JP5233183B2 - Fuel cell and fuel cell system. - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池及び燃料電池システムに関し、空冷式の固体高分子型燃料電池システムに好適に用いることができる。 The present invention relates to a fuel cell and a fuel cell system, and can be suitably used for an air-cooled solid polymer fuel cell system.
固体高分子型燃料電池は、高分子電解質からなる膜が触媒層で挟まれ、さらにその触媒層の外側を集電及びガス拡散の役割を果たす拡散層で挟まれた膜−電極接合体を備えている。触媒層は、白金等の触媒を担持してなるカーボン粒子と、ナフィオン(登録商標、Nafion(Dupont社製))等の高分子固体電解質が混合されている。そして、膜−電極接合体の両面は、空気や水素のガス流路を備えたセパレータで挟持されて単位セルが構成され、さらにこの単位セルが複数積層されたスタックが形成されている。 A polymer electrolyte fuel cell includes a membrane-electrode assembly in which a membrane made of a polymer electrolyte is sandwiched between catalyst layers, and the outside of the catalyst layer is sandwiched between diffusion layers that play a role of current collection and gas diffusion. ing. In the catalyst layer, carbon particles carrying a catalyst such as platinum and a solid polymer electrolyte such as Nafion (registered trademark, Nafion (manufactured by Dupont)) are mixed. The both surfaces of the membrane-electrode assembly are sandwiched by separators having air or hydrogen gas flow paths to form unit cells, and a stack in which a plurality of unit cells are stacked is formed.
この固体高分子型燃料電池では以下の電気化学反応が行われる。
アノード側:H2 → 2H++2e−
カソード側:1/2O2+2H++2e− → H2O
全反応 :H2+1/2O2 → H2O
すなわち、水素がアノード側のセパレータのガス流路に供給され、拡散層を通って触媒層に供給される。そして、触媒層での電気化学反応によって水素が酸化されてプロトンと電子とが生成する。こうして生成したプロトンは、オキソニウムイオンの形態で水を引き連れながら触媒層および高分子固体電解質内を移動し、カソード側に達する。一方、カソード側に供給された酸素は、オキソニウムイオンと結合し、水が生成する。
In this polymer electrolyte fuel cell, the following electrochemical reaction is performed.
Anode side: H 2 → 2H + + 2e −
Cathode side: 1 / 2O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O
Total reaction: H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O
That is, hydrogen is supplied to the gas flow path of the separator on the anode side, and supplied to the catalyst layer through the diffusion layer. Then, hydrogen is oxidized by the electrochemical reaction in the catalyst layer to generate protons and electrons. The protons thus generated move in the catalyst layer and the polymer solid electrolyte while drawing water in the form of oxonium ions, and reach the cathode side. On the other hand, oxygen supplied to the cathode side combines with oxonium ions to generate water.
以上のように、固体高分子型燃料電池では、アノード側からカソード側に向かって水が移動するため、アノード側では膜−電極接合体が乾燥しやすくなり、燃料電池の内部抵抗が大きくなり、燃料電池の出力の低下原因となる。一方、カソード側ではアノード側から水が供給されるが、燃料電池自体の発熱によって水の蒸気圧は高くなっており、セパレータのガス流路を流れる空気によって蒸発した水が多量に持ち去られるため、カソード側においても膜−電極接合体が乾燥状態になることがある。 As described above, in the polymer electrolyte fuel cell, since water moves from the anode side toward the cathode side, the membrane-electrode assembly is easily dried on the anode side, and the internal resistance of the fuel cell increases. This will cause a decrease in the output of the fuel cell. On the other hand, water is supplied from the anode side on the cathode side, but the vapor pressure of water is increased by the heat generated by the fuel cell itself, and a large amount of water evaporated by the air flowing through the gas flow path of the separator is taken away. Even on the cathode side, the membrane-electrode assembly may be in a dry state.
膜−電極接合体を構成する固体高分子電解質膜が乾燥した場合には、プロトン導電性が低下し、燃料電池の内部抵抗が大きくなり、発電することが困難となる。このため、膜−電極接合体を冷却して水の蒸気圧を小さくしたり、カソード側に供給される空気を加湿したりして、膜−電極接合体の乾燥を防ぐことが行われている。しかし、このためには冷却装置や加湿装置が必要となるため、構造が複雑化、大型化し、製造コストも高騰化するという問題があった。また、燃料電池により発電した電力の一部で冷却装置や加湿装置を作動させるため、エネルギー効率が悪くなるという問題もあった。 When the solid polymer electrolyte membrane constituting the membrane-electrode assembly is dried, proton conductivity is lowered, the internal resistance of the fuel cell is increased, and it is difficult to generate power. For this reason, the membrane-electrode assembly is cooled to reduce the vapor pressure of water, or the air supplied to the cathode is humidified to prevent drying of the membrane-electrode assembly. . However, this requires a cooling device and a humidifying device, which has the problem that the structure becomes complicated and large, and the manufacturing cost increases. In addition, since the cooling device and the humidifying device are operated by a part of the electric power generated by the fuel cell, there is a problem that the energy efficiency is deteriorated.
この点、空冷式の固体高分子型燃料電池であれば、冷却装置が不要となる。しかし、空冷式の固体高分子型燃料電池では、ストイキ比(すなわち、供給している水素ガスとの反応に必要な空気量に対する供給する空気量の比率)を大きくすることによって膜−電極接合体を冷却するため、カソード側に供給される空気によって持ち去られる水の量が増加し、膜−電極接合体が乾燥状態となりやすい。 In this regard, a cooling device is not required for an air-cooled solid polymer fuel cell. However, in an air-cooled solid polymer fuel cell, the membrane-electrode assembly is increased by increasing the stoichiometric ratio (that is, the ratio of the amount of air supplied to the amount of air required for reaction with the supplied hydrogen gas). Therefore, the amount of water carried away by the air supplied to the cathode side increases, and the membrane-electrode assembly tends to be in a dry state.
また、固体高分子型燃料電池における膜−電極接合体の乾燥を防止する方法として、拡散層の反応層と接する側又は拡散層の両面に導電性の撥水層を設けることも提案されている(特許文献1)。この導電性撥水層付き拡散層を用いた燃料電池では、反応層に存在する水が導電性撥水層によってはじかれて通過が困難となるため、乾燥し難く、カソード側に供給される空気を加湿しなくても、発電効率がそれほど低下しないとされている。
上記特許文献1に記載の燃料電池は、加湿器を必要としないとされているが、それにはメタノール改質器を備えていることが要件とされている。メタノール改質器から得られる水素には多量の水蒸気が含まれているため、たとえ反応ガスを加湿器で加湿しなかったとしても、水素と一緒に供給される水蒸気によって膜−電極接合体に水が供給される。
しかし、メタノール改質器を備えるためには、やはり装置が複雑化、大型化し、製造コストも高騰化することとなる。このため、加湿器や冷却装置やメタノール改質器がなくても駆動可能な、膜−電極接合体の乾燥を高度に防ぐことができる拡散層が求められていた。
The fuel cell described in
However, in order to provide a methanol reformer, the apparatus becomes complicated and large, and the manufacturing cost increases. For this reason, there has been a demand for a diffusion layer that can be driven without a humidifier, a cooling device, or a methanol reformer and can highly prevent drying of the membrane-electrode assembly.
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、膜−電極接合体の乾燥を高度に防ぐことができる燃料電池及び燃料電池システムを提供することを解決すべき課題としている。 This invention is made | formed in view of the said conventional situation, Comprising: It is set as the problem which should be solved to provide the fuel cell and fuel cell system which can prevent the drying of a membrane-electrode assembly highly.
本発明の第1の局面の燃料電池は、固体高分子電解質層の両側を、反応層と拡散層とからなる燃料極及び酸素極で挟持した燃料電池において、酸素極及び/又は燃料極の拡散層は、前記反応層側に存在する水を拡散層内に吸い出し、前記拡散層内に液体水として保持する部材からなることを特徴とする。 A fuel cell according to a first aspect of the present invention is a fuel cell in which both sides of a solid polymer electrolyte layer are sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode composed of a reaction layer and a diffusion layer, and the diffusion of the oxygen electrode and / or the fuel electrode. The layer is composed of a member that sucks out the water present on the reaction layer side into the diffusion layer and holds it as liquid water in the diffusion layer.
本発明の第1の局面の燃料電池では、酸素極及び/又は燃料極の拡散層は、前記反応層側に存在する水を拡散層内に吸い出し、前記拡散層内に液体水として保持する部材からなる。このため、反応層側の水が拡散層内で保持され、ガス流路を流れるガスによって拡散層の水が持ち去られるのが抑制される。このため、膜−電極接合体の乾燥を高度に防ぐことができる。 In the fuel cell according to the first aspect of the present invention, the oxygen electrode and / or the diffusion layer of the fuel electrode sucks out the water present on the reaction layer side into the diffusion layer and holds the liquid water in the diffusion layer. Consists of. For this reason, the water on the reaction layer side is held in the diffusion layer, and it is suppressed that the water in the diffusion layer is taken away by the gas flowing through the gas flow path. For this reason, the drying of the membrane-electrode assembly can be highly prevented.
本発明の第2の局面の燃料電池では、酸素極の拡散層は、反応層で生成した水を拡散層内に吸い出し、前記拡散層内に液体水として保持する拡散層基材と、該拡散層基材の反応層側に形成され、前記拡散層基材よりも小さな細孔径を有する第1のマイクロポーラス層と、前記拡散層基材の反応層と反対側に形成され、ガスを通して液体を実質的に通さない細孔径を有する第2のマイクロポーラス層とを備えることとした。
こうであれば、酸素極の拡散層が反応層で生成した水を拡散層内に吸い出し、拡散層内に液体水として保持される。このため、酸素極に空気が供給されても、水は拡散層に保持され、空気中へ蒸発して持ち去られる量が少なくなる。このため、膜−電極接合体の乾燥を高度に防ぐことができる。
In the fuel cell according to the second aspect of the present invention, the diffusion layer of the oxygen electrode sucks out the water generated in the reaction layer into the diffusion layer and holds it as liquid water in the diffusion layer, and the diffusion layer. A first microporous layer formed on the reaction layer side of the layer base material and having a pore size smaller than that of the diffusion layer base material; And a second microporous layer having a pore diameter that does not substantially pass.
If it is like this, the diffusion layer of the oxygen electrode sucks out the water produced in the reaction layer into the diffusion layer, and is retained as liquid water in the diffusion layer. For this reason, even if air is supplied to the oxygen electrode, water is retained in the diffusion layer, and the amount that is evaporated and taken away into the air is reduced. For this reason, the drying of the membrane-electrode assembly can be highly prevented.
本発明の第3の局面の燃料電池では、燃料極の拡散層は、酸素極の反応層で生成した水が固体高分子電解質層を逆拡散して該燃料極側に移動した水を保持可能な拡散層基材と、該拡散層基材の反応層側に形成され、前記拡散層基材よりも小さな細孔径を有する第1のマイクロポーラス層と、前記拡散層基材の反応層と反対側に形成され、ガスを通して液体を実質的に通さない細孔径を有する第2のマイクロポーラス層とを備えることとした。
こうであれば、固体高分子電解質層を逆拡散で移動してきた水が拡散層に保持されるため、水素ガス中へ蒸発して持ち去られる量が少なくなる。このため、やはり膜−電極接合体の乾燥を高度に防ぐことができる。
In the fuel cell according to the third aspect of the present invention, the diffusion layer of the fuel electrode can hold the water generated in the reaction layer of the oxygen electrode through the back diffusion of the solid polymer electrolyte layer and moved to the fuel electrode side. A diffusion layer substrate, a first microporous layer formed on the reaction layer side of the diffusion layer substrate and having a smaller pore diameter than the diffusion layer substrate, and opposite to the reaction layer of the diffusion layer substrate And a second microporous layer having a pore diameter that is formed on the side and does not substantially allow liquid to pass through the gas.
In this case, since the water that has moved through the solid polymer electrolyte layer by back diffusion is retained in the diffusion layer, the amount that is evaporated and carried away into the hydrogen gas is reduced. For this reason, the drying of the membrane-electrode assembly can also be prevented to a high degree.
燃料ガス供給のための改質装置を設けていない燃料電池や、加湿器を設けていない燃料電池では、燃料ガスに水蒸気をほとんど含まないため、燃料極側の拡散層も乾燥しやすくなる。このような場合において、本発明の第3の局面の燃料電池は、特に有用となる。 In a fuel cell not provided with a reforming device for supplying fuel gas or a fuel cell not provided with a humidifier, the fuel gas contains almost no water vapor, so that the diffusion layer on the fuel electrode side is also easily dried. In such a case, the fuel cell according to the third aspect of the present invention is particularly useful.
本発明の第4の局面の燃料電池では、拡散層は、水を保持する拡散層基材と、該拡散層基材の反応層側に形成され、前記拡散層基材よりも小さな細孔径を有する第1のマイクロポーラス層と、前記拡散層基材の反応層と反対側に形成され、ガスを通して液体を実質的に通さない細孔径を有する第2のマイクロポーラス層とを備えることとした。 In the fuel cell according to the fourth aspect of the present invention, the diffusion layer is formed on the diffusion layer base material holding water and the reaction layer side of the diffusion layer base material, and has a pore size smaller than that of the diffusion layer base material. And a second microporous layer formed on the side opposite to the reaction layer of the diffusion layer base material and having a pore diameter that does not substantially allow liquid to pass through the gas.
水が連通する細孔を通過する場合に必要とされる水圧ΔPは、次式(1)で示されることが知られている。
本発明の第5の局面の燃料電池では、第1と第2のマイクロポーラス層は、細孔径が0.15μm以下であるとした。上記式(1)によれば、マイクロポーラス層の細孔径が小さいほど、水がマイクロポーラス層を通過する場合に必要とされる水圧ΔPは大きくなり、水が通過し難くなる。発明者の試験結果によれば、マイクロポーラス層の細孔径が0.15μm以下であれば、反応ガスに加湿をせず、空冷式の燃料電池の拡散層として用いたとしても、電圧降下は小さくなり、発電効率も良好となる。なお、ここでいう細孔径とは、マイクロポーラス層に存在する細孔のうち、外部と連通する細孔径のことをいう。このような細孔径は、ポロシメータによって測定することができる。 In the fuel cell according to the fifth aspect of the present invention, the first and second microporous layers have a pore diameter of 0.15 μm or less. According to the above formula (1), the smaller the pore size of the microporous layer, the greater the water pressure ΔP required when water passes through the microporous layer, making it difficult for water to pass. According to the inventor's test results, if the microporous layer has a pore size of 0.15 μm or less, even if it is used as a diffusion layer of an air-cooled fuel cell without humidifying the reaction gas, the voltage drop is small. As a result, the power generation efficiency is improved. Here, the pore diameter means a pore diameter communicating with the outside among the pores existing in the microporous layer. Such a pore diameter can be measured with a porosimeter.
本発明の第6の局面の燃料電池では、第1と第2のマイクロポーラス層は、多数のカーボン粒子を有し、カーボン粒子問に生じる隙間で細孔径が制御されているとした。カーボン粒子は通常、細かい粒子が凝集して2次粒子を形成しており、この2次粒子には外部と連通する細孔(すなわち、カーボン粒子問に生じる隙間)が存在しており、この連通する細孔の径が小さいほど、マイクロポーラス層を水が通過しにくくなる。このため、マイクロポーラス層の原料に用いたカーボンの細孔径は、マイクロポーラス層の細孔径とほぼ一致する。したがって、カーボン粒子問に生じる隙間で細孔径をすれば、マイクロポーラス層の細孔径を制御することができる。 In the fuel cell according to the sixth aspect of the present invention, the first and second microporous layers have a large number of carbon particles, and the pore diameter is controlled by gaps generated between the carbon particles. Carbon particles usually have fine particles agglomerated to form secondary particles, and the secondary particles have pores communicating with the outside (that is, gaps formed in the carbon particles). The smaller the pore diameter is, the more difficult it is for water to pass through the microporous layer. For this reason, the pore diameter of the carbon used as the raw material for the microporous layer substantially matches the pore diameter of the microporous layer. Therefore, the pore diameter of the microporous layer can be controlled by setting the pore diameter in the gap generated in the carbon particles.
本発明の第7の局面の燃料電池では、第1と第2のマイクロポーラス層は、撥水性樹脂が添加されていることとした。こうであれば、マイクロポーラス層の水濡性が低下し、ガス透過性を妨げることなく、水の透過を防止することができる。このため、反応層への酸素ガスの供給を妨げることなく、膜−電極接合体の乾燥を防ぐことができる。 In the fuel cell according to the seventh aspect of the present invention, the first and second microporous layers are added with a water-repellent resin. In this case, the water wettability of the microporous layer is reduced, and water permeation can be prevented without hindering gas permeability. For this reason, drying of the membrane-electrode assembly can be prevented without hindering the supply of oxygen gas to the reaction layer.
本発明の第8の局面の燃料電池では、拡散層は金属多孔体からなることとした。金属多孔体であれば、拡散層の機械的強度を大きくすることができるため、拡散層を薄くして燃料電池を小型化・軽量化することができる。また、セパレータを拡散層に押しあててガス流路を形成する場合に、押圧による拡散層の変形したり、破壊されたりすることを防ぐことができる。金属としては燃料電池内の腐食環境に耐える金属であれば用いることができる。このような金属として、例えば、チタン焼結体、ステンレス焼結体、Ni-セルメット、ステンレス焼結体等が挙げられる。 In the fuel cell according to the eighth aspect of the present invention, the diffusion layer is made of a metal porous body. If the porous metal body is used, the mechanical strength of the diffusion layer can be increased. Therefore, the diffusion layer can be thinned to reduce the size and weight of the fuel cell. Further, when the gas channel is formed by pressing the separator against the diffusion layer, it is possible to prevent the diffusion layer from being deformed or broken due to the pressing. Any metal that can withstand the corrosive environment in the fuel cell can be used. Examples of such metals include titanium sintered bodies, stainless steel sintered bodies, Ni-Celmet, and stainless steel sintered bodies.
本発明の燃料電池を用いて、燃料電池システムを製造することができる。すなわち、本発明の燃料電池システムは、
固体高分子電解質層の両側を、反応層と拡散層とからなる燃料極及び酸素極で挟持した燃料電池と、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手投と、前記酸素極に酸化ガス及び冷媒ガスとしての空気を供給する空気供給手段と、空気供給量を制御して前記燃料電池の温度を制御する制御手段とを備えた燃料電池システムにおいて、
少なくとも酸素極の拡散層は、前記反応層で生成した水を拡散層内に吸い出し、前記拡散層内に液体水として保持する部材からなり、
前記制御手段は、供給空気のストイキ比を10から200の範囲となるように制御することを特徴とする。
A fuel cell system can be manufactured using the fuel cell of the present invention. That is, the fuel cell system of the present invention is
A fuel cell in which both sides of a solid polymer electrolyte layer are sandwiched by a fuel electrode and an oxygen electrode composed of a reaction layer and a diffusion layer, a fuel gas supply hand-pump for supplying fuel gas to the fuel electrode, and an oxidation to the oxygen electrode In a fuel cell system comprising air supply means for supplying air as gas and refrigerant gas, and control means for controlling the temperature of the fuel cell by controlling the air supply amount,
At least the diffusion layer of the oxygen electrode is composed of a member that sucks out water generated in the reaction layer into the diffusion layer and holds it as liquid water in the diffusion layer,
The control means controls the stoichiometric ratio of the supply air to be in the range of 10 to 200.
本発明の燃料電池システムでは、酸素極の拡散層が反応層で生成した水を拡散層内に吸い出し、拡散層内に液体水として保持する部材からなる。このため、上述したように、膜−電極接合体の乾燥を高度に防止することができる。このため供給空気のストイキ比が10から200という高い領域においても、膜−電極接合体の乾燥を防ぐことができ、燃料電池の出力を維持することができる。このため、空冷式固体高分子型燃料電池のように、供給空気のストイキ比の大きな固体高分子型燃料電池にも好適に用いることができる。さらには、空冷式固体高分子型燃料電池において、メタノール改質器がなくても駆動可能とすることができる。空気供給手段としては、シロッコファン、ターボファン等の各種の送風機を用いることができる。 In the fuel cell system of the present invention, the diffusion layer of the oxygen electrode comprises a member that sucks out the water produced in the reaction layer into the diffusion layer and holds it as liquid water in the diffusion layer. For this reason, as described above, drying of the membrane-electrode assembly can be highly prevented. For this reason, even in a region where the stoichiometric ratio of the supply air is as high as 10 to 200, the membrane-electrode assembly can be prevented from drying, and the output of the fuel cell can be maintained. Therefore, it can be suitably used for a polymer electrolyte fuel cell having a large stoichiometric ratio of supply air, such as an air-cooled polymer electrolyte fuel cell. Furthermore, the air-cooled solid polymer fuel cell can be driven without a methanol reformer. Various air blowers such as a sirocco fan and a turbo fan can be used as the air supply means.
以下、本発明に係る燃料電池を具体化した実施形態について説明する。
(実施形態1)
実施形態1の燃料電池は、図1に示す燃料電池単層セル10が複数個積層されて構成されている。この燃料電池単層セル10は、ナフィオン(登録商標)からなる高分子電解質膜11が酸素側拡散層12及び水素側拡散層13によって挟持されており、さらにその外側に溝状のガス流路が形成されたセパレータ14、15が図示しない取付治具により圧接されている。
Hereinafter, embodiments embodying a fuel cell according to the present invention will be described.
(Embodiment 1)
The fuel cell of
酸素側拡散層12は、ガス拡散が可能なカーボン製の織物やカーボン製の紙等からなる拡散層基材12aの両面に、カーボン粉末と撥水性樹脂とを含む多孔性の第1マイクロポーラス層12b及び第2マイクロポーラス層12cが形成されており、さらに第1マイクロポーラス層12b側に白金触媒が担持されたカーボンとPTFEとを含有する反応層12dが形成されている。
The oxygen
また、水素側拡散層13は拡散層基材13aの高分子電解質膜11側に、白金触媒が担持されたカーボンとPTFEとを含有する反応層13bが形成されている。
In the hydrogen-
拡散層基材12a、13aとしては、例えば、カーボンクロス、カーボンペーパー、カーボン繊維からなる不織布等を用いることができる。また、第1及び第2マイクロポーラス層12b、12cとしては、撥水性樹脂粉末と、カーボン粉末とを混合して用いることができる。撥水性樹脂粉末として具体的には、フルオロカーボン系ポリマー(たとえばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン/ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン/パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリフッ化ビニル(PVF)、エチレン/テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、エチレン/クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)等)とが挙げられる。また、カーボン粉末としては、例えばカーボンブラック、黒鉛粉、カーボンナノファイバー、ファーネスブラック、アセチレンブラック等が挙げられる。
As the diffusion
以上のように構成された実施形態1の燃料電池単層セル10では、酸素極側の拡散層基材12aの反応層12d側に、拡散層基材12aよりもはるかに小さな細孔径を有する第1マイクロポーラス層12bが設けられているため、水蒸気は透過しやすく、液体水は透過し難くなることから、酸化ガスの拡散を妨げる過剰な水を拡散層基材12aに排出でき、かつ、反応層12d及び固体高分子電解質層11の乾燥を防ぐことができる。また、第2マイクロポーラス層12cもガスを通して液体を通さない細孔径を有するため、水蒸気の状態でしか酸素側のセパレータ14の流路側へ移動することはできない。このため、拡散層基材12aで液体として保持することができ、反応層12dが乾燥した際には、保持している水を供給することができる。このため、高分子固体電解質膜11の乾燥を高度に防ぐことができる。
In the fuel cell single-
(実施形態2)
実施形態2の燃料電池単層セル20は、図2に示すように、水素側拡散層16にも拡散層基材16aの両面に、カーボン粉末と撥水性樹脂とを含む多孔性のマイクロポーラス層16b、16cが形成されており、さらに高分子電解質膜11側に白金触媒が担持されたカーボンとナフィオンとを含有する反応層16dが形成されている。その他の構成は実施形態1と同様であり、同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
(Embodiment 2)
As shown in FIG. 2, the fuel cell single-
以上のように構成された実施形態2の燃料電池単層セル20では、水素極側の拡散層16にも、酸素極側の拡散層12と同様の第1マイクロポーラス層16b及び第2マイクロポーラス層16cが形成されている。このため、酸素極側のみならず、燃料ガス中へ蒸発して持ちさられる量が少なくなり、高分子固体電解質膜11の乾燥をさらに高度に防ぐことができる。
In the fuel cell
(実施例1)
ポリテトラフルオロエチレンの微粉末をカーボンブラック粉末(一次粒子径16nm)に対して35重量部%となるように混合し、その後、平織りのカーボンクロスを用意し、上記の溶着した自立膜2枚で挟んで345°Cで熱圧着させて一体化する。
次に、市販の白金担持カーボン(白金含有量60wt%)1gに、ナフィオン(登録商標)溶液(5wt%水/イソプロパノール溶液)2g〜200gを加え、ハイブリッドミキサーで撹拌し、触媒ペーストとし、上記の方法によって一体化した膜の表面にPt担持量が0.01〜2mg/cm2となるように印刷して、乾燥して反応層付の拡散層を得た。
なお、拡散層の上に印刷して反応層を形成する替わりに、ポリテトラフルオロエチレン製のシート上に上記触媒ペーストで印刷し、乾燥後、剥離させて自立した反応層膜を作製し、これを拡散層と熱圧着させて反応層を形成してもよい。
Example 1
A fine powder of polytetrafluoroethylene is mixed with the carbon black powder (
Next, 2 g to 200 g of Nafion (registered trademark) solution (5 wt% water / isopropanol solution) is added to 1 g of commercially available platinum-supporting carbon (
Instead of printing on the diffusion layer to form the reaction layer, the catalyst paste is printed on a polytetrafluoroethylene sheet, dried, and peeled to produce a self-supporting reaction layer film. The reaction layer may be formed by thermocompression bonding with a diffusion layer.
以上のようにして作製した酸素極側反応層付拡散層と、反応層側のみ膜を圧着させた水素極側反応層付拡散層とを用意し、ナフィオン(登録商標)からなる高分子電解質膜の両側から反応層で挟み、ホットプレスによって圧着した。さらに、その外側に酸素及び水素のガス供給路を形成して燃料電池単層セルを作製した。 A polymer electrolyte membrane made of Nafion (registered trademark) is prepared by preparing a diffusion layer with an oxygen electrode side reaction layer produced as described above and a diffusion layer with a hydrogen electrode side reaction layer obtained by pressure-bonding the membrane only on the reaction layer side. The reaction layer was sandwiched from both sides and pressed by hot pressing. Further, oxygen and hydrogen gas supply passages were formed on the outside thereof to produce a fuel cell single layer cell.
(実施例2)
実施例2では、マイクロポーラス層を形成するためのカーボンとして、一次粒子径が35nmのカーボンブラックを用いた。その他は実施例1の燃料電池単層セルと同様であり、説明を省略する。
(Example 2)
In Example 2, carbon black having a primary particle diameter of 35 nm was used as carbon for forming the microporous layer. Others are the same as those of the fuel cell single-layer cell of Example 1, and the description is omitted.
(実施例3)
実施例3では、マイクロポーラス層を形成するためのカーボンとして、一次粒子径が48nmのカーボンブラックを用いた。その他は実施例1の燃料電池単層セルと同様であり、説明を省略する。
(Example 3)
In Example 3, carbon black having a primary particle diameter of 48 nm was used as carbon for forming the microporous layer. Others are the same as those of the fuel cell single-layer cell of Example 1, and the description is omitted.
(比較例1)
比較例1では、反応層側にのみマイクロポーラス層を形成し、流路側にはマイクロポーラス層を形成しなかった。その他は実施例3の燃料電池単層セルと同様であり、説明を省略する。
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, the microporous layer was formed only on the reaction layer side, and the microporous layer was not formed on the flow path side. Others are the same as the fuel cell single layer cell of Example 3, and description is abbreviate | omitted.
実施例1〜3及び比較例1において、マイクロポーラス層の細孔分布を図3に示す。 In Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, the pore distribution of the microporous layer is shown in FIG.
<評価>
こうして作製した実施例1〜3及び比較例1の燃料電池単層セルの空気極側のセパレータのガス流路に、図4に示すように、エアポンプ31と、エアの温度と、エアの湿度とを調節するための制御装置32を接続する。さらに、燃料極側のセパレータのガス流路に、水素ガス供給装置33を接続する。そして、燃料極側セパレータのガス流路に、水素ガス供給装置33から乾燥した水素ガスを導入するとともに、酸素側のセパレータのガス流路に、供給空気のストイキ比が30となるように制御装置32で制御しながら供給し、セル温度を60°Cとし、様々な露点におけるセル電圧を測定した。
<Evaluation>
As shown in FIG. 4, in the gas flow path of the separator on the air electrode side of the fuel cell single layer cells of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 produced in this way, the
その結果、図5及び図6に示すように、実施例1〜3では低い露点温度においても高いセル電圧を示し、特に、マイクロポーラス層に一次粒子径が16nmという最も細かいカーボンを用いた実施例1では、最も高い値を示した。これに対し、比較例1の燃料電池単層セルではセル電圧が低く、特に電流が6Aと大きい場合には、セル電圧が0となり発電不能となった。これは、実施例1〜3では、空気極側の拡散層基材に水蒸気は透過しやすく、水は透過し難いマイクロポーラス層が形成されているため、ガス流路へ供給された空気中へ蒸発して持ちさられる量が少なくなるからである。また、以上の結果から、実施例1〜3の燃料電池単層セルでは、膜−電極接合体の乾燥を高度に防ぐことができ、供給空気を無加湿とし、燃料ガスとして乾いた水素を用いて空冷式の固体高分子電解質型燃料電池としても、優れた発電性能を奏し得ることが分かった。 As a result, as shown in FIGS. 5 and 6, Examples 1 to 3 show a high cell voltage even at a low dew point temperature, and in particular, Examples using the finest carbon whose primary particle diameter is 16 nm for the microporous layer. 1 showed the highest value. On the other hand, in the fuel cell single-layer cell of Comparative Example 1, the cell voltage was low, and particularly when the current was as large as 6 A, the cell voltage was 0 and power generation was impossible. In Examples 1 to 3, since a microporous layer in which water vapor easily permeates and water hardly permeates is formed in the diffusion layer base on the air electrode side, the air is supplied to the gas flow path. This is because the amount held by evaporation is reduced. From the above results, in the fuel cell single-layer cells of Examples 1 to 3, the membrane-electrode assembly can be highly prevented from drying, the supply air is not humidified, and dry hydrogen is used as the fuel gas. As a result, it was found that excellent power generation performance can be achieved as an air-cooled solid polymer electrolyte fuel cell.
(実施例4)
実施例4では、水素極側のマイクロポーラス層及び空気極側のマイクロポーラス層の形成材料として、1次粒子径が48nmのカーボンブラックを用いた。他の条件は実施例1の燃料電池単層セルと同じであり、説明を省略する。
Example 4
In Example 4, carbon black having a primary particle diameter of 48 nm was used as a material for forming the microporous layer on the hydrogen electrode side and the microporous layer on the air electrode side. Other conditions are the same as those of the fuel cell single-layer cell of Example 1, and the description thereof is omitted.
(実施例5)
実施例5では、水素極側のマイクロポーラス層の形成材料として、1次粒子径が48nmのカーボンブラックを用い、空気極側のマイクロポーラス層の形成材料として、1次粒子径が16nmのカーボンブラックを用いた。他の条件は実施例1の燃料電池単層セルと同じであり、説明を省略する。
(Example 5)
In Example 5, carbon black having a primary particle size of 48 nm is used as a material for forming a microporous layer on the hydrogen electrode side, and carbon black having a primary particle size of 16 nm is used as a material for forming a microporous layer on the air electrode side. Was used. Other conditions are the same as those of the fuel cell single-layer cell of Example 1, and the description thereof is omitted.
(実施例6)
実施例6では、水素極側のマイクロポーラス層及び空気極側のマイクロポーラス層の形成材料として、1次粒子径が16nmのカーボンブラックを用いた。他の条件は実施例1の燃料電池単層セルと同じであり、説明を省略する。
(Example 6)
In Example 6, carbon black having a primary particle diameter of 16 nm was used as a material for forming the microporous layer on the hydrogen electrode side and the microporous layer on the air electrode side. Other conditions are the same as those of the fuel cell single-layer cell of Example 1, and the description thereof is omitted.
<評 価>
以上のように作製した実施例4〜6の燃料電池単層セルについて、15°Cにおけるセル電圧を測定した。水素ガスは乾燥ガスを用い、流れのある封入状態で測定を行った。水素ガスは所定時間ごとにオフガスとして排気した。導入空気の露点は15°C及び25°Cとなるように制御し、温調水を循環させて燃料電池単層セルの温度を60°Cに保った。
<Evaluation>
About the fuel cell single layer cell of Examples 4-6 produced as mentioned above, the cell voltage in 15 degreeC was measured. The hydrogen gas was measured using a dry gas in a sealed state with a flow. Hydrogen gas was exhausted as off-gas every predetermined time. The dew points of the introduced air were controlled to be 15 ° C. and 25 ° C., and the temperature of the fuel cell single layer cell was maintained at 60 ° C. by circulating temperature-controlled water.
その結果、下記表1に示すように、水素極及び空気極ともに細孔径が0.15μmのマイクロポーラス層を用いた実施例4では0.32Vであるのに対し、水素極の細孔径が0.15μmであり、空気極の細孔径が0.015μmの実施例5では0.50Vとなり、水素極及び空気極ともに細孔径が0.015μmの実施例6では0.57Vとなった。
以上の結果から、水素極及び空気極のいずれも、細孔径の細かいマイクロポーラス層を形成した方が、セル電圧が高くなることが分かった。この理由は、次のように説明される。すなわち、マイクロポーラス層の細孔径が小さいほど、水がマイクロポーラス層を通過する場合に必要とされる水圧ΔPが大きくなり、水が通過し難くなる。このため、水は拡散層に保持され、固体高分子電解質層や反応層の乾燥を防ぐことができ、電圧降下は小さくなり、発電効率も良好となるのである。
From the above results, it was found that the cell voltage was higher when both the hydrogen electrode and the air electrode were formed with a microporous layer having a fine pore diameter. The reason for this is explained as follows. That is, the smaller the pore size of the microporous layer, the greater the water pressure ΔP required when water passes through the microporous layer, making it difficult for water to pass. For this reason, water is held in the diffusion layer, the drying of the solid polymer electrolyte layer and the reaction layer can be prevented, the voltage drop is reduced, and the power generation efficiency is also improved.
また、実施例4〜6の燃料電池単層セルについて、空気極側に導入する空気の露点を変えてセル電圧を測定した。測定条件としては、セル温度を60°C又は65°Cとし、導入空気の露点は14°C又は24°Cとした。水素極側に導入する水素は封入状態で循環させ、所定時間ごとにオフガスとして循環水素を排気させた。またセル電圧は2Aの定電流において測定した。また、時間経過とセル電圧、及び、時間経過と内部抵抗の関係も測定した。
セル電圧の測定結果を図8に示す。この図から、同一条件におけるセル電圧は実施例4<実施例5<実施例6であり、特に、実施例4の65°Cでの測定では、セル電圧が0となり、発電不能となることが分かった。ここで、実施例4は、水素極及び空気極ともに細孔径が0.15μmのマイクロポーラス層を用いており、実施例5では、水素極の細孔径が0.15μm、空気極の細孔径が0.015μmのマイクロポーラス層を用いており、実施例6は水素極及び空気極ともに細孔径が0.015μmのマイクロポーラス層を用いていることから、水素極及び酸素極ともに、細孔径の細かいマイクロポーラス層を形成したものほど、セル電圧が高くなることが分かった。この理由についても、マイクロポーラス層の細孔径が小さいほど水が通過し難くなり、水は拡散層に保持され、固体高分子電解質層や反応層の乾燥を防ぐことができることにより理解される。
Moreover, about the fuel cell single layer cell of Examples 4-6, the cell voltage was measured by changing the dew point of the air introduce | transduced into the air electrode side. As measurement conditions, the cell temperature was 60 ° C or 65 ° C, and the dew point of the introduced air was 14 ° C or 24 ° C. Hydrogen introduced to the hydrogen electrode side was circulated in an enclosed state, and the circulated hydrogen was exhausted as off-gas every predetermined time. The cell voltage was measured at a constant current of 2A. In addition, the relationship between the passage of time and the cell voltage, and the relationship between the passage of time and the internal resistance were also measured.
The measurement result of the cell voltage is shown in FIG. From this figure, the cell voltage under the same conditions is Example 4 <Example 5 <Example 6, and in particular, in the measurement at 65 ° C. in Example 4, the cell voltage becomes 0 and power generation is impossible. I understood. Here, Example 4 uses a microporous layer having a pore diameter of 0.15 μm for both the hydrogen electrode and the air electrode. In Example 5, the pore diameter of the hydrogen electrode is 0.15 μm and the pore diameter of the air electrode is A microporous layer of 0.015 μm is used, and since the microporous layer having a pore diameter of 0.015 μm is used for both the hydrogen electrode and the air electrode in Example 6, both the hydrogen electrode and the oxygen electrode have fine pore diameters. It was found that the cell voltage increased as the microporous layer was formed. The reason for this is also understood by the fact that the smaller the pore size of the microporous layer, the more difficult it is for water to pass through, and the water is retained in the diffusion layer and the solid polymer electrolyte layer and reaction layer can be prevented from drying.
時間経過とセル電圧、及び、時間経過と内部抵抗の関係を図9に示す。各グラフが周期的に変化するのは、オフガス排気周期と同期していることから、オフガス排気の影響であることが分かる。また、水素極及び空気極ともに0.15μmのマイクロポーラス層を用いた実施例4では、オフガス排気時にセル電圧が大きく降下し、内部抵抗も大きく跳ね上がることが分かる。そして、導入空気の露点を24°Cから14°Cに変えたと同時に、セル電圧が0となり、内部抵抗も大きく跳ね上がった。これは、オフガス排気によって、水素とともに水が排気され、固体高分子電解質層及び反応層が乾燥状態となった結果、電気化学反応及び固体高分子電解質でのプロトン移動が困難となった結果であると理解される。これに対して、実施例5では、オフガス排気時のセル電圧の降下及び内部抵抗の上昇は小さく、実施例6では、さらに小さくなる。これは、マイクロポーラス層の細孔径が小さいほど水が通過し難くなり、水は拡散層に保持され、固体高分子電解質層や反応層の乾燥を防ぐことができることにより理解される。 FIG. 9 shows the relationship between time and cell voltage, and time and internal resistance. It can be seen that the periodical change of each graph is due to the effect of offgas exhaust since it is synchronized with the offgas exhaust cycle. In Example 4 using a microporous layer of 0.15 μm for both the hydrogen electrode and the air electrode, it can be seen that the cell voltage greatly drops and the internal resistance jumps greatly during off-gas exhaust. And at the same time when the dew point of the introduced air was changed from 24 ° C. to 14 ° C., the cell voltage became 0 and the internal resistance jumped greatly. This is a result of the fact that water is exhausted together with hydrogen by off-gas exhaust, and the solid polymer electrolyte layer and the reaction layer are in a dry state, resulting in difficulty in electrochemical reaction and proton transfer in the solid polymer electrolyte. It is understood. On the other hand, in Example 5, the drop in cell voltage and the increase in internal resistance during off-gas exhaust are small, and in Example 6, it is even smaller. This is understood by the fact that the smaller the pore size of the microporous layer, the more difficult it is for water to pass through, and the water is retained in the diffusion layer, thereby preventing the solid polymer electrolyte layer and reaction layer from drying.
(実施例7)
実施例7では、拡散層の基材としてチタン焼結板材(厚さ300μm、空孔率45%、チタン20μmΦの繊維の切削粉を焼結させたもの)を用いた。その他の構成については実施例6(すなわち、水素極及び空気極ともに細孔径が0.015μmのマイクロポーラス層を用いている)と同様であり、説明を省略する。
(Example 7)
In Example 7, a titanium sintered plate (a material obtained by sintering a fiber cutting powder having a thickness of 300 μm, a porosity of 45%, and a titanium of 20 μmΦ) was used as the base material of the diffusion layer. The other configuration is the same as that of Example 6 (that is, the microporous layer having a pore diameter of 0.015 μm is used for both the hydrogen electrode and the air electrode), and the description thereof is omitted.
(実施例8)
実施例8では、拡散層の基材としてカーボンペーパーを用いた。その他の構成については実施例6と同様であり、説明を省略する。
(Example 8)
In Example 8, carbon paper was used as the base material of the diffusion layer. Other configurations are the same as those of the sixth embodiment, and the description thereof is omitted.
実施例6〜8の燃料電池単体セルについて、水素極側に水素の乾燥ガスを導入し、空気極に所定の露点の空気を導入したてセル電圧を測定した。測定時のセル電流は2A及び6Aの定電流とした。結果を図10及び図11に示す。これらの図から、ガス拡散層の種類によらず、無加湿の状態で正常に駆動することが分かった。 About the fuel cell unit cell of Examples 6 to 8, a dry gas of hydrogen was introduced into the hydrogen electrode side, and air having a predetermined dew point was introduced into the air electrode, and the cell voltage was measured. The cell current during measurement was a constant current of 2A and 6A. The results are shown in FIGS. From these figures, it was found that the operation was normally performed in a non-humidified state regardless of the type of the gas diffusion layer.
<燃料電池システム>
本発明の燃料電池システムの実施例を図7に示す。この燃料電池システムは空冷式であり、燃料電池スタック40と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池スタック40に供給するための水素ガス供給系50と、酸化ガスとしての空気を燃料電池スタック40に供給するための空気供給系60と、空気供給系60に設けられた送風機61を制御するための制御装置70とを備えている。
<Fuel cell system>
An embodiment of the fuel cell system of the present invention is shown in FIG. This fuel cell system is air-cooled, and a
燃料電池スタック40は、上述の実施例の燃料電池用単層セルを積層した構成とされており、図示しない空気流路の上流側に空気を燃料電池スタック40の空気流路内に導入するための空気マニホールド41が設けられており、空気流路の下流側には空気を排気するための空気ダクト42が設けられている。空気ダクト42には排気の温度を測定するための温度センサ43が設けられており、温度センサ43は制御装置70に接続されており、温度センサ43からの温度に関する信号を受けて、送風機61を制御可能とされている。
The
また、空気供給系60には外気を取り入れるための送風機61が設けられており、供給管62を介して空気マニホールド41に接続されている。送風機61は全圧30kPaの能力を有している。なお、空気供給系30に加湿器は備えられていない。
The
水素供給系50には、水素源となる水素ボンベ51が調整弁52〜57を介して水素ポンプ58に接続されており、水素ポンプ58からさらに燃料電池スタック40の図示しない水素ガス流路へ接続されている。
In the
以上のように構成された燃料電池システムを駆動させる場合、水素供給系50の調整弁52〜57を調整して所定の圧力とし、水素ポンプ58へ供給し、さらに水素ポンプ58を駆動することにより、燃料電池スタック40の水素ガス流路に水素ガスを所定の流量となるように供給する。
また、空気供給系60の送風機61を駆動して、空気を空気マニホールド41から燃料電池スタック40の空気流路に供給する。これにより、燃料電池スタック40内で水素ガスの電気化学的酸化反応及び酸素の電気化学的還元反応が行われ、電流が負荷80に流れる。
空気流路の供給された過剰空気は空気ダクト42から排気されるが、その排気された空気の温度を温度センサ43が感知し、制御装置70に温度に関する信号を伝える。さらに制御装置70では、温度センサ43が感知した温度と設定温度とを比較し、感知温度が設定温度よりも高い場合には送風機61の出力を上げてさらに多くの空気を送り、燃料電池スタック40を空冷する。また、感知温度が設定温度よりも低い場合には送風機61の出力を下げて、空気の流量を下げる。これにより、燃料電池スタック40の温度が上昇する。こうして、制御装置70によって、ストイキ比を調整を行うことができる。
When driving the fuel cell system configured as described above, the
Further, the
Excess air supplied to the air flow path is exhausted from the
実施例の燃料電池システムでは、燃料電池スタック40内の酸素極の拡散層が反応層で生成した水を拡散層内に吸い出し、拡散層内に液体水として保持される。このため、酸素極に空気が供給されても、水は拡散層に保持され、空気中へ蒸発して持ち去られる量が少なくなる。このため、膜−電極接合体の乾燥を高度に防ぐことができる。このため、大きなストイキ比で駆動される空冷式燃料電池であるにもかかわらず、燃料電池スタック40の膜−電極接合体の乾燥が防止され、燃料電池システムの出力の低下が防止される。
In the fuel cell system of the embodiment, the diffusion layer of the oxygen electrode in the
この発明は上記発明の実施の態様及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。 The present invention is not limited to the description of the embodiments and examples of the invention described above. Various modifications are also included in the present invention as long as those skilled in the art can easily conceive without departing from the scope of the claims.
11…固体高分子電解質層
12d、13b、16d…反応層
12、13、16…拡散層
12a、13a、16a…拡散層基材
12b、16b…第1マイクロポーラス層
12c、16c…第2マイクロポーラス層
31.61、62…空気供給手段(61…エアポンプ、62…供給管)
33、51〜58…水素ガス供給装置(51…水素ボンベ、52〜57…調整弁、58…水素ポンプ)
32、70…制御装置(制御手段)
DESCRIPTION OF
33, 51-58 ... hydrogen gas supply device (51 ... hydrogen cylinder, 52-57 ... regulating valve, 58 ... hydrogen pump)
32, 70 ... Control device (control means)
Claims (5)
酸素極及び/又は燃料極の拡散層は、前記反応層で生成した水を拡散層内に吸い出し、前記拡散層内に液体水として保持する拡散層基材と、該拡散層基材の反応層側に形成され、前記拡散層基材よりも小さな細孔径を有する第1のマイクロポーラス層と、前記拡散層基材の反応層と反対側に形成され、ガスを通して液体を実質的に通さない細孔径を有する第2のマイクロポーラス層とを備えたことを特徴とする燃料電池。 In a fuel cell in which both sides of a solid polymer electrolyte layer are sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode composed of a reaction layer and a diffusion layer,
The diffusion layer of the oxygen electrode and / or the fuel electrode includes a diffusion layer base material that sucks out water generated in the reaction layer into the diffusion layer and holds it as liquid water in the diffusion layer, and a reaction layer of the diffusion layer base material A first microporous layer having a smaller pore diameter than the diffusion layer substrate and a fine layer that is formed on the opposite side of the reaction layer of the diffusion layer substrate and substantially does not allow liquid to pass through the gas. A fuel cell comprising a second microporous layer having a pore size .
少なくとも酸素極の拡散層は、前記反応層で生成した水を拡散層内に吸い出し、前記拡散層内に液体水として保持する拡散層基材と、該拡散層基材の反応層側に形成され、前記拡散層基材よりも小さな細孔径を有する第1のマイクロポーラス層と、前記拡散層基材の反応層と反対側に形成され、ガスを通して液体を実質的に通さない細孔径を有する第2のマイクロポーラス層とを備え、
前記制御手段は、供給空気のストイキ比を10から200の範囲となるように制御することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell in which both sides of a solid polymer electrolyte layer are sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode composed of a reaction layer and a diffusion layer; a fuel gas supply means for supplying a fuel gas to the fuel electrode; and an oxidizing gas on the oxygen electrode And a fuel cell system comprising: air supply means for supplying air as refrigerant gas; and control means for controlling the temperature of the fuel cell by controlling the air supply amount;
The diffusion layer of at least the oxygen electrode is formed on a diffusion layer base material that sucks out water generated in the reaction layer into the diffusion layer and holds it as liquid water in the diffusion layer, and on the reaction layer side of the diffusion layer base material. A first microporous layer having a pore size smaller than that of the diffusion layer substrate, and a first microporous layer formed on the opposite side of the reaction layer of the diffusion layer substrate and having a pore size that does not substantially allow liquid to pass through the gas. Two microporous layers,
The fuel cell system, wherein the control means controls the stoichiometric ratio of supply air to be in a range of 10 to 200.
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