JP5132203B2 - 燃料電池、膜−電極接合体、及び膜−触媒層接合体 - Google Patents
燃料電池、膜−電極接合体、及び膜−触媒層接合体 Download PDFInfo
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Description
図1は、本発明の第1実施形態の燃料電池を構成するセルの概略構成を模式的に示す断面図である。図2は、図1のセルを構成するアノード側セパレータの概略構成を示す平面図であって、(a)はアノードガス流路が形成された主面を示す平面図、(b)は熱媒体流路が形成された主面を示す平面図である。図3は、図1のセルを構成するカソード側セパレータの概略構成を示す平面図であって、(a)はカソードガス流路が形成された主面を示す平面図、(b)は熱媒体流路が形成された主面を示す平面図である。図4は、図1のセルを構成する膜−電極接合体の概略構成を示す断面図である。図5は、図1のセルを構成する膜−触媒層接合体の概略構成を示す断面図である。図6は、図5の膜−触媒層接合体をアノード側触媒層側から見た状態を示す平面図である。なお、図1においては、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータにおける熱媒体流路の図示を省略している。また、図1は模式的に示す断面図であるため、図2、図3、及び図6との関係においては、流路の本数等が厳密には一致していない。以下、図1乃至図6を参照しながら、本実施形態の燃料電池、膜−電極接合体、及び膜−触媒層接合体について説明する。
CF2=CFOCF2CF(CF3)O(CF2)r−SO3H (2)
CF2=CF(OCF2CF(CF3))tO(CF2)2−SO3H (3)
アノード側触媒層2は、高分子電解質膜1の一方の主面に積層されている。アノード側触媒層2は、その一方の主面が高分子電解質膜1に接触するよう設けられている。アノード側触媒層2は、第1の部分(第1のアノード側触媒層部分)2Aと、第2の部分(第2のアノード側触媒層部分)2Bとからなっている。第1の部分2Aは、アノード側触媒層2における、カソードガス流路31の中流部に対応する部位に形成されている。第2の部分2Bは、アノード側触媒層2における、カソードガス流路31の上流部及び下流部に対応する部位に形成されている。「アノード側触媒層2における、カソードガス流路31の中流部に対応する部位」とは、高分子電解質膜1を挟み、かつ、アノード側触媒層2における、カソードガス流路31の中流部と対向する部位をいう。「アノード側触媒層2における、カソードガス流路31の上流部に対応する部位」とは、高分子電解質膜1を挟み、かつ、アノード側触媒層2における、カソードガス流路31の上流部と対向する部位をいう。「アノード側触媒層2における、カソードガス流路31の下流部に対応する部位」とは、高分子電解質膜1を挟み、かつ、アノード側触媒層2における、カソードガス流路31の下流部と対向する部位をいう。
図7は、本発明の第2実施形態の燃料電池を構成するセルの概略構成を模式的に示す断面図である。図8は、図7のセルを構成する膜−電極接合体の概略構成を示す断面図である。図9は、図7のセルを構成する膜−触媒層接合体の概略構成を示す断面図である。図10は、図9の膜−触媒層接合体をカソード側触媒層側から見た状態を示す平面図である。なお、図7においては、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータにおける熱媒体流路の図示を省略している。また、図7は模式的に示す断面図であるため、図10との関係においては、流路の本数等が厳密には一致していない。以下、図7乃至図10を参照しながら、本実施形態の燃料電池、膜−電極接合体、及び膜−触媒層接合体について説明する。
図11は、第1実験例及び第2実験例において用いたセルの概略構成を示す断面図である。図12は、図11のセルを構成する膜−電極接合体の概略構成を示す断面図である。図13は、第1実験例及び第2実験例において、カソードガス流路の上流部から下流部にかけての発電量を測定する各領域を模式的に示す平面図である。なお、図11においては、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータにおける熱媒体流路の図示を省略している。以下、図11乃至図13を参照しながら、本実験例を行う方法について説明する。
第1実験例においては、セル101の温度を65℃に制御し、アノードガス流路21に燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソードガス流路31に空気をそれぞれ供給した。この際、水素ガス利用率を70%に設定し、空気利用率を50%に設定し、水素ガス及び空気の露点がそれぞれ約65℃となるように加湿してからセル101に供給した。そして、27分割した領域の発電分布を計測しながら、発電の電流密度が0.2A/cm2となるように制御し、セル101を動作させた(以下、この条件を「フル加湿の発電条件」とする)。
第2実験例においても、セル101をフル加湿の発電条件で発電した。さらに、セル101の発電を停止し、カソードCV測定方法及びアノードCV測定方法でカソード7及びアノード6のCV特性(電気化学的な特性)を測定した。
2 アノード側触媒層
2A アノード側触媒層の第1の部分(第1のアノード側触媒層部分)
2B アノード側触媒層の第2の部分(第2のアノード側触媒層部分)
3 カソード側触媒層
3A カソード側触媒層の第1の部分(第1のカソード側触媒層部分)
3B カソード側触媒層の第2の部分(第2のカソード側触媒層部分)
4 アノード側ガス拡散層
5 カソード側ガス拡散層
6 アノード
7 カソード
9 膜−触媒層接合体
10 膜−電極接合体
20 アノード側セパレータ
21 アノードガス流路
22,32 熱媒体流路
23,33 アノードガス供給マニホールド孔
24,34 アノードガス排出マニホールド孔
25,35 カソードガス供給マニホールド孔
26,36 カソードガス排出マニホールド孔
27,37 熱媒体供給マニホールド孔
28,38 熱媒体排出マニホールド孔
30 カソード側セパレータ
31 カソードガス流路
31A カソードガス流路の上流端
31B カソードガス流路の下流端
40,50 ガスケット
100,101 セル(単燃料電池)
A,B,C サイクリックボルタモグラムにおけるピークの発生位置
g1 カソードガス流路を流れる酸化剤ガスの微視的な流れ
g2 アノードガス流路を流れる燃料ガスの微視的な流れ
G1 カソードガス流路を流れる酸化剤ガスの巨視的な流れ
G2 アノードガス流路を流れる燃料ガスの巨視的な流れ
Claims (4)
- 高分子電解質膜と、該高分子電解質膜の一方の主面に順に積層されたアノード側触媒層及びアノード側ガス拡散層と、前記高分子電解質膜の他方の主面に順に積層されたカソード側触媒層及びカソード側ガス拡散層と、を備えた膜−電極接合体と、
一方の主面にアノードガス流路が形成され、該アノードガス流路が形成された主面が前記アノード側ガス拡散層に接触するよう設けられた板状のアノード側セパレータと、
一方の主面にカソードガス流路が形成され、該カソードガス流路が形成された主面が前記カソード側ガス拡散層に接触するよう設けられた板状のカソード側セパレータと、を備えた燃料電池において、
前記カソードガス流路におけるその上流端を含む部分を上流部と定義し、前記カソードガス流路におけるその下流端を含む部分を下流部と定義し、前記カソードガス流路の上流部及び下流部以外の部分を中流部と定義した場合において、該中流部に対応する前記アノード側触媒層における高分子電解質膜単位面積当たりに担持されている(以下、単に「単位面積当たりの」という。)触媒粒子の全表面積が前記上流部及び前記下流部に対応する前記アノード側触媒層における単位面積当たりの触媒粒子の全表面積よりも大きく、且つ
前記カソード側触媒層は、上流部と下流部とで構成され、前記上流部に対応する前記カソード側触媒層における単位面積当たりの触媒粒子の全表面積が前記下流部に対応する前記カソード側触媒層における単位面積当たりの触媒粒子の全表面積よりも大きい、燃料電池。 - 前記燃料電池の動作温度が60℃から120℃の範囲の温度であり、前記アノードガス流路に供給される燃料ガスの露点が50℃から70℃の範囲の露点であり、前記カソードガス流路に供給される酸化剤ガスの露点が35℃から70℃の範囲の露点である、請求項1に記載の燃料電池。
- 高分子電解質膜と、該高分子電解質膜の一方の主面に積層されたアノード側触媒層と、前記高分子電解質膜の他方の主面に積層されたカソード側触媒層と、を備え、
前記アノード側触媒層が該アノード側触媒層の延在方向における中央部からなる第1の部分と、該アノード側触媒層の前記第1の部分を除いた残りの部分からなる第2の部分とで構成され、前記第1の部分における単位面積当たりの触媒粒子の全表面積が前記第2の部分における単位面積当たりの触媒粒子の全表面積よりも大きく、且つ
前記カソード側触媒層が該カソード側触媒層の延在方向における第1の部分と第2の部分とで構成され、前記第1の部分における単位面積当たりの触媒粒子の全表面積が前記第2の部分における単位面積当たりの触媒粒子の全表面積よりも大きい、膜−触媒層接合体。 - 請求項3に記載の膜−触媒層接合体と、該膜−触媒層接合体のアノード側触媒層に積層されたアノード側ガス拡散層と、前記膜−触媒層接合体のカソード側触媒層に積層されたカソード側ガス拡散層と、を備え、前記アノード側触媒層と前記アノード側ガス拡散層とがアノードを構成し、前記カソード側触媒層と前記カソード側ガス拡散層とがカソードを構成する、膜−電極接合体。
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