JP6575354B2 - Fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell.
固体高分子型燃料電池は、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に触媒電極層が配置された膜電極接合体を備える。膜電極接合体では電気化学反応が進行し、水が生成されることから、燃料電池内には水が存在する。燃料電池を長時間運転すると、吸入する空気に含まれる陽イオン不純物が燃料電池内の水に混入したり、電解質膜及び触媒電極層を構成する材料に含まれる陽イオン不純物が燃料電池内の水に溶出したりする。これにより、発電性能の低下が生じてしまう。そこで、燃料電池を高負荷で運転することで、陽イオン不純物を低減させて発電性能を回復させることが知られている(例えば、特許文献1、2)。
A polymer electrolyte fuel cell includes a membrane electrode assembly in which catalyst electrode layers are disposed on both sides of an electrolyte membrane having proton conductivity. In the membrane electrode assembly, an electrochemical reaction proceeds and water is generated, so water exists in the fuel cell. When the fuel cell is operated for a long time, the cation impurities contained in the inhaled air are mixed into the water in the fuel cell, or the cation impurities contained in the material constituting the electrolyte membrane and the catalyst electrode layer are mixed with the water in the fuel cell. Or elute. As a result, the power generation performance is degraded. Thus, it is known that by operating the fuel cell at a high load, the cation impurities are reduced to restore the power generation performance (for example,
燃料電池を高負荷で運転して発電性能を回復させる方法によれば、燃料電池を高負荷で運転することで大量の生成水が発生するため、この生成水と共に陽イオン不純物を外部に排出することで陽イオン不純物を低減させることができる。しかしながら、膜電極接合体内の水分量を適正に保つために膜電極接合体の側面に撥水層が設けられる場合があり、この場合、膜電極接合体内の生成水は撥水層に遮断されるため、液水の状態では外部に排出され難い。また、大量に生成水が発生することで生成水の一部が外部に排水されたとしても、陽イオン不純物の拡散速度は遅いため、新たに発生した生成水に陽イオン不純物は移動し難く、その結果、生成水と共に排出される陽イオン不純物の量は少ない。 According to the method of recovering the power generation performance by operating the fuel cell at a high load, a large amount of generated water is generated by operating the fuel cell at a high load, and thus the cation impurities are discharged to the outside together with the generated water. Thus, cation impurities can be reduced. However, a water repellent layer may be provided on the side surface of the membrane electrode assembly in order to keep the amount of water in the membrane electrode assembly properly. In this case, water generated in the membrane electrode assembly is blocked by the water repellent layer. Therefore, it is difficult to be discharged outside in the state of liquid water. In addition, even if a part of the generated water is drained to the outside due to the generation of a large amount of generated water, the diffusion rate of the cationic impurities is slow, so the cationic impurities are difficult to move to the newly generated generated water. As a result, the amount of cationic impurities discharged with the produced water is small.
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、多量の陽イオン不純物を外部に排出することが可能な燃料電池及び燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a fuel cell and a fuel cell system capable of discharging a large amount of cationic impurities to the outside.
本発明は、燃料電池であって、電解質膜の両面に電極触媒層が設けられた膜電極接合体と、前記膜電極接合体の一方の面及び他方の面のそれぞれに設けられた第1及び第2撥水層と、前記第1及び前記第2撥水層を介して前記膜電極接合体を挟持する一対のセパレータと、前記膜電極接合体の外周を覆って配置され、前記一対のセパレータに挟持された絶縁部材と、をそれぞれ含む複数の単セルと、前記複数の単セルを挟持する一対のエンドプレートと、前記一対のエンドプレートの一方と前記複数の単セルの前記一対のセパレータ及び前記絶縁部材とを貫通して設けられ、前記膜電極接合体から排出されたガスを前記燃料電池の外部に排出するガス排出マニホールドと、を備え、前記ガス排出マニホールドは、前記燃料電池が車両に搭載される状態において前記膜電極接合体の下方に液水が溜まる貯水部を有し、前記複数の単セルの前記電解質膜は、前記貯水部に延びて挿入されていて、前記一対のエンドプレートのいずれか一方は、前記貯水部に溜まった液水を前記燃料電池の外部に排出可能な排水流路を有することを特徴とする燃料電池である。 The present invention is a fuel cell, comprising a membrane electrode assembly in which electrode catalyst layers are provided on both surfaces of an electrolyte membrane, and first and second surfaces provided on one side and the other side of the membrane electrode assembly, respectively. A second water repellent layer, a pair of separators sandwiching the membrane electrode assembly through the first and second water repellent layers, and an outer periphery of the membrane electrode assembly, and the pair of separators A plurality of single cells each including an insulating member sandwiched between, a pair of end plates sandwiching the plurality of single cells, one of the pair of end plates and the pair of separators of the plurality of single cells, and A gas discharge manifold that is provided through the insulating member and discharges the gas discharged from the membrane electrode assembly to the outside of the fuel cell. Mounted A storage part in which liquid water accumulates below the membrane electrode assembly, and the electrolyte membranes of the plurality of single cells extend into the storage part and are inserted into either of the pair of end plates. On the other hand, the fuel cell is characterized by having a drainage channel capable of discharging the liquid water accumulated in the water reservoir to the outside of the fuel cell.
本発明によれば、多量の陽イオン不純物を外部に排出することができる。 According to the present invention, a large amount of cationic impurities can be discharged to the outside.
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
実施例1に係る燃料電池は、反応ガスとして燃料ガス(例えば水素)と酸化剤ガス(例えば空気)との供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池であり、例えば燃料電池自動車や電気自動車などに搭載される。図1は、実施例1に係る燃料電池を構成する単セル100の構成を示す図である。なお、図1では、燃料電池が車両に搭載される状態での重力方向を紙面の下側方向として図示している(図3、図4、図9、及び図10においても同じ)。図1のように、単セル100は、電解質膜12の両面に触媒電極層であるアノード触媒層14aとカソード触媒層14cとが形成された膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)10を備える。アノード触媒層14aとカソード触媒層14cとは長さが異なっており、アノード触媒層14aの下端はカソード触媒層14cの下端よりも下側に位置している。なお、カソード触媒層14cの下端がアノード触媒層14aの下端よりも下側に位置してもよいし、それぞれの下端が揃っていてもよい。
The fuel cell according to Example 1 is a polymer electrolyte fuel cell that generates electric power by receiving supply of a fuel gas (for example, hydrogen) and an oxidant gas (for example, air) as a reaction gas. For example, a fuel cell vehicle or an electric vehicle Etc. FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a
電解質膜12は、フッ素系樹脂材料又は炭素系樹脂材料で形成された固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。アノード触媒層14a及びカソード触媒層14cは、電気化学反応を進行する触媒(例えば白金や、白金−コバルト合金)を担持したカーボン粒子(例えばカーボンブラック)と、プロトン伝導性を有するアイオノマーと、を含む。
The
MEA10の両側には、MEA10内に含まれる水分を適正量に保つための一対の撥水層(アノード側撥水層16aとカソード側撥水層16c)と、一対のガス拡散層(アノードガス拡散層18aとカソードガス拡散層18c)と、が配置されている。MEA10、一対の撥水層、及び一対のガス拡散層を総称して膜電極ガス拡散層接合体(MEGA:Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly)30と称す。アノード側撥水層16a及びアノードガス拡散層18aは、その下端がアノード触媒層14aの下端と略揃う位置に設けられている。カソード側撥水層16c及びカソードガス拡散層18cは、その下端がカソード触媒層14cの下端と略揃う位置に設けられている。なお、触媒層、撥水層、及びガス拡散層の下端が揃っていない場合でもよい。
On both sides of the
アノード側撥水層16a、カソード側撥水層16c、アノードガス拡散層18a、及びカソードガス拡散層18cは、ガス透過性及び電子伝導性を有する部材によって形成されており、例えばカーボンクロスやカーボンペーパなどの多孔質カーボン製部材によって形成されている。アノード側撥水層16a及びカソード側撥水層16cは、アノードガス拡散層18a及びカソードガス拡散層18cと比べて、多孔質カーボン製部材の細孔が小さい。例えば、アノード側撥水層16a及びカソード側撥水層16cの細孔の大きさは直径0.1μm〜1μm程度であり、アノードガス拡散層18a及びカソードガス拡散層18cの細孔の大きさは直径10μm〜100μm程度である。このように、アノード側撥水層16a及びカソード側撥水層16cの細孔が小さいことから、アノード触媒層14a及びカソード触媒層14cから液水が流出することを抑制でき、膜電極接合体10内に含まれる水分を適正量に保つことができる。
The anode-side water-
MEGA30の両側には、MEGA30を挟持する一対のセパレータ(アノード側セパレータ20aとカソード側セパレータ20c)が配置されている。アノード側セパレータ20a及びカソード側セパレータ20cは、ガス遮断性及び電子伝導性を有する部材によって形成されており、例えばカーボンを圧縮してガス不透過とした緻密性カーボンなどのカーボン部材やプレス成型したステンレス鋼などの金属部材によって形成されている。アノード側セパレータ20a及びカソード側セパレータ20cは、表面にガスが流通する流路を形成するための凹凸を有する。アノード側セパレータ20aは、アノードガス拡散層18aとの間に、水素が流通可能なアノードガス流路22aを形成する。カソード側セパレータ20cは、カソードガス拡散層18cとの間に、空気が流通可能なカソードガス流路22cを形成する。また、アノード側セパレータ20a及びカソード側セパレータ20cは、冷媒が流通可能な冷媒流路24a、24cを形成する。アノード側セパレータ20aの下方側面にはガスケット26が設けられている。なお、実施例1ではアノードとカソードに拡散層を備える構成としたが、これに限定されない。一方又は両方の拡散層を備えない構成であってもよい。この場合には、アノードガス流路又はカソードガス流路から撥水層を介して直接触媒層にガスが供給される。拡散層を備えない構成においては、撥水層は撥水、ガス透過、及び導電の各機能を有するシート部材が使用される。
A pair of separators (an
MEGA30の外周を覆って、アノード側セパレータ20aとカソード側セパレータ20cとによって挟持された枠状の絶縁部材40が配置されている。絶縁部材40は接着剤41によって接着している。ここで、アノード側セパレータ20a、カソード側セパレータ20c、及び絶縁部材40をより詳しく説明する。図2(a)はアノード側セパレータ20aの斜視図、図2(b)は絶縁部材40の斜視図、図2(c)はカソード側セパレータ20cの斜視図である。
A frame-like insulating
図2(a)から図2(c)のように、アノード側セパレータ20a及びカソード側セパレータ20cには、それぞれ孔a1〜a3及び孔c1〜c3が設けられている。絶縁部材40にも同様に、孔s1〜s3が設けられている。孔a1〜a3、孔s1〜s3、及び孔c1〜c3は、それぞれ連通し、孔a1、s1、及びc1は水素供給マニホールドを、孔a2、s2、及びc2は冷媒供給マニホールドを、孔a3、s3、及びc3は空気排出マニホールドを画定する。
As shown in FIGS. 2A to 2C, the
また、アノード側セパレータ20a及びカソード側セパレータ20cには、それぞれ孔a4〜a6及び孔c4〜c6が設けられている。絶縁部材40にも同様に、孔s4〜s6が設けられている。孔a4〜a6、s4〜s6、及びc4〜c6は、それぞれ連通し、孔a4、s4、及びc4は空気供給マニホールドを、孔a5、s5、及びc5は冷媒排出マニホールドを、孔a6、s6、及びc6は水素排出マニホールドを画定する。
The
孔a3、s3、及びc3は、L字型形状をしていることから、空気排出マニホールドはL字型形状となっている。その他の孔は長方形形状をしていることから、その他のマニホールドは長方形形状をしている。また、MEGA30は、絶縁部材40の内側に配置される。言い換えると、絶縁部材40は、MEGA30の外周を覆って配置される。
Since the holes a3, s3, and c3 have an L shape, the air discharge manifold has an L shape. Since the other holes have a rectangular shape, the other manifolds have a rectangular shape. Further, the
アノード側セパレータ20aのMEGA30に対向する面には、水素供給マニホールドと水素排出マニホールドとを連通して水素が流れるアノードガス流路22aが形成されている。カソード側セパレータ20cのMEGA30に対向する面には、空気供給マニホールドと空気排出マニホールドとを連通して空気が流れるカソードガス流路22cが形成されている。アノード側セパレータ20aのアノードガス流路22aが形成された面とは反対側の面、及び、カソード側セパレータ20cのカソードガス流路22cが形成された面とは反対側の面には、冷媒供給マニホールドと冷媒排出マニホールドとを連通し冷媒が流れる冷媒流路24a、24cが形成されている。
An anode
図3は、図1のA−A間の断面図である。なお、図3では接着剤41については図示を省略している。図1及び図3のように、アノード側セパレータ20a、絶縁部材40、及びカソード側セパレータ20cにそれぞれ設けられた孔a3、s3、及びc3は、MEGA30の下方において、電気化学反応に伴う生成水や燃料電池が停止することで発生する結露水などの液水が溜まる貯水部32を形成する。すなわち、孔a3、s3、及びc3は空気排出マニホールドを画定することから、空気排出マニホールドはMEGA30の下方に液水が溜まる貯水部32を有する。電解質膜12の一部は、貯水部32に延びて挿入されている。
3 is a cross-sectional view taken along a line AA in FIG. In FIG. 3, the adhesive 41 is not shown. As shown in FIGS. 1 and 3, holes a3, s3, and c3 provided in the anode-
孔s3の上側では、電解質膜12の両側面は絶縁部材40で保持されている。電解質膜12の下端部も絶縁部材40で保持されている。このように、電解質膜12のアノード触媒層14a及びカソード触媒層14cから延びた部分の上部と下部とが絶縁部材40で保持されているため、隣接するセルの電解質膜12同士が接触することが抑制される。
Above the hole s3, both side surfaces of the
図4は、実施例1に係る燃料電池200の構成を示す図である。なお、図4では、図の明瞭化のために、単セルの構成の一部を簡略化して図示している。図4のように、実施例1の燃料電池200は、図1〜図3で説明した複数の単セル100が一対のエンドプレート70、72によって挟持されたスタック構造をしている。エンドプレート70、72は、例えば金属製であるが、その他の材料からなる場合でもよい。
FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of the
エンドプレート72は、流路74を備える。流路74には、絞り部80が設けられている。複数の単セル100それぞれのアノード側セパレータ20aに設けられた孔a3、絶縁部材40に設けられた孔s3、及びカソード側セパレータ20cに設けられた孔c3は、エンドプレート72の流路74と連通し、これにより、MEA10から排出されたカソードオフガスを燃料電池200の外部に排出する空気排出マニホールド34が形成されている。なお、図示はしていないが、エンドプレート72は、水素供給マニホールド、冷媒供給マニホールド、空気供給マニホールド、冷媒排出マニホールド、水素排出マニホールドを画定する流路も備えている。
The
エンドプレート72の流路74の断面積は、単セル100のアノード側セパレータ20aに設けられた孔a3、絶縁部材40に設けられた孔s3、及びカソード側セパレータ20cに設けられた孔c3の断面積よりも小さい。これにより、MEGA30の下方における空気排出マニホールド34には、生成水や結露水などの液水36が溜まる貯水部32が形成される。貯水部32は複数の単セル100に渡って形成されることから、貯水部32には多量の液水36を溜めることができる。複数の単セル100の電解質膜12は、貯水部32に延在していて、貯水部32に溜まった液水36に挿入されるようになる。
The cross-sectional area of the
エンドプレート72及び絞り部80には、貯水部32と流路74とを連通する流路76が設けられている。流路76には、貯水部32に溜まった液水36が侵入する。エンドプレート72内の流路74の流路76と連通する部位において断面積が狭くなる絞り部80を備えることから、流路74を介して外部に排出されるカソードオフの流速が上がり、貯水部32に溜まった液水36の量が増えると、カソードオフガスの流速によって発生する負圧によって貯水部32から流路76を通して液水36が吸い出されて外部に排水される。したがって、燃料電池の発電中であっても、貯水部32に液水36が溜まり、カソードオフガスの流速が上がると、随時液水36を外部に排水することが可能である。流路76は、貯水部32に溜まった液水36を燃料電池200の外部に排水可能な排水流路として機能する。なお、例えば燃料電池が停止している間は貯水部32に液水36が溜まった状態となり、貯水部32に多量の液水36を長時間溜めることができる。また、流路76の流路74への連通部及び絞り部80は、エンドプレート72内にのみ設けられている場合に限られず、エンドプレート72の外側に設けられていてもよい。
The
ここで、実施例1の燃料電池の効果を説明するに当たり、比較例の燃料電池について説明する。比較例の燃料電池では、空気排出マニホールドは、その他のマニホールドと同様に長方形形状をし、電解質膜は、その下端がアノード触媒層の下端と略揃う位置に設けられている点で、実施例1の燃料電池と異なる。すなわち、比較例の燃料電池では、空気排出マニホールドに貯水部は形成されてなく、これに伴い、電解質膜は貯水部まで延びていない。その他の構成は、実施例1と同じである。 Here, in describing the effect of the fuel cell of Example 1, the fuel cell of the comparative example will be described. In the fuel cell of the comparative example, the air discharge manifold has a rectangular shape like the other manifolds, and the electrolyte membrane is provided at a position where the lower end thereof is substantially aligned with the lower end of the anode catalyst layer. Different from the fuel cell. That is, in the fuel cell of the comparative example, the water storage part is not formed in the air discharge manifold, and accordingly, the electrolyte membrane does not extend to the water storage part. Other configurations are the same as those in the first embodiment.
図5は、比較例に係る燃料電池において、燃料電池内の液水に含まれる陽イオン不純物が燃料電池の外部に排出され難いことのメカニズムを説明する図である。なお、図5では、カソード側を例に説明しているが、アノード側でも同様のことが生じる。図5のように、カソード触媒層14cでの電気化学反応によって生成水(液水36)が発生し、電解質膜12及びカソード触媒層14c内には液水36が存在する。燃料電池を長時間運転すると、吸入する空気や、電解質膜及び電極触媒層を構成する材料に含まれる陽イオン不純物42が、プロトン44と共に、液水36に含まれるようになる。電解質膜12内に陽イオン不純物42が存在すると、発電性能の低下が生じてしまう。陽イオン不純物42として、例えばCa2+やMg2+、Co2+などが挙げられる。
FIG. 5 is a diagram for explaining the mechanism that the cationic impurities contained in the liquid water in the fuel cell are not easily discharged outside the fuel cell in the fuel cell according to the comparative example. Although FIG. 5 illustrates the cathode side as an example, the same thing occurs on the anode side. As shown in FIG. 5, generated water (liquid water 36) is generated by an electrochemical reaction in the
液水36内の陽イオン不純物42は、燃料電池の運転中では、電解質膜12の平面と交差(直交)する方向には液水36内を電位差によって拡散し、電解質膜12の平面方向には液水36内を濃度差によって拡散する。燃料電池の停止中には、液水36内の陽イオン不純物42は、電解質膜12の平面方向と交差(直交)する方向及び平面方向のいずれにも、液水36内を濃度差によって拡散する。拡散量は数1で表すことができ、電解質膜12とカソード触媒層14cとで最終的な陽イオン不純物42の比率が等しくなる。
カソード触媒層14cの側面にカソード側撥水層16cが設けられているため、カソード触媒層14cから外部に液水36が排水され難くなっている。しかしながら、液水36の一部は、カソードオフガスに溶け込んでカソード側撥水層16cを通過することで、外部に排水される。一方、陽イオン不純物42は、カソードオフガスに溶け込むことができないため、液水36のようにカソードオフガスに溶け込んで外部に排出されることが難しい。このようなことから、液水36内の陽イオン不純物42は燃料電池の外部に排出され難いことが生じている。
Since the cathode-side water-
例えば特開2001−85037号公報などによれば、燃料電池を高負荷で運転することで、陽イオン不純物を外部に排出するようにしている。このことについて図6(a)及び図6(b)を用いて説明する。図6(a)及び図6(b)は、比較例に係る燃料電池において、燃料電池を高負荷で運転することで陽イオン不純物が燃料電池の外部に排出されるメカニズムを説明する図である。 For example, according to Japanese Patent Laid-Open No. 2001-85037, the cation impurities are discharged to the outside by operating the fuel cell at a high load. This will be described with reference to FIGS. 6 (a) and 6 (b). 6 (a) and 6 (b) are diagrams illustrating a mechanism by which cationic impurities are discharged to the outside of the fuel cell by operating the fuel cell at a high load in the fuel cell according to the comparative example. .
図6(a)のように、高負荷で燃料電池を運転することで多量の生成水(液水36)が発生するため、カソードオフガスに溶け込んで排出可能な量を超えた液水36によって、カソード触媒層14c中の液水36の圧力が上昇する。その結果、液水36がカソード触媒層14cから押し出されてカソード側撥水層16cを通過してカソードガス流路22cに排水されることが生じる。この液水36の排水と共に、液水36中の陽イオン不純物42が排出される。
Since a large amount of generated water (liquid water 36) is generated by operating the fuel cell with a high load as shown in FIG. 6 (a), the
しかしながら、カソード側撥水層16cを通過してカソードガス流路22cに排水される液水36の量はあまり多くない。また、陽イオン不純物42は液水36内を濃度拡散で拡散するため移動速度が遅く、上記の数1の状態になるまでは長い時間を要する。すなわち、陽イオン不純物42は、燃料電池を高負荷で運転することで発生した液水36に短時間で移動することができない。このため、燃料電池を高負荷で運転することで液水36と共に排出される陽イオン不純物42は、高負荷での運転前からカソード触媒層14c内のカソード側撥水層16c近傍に存在していた液水36に拡散していた陽イオン不純物42だけであり、図6(b)のように、電解質膜12の液水36内に含まれる陽イオン不純物42は排出され難い。したがって、多量の陽イオン不純物42を外部に排出することが難しい。
However, the amount of
図7(a)から図7(c)は、実施例1の燃料電池の効果を説明する図である。実施例1では、図4で説明したように、貯水部32には多量の液水36が長時間溜まり、電解質膜12の一部は貯水部32に延びていることで液水36に挿入される。このため、図7(a)から図7(c)のように、電解質膜12の液水36内に含まれる多量の陽イオン不純物42が貯水部32に溜まった液水36に拡散して、貯水部32の液水36内の陽イオン不純物42の濃度が高くなる。したがって、貯水部32から空気排出マニホールド34を介して外部に排水される液水36には多量の陽イオン不純物42が含まれるようになり、多量の陽イオン不純物42を外部に排出することができる。なお、図7(a)から図7(c)での陽イオン不純物42の拡散は、濃度拡散が支配的であり電位差による拡散はほとんど考慮しなくてよい。
FIG. 7A to FIG. 7C are diagrams for explaining the effect of the fuel cell of the first embodiment. In the first embodiment, as described with reference to FIG. 4, a large amount of
以上のように、実施例1によれば、図4のように、空気排出マニホールド34は、MEA10の下方に液水36が溜まる貯水部32を有する。複数の単セル100の電解質膜12は、貯水部32に延びて挿入されている。このため、図7(a)から図7(c)で説明したように、電解質膜12の液水36内に含まれる多量の陽イオン不純物42が貯水部32の液水36に拡散することができ、貯水部32の液水36内の陽イオン不純物42の濃度が高くなる。実施例1の燃料電池200は、エンドプレート72に貯水部32に溜まった液水36を外部に排水可能な流路76を備えていることから、貯水部32の陽イオン不純物42を高濃度で含む液水36を外部に排水することができる。これにより、多量の陽イオン不純物42を外部に排出することができ、その結果、発電性能を良好に回復させることができる。また、貯水部32は発電部の外側にあるため、発電性能の低下を抑制しつつ、多量の陽イオン不純物42を外部に排出して発電性能を回復させることができる。
As described above, according to the first embodiment, as shown in FIG. 4, the
また、実施例1において、貯水部32の容積は、MEA10の最大含水量の20%以上であることが好ましい。このことを、図8を用いて説明する。図8は、貯水部32の貯水量に対し、MEA10及び貯水部32で最終的に平衡状態となる陽イオン不純物42の量を示す図である。なお、図8では、一定の走行距離(例えば1000km)あたりに混入する陽イオン不純物42の量を1とした場合を示している。図8の横軸は、MEA10の最大含水量に対する貯水部32の貯水量の割合(貯水量/膜電極接合体の最大含水量)である。縦軸は、貯水部32に溜まった液水36を繰り返し排水することでMEA10及び貯水部32で最終的に平衡状態となる陽イオン不純物42の量である。
Moreover, in Example 1, it is preferable that the volume of the
図8のように、(貯水量/膜電極接合体の最大含水量)が1である場合は、一定の走行距離あたりに混入される陽イオン不純物42の量程度に、MEA10に蓄積される陽イオン不純物42の量が抑えられる。(貯水量/膜電極接合体の最大含水量)が1より大きくなっても、MEA10に蓄積される陽イオン不純物42の量はあまり少なくならない。一方、(貯水量/膜電極接合体の最大含水量)が0.2よりも小さい場合には、MEA10に蓄積される陽イオン不純物42の量が急激に多くなる。
As shown in FIG. 8, when (the amount of stored water / the maximum water content of the membrane electrode assembly) is 1, the amount of positive impurities accumulated in the
以上のことから、MEA10に蓄積される陽イオン不純物42の量を少なくする点から、貯水部32の容積は、MEA10の最大含水量の20%以上であることが好ましい。貯水部32の容積は、MEA10の最大含水量の50%以上であることがより好ましく、80%以上であることがさらに好ましい。一方、貯水部32の容積が、MEA10の最大含水量の100%よりも大きくなっても、MEA10に蓄積される陽イオン不純物42の量はほとんど変わらない。貯水部32の容積が大きくなる程、燃料電池は大型化する恐れがあることから、貯水部32の容積は、MEA10の最大含水量の200%以下であることが好ましく、160%以下である場合がより好ましく、140%以下である場合がさらに好ましい。
From the above, it is preferable that the volume of the
なお、MEA10中の含水量は、MEA10に含まれる電解質膜の含水量とカソード触媒層14cの空隙中の含水量によってほぼ決まる。電解質膜の最大含水量は、電解質膜の構造で1つに決まる値であり、下記の数2によって求めることができる。
カソード触媒層14cの空隙は、カソード触媒層14cの構造で1つに決まる値であり、下記の数3によって求めることができる。空隙中に水が含まれることから、空隙の体積を求めることで含水量を求めることができる。空隙の体積は、カソード触媒層14cの体積(面積と厚さ)と空隙率とから算出することができる。空隙率は、カソード触媒層14cの体積からカソード触媒層14cに含まれる材料(カーボン担体、アイオノマー、触媒)の体積を引いた値の空隙がカソード触媒層14cの体積に占める割合である。
例えば、以下の代表的な物性を用いて1cm2あたりの最大含水量を求めると、1.08mg/cm2となる。
λ:14
Vmem:0.001cm3
ρmem:2g/m3
EWmem:1000g/mol
Vion、AN:7.5×10−5cm3
ρion、AN:2g/cm3
EWion、AN:1000g/mol
Vion、CA:1.5×10−4cm3
ρion、CA:2g/cm3
EWion、CA:1000g/mol
VW:算出値
ρW:1g/cm3
MW:18g/mol
ε:0.45
SCL:0.001cm3
発電面積が200cm2の単セルでは、1枚当たりの最大含水量は0.216gとなる。この場合、単セル1枚あたりの貯水部32の容積は、最大含水量の20%以上となる、0.043cc以上であることが好ましい。
For example, when the maximum water content per 1 cm 2 is determined using the following representative physical properties, it is 1.08 mg / cm 2 .
λ: 14
V mem : 0.001 cm 3
ρ mem : 2 g / m 3
EW mem : 1000 g / mol
Vion, AN : 7.5 × 10 −5 cm 3
ρ ion, AN : 2 g / cm 3
EW ion, AN : 1000 g / mol
Vion, CA : 1.5 × 10 −4 cm 3
ρ ion, CA : 2 g / cm 3
EW ion, CA : 1000 g / mol
V W : calculated value ρ W : 1 g / cm 3
M W: 18g / mol
ε: 0.45
S CL : 0.001 cm 3
In a single cell having a power generation area of 200 cm 2 , the maximum water content per sheet is 0.216 g. In this case, the volume of the
図9(a)は、実施例2に係る燃料電池300の構成を示す図、図9(b)は、図9(a)のA−A間の断面図である。図9(a)及び図9(b)のように、実施例2の燃料電池300では、アノード側セパレータ20a、絶縁部材40、及びカソード側セパレータ20cにそれぞれ設けられた孔a3、s3、及びc3は、MEGA30の下方にMEGA30全体に渡って設けられている。すなわち、空気排出マニホールドは、MEGA30の下方にMEGA30全体に渡って設けられていて、MEGA30の下方全体に貯水部32を有する。電解質膜12は、複数個所において、貯水部32に延びて挿入されている。その他の構成は、実施例1と同じであるため、説明を省略する。
FIG. 9A is a diagram illustrating a configuration of the
実施例2によれば、貯水部32が単セル100のMEGA30の下方全体に設けられているため、貯水部32に溜まる液水36の量を増大させることができる。これにより、貯水部32の液水36により多くの陽イオン不純物42を含ませることができ、電解質膜12中の陽イオン不純物42の量を低減させることができる。また、電解質膜12の複数個所が貯水部32に延びて挿入されているため、電解質膜12と貯水部32の液水36との接触面積が増え、電解質膜12から貯水部32の液水36への陽イオン不純物42の拡散を促進させることができる。また、電解質膜12の複数個所が貯水部32の液水36と接触する場合、電解質膜12は貯水部32の液水36に散らばって接触するようになるため、この点においても、電解質膜12から貯水部32の液水36への陽イオン不純物42の拡散を促進させることができる。
According to the second embodiment, since the
図10は、実施例3に係る燃料電池400の構成を示す図である。図10のように、実施例3の燃料電池400では、エンドプレート72の流路74に絞り部80は設けられていない。エンドプレート72に貯水部32と燃料電池400の外部とを連通する流路78が設けられている、流路78は、貯水部32に溜まった液水36を燃料電池400の外部に排水可能な排水流路として機能する。燃料電池400の外部には、流路78に接続する流路にバルブ82が設置されていて、バルブ82の開閉によって、貯水部32の液水36の外部への排水、非排水を切り替えることができる。バルブ82は、制御装置からの指示に基づいて自動開閉する電子制御バルブ(例えば電磁弁)であってもよいし、手動によって開閉する手動バルブ(例えば手動コック)であってもよい。その他の構成は、実施例1と同じであるため、説明を省略する。
FIG. 10 is a diagram illustrating the configuration of the
実施例3によれば、例えば所定走行距離や所定走行時間、所定発電時間毎に制御装置からの指示によってバルブ82が開くことで、貯水部32の液水36を外部に排水させて、陽イオン不純物42を外部に排出することができる。また、例えば定期点検などの際に手動でバルブ82を開くことで、貯水部32の液水36を外部に排水させてもよい。
According to the third embodiment, for example, the
なお、実施例3では、流路78は、空気排出マニホールド34が形成されたエンドプレート72に設けられている場合を例に示したが、空気排出マニホールド34が形成されていないエンドプレート70に設けられている場合でもよい。
In the third embodiment, the
なお、実施例1から実施例3においては、複数の単セル100の全ての電解質膜12が貯水部32に延びて挿入されていることが好ましいが、一部の単セル100の電解質膜12が貯水部32に延びていない場合でもよい。
In the first to third embodiments, it is preferable that all the
なお、実施例1から実施例3では、空気排出マニホールド34に貯水部32が形成される場合を例に示したが、水素排出マニホールドに貯水部が形成される場合でもよい。しかしながら、カソード側は生成水が多く発生するため、貯水部32は空気排出マニホールド34に形成されることが好ましい。
In the first to third embodiments, the case where the
なお、実施例1から実施例3では、貯水部32には生成水や結露水などが溜まる場合を例に示したが、例えば定期点検などの際に外部から貯水部32に液水36を供給して溜めてもよい。
In the first to third embodiments, the case where generated water, condensed water, or the like accumulates in the
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to such specific embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. It can be changed.
10 膜電極接合体
12 電解質膜
14a アノード触媒層
14c カソード触媒層
16a アノード側撥水層
16c カソード側撥水層
18a アノードガス拡散層
18c カソードガス拡散層
20a アノード側セパレータ
20c カソード側セパレータ
22a アノードガス流路
22c カソードガス流路
30 膜電極ガス拡散層接合体
32 貯水部
34 空気排出マニホールド
36 液水
40 絶縁部材
41 接着剤
42 陽イオン不純物
44 プロトン
70、72 エンドプレート
74〜78 流路
80 絞り部
a1〜a6、s1〜s6、c1〜c6 孔
100 単セル
200〜400 燃料電池
DESCRIPTION OF
Claims (1)
電解質膜の両面に電極触媒層が設けられた膜電極接合体と、前記膜電極接合体の一方の面及び他方の面のそれぞれに設けられた第1及び第2撥水層と、前記第1及び前記第2撥水層を介して前記膜電極接合体を挟持する一対のセパレータと、前記膜電極接合体の外周を覆って配置され、前記一対のセパレータに挟持された絶縁部材と、をそれぞれ含む複数の単セルと、
前記複数の単セルを挟持する一対のエンドプレートと、
前記一対のエンドプレートの一方と前記複数の単セルの前記一対のセパレータ及び前記絶縁部材とを貫通して設けられ、前記膜電極接合体から排出されたガスを前記燃料電池の外部に排出するガス排出マニホールドと、を備え、
前記ガス排出マニホールドは、前記燃料電池が車両に搭載される状態において前記膜電極接合体の下方に液水が溜まる貯水部を有し、
前記複数の単セルの前記電解質膜は、前記貯水部に延びて挿入されていて、
前記一対のエンドプレートのいずれか一方は、前記貯水部に溜まった液水を前記燃料電池の外部に排出可能な排水流路を有することを特徴とする燃料電池。
A fuel cell,
A membrane electrode assembly in which an electrode catalyst layer is provided on both surfaces of the electrolyte membrane; a first and second water repellent layer provided on each of one surface and the other surface of the membrane electrode assembly; And a pair of separators that sandwich the membrane electrode assembly via the second water repellent layer, and an insulating member that is disposed so as to cover the outer periphery of the membrane electrode assembly and is sandwiched between the pair of separators. Including a plurality of single cells,
A pair of end plates sandwiching the plurality of single cells;
A gas that is provided through one of the pair of end plates and the pair of separators and the insulating member of the plurality of single cells, and discharges the gas discharged from the membrane electrode assembly to the outside of the fuel cell. A discharge manifold,
The gas discharge manifold has a water storage part in which liquid water is stored below the membrane electrode assembly in a state where the fuel cell is mounted on a vehicle.
The electrolyte membranes of the plurality of single cells are extended and inserted into the water reservoir,
Either one of the pair of end plates has a drainage channel capable of discharging the liquid water accumulated in the water reservoir to the outside of the fuel cell.
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