JP5572534B2 - Solid polymer electrolyte fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、水素イオン伝導性を有する固体高分子を電解質に用いた固体高分子電解質型燃料電池に関する。 The present invention relates to a solid polymer electrolyte fuel cell using a solid polymer having hydrogen ion conductivity as an electrolyte.
近年、高効率のエネルギー変換装置として燃料電池が注目を集めている。このような燃料電池は、電解質の相違により幾つかの種類に分類される。これらのうち、水素イオン伝導性を有する固体高分子を電解質とした固体高分子電解質型燃料電池は、コンパクトな構造で高出力密度を得ることができ、また簡素なシステムによる運転が可能であることから、宇宙用や車両用或いは家庭用や携帯用電源として大きく注目されている。 In recent years, fuel cells have attracted attention as highly efficient energy conversion devices. Such fuel cells are classified into several types according to the difference in electrolyte. Among these, a solid polymer electrolyte fuel cell using a solid polymer having hydrogen ion conductivity as an electrolyte can obtain a high output density with a compact structure and can be operated by a simple system. Therefore, it has attracted a great deal of attention as a power source for space use, vehicle use, home use and portable use.
固体高分子電解質型燃料電池は、一般に単位セルを複数積層した積層体構造として構成されている。単位セルは、固体高分子電解質膜を燃料極及び酸化剤極で挟持した接合体と、接合体の外側に配置された一組のセパレータとで構成される。燃料極及び酸化剤極は、それぞれ導電性多孔質材料からなるガス拡散層を有する。さらに、ガス拡散層が接合体に対向する面には、触媒と固体高分子電解質を含む触媒層をそれぞれ配置した構造となっている。また、接合体とセパレータを交互に積層して単位セルを複数積層することにより電池スタックを構成している。 A solid polymer electrolyte fuel cell is generally configured as a laminated structure in which a plurality of unit cells are stacked. The unit cell includes a joined body in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between a fuel electrode and an oxidant electrode, and a set of separators arranged outside the joined body. Each of the fuel electrode and the oxidant electrode has a gas diffusion layer made of a conductive porous material. Furthermore, the gas diffusion layer has a structure in which a catalyst layer containing a catalyst and a solid polymer electrolyte is disposed on the surface facing the joined body. Further, the battery stack is configured by alternately laminating the joined bodies and the separators and laminating a plurality of unit cells.
ところで、固体高分子電解質膜は、燃料ガスと酸化剤ガスとを分離する反応ガス分離機能と共に、燃料極で生成された水素イオンを酸化剤極に運ぶ水素イオン伝導性を有している。この水素イオン導電性を良好に維持するためには、固体高分子電解質膜の湿潤度を保つため水分を補給する必要がある。従来の電池スタックに対しては、電池スタックの外部から電池反応に供する反応ガスを予め加湿した状態で供給することにより、水分を供給している。 By the way, the solid polymer electrolyte membrane has hydrogen ion conductivity that carries hydrogen ions generated at the fuel electrode to the oxidant electrode, together with a reaction gas separation function for separating the fuel gas and the oxidant gas. In order to maintain this hydrogen ion conductivity satisfactorily, it is necessary to replenish water in order to maintain the wetness of the solid polymer electrolyte membrane. To the conventional battery stack, moisture is supplied by supplying the reaction gas used for the battery reaction from the outside of the battery stack in a humidified state in advance.
一方、長期に亘り電池スタックを発電する際には、電池反応で発生した生成水が単位セル面内の下流側、特に酸化剤極の内部に滞留し、反応ガスの供給を阻害して電池特性を低下させるフラッディング現象を引き起こす恐れがある。このフラッディング現象を防止するため、電池スタックに対して上流部から供給する反応ガスを予め水分の低い状態にしておくことにより、単位セル面内の水分を調節する場合がある。この場合、反応ガスのセル面内入口部に相当する、例えばセパレータの燃料ガス供給溝或いは酸化剤ガス供給溝の入口部付近や、当該入口部に対向する接合体の燃料極面或いは酸化剤極面の外周部では、電池反応による生成水が水分の低いガスで持ち去られるので、それぞれセル面内の中央部よりも低加湿状態に曝されることになる。 On the other hand, when the battery stack generates power over a long period of time, the generated water generated by the battery reaction stays downstream in the unit cell surface, particularly inside the oxidant electrode, and the supply of the reaction gas is hindered. May cause a flooding phenomenon. In order to prevent this flooding phenomenon, the moisture in the unit cell surface may be adjusted by previously bringing the reaction gas supplied from the upstream portion into the battery stack into a low moisture state. In this case, for example, in the vicinity of the inlet of the fuel gas supply groove or the oxidant gas supply groove of the separator, or the fuel electrode surface or the oxidant electrode of the joined body facing the inlet, corresponding to the cell surface inlet of the reaction gas. At the outer peripheral portion of the surface, water generated by the battery reaction is carried away by a gas having a low water content, so that it is exposed to a lower humidified state than the central portion in the cell surface.
このような低加湿状態が継続すると、接合体の燃料極面或いは酸化剤極面の外周部で固体高分子電解質膜が乾燥すると共に、副反応生成物として過酸化水素の生成により触媒層界面での固体高分子電解質膜の減耗等の化学的劣化が進行する。さらに、固体高分子電解質膜の外周部では、触媒層と固体高分子電解質膜表面との境界部で、撓みや段差が発生して局所的な収縮によるせん断応力等の機械的ストレスの影響による劣化によりピンホールやクラックの発生を招く。このような劣化要因により、固体高分子電解質膜が破損してクロスリークし易くなる場合が懸念される。 If such a low humidification state continues, the solid polymer electrolyte membrane dries at the outer periphery of the fuel electrode surface or oxidant electrode surface of the assembly, and at the catalyst layer interface due to the generation of hydrogen peroxide as a side reaction product. Chemical degradation such as depletion of the solid polymer electrolyte membrane proceeds. In addition, at the outer periphery of the solid polymer electrolyte membrane, at the boundary between the catalyst layer and the surface of the solid polymer electrolyte membrane, a deterioration occurs due to the influence of mechanical stress such as shear stress due to local contraction caused by bending or stepping. This causes pinholes and cracks. Due to such deterioration factors, there is a concern that the solid polymer electrolyte membrane may be broken and easily cross-leak.
これらの対策として、固体高分子電解質膜の外周部分を被覆するように額縁状の保護膜を形成することにより、固体高分子電解質膜を補強することが考えられている(例えば、特許文献1参照)。また、固体高分子電解質膜の保護のために絶縁スペーサ用のガスシール材として炭化フッ素系樹脂を用いて固体高分子電解質膜の外周部を被覆し、反応ガスの直接的な暴露を防止して固体高分子電解質膜の劣化を抑制することも検討されている(例えば、特許文献2参照)。 As these measures, it is considered to reinforce the solid polymer electrolyte membrane by forming a frame-shaped protective film so as to cover the outer peripheral portion of the solid polymer electrolyte membrane (see, for example, Patent Document 1). ). In addition, to protect the solid polymer electrolyte membrane, the outer periphery of the solid polymer electrolyte membrane is covered with a fluorocarbon resin as a gas seal material for the insulating spacer to prevent direct exposure of the reaction gas. It has also been studied to suppress the deterioration of the solid polymer electrolyte membrane (for example, see Patent Document 2).
このように従来の固体高分子電解質型燃料電池においては、反応ガスが低加湿で供給される状態が継続すると、燃料ガス或いは酸化剤ガスの入口部に相当するセル面内の触媒層の外周境界部近傍では、電池反応で発生する生成水は蒸発が促進されて乾燥状態となる。このため、電解質膜を湿潤に保持することが困難になり、電解質膜の劣化によりピンホールやクラックを招く恐れがある。固体高分子電解質膜の外周部分を被覆するようにガスシール層を設置した構成においても、固体高分子電解質膜のある程度の補強はできても、乾燥による劣化を十分に防止することはできていない。 As described above, in the conventional solid polymer electrolyte fuel cell, when the reaction gas is continuously supplied with low humidity, the outer boundary of the catalyst layer in the cell plane corresponding to the inlet of the fuel gas or oxidant gas In the vicinity of the part, the generated water generated by the battery reaction is accelerated to evaporate and becomes dry. For this reason, it becomes difficult to keep the electrolyte membrane moist, and there is a possibility of causing pinholes and cracks due to deterioration of the electrolyte membrane. Even in a configuration in which a gas seal layer is installed so as to cover the outer peripheral portion of the solid polymer electrolyte membrane, although the solid polymer electrolyte membrane can be reinforced to some extent, deterioration due to drying cannot be sufficiently prevented. .
また、燃料極及び酸化剤極のガス拡散層の外周部分をシールした構成において、燃料ガス及び酸化剤ガスの一部はそれぞれのガス供給溝からガス拡散層を経由して固体高分子電解質膜に直接暴露する場合がある。この場合、発電時における反応ガスの加湿条件の変化や、熱履歴による熱膨張や熱収縮によって固体高分子電解質膜が劣化して破損する結果、ピンホールの形成によって反応ガスのクロスリークが発生する懸念がある。 Further, in the configuration in which the outer peripheral portion of the gas diffusion layer of the fuel electrode and the oxidant electrode is sealed, part of the fuel gas and the oxidant gas is transferred from the gas supply groove to the solid polymer electrolyte membrane via the gas diffusion layer. May be exposed directly. In this case, reaction gas cross-leakage occurs due to pinhole formation as a result of deterioration of the solid polymer electrolyte membrane due to changes in the humidification conditions of the reaction gas during power generation and thermal expansion and contraction due to thermal history. There are concerns.
また、燃料極と酸化剤極の触媒層中では、電池反応の副反応生成物として過酸化水素(H2O2)が発生し、H2O2 が分解反応を引き起こしてヒドロキシラジカル(OH−)等のラジカルを発生させる。発生したラジカルの一部は触媒層中を移動して当該触媒層を構成する固体高分子電解質や、当該触媒層に隣接した固体高分子電解質膜の高分子構造を切断するように作用する。その結果、触媒層や固体高分子電解質膜を分解損耗することによる化学劣化を進行させると共に、更には固体高分子電解質膜の機械的強度を低下させてピンホールやクラックを発生させて燃料極と酸化剤極との間にクロスリークを引き起こす原因となることが懸念される。特に、反応ガスが低加湿で供給される状態では、水分の蒸発により上記ラジカルの発生を促進する懸念がある。 Further, in the catalyst layer of the fuel electrode and the oxidant electrode, hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) is generated as a side reaction product of the cell reaction, and H 2 O 2 causes a decomposition reaction to generate a hydroxy radical (OH − ) And other radicals are generated. Some of the generated radicals move in the catalyst layer and act to cut the polymer structure of the solid polymer electrolyte constituting the catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane adjacent to the catalyst layer. As a result, chemical degradation due to decomposition and wear of the catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane proceeds, and further, the mechanical strength of the solid polymer electrolyte membrane is lowered to generate pinholes and cracks, thereby There is a concern that it may cause a cross leak with the oxidant electrode. In particular, in a state where the reaction gas is supplied with low humidification, there is a concern of promoting the generation of the radicals by evaporation of moisture.
上述の如く従来の固体高分子電解質型燃料電池の構成にあっては、固体高分子電解質膜の長期にわたる劣化により、ピンホールを形成してクロスリークが発生し、電池反応を阻害する懸念があった。その結果、セル電圧特性の低下や電池寿命が短くなるという問題があった。 As described above, in the configuration of a conventional solid polymer electrolyte fuel cell, there is a concern that pinholes may be formed due to long-term deterioration of the solid polymer electrolyte membrane, resulting in cross leak and hindering the cell reaction. It was. As a result, there are problems that the cell voltage characteristics are lowered and the battery life is shortened.
本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、接合体の燃料極或いは酸化剤極の外周部でかつ反応ガス入口部における固体高分子電解質膜内の水分を保持して湿潤性を高く維持することができ、固体高分子電解質膜の劣化によるクロスリークを防止して、長期に亘り安定した電圧特性を示し寿命特性を向上させ得る固体高分子電解質型燃料電池を提供することを目的としている。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and retains moisture in the solid polymer electrolyte membrane at the outer peripheral portion of the fuel electrode or the oxidizer electrode of the joined body and at the reaction gas inlet portion, thereby achieving wettability. To provide a solid polymer electrolyte fuel cell that can prevent cross leak due to deterioration of the solid polymer electrolyte membrane, exhibit stable voltage characteristics over a long period of time, and improve life characteristics. It is aimed.
本発明の一実施形態に係わる固体高分子電解質型燃料電池は、水素イオン伝導性を有する固体高分子を電解質とした固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の一方の面に配置され、電池反応面をその面内中央に含むガス拡散層を有する燃料極と、前記固体高分子電解質膜の他方の面に配置された酸化剤極と、前記燃料極の前記固体高分子電解質膜とは反対側の面に配置され、前記燃料極の表面上に燃料ガスを分配供給するためのガス流路が形成された燃料極側セパレータと、前記酸化剤極の前記固体高分子電解質膜とは反対側の面に配置され、前記酸化剤極の表面上に酸化剤ガスを分配供給するためのガス流路が形成された酸化剤極側セパレータと、前記燃料極の前記ガス拡散層の外周端部で且つ前記燃料極側セパレータのガス流路の少なくともガス入口部に相当する部分、及び前記ガス入口部に相当する部分から前記電池反応面に亘る範囲を被覆するように配置され、導電性材料と親水性の官能基を有する高分子樹脂とを含んで形成された、前記燃料ガスを透過する被覆層と、を具備している。 A solid polymer electrolyte fuel cell according to an embodiment of the present invention is disposed on one surface of a solid polymer electrolyte membrane using a solid polymer having hydrogen ion conductivity as an electrolyte, and the solid polymer electrolyte membrane. A fuel electrode having a gas diffusion layer including a battery reaction surface in the center of the surface, an oxidant electrode disposed on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane, and the solid polymer electrolyte membrane of the fuel electrode; Are disposed on the opposite surface, the fuel electrode side separator formed with a gas flow path for distributing and supplying fuel gas on the surface of the fuel electrode, and the solid polymer electrolyte membrane of the oxidant electrode disposed on the opposite side, the outer peripheral end of the oxidant electrode side separator gas flow path is formed for dispensing the oxidizing agent gas on the surface of the oxidizer electrode, the gas diffusion layer of the fuel electrode Gas passage of the fuel electrode side separator A portion corresponding to at least the gas inlet portion, and said arranged from the portion corresponding to the gas inlet portion so as to cover the range over the battery reaction surface and a polymer resin having a conductive material and a hydrophilic functional group And a coating layer that is formed so as to transmit the fuel gas.
本発明によれば、長期に亘り安定した電圧特性を示し、寿命特性を向上させることができる。 According to the present invention, stable voltage characteristics can be exhibited over a long period of time, and life characteristics can be improved.
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係わる固体高分子電解質型燃料電池の基本構成を一部切欠して示す斜視図である。また、図2は同実施形態の固体高分子電解質型燃料電池の全体構成を示す断面図、図3(a)(b)は要部構成を示す平面図である。なお、図2は図3(a)の矢視X−X’断面に相当している。
(First embodiment)
FIG. 1 is a perspective view showing a basic structure of a solid polymer electrolyte fuel cell according to a first embodiment of the present invention, with a part cut away. 2 is a cross-sectional view showing the overall configuration of the solid polymer electrolyte fuel cell according to the embodiment, and FIGS. 3A and 3B are plan views showing the main configuration. FIG. 2 corresponds to a cross section taken along the line XX ′ in FIG.
図1に示すように、単位セル1中の固体高分子電解質膜−電極接合体2(以下、単に接合体と略記する)は、固体高分子電解質膜3と、この固体高分子電解質膜3を相互に挟持するように配置された燃料極4及び酸化剤極5から構成される。
As shown in FIG. 1, a solid polymer electrolyte membrane-electrode assembly 2 (hereinafter simply referred to as a “joint”) in a
固体高分子電解質膜3は、10〜100μm程度の厚さのパーフルオロカーボンスルホン酸膜(例えば、ナフィオン:デュポン社製)である。燃料極4及び酸化剤極5は、カーボンペーパーやカーボンクロスのような導電性多孔質材料からなるガス拡散層6,7を有する。さらに、燃料極4及び酸化剤極5のガス拡散層6,7が固体高分子電解質膜3に対向する面には、触媒と固体高分子電解質を含む触媒層8,9をそれぞれ配置した構造となっている。接合体2は、燃料極4及び酸化剤極5のガス拡散層6,7がそれぞれ触媒層8,9を挟むように固体高分子電解質膜3に対向させて、更には接着層10,11などを介してホットプレス等により熱圧着して接合している。
The solid
燃料極4或いは酸化剤極5のガス拡散層6,7の面内中央の触媒層に接する範囲には、それぞれ電池反応面19,20を構成しており、ガス拡散層6,7の外周端部には気密性のガスシール層16,17が形成されている。即ち、接合体2の燃料極4面と酸化剤極5面のそれぞれの外周部には、対向するセパレータ12,13の周縁部に面してそれぞれガスシール層16,17が形成されている。ガスシール層16,17は、接合体2の固体高分子電解質膜3の外周部を取り囲んで燃料ガス及び酸化剤ガスの漏洩を防止すると共に、接合体2の燃料極4面と酸化剤極5面との間の絶縁を確保している。
The cell reaction surfaces 19 and 20 are formed in the ranges in contact with the catalyst layers at the center of the
接合体2の外側には、燃料極4と酸化剤極5とを挟むように一組のセパレータ12,13が配置されている。セパレータ12の燃料極4に接触する面には、燃料ガスを分配供給する複数のガス流路として、燃料ガス供給溝14と燃料極側ガスシール面21とが形成されている。酸化剤極側セパレータ13の酸化剤極5に接触する面には、酸化剤ガスを分配供給する複数のガス流路として、酸化剤ガス供給溝15と酸化剤極側ガスシール面22とが形成されている。燃料極4及び酸化剤極5の外周端部のガスシール層16,17は、それぞれセパレータ12,13の燃料極側ガスシール面21と酸化剤極側ガスシール面22に接して、ガスシール部を形成している。
A pair of
また、接合体2とセパレータ12,13とを交互に積層して単位セル1を複数積層することによって、電池スタックが構成されることになる。
Further, the battery stack is configured by alternately laminating the joined
なお、図1では燃料ガス供給溝14は紙面の左下から右上方向に沿って形成され、酸化剤ガス供給溝15は紙面の左から右方向に沿って形成されている。図2では、燃料ガス供給溝14は紙面の左右方向に沿って形成され、酸化剤ガス供給溝15は紙面の表裏方向に沿って形成されている。即ち、燃料ガス供給溝14と酸化剤ガス供給溝15は互いに直交するようになっている。但し、各溝14,15は必ずしも交差する必要はなく、互いに平行に配置するようにしても良い。
In FIG. 1, the fuel
ここまでの基本構成に加え本実施形態では、図2の断面図及び図3(a)(b)の平面図に示すように、燃料ガスや酸化剤ガスがセル内に供給される燃料極4や酸化剤極5のガス入口部23,24おいて、燃料極4や酸化剤極5のガス拡散層6,7の外周端部に設置したガスシール層16,17と当該ガス拡散層6,7の電池反応面19,20との境界部の全部あるいはその一部には被覆層25,26を形成している。
In addition to the basic configuration so far, in this embodiment, as shown in the sectional view of FIG. 2 and the plan views of FIGS. 3A and 3B, the fuel electrode 4 to which fuel gas or oxidant gas is supplied into the cell. In addition, in the
具体的には、燃料極4側では図3(a)に示すように、紙面の左から右方向にガスが供給されるものとし、燃料極4の外周端部では燃料極側セパレータのガス流路のガス入口部23に相当する部分を被覆するように被覆層25が形成されている。即ち、ガス拡散層6の左側端部に被覆層25が形成されている。酸化剤極5側では図3(b)に示すように、紙面の下から上方向にガスが供給されるものとし、酸化剤極5の外周端部では酸化剤側セパレータのガス流路のガス入口部24に相当する部分を被覆するように被覆層26が形成されている。即ち、ガス拡散層7の下側端部に被覆層26が形成されている。
Specifically, as shown in FIG. 3A, gas is supplied from the left side to the right side of the drawing on the fuel electrode 4 side, and the gas flow of the fuel electrode side separator at the outer peripheral end of the fuel electrode 4. A
被覆層25,26は、導電性であること、親水性であること、ガスが透過すること、が必要である。このために被覆層25,26としては、例えばカーボンブラックを主成分とした導電性粉末と、親水性の官能基を有する樹脂、例えばフッ素系スルホン酸を含むイオン交換基を有する高分子樹脂とを用いる。さらに、導電性粉末には白金等を担持させるようにしても良い。 The coating layers 25 and 26 are required to be conductive, hydrophilic, and gas permeable. For this reason, as the coating layers 25 and 26, for example, a conductive powder mainly composed of carbon black and a resin having a hydrophilic functional group, for example, a polymer resin having an ion exchange group containing fluorine-based sulfonic acid are used. Use. Further, platinum or the like may be supported on the conductive powder.
被覆層25,26は、例えば次のように製作する。まず、カーボンブラックを水に分散した後、パーフルオロカーボンスルホン酸高分子樹脂を含む溶液を加え、カーボンブラックと高分子樹脂固形分の混合重量比が50:50となるようにインクペーストの組成を調整した。次いで、燃料極4や酸化剤極5のガス拡散層6,7の外周端部に設置したガスシール層16,17とガス拡散層6,7の電池反応面19,20との境界部の塗布範囲以外にはマスキングを行った。さらに、塗布範囲に対して当該インクペーストを、例えばスプレー、スクリーン印刷、パッド印刷、グラビアコーター、ダイコーター及びロールコーター等を用いた既存の方法で塗布を行う。そして、ガス拡散層6,7の表面或いは内部に被覆層25,26を塗布或いは含浸した後に、温度80℃条件下で乾燥し、被覆層25,26厚さが20μmとなるように層形成した。
The covering layers 25 and 26 are manufactured as follows, for example. First, after carbon black is dispersed in water, a solution containing perfluorocarbon sulfonic acid polymer resin is added, and the composition of the ink paste is adjusted so that the mixing weight ratio of carbon black and polymer resin solids is 50:50 did. Next, the boundary portion between the gas seal layers 16 and 17 installed at the outer peripheral ends of the
次に、ガス拡散層6,7の固体高分子電解質膜3に対向する面の側には、白金を含む金属触媒を担持したカーボンと固体高分子電解質の混合層である触媒層8,9を形成する。触媒層8,9はガス拡散層6,7上に触媒層材料を直接塗布するか、或いは固体高分子電解質膜3上に形成しても良い。上記のように製作した燃料極4と酸化剤極5のガス拡散層6,7の被覆層25,26形成面の反対の面がそれぞれ触媒層8,9を介して固体高分子電解質膜3を挟むように配置し、同時に熱圧着して一体化することにより、接合体2として成形する。
Next, on the side of the
このような構成において、燃料ガスである水素は燃料極側ガス拡散層6を経由して燃料極側触媒層8中を拡散し、カーボン担持体上の白金等の触媒に到達すると反応して水素イオンと電子に分離される。電子は、燃料極4側から外部回路を通り酸化剤極5側へ移動する。水素イオンは、燃料極側触媒層8中の触媒に近接する固体高分子電解質を伝達経路として固体高分子電解質膜3中へ移動し、酸化剤極5に到達して酸化剤極側触媒層9中の固体高分子電解質を伝達経路として拡散し、触媒上で酸素と反応して生成水となる。生成水は触媒層8,9及びガス拡散層6,7中を移動し或いは蒸発して、燃料ガス供給溝14或いは酸化剤ガス供給溝15に至り、ガスの流れと共に外部へ除去される。
In such a configuration, hydrogen as the fuel gas diffuses in the fuel electrode
接合体2では、燃料ガスの主成分である水素が供給される燃料極4と、酸化剤ガスとして空気中の酸素が供給される酸化剤極5ではそれぞれの触媒層中で下記(1)及び(2)の電池反応が生じている。
In the joined
燃料極 :H2 → 2H+ + 2e− ………(1)
酸化剤極:1/2 O2 + 2H+ + 2e- → H2O…………(2)
さらに、燃料極4と酸化剤極5の触媒層中では、それぞれ副反応生成物として過酸化水素(H2O2)が発生し、下記(3)式のような分解反応を引き起こしてヒドロキシラジカル(OH−)等のラジカルを発生させる。
Fuel electrode: H 2 → 2H + + 2e − (1)
Oxidant electrode: 1/2 O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O (2)
Further, in the catalyst layer of the fuel electrode 4 and the
H2O2 + H+ +e− → OH− + H2O ………(3)
発生したラジカルの一部は、触媒層中を移動して当該触媒層を構成する固体高分子電解質や、当該触媒層に隣接した固体高分子電解質膜3の高分子構造を切断するように作用する。その結果、触媒層8,9や固体高分子電解質膜3を分解損耗することによる化学劣化を進行させると共に、更には固体高分子電解質膜3の機械的強度を低下させてピンホールやクラックを発生させて、燃料極4と酸化剤極5との間にクロスリークを引き起こす原因となることが懸念される。
H 2 O 2 + H + + e − → OH − + H 2 O (3)
Some of the generated radicals move in the catalyst layer and act to cut the polymer structure of the solid polymer electrolyte constituting the catalyst layer and the solid
特に、接合体2のガス入口部23,24において、燃料ガスや酸化剤ガスがそれぞれ低加湿状態で供給される運転条件の場合には、電池反応で発生した生成水はガス入口部23,24において蒸発が促進されるため、この部分で発生する過酸化水素は局所的に高濃度となり易い。その結果、ガス入口部23,24の周辺の固体高分子電解質の分解が進行して固体高分子電解質膜3にピンホールが形成され易くなる。
In particular, in the operating conditions in which the fuel gas and the oxidant gas are respectively supplied in a low humidified state at the
これらの対策として、本実施形態では、燃料ガスや酸化剤ガスがそれぞれ低加湿状態で供給される接合体2のガス入口部23,24において、接合体2のガス拡散層の表面或いは内部に親水性の被覆層25,26を形成している。被覆層25,26はガス透過性の導電性粉末材料としての導電性カーボン粉末と、親水性の官能基を有する高分子樹脂からなる混合層で形成されている。このため、低加湿状態で燃料ガスや酸化剤ガスが供給された場合には、被覆層25,26が形成されたガス拡散層表面では、被覆層25,26が低加湿状態の燃料ガス或いは酸化剤ガスによる接合体内部への透過を抑制することにより、接合体内部で発生する生成水が当該ガス拡散層表面を介して低加湿状態の外部へ蒸発することを抑制する。またこの際、被覆層25,26は親水性の官能基を有する高分子樹脂を含んでいるので、親水性の官能基を有する高分子樹脂の保水効果により、被覆層25,26の表面からの水分蒸発を抑制することができるようになる。このため、酸化剤側の触媒層で発生した生成水が当該触媒層や隣接する固体高分子電解質膜3中を透過し移動した結果、被覆層25,26で保持されるようになり、湿潤状態を持続して保水できるようになる。
As these measures, in this embodiment, the
その一方で、導電性粉末材料により粉末粒子間に微細細孔構造が形成されるので、ガス透過を制御して被覆層近傍の触媒層に供給される燃料ガスや酸化剤ガスの欠乏を防止できるようになる。この結果、電池反応を阻害せずに生成水を保持することが可能となり、接合体2のガス入口部23,24における湿潤性を確保することができる。
On the other hand, since a fine pore structure is formed between the powder particles by the conductive powder material, gas permeation can be controlled to prevent deficiency of fuel gas and oxidant gas supplied to the catalyst layer in the vicinity of the coating layer. It becomes like this. As a result, the generated water can be retained without inhibiting the battery reaction, and the wettability at the
ここで、被覆層25,26に含まれる導電性粉末材料としては、例えばバルカンXC72(登録商標)やアセチレンブラック、及びケッチェンブラック(登録商標)等のカーボンブラックを含む導電性カーボン粉末を用いている。更に導電性カーボン粉末には、白金、パラジウム、金、イリジウム、ロジウムの少なくとも1つの元素を含む金属触媒が担持されている。 Here, as the conductive powder material contained in the coating layers 25 and 26, for example, conductive carbon powder containing carbon black such as Vulcan XC72 (registered trademark) , acetylene black, and ketjen black (registered trademark) is used. Yes. Further, the conductive carbon powder carries a metal catalyst containing at least one element of platinum, palladium, gold, iridium and rhodium.
導電性粉末材料として上記のようなカーボン粉末を用いることにより、電池反応に伴う電気化学的な腐食環境下に曝される条件においても、被覆層25,26の耐腐食性を維持すると共に、被覆層25,26の粉末粒子間に形成される微細細孔構造を保持して被覆層25,26のガス透過性を維持することが可能となる。また更に、導電性カーボン粉末に白金元素を含む金属触媒を担持する場合には、水分の移動により被覆層25,26に運ばれる過酸化水素を導電性カーボン粉末上に担持した金属触媒の作用により水と酸素に分解して、過酸化水素からラジカルが発生することを抑制する機能を付与することが可能となる。
By using the carbon powder as described above as the conductive powder material, the coating layers 25 and 26 are maintained in the corrosion resistance even under the condition of being exposed to the electrochemical corrosion environment accompanying the battery reaction, and the coating is performed. The fine pore structure formed between the powder particles of the
これらにより、固体高分子電解質膜3の局所的な劣化を抑制し、ピンホールの発生を防止することができる。
As a result, local deterioration of the solid
なお、図4に示すように被覆層25,26を形成する燃料極4や酸化剤極5のガス拡散層6,7としては、燃料極4や酸化剤極5の触媒層8,9に対向する面において、当該ガス拡散層6,7の基材に加えて、カーボン粉や結着材を含む導電性のガス透過層27,28を形成しておいても良い。ここで被覆層25は、必ずしも図4(a)に示すようにシール層17の端部まで形成するのではなく、図4(b)に示すようにシール層17上の一部に被さるように形成しても良い。
As shown in FIG. 4, the
また、燃料極4のガス拡散層6の一部を被覆する被覆層25の範囲は、ガスシール層16の内側のみではなく、図5(a)に示すように燃料極4のガス拡散層6の外周端部に設置したガスシール層16とガス拡散層6の電池反応面19との境界部に亘る範囲に形成しても良い。さらに、図5(b)に示すように、被覆層25を、ガスシール層16とガス拡散層6との境界を跨り、ガスシール層16の外側端部に達するように形成しても良い。酸化剤極5側の被覆層26に関しても同様にすることができる。
Further, the range of the
この場合、ガス拡散層の外周部と、燃料極4や酸化剤極5の外周部に対向して固体高分子電解質膜3との間に挟まれた間隙部18で、燃料ガス及び酸化剤ガスの一部がそれぞれのガス供給溝からガス拡散層を経由して固体高分子電解質膜3に直接暴露するのを防止することが可能となる。
In this case, the fuel gas and the oxidant gas are formed in the
このように本実施形態によれば、固体高分子電解質型燃料電池の構成に関して、燃料ガス或いは酸化剤ガスの供給されるセル面内の反応ガス入口部23,24において、固体高分子電解質膜3内の水分を保持して湿潤性を高く維持することができ、燃料極4と酸化剤極5との間の固体高分子電解質膜劣化によるピンホールの発生に伴うクロスリークを抑制することができる。この結果、電池特性が安定し寿命を向上させた固体高分子電解質型燃料電池を提供することができる。
As described above, according to the present embodiment, regarding the configuration of the solid polymer electrolyte fuel cell, the solid
また、燃料及び酸化剤のガス流路が互いに直交するようにしているので、燃料極側と酸化剤極側でガスの供給口が重なるのを防止でき、電池スタックの設計の自由度を増すことが可能となる。さらに、乾いたガスが同じ部分から供給されて乾きが助長される等の不都合を防止できる利点もある。 In addition, since the fuel and oxidant gas flow paths are orthogonal to each other, it is possible to prevent the gas supply ports from overlapping on the fuel electrode side and the oxidant electrode side, increasing the degree of freedom in designing the battery stack. Is possible. Furthermore, there is an advantage that it is possible to prevent inconveniences such as drying gas being supplied from the same part and promoting drying.
(第2の実施形態)
図6乃至図8は、本発明の第2の実施形態に係わる固体高分子電解質型燃料電池を説明するためのもので、図6及び図7は要部構成を示す平面図、図8は図7の矢視Y−Y’断面図である。
(Second Embodiment)
FIGS. 6 to 8 are views for explaining a solid polymer electrolyte fuel cell according to the second embodiment of the present invention. FIGS. 6 and 7 are plan views showing the main components, and FIG. FIG. 7 is a sectional view taken along line YY ′ of FIG.
基本的な構成は先に説明した第1の実施形態と同様であり、本実施形態が第1の実施形態と異なる点は、被覆層の配置にある。図6では、被覆層25がガス入口部23のみではなく、ガス拡散層6の外周端部と電池反応面19との境界部を挟んだ額縁状の範囲に亘って形成されている。また、図7及び図8では、被覆層25が境界を跨いでガス拡散層6の外周端部に達するように形成されている。被覆層26に関しては図示はしないが、被覆層26も被覆層25と同様に額縁状に形成されている。
The basic configuration is the same as that of the first embodiment described above, and this embodiment is different from the first embodiment in the arrangement of the coating layer. In FIG. 6, the
このような構成であれば、被覆層25,26が額縁状に設けられているため、ガス入口部23,24のみではなく、固体高分子電解質膜3の外周端部の全てに亘って乾燥を抑制することができる。従って、第1の実施形態と同様の効果が得られるのは勿論のこと、固体高分子電解質型燃料電池の更なる電池特性の安定化及び長寿命化に寄与することが可能となる。
In such a configuration, since the coating layers 25 and 26 are provided in a frame shape, drying is performed not only on the
(変形例)
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。
(Modification)
The present invention is not limited to the above-described embodiments.
被覆層の配置は、第1の実施形態のようにガス入口又は第2の実施形態のように枠状に形成する必要はなく、仕様に応じて適宜変更可能である。例えば、図9(a)に示すように、ガス入口部及びガス出口部に設けるようにしても良い。さらに、図9(b)に示すように、ガス入口部に相当する辺とこれに隣接する一方の辺に設けるようにしても良い。また、図9(c)に示すように、1つのセパレータでガスの供給方向が異なる場合、それぞれのガス入口部に被覆層を設けるようにしても良い。要は、少なくともガス入口部に相当する部分に被覆層を設けるようにすればよい。 The arrangement of the coating layer does not need to be formed in a frame shape like the gas inlet or the second embodiment as in the first embodiment, and can be appropriately changed according to the specification. For example, as shown to Fig.9 (a), you may make it provide in a gas inlet part and a gas outlet part. Furthermore, as shown in FIG. 9 (b), it may be provided on the side corresponding to the gas inlet and one side adjacent thereto. Further, as shown in FIG. 9C, when a gas supply direction is different in one separator, a coating layer may be provided at each gas inlet portion. In short, a coating layer may be provided at least in a portion corresponding to the gas inlet.
実施形態では被覆層の導電性粉末材料としてカーボンブラックを含むカーボン粉末を用いたが、これに限らず、繊維状カーボン、カーボン材料の代替材料となる導電性金属属酸化物粒子として、二酸化チタン(TiO2)、SiO2、ZrO、SnO2、Al2O3、CeO2 を用いても良い。これらを用いた場合も、電池反応に伴う電気化学的な腐食環境下に曝される条件においても被覆層の耐腐食性を維持すると共に、被覆層の微細細孔構造を保持して被覆層のガス透過性を維持することが可能である。さらに、導電性カーボン粉末に担持させる金属触媒は白金に限るものではなく、白金、パラジウム、金、イリジウム、ロジウムの少なくとも1つの元素を含む金属触媒を用いることが可能である。これらを用いた場合も、水分の移動により被覆層に運ばれる過酸化水素を導電性カーボン粉末上に担持した金属触媒の作用により水と酸素に分解して、過酸化水素からラジカルが発生することを抑制する機能を付与することが可能となる。 In the embodiment, carbon powder containing carbon black is used as the conductive powder material of the coating layer. However, the present invention is not limited to this, and as conductive metal group oxide particles serving as a substitute material for fibrous carbon and carbon material, titanium dioxide ( TiO 2 ), SiO 2 , ZrO, SnO 2 , Al 2 O 3 , or CeO 2 may be used. Even when these are used, the corrosion resistance of the coating layer is maintained even under the conditions of being exposed to the electrochemical corrosive environment accompanying the battery reaction, and the fine pore structure of the coating layer is maintained to maintain the coating layer. It is possible to maintain gas permeability. Furthermore, the metal catalyst supported on the conductive carbon powder is not limited to platinum, and a metal catalyst containing at least one element of platinum, palladium, gold, iridium, and rhodium can be used. Even when these are used, hydrogen peroxide carried to the coating layer by the movement of moisture is decomposed into water and oxygen by the action of the metal catalyst supported on the conductive carbon powder, and radicals are generated from hydrogen peroxide. It becomes possible to give the function which suppresses.
また、被覆層の結着材として例えば、親水基を有する高分子樹脂として分子構造内に極性を有する水素イオン交換基を含むスルホン基を有するフッ素系スルホン酸高分子樹脂を使用したが、これに限らず、カルボキシル基、リン酸基の少なくとも1つのイオン伝導性基を含むイオン伝導性樹脂でも良い。さらに、結着材への添加剤としてフッ素樹脂粉末を添加し分散混合して結着しても良い。 Further, as the binder for the coating layer, for example, a fluorine-based sulfonic acid polymer resin having a sulfone group including a hydrogen ion exchange group having a polarity in the molecular structure was used as a polymer resin having a hydrophilic group. Not limited to this, an ion conductive resin containing at least one ion conductive group of a carboxyl group and a phosphate group may be used. Further, a fluororesin powder may be added as an additive to the binder and dispersed and mixed for binding.
本発明の幾つかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
1…単位セル
2…接合体
3…固体高分子電解質膜
4…燃料極
5…酸化剤極
6…燃料極ガス拡散層
7…酸化剤極ガス拡散層
8…燃料極側触媒層
9…酸化剤極側触媒層
10…燃料極の接着層
11…酸化剤極の接着層
12,13…セパレータ
14…燃料ガス供給溝
15…酸化剤ガス供給溝
16…燃料極側ガスシール層
17…酸化剤極側ガスシール層
18…間隙部
19…燃料極側電池反応面
20…酸化剤極側電池反応面
21…燃料極側ガスシール面
22…酸化剤極側ガスシール面
23…燃料極のガス入口部
24…酸化剤極のガス入口部
25…燃料極側被覆層
26…酸化剤極側被覆層
27…燃料極側ガス透過層
28…酸化剤極側ガス透過層
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記固体高分子電解質膜の一方の面に配置され、電池反応面をその面内中央に含むガス拡散層を有する燃料極と、
前記固体高分子電解質膜の他方の面に配置された酸化剤極と、
前記燃料極の前記固体高分子電解質膜とは反対側の面に配置され、前記燃料極の表面上に燃料ガスを分配供給するためのガス流路が形成された燃料極側セパレータと、
前記酸化剤極の前記固体高分子電解質膜とは反対側の面に配置され、前記酸化剤極の表面上に酸化剤ガスを分配供給するためのガス流路が形成された酸化剤極側セパレータと、
前記燃料極の前記ガス拡散層の外周端部で且つ前記燃料極側セパレータのガス流路の少なくともガス入口部に相当する部分、及び前記ガス入口部に相当する部分から前記電池反応面に亘る範囲を被覆するように配置され、導電性材料と親水性の官能基を有する高分子樹脂とを含んで形成された、前記燃料ガスを透過する被覆層と、
を具備したことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。 A solid polymer electrolyte membrane using a solid polymer having hydrogen ion conductivity as an electrolyte; and
A fuel electrode having a gas diffusion layer disposed on one surface of the solid polymer electrolyte membrane and including a cell reaction surface in the center of the surface;
An oxidizer electrode disposed on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane;
A fuel electrode side separator disposed on a surface of the fuel electrode opposite to the solid polymer electrolyte membrane, and having a gas flow path for distributing and supplying fuel gas on the surface of the fuel electrode;
An oxidant electrode-side separator disposed on the surface of the oxidant electrode opposite to the solid polymer electrolyte membrane and having a gas flow path for distributing and supplying oxidant gas on the surface of the oxidant electrode When,
The outer peripheral end of the gas diffusion layer of the fuel electrode, at least a portion corresponding to the gas inlet of the gas flow path of the fuel electrode-side separator, and a range extending from the portion corresponding to the gas inlet to the cell reaction surface A coating layer that is permeable to the fuel gas and is formed of a conductive material and a polymer resin having a hydrophilic functional group.
A solid polymer electrolyte fuel cell comprising:
前記固体高分子電解質膜の一方の面に配置された燃料極と、
前記固体高分子電解質膜の他方の面に配置され、電池反応面をその面内中央に含むガス拡散層を有する酸化剤極と、
前記燃料極の前記固体高分子電解質膜とは反対側の面に配置され、前記燃料極の表面上に燃料ガスを分配供給するためのガス流路が形成された燃料極側セパレータと、
前記酸化剤極の前記固体高分子電解質膜とは反対側の面に配置され、前記酸化剤極の表面上に酸化剤ガスを分配供給するためのガス流路が形成された酸化剤極側セパレータと、
前記酸化剤極の前記ガス拡散層の外周端部で且つ前記酸化剤極側セパレータのガス流路の少なくともガス入口部に相当する部分、及び前記ガス入口部に相当する部分から前記電池反応面に亘る範囲を被覆するように配置され、導電性材料と親水性の官能基を有する高分子樹脂とを含んで形成された、前記酸化剤ガスを透過する被覆層と、
を具備したことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。 A solid polymer electrolyte membrane using a solid polymer having hydrogen ion conductivity as an electrolyte; and
A fuel electrode disposed on one surface of the solid polymer electrolyte membrane;
An oxidant electrode disposed on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane and having a gas diffusion layer including a battery reaction surface in the center of the surface;
A fuel electrode side separator disposed on a surface of the fuel electrode opposite to the solid polymer electrolyte membrane, and having a gas flow path for distributing and supplying fuel gas on the surface of the fuel electrode;
An oxidant electrode-side separator disposed on the surface of the oxidant electrode opposite to the solid polymer electrolyte membrane and having a gas flow path for distributing and supplying oxidant gas on the surface of the oxidant electrode When,
From the outer peripheral end of the gas diffusion layer of the oxidant electrode and at least the part corresponding to the gas inlet part of the gas flow path of the oxidant electrode side separator and the part corresponding to the gas inlet part to the cell reaction surface A coating layer that is disposed so as to cover a wide range and is formed of a conductive material and a polymer resin having a hydrophilic functional group, and that transmits the oxidizing gas;
A solid polymer electrolyte fuel cell comprising:
前記固体高分子電解質膜の一方の面に配置され、第1の電池反応面をその面内中央に含むガス拡散層を有する燃料極と、
前記固体高分子電解質膜の他方の面に配置され、第2の電池反応面をその面内中央に含むガス拡散層を有する酸化剤極と、
前記燃料極の前記固体高分子電解質膜とは反対側の面に配置され、前記燃料極の表面上に燃料ガスを分配供給するためのガス流路が形成された燃料極側セパレータと、
前記酸化剤極の前記固体高分子電解質膜とは反対側の面に配置され、前記酸化剤極の表面上に酸化剤ガスを分配供給するためのガス流路が形成された酸化剤極側セパレータと、
前記燃料極の前記ガス拡散層の外周端部で且つ前記燃料極側セパレータのガス流路の少なくともガス入口部に相当する部分、及び前記ガス入口部に相当する部分から前記第1の電池反応面に亘る範囲を被覆するように配置され、導電性材料と親水性の官能基を有する高分子樹脂とを含んで形成された、前記燃料ガスを透過する燃料極側被覆層と、
前記酸化剤極の前記ガス拡散層の外周端部で且つ前記酸化剤極側セパレータのガス流路の少なくともガス入口部に相当する部分、及び前記ガス入口部に相当する部分から前記第2の電池反応面に亘る範囲を被覆するように配置され、導電性材料と親水性の官能基を有する高分子樹脂とを含んで形成された、前記酸化剤ガスを透過する酸化剤極側被覆層と、
を具備したことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。 A solid polymer electrolyte membrane using a solid polymer having hydrogen ion conductivity as an electrolyte; and
A fuel electrode having a gas diffusion layer disposed on one surface of the solid polymer electrolyte membrane and including the first cell reaction surface in the center of the surface;
An oxidant electrode disposed on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane and having a gas diffusion layer including the second battery reaction surface in the center of the surface;
A fuel electrode side separator disposed on a surface of the fuel electrode opposite to the solid polymer electrolyte membrane, and having a gas flow path for distributing and supplying fuel gas on the surface of the fuel electrode;
An oxidant electrode-side separator disposed on the surface of the oxidant electrode opposite to the solid polymer electrolyte membrane and having a gas flow path for distributing and supplying oxidant gas on the surface of the oxidant electrode When,
The first cell reaction surface from the outer peripheral end of the gas diffusion layer of the fuel electrode and at least a portion corresponding to the gas inlet of the gas flow path of the fuel electrode-side separator, and a portion corresponding to the gas inlet A fuel electrode side coating layer that is disposed so as to cover a range extending between and that includes a conductive material and a polymer resin having a hydrophilic functional group and that transmits the fuel gas;
From the outer peripheral end of the gas diffusion layer of the oxidant electrode and at least a part corresponding to the gas inlet part of the gas flow path of the oxidant electrode side separator, and a part corresponding to the gas inlet part, the second battery. An oxidant electrode side coating layer that is disposed so as to cover a range over the reaction surface and is formed by including a conductive material and a polymer resin having a hydrophilic functional group and that transmits the oxidant gas;
A solid polymer electrolyte fuel cell comprising:
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