JP5772554B2 - 燃料電池 - Google Patents
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Description
本発明の一形態によれば、燃料電池が提供される。この形態の燃料電池は、電解質膜と、前記電解質膜の両側にそれぞれ形成されたアノード触媒層とカソード触媒層と、前記アノード触媒層の外側に配置されたアノード拡散層と、前記カソード触媒層の外側に配置されたカソード拡散層と、前記アノード拡散層の外側に配置され、溝によって形成されたアノードガス流路と、前記カソード拡散層の外側に配置され、溝によって形成されたカソードガス流路と、を備え、前記アノードガス拡散層の厚さは、前記カソードガス拡散層の厚さよりも厚く、前記カソードガス拡散層の弾性率は、前記アノードガス拡散層の弾性率よりも大きく、前記アノード拡散層と前記カソード拡散層が水を含んで膨潤したときに、前記カソードガス流路を形成する溝に食い込む前記カソードガス拡散層の食い込み量が、前記アノードガス流路を形成する溝に食い込む前記アノードガス拡散層の食い込み量よりも小さくなるように構成されている。この形態によれば、電解質膜が膨潤したときに、電解質膜等がアノード側に変形するので、カソードガス流路を閉塞させにくく、カソードガス流路の圧力損失の増加を抑制し、本適用例を適用しない場合に比べて、燃料電池の効率を向上させることが可能となる。
燃料電池であって、電解質膜と、前記電解質膜の両側にそれぞれ形成されたアノード触媒層とカソード触媒層と、前記アノード触媒層の外側に配置されたアノード拡散層と、前記カソード触媒層の外側に配置されたカソード拡散層と、前記アノード拡散層の外側に配置されたアノードガス流路と、前記カソード拡散層の外側に配置されたカソードガス流路と、を備え、前記アノード拡散層と前記カソード拡散層は、前記電解質膜が膨潤したときに、前記アノード拡散層の方が前記カソード拡散層よりも大きく変形するように構成されている、燃料電池。
この適用例によれば、電解質膜が膨潤したときに、電解質膜等がアノード側に変形するので、カソードガス流路を閉塞させにくく、カソードガス流路の圧力損失の増加を抑制し、本適用例を適用しない場合に比べて、燃料電池の効率を向上させることが可能となる。
適用例1に記載の燃料電池において、前記アノード拡散層の厚さは、前記カソード拡散層の厚さよりも厚い、燃料電池。
この適用例によれば、アノード拡散層の厚さは、カソード拡散層の厚さよりも厚いので、電解質膜等をアノード側に変形させやすい。
適用例1または2に記載の燃料電池において、前記カソード拡散層の剛性は、アノード拡散層の剛性よりも大きい、燃料電池。
この適用例によれば、カソード拡散層の剛性は、アノード拡散層の剛性よりも大きいので、電解質膜等をアノード側に変形させやすい。
適用例1〜3のいずれか一つの適用例に記載の燃料電池において、前記アノード触媒層と前記カソード触媒層は、前記電解質膜が膨潤したときに、前記アノード触媒層の方が前記カソード触媒層よりも大きく変形するように構成されている、燃料電池。
この適用例によれば、電解質膜が膨潤したときに、電解質膜等をアノード側に変形させることが可能となる。
燃料電池であって、電解質膜と、前記電解質膜の両側にそれぞれ形成されたアノード触媒層とカソード触媒層と、前記アノード触媒層の外側に配置されたアノード拡散層と、 前記カソード触媒層の外側に配置されたカソード拡散層と、 前記アノード拡散層の外側に配置されたアノードガス流路と、前記カソード拡散層の外側に配置されたカソードガス流路と、を備え、前記アノード触媒層と前記カソード触媒層は、前記電解質膜が膨潤したときに、前記アノード触媒層の方が前記カソード触媒層よりも大きく変形するように構成されている、燃料電池。
この適用例によれば、電解質膜が膨潤したときに、電解質膜等をアノード側に変形させることが可能となる。また、電解質膜等がアノード側に変形しても、アノード触媒層のひび割れを抑制することが可能となる。
適用例4または5に記載の燃料電池において、前記アノード触媒層の厚さは、前記カソード触媒層の厚さよりも薄い、燃料電池。
この適用例によれば、電解質膜等がアノード側に変形しても、アノード触媒層のひび割れを抑制することが可能となる。
適用例4〜6のいずれか一つの適用例に記載の燃料電池において、前記アノード触媒層の弾性率は、前記カソード触媒層の弾性率よりも大きい、燃料電池。
この適用例によれば、電解質膜等がアノード側に変形しても、アノード触媒層のひび割れを抑制することが可能となる。
図1は、第1の実施例の燃料電池の単電池を示す説明図である。単電池110は、膜電極ガス拡散層接合体130と、アノードセパレータプレート142とカソードセパレータプレート143とを備えている。膜電極ガス拡散層接合体130は、アノードセパレータプレート142とカソードセパレータプレート143とに挟まれている。アノードセパレータプレート142とカソードセパレータプレート143は、金属で形成された平板であり、膜電極ガス拡散層接合体130側に、それぞれ溝142a、143aを備えている。溝142aは水素を流すための流路として用いられ、溝143aは酸化ガスを流すための流路として用いられる。
図3は、第2の実施例の燃料電池の単電池を示す説明図である。第2の実施例の単電池110は、第1の実施例の単電池110と、カソード触媒層123の厚さWC3をアノード触媒層122の厚さWA3よりも厚く形成している点が異なる。
(1)触媒である白金(白金合金)の目付量(mg/cm2)を大きくする。
白金担持密度が同じであれば、触媒である白金(白金合金)の目付量の大きくした方が、触媒層の厚さは厚くなる。
(2)白金担持密度を低くする。
白金担持密度を低くした場合、同じ白金量を維持するためには、触媒層の厚さを厚くするので、触媒層の厚さは厚くなる。
(3)触媒層を形成するときのホットプレスのプレス圧を下げる。
触媒層を形成するときのホットプレスのプレス圧を下げれば、圧縮量が少なくなるので、触媒層は厚くなる。
(1)触媒インクを形成するときのアイオノマーの量を少なくする。
触媒層が変形する場合、アイオノマーの層が変形するため、アイオノマーの量が少ない方が変形し難い。すなわち、アイオノマーの量が少ない方が弾性率が高い。
(2)ホットプレス後のアニール温度を高くする。
アニール温度が高い方が触媒層中のアイオノマーの結晶化が促進されるので、触媒層の弾性率を上げることが可能となる。
(3)アイオノマーのEW(Equivalent Weight、スルホン酸当量)を高くする。
アイオノマーのEWを高くすると、アイオノマーの主鎖部分が増加するため、触媒層の弾性率を上げることが可能となる。
(4)アイオノマーを構成する分子の分子量を大きくする。
アイオノマーを構成する分子の分子量を大きくする方が、分子鎖の長さが長くなり、より複雑に絡み合わせることが出来るので、触媒層の弾性率を上げることが可能となる。
(5)触媒インクの溶媒種について、水に対するアルコールの比率を上げる。
アルコールの方が蒸発し易いので、触媒層中の溶媒の量を少なくして触媒層の弾性率を上げることが可能となる。
上記説明した第1、第2の実施例は、それぞれ、ガス拡散層、触媒層に関するものである。したがって、第1の実施例の技術と、第2の実施例の技術とは、それぞれ単独で用いても良く、また組み合わせて用いてもよい。
120…膜電極接合体
121…電解質膜
122…アノード触媒層
123…カソード触媒層
130…膜電極ガス拡散層接合体
132…アノードガス拡散層
133…カソードガス拡散層
142…アノードセパレータプレート
142a…溝
143…カソードセパレータプレート
143a…溝
Claims (4)
- 燃料電池であって、
電解質膜と、
前記電解質膜の両側にそれぞれ形成されたアノード触媒層とカソード触媒層と、
前記アノード触媒層の外側に配置されたアノード拡散層と、
前記カソード触媒層の外側に配置されたカソード拡散層と、
前記アノード拡散層の外側に配置され、溝によって形成されたアノードガス流路と、
前記カソード拡散層の外側に配置され、溝によって形成されたカソードガス流路と、
を備え、
前記アノードガス拡散層の厚さは、前記カソードガス拡散層の厚さよりも厚く、
前記カソードガス拡散層の弾性率は、前記アノードガス拡散層の弾性率よりも大きく、
前記アノード拡散層と前記カソード拡散層が水を含んで膨潤したときに、前記カソードガス流路を形成する溝に食い込む前記カソードガス拡散層の食い込み量が、前記アノードガス流路を形成する溝に食い込む前記アノードガス拡散層の食い込み量よりも小さくなるように構成されている、燃料電池。 - 請求項1に記載の燃料電池において、
前記アノード触媒層と前記カソード触媒層は、前記アノード拡散層と前記カソード拡散層が水を含んで膨潤したときに、前記アノード触媒層の方が前記カソード触媒層よりも大きく伸びるように構成されている、燃料電池。 - 燃料電池であって、
電解質膜と、
前記電解質膜の両側にそれぞれ形成されたアノード触媒層とカソード触媒層と、
前記アノード触媒層の外側に配置されたアノード拡散層と、
前記カソード触媒層の外側に配置されたカソード拡散層と、
前記アノード拡散層の外側に配置され、溝によって形成されたアノードガス流路と、
前記カソード拡散層の外側に配置され、溝によって形成されたカソードガス流路と、
を備え、
前記アノード触媒層の厚さは、前記カソード触媒層の厚さよりも薄く、
前記アノード触媒層と前記カソード触媒層は、前記電解質膜が水を含んで膨潤したときに、前記アノード触媒層の方が前記カソード触媒層よりも大きく伸び、前記カソードガス流路を形成する溝に食い込む前記カソードガス拡散層の食い込み量が、前記アノードガス流路を形成する溝に食い込む前記アノードガス拡散層の食い込み量よりも小さくなるように構成されている、燃料電池。 - 請求項2または3に記載の燃料電池において、
前記アノード触媒層の弾性率は、前記カソード触媒層の弾性率よりも小さい、燃料電池。
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