JP5504615B2 - 固体高分子形燃料電池 - Google Patents
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Description
アノード反応:H2→2H++2e−・・・(1)
カソード反応:2H++2e−+(1/2)O2→H2O・・・(2)
である。
図2(A)(B)をも参照して、カソード電極部材50cは、線材102をコイル形状に巻回した導電性のコイル部材100を複数本配列することによって形成してある。複数本のコイル部材100を配列する形態は特に限定されないが、通気抵抗を低減するためには、同じ方向に並べるのが好ましい。また、セル抵抗を低減するためには、コイル部材100同士が接触するように並べ、カソード触媒層30cおよびカソードセパレータ80cとの接触面積を増やすことが好ましい(図1(A)を参照)。但し、本発明は、コイル部材100同士を隙間を隔てて配置して電極部材50a、50cを構成することを除外するものではない。
図1(A)を参照して、カソード触媒層30cとカソード電極部材50cとの間には導電性の保護層150を配置することが好ましい。カソード触媒層30cとカソード電極部材50cとの間の導電性を高めて集電性能を向上させることができ、さらにはカソード触媒層30cの破損を防止することができるからである。
図1(A)を参照して、アノード触媒層30aとアノードガス拡散層40aとの間にはカーボン粒子層160を配置してある。カーボン粒子層(マイクロポーラス層;MPL)は、集電性向上のため、アノード触媒層30a上に圧着によって設けている。
セパレータ80a、80cは、単セルを複数個直列に接続して燃料電池スタックを構成する際に、各セルを電気的に直列接続する機能を有する。また、セパレータ80a、80cは、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却剤を互いに遮断する隔壁としての機能も有する。
電解質層は、固体高分子電解質膜20から構成される。この高分子電解質膜20は、PEFC10の運転時にアノード触媒層30aで生成したプロトンを膜厚方向に沿ってカソード触媒層30cへと選択的に透過させる機能を有する。また、高分子電解質膜20は、アノード60a側に供給される燃料ガスとカソード60c側に供給される酸化剤ガスとを混合させないための隔壁としての機能をも有する。
電極触媒層(アノード触媒層30a、カソード触媒層30c)は、実際に電池反応が進行する層である。具体的には、アノード触媒層30aでは水素の酸化反応が進行し、カソード触媒層30cでは酸素の還元反応が進行する。触媒層は、触媒成分、触媒成分を担持する導電性の触媒担体、および高分子電解質を含む。
アノードガス拡散層40aは、アノードセパレータ80aのリブ81を介して供給された燃料ガスのアノード触媒層30aへの拡散を促進する機能、および電子伝導パスとしての機能を有する。
カソード電極部材50cをカソード60cにのみ適用した実施形態について説明したが、本発明はこの場合に限定されるものではない。例えば、アノードガス拡散層40aに代えて、カソード電極部材50cと同様に構成されるアノード電極部材50aを用いることができる。また、図1に示した実施形態とは逆に、アノード60aにのみ電極部材50aを適用し、カソード60cには一般的なガス拡散層を適用することもできる。
以下、本発明による効果を、実施例および比較例を用いて説明するが、本発明の技術的範囲はこれらの実施例に限定されない。
固体高分子電解質膜として、ナフィオンCS(登録商標、デュポン社製))を用いた。この電解質膜に、白金担持カーボン(田中貴金属工業株式会社製 TEC10E50E、白金含量50質量%)を塗布したテフロン(登録商標)シートをホットプレス法にて転写し、電極触媒層を形成した。白金触媒使用量は、アノード、カソードともに、0.4mg/cm2とした。
コイル部材の外径を600μmとした以外は実施例1と同様の構成とした。
実施例1と同様に、固体高分子電解質膜、電極触媒層、およびMPLの接合体を作製した。
20 高分子電解質膜、
30a アノード触媒層(電極触媒層)、
30c カソード触媒層(電極触媒層)、
40a アノードガス拡散層、
50a アノード電極部材(電極部材)、
50c カソード電極部材(電極部材)、
60a アノード(電極)、
60c カソード(電極)、
70 膜電極接合体(MEA)、
80a アノードセパレータ(セパレータ)、
80c カソードセパレータ(セパレータ)、
81 リブ、
82 平面、
90 燃料電池車(車両)、
91 燃料電池スタック、
100 コイル部材、
101 マイクロコイルバネ(コイル部材)、
102 線材、
111 第1の接触部、
112 第2の接触部、
121 ガス流路、
122 第1の流路、
123 第2の流路、
125 電極触媒層とセパレータとの間の空間におけるガスの流下方向、
140 導電性炭素層、
150 保護層、
151 第1の面、
152 第2の面、
160 カーボン粒子層、
S 隙間。
Claims (9)
- 高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜の一の面に接触して設けられる電極触媒層と、
導電性を備えガスを遮断するためのセパレータと、
前記電極触媒層と前記セパレータとの間に配置されて前記電極触媒層とともに電極を形成する電極部材と、
前記電極触媒層と前記電極部材との間に配置される導電性の保護層と、を有し、
前記電極部材は、前記電極触媒層に対し前記保護層を介して接触する第1の接触部と、前記セパレータに対して接触する第2の接触部と、前記ガスが流れるガス流路とを、を備え、線材をコイル形状に巻回した導電性のコイル部材から構成され、
前記保護層は、撥水性を備えるポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の多孔体を含んでいる固体高分子形燃料電池。 - 前記電極部材の前記ガス流路は、前記コイル部材内に軸線方向に形成される第1の流路と、前記コイル部材と前記電極触媒層および前記セパレータとの間に形成される第2の流路と、巻回された前記線材同士の間の隙間によって形成される第3の流路と、を含んでいる請求項1に記載の固体高分子形燃料電池。
- 前記電極部材は、前記電極触媒層と前記セパレータとの間の空間における前記ガスの流下方向に前記第1の流路を沿わせて配置されている請求項2に記載の固体高分子形燃料電池。
- 前記セパレータは、前記電極部材の前記第2の接触部が接触する側の面が平面である請求項1〜請求項3のいずれか1つに記載の固体高分子形燃料電池。
- 前記電極部材の表面は、導電性防食処理がされている請求項1〜請求項4のいずれか1つに記載の固体高分子形燃料電池。
- 前記導電性防食処理は、金または導電性炭素のコーティングである請求項5に記載の固体高分子形燃料電池。
- 前記コイル部材は、軸直交断面が円形、楕円形、長円形、多角形である請求項1〜請求項6のいずれか1つに記載の固体高分子形燃料電池。
- 前記コイル部材は、その線径とピッチとの比が1/2を超えて1未満である請求項1〜請求項7のいずれか1つに記載の固体高分子形燃料電池。
- 前記コイル部材は、その線径が50μm、ピッチが90μmである請求項1〜請求項8のいずれか1つに記載の固体高分子形燃料電池。
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