JP5217177B2 - Fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池に関する。特に燃料電池の電解質層の劣化の抑制に関する。 The present invention relates to a fuel cell. In particular, it relates to suppression of deterioration of the electrolyte layer of the fuel cell.
燃料電池、例えば、固体高分子型燃料電池は、電解質膜を挟んで対峙する2つの電極(燃料極と酸素極)にそれぞれ反応ガス(水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化ガス)を供給して電気化学反応を引き起こすことにより、物質の持つ化学エネルギを直接電気エネルギに変換する。かかる燃料電池の主要な構造として、略平板状の発電体(電解質膜と2つの電極層を含む)とセパレータとを交互に積層して、積層方向に締結する、いわゆるスタック構造のものが知られている。 In a fuel cell, for example, a polymer electrolyte fuel cell, a reactive gas (a fuel gas containing hydrogen and an oxidizing gas containing oxygen) is respectively applied to two electrodes (a fuel electrode and an oxygen electrode) facing each other with an electrolyte membrane interposed therebetween. By supplying and causing an electrochemical reaction, the chemical energy of the substance is directly converted into electrical energy. As a main structure of such a fuel cell, a so-called stack structure in which a substantially flat power generator (including an electrolyte membrane and two electrode layers) and a separator are alternately stacked and fastened in the stacking direction is known. ing.
ここで、スタック構造の燃料電池として、厚さ方向と略垂直な内部流路を有するセパレータを用いるものが知られている(例えば、特許文献1)。かかる燃料電池では、セパレータの内部流路を用いて電極に反応ガスを供給または排出する。このようなセパレータにおいて、上述の内部流路は、3枚の板部材を積層することにより形成されている。かかる内部流路の一端はセパレータを厚さ方向に貫通する反応ガスマニホールドと連通し、内部流路の他端はセパレータの表面に至る。このような内部流路を介して、反応ガスマニホールドと電極との間で反応ガスの受け渡しが行われる。 Here, as a fuel cell having a stack structure, one using a separator having an internal flow path substantially perpendicular to the thickness direction is known (for example, Patent Document 1). In such a fuel cell, the reaction gas is supplied to or discharged from the electrode using the internal flow path of the separator. In such a separator, the internal flow path is formed by laminating three plate members. One end of the internal channel communicates with a reaction gas manifold that penetrates the separator in the thickness direction, and the other end of the internal channel reaches the surface of the separator. The reaction gas is transferred between the reaction gas manifold and the electrode via such an internal flow path.
上記従来技術において、発電体は、セパレータの内部流路と積層方向に重なる部分を有する。当該部分は、反応ガスが流動するための内部流路と重なるため、構造上、冷却が困難である。したがって、発電体の当該部分において、電解質層が発熱により劣化するおそれがあった。 In the above prior art, the power generator has a portion that overlaps the internal flow path of the separator in the stacking direction. Since this portion overlaps with the internal flow path for the reaction gas to flow, it is difficult to cool structurally. Therefore, the electrolyte layer may be deteriorated due to heat generation in the portion of the power generator.
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、燃料電池の電解質層の劣化を抑制することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to suppress deterioration of an electrolyte layer of a fuel cell.
上記課題を解決するために本発明の第1の態様は、燃料電池を提供する。第1の態様に係る燃料電池は、反応ガスを流動させるために、内部を通り表面に開口するように形成された反応ガス流路を有する複数のセパレータと、前記セパレータと交互に積層されると共に、前記セパレータの前記反応ガス流路と積層方向に重なる第1の領域と前記反応ガス流路と積層方向に重ならない第2の領域に、電解質層と、前記電解質層の一の側に配置される第1の電極層と、前記電解質層の他の側に配置される第2の電極層と、を有する複数の発電体と、前記第1の領域に含まれる前記第1の電極層と前記第2の領域に含まれる前記第1の電極層とに接して配置される第1の多孔体と、前記第1の領域に含まれる前記第2の電極層と前記第2の領域に含まれる前記第2の電極層とに接して配置される第2の多孔体と、を備え、前記第1の電極層と前記第2の電極層の少なくとも一方において、前記第2の領域には触媒成分を含み、前記第1の領域には触媒成分を含まない。 In order to solve the above problems, a first aspect of the present invention provides a fuel cell. The fuel cell according to the first aspect includes a plurality of separators each having a reaction gas channel formed so as to pass through the inside and open to the surface in order to flow the reaction gas, and the separators are alternately stacked. , the second region not overlapping the first region to the stacking direction and the reaction gas channel which overlaps the stacking direction as the reactant gas flow path of the separator, an electrolyte layer, disposed on one side of the front Symbol electrolyte layer a plurality of power generating body and the first electrode layer included in the first region having a first electrode layer, a second electrode layer disposed on the other side of the pre-Symbol electrolyte layer, a being And the first porous body disposed in contact with the first electrode layer included in the second region, the second electrode layer included in the first region, and the second region and a second porous body arranged in contact with said second electrode layer included, At least one of the the serial first electrode layer and the second electrode layer, wherein the the second region catalyst component, wherein the first region does not contain a catalytic component.
第1の態様に係る燃料電池によれば、発電体において、反応ガス流路と積層方向に重なる第1の領域に含まれる触媒成分を少なくするので、第1の領域における発電反応が抑制される。この結果、冷却が困難である第1の領域の発熱が抑制され、第1の領域における電解質層の損傷を抑制することができる。 According to the fuel cell according to the first aspect, in the power generation body, since the catalyst component contained in the first region overlapping with the reaction gas flow path in the stacking direction is reduced, the power generation reaction in the first region is suppressed. . As a result, heat generation in the first region, which is difficult to cool, is suppressed, and damage to the electrolyte layer in the first region can be suppressed.
第1の態様に係る燃料電池において、前記セパレータは、前記発電体の前記第2の領域と積層方向に重なる部分に、内部を通る冷却媒体流路を有しても良い。こうすれば、発電反応が盛んな第2の領域を冷却することにより、第2の領域における電解質層の損傷を抑制することができる。 In the fuel cell according to the first aspect, the separator may have a cooling medium flow path passing through the inside thereof at a portion overlapping the second region of the power generator in the stacking direction. If it carries out like this, the damage of the electrolyte layer in a 2nd area | region can be suppressed by cooling the 2nd area | region where power generation reaction is thriving.
第1の態様に係る燃料電池において、前記第1の電極層と前記第2の電極層の少なくとも一方において、前記第2の領域には触媒成分を含み、前記第1の領域には触媒成分を含まなくても良い。かかる場合においても、冷却が困難である第1の領域の発熱が抑制され、第1の領域における電解質層の損傷を抑制することができる。 In the fuel cell according to the first aspect, in at least one of the first electrode layer and the second electrode layer, the second region contains a catalyst component, and the first region contains a catalyst component. It does not have to be included. Even in such a case, heat generation in the first region, which is difficult to cool, is suppressed, and damage to the electrolyte layer in the first region can be suppressed.
第1の態様に係る燃料電池において、前記第1の電極層および前記第2電極層は、前記触媒成分と共に、触媒作用を有しない非触媒成分を有し、前記第1の電極層と前記第2の電極層の少なくとも一方において、前記第1の領域には、前記非触媒成分を含み、前記触媒成分を含まなくても良い。かかる場合において、前記非触媒成分は、カーボンを含んでも良い。こうすれば、非接触成分により電解質層が保護されるため、電解質層が直接他の物質(例えば、拡散層)に触れることがなく、第1の領域における電解質層の損傷をより抑制することができる。 In the fuel cell according to the first aspect, the first electrode layer and the second electrode layer have a non-catalytic component having no catalytic action together with the catalytic component, and the first electrode layer and the first electrode layer In at least one of the two electrode layers, the first region may include the non-catalytic component and may not include the catalytic component. In such a case, the non-catalytic component may contain carbon. By doing so, the electrolyte layer is protected by the non-contact component, so that the electrolyte layer does not directly touch other substances (for example, the diffusion layer), and the damage of the electrolyte layer in the first region can be further suppressed. it can.
第1の態様に係る燃料電池において、前記非触媒成分は、ラジカル成分を捕捉するラジカル捕捉剤を含んでも良い。こうすれば、第1の領域において、電解質層がラジカルにより攻撃されることを抑制することができ、第1の領域における電解質層の損傷をより抑制することができる。 In the fuel cell according to the first aspect, the non-catalytic component may include a radical scavenger that traps a radical component. If it carries out like this, it can suppress that an electrolyte layer is attacked by a radical in a 1st area | region, and can suppress damage to the electrolyte layer in a 1st area | region more.
第1の態様に係る燃料電池において、前記セパレータは、第1のプレートと、第2のプレートと、前記第1のプレートと前記第2のプレートとの間に配置された中間プレートとを含む積層構造を有し、前記反応ガス流路は、前記中間プレートを貫通する第1の貫通部と、前記第1のプレートまたは前記第2のプレートを貫通する第2の貫通部とによって形成されても良い。こうすれば、3枚のプレートが積層された簡易な構成で上記セパレータを実現できる。 In the fuel cell according to the first aspect, the separator includes a first plate, a second plate, and a stack including an intermediate plate disposed between the first plate and the second plate. The reaction gas flow path may be formed by a first penetration part that penetrates the intermediate plate and a second penetration part that penetrates the first plate or the second plate. good. In this way, the separator can be realized with a simple configuration in which three plates are stacked.
本発明は他にも種々の態様にて実現され得る。例えば、上記態様に係る燃料電池を構成する発電体、上記態様に係る燃料電池を搭載した車両などの態様で実現することができる。 The present invention can be implemented in various other modes. For example, it is realizable with aspects, such as a power generator which constitutes a fuel cell concerning the above-mentioned mode, vehicles carrying a fuel cell concerning the above-mentioned mode.
以下、本発明の実施態様に係る燃料電池について、図面を参照しつつ、実施例に基づいて説明する。 Hereinafter, a fuel cell according to an embodiment of the present invention will be described based on examples with reference to the drawings.
A.実施例:
・燃料電池の構成
本発明の実施例に係る燃料電池の概略構成について説明する。図1および図2は、実施例における燃料電池の構成を示す説明図である。図3は、燃料電池の断面図の一部を示す図である。
A. Example:
-Configuration of Fuel Cell A schematic configuration of a fuel cell according to an embodiment of the present invention will be described. 1 and 2 are explanatory views showing the configuration of the fuel cell in the embodiment. FIG. 3 is a diagram showing a part of a cross-sectional view of the fuel cell.
図1〜図3に示すように、燃料電池100は、複数の発電モジュール200と、複数のセパレータ600が交互に積層されたスタック構造を有している。
As shown in FIGS. 1 to 3, the
図1に示すように、燃料電池100には、酸化ガスを供給するための酸化ガス供給マニホールド110と、酸化ガスを排出するための酸化ガス排出マニホールド120と、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給マニホールド130と、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出マニホールド140と、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給マニホールド150と、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出マニホールド160と、が設けられている。なお、酸化ガスとしては空気が一般的に用いられ、燃料ガスとしては水素が一般的に用いられる。また、酸化ガス、燃料ガスは共に反応ガスとも呼ばれる。冷却媒体としては、水、エチレングリコール等の不凍水、空気等を用いることができる。
As shown in FIG. 1, the
図3に加えて、図4〜図7を参照しながら、まず、セパレータ600の構成について説明する。セパレータ600は、アノードプレート300と、カソードプレート400と、中間プレート500から構成されている。
First, the configuration of the
図4〜図6は、実施例におけるカソードプレート400(図4)、アノードプレート300(図5)、中間プレート500(図6)の形状をそれぞれ示す説明図である。図4、図5、図6は、各プレート400、300、500を、図2における右側から見た様子を示している。図7は、実施例におけるセパレータの正面図である。図4〜図7において、各プレート300、400、500およびセパレータ600の中央部に破線で示す領域は、セパレータ600が発電モジュール200と積層され燃料電池を構成する際に、発電モジュール200の積層部材800に含まれる発電体810に対向する領域(対向領域)であり、実際に発電が行われる領域である。
4-6 is explanatory drawing which shows the shape of the cathode plate 400 (FIG. 4), the anode plate 300 (FIG. 5), and the intermediate | middle plate 500 (FIG. 6) in an Example, respectively. 4, 5, and 6 show the
カソードプレート400は、例えば、ステンレス鋼で形成されている。カソードプレート400は、カソードプレート400を厚さ方向に貫通する貫通部として、6個のマニホールド形成部422〜432と、酸化ガス供給スリット440と、酸化ガス排出スリット444と、を備えている。マニホールド形成部422〜432は、燃料電池100を構成する際に上述した各種マニホールドを形成するための貫通部であり、対向領域の外側にそれぞれ設けられている。酸化ガス供給スリット440および酸化ガス排出スリット444は、略長方形の長孔であり、対向領域の内側に設けられている。酸化ガス供給スリット440は、対向領域の一の辺(図4:上側の辺)に沿って、一の辺のほぼ全長に亘って、配置されている。酸化ガス排出スリット444は、対向領域の上記一の辺と向かい合う辺(図4:下側の辺)に沿って、その辺のほぼ全長に亘って、配置されている。
The
アノードプレート300は、カソードプレート400と同様に、例えば、ステンレス鋼で形成されている。アノードプレート300は、カソードプレート400同様、アノードプレート300を厚さ方向に貫通する貫通部として、6個のマニホールド形成部322〜332と、燃料ガス供給スリット350と、燃料ガス排出スリット354と、を備えている。マニホールド形成部322〜332は、燃料電池100を構成する際に上述した各種マニホールドを形成するための貫通部であり、カソードプレート400と同様に、対向領域の外側にそれぞれ設けられている。燃料ガス供給スリット350は、セパレータ600を構成した際にカソードプレート400における上述した酸化ガス排出スリット444と積層方向に重ならないように、対向領域において、酸化ガス排出スリット444より内側に設けられている。燃料ガス供給スリット350は、対向領域の一の辺に平行に、一の辺のほぼ全長に亘って、配置されている。燃料ガス排出スリット354は、セパレータ600を構成した際にカソードプレート400における上述した酸化ガス供給スリット440と重ならないように、対向領域において、酸化ガス供給スリット440より内側に設けられている。燃料ガス排出スリット354は、対向領域の一の辺と向かい合う辺に平行に、その辺のほぼ全長に亘って、配置されている。
Similar to the
中間プレート500は、上述の各プレート300、400同様、例えば、ステンレス鋼で形成されている。中間プレート500は、厚さ方向に貫通する貫通部として、反応ガス(酸化ガスまたは燃料ガス)を供給/排出するための4つのマニホールド形成部522〜528と、複数の酸化ガス供給流路形成部542と、複数の酸化ガス排出流路形成部544と、一つの燃料ガス供給流路形成部546と、一つの燃料ガス排出流路形成部548を備えている。マニホールド形成部522〜528は、燃料電池100を構成する際に上述した各種マニホールドを形成するための貫通部であり、カソードプレート400、アノードプレート300と同様に、対向領域の外側にそれぞれ設けられている。
The
複数の酸化ガス供給流路形成部542の一端は、それぞれ、マニホールド形成部522と連通しており、複数の酸化ガス供給流路形成部542とマニホールド形成部522は、全体として櫛歯形状の貫通孔を形成している。複数の酸化ガス供給流路形成部542の他端は、それぞれに、3つのプレートを接合してセパレータ600を構成した際に、上述したカソードプレート400における酸化ガス供給スリット440と重なる位置まで延びている。同様にして、複数の酸化ガス排出流路形成部544とマニホールド形成部524は、全体として櫛歯形状の貫通孔を形成している。
One end of each of the plurality of oxidizing gas supply flow
燃料ガス供給流路形成部546の一端は、マニホールド形成部526と連通している。燃料ガス供給流路形成部546は、対向領域の右辺を横切って、上述した酸化ガス排出流路形成部544と重ならない位置に、対向領域の下側の辺に沿って延び、その他端は対向領域の左辺近傍にまで達している。
One end of the fuel gas supply flow
燃料ガス排出流路形成部548の一端は、マニホールド形成部528と連通している。燃料ガス排出流路形成部548は、対向領域の左辺を横切って、上述した酸化ガス供給流路形成部542と重ならない位置に、対向領域の上側の辺に沿って延び、その他端は対向領域の右辺近傍にまで達している。
One end of the fuel gas discharge flow
中間プレート500は、さらに、同様な貫通部として、複数の冷却媒体流路形成部550を備えている。各冷却媒体流路形成部550は、対向領域を図7における左右方向に横断する長孔形状を有しており、その両端は、対向領域の外側に至っている。
The
図7には、上述した各プレート300、400、500を用いて作製されたセパレータ600の正面図が示されている。セパレータ600は、アノードプレート300およびカソードプレート400を、中間プレート500を挟持するように中間プレート500の両側にそれぞれ接合し、中間プレート500における冷却媒体供給マニホールド150および冷却媒体排出マニホールド160に対応する領域に露出している部分を打ち抜いて作製される。3枚のプレートの接合方法は、例えば、熱圧着、ろう付け、溶接などが用いられ得る。この結果、図7においてハッチングで示す貫通部である6つのマニホールド110〜160と、複数の酸化ガス供給流路650と、複数の酸化ガス排出流路660と、燃料ガス供給流路630と、燃料ガス排出流路640と、複数の冷却媒体流路670とを備えたセパレータ600が得られる。
FIG. 7 shows a front view of a
図7に示すように、複数の酸化ガス供給流路650は、それぞれ、上述したカソードプレート400の酸化ガス供給スリット440と、中間プレート500の酸化ガス供給流路形成部542の一つとによって形成される。各酸化ガス供給流路650は、セパレータ600の内部を通る内部流路であり、一端が酸化ガス供給マニホールド110と連通し、他端がカソードプレート400側の表面(カソード側表面)に至り、カソード側表面に開口する流路である。各酸化ガス供給流路650の他端の開口部は、図7から解るように酸化ガス供給スリット440に対応する。
As shown in FIG. 7, the plurality of oxidizing
同様に、複数の酸化ガス排出流路660は、上述したカソードプレート400の酸化ガス排出スリット444と、中間プレート500の酸化ガス排出流路形成部544の一つとによって形成される。各酸化ガス排出流路660は、酸化ガス供給流路650と同様に、セパレータ600の内部を通り、一端が酸化ガス排出マニホールド120と連通し、他端がカソードプレート400側のカソード側表面に開口する。各酸化ガス排出流路660の他端の開口部は、図7から解るように酸化ガス排出スリット444に対応する。
Similarly, the plurality of oxidizing
図7に示すように、燃料ガス排出流路640は、上述したアノードプレート300の燃料ガス排出スリット354と、中間プレート500の燃料ガス排出流路形成部548とによって形成される。燃料ガス排出流路640は、一端が燃料ガス排出マニホールド140と連通し、他端がアノードプレート300側の表面(アノード側表面)に開口する内部流路である。燃料ガス排出流路640の他端の開口部は、図7から解るように燃料ガス排出スリット354に対応する。
As shown in FIG. 7, the fuel
同様に、燃料ガス供給流路630は、アノードプレート300の燃料ガス供給スリット350と、中間プレート500の燃料ガス供給スリット350とによって形成される。燃料ガス供給流路630は、一端が燃料ガス供給マニホールド130と連通し、他端がアノード側表面に開口する。燃料ガス供給流路630の他端の開口部は、図7から解るように燃料ガス供給スリット350に対応する。
Similarly, the fuel
図7に示すように、複数の冷却媒体流路670は、上述した中間プレート500に形成された冷却媒体流路形成部550(図6)によって形成され、一端が冷却媒体供給マニホールド150に、他端が冷却媒体排出マニホールド160に連通している。冷却媒体流路670は、冷却性能を向上させるため、発電領域の全体に亘って形成されることが望ましい。しかしながら、発電領域のうち、酸化ガス供給流路650、燃料ガス排出流路640、燃料ガス供給流路630、酸化ガス排出流路660が形成されている領域(図7:シングルハッチングされている領域)には、セパレータ600の構造上、冷却媒体流路形成部550を配置することは困難である。冷却媒体流路670は、対向領域のうち、上述した反応ガス供給/排出流路630〜660が配置されていない領域(図7:シングルハッチングされた領域に挟まれた領域)の全体に亘って配置されている。
As shown in FIG. 7, the plurality of cooling
次に、上述した図3と共に、図8を参照して、発電モジュール200の構成について説明する。図8は、発電モジュール200の正面図である。
Next, the configuration of the
発電モジュール200は、積層部材800と、シール部材700とから構成されている。
The
積層部材800は、図3に示すように、発電体810と、アノード側拡散層820と、カソード側拡散層830と、アノード側多孔体840と、カソード側多孔体850とが積層されて構成されている。積層部材800の構成する部材820〜850は、それぞれ、積層方向から見て、上述した対向領域に対応する形状を有する板状部材である。
As shown in FIG. 3, the
発電体810は、電解質層811と、電解質層811の一方の面に配置されたアノード電極層812と、電解質層811の他方の面に配置されたカソード電極層813を含む。電解質層811は、フッ素系樹脂材料あるいは炭化水素系樹脂材料で形成され湿潤状態において良好なイオン導電性を有するイオン交換膜である。電解質層811およびカソード電極層813については後述する。
The
アノード側拡散層820は、発電体810のアノード電極層812側の面に接して配置され、カソード側拡散層830は、発電体810のカソード電極層813側の面に接して配置される。アノード側拡散層820およびカソード側拡散層830は、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、あるいはカーボンペーパまたはカーボンフェルトによって形成される。
The anode
アノード側多孔体840は、発電体810のアノード電極層812側にアノード側拡散層820を挟んで配置され、カソード側多孔体850は、発電体810のカソード電極層813側にカソード側拡散層830を挟んで配置されている。カソード側多孔体850は、発電モジュール200とセパレータ600とを積層して燃料電池100を構成した際に、カソード側に配置されたセパレータ600の対向領域に接触し、アノード側多孔体840は、アノード側に配置された他のセパレータ600の対向領域に接触する。アノード側多孔体840およびカソード側多孔体850は、金属多孔体などのガス拡散性および導電性を有する多孔質の材料で形成されている。アノード側多孔体840およびカソード側多孔体850は、比較的空孔率が高く、内部におけるガスの流動抵抗が低いものが用いられ、後述するように反応ガスが流動するための流路として機能する。
The anode side
シール部材700は、積層部材800の面方向の外周に全周に亘って配置されている。シール部材700は、金型のキャビティに積層部材800の外周端部を臨ませて、成形材料を射出成形することによって作製され、これによって積層部材800の外周端に隙間なく気密に一体化されている。シール部材700は、ガス不透性と弾力性と燃料電池の運転温度域における耐熱性とを有する材料、例えば、ゴムやエラストマーによって形成される。具体的には、シリコン系ゴム、ブチルゴム、アクリルゴム、天然ゴム、フッ素系ゴム、エチレン・プロピレン系ゴム、スチレン系エラストマー、フッ素系エラストマーなどが用いられ得る。
The
シール部材700は、支持部710と、支持部710の両側に配置され、シールラインを形成するリブ720とを備えている。図3、8に示すように、支持部710には、図1における各マニホールド120〜160に対応する貫通孔(マニホールド孔)が形成されている。リブ720は、発電モジュール200とセパレータ600が積層された際に、隣接するセパレータ600に密着してセパレータ600との間をシールし、反応ガス(本実施例では、水素および空気)や冷却水の漏洩を防止する。リブ720は、図8に示すように、積層部材800の全周を囲むシールラインと、個々のマニホールド孔の全周を囲むシールラインとを形成する。
The
・発電体の構成:
ここで、図9を参照して、発電体810について、さらに説明する。図9は、発電体810の正面図である。発電体810は、発電モジュール200とセパレータ600とが積層された時に、セパレータ600の反応ガス供給/排出流路630〜660と積層方向に重なる領域A1(第1の領域)と、重ならない領域A2(第2の領域)とに分けられる。発電体810の第1の領域A1(図9)は、図7においてシングルハッチングで示されるセパレータ600の領域に対応する。
・ Configuration of power generator:
Here, with reference to FIG. 9, the electric
発電体810は、上述したように電解質層811とアノード電極層812とカソード電極層813を含んでいる(図3)。図8には、第1の領域A1におけるアノード電極層812およびカソード電極層813の構成の拡大図と、第2の領域A2におけるアノード電極層812およびカソード電極層813の構成の拡大図とが示されている。
As described above, the
第1の領域A1における電極層812、813は、カーボン粒子CBを骨格とする多孔質体である。第1の領域A1における電極層812、813には、触媒作用を有する触媒成分は含まれていない。カーボン粒子CBは、触媒作用を有しない非触媒成分である。 The electrode layers 812 and 813 in the first region A1 are porous bodies having carbon particles CB as a skeleton. The electrode layers 812 and 813 in the first region A1 do not contain a catalytic component having a catalytic action. The carbon particles CB are non-catalytic components that do not have a catalytic action.
第2の領域A2における電極層812、813は、第1の領域A1における電極層812、813と同様のカーボン粒子CBを骨格とする多孔質体である。第2の領域A2における電極層812、813は、さらに、第1の領域A1における電極層812、813と異なり、カーボン粒子CBに担持された白金粒子PTを含んでいる。白金粒子PTは、触媒作用を有する触媒成分である。白金粒子PTの触媒作用により、電極層812、813において燃料電池の電気化学反応が進行する。第2の領域A2における電極層812、813は、さらに、電解質層811と同様の電解質ELを含んでいる。
The electrode layers 812 and 813 in the second region A2 are porous bodies having the same carbon particles CB as the skeleton of the electrode layers 812 and 813 in the first region A1. Unlike the electrode layers 812 and 813 in the first region A1, the electrode layers 812 and 813 in the second region A2 further include platinum particles PT supported on the carbon particles CB. The platinum particle PT is a catalyst component having a catalytic action. The electrochemical reaction of the fuel cell proceeds in the electrode layers 812 and 813 by the catalytic action of the platinum particles PT. The electrode layers 812 and 813 in the second region A2 further include an electrolyte EL similar to the
アノード電極層812は、例えば、以下のように作製される。まず、カーボン粒子CBを有機溶媒と混合して調製された第1のスラリと、白金粒子PTを担持したカーボン粒子CBと電解質ELと有機溶媒とを混合して調製された第2のスラリを準備する。そして、電解質層811のアノード側の面における第1の領域A1には、第1のスラリがスクリーン印刷され、第2の領域A2には、第2のスラリがスクリーン印刷される。こうして、電解質層811のアノード側の面にアノード電極層812が形成される。同様な行程を、電解質層811のカソード側の面に対して行うことにより、カソード電極層813が形成される。
The
・燃料電池の動作
図10を参照して、実施例に係る燃料電池100の動作について説明する。図10は、燃料電池の反応ガスの流れを示す説明図である。図を見やすくするため、図10においては、2つの発電モジュール200と2つのセパレータ600が積層された様子のみを図示している。図10(a)は、図7におけるB−B断面に対応する断面図を示している。図10(b)は、右側の半分が図7におけるD−D断面に対応する断面図を示し、左側の半分が図7におけるC−C断面に対応する断面図を示している。
-Operation | movement of fuel cell With reference to FIG. 10, operation | movement of the
燃料電池100は、酸化ガス供給マニホールド110に酸化ガスが供給されると共に、燃料ガス供給マニホールド130に燃料ガスが供給されることにより、発電を行う。また、発電中の燃料電池100には、発電に伴う発熱による燃料電池100の温度上昇を抑制するために、冷却媒体供給マニホールド150に冷却媒体が供給される。
The
酸化ガス供給マニホールド110に供給された酸化ガスは、図10(a)において矢印で示すように、酸化ガス供給マニホールド110から酸化ガス供給流路650を通って、酸化ガス供給流路650のカソード側表面の開口部からカソード側多孔体850に供給される。カソード側多孔体850に供給された酸化ガスは、酸化ガスの流路として機能するカソード側多孔体850の内部を図7において白抜きの矢印で示すように上方から下方に流動する。そして、酸化ガスは、酸化ガス排出流路660のカソード側表面の開口部から酸化ガス排出流路660に流入し、酸化ガス排出流路660を通って、酸化ガス排出マニホールド120へ排出される。カソード側多孔体850を流動する酸化ガスの一部は、カソード側多孔体850に当接しているカソード側拡散層830の全体に亘って拡散し、カソード反応(例えば、2H++2e-+(1/2)O2→H2O)に供される。
The oxidant gas supplied to the oxidant
燃料ガス供給マニホールド130に供給された燃料ガスは、図10(b)において矢印で示すように、燃料ガス供給マニホールド130から燃料ガス供給流路630を通って、燃料ガス供給流路630のアノード側表面の開口部からアノード側多孔体840に供給される。アノード側多孔体840に供給された燃料ガスは、燃料ガスの流路として機能するアノード側多孔体840の内部を図7において黒塗りの矢印で示すように下方から上方に流動する。そして、燃料ガスは、燃料ガス排出流路640のアノード側表面の開口部から燃料ガス排出流路640に流入し、燃料ガス排出流路640を通って、燃料ガス排出マニホールド140に排出される。アノード側多孔体840を流動する酸化ガスの一部は、アノード側多孔体840に当接しているアノード側拡散層820の全体に亘って拡散し、アノード反応(例えば、H2→2H++2e-)に供される。
The fuel gas supplied to the fuel
冷却媒体供給マニホールド150に供給された冷却媒体は、冷却媒体供給マニホールド150から冷却媒体流路670に供給される。冷却媒体流路670に供給された冷却媒体は、冷却媒体流路670の一端から他端まで流動し、冷却媒体排出マニホールド160に排出される。
The cooling medium supplied to the cooling
以上説明した本実施例によれば、発電体810におけるアノード電極層812の全体に燃料ガスが供給され、カソード電極層813の全体に亘って、酸化ガスが供給される。しかしながら、発電体810のうち、発電が実質的に行われるのは、第2の領域A2のみであり、第1の領域A1では、発電は実質的に行われない。第1の領域A1には、電気化学反応を進行させるために必要な触媒成分(本実施例では、白金粒子PT)が含まれていないためである。この結果、構造上、冷却媒体流路670を配置できない第1の領域A1の温度が上昇することを抑制することができる。この結果、第1の領域A1において電解質層811が発熱により損傷を受けることを抑制することができる。
According to the present embodiment described above, the fuel gas is supplied to the entire
さらに、第1の領域A1における電極層812、813は、白金粒子PTを担持していないカーボン粒子CBを骨格とする多孔体であるため、電解質層811はアノード側拡散層820およびカソード側拡散層830と直接に接触しない。したがって、アノード側拡散層820およびカソード側拡散層830の繊維(ケバ)が電解質層811に突き刺さることにより、電解質層811が損傷を受けることを抑制することができる。
Furthermore, since the electrode layers 812 and 813 in the first region A1 are porous bodies having the carbon particles CB not supporting the platinum particles PT as a skeleton, the
B.変形例:
・第1変形例:
図11を参照して、第1変形例について説明する。図11は、第1変形例におけるセパレータ600aの正面図である。
B. Variations:
・ First modification:
A first modification will be described with reference to FIG. FIG. 11 is a front view of the
第1変形例におけるセパレータ600aは、実施例におけるセパレータ600と形状が異なっている。例えば、セパレータ600aにおける酸化ガス供給流路650の開口部は、スリット形状ではなく円形状となっている。また、第1変形例におけるセパレータ600aの燃料ガス排出流路640aは、複数設けられ、酸化ガス供給流路650aと同様に櫛歯状に形成されている。また、第1変形例における燃料ガス排出流路640aは、実施例における燃料ガス排出流路640と異なり、対向領域の上側の辺の全長に亘って形成されておらず、対向領域の左辺の上側近傍の狭い領域にのみ重なる。第1変形例における酸化ガス排出流路660aおよび燃料ガス供給流路630aの形状は、説明した燃料ガス排出流路640aおよび酸化ガス供給流路650aの形状と同様である。
The
図11には、本変形例に用いられる発電体810aが一点波線で示されている。本変形例における発電体810では、第1の領域A1はL字型の領域となり、第2の領域A2は、それ以外の領域とある。以上のように、発電体810における第1の領域A1および第2の領域A2は、用いられるセパレータの構成に応じて、適宜変更されるものである。
In FIG. 11, the
・第2変形例:
上記実施例では、発電体810の第1の領域A1において、アノード電極層812とカソード電極層813の両方に触媒成分(例えば、白金粒子PT)を含まないことしているが、いずれか一方に触媒成分を含まないこととしても良い。かかる場合でも、第1の領域A1における電気化学反応を抑制して、第1の領域A1における発熱を抑制することができる。
・ Second modification:
In the above embodiment, in the first region A1 of the
・第3変形例:
実施例における発電体810の第1の領域A1において、アノード電極層812およびカソード電極層813に、カーボン粒子CBに加えて、ラジカル捕捉剤を配置しても良い。ラジカル捕捉剤には、セリウム酸化物(例えば、CeO2(二酸化セリウム))などの希土類酸化物、ジルコニウム酸化物が用いられる。
・ Third modification:
In the first region A1 of the
燃料電池の電極反応の副作用により生成水内には、過酸化水素(H2O2)が発生する。過酸化水素が、例えば、以下の式(1)〜(4)に示す反応に供せられることにより、ラジカル(例えば、・OH(ヒドロキシラジカル)、・OOH(ハイドロパーオキシラジカル)、・H(水素ラジカル))が生成される。
2H2O2→・OH+・OOH+H2O …(1)
H2O2+H++e-→・OH+H2O …(2)
・OH+H2→H2O+・H …(3)
H2O2+e-→・OH+OH- …(4)
これらのラジカルは、活性が高く、反応性に富むので、電解質層と反応する。ラジカルとの反応によって、電解質層は、分解され、損傷を受ける。
Hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) is generated in the produced water due to side effects of the electrode reaction of the fuel cell. Hydrogen peroxide is subjected to, for example, the reactions shown in the following formulas (1) to (4), whereby radicals (for example, .OH (hydroxy radical), .OOH (hydroperoxy radical), .H ( Hydrogen radicals)) are generated.
2H 2 O 2 → OH + OOH + H 2 O (1)
H 2 O 2 + H + + e − → · OH + H 2 O (2)
・ OH + H2 → H 2 O + · H (3)
H 2 O 2 + e − → · OH + OH − (4)
Since these radicals are highly active and highly reactive, they react with the electrolyte layer. By reaction with radicals, the electrolyte layer is decomposed and damaged.
ラジカルを含む生成水が第1の領域A1に溜まることにより、電解質層811は損傷を受けるおそれがある。本変形例では、第1の領域A1においてラジカル捕捉剤によりラジカルを固定して安定化することができる。この結果、ラジカルによる電解質層811の損傷を抑制することができる。
The generated water containing radicals may accumulate in the first region A1, and the
・第4変形例:
上記実施例における発電体810では、電極層812、813において、第1の領域A1には白金粒子PTを配置せず、第2の領域A2にのみ白金粒子PTを配置している。これに代えて、電極層812、813において、第1の領域A1における白金粒子PTの単位面積あたりの量を、第2の領域A2における白金粒子PTの単位体積あたりの量より少なくしても良い。例えば、第2の領域A2における白金粒子PTの量を0.2mg/cm2、第1の領域A1における白金粒子PTの量を0.05mg/cm2としても良い。かかる場合でも、第1の領域A1における電気化学反応を抑制して、第1の領域A1における発熱を抑制することができる。
-Fourth modification:
In the
・その他の変形例:
上記各実施例では、積層部材800の各部材やセパレータ600の各部材の材料を特定しているが、これらの材料に限定されるものではなく、適正な種々の材料を用いることができる。例えば、アノード側多孔体840およびカソード側多孔体850を、金属多孔体を用いて形成するとしているが、例えばカーボン多孔体といった他の材料を用いて形成することも可能である。また、セパレータ600は、金属を用いて形成するとしているが、例えばカーボンといった他の材料を用いることも可能である。
・ Other variations:
In each said Example, although the material of each member of the
上記各実施例では、セパレータ600は3層の金属板を積層した構成であり、その対向領域に対応する部分が平坦な形状であるとしているが、これに代えて他の任意の形状とすることが可能である。具体的には、対向領域に対応する表面に溝状の反応ガス流路が形成されたセパレータ(例えば、カーボンで作製される)を採用しても良いし、対向領域に対応する部分に反応ガス流路として機能する波板形状を有するセパレータ(例えば、金属板をプレス成形して作製される)を採用しても良い。
In each of the above-described embodiments, the
また、上記実施例では、積層部材800は、発電体810、アノード側拡散層820およびカソード側拡散層830、アノード側多孔体840およびカソード側多孔体850から構成されているが、これに限られない。例えば、反応ガス流路が形成されたセパレータや、反応ガス流路として機能する波板形状を有するセパレータを用いる場合には、アノード側およびカソード側多孔体は無くても良い。
In the above embodiment, the
以上、本発明の実施例および変形例について説明したが、本発明はこれらの実施例および変形例になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の態様での実施が可能である。 As mentioned above, although the Example and modification of this invention were demonstrated, this invention is not limited to these Example and modification at all, and implementation in a various aspect is possible within the range which does not deviate from the summary. It is.
100…燃料電池
110…酸化ガス供給マニホールド
120…酸化ガス排出マニホールド
130…燃料ガス供給マニホールド
140…燃料ガス排出マニホールド
150…冷却媒体供給マニホールド
160…冷却媒体排出マニホールド
200…発電モジュール
300…アノードプレート
300…プレート
322〜332…マニホールド形成部
350…燃料ガス供給スリット
354…燃料ガス排出スリット
400…カソードプレート
422〜432…マニホールド形成部
440…酸化ガス供給スリット
444…酸化ガス排出スリット
500…中間プレート
522〜532…マニホールド形成部
542…酸化ガス供給流路形成部
544…酸化ガス排出流路形成部
546…燃料ガス供給流路形成部
548…燃料ガス排出流路形成部
550…冷却媒体流路形成部
600、600a…セパレータ
600a…セパレータ
630、630a…燃料ガス供給流路
640、640a…燃料ガス排出流路
650、650a…酸化ガス供給流路
660、660a…酸化ガス排出流路
670、670a…冷却媒体流路
700…シール部材
710…支持部
720…リブ
800…積層部材
810…発電体
811…電解質層
812…アノード電極層
813…カソード電極層
820…アノード側拡散層
830…カソード側拡散層
840…アノード側多孔体
850…カソード側多孔体
DESCRIPTION OF
Claims (6)
反応ガスを流動させるために、内部を通り表面に開口するように形成された反応ガス流路を有する複数のセパレータと、
前記セパレータと交互に積層されると共に、前記セパレータの前記反応ガス流路と積層方向に重なる第1の領域と前記反応ガス流路と積層方向に重ならない第2の領域に、電解質層と、前記電解質層の一の側に配置される第1の電極層と、前記電解質層の他の側に配置される第2の電極層と、を有する複数の発電体と、
前記第1の領域に含まれる前記第1の電極層と前記第2の領域に含まれる前記第1の電極層とに接して配置される第1の多孔体と、
前記第1の領域に含まれる前記第2の電極層と前記第2の領域に含まれる前記第2の電極層とに接して配置される第2の多孔体と、
を備え、
前記第1の電極層と前記第2の電極層の少なくとも一方において、前記第2の領域には触媒成分を含み、前記第1の領域には触媒成分を含まない、燃料電池。 A fuel cell,
A plurality of separators having a reaction gas flow path formed so as to flow through the inside and open to the surface in order to flow the reaction gas;
An electrolyte layer and a front layer are alternately stacked with the separator, in a first region that overlaps with the reaction gas channel of the separator in the stacking direction and a second region that does not overlap with the reaction gas channel in the stacking direction. a first electrode layer disposed on one side of the serial electrolyte layer, and a plurality of power generating bodies having a second electrode layer, the disposed on the other side of the pre-Symbol electrolyte layer,
A first porous body disposed in contact with the first electrode layer included in the first region and the first electrode layer included in the second region;
A second porous body disposed in contact with the second electrode layer included in the first region and the second electrode layer included in the second region;
Equipped with a,
At least one of the before and Symbol first electrode layer and the second electrode layer, wherein the the second region catalyst component, wherein the first region does not include the catalyst components, fuel cells.
前記セパレータは、前記発電体の前記第2の領域と積層方向に重なる部分に、内部を通る冷却媒体流路を有する燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein
The separator is a fuel cell having a cooling medium flow path passing through an inside of a portion overlapping the second region of the power generator in the stacking direction.
前記第1の電極層および前記第2電極層は、前記触媒成分と共に、触媒作用を有しない非触媒成分を有し、
前記第1の電極層と前記第2の電極層の少なくとも一方において、前記第1の領域には、前記非触媒成分を含み、前記触媒成分を含まない、燃料電池。 The fuel cell according to claim 1 or 2,
The first electrode layer and the second electrode layer have, together with the catalyst component, a non-catalytic component having no catalytic action,
In at least one of the first electrode layer and the second electrode layer, the first region includes the non-catalytic component and does not include the catalytic component.
前記非触媒成分は、カーボンを含む、燃料電池。 The fuel cell according to claim 3, wherein
The fuel cell, wherein the non-catalytic component includes carbon.
前記非触媒成分は、ラジカル成分を捕捉するラジカル捕捉剤を含む、燃料電池。 The fuel cell according to claim 3 or 4,
The non-catalytic component includes a radical scavenger that traps a radical component.
前記セパレータは、第1のプレートと、第2のプレートと、前記第1のプレートと前記第2のプレートとの間に配置された中間プレートとを含む積層構造を有し、
前記反応ガス流路は、前記中間プレートを貫通する第1の貫通部と、前記第1のプレートまたは前記第2のプレートを貫通する第2の貫通部とによって形成される、燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 5,
The separator has a laminated structure including a first plate, a second plate, and an intermediate plate disposed between the first plate and the second plate,
The reaction gas channel is a fuel cell formed by a first penetration part that penetrates the intermediate plate and a second penetration part that penetrates the first plate or the second plate.
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