JP5062392B2 - Polymer electrolyte fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、燃料にメタノール等の液体燃料を用いた燃料電池に関し、特に、複数の発電素子が、同一平面上に配置された平面スタック型の固体高分子型燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell using a liquid fuel such as methanol as a fuel, and more particularly to a planar stack type solid polymer fuel cell in which a plurality of power generating elements are arranged on the same plane.
固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜を燃料極と酸化剤極とで挟持した構造の電極−電解質膜接合体(Membrane and Electrode Assembly。以下、MEAという。)により構成され、燃料極に燃料として水素やアルコール等を供給し、酸化剤極に空気又は酸素を供給して電気化学反応を起こさせることにより電力を取り出す装置である。 A solid polymer fuel cell is composed of an electrode-electrolyte assembly (hereinafter referred to as MEA) having a structure in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between a fuel electrode and an oxidant electrode. In this device, hydrogen, alcohol, or the like is supplied as a fuel, and air or oxygen is supplied to the oxidant electrode to cause an electrochemical reaction, thereby extracting electric power.
固体高分子型燃料電池のうち、アルコール等の液体燃料を改質せずに直接燃料極に供給するタイプの燃料電池は、直接型燃料電池と呼ばれる。例えば、液体燃料としてメタノール水溶液を使用するダイレクトメタノール型燃料電池(以下、DMFCという。)では、下記化学式1〜3で表される電池反応により発電が行われるため、燃料極側では二酸化炭素が発生する。
(化学式1);燃料極: CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e−
(化学式2);酸化剤極: 6H+ + 6e− + 3/2O2 → 3H2O
(化学式3);電池反応: CH3OH + 3/2O2 → CO2 + 2H2O
Among solid polymer fuel cells, a type of fuel cell that supplies liquid fuel such as alcohol directly to the fuel electrode without reforming is called a direct fuel cell. For example, in a direct methanol fuel cell (hereinafter referred to as DMFC) using an aqueous methanol solution as a liquid fuel, power is generated by a cell reaction represented by the following
(Chemical formula 1); Fuel electrode: CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e −
(Chemical formula 2); Oxidant electrode: 6H + + 6e − + 3 / 2O 2 → 3H 2 O
(Chemical formula 3); Battery reaction: CH 3 OH + 3 / 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O
燃料極に接触した燃料は燃料極上に固定された触媒粒子の作用により分解されて二酸化炭素とプロトン(H+)と電子(e−)に分離し、プロトンは固体高分子電解質膜を通過して酸化剤極上で空気中の酸素と反応して、水を生成する。このとき、電子が外部負荷を通って燃料極から酸化剤極に移動することにより電力が取り出される。 The fuel in contact with the fuel electrode is decomposed by the action of catalyst particles fixed on the fuel electrode and separated into carbon dioxide, protons (H + ), and electrons (e − ), and the protons pass through the solid polymer electrolyte membrane. It reacts with oxygen in the air on the oxidizer electrode to produce water. At this time, electric power is taken out by the electrons moving from the fuel electrode to the oxidant electrode through the external load.
こうしたDMFCでは、燃料として液体を使用するため、水素などのガスを使用するものより燃料のエネルギー密度を高めることができ、燃料タンクの容積を小さくすることができる。また、改質器が不要なため小型化、軽量化が容易であり、小型機器用の発電装置として期待されている。その反面、燃料極に液体燃料が直接接触するため、メタノールと水が未反応のまま固体高分子電解質膜を通過して酸化剤極側に到達してしまうクロスオーバーが起こり、その結果、発電時の電圧低下や、燃料利用効率の低下を招くことがあった。また、燃料極で発生した二酸化炭素を効率良く排出できず、燃料容器内の圧力が高くなり、液体燃料の漏出や、クロスオーバーの増大、電池性能の低下などが起こることがあった。即ち、二酸化炭素を効率よく排出することのできる技術の提供が望まれている。 In such a DMFC, since a liquid is used as the fuel, the energy density of the fuel can be increased and the volume of the fuel tank can be reduced as compared with those using a gas such as hydrogen. Moreover, since a reformer is not required, it is easy to reduce the size and weight, and it is expected as a power generator for small equipment. On the other hand, since the liquid fuel is in direct contact with the fuel electrode, a crossover occurs in which methanol and water pass through the solid polymer electrolyte membrane unreacted and reach the oxidizer electrode side. In some cases, the voltage drops and the fuel utilization efficiency decreases. In addition, carbon dioxide generated at the fuel electrode cannot be efficiently discharged, the pressure in the fuel container increases, and liquid fuel leaks, crossover increases, and cell performance decreases. In other words, it is desired to provide a technique capable of efficiently discharging carbon dioxide.
上記と関連して、特許文献1には、液体燃料をPTFE多孔質体等の気液分離膜を通じて気化させた燃料を燃料極に供給することが記載されている。
In relation to the above,
また、特許文献2は、分離膜を介して炭酸ガスを選択的に燃料容器外へ排出する燃料電池、を開示している。
一般に、燃料電池は単一のセルでは得られる電圧が低いために、複数のセルを積層させて直列接続させた燃料電池スタックとして、必要な電圧を得ている。複数の燃料電池セルを積層させる方式としては、燃料電池の単位セルがセルの厚み方向に積層したバイポーラ型と、燃料電池の単位セルが平面的に並ぶ平面スタック型とが知られている。平面スタック型燃料電池は、バイポーラ型に比べて電池の厚さを薄くすることができるため、小型化、薄型化が求められる小型機器用の発電装置に適した構造である。 In general, since a fuel cell has a low voltage obtained by a single cell, a necessary voltage is obtained as a fuel cell stack in which a plurality of cells are stacked and connected in series. As a method of stacking a plurality of fuel cells, a bipolar type in which unit cells of a fuel cell are stacked in the cell thickness direction and a planar stack type in which unit cells of a fuel cell are arranged in a plane are known. Since the planar stack type fuel cell can be made thinner than the bipolar type, the structure is suitable for a power generator for small equipment that is required to be small and thin.
このような平面スタック型燃料電池として、特許文献3には、酸素電極層とプロトン伝導体層と燃料電極層とが積層構造をなし、該酸素電極層と該燃料電極層との間に該プロトン伝導体層が位置する発電素子が複数設けられ、隣り合う一の該発電素子の層と他の該発電素子の層とが、積層方向と直交する層方向に略同一平面上に配列されて直列接続され、該一の発電素子の該プロトン伝導体層と該他の発電素子の該プロトン伝導体層とが同一平面上に配列される平面配列型電気化学素子ユニットにおいて、該プロトン伝導体層の一方の側において、略同一平面上の該一の発電素子の該燃料電極層と該他の発電素子の該酸素電極層とが交互に配置され、該プロトン伝導体層の他方の側において、略同一平面上に該一の発電素子の該酸素電極層と該他の発電素子の該燃料電極層とが交互に配置されていることを特徴とする平面配列型電気化学素子ユニット、が記載されている。
As such a planar stack type fuel cell,
また、特許文献4は、プロトン導電体膜の表裏両面の各々に、燃料極と空気極とを交互に所定の配列方向に沿って複数設けて、プロトン導電体膜の表裏で燃料極と空気極とが対抗するようにし、プロトン導電体膜に関して同一面上で隣接した位置にあり、かつ前記の配列方向に関して所定の向きにある、燃料極と空気極とを電気的に接続することにより、燃料極と空気極とのペアを形成した、直接型燃料電池、を開示している。
In
また、特許文献5は、プロトン導電性の電解質膜を介して一対の空気極と燃料極とが接合された電極−膜接合体の燃料極側に液体燃料を供給し、空気極側に空気を供給する直接液体供給型燃料電池において、同一平面上に複数の電極−膜接合体を構成し、これらの複数の電極−膜接合体の隣接した空気極、燃料極間を直列もしくは並列に接続し、その同一面上に構成された複数の燃料極には同一の燃料貯蔵部から毛細管体によって燃料が供給されるとともに、その同一平面上に構成された複数の空気極を覆って空気極室を構成し、その空気極にファンもしくはブロアによって空気を供給することを特徴とする直接液体供給型燃料電池、を開示している。
しかしながら、多孔質体を通じて燃料極に燃料を気化供給する場合、燃料極で発生した二酸化炭素が多孔質体を透過して燃料供給側に逆流することがあった。逆流により、燃料の気化供給が妨げられることがあった。 However, when the fuel is vaporized and supplied to the fuel electrode through the porous body, carbon dioxide generated at the fuel electrode may permeate the porous body and flow backward to the fuel supply side. Backflow sometimes hindered fuel vaporization.
また、多孔質体から二酸化炭素がスムーズに抜けず、燃料極と多孔質体の間に二酸化炭素ガスが充満することによって燃料極への燃料供給が不十分となることがあった。このように、燃料極への燃料供給が不十分となると、発電が不安定になる。特に、二酸化炭素の発生は高電流で発電させるほど増大するので、高電流領域において高出力で安定した発電を長時間維持することが望まれる。 In addition, carbon dioxide may not smoothly escape from the porous body, and the fuel supply to the fuel electrode may become insufficient due to the carbon dioxide gas being filled between the fuel electrode and the porous body. As described above, when the fuel supply to the fuel electrode becomes insufficient, the power generation becomes unstable. In particular, since the generation of carbon dioxide increases as power is generated at a high current, it is desired to maintain stable power generation at a high output for a long time in a high current region.
また、分離膜を介して二酸化炭素を選択的に排出させる場合、燃料極で発生した二酸化炭素は液体燃料保持部と燃料極の間に滞りやすく、その結果、燃料極への燃料供給が妨げられ、高電流域で安定した発電を長時間維持することが難しい。 Further, when carbon dioxide is selectively discharged through the separation membrane, the carbon dioxide generated at the fuel electrode is likely to stagnate between the liquid fuel holding part and the fuel electrode, and as a result, the fuel supply to the fuel electrode is hindered. It is difficult to maintain stable power generation in a high current range for a long time.
また、電解質膜の一面上で、燃料極と酸化剤極とが交互となるように配置された平面スタック型の固体高分子型燃料電池においては、燃料極と酸化剤極とが同一平面上で隣接することとなる。このとき、燃料極側に供給される燃料と、酸化剤極に供給される酸化剤ガスとの混合を避ける為に、両者の間はシール性を有する部材を配置して遮断されていた。燃料極の周囲はシール部材で密閉されることになるので、燃料極で発生した二酸化炭素は燃料流路へ逆流することがあった。 In a planar stack type polymer electrolyte fuel cell in which the fuel electrode and the oxidant electrode are alternately arranged on one surface of the electrolyte membrane, the fuel electrode and the oxidant electrode are on the same plane. It will be adjacent. At this time, in order to avoid mixing of the fuel supplied to the fuel electrode side and the oxidant gas supplied to the oxidant electrode, a member having a sealing property is disposed between the two to be blocked. Since the periphery of the fuel electrode is sealed with a sealing member, carbon dioxide generated at the fuel electrode may flow backward to the fuel flow path.
即ち、電解質膜の一面上で燃料極と酸化剤極とが交互になるように配置された平面スタック型の燃料電池においても、燃料極で発生した二酸化炭素を効率よく排出することのできる技術の提供が望まれる。 That is, even in a planar stack type fuel cell in which the fuel electrode and the oxidant electrode are alternately arranged on one surface of the electrolyte membrane, carbon dioxide generated at the fuel electrode can be efficiently discharged. Offer is desired.
よって、本発明の目的は、平面スタック型の燃料電池において、燃料極で発生した二酸化炭素を効率よく排出する技術を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a technique for efficiently discharging carbon dioxide generated at a fuel electrode in a planar stack type fuel cell.
本発明の他の目的は、燃料極と酸化剤極とが交互になるように配置された平面スタック型の燃料電池において、燃料極で発生した二酸化炭素が効率よく排出される固体高分子型燃料電池を提供することにある。 Another object of the present invention is a solid polymer fuel in which carbon dioxide generated at the fuel electrode is efficiently discharged in a planar stack type fuel cell in which the fuel electrode and the oxidant electrode are alternately arranged. To provide a battery.
本発明の他の目的は、平面スタック型の燃料電池において、燃料極で発生した二酸化炭素を効率よく排出する技術を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a technique for efficiently discharging carbon dioxide generated at a fuel electrode in a planar stack type fuel cell.
以下に、発明を実施するための最良の形態で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための最良の形態との対応関係を明らかにするために括弧付きで付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、特許請求の範囲に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。 Hereinafter, means for solving the problem will be described using the numbers and symbols used in the best mode for carrying out the invention. These numbers and symbols are added in parentheses in order to clarify the correspondence between the description of the claims and the best mode for carrying out the invention. However, these numbers and symbols should not be used for interpreting the technical scope of the invention described in the claims.
本発明に係る固体高分子型燃料電池(15)は、複数の発電素子(10)と、電気接続部(5)と、絶縁部(6)と、通気部(16)と、を有する。複数の発電素子(10)は、共通の固体高分子電解質膜(3)を有する。複数の発電素子(10)の各々は、更に、燃料極(1)と、酸化剤極(2)とを有する。各発電素子(10)において、燃料極(1)と酸化剤極(2)とは、固体高分子電解質膜(3)を挟むようにして配置されている。複数の発電素子(10)は、固体高分子電解質膜(3)の主面上で燃料極(1)と酸化剤極(2)とが交互に並ぶように配置される。固体高分子電解質膜(3)の主面上において、隣接する燃料極(1)と酸化剤極(2)との間には、電気接続部(5)又は絶縁部(6)
が交互となるように設けられている。固体高分子電解質膜(3)の裏面上において、その主面上の燃料極(1)に対向する位置には酸化剤極(2)が配置され、その主面上の酸化剤極(2)に対向する位置には燃料極(1)が配置され、その主面上の電気接続部(5)に対向する位置には絶縁部(6)が配置され、その主面上の絶縁部(6)に対向する位置には電気接続部(5)が配置されている。電気接続部(5)は、隣接する燃料極(1)と酸化剤極(2)との間を電気的に接続する。絶縁部(6)は、隣接する燃料極(1)と酸化剤極(2)との間を絶縁する。複数の発電素子(10)は直列に電気接続されている。酸化剤極(2)は、酸化剤ガスが流れる酸化剤流路(2c)に接続されている。通気部(16)は、燃料極(1)で発生した二酸化炭素を、複数の発電素子(10)の平面方向側外周部から外部へ排出するか、又は、隣接する酸化剤極(2)に接続された酸化剤流路(2c)に排出するように設けられている。
The polymer electrolyte fuel cell (15) according to the present invention includes a plurality of power generation elements (10), an electrical connection part (5), an insulating part (6), and a ventilation part (16). The plurality of power generation elements (10) have a common solid polymer electrolyte membrane (3). Each of the plurality of power generation elements (10) further includes a fuel electrode (1) and an oxidant electrode (2). In each power generating element (10), the fuel electrode (1) and the oxidant electrode (2) are arranged so as to sandwich the solid polymer electrolyte membrane (3). The plurality of power generation elements (10) are arranged so that the fuel electrode (1) and the oxidant electrode (2) are alternately arranged on the main surface of the solid polymer electrolyte membrane (3). On the main surface of the solid polymer electrolyte membrane (3), between the adjacent fuel electrode (1) and oxidant electrode (2), there is an electrical connection (5) or an insulating part (6).
Are provided alternately. On the back surface of the solid polymer electrolyte membrane (3), an oxidant electrode (2) is disposed at a position facing the fuel electrode (1) on the main surface, and the oxidant electrode (2) on the main surface. The fuel electrode (1) is disposed at a position opposite to the electrical connection portion (5), and the insulation portion (6) is disposed at a position opposed to the electrical connection portion (5) on the main surface. The electrical connection portion (5) is disposed at a position opposite to. The electrical connection (5) electrically connects between the adjacent fuel electrode (1) and the oxidant electrode (2). The insulating part (6) insulates between the adjacent fuel electrode (1) and the oxidant electrode (2). The plurality of power generation elements (10) are electrically connected in series. The oxidant electrode (2) is connected to the oxidant channel (2c) through which the oxidant gas flows. The ventilation part (16) discharges carbon dioxide generated in the fuel electrode (1) from the outer peripheral part on the planar direction side of the plurality of power generation elements (10) to the outside or to the adjacent oxidant electrode (2). It is provided to be discharged to the connected oxidant flow path (2c).
上述の構成に依れば、通気部(16)を介して、燃料極(1)で発生した二酸化炭素は外部又は酸化剤ガス流路に効率よく排出される。 According to the above-described configuration, the carbon dioxide generated at the fuel electrode (1) is efficiently discharged to the outside or the oxidant gas flow path via the ventilation portion (16).
また、燃料極(1)は、固体高分子電解質膜(3)上に密接するアノード触媒層(1b)と、アノード触媒層(1b)上に設けられたアノードガス拡散電極(1a)と、を有する。酸化剤極(2)は、固体高分子電解質膜(3)上に密接するカソード触媒層(2b)と、カソード触媒層(2b)上に設けられたカソードガス拡散電極(1a)と、を有する。 The fuel electrode (1) includes an anode catalyst layer (1b) in close contact with the solid polymer electrolyte membrane (3), and an anode gas diffusion electrode (1a) provided on the anode catalyst layer (1b). Have. The oxidant electrode (2) has a cathode catalyst layer (2b) in close contact with the solid polymer electrolyte membrane (3), and a cathode gas diffusion electrode (1a) provided on the cathode catalyst layer (2b). .
また、通気部(16)は、絶縁部(6)によって絶縁された燃料極(1)と酸化剤極(2)間に設けられた空隙である。通気部(16)は、アノードガス拡散電極(1a)に接続されている。通気部(16)は、複数の発電素子(10)の平面方向外周部で外部に連通する。燃料極(1)で発生した二酸化炭素は、アノードガス拡散電極(1a)から通気部(16)を介して外部へ排出される。 The ventilation part (16) is a gap provided between the fuel electrode (1) and the oxidant electrode (2) insulated by the insulating part (6). The ventilation part (16) is connected to the anode gas diffusion electrode (1a). The ventilation portion (16) communicates with the outside at the outer peripheral portion in the planar direction of the plurality of power generation elements (10). The carbon dioxide generated at the fuel electrode (1) is discharged to the outside from the anode gas diffusion electrode (1a) through the vent (16).
上述の構成に依れば、燃料極(1)で発生した二酸化炭素は、アノードガス拡散電極(1a)から通気部(16)を介して外部へ排出される。二酸化炭素は、燃料流路側へ逆流しないので、燃料の供給が妨げられず、燃料流路内の圧力も上昇しない。よって、安定した発電を長時間維持することができる。 According to the above-described configuration, carbon dioxide generated at the fuel electrode (1) is discharged to the outside from the anode gas diffusion electrode (1a) through the ventilation portion (16). Since carbon dioxide does not flow back to the fuel flow path side, the supply of fuel is not hindered, and the pressure in the fuel flow path does not increase. Therefore, stable power generation can be maintained for a long time.
また、本発明の一形態において、アノードガス拡散電極(1a)は、アノード触媒層(1b)の全面を覆う。アノードガス拡散電極(1a)は、アノード触媒層(1b)より平面方向に広い。通気部(16)は、アノードガス拡散電極(1a)がアノード触媒層(1b)からはみ出した部分の下に形成された空隙を含む。燃料極(1)で発生した二酸化炭素は、アノードガス拡散電極(1a)においてアノード触媒層(1b)からはみ出た部分の下部から通気部(16)を介して外部へ排出される。 In one embodiment of the present invention, the anode gas diffusion electrode (1a) covers the entire surface of the anode catalyst layer (1b). The anode gas diffusion electrode (1a) is wider in the planar direction than the anode catalyst layer (1b). The ventilation portion (16) includes a void formed under the portion where the anode gas diffusion electrode (1a) protrudes from the anode catalyst layer (1b). Carbon dioxide generated at the fuel electrode (1) is discharged to the outside from the lower part of the anode gas diffusion electrode (1a) protruding from the anode catalyst layer (1b) through the ventilation part (16).
本発明に係る固体高分子型燃料電池(15)は、更に、多孔質体(14)と、気液分離膜(4)と、燃料流路(1c)と、を備える。多孔質体(14)は、電気接続部(5)及び絶縁部(6)の上に設けられている。気液分離膜(4)は、2つの多孔質体(14)の上から、燃料極(1)を間隙(20)を介して覆うように設けられている。燃料流路(1c)は、気液分離膜(4)の燃料極(1)とは反対側の面に接続されるように設けられている。気液分離膜(4)と燃料極(1)との間に形成された間隙(20)は、多孔質体(14)を介して、隣接する酸化剤極(2)に接続された酸化剤流路(2c)と連通する。燃料極(1)で発生した二酸化炭素は、気液分離膜(4)との間に形成された間隙(20)と、多孔質体(14)と、を介して酸化剤流路(2c)へ排出される。 The polymer electrolyte fuel cell (15) according to the present invention further includes a porous body (14), a gas-liquid separation membrane (4), and a fuel channel (1c). The porous body (14) is provided on the electrical connecting portion (5) and the insulating portion (6). The gas-liquid separation membrane (4) is provided so as to cover the fuel electrode (1) through the gap (20) from above the two porous bodies (14). The fuel channel (1c) is provided so as to be connected to the surface of the gas-liquid separation membrane (4) opposite to the fuel electrode (1). The gap (20) formed between the gas-liquid separation membrane (4) and the fuel electrode (1) has an oxidant connected to the adjacent oxidant electrode (2) through the porous body (14). It communicates with the flow path (2c). The carbon dioxide generated in the fuel electrode (1) passes through the gap (20) formed between the gas-liquid separation membrane (4) and the porous body (14), and the oxidant channel (2c). Is discharged.
上述の構成によっても、燃料極(1)で発生した二酸化炭素は酸化剤流路(2c)へと排出される為に、燃料流路側へ逆流しない。よって、安定した発電を長時間維持することができる。 Even with the above-described configuration, carbon dioxide generated in the fuel electrode (1) is discharged to the oxidant flow path (2c), and therefore does not flow back to the fuel flow path side. Therefore, stable power generation can be maintained for a long time.
また、電気接続部(5)は、気体が通過不可能な非多孔質の導電性材料で構成される。電気接続部(5)は、アノードガス拡散電極(1a)及びカソードガス拡散電極(1b)の双方に接合されていることが好ましい。 The electrical connection portion (5) is made of a non-porous conductive material through which gas cannot pass. The electrical connection (5) is preferably joined to both the anode gas diffusion electrode (1a) and the cathode gas diffusion electrode (1b).
また、電気接続部(5)は、ガスシール性を有するガスシール部(7)である。電気接続部(5)と、電気接続部(5)を介して隣接するアノードガス拡散電極(1a)とカソードガス拡散電極(2a)とは、単一の部材であるガス拡散電極(17)から形成されている。 Moreover, an electrical connection part (5) is a gas seal part (7) which has gas-sealing property. The electrical connection part (5) and the anode gas diffusion electrode (1a) and the cathode gas diffusion electrode (2a) which are adjacent to each other through the electrical connection part (5) are formed from the gas diffusion electrode (17) which is a single member. Is formed.
単一のガス拡散電極(17)を燃料極(1)と酸化剤極(2)とで直接共有すれば、新たに電気接続部(5)を設ける必要がないため、燃料電池スタックの作製が容易になる。又、電気接続部(5)とガス拡散電極(17)との接合部における接触抵抗がないため、電圧ロスを抑えることができる。ガスシール部(7)はガス拡散電極を通した燃料と酸化剤の混合を抑制するために形成される。 If the single gas diffusion electrode (17) is directly shared by the fuel electrode (1) and the oxidant electrode (2), it is not necessary to newly provide an electric connection part (5). It becomes easy. Moreover, since there is no contact resistance in the junction part of an electrical connection part (5) and a gas diffusion electrode (17), voltage loss can be suppressed. The gas seal portion (7) is formed in order to suppress mixing of fuel and oxidant through the gas diffusion electrode.
また、ガスシール部(7)には、隣接するアノードガス拡散電極(1a)とカソードガス拡散電極(1b)との間を接続するガスシール部通気孔(18)が設けられている。絶縁部(6)には、絶縁部(6)を介して隣接するアノードガス拡散電極(1a)とカソードガス拡散電極(1b)との間を接続する絶縁部通気孔(19)が設けられている。燃料極(1)で発生した二酸化炭素は、アノードガス拡散電極(1a)から、ガスシール部通気孔(18)又は絶縁部通気孔(19)を介して、隣接するカソードガス拡散電極(2a)へ排出される。カソードガス拡散電極(2a)へ排出された二酸化炭素は、酸化剤流路(2c)へと排出される。 The gas seal portion (7) is provided with a gas seal portion vent hole (18) for connecting between the adjacent anode gas diffusion electrode (1a) and the cathode gas diffusion electrode (1b). The insulating part (6) is provided with an insulating part vent hole (19) for connecting the anode gas diffusion electrode (1a) and the cathode gas diffusion electrode (1b) adjacent to each other through the insulating part (6). Yes. The carbon dioxide generated in the fuel electrode (1) passes from the anode gas diffusion electrode (1a) to the adjacent cathode gas diffusion electrode (2a) via the gas seal portion vent hole (18) or the insulating portion vent hole (19). Is discharged. The carbon dioxide discharged to the cathode gas diffusion electrode (2a) is discharged to the oxidant channel (2c).
本発明に依れば、燃料極で発生した二酸化炭素が効率よく排出される固体高分子型燃料電池が提供される。 According to the present invention, there is provided a polymer electrolyte fuel cell in which carbon dioxide generated at the fuel electrode is efficiently discharged.
更に本発明に依れば、平面スタック型の燃料電池において、燃料極で発生した二酸化炭素を効率よく排出することのできる固体高分子型燃料電池が提供される。 Furthermore, according to the present invention, there is provided a polymer electrolyte fuel cell capable of efficiently discharging carbon dioxide generated at the fuel electrode in a planar stack type fuel cell.
(第1の実施の形態)
以下、本発明の第1の実施の形態について、図面を用いて説明する。図1Aは、本実施の形態における固体高分子型燃料電池1の断面図である。図3は、固体高分子型燃料電池15の平面図である。図1Aに示されるように、固体高分子型燃料電池15は、複数の発電素子10、電気接続部5、絶縁部6、通気部16、酸化剤流路2c、燃料流路1c、気液分離膜4、流路板12、及びスペーサ−11を備えている。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1A is a cross-sectional view of a polymer
図1Aに示されるように、複数の発電素子10において、一の固体高分子電解質膜3が共通に用いられている。各発電素子10は、燃料極1と酸化剤極2とを有している。各発電素子10において、燃料極1と酸化剤極2とは、固体高分子電解質膜3を挟むようにして配置されている。このように配置された複数の発電素子10を、以下にMEAユニットと記載する場合がある。このようなMEAユニットが、流路板12によって挟まれることで、固体高分子型燃料電池15を構成している。
As shown in FIG. 1A, one solid
図3は、固体高分子型燃料電池15の上面図である。実際には、流路板12で覆われていて内部は見えないが、説明の便宜上、固体高分子電解質膜3の主面上における、絶縁部6、燃料極1、酸化剤極2、及び電気接続部5等の位置関係を透視させて示している。各発電素子10は矩形状である。複数の発電素子10は、長辺同士をとなり合わせて、短辺方向に並んでいる。ここで、隣り合う発電素子10では、燃料極1と酸化剤極2とが隣接するように配列されている。即ち、固体高分子電解質膜3の主面上において、燃料極1と酸化剤極2が交互となるように配置されている。このように配置された複数の発電素子10は、配列方向に直列となるように電気的に接続されている。
FIG. 3 is a top view of the polymer
図1Aに示される様に、複数の発電素子10のうち、両端に位置する発電素子10には、正極端子8及び負極端子9が接続されている。正極端子8及び負極端子9は、外部負荷(図示されていない)に接続されている。正極端子8から負極端子9へ電流が流れて、固体高分子型燃料電池15から電力が取り出される。
As shown in FIG. 1A, the
固体高分子型燃料電池15の外周部には、MEAユニットの厚さに応じた隙間が生じるが、この隙間は絶縁部6やスペーサー11によって埋められている。これにより、外部への燃料漏れが防止される。
A gap corresponding to the thickness of the MEA unit is formed in the outer peripheral portion of the polymer
図1Bは、複数の発電素子10のうち、隣接する2つの発電素子10部分を拡大して示した断面図である。燃料極1はアノードガス拡散電極1aとアノード触媒層1bとを有している。固体高分子電解質膜3上で、アノード触媒層1bとアノードガス拡散電極1aが、この順に積層している。酸化剤極2はカソードガス拡散電極2aとカソード触媒層2bとを有している。固体高分子電解質膜3上で、カソード触媒層2b、カソードガス拡散電極2aが、この順に積層している。
FIG. 1B is an enlarged cross-sectional view showing two adjacent
図1A及び図3に示されるように、隣り合う発電素子10間には、電気接続部5又は絶縁部6が設けられている。ここで、電気接続部5及び絶縁部6は、固体高分子電解質膜3の主面上で交互となるように設けられている。また、主面と裏面において、電気接続部5と絶縁部6とが固体高分子電解質膜3を介して対向するように設けられている。電気接続部5は、一の発電素子10のアノードガス拡散電極1aと、隣接する発電素子10のカソードガス拡散電極2aとを電気的に接続している。一方、絶縁部6は、燃料極1aと隣接する酸化剤極2aとを絶縁している。
As shown in FIG. 1A and FIG. 3, an
尚、固体高分子電解質膜3の裏面側でも同様に、電気接続部5又は絶縁部が、隣接する発電素子10の間に設けられている。但し、主面側の電気接続部5と対向する位置には絶縁部6が設けられ、主面側の絶縁部6に対向する位置には電気絶縁部5が設けられている。
Similarly, on the back side of the solid
このようにして、複数の発電素子10は、短辺方向に直列に接続されている。
In this way, the plurality of
絶縁部6は、隣接する燃料極1と酸化剤極2を電気的に隔離するために設けられるもので、燃料極1と酸化剤極2の間の一部又は全部を耐食性のある絶縁性の材料で仕切ることにより形成することができる。絶縁部6の厚みは、アノードガス拡散電極1aの厚みよりも薄い。アノードガス拡散電極1aに対する絶縁部6の厚さの比は、特に限定されないが、二酸化炭素が効果的に抜ければよく、0.2〜0.5の値が望ましい。また、図3に示されるように、絶縁部6は、固体高分子型燃料電池15の外周部にも設けられることもある。これにより、外部と各発電素子10との間が絶縁される。
The insulating
尚、絶縁部6は、両電極間を樹脂で仕切るのではなく、単に燃料極1と酸化剤極2の間に空隙を設けて絶縁部6としてもよい。
The insulating
図1Bを参照する。絶縁部6の厚みがアノードガス拡散電極1aの厚みよりも薄いか、あるいは空隙であることによって、絶縁部6の両側に位置するアノードガス拡散電極1aとカソードガス拡散電極2aとの間には、空隙である通気部16が形成されている。即ち、絶縁部6と固体電解質膜3との間に形成された空隙が通気部16である。絶縁部6はアノードガス拡散電極1aより薄いので、アノードガス拡散電極1aは通気部16と接続している。これにより、図1B中、矢印で示されるように、アノードガス拡散電極1aで発生した二酸化炭素が通気部16へ排出される。
Refer to FIG. 1B. Between the anode
一方、電気接続部5は、アノードガス拡散電極1aと同じ厚みであり、同じ高さに設けられている。電気接続部5と固体高分子電解質膜3との間には、アノード触媒層1bと同じ厚みを有する空間が形成されているが、アノードガス拡散電極1aに接続されてはいない。よって、特には二酸化炭素の排出には寄与していない。但し、電気接続部5の厚みを、絶縁部6と同様にアノードガス拡散電極1aよりも薄くし、その空間をアノードガス拡散電極1aと接続させてもよい。このようにすれば、一の燃料極1において、絶縁部6側と電気接続部5側との双方から二酸化炭素を排出することができる。よって、より効率よく二酸化炭素が排出される。
On the other hand, the
尚、絶縁部6として樹脂等の材料を用いた仕切りではなく、空隙とした場合には、アノードガス拡散電極1aとカソードガス拡散電極2aとの間の絶縁部6自体が通気部16となる。
In addition, when the insulating
通気部16は、発電素子10の長辺(図1B中、紙面に対して垂直方向)に延在している。そして、固体高分子型で燃料電池15の外周部において、外部と連通している。既述したように、固体高分子型燃料電池15の外周部は、絶縁部6やスペーサー11によって隙間が埋められているが、通気部16の両端に位置する部分には開口が設けられている。その開口を介して、通気部16は、長辺方向両端部にて、即ち固体高分子型燃料電池15の外周部にて、外部に連通している。
The
気液分離膜4は、図1Bに示される様に、アノードガス拡散電極1aの上(固体高分子電解質膜3の反対側)に設けられている。気液分離膜4上に燃料流路1cが接続されている。燃料流路1cは、流路板12において燃料極1上に対応する位置に設けられた凹部であり、燃料が流れるようになっている。燃料流路1cにメタノール水溶液等の液体燃料を流すと、気液分離膜4を介して燃料が気化し、気化した燃料が燃料極1に供給される。気液分離膜4としては、PTFE多孔質膜などのような撥水性の多孔質膜が好適に用いられる。
As shown in FIG. 1B, the gas-
カソードガス拡散電極2a上には酸化剤流路2cが接続されている。酸化剤流路2cは、流路板12において酸化剤極2上に位置する部分に設けられた凹部である。空気等の酸化剤ガスが酸化剤流路2cからカソードガス拡散電極2aに供給されるようになっている。
An
流路板12は、燃料極1と酸化剤極2とが交互に配置され、既述のように複数の発電素子10が平面状に直列接続されて構成されたMEAユニットを挟んでいる。また、図には示していないが、MEAユニットと流路板12の間には、燃料漏れを防止するためのシール部材が配置される場合もある。そのシール部材としては、シール性、絶縁性及び弾性を有するものが好ましく、通常はシール機能を有するゴム状素材、例えばシリコンゴム、ブチルゴム、フッ素樹脂系ゴム等のゴム素材が好適に用いられる。シール部材を設けることで、液体燃料の漏れをより効果的に防ぐことができる。MEAユニットの両側を流路板12で挟持する方法としては、流路板12の周縁部を貫通するように複数のネジで2枚の流路板12をネジ止めしたり、あるいは、流路板12とMEAユニットを接着剤等で接着する方法などが挙げられる。
The
図1Aに示される様に、スペーサー11は固体高分子型燃料電池15内に生じた隙間や、厚みのバラツキなどを吸収する目的で設けられる。材質としては、上記のシール部材と同じものを用いることができる。スペーサー11は、例えば、両端に位置する発電素子と外部との間の隙間に設けられている。
As shown in FIG. 1A, the
続いて、上述の構成部材の素材について説明する。 Then, the raw material of the above-mentioned structural member is demonstrated.
固体高分子電解質膜3としては、燃料に対する耐食性を有すると共に、水素イオン(プロトン)の伝導性が高く、かつ、電子伝導性をもたない高分子膜が好適に使用される。固体高分子電解質膜11の構成材料としては、スルホン基、リン酸基、ホスホン基、ホスフィン基等の強酸基や、カルボキシル基等の弱酸基等の極性基を有するイオン交換樹脂が好ましく、その具体例としては、パーフルオロスルホン酸系樹脂、スルホン化ポリエーテルスルホン酸系樹脂、スルホン化ポリイミド系樹脂等が挙げられる。より具体的には、例えば、スルホン化ポリ(4−フェノキシベンゾイル−1,4−フェニレン)、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリイミド、アルキルスルホン化ポリベンゾイミダゾール等の芳香族系高分子からなる固体高分子電解質膜を挙げることができる。固体高分子電解質膜の膜厚は、その材質や燃料電池の用途等に応じて、10〜300μm程度の範囲内で適宜選定可能である。
As the solid
酸化剤極2は、酸素を還元して水にする電極であり、例えば、触媒をカーボン等の担体に担持させた粒子(粉末を含む)又は担体を有さない触媒単体と、プロトン伝導体との混合物である触媒層(カソード触媒層(2b))をカーボンペーパー等のガス拡散電極上(カソードガス拡散電極2a)に塗布等で形成することにより得ることができる。その触媒としては、白金、ロジウム、パラジウム、イリジウム、オスミウム、ルテニウム、レニウム、金、銀、ニッケル、コバルト、モリブデン、ランタン、ストロンチウム、イットリウム等が挙げられる。触媒は、1種のみでも、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。触媒を担持する粒子としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等の炭素系材料が例示される。粒子の大きさは、例えば炭素系材料が粒状物であるときには、0.01〜0.1μm程度の範囲内、好ましくは0.02〜0.06μm程度の範囲内で適宜選定される。粒子に触媒を担持させるには、例えばコロイド法を適用することができる。
The
燃料極1は、メタノールと水から水素イオンと二酸化炭素と電子を生成する電極であり、上記の酸化剤極2と同様に触媒層(アノード触媒層1b)と、ガス拡散電極(アノードガス拡散電極1a)とを有している。アノード及びカソードの単位面積当たりの触媒量は、触媒の種類や大きさ等に応じて、1mg/cm2 〜20mg/cm2 程度の範囲内で適宜選定可能である。
The
ガス拡散電極1a,2aとしては、カーボンペーパー、カーボンの成形体、カーボンの焼結体、焼結金属、発泡金属等、導電性を有する多孔質体を用いることができ、厚さ100μm〜300μm、気孔率40%〜90%のものが好適に用いられる。
As the
電気接続部5は導電性が高く、耐食性があり、ガスシール性を有している材料が用いられる。例えば、ステンレスや貴金属などが好適に用いられる。
The
絶縁部6や流路板12としては、耐食性のある絶縁性の材料が用いられる。例えば、ポリプロピレン、ポリエチレンなどのポリオレフィン、ポリカーボネート、ポリ塩化ビニル、ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルフォン、シリコーンなどの樹脂、あるいは、シリカやアルミナなどのセラミックスが挙げられる。
As the insulating
燃料流路1cから供給される液体燃料としてはメタノールと水の混合水溶液が一般的に用いられる。また、酸化剤流路2cから供給される酸化剤としては空気が一般的に使用される。液体燃料や酸化剤の供給はポンプやブロワーなどの補機を用いて行うことができる。燃料流路1cや酸化剤流路2cは、複数の発電素子10を直列に接続するように形成してもよいし、複数の流路に分岐して各発電素子へ流れるように並列に形成してもよい。また、補機は使用せずに、酸化剤流路2cを全面あるいは部分的に大気に開放して空気を取り入れてもよい。また、燃料流路1cには、ウィッキング材と呼ばれる燃料保持材を用いて毛細管現象によりメタノール水溶液を燃料極1に供給することもできる。その燃料保持材としては、例えば、親水性ウレタン発泡材や親水性ガラス繊維等の親水性の発泡材料や多孔質材料が好適に用いられる。
As the liquid fuel supplied from the
電気接続部5は、燃料極1と酸化剤極2のガス拡散電極同士を耐食性を有する金属材料で接合する事で形成することができる。このようにして、燃料極1と酸化剤極2との間が、ガスシール性を有しつつも、電気的に接続させることができる。
The
一方、絶縁部6は、MEAユニット作製後に隣接する燃料極1と酸化剤極2のガス拡散電極の隙間とその周囲にそのガス拡散電極よりも厚さが薄い樹脂やセラミックからなる絶縁板やシール部材を接着したり、熱接合することにより形成することができる。あるいは、上述の絶縁板やシール部材を流路板12に気液分離膜4とともに予め接合し、MEAユニットをこの流路板12で挟持することによっても、通気部16を備えた同様な構造を形成することが可能である。
On the other hand, the insulating
続いて、本実施の形態に係る固体高分子型燃料電池15における、二酸化炭素の排出経路について説明する。
Next, a carbon dioxide discharge path in the polymer
図1Bにおける矢印は、燃料極1で発生した二酸化炭素の流れを示している。既述のように、燃料極1では、発電時において二酸化炭素が発生する。発生した二酸化炭素は、アノードガス拡散電極1aの側部から通気部16へ排出される。通気部16へ導かれた二酸化炭素は、図3に矢印で示されるように、長辺方向側両端部において外部へ排出される。
The arrows in FIG. 1B indicate the flow of carbon dioxide generated at the
本発明のように同一平面上に燃料極と酸化剤極を交互に配列して直列接続させるタイプの燃料電池スタック構造では、例えば、気体燃料として水素ガスのような燃料を用いた場合、燃料ガスのリークを防止するために隣接する燃料極と酸化剤極との間には高いシール性能が要求される。又、液体燃料を直接燃料極に供給する場合も、燃料漏れが起こらないようにするために完全にシールされていることが望まれる。 In the fuel cell stack structure of the type in which fuel electrodes and oxidant electrodes are alternately arranged on the same plane as in the present invention and connected in series, for example, when a fuel such as hydrogen gas is used as the gaseous fuel, the fuel gas In order to prevent leakage, high sealing performance is required between the adjacent fuel electrode and oxidant electrode. Also, when liquid fuel is supplied directly to the fuel electrode, it is desired that the liquid fuel be completely sealed in order to prevent fuel leakage.
これに対し、本願発明では、反応生成物である二酸化炭素を外部へ放出するために、敢えてシールを部分的になくした構造にしている。気化燃料のリークは生じるが、その量はわずかであり、それよりも二酸化炭素を排出させる手段を設ける方が燃料電池スタックの電池性能を向上させることができる。 On the other hand, in this invention, in order to discharge | release the carbon dioxide which is a reaction product to the exterior, it is made the structure which dared to remove the seal partially. Although the vaporized fuel leaks, the amount thereof is small, and it is possible to improve the cell performance of the fuel cell stack by providing a means for discharging carbon dioxide.
以上述べたように、本実施の形態によれば、メタノール水溶液を気化して供給する平面スタック型の燃料電池において、気液分離膜と固体高分子電解質膜との間に通気部16を備えることで、燃料極で発生した二酸化炭素の排出が効率的に行われ、気液分離膜を介した液体燃料の気化供給がスムーズに行われるため、長時間安定した高出力発電を維持することができる。
As described above, according to the present embodiment, in the planar stack type fuel cell that vaporizes and supplies the methanol aqueous solution, the
また、二酸化炭素を排出するために、MEAユニットに対して流路構造を外付けしていないので、新たな容積を取らない。よって、燃料電池の小型化の要求に対しても有利である。 Moreover, since the flow path structure is not externally attached to the MEA unit in order to discharge carbon dioxide, a new volume is not taken. Therefore, it is advantageous also for the demand for miniaturization of the fuel cell.
(第2の実施形態)
図2Aは、第2の実施形態における固体高分子型燃料電池の断面図である。図2Bは、図2Aにおいて、隣接する2つの発電素子の部分を拡大した断面図である。本実施の形態では、第1の実施形態と比較して、アノードガス拡散電極1a、カソードガス拡散電極2aの広さが工夫されている。尚、構成の詳細な説明にあたり、第1の実施形態と同様の構成については説明が省略される。
(Second Embodiment)
FIG. 2A is a cross-sectional view of a polymer electrolyte fuel cell according to a second embodiment. FIG. 2B is an enlarged cross-sectional view of two adjacent power generation elements in FIG. 2A. In the present embodiment, the sizes of the anode
アノードガス拡散電極1aは、アノード触媒層1bよりも広く形成されている。同様に、カソードガス拡散電極2aも、カソード触媒層2bよりも広く形成されている。このようにして、アノードガス拡散電極1aがアノード触媒層1bから若干はみ出している。同様に、カソードガス拡散電極2aもカソード触媒層2bから若干はみ出している。
The anode
絶縁部6の厚みはアノードガス拡散電極1aの厚みと同じであり、アノードガス拡散電極1aと同じ高さに設けられている。絶縁部6は樹脂等の材料で形成されている。
The thickness of the insulating
上述のような構成により、絶縁部6と固体高分子電解質膜3との間には、アノード触媒層1bの厚さと同じ厚さの空隙が通気部16として形成される。同様に、電気接続部5と固体高分子電解質膜3との間にも空隙が生じ、通気部16を形成している。通気部16は、アノードガス拡散電極1aがアノード触媒層1bからはみ出した部分の下部(固体高分子電解質膜3側)で、アノードガス拡散電極1aに接続されている。尚、通気部16は第1の実施形態と同様に、発電素子10の長辺方向両端部において外部と連通している。
With the configuration as described above, a gap having the same thickness as the
続いて、本実施の形態における二酸化炭素の排出経路について説明する。図2B中、矢印は二酸化炭素の流れの方向を示している。燃料極1で発生した二酸化炭素は、アノードガス拡散電極1aにおいて、はみ出した部分の下部(固体高分子電解質膜3側)から通気部16へ排出される。通気部16へ排出された二酸化炭素は、第1の実施形態と同様に、長辺方向の両端部(固体高分子型燃料電池15の外周部)から外部に排出される。
Next, the carbon dioxide emission route in the present embodiment will be described. In FIG. 2B, arrows indicate the direction of carbon dioxide flow. Carbon dioxide generated at the
本実施の形態に依れば、第1の実施形態と同様に、燃料極で発生した二酸化炭素を燃料流路側に戻さずに燃料電池外部へスムーズに排出することができる。尚、アノードガス拡散電極1aに対するアノード触媒層1bの面積比は80%〜95%が好ましい。このような範囲とすることで、よりスムーズに二酸化炭素を外部へ排出することができる。
According to the present embodiment, similarly to the first embodiment, carbon dioxide generated at the fuel electrode can be smoothly discharged outside the fuel cell without returning to the fuel flow path side. The area ratio of the
(第3の実施形態)
図4A、B、図5に、第3の実施形態における固体高分子型燃料電池15の構成を示す。図5は、固体高分子電解質膜3の主面上での各構成の配置を説明する図である。図4Aは図5のA−A´断面図である。図4Bは、図4Aにおいて隣接する2つの発電素子10の部分を拡大した図である。本実施の形態においては、第1の実施形態に対して、(1)アノードガス拡散電極1a及びカソードガス拡散電極2aが単一の部材(ガス拡散電極17)を共有した構造である点、(2)絶縁部6及び電気接続部5(ガスシール部7)に通気孔が設けられている点、について工夫がなされている。以下にこれらの構成の詳細を説明する。尚、第1の実施形態と同様の構成については、説明を省略する場合がある。
(Third embodiment)
4A, B, and 5 show the configuration of the polymer
図4Aに示されるように、一の発電素子10のアノードガス拡散電極1aは、隣接する他の一の発電素子10のカソードガス拡散電極2aと同一の部材であるガス拡散電極17により形成されている。即ち、一のガス拡散電極17が、2つの発電素子10で共通に用いられている。
As shown in FIG. 4A, the anode
ガス拡散電極17の中央部には、ガスシール部7が設けられている。ここで、ガスシール部7は、第1の実施形態における電気接続部5に対応する位置に設けられている。ガス拡散電極17は、ガスシール部7によってアノードガス拡散電極1aとカソードガス拡散電極2aとに分割されている。即ち、本実施の形態ではガスシール部7が電気接続部5となっている。ガスシール部7は、ガスシール性を有し、燃料と酸化剤の混合を抑制する。ガスシール部7は、ガスシール性を有しているが、絶縁性は有さず、アノードガス拡散電極1aとカソードガス拡散電極2aとは電気的に接続されている。
A
ガスシール部7は、熱硬化性のシール剤をガス拡散電極17に塗布することにより形成することができる。そのシール剤としては、例えば、シリコーン系やオレフィン系のものが好適に用いることができる。又は、金や白金のような耐食性を有する金属微粒子からなる導電性ペーストをガス拡散電極に塗布して焼結させることにより形成してもよい。
The
ところで、図5に示されるように、ガスシール部7は、隣接する発電素子10間で、長辺方向の略全体を埋めるように形成されているが、一部ではガスシール部7が設けられていない。ガスシール部7が設けられていない部分は、ガスシール部通気孔18として、アノードガス拡散電極1aと、隣接するカソードガス拡散電極2aとをつないでいる。
Incidentally, as shown in FIG. 5, the
尚、固体高分子型燃料電池15の外周部は、スペーサー11及び絶縁部6が配置されており、内部を密閉している。
In addition, the
図4A、図4Bに示されるように、絶縁部6は、隣り合うガス拡散電極17の間に設けられている。絶縁部6は、ガスシール部7と同様に、発電素子10の長辺方向の略全体に渉って設けられている。但し、一部では絶縁部6が設けられておらず、空隙となっている。この空隙部分が絶縁部通気孔19である。絶縁部通気孔19によって、一の燃料極1と隣接する酸化剤極2との間が通気可能となっている。
As shown in FIGS. 4A and 4B, the insulating
絶縁部通気孔19が設けられた絶縁部6は、MEAユニットの燃料極1及び酸化剤極2と同じ厚さで部分的に切り抜いた樹脂やセラミックからなる絶縁板やシール部材を、隣接する燃料極1と酸化剤極2の間に挿入することで形成することができる。あるいは、燃料極1と酸化剤極2の間に熱硬化性のシール剤を部分的に隙間を空けて塗布し熱硬化させることにより形成させてもよい。
The insulating
尚、絶縁部6が空隙である場合には、絶縁部6全体が絶縁部通気孔19として作用し、一の燃料電池1と隣接する酸化剤極2との間が通気可能となる。
When the insulating
続いて、本実施の形態における二酸化炭素の排出経路について説明する。本実施の形態では、絶縁部通気孔19、ガスシール部通気孔18、及びカソードガス拡散電極2aとが通気部16として作用する。
Next, the carbon dioxide emission route in the present embodiment will be described. In the present embodiment, the insulating
図5の矢印は、燃料極1で発生した二酸化炭素の流れを示している。本実施の形態に依れば、絶縁部6に少なくとも1個以上の絶縁部通気孔19を設け、且つ、ガスシール部7に少なくとも1個以上のガスシール部通気孔18を設けることにより、燃料極1で発生した二酸化炭素がこれらの通気孔18、19を介して隣接するカソードガス拡散電極2aへ排出される。
The arrows in FIG. 5 indicate the flow of carbon dioxide generated at the
図4Bにおいても同様に二酸化炭素の流れが矢印で示されている。但し、図4Bは、ガスシール部7及び絶縁部6を通る断面であるので、実際にはこの断面において二酸化炭素は移動しない。ガスシール部通気孔18及び絶縁部通気孔19を介して移動する二酸化炭素を概念的に透視させて示している。図4Bに示される様に、カソードガス拡散電極2aへ排出された二酸化炭素は、酸化剤流路2cに排出される。このようにして、燃料極で発生した二酸化炭素は、酸化剤流路2cへ排出される。
Similarly, in FIG. 4B, the flow of carbon dioxide is indicated by arrows. However, since FIG. 4B is a cross section passing through the
即ち本実施の形態においては、ガスシール部通気孔18、絶縁部通気孔19、及びカソードガス拡散電極2aが通気部16として作用する。
That is, in this embodiment, the gas seal
本実施の形態に依れば、第1、第2の実施の形態と同様に、燃料極と酸化剤極とが同一面上で交互に配置された平面スタック型の燃料電池において、二酸化炭素を効率良く排出することができる。 According to the present embodiment, as in the first and second embodiments, in the planar stack type fuel cell in which the fuel electrode and the oxidant electrode are alternately arranged on the same plane, carbon dioxide is used. It can be discharged efficiently.
更に、本実施の形態に依れば、通気部16が外気と通じていないため、燃料電池の保管中に外気が燃料電池内部に進入するのを防ぎ、保管時における電極の劣化やドライアップによる電池性能の劣化を抑制することができる。
Furthermore, according to the present embodiment, since the
尚、酸化剤ガスには排出された二酸化炭素が混入することになるが、発生する二酸化炭素に比べて酸化剤ガスの流量を十分に大きくすることで、二酸化炭素の混入による電池性能の劣化を抑制できる。ガスシール部通気孔18や絶縁部通気孔19の個数や大きさは特に限定されないが、少なくとも二酸化炭素が効果的に排出される個数と大きさであればよい。発電素子10の長辺方向の長さに対して、ガスシール部通気孔18及び絶縁部通気孔19が設けられた部分の長さが、10%〜50%の範囲であると、二酸化炭素がより効果的に排出される。
In addition, the discharged carbon dioxide is mixed in the oxidant gas. However, by sufficiently increasing the flow rate of the oxidant gas compared to the generated carbon dioxide, the deterioration of the battery performance due to the mixed carbon dioxide is prevented. Can be suppressed. The number and size of the gas seal portion vent holes 18 and the insulating portion vent holes 19 are not particularly limited as long as at least the number and size of carbon dioxide are effectively discharged. When the length of the portion where the gas seal
更に、燃料容器の内圧上昇による燃料の漏出を防ぐことができるため、燃料電池スタックの性能や寿命の低下が抑えられ、高い信頼性の燃料電池を提供することが可能となる。 Furthermore, since fuel leakage due to an increase in the internal pressure of the fuel container can be prevented, a decrease in performance and life of the fuel cell stack can be suppressed, and a highly reliable fuel cell can be provided.
更に、通気孔を介して隣り合う燃料極1と酸化剤極2が連通しているので、酸化剤極2で発生した水蒸気が燃料極1側に供給される。燃料極1が加湿されるため、より安定的な発電が可能となる。
Further, since the
更に、アノードガス拡散電極1aとカソードガス拡散電極2aとが、一の部材であるガス拡散電極17を共有しているので、新たに電気接続部を追加する工程を必要としない。よって、製造工程を簡略化することができる。また、電気接続部5とガス拡散電極との接合部における接触抵抗がないために、電圧ロスを押さえることができる。
Furthermore, since the anode
(第4の実施形態)
図6Aは、第4の実施形態における固体高分子型燃料電池15の断面図である。本実施の形態では、第3の実施形態に対して、絶縁部6及びガスシール部7に通気孔が無く連続である点、燃料極1と気液分離膜4の間に多孔質体14が挿入されている点で異なっている。その他の構成は第3の実施形態と同様であり、説明は省略される。
(Fourth embodiment)
FIG. 6A is a cross-sectional view of the polymer
図6Bは、図6Aにおいて、2つの発電素子10に関する部分を拡大した断面図である。ガスシール部7の上には多孔質体14が配置されている。ガスシール部7上に設けられた多孔質体14は、一端で酸化剤流路2cに接続されている。一方、絶縁部6の上(固体高分子電解質膜3の反対側)にも多孔質体14が配置されている。ガスシール部7上に設けられた多孔質体14と、絶縁部6上に設けられた多孔質体14との上に気液分離膜4が設けられている。気液分離膜4と、アノードガス拡散電極1aとの間には、多孔質体14の厚さほどの間隙20が生じている。気液分離膜4の上には燃料流路1cが設けられている。即ち、多孔質体14は、酸化剤流路2cの逆側で間隙20に接続されている。
6B is an enlarged cross-sectional view of a portion related to the two
図6Bにおいて、矢印は燃料極1で発生した二酸化炭素の流れを示している。ガス拡散電極17の燃料極1側(アノードガス拡散電極1a)で発生した二酸化炭素は、上側(気液分離膜4側)から間隙20に排出される。間隙20に排出された二酸化炭素は、側部から多孔質体14を介して酸化剤流路2cへと排出される。即ち、本実施の形態においては、間隙20及び多孔質体14が通気部16として作用している。
In FIG. 6B, the arrows indicate the flow of carbon dioxide generated at the
多孔質体14は、各発電素子10のアノードガス拡散電極1aの平面方向外周部を取り囲むように、気液分離膜4と絶縁部6及び気液分離膜4とガスシール部7の間に挿入することができる。
The
多孔質体14としては、撥水性であって、孔径1〜10μm、気孔率40%〜80%の範囲であるものが望ましい。多孔質体14の厚みは、孔径によって異なるが、二酸化炭素がスムーズに透過する厚みであればよく、実用性の観点から0.1〜1mmの範囲が望ましい。
The
尚、多孔質体14はガスシール部7上のみに設けてもよい。この場合、燃料電池の保管中に外気が燃料電池内部に進入するのが防止され、保管時における電極の劣化やドライアップによる電池性能の劣化を抑制することができる。
The
本実施の形態に依れば、第3の実施形態と同様に、燃料極1で発生した二酸化炭素を効率よく排出することができる。又、燃料極1と酸化剤極2は多孔質体14を通して連通しているので、発電反応で酸化剤極2で発生した水蒸気が多孔質体14を通して燃料極1側に拡散し供給される。よって、発電中に燃料極1が常に加湿された状態となり、より安定的な発電が可能となる。
According to the present embodiment, the carbon dioxide generated at the
また、燃料極1で発生した二酸化炭素は酸化剤流路1cへと抜けるため、ガスシール部7や絶縁部6に通気孔を設ける必要はない。したがって、絶縁部6は、MEAユニットの燃料極1及び酸化剤極2と同じ厚さで、連続した樹脂板やシール部材を隣接する燃料極1と酸化剤極2の間に挿入することで形成することができる。あるいは、燃料極1と酸化剤極2の間に熱硬化性のシール剤を充填して熱硬化させることにより形成させることができる。ガスシール部7や絶縁部6に通気孔を設ける必要が無いので、製造工程が簡略化される上に、第3の実施形態と同様の二酸化炭素排出効果を得ることが出きる。
In addition, since carbon dioxide generated in the
尚、第1〜第4の実施形態においてなされた工夫は、夫々独立したものである必要はなく、必要に応じて複数の形態を組み合わせて使用することでも、同様の効果を奏することができる。 In addition, the device made | formed in the 1st-4th embodiment does not need to be an independent thing, respectively, The same effect can be show | played by combining and using a some form as needed.
以下、本発明の実施例について、図面を用いて具体的に説明する。 Examples of the present invention will be specifically described below with reference to the drawings.
(実施例)
実施例で用いた燃料電池スタックの構造について以下に説明する。燃料電池スタックの構造は、図6で示した構造と同じである。ガス拡散電極としては、厚さが約0.3mmのカーボンペーパー(東レ社製)を使用し、長さ90mmで幅15mm(電極A)と長さ90mmで幅32mm(電極B)の2種類の長方形状のものを用意した。また、電極Bの短辺の中央には長さ90mm、幅2mmで電極の長辺に平行に熱硬化性のオレフィン系シール剤をガス拡散電極内部に充填し熱硬化させることにより、ガスシール部7を形成した。
(Example)
The structure of the fuel cell stack used in the examples will be described below. The structure of the fuel cell stack is the same as that shown in FIG. As the gas diffusion electrode, carbon paper (manufactured by Toray Industries, Inc.) having a thickness of about 0.3 mm is used, and two types of a length of 90 mm, a width of 15 mm (electrode A), and a length of 90 mm and a width of 32 mm (electrode B) are used. A rectangular shape was prepared. In addition, a gas seal portion is obtained by filling the inside of the gas diffusion electrode with a thermosetting olefin-based sealant in the center of the short side of the electrode B and having a length of 90 mm and a width of 2 mm in parallel with the long side of the electrode. 7 was formed.
2枚の電極Aに対して、それぞれ、アノード触媒層とカソード触媒層を形成した。電極Bに対しては、ガスシール部で仕切られる一方の面にアノード触媒層を、他方の面にカソード触媒層を形成したものを計4枚用意した。カソード触媒層及びアノード触媒層は以下のように作製した。なお、カソード触媒層に用いられる触媒はアノード触媒層に用いられる触媒と同一のものを使用してもよい。 An anode catalyst layer and a cathode catalyst layer were formed on the two electrodes A, respectively. For the electrode B, a total of four electrodes were prepared in which the anode catalyst layer was formed on one surface partitioned by the gas seal portion and the cathode catalyst layer was formed on the other surface. The cathode catalyst layer and the anode catalyst layer were produced as follows. The catalyst used for the cathode catalyst layer may be the same as the catalyst used for the anode catalyst layer.
炭素粒子(ライオン社製のケッチェンブラックEC600JD)に粒子径が3〜5nmの範囲内にある白金微粒子を重量比で50%担持させた触媒担持炭素微粒子を用意し、この触媒担持炭素微粒子1gにデュポン社製の5重量%ナフィオン溶液(商品名;DE521、「ナフィオン」はデュポン社の登録商標)を加え、攪拌して、カソード形成用の触媒ペーストを得る。一方、白金微粒子に代えて粒子径が3〜5nmの範囲内にある白金(Pt)−ルテニウム(Ru)合金微粒子(Ruの割合は50at%)を用いた以外は上記カソード形成用の触媒ペーストと同じ条件にしてアノード形成用の触媒ペーストを得る。カソード形成用の触媒ペーストを1〜8mg/cm2の塗工量で上記ガス拡散電極上に塗布し、乾燥させてカソード触媒層を形成した。アノード触媒層はアノード形成用の触媒ペーストを用いて、同様にして形成した。 Catalyst-supported carbon fine particles prepared by supporting 50% by weight of platinum fine particles having a particle diameter in the range of 3 to 5 nm on carbon particles (Ketjen Black EC600JD manufactured by Lion Corporation) were prepared. A 5 wt% Nafion solution manufactured by DuPont (trade name; DE521, “Nafion” is a registered trademark of DuPont) is added and stirred to obtain a catalyst paste for cathode formation. On the other hand, except for using platinum (Pt) -ruthenium (Ru) alloy fine particles (Ru ratio is 50 at%) having a particle diameter in the range of 3 to 5 nm instead of platinum fine particles, A catalyst paste for anode formation is obtained under the same conditions. A cathode forming catalyst paste was applied onto the gas diffusion electrode at a coating amount of 1 to 8 mg / cm 2 and dried to form a cathode catalyst layer. The anode catalyst layer was formed in the same manner using a catalyst paste for anode formation.
次に、デュポン社製のナフィオン117(数平均分子量は250000)からなる10cm×10cm×厚さ180μmの膜を固体高分子電解質膜3として用い、この膜の一方の面に、アノード(カソード)触媒層を形成した電極A1枚と電極B2枚のうち電極Aが右端(左端)に配され、且つ、各電極が長辺を平行にして2mm間隔で燃料極と酸化剤極が交互になるように配した。他方の面は、カソード(アノード)触媒層を形成した電極A1枚と電極B2枚を、上記配置を膜面に平行に180度回転させた配置となるように各電極を配した。これにより電極Aは膜に対向する形でMEAユニットの両端に位置し、電極Aと電極Bの燃料極と酸化剤極が交互に配置され、5つの発電素子が直列接続した構成とすることができる。電極上に形成された触媒層の面を固体高分子電解質膜に向けて、上記配置で電極の外側からホットプレスすることにより、燃料極1及び酸化剤極2が固体高分子電解質膜3に接合され、MEA(電極−電解質膜接合体)ユニットを得た。
Next, a 10 cm × 10 cm × 180 μm-thick membrane made of Nafion 117 (number average molecular weight 250,000) manufactured by DuPont was used as the solid
MEAユニットの電極Aと電極Bの隙間に厚さ0.3mm、幅2mm、長さ90mmのシリコンゴムを挿入し、絶縁部6を構成した。又、流路の深さ1mm、幅15mm、長さ90mm、流路の間隔2mmの流路板12の燃料流路に、シリコーン系の接着剤を用いて、気液分離膜4(厚み30μm、気孔率80%、孔径1μm)を接着した。次に、MEAユニットの両面に、長さ90mm、幅2mmの撥水処理を施したアクリル共重合体からなる多孔質膜(厚さ0.15mm、孔径5μm、気孔率50%)を絶縁部6とガスシール部7に重なるように配し、MEAユニットの周縁部にはスペーサーとしてシリコンゴムを配し、前記流路板12を気液分離膜4と燃料極1が接するようにMEAユニットの両側から挟持して、流路板の周縁部をねじ止めすることにより、所望の燃料電池スタックを得た。
Silicon rubber having a thickness of 0.3 mm, a width of 2 mm, and a length of 90 mm was inserted into the gap between the electrodes A and B of the MEA unit to constitute the insulating
(比較例)
二酸化炭素を抜くための多孔質膜4を設けなかった他は、実施例1と同様にして比較例1の燃料電池スタックを構成した。
(Comparative example)
A fuel cell stack of Comparative Example 1 was configured in the same manner as Example 1 except that the
図7に、実施例1および比較例1の燃料電池スタックについて、125mA/cm2で発電させたときの電圧の経時変化を示す。液体燃料は10vol%メタノール水溶液100mLをポンプを用いて30mL/minの流量で供給し、酸化剤はブロワーを用いて600mL/min程度の流量で空気を供給した。このとき、燃料流路1c及び酸化剤流路2cは各流路をそれぞれ直列に接続した。
FIG. 7 shows changes with time in voltage when the fuel cell stacks of Example 1 and Comparative Example 1 are generated at 125 mA / cm 2 . The liquid fuel was supplied with 100 mL of a 10 vol% aqueous methanol solution at a flow rate of 30 mL / min using a pump, and the oxidant was supplied with air at a flow rate of about 600 mL / min using a blower. At this time, the
実施例に関しては、60分程度の経過時間においても電圧低下は見られないのに対し、比較例では数分以内で発電が停止している。また、実施例では燃料流路側に二酸化炭素の流入は見られなかったが、比較例では燃料流路への二酸化炭素の流入が確認された。この結果は、ガス透過層として多孔質体を燃料極と気液分離膜の間に挿入することで、発電によって生成した二酸化炭素が、酸化剤流路側に抜けていることを示している。したがって、燃料極への燃料供給が妨げられることがないため、長時間にわたって高出力な発電を長時間維持することが可能となったものと思われる。 In the example, no voltage drop is observed even in an elapsed time of about 60 minutes, whereas in the comparative example, power generation is stopped within a few minutes. In the example, no inflow of carbon dioxide was observed on the fuel flow path side, but in the comparative example, inflow of carbon dioxide into the fuel flow path was confirmed. This result shows that carbon dioxide generated by power generation is released to the oxidant flow path side by inserting a porous body as a gas permeable layer between the fuel electrode and the gas-liquid separation membrane. Therefore, the fuel supply to the fuel electrode is not hindered, and it seems that high power generation can be maintained for a long time for a long time.
それに対して、比較例では、5分程度の発電時間で急激な電圧低下が発生し、発電不能となった。これは、燃料極で発生した二酸化炭素ガスによって燃料極への燃料供給が妨げられたことが原因と思われる。 On the other hand, in the comparative example, a rapid voltage drop occurred in a power generation time of about 5 minutes, and power generation became impossible. This is probably because the carbon dioxide gas generated at the fuel electrode hinders the fuel supply to the fuel electrode.
なお、実施例1において図6に表される燃料電池スタック構造における本発明の効果について例示したが、図1〜図5に表される構造でも同様な特性を示すことが確認された。 In addition, in Example 1, although it illustrated about the effect of this invention in the fuel cell stack structure represented by FIG. 6, it was confirmed that the structure represented by FIGS. 1-5 also shows the same characteristic.
1 燃料極(アノード)
1a アノードガス拡散電極
1b アノード触媒層
1c 燃料流路
2 酸化剤極(カソード)
2a カソードガス拡散電極
2b カソード触媒層
2c 酸化剤流路
3 固体高分子電解質膜
4 気液分離膜
5 電気接続部
6 絶縁部
7 ガスシール部
8 正極端子
9 負極端子
10 発電素子
11 スペーサー
12 流路板
14 多孔質体
15 固体高分子型燃料電池
16 通気部
17 ガス拡散電極
18 ガスシール部通気孔
19 絶縁部通気孔
20 間隙
1 Fuel electrode (anode)
1a Anode
2a Cathode
Claims (10)
電気接続部と、
絶縁部と、
通気部と、
を具備し、
前記複数の発電素子は、共通の固体高分子電解質膜を有し、
前記複数の発電素子の各々は、更に、燃料極と、酸化剤極とを有し、
前記各発電素子において、燃料極と酸化剤極とは、前記固体高分子電解質膜を挟むようにして配置され、
前記複数の発電素子は、前記固体高分子電解質膜の主面上で燃料極と酸化剤極とが交互に並ぶように配置され、
前記固体高分子電解質膜の主面上において、隣接する燃料極と酸化剤極との間には、前記電気接続部又は前記絶縁部が交互となるように設けられ、
前記固体高分子電解質膜の裏面上において、前記主面上の燃料極に対向する位置には酸化剤極が配置され、前記主面上の酸化剤極に対向する位置には燃料極が配置され、
前記主面上の電気接続部に対向する位置には絶縁部が配置され、前記主面上の絶縁部に対向する位置には電気接続部が配置され、
前記電気接続部は、隣接する燃料極と酸化剤極との間を電気的に接続し、
前記絶縁部は、隣接する燃料極と酸化剤極との間を絶縁し、
前記複数の発電素子は直列に電気接続されており、
前記酸化剤極は、酸化剤ガスが流れる酸化剤流路に接続され、
前記通気部は、前記燃料極で発生した二酸化炭素を、前記複数の発電素子の平面方向側外周部から外部へ排出するか、又は、隣接する酸化剤極に接続された前記酸化剤流路に排出するように設けられていて、
前記燃料極は、前記固体高分子電解質膜上に密接するアノード触媒層と、前記アノード触媒層上に設けられたアノードガス拡散電極と、を有し、
前記酸化剤極は、前記固体高分子電解質膜上に密接するカソード触媒層と、前記カソード触媒層上に設けられたカソードガス拡散電極と、を有し、
前記通気部は、前記燃料極と前記酸化剤極とで形成された空隙であり、
前記通気部は、前記アノードガス拡散電極に接続され、
前記通気部は、前記複数の発電素子の平面方向外周部で外部に連通し、
前記燃料極で発生した二酸化炭素は、前記アノードガス拡散電極から前記通気部を介して外部へ排出される
固体高分子型燃料電池。 A plurality of power generation elements;
An electrical connection;
An insulating part;
A vent,
Comprising
The plurality of power generation elements have a common solid polymer electrolyte membrane,
Each of the plurality of power generation elements further includes a fuel electrode and an oxidant electrode,
In each of the power generating elements, the fuel electrode and the oxidant electrode are arranged so as to sandwich the solid polymer electrolyte membrane,
The plurality of power generation elements are arranged such that fuel electrodes and oxidant electrodes are alternately arranged on the main surface of the solid polymer electrolyte membrane,
On the main surface of the solid polymer electrolyte membrane, between the adjacent fuel electrode and oxidant electrode, the electrical connection portion or the insulating portion is provided alternately,
On the back surface of the solid polymer electrolyte membrane, an oxidant electrode is disposed at a position facing the fuel electrode on the main surface, and a fuel electrode is disposed at a position facing the oxidant electrode on the main surface. ,
An insulating part is disposed at a position facing the electrical connection part on the main surface, and an electrical connection part is disposed at a position facing the insulating part on the main surface,
The electrical connection portion electrically connects between an adjacent fuel electrode and an oxidant electrode,
The insulating part insulates between an adjacent fuel electrode and an oxidant electrode,
The plurality of power generation elements are electrically connected in series,
The oxidant electrode is connected to an oxidant flow path through which an oxidant gas flows,
The vent portion discharges carbon dioxide generated in the fuel electrode from the outer peripheral portion in the plane direction of the plurality of power generation elements to the outside, or enters the oxidant flow path connected to the adjacent oxidant electrode. It is provided to discharge,
The fuel electrode has an anode catalyst layer in close contact with the solid polymer electrolyte membrane, and an anode gas diffusion electrode provided on the anode catalyst layer,
The oxidant electrode has a cathode catalyst layer in close contact with the solid polymer electrolyte membrane, and a cathode gas diffusion electrode provided on the cathode catalyst layer,
The ventilation portion is a gap formed by the fuel electrode and the oxidant electrode ,
The vent is connected to the anode gas diffusion electrode;
The ventilation portion communicates with the outside at a planar outer peripheral portion of the plurality of power generation elements,
The carbon dioxide generated in the fuel electrode is discharged from the anode gas diffusion electrode to the outside through the ventilation part.
前記アノードガス拡散電極は、前記アノード触媒層の全面を覆い、
前記アノードガス拡散電極は、前記アノード触媒層より平面方向に広く、
前記通気部は、前記アノードガス拡散電極が前記アノード触媒層からはみ出した部分の下に形成された空隙を含み、
前記燃料極で発生した二酸化炭素は、前記アノードガス拡散電極において前記アノード触媒層からはみ出た部分の下部から前記通気部を介して外部へ排出される
固体高分子型燃料電池。 The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1,
The anode gas diffusion electrode covers the entire surface of the anode catalyst layer,
The anode gas diffusion electrode is wider in the plane direction than the anode catalyst layer,
The vent includes a void formed under a portion where the anode gas diffusion electrode protrudes from the anode catalyst layer,
The carbon dioxide generated in the fuel electrode is discharged from the lower part of the anode gas diffusion electrode that protrudes from the anode catalyst layer to the outside through the vent.
更に、
多孔質体と、
気液分離膜と、
燃料流路と、
を具備し、
前記多孔質体は、前記電気接続部及び前記絶縁部の上に設けられ、
前記気液分離膜は、2つの多孔質体の上から、前記燃料極を空隙を介して覆うように設けられ、
前記燃料流路は、前記気液分離膜の前記燃料極とは反対側の面に接続されるように設けられ、
前記気液分離膜と前記燃料極との間に形成された空隙は、前記多孔質体を介して、隣接する前記酸化剤極に接続された前記酸化剤流路と連通し、
前記燃料極で発生した二酸化炭素は、前記気液分離膜との間に形成された空隙と、前記多孔質体と、を介して前記酸化剤流路へ排出される
固体高分子型燃料電池。 A polymer electrolyte fuel cell according to claim 1 or 2,
Furthermore,
A porous body;
A gas-liquid separation membrane;
A fuel flow path;
Comprising
The porous body is provided on the electrical connecting portion and the insulating portion,
The gas-liquid separation membrane is provided from above the two porous bodies so as to cover the fuel electrode via a gap,
The fuel flow path is provided to be connected to a surface of the gas-liquid separation membrane opposite to the fuel electrode,
A void formed between the gas-liquid separation membrane and the fuel electrode communicates with the oxidant flow path connected to the adjacent oxidant electrode via the porous body,
Carbon dioxide generated in the fuel electrode is discharged to the oxidant flow path through a void formed between the gas-liquid separation membrane and the porous body.
前記電気接続部は、気体が通過不可能な非多孔質の導電性材料で構成され、
前記電気接続部は、前記アノードガス拡散電極及び前記カソードガス拡散電極の双方に接合されている
固体高分子型燃料電池。 A polymer electrolyte fuel cell according to claim 1 or 2,
The electrical connection part is composed of a non-porous conductive material through which gas cannot pass,
The electrical connection portion is a polymer electrolyte fuel cell in which both the anode gas diffusion electrode and the cathode gas diffusion electrode are joined.
前記電気接続部は、ガスシール性を有するガスシール部であり、
前記電気接続部と、前記電気接続部を介して隣接する前記アノードガス拡散電極と前記カソードガス拡散電極とは、単一の部材であるガス拡散電極から形成されている
固体高分子型燃料電池。 A polymer electrolyte fuel cell according to claim 1 or 2,
The electrical connection part is a gas seal part having gas sealing properties,
The solid polymer fuel cell, wherein the electrical connection part, the anode gas diffusion electrode and the cathode gas diffusion electrode adjacent to each other through the electrical connection part are formed from a gas diffusion electrode which is a single member.
前記ガスシール部には、隣接する前記アノードガス拡散電極と前記カソードガス拡散電極との間を接続するガスシール部通気孔が設けられ、
前記絶縁部には、前記絶縁部を介して隣接する前記アノードガス拡散電極と前記カソードガス拡散電極との間を接続する絶縁部通気孔が設けられ、
前記燃料極で発生した二酸化炭素は、前記アノードガス拡散電極から、前記ガスシール部通気孔又は前記絶縁部通気孔を介して、隣接する前記カソードガス拡散電極へ排出され、
前記カソードガス拡散電極へ排出された二酸化炭素は、前記酸化剤流路へと排出される
固体高分子型燃料電池。 The polymer electrolyte fuel cell according to claim 5,
The gas seal portion is provided with a gas seal portion vent hole for connecting between the anode gas diffusion electrode and the cathode gas diffusion electrode adjacent to each other,
The insulating portion is provided with an insulating portion vent hole that connects between the anode gas diffusion electrode and the cathode gas diffusion electrode adjacent to each other via the insulating portion,
Carbon dioxide generated at the fuel electrode is discharged from the anode gas diffusion electrode to the adjacent cathode gas diffusion electrode through the gas seal portion ventilation hole or the insulating portion ventilation hole.
The solid polymer fuel cell in which carbon dioxide discharged to the cathode gas diffusion electrode is discharged to the oxidant channel.
電気接続部と、
絶縁部と、
通気部と、
を具備し、
前記複数の発電素子は、共通の固体高分子電解質膜を有し、
前記複数の発電素子の各々は、更に、燃料極と、酸化剤極とを有し、
前記各発電素子において、燃料極と酸化剤極とは、前記固体高分子電解質膜を挟むようにして配置され、
前記複数の発電素子は、前記固体高分子電解質膜の主面上で燃料極と酸化剤極とが交互に並ぶように配置され、
前記固体高分子電解質膜の主面上において、隣接する燃料極と酸化剤極との間には、前記電気接続部又は前記絶縁部が交互となるように設けられ、
前記固体高分子電解質膜の裏面上において、前記主面上の燃料極に対向する位置には酸化剤極が配置され、前記主面上の酸化剤極に対向する位置には燃料極が配置され、
前記主面上の電気接続部に対向する位置には絶縁部が配置され、前記主面上の絶縁部に対向する位置には電気接続部が配置され、
前記電気接続部は、隣接する燃料極と酸化剤極との間を電気的に接続し、
前記絶縁部は、隣接する燃料極と酸化剤極との間を絶縁し、
前記複数の発電素子は直列に電気接続されており、
前記酸化剤極は、酸化剤ガスが流れる酸化剤流路に接続され、
前記通気部は、前記燃料極で発生した二酸化炭素を、隣接する酸化剤極に接続された前記酸化剤流路に排出するように設けられていて、
更に、
多孔質体と、
気液分離膜と、
燃料流路と、
を具備し、
前記多孔質体は、前記電気接続部及び前記絶縁部の上に設けられ、
前記気液分離膜は、2つの多孔質体の上から、前記燃料極を空隙を介して覆うように設けられ、
前記燃料流路は、前記気液分離膜の前記燃料極とは反対側の面に接続されるように設けられ、
前記気液分離膜と前記燃料極との間に形成された空隙は、前記多孔質体を介して、隣接する前記酸化剤極に接続された前記酸化剤流路と連通し、
前記燃料極で発生した二酸化炭素は、前記気液分離膜との間に形成された空隙と、前記多孔質体と、を介して前記酸化剤流路へ排出される
固体高分子型燃料電池。 A plurality of power generation elements;
An electrical connection;
An insulating part;
A vent,
Comprising
The plurality of power generation elements have a common solid polymer electrolyte membrane,
Each of the plurality of power generation elements further includes a fuel electrode and an oxidant electrode,
In each of the power generating elements, the fuel electrode and the oxidant electrode are arranged so as to sandwich the solid polymer electrolyte membrane,
The plurality of power generation elements are arranged such that fuel electrodes and oxidant electrodes are alternately arranged on the main surface of the solid polymer electrolyte membrane,
On the main surface of the solid polymer electrolyte membrane, between the adjacent fuel electrode and oxidant electrode, the electrical connection portion or the insulating portion is provided alternately,
On the back surface of the solid polymer electrolyte membrane, an oxidant electrode is disposed at a position facing the fuel electrode on the main surface, and a fuel electrode is disposed at a position facing the oxidant electrode on the main surface. ,
An insulating part is disposed at a position facing the electrical connection part on the main surface, and an electrical connection part is disposed at a position facing the insulating part on the main surface,
The electrical connection portion electrically connects between an adjacent fuel electrode and an oxidant electrode,
The insulating part insulates between an adjacent fuel electrode and an oxidant electrode,
The plurality of power generation elements are electrically connected in series,
The oxidant electrode is connected to an oxidant flow path through which an oxidant gas flows,
The vent, the carbon dioxide generated at the fuel electrode, provided so as to discharge the oxidant flow path connected to the adjacent contact the oxidant electrode,
Furthermore,
A porous body;
A gas-liquid separation membrane;
A fuel flow path;
Comprising
The porous body is provided on the electrical connecting portion and the insulating portion,
The gas-liquid separation membrane is provided from above the two porous bodies so as to cover the fuel electrode via a gap,
The fuel flow path is provided to be connected to a surface of the gas-liquid separation membrane opposite to the fuel electrode,
A void formed between the gas-liquid separation membrane and the fuel electrode communicates with the oxidant flow path connected to the adjacent oxidant electrode via the porous body,
Carbon dioxide generated in the fuel electrode is discharged to the oxidant flow path through a void formed between the gas-liquid separation membrane and the porous body.
前記燃料極は、前記固体高分子電解質膜上に密接するアノード触媒層と、前記アノード触媒層上に設けられたアノードガス拡散電極と、を有し、
前記酸化剤極は、前記固体高分子電解質膜上に密接するカソード触媒層と、前記カソード触媒層上に設けられたカソードガス拡散電極と、を有する
固体高分子型燃料電池。 The polymer electrolyte fuel cell according to claim 7,
The fuel electrode has an anode catalyst layer in close contact with the solid polymer electrolyte membrane, and an anode gas diffusion electrode provided on the anode catalyst layer,
The oxidant electrode includes a cathode catalyst layer in close contact with the solid polymer electrolyte membrane, and a cathode gas diffusion electrode provided on the cathode catalyst layer.
電気接続部と、
絶縁部と、
通気部と、
を具備し、
前記複数の発電素子は、共通の固体高分子電解質膜を有し、
前記複数の発電素子の各々は、更に、燃料極と、酸化剤極とを有し、
前記各発電素子において、燃料極と酸化剤極とは、前記固体高分子電解質膜を挟むようにして配置され、
前記複数の発電素子は、前記固体高分子電解質膜の主面上で燃料極と酸化剤極とが交互に並ぶように配置され、
前記固体高分子電解質膜の主面上において、隣接する燃料極と酸化剤極との間には、前記電気接続部又は前記絶縁部が交互となるように設けられ、
前記固体高分子電解質膜の裏面上において、前記主面上の燃料極に対向する位置には酸化剤極が配置され、前記主面上の酸化剤極に対向する位置には燃料極が配置され、
前記主面上の電気接続部に対向する位置には絶縁部が配置され、前記主面上の絶縁部に対向する位置には電気接続部が配置され、
前記電気接続部は、隣接する燃料極と酸化剤極との間を電気的に接続し、
前記絶縁部は、隣接する燃料極と酸化剤極との間を絶縁し、
前記複数の発電素子は直列に電気接続されており、
前記酸化剤極は、酸化剤ガスが流れる酸化剤流路に接続され、
前記通気部は、前記燃料極で発生した二酸化炭素を、隣接する酸化剤極に接続された前記酸化剤流路に排出するように設けられていて、
前記燃料極は、前記固体高分子電解質膜上に密接するアノード触媒層と、前記アノード触媒層上に設けられたアノードガス拡散電極と、を有し、
前記酸化剤極は、前記固体高分子電解質膜上に密接するカソード触媒層と、前記カソード触媒層上に設けられたカソードガス拡散電極と、を有し、
前記電気接続部は、ガスシール性を有するガスシール部であり、
前記電気接続部と、前記電気接続部を介して隣接する前記アノードガス拡散電極と前記カソードガス拡散電極とは、単一の部材であるガス拡散電極から形成されていて、
前記ガスシール部には、隣接する前記アノードガス拡散電極と前記カソードガス拡散電極との間を接続するガスシール部通気孔が設けられ、
前記絶縁部には、前記絶縁部を介して隣接する前記アノードガス拡散電極と前記カソードガス拡散電極との間を接続する絶縁部通気孔が設けられ、
前記燃料極で発生した二酸化炭素は、前記アノードガス拡散電極から、前記ガスシール部通気孔又は前記絶縁部通気孔を介して、隣接する前記カソードガス拡散電極へ排出され、
前記カソードガス拡散電極へ排出された二酸化炭素は、前記酸化剤流路へと排出される
固体高分子型燃料電池。 A plurality of power generation elements;
An electrical connection;
An insulating part;
A vent,
Comprising
The plurality of power generation elements have a common solid polymer electrolyte membrane,
Each of the plurality of power generation elements further includes a fuel electrode and an oxidant electrode,
In each of the power generating elements, the fuel electrode and the oxidant electrode are arranged so as to sandwich the solid polymer electrolyte membrane,
The plurality of power generation elements are arranged such that fuel electrodes and oxidant electrodes are alternately arranged on the main surface of the solid polymer electrolyte membrane,
On the main surface of the solid polymer electrolyte membrane, between the adjacent fuel electrode and oxidant electrode, the electrical connection portion or the insulating portion is provided alternately,
On the back surface of the solid polymer electrolyte membrane, an oxidant electrode is disposed at a position facing the fuel electrode on the main surface, and a fuel electrode is disposed at a position facing the oxidant electrode on the main surface. ,
An insulating part is disposed at a position facing the electrical connection part on the main surface, and an electrical connection part is disposed at a position facing the insulating part on the main surface,
The electrical connection portion electrically connects between an adjacent fuel electrode and an oxidant electrode,
The insulating part insulates between an adjacent fuel electrode and an oxidant electrode,
The plurality of power generation elements are electrically connected in series,
The oxidant electrode is connected to an oxidant flow path through which an oxidant gas flows,
The vent, the carbon dioxide generated at the fuel electrode, provided so as to discharge the oxidant flow path connected to the adjacent contact the oxidant electrode,
The fuel electrode has an anode catalyst layer in close contact with the solid polymer electrolyte membrane, and an anode gas diffusion electrode provided on the anode catalyst layer,
The oxidant electrode has a cathode catalyst layer in close contact with the solid polymer electrolyte membrane, and a cathode gas diffusion electrode provided on the cathode catalyst layer,
The electrical connection part is a gas seal part having gas sealing properties,
The electrical connection part, the anode gas diffusion electrode and the cathode gas diffusion electrode adjacent to each other through the electrical connection part are formed from a gas diffusion electrode that is a single member,
The gas seal portion is provided with a gas seal portion vent hole for connecting between the anode gas diffusion electrode and the cathode gas diffusion electrode adjacent to each other,
The insulating portion is provided with an insulating portion vent hole that connects between the anode gas diffusion electrode and the cathode gas diffusion electrode adjacent to each other via the insulating portion,
Carbon dioxide generated at the fuel electrode is discharged from the anode gas diffusion electrode to the adjacent cathode gas diffusion electrode through the gas seal portion ventilation hole or the insulating portion ventilation hole.
The solid polymer fuel cell in which carbon dioxide discharged to the cathode gas diffusion electrode is discharged to the oxidant channel.
前記アノードガス拡散電極は、前記アノード触媒層の全面を覆い、
前記アノードガス拡散電極は、前記アノード触媒層より平面方向に広く、
前記通気部は、前記アノードガス拡散電極が前記アノード触媒層からはみ出した部分の下に形成された空隙を含み、
前記燃料極で発生した二酸化炭素は、前記アノードガス拡散電極において前記アノード触媒層からはみ出た部分の下部から前記通気部を介して外部へ排出される
固体高分子型燃料電池。 The polymer electrolyte fuel cell according to claim 8 or 9,
The anode gas diffusion electrode covers the entire surface of the anode catalyst layer,
The anode gas diffusion electrode is wider in the plane direction than the anode catalyst layer,
The vent includes a void formed under a portion where the anode gas diffusion electrode protrudes from the anode catalyst layer,
The carbon dioxide generated in the fuel electrode is discharged from the lower part of the anode gas diffusion electrode that protrudes from the anode catalyst layer to the outside through the vent.
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