燃料電池の第１の実施例を示す分解斜視図である。1 is an exploded perspective view showing a first embodiment of a fuel cell according to the present invention. 図１の単位セルの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the unit cell of FIG. 図２の管状燃料通路を拡大して示す断面図である。It is sectional drawing which expands and shows the tubular fuel channel | path of FIG.

１燃料電池
２単位セル（セル）
４セパレータ
５電解質膜
６アノード側電極部
７カソード側電極部
１６燃料供給溝
１８管状燃料通路
２０微細孔
２１透過膜
２３内部 1 Fuel cell 2 Unit cell (cell)
4 Separator 5 Electrolyte membrane 6 Anode side electrode portion 7 Cathode side electrode portion 16 Fuel supply groove 18 Tubular fuel passage 20 Fine hole 21 Permeation membrane 23 Inside

Claims

In a fuel cell comprising a cell configured by sandwiching an electrolyte membrane between an anode side electrode and a cathode side electrode, and a separator having a fuel supply groove for supplying fuel into the cell,
The fuel supply groove is provided with a tubular fuel passage that extends along the fuel supply groove and through which the fuel flows. The tubular fuel passage allows the fuel to flow outward when the fuel flows. A fuel cell having micropores to flow out ,
The tubular fuel passage is made of a porous material,
A fuel cell, wherein a permeation membrane made of a porous material extending along the tubular fuel passage is provided on an inner surface of the tubular fuel passage .