JP5298412B2 - 燃料電池 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る燃料電池100の模式的断面図である。図1に示すように、燃料電池100は、膜−電極接合体10の一面に流体透過層21、多孔体流路22およびセパレータ23が順に積層され、膜−電極接合体10の他面に流体透過層31、多孔体流路32およびセパレータ33が順に積層された構造を有する。
続いて、本発明の第2の実施の形態に係る燃料電池100aについて説明する。図2は、燃料電池100aの模式的断面図である。図2に示すように、燃料電池100aが図1の燃料電池100と異なる点は、燃料ガス拡散層212が設けられていない点である。この場合、アノード側の熱抵抗は、燃料電池100に比較してさらに低下する。それにより、発電によって発生した熱を効率よく外部に取り出すことが可能である。その結果、燃料電池100aの温度を効率よく低下させることができる。以上のことから、高負荷時における燃料電池100aの耐性を向上させることができる。
実施例においては、第2の実施の形態に係る燃料電池100aを作製した。電解質膜11としては、膜厚25μmのフッ素系膜からなるものを用いた。アノード電極層12およびカソード電極層13としては、5μmの膜厚を有するPt担持カーボンを用いた。酸化剤ガス拡散層312としては、200μmの厚みを有するカーボンクロスからなるものを用いた。撥水層211,311としては、膜厚が50μmであり、PTFE40%かつカーボン60%のものを用いた。
比較例1においては、実施例に係る燃料電池において撥水層211と多孔体流路22との間に燃料ガス拡散層を設けた。この燃料ガス拡散層は、実施例に係る酸化剤ガス拡散層312と同様の組成および厚みを有する。
比較例2においては、実施例に係る燃料電池において酸化剤ガス拡散層を設けずに撥水層211と多孔体流路22との間に燃料ガス拡散層を設けた。この燃料ガス拡散層は、実施例に係る酸化剤ガス拡散層312と同様の組成および厚みを有する。
実施例および比較例1,2に係る燃料電池の発電に伴って発生した熱のアノード側およびカソード側への分配について調べた。具体的には、各燃料電池に電流が1.8A/cm2かつ発電電圧が0.52V相当の発熱をさせ、アノード側セパレータおよびカソード側セパレータへの流入熱量を測定した。その結果を図3に示す。図3の縦軸は流入熱量(W/cm2)を示す。
続いて、実施例および比較例1に係る燃料電池における、膜−電極接合体からカソード側セパレータの冷却面までの温度低下幅を測定した。分析2においては、各燃料電池に、電流が1.8A/cm2かつ発電電圧が0.52V相当の発熱をさせた。その結果を図4に示す。図4の縦軸は、膜−電極接合体からカソード側セパレータの冷却面までの温度低下幅を示す。
続いて、各燃料電池の発電電圧の低下幅と温度との関係について調べた。図5にその結果を示す。図5の縦軸は各燃料電池の最大発電電圧からの電圧低下幅を示し、図5の横軸は各燃料電池の冷却水出口の温度を示す。なお、冷却水出口温度は、燃料電池の温度を示す指標となる。図5の点線は、アノード側加湿温度を45℃、カソード無加湿の場合の実施例および比較例1に係る燃料電池の電圧低下幅を示す。図5の実線は、アノード側加湿温度を45℃、カソード側加湿温度55℃とした場合の実施例および比較例1,2に係る燃料電池の電圧低下幅を示す。
11 電解質膜
12 アノード電極層
13 カソード電極層
21,31 流体透過層
22,32 多孔体層
23,33 セパレータ
100,100a 燃料電池
211,311 撥水層
212 燃料ガス拡散層
312 酸化剤ガス拡散層
Claims (15)
- 発電時にアノード側よりカソード側の発熱量が多い膜−電極接合体と、
前記膜−電極接合体の両側に配置された流路と、
前記膜−電極接合体と前記流路との間に配置された流体透過性部材とを備え、
アノード側の前記流体透過性部材の熱抵抗は、カソード側の前記流体透過性部材の熱抵抗よりも小さく、
前記膜−電極接合体の電解質膜の熱抵抗は、前記アノード側の流体透過性部材の熱抵抗と前記カソード側の流体透過性部材の熱抵抗との差よりも小さいことを特徴とする燃料電池。 - 前記流体透過性部材は、カーボンペーパまたはカーボンクロスからなるガス拡散層を含むことを特徴とする請求項1記載の燃料電池。
- アノード側の前記ガス拡散層の厚みは、カソード側の前記ガス拡散層の厚みよりも小さいことを特徴とする請求項2記載の燃料電池。
- アノード側の前記ガス拡散層は、カソード側の前記ガス拡散層を構成する材料の熱抵抗率よりも小さい熱抵抗率を有する材料から構成されることを特徴とする請求項2または3記載の燃料電池。
- 前記ガス拡散層は、前記膜−電極接合体のカソードと前記流路との間にのみ配置されていることを特徴とする請求項2記載の燃料電池。
- 前記流体透過性部材は、撥水性、導電性およびガス透過性を備えた撥水層を含むことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の燃料電池。
- アノード側の前記撥水層の厚みは、カソード側の前記撥水層の厚みよりも小さいことを特徴とする請求項6記載の燃料電池。
- アノード側の前記撥水層は、カソード側の前記撥水層を構成する材料の熱抵抗率よりも小さい熱抵抗率を有する材料から構成されることを特徴とする請求項6または7記載の燃料電池。
- 前記流路は、金属多孔体であり、
前記ガス拡散層は、前記流路よりも高い弾性を有する材料からなることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の燃料電池。 - 前記流路は、3次元網目構造流路であることを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の燃料電池。
- 前記3次元網目構造流路は、多孔体からなることを特徴とする請求項10記載の燃料電池。
- 前記多孔体は、金属多孔体であることを特徴とする請求項11記載の燃料電池。
- 前記3次元網目構造流路の前記膜−電極接合体と反対側に配置されたセパレータをさらに備えることを特徴とする請求項10〜12のいずれかに記載の燃料電池。
- 前記セパレータと前記3次元網目構造流路との接触面は、平坦形状であることを特徴とする請求項13記載の燃料電池。
- 前記流路は、3次元網目構造流路であり、
前記カソード側の流体透過性部材は、第1撥水層および第1ガス拡散層を含み、
前記アノード側の流体透過性部材は、第2撥水層を含み、
前記膜−電極接合体のカソード側に、前記第1撥水層、前記第1ガス拡散層、前記流路の一方、および第1セパレータが順に積層され、
前記膜−電極接合体のアノード側に、前記第2撥水層、前記流路の他方、および前記第2セパレータが順に積層されていることを特徴とする請求項1記載の燃料電池。
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