JP7444748B2 - How to design a gas diffusion layer - Google Patents

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Description

本開示は、ガス拡散層の設計方法に関する。 The present disclosure relates to a method for designing a gas diffusion layer.

従来、膜電極ガス拡散層接合体の両側に、ガス流路を形成する一対のセパレータが配置された燃料電池がある。ガス流路から供給される反応ガスである燃料ガスと酸化ガスとにより電気化学反応が行われ、電気化学反応により生成された水は、排出される反応ガスとともに外部に排出される。従来の燃料電池において、ガス流路から供給される反応ガスのガス拡散層への拡散性が向上すると、電気化学反応は促進されることが知られている(例えば、特許文献1)。 Conventionally, there is a fuel cell in which a pair of separators forming a gas flow path are arranged on both sides of a membrane electrode gas diffusion layer assembly. An electrochemical reaction is performed by the fuel gas, which is a reactive gas, and the oxidizing gas supplied from the gas flow path, and water generated by the electrochemical reaction is discharged to the outside together with the discharged reactive gas. In conventional fuel cells, it is known that electrochemical reactions are promoted when the diffusibility of a reaction gas supplied from a gas flow path to a gas diffusion layer is improved (for example, Patent Document 1).

特開2013-125744号公報Japanese Patent Application Publication No. 2013-125744

反応ガスの拡散性が向上すると、電気化学反応は促進される。一方で、拡散性が上がり過ぎると、反応ガスにより生成水が過剰に外部に排出されてしまい、電解質膜がドライアップするおそれがある。 When the diffusivity of the reaction gas is improved, the electrochemical reaction is promoted. On the other hand, if the diffusivity increases too much, excessive water produced by the reaction gas will be discharged to the outside, which may cause the electrolyte membrane to dry up.

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。
本開示の一形態によれば、燃料電池が有するガス拡散層の設計方法が提供される。前記燃料電池は、電解質膜と、触媒電極層と、前記ガス拡散層とが積層された膜電極ガス拡散層接合体と、前記膜電極ガス拡散層接合体に積層されるセパレータであって、(a)前記膜電極ガス拡散層接合体から離れる第1方向に凹んで形成され、前記膜電極ガス拡散層接合体の膜面に沿って延び、反応ガスを供給する一次側流路を形成する第1溝部と、(b)前記第1方向に凹んで形成され、前記第1溝部と並んで前記膜面に沿って延び、前記膜電極ガス拡散層接合体を流通した前記反応ガスが流れ込む二次側流路を形成する第2溝部と、(c)前記第1溝部と、前記第2溝部との間に設けられ、前記膜電極ガス拡散層接合体と接するリブ部と、(d)流路抵抗となる絞り部と、を有するセパレータと、を備え、前記絞り部は、前記第1溝部及び前記第2溝部にそれぞれ、前記第1溝部及び前記第2溝部の延伸方向に沿って予め定められた間隔で前記延伸方向における位置が互いに重ならないように複数設けられており、前記ガス拡散層の空隙率は70%である。前記設計方法は、前記ガス拡散層の浸透率をK[m]、前記ガス拡散層の厚さをt[m]、前記一次側流路を流れる前記反応ガスの圧力と前記二次側流路を流れる前記反応ガスの圧力との差である差圧をΔP[Pa]、固体高分子形燃料電池の動作温度における水の粘度をμ[Pa・s]、前記第1溝部及び前記第2溝部のどちらにも前記絞り部が設けられていない位置における前記リブ部の幅をw[m]として、次式
対流量[cc/min]=K×t×ΔP/μ/w×60×10
で求められる対流量と、予め定められた発電条件における前記燃料電池が発電する電流の電流密度と、前記リブ部と接している前記ガス拡散層における液水の存在する割合である液水量と、に基づき、前記対流量が、第1の値より大きく、第2の値より小さい値となるように前記ガス拡散層を設計し、前記第1の値及び前記第2の値は、0cc/minより大きく、20cc/minより小さい値であり、前記ガス拡散層が前記反応ガスの拡散性を向上させて電気化学反応を促進しつつ、前記電解質膜のドライアップを抑制するために用いられる値であり、前記第1の値及び前記第2の値は、前記対流量が互いに異なる複数のサンプルに対応する複数のプロット点であって、前記対流量を横軸、前記電流密度および前記液水量のそれぞれを縦軸としてプロットした複数のプロット点を含むグラフから求められる値であり、前記対流量が前記第2の値より大きい範囲では、前記対流量が前記第2の値より小さい範囲よりも、前記対流量に対する前記液水量の低下率が小さく、前記第2の値は、前記縦軸を前記液水量とする前記複数のプロット点のうち隣り合う2つのプロット点を結ぶ直線の傾きで示される前記低下率が有意に変化する前記対流量に対応する値であり、前記対流量が前記第1の値より小さい範囲では、前記対流量が前記第1の値より大きい範囲よりも、前記対流量に対する前記電流密度の上昇率が大きく、前記第1の値は、前記第2の値よりも小さく、前記縦軸を前記電流密度とする前記複数のプロット点のうち隣り合う2つのプロット点を結ぶ直線の傾きで示される前記上昇率が有意に変化する前記対流量以上の値である。
The present disclosure can be realized as the following forms.
According to one embodiment of the present disclosure, a method for designing a gas diffusion layer included in a fuel cell is provided. The fuel cell includes a membrane electrode gas diffusion layer assembly in which an electrolyte membrane, a catalyst electrode layer, and the gas diffusion layer are laminated, and a separator laminated on the membrane electrode gas diffusion layer assembly, a) A first channel that is recessed in a first direction away from the membrane electrode gas diffusion layer assembly, extends along the membrane surface of the membrane electrode gas diffusion layer assembly, and forms a primary flow path for supplying a reaction gas. (b) a secondary groove formed concave in the first direction, extending along the membrane surface in line with the first groove, into which the reaction gas that has passed through the membrane electrode gas diffusion layer assembly flows; a second groove forming a side flow path; (c) a rib provided between the first groove and the second groove and in contact with the membrane electrode gas diffusion layer assembly; and (d) a flow path. a separator having a constricted portion serving as a resistance, the constricted portion being predetermined in the first groove portion and the second groove portion, respectively, along the extending direction of the first groove portion and the second groove portion. A plurality of gas diffusion layers are provided at intervals such that their positions in the stretching direction do not overlap with each other, and the porosity of the gas diffusion layer is 70%. The design method includes determining the permeability of the gas diffusion layer as K [m 2 ], the thickness of the gas diffusion layer as t [m], the pressure of the reaction gas flowing in the primary flow path, and the secondary flow. ΔP [Pa] is the differential pressure between the pressure of the reaction gas flowing through the channel, μ [Pa·s] is the viscosity of water at the operating temperature of the polymer electrolyte fuel cell, and is the first groove portion and the second groove portion. Assuming that the width of the rib portion at the position where the throttle portion is not provided in either of the groove portions is w [m], the following formula: Convection flow rate [cc/min] = K x t x ΔP/μ/w x 60 x 10 6
the current density of the current generated by the fuel cell under predetermined power generation conditions, and the amount of liquid water that is the proportion of liquid water present in the gas diffusion layer that is in contact with the rib portion; Based on the above, the gas diffusion layer is designed such that the convection flow rate is larger than a first value and smaller than a second value, and the first value and the second value are 0 cc/min. The value is larger than 20 cc/min and is a value used for suppressing dry-up of the electrolyte membrane while the gas diffusion layer improves the diffusivity of the reaction gas and promotes the electrochemical reaction. The first value and the second value are a plurality of plot points corresponding to a plurality of samples having different convective flow rates, and the convective flow rate is plotted on the horizontal axis, and the current density and the liquid water amount are plotted on the horizontal axis. It is a value obtained from a graph including a plurality of plot points, each of which is plotted as a vertical axis, and in a range where the convective flow rate is larger than the second value, than in a range where the convective flow rate is smaller than the second value. The rate of decrease of the amount of liquid water with respect to the convection flow rate is small, and the second value is represented by the slope of a straight line connecting two adjacent plot points among the plurality of plot points with the vertical axis being the amount of liquid water. The rate of decrease is a value corresponding to the convective flow rate that changes significantly, and in a range where the convective flow rate is smaller than the first value, the convective flow rate is lower than in a range where the convective flow rate is larger than the first value. the rate of increase in the current density relative to the current density is large, the first value is smaller than the second value, and two adjacent plot points among the plurality of plot points with the vertical axis representing the current density are This is a value greater than or equal to the convective flow rate at which the rate of increase, which is indicated by the slope of the connecting straight line, changes significantly.

本開示の一形態によれば、燃料電池が有するガス拡散層の設計方法が提供される。前記燃料電池は、電解質膜と、触媒電極層と、前記ガス拡散層とが積層された膜電極ガス拡散層接合体と、前記膜電極ガス拡散層接合体に積層されるセパレータであって、(a)前記膜電極ガス拡散層接合体から離れる第1方向に凹んで形成され、前記膜電極ガス拡散層接合体の膜面に沿って延び、反応ガスを供給する一次側流路を形成する第1溝部と、(b)前記第1方向に凹んで形成され、前記第1溝部と並んで前記膜面に沿って延び、前記膜電極ガス拡散層接合体を流通した前記反応ガスが流れ込む二次側流路を形成する第2溝部と、(c)前記第1溝部と、前記第2溝部との間に設けられ、前記膜電極ガス拡散層接合体と接するリブ部と、を有するセパレータと、を備え、前記設計方法は、前記ガス拡散層の浸透率をK[m]、前記ガス拡散層の厚さをt[m]、前記一次側流路を流れる前記反応ガスの圧力と前記二次側流路を流れる前記反応ガスの圧力との差である差圧をΔP[Pa]、水の粘度をμ[Pa・s]、前記リブ部の幅をw[m]として、次式
対流量[cc/min]=K×t×ΔP/μ/w×60×10
で求められる対流量が、4.0cc/minより大きく、7.0cc/minより小さい範囲となるように前記ガス拡散層を設計する設計方法である。この設計方法によれば、良好な発電効率となり、かつ、電解質膜のドライアップが抑制される燃料電池を提供することができる。
なお、本開示は、種々の形態で実現することが可能であり、上記形態の他に、上記設計方法を用いて設計されたガス拡散層を備える燃料電池等の形態で実現することができる。
According to one embodiment of the present disclosure, a method for designing a gas diffusion layer included in a fuel cell is provided. The fuel cell includes a membrane electrode gas diffusion layer assembly in which an electrolyte membrane, a catalyst electrode layer, and the gas diffusion layer are laminated, and a separator laminated on the membrane electrode gas diffusion layer assembly, a) A first channel that is recessed in a first direction away from the membrane electrode gas diffusion layer assembly, extends along the membrane surface of the membrane electrode gas diffusion layer assembly, and forms a primary flow path for supplying a reaction gas. (b) a secondary groove formed concave in the first direction, extending along the membrane surface in line with the first groove, into which the reaction gas that has passed through the membrane electrode gas diffusion layer assembly flows; a separator having a second groove portion forming a side flow path; and (c) a rib portion provided between the first groove portion and the second groove portion and in contact with the membrane electrode gas diffusion layer assembly; The design method is characterized in that the permeability of the gas diffusion layer is K [m 2 ], the thickness of the gas diffusion layer is t [m], the pressure of the reaction gas flowing through the primary flow path and the secondary The differential pressure that is the difference between the pressure of the reaction gas flowing through the next flow path is ΔP [Pa], the viscosity of water is μ [Pa・s], and the width of the rib portion is w [m], and the following equation is expressed as: Flow rate [cc/min] = K×t×ΔP/μ/w×60×10 6
In this design method, the gas diffusion layer is designed so that the convective flow rate determined by . According to this design method, it is possible to provide a fuel cell that has good power generation efficiency and suppresses dry-up of the electrolyte membrane.
Note that the present disclosure can be realized in various forms, and in addition to the above-described form, it can be realized in the form of a fuel cell or the like including a gas diffusion layer designed using the above-described design method.

燃料電池の概略構成図である。FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell. 図3のII-II線断面図であり、燃料電池セルの部分断面図である。FIG. 4 is a sectional view taken along line II-II in FIG. 3, and is a partial sectional view of the fuel cell. カソード側セパレータの平面図である。FIG. 3 is a plan view of a cathode-side separator. 対流量に対する液水量および電流密度の結果である。These are the results of liquid water volume and current density with respect to convection flow rate.

A.実施形態:
図1は、本開示の一実施形態における、燃料電池100の概略構成図である。燃料電池100は、反応ガスとしての燃料ガスおよび酸化ガスを用い、電気化学反応によって発電する。本実施形態では、酸化ガスとして空気が用いられる。燃料電池100は、複数の燃料電池セル60が積層されたセル積層体10と、正極ターミナル20と、負極ターミナル30と、を備える。燃料電池セル60は、膜電極ガス拡散層接合体80の両面のそれぞれに、カソード側セパレータ91およびアノード側セパレータ92が配置されている(図2参照)。負極ターミナル30およびセル積層体10には、燃料電池セル60の積層方向に貫通する、冷却水マニホールド11a,11bと、酸化ガスマニホールド12a,12bと、燃料ガスマニホールド13a,13bと、が形成されている。冷却水マニホールド11a,11b、酸化ガスマニホールド12a,12b、および燃料ガスマニホールド13a,13bは、セル積層体10に、それぞれ、冷却水、酸化ガス、および燃料ガスを供給および排出するために用いられる。冷却水マニホールド11a、酸化ガスマニホールド12a、および燃料ガスマニホールド13aは、供給用であり、冷却水マニホールド11b、酸化ガスマニホールド12b、および燃料ガスマニホールド13bは、排出用である。正極ターミナル20および負極ターミナル30は、燃料電池セル60が発電した電力を集電する。集電された電力は、正極ターミナル20および負極ターミナル30を介して、外部負荷へ供給される。
A. Embodiment:
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell 100 in an embodiment of the present disclosure. The fuel cell 100 uses fuel gas and oxidizing gas as reaction gases to generate electricity through an electrochemical reaction. In this embodiment, air is used as the oxidizing gas. The fuel cell 100 includes a cell stack 10 in which a plurality of fuel cells 60 are stacked, a positive electrode terminal 20, and a negative electrode terminal 30. In the fuel cell 60, a cathode separator 91 and an anode separator 92 are arranged on both sides of the membrane electrode gas diffusion layer assembly 80 (see FIG. 2). Cooling water manifolds 11a, 11b, oxidizing gas manifolds 12a, 12b, and fuel gas manifolds 13a, 13b are formed in the negative electrode terminal 30 and the cell stack 10, which penetrate in the stacking direction of the fuel cells 60. There is. Cooling water manifolds 11a, 11b, oxidizing gas manifolds 12a, 12b, and fuel gas manifolds 13a, 13b are used to supply and discharge cooling water, oxidizing gas, and fuel gas to and from the cell stack 10, respectively. The cooling water manifold 11a, the oxidizing gas manifold 12a, and the fuel gas manifold 13a are for supply, and the cooling water manifold 11b, the oxidizing gas manifold 12b, and the fuel gas manifold 13b are for discharging. The positive terminal 20 and the negative terminal 30 collect power generated by the fuel cell 60. The collected power is supplied to an external load via the positive terminal 20 and the negative terminal 30.

図2は、燃料電池セル60の部分断面図であり、図3のII-II線断面図である。図3は、カソード側セパレータ91の平面図である。図2に示すように、燃料電池セル60は、膜電極ガス拡散層接合体80と、カソード側セパレータ91と、アノード側セパレータ92と、を有する。カソード側セパレータ91およびアノード側セパレータ92は、膜電極ガス拡散層接合体80の両側にそれぞれ配置されている。膜電極ガス拡散層接合体80は、膜電極接合体70と、膜電極接合体70の両面のそれぞれに配置された2つのガス拡散層74と、を有する。膜電極接合体70は、電解質膜71と、電解質膜71の両面のそれぞれに配置された2つの触媒電極層72と、を有する。電解質膜71は、固体高分子膜であり、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマなどのフッ素系樹脂から成るプロトン伝導性のイオン交換膜が用いられている。触媒電極層72は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金触媒、あるいは白金と他の金属から成る白金合金触媒を含んでいる。ガス拡散層74は、酸化ガスまたは燃料ガスを拡散させるための層であり、ガス拡散層基材74aと、浸込み層74bと、MPL(Micro Porous Layer)74cと、を有する。ガス拡散層基材74aは、例えば、カーボンファイバー製である。なお、ガス拡散層基材74aは、カーボンファイバー製に限られず、金属メッシュや発泡金属等の金属多孔質体でもよい。MPL74cは、例えば、カーボン粉末と、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などの撥水性樹脂などを含んで形成されている。なお、撥水性樹脂は、ポリテトラフルオロエチレンに限られず、ポリエチレン、ポリプロピレン等でもよい。詳しくは、MPL74cは、ガス拡散層基材74aに、カーボン粉末、撥水性樹脂、接着剤、および水などが混合されたMPLペーストが塗布されて形成される。浸込み層74bは、ガス拡散層基材74aにMPLペーストが浸み込むことにより形成される層である。2つのガス拡散層74は、MPL74cが膜電極接合体70と接するように、膜電極接合体70の両面のそれぞれに配置されている。 FIG. 2 is a partial cross-sectional view of the fuel cell 60, and is a cross-sectional view taken along the line II--II in FIG. FIG. 3 is a plan view of the cathode side separator 91. As shown in FIG. 2, the fuel cell 60 includes a membrane electrode gas diffusion layer assembly 80, a cathode separator 91, and an anode separator 92. The cathode side separator 91 and the anode side separator 92 are arranged on both sides of the membrane electrode gas diffusion layer assembly 80, respectively. The membrane electrode gas diffusion layer assembly 80 includes a membrane electrode assembly 70 and two gas diffusion layers 74 arranged on each of both surfaces of the membrane electrode assembly 70. The membrane electrode assembly 70 includes an electrolyte membrane 71 and two catalyst electrode layers 72 disposed on each side of the electrolyte membrane 71. The electrolyte membrane 71 is a solid polymer membrane, for example, a proton-conducting ion exchange membrane made of a fluororesin such as perfluorocarbon sulfonic acid polymer. The catalyst electrode layer 72 contains a catalyst that promotes electrochemical reactions, such as a platinum catalyst or a platinum alloy catalyst made of platinum and another metal. The gas diffusion layer 74 is a layer for diffusing oxidizing gas or fuel gas, and includes a gas diffusion layer base material 74a, a permeation layer 74b, and an MPL (Micro Porous Layer) 74c. The gas diffusion layer base material 74a is made of carbon fiber, for example. Note that the gas diffusion layer base material 74a is not limited to carbon fiber, and may be a metal porous body such as a metal mesh or foamed metal. The MPL74c is formed by containing, for example, carbon powder and a water-repellent resin such as polytetrafluoroethylene (PTFE). Note that the water-repellent resin is not limited to polytetrafluoroethylene, and may also be polyethylene, polypropylene, or the like. Specifically, the MPL 74c is formed by applying an MPL paste containing a mixture of carbon powder, water-repellent resin, adhesive, water, etc. to the gas diffusion layer base material 74a. The permeation layer 74b is a layer formed by permeating the MPL paste into the gas diffusion layer base material 74a. The two gas diffusion layers 74 are arranged on each of both sides of the membrane electrode assembly 70 such that the MPL 74c is in contact with the membrane electrode assembly 70.

カソード側セパレータ91およびアノード側セパレータ92は、例えば金属製の板状部材がプレス加工されて形成される。カソード側セパレータ91は、複数の溝部91aと、リブ部91bと、流路抵抗となる絞り部91cと、を有する。複数の溝部91aは、接している膜電極ガス拡散層接合体80から離れる第1方向に向かって凹んで形成されている。また、複数の溝部91aは、膜電極ガス拡散層接合体80の膜面に沿った方向のうちで、図2の紙面手前から奥へ向かう方向に沿って延びる。リブ部91bは、隣接する溝部91aの間に設けられ、膜電極ガス拡散層接合体80と接している。絞り部91cは、溝部91aと同様に、膜電極ガス拡散層接合体80から離れる第1方向に向かって凹んで形成されている。図3に示すように、本実施形態では、同じ幅である複数の溝部91aが、延伸方向と垂直な方向に等間隔で並んで配置されている。絞り部91cは、溝部91aの延伸方向に予め定められた間隔で複数配置されている。また、隣接する溝部91aに配置される絞り部91cは、溝部91aの延伸方向における位置が互いに重ならないように配置されている。具体的には、本実施形態では、同じ溝部91aに配置される隣接する2つの絞り部91cの略中央位置に、隣接する溝部91aの絞り部91cが配置されている。絞り部91cは、酸化ガスの流れを阻害するために設けられている。絞り部91cの流路断面積は、溝部91aの流路断面積よりも小さい。本実施形態では、絞り部91cの幅は、溝部91aの幅よりも狭く形成されている。また本実施形態では、図2に示すように、絞り部91cの深さは、溝部91aの深さよりも小さい。溝部91aと、膜電極ガス拡散層接合体80とにより囲まれた空間が酸化ガス流路41である。アノード側セパレータ92は、カソード側セパレータ91と同様に形成されている。アノード側セパレータ92は、溝部92aと、リブ部92bと、を有する。溝部92aと、膜電極ガス拡散層接合体80と、により囲まれた空間が燃料ガス流路42である。膜電極ガス拡散層接合体80の積層方向に隣接するカソード側セパレータ91およびアノード側セパレータ92の各々のリブ部91b,92bおよび溝部91a,92aにより囲まれた空間が、冷却水流路43である。 The cathode side separator 91 and the anode side separator 92 are formed, for example, by pressing a metal plate member. The cathode separator 91 has a plurality of grooves 91a, ribs 91b, and a constricted portion 91c that serves as flow path resistance. The plurality of groove portions 91a are formed to be recessed toward a first direction away from the membrane electrode gas diffusion layer assembly 80 that is in contact with the groove portions 91a. Further, the plurality of groove portions 91a extend along the direction from the front to the back of the paper in FIG. 2, among the directions along the membrane surface of the membrane electrode gas diffusion layer assembly 80. The rib portion 91b is provided between adjacent groove portions 91a and is in contact with the membrane electrode gas diffusion layer assembly 80. Like the groove portion 91a, the constricted portion 91c is formed to be recessed toward the first direction away from the membrane electrode gas diffusion layer assembly 80. As shown in FIG. 3, in this embodiment, a plurality of grooves 91a having the same width are arranged at equal intervals in a direction perpendicular to the stretching direction. A plurality of narrowed portions 91c are arranged at predetermined intervals in the extending direction of the groove portion 91a. Further, the constricted portions 91c arranged in adjacent groove portions 91a are arranged so that the positions in the extending direction of the groove portions 91a do not overlap with each other. Specifically, in this embodiment, the constricted portion 91c of the adjacent groove portion 91a is disposed approximately at the center of two adjacent constricted portions 91c disposed in the same groove portion 91a. The constriction portion 91c is provided to obstruct the flow of oxidizing gas. The flow passage cross-sectional area of the throttle portion 91c is smaller than the flow passage cross-sectional area of the groove portion 91a. In this embodiment, the width of the constricted portion 91c is narrower than the width of the groove portion 91a. Further, in this embodiment, as shown in FIG. 2, the depth of the constricted portion 91c is smaller than the depth of the groove portion 91a. The space surrounded by the groove portion 91a and the membrane electrode gas diffusion layer assembly 80 is the oxidizing gas flow path 41. The anode side separator 92 is formed similarly to the cathode side separator 91. The anode side separator 92 has a groove portion 92a and a rib portion 92b. A space surrounded by the groove portion 92a and the membrane electrode gas diffusion layer assembly 80 is the fuel gas flow path 42. A space surrounded by the rib portions 91b, 92b and groove portions 91a, 92a of the cathode side separator 91 and the anode side separator 92, which are adjacent to each other in the stacking direction of the membrane electrode gas diffusion layer assembly 80, is the cooling water flow path 43.

図3に示すように、カソード側セパレータ91は、上記の構成の他に、接続部91d,91eと、開口部911~916と、を有する。開口部911~916は、カソード側セパレータ91の外縁部に形成された貫通孔であり、それぞれ、図1で示した各種マニホールド11a,11b,12a,12b,13a,13bの一部を形成する。開口部911,913,915と、開口部912,914,916とは、溝部91aを挟んで、対峙して配置されている。接続部91dは、複数の溝部91aと、開口部913とを接続するように、溝部91aと同じ方向に凹んで形成されている。これにより、マニホールド12aを形成する開口部913から流入する酸化ガスは、溝部91aにより形成される酸化ガス流路41を流れる。同様に、接続部91eは、複数の溝部91aと、開口部914とを接続するように、溝部91aと同じ方向に凹んで形成されている。これにより、溝部91aにより形成される酸化ガス流路41を流れる酸化ガスは、マニホールド12bを形成する開口部914から流出する。 As shown in FIG. 3, the cathode side separator 91 has connection parts 91d and 91e and openings 911 to 916 in addition to the above-described configuration. The openings 911 to 916 are through holes formed at the outer edge of the cathode side separator 91, and each form a part of the various manifolds 11a, 11b, 12a, 12b, 13a, and 13b shown in FIG. The openings 911, 913, 915 and the openings 912, 914, 916 are arranged facing each other with the groove 91a in between. The connecting portion 91d is recessed in the same direction as the groove portion 91a so as to connect the plurality of groove portions 91a and the opening portion 913. Thereby, the oxidizing gas flowing in from the opening 913 forming the manifold 12a flows through the oxidizing gas flow path 41 formed by the groove 91a. Similarly, the connecting portion 91e is recessed in the same direction as the groove portion 91a so as to connect the plurality of groove portions 91a and the opening portion 914. As a result, the oxidizing gas flowing through the oxidizing gas flow path 41 formed by the groove 91a flows out from the opening 914 forming the manifold 12b.

図3の溝部91aに描かれた矢印は、酸化ガスの流れを示しており、流量の大小を矢印の大小で表現している。絞り部91cの流路断面積は、溝部91aの流路断面積よりも小さくなっているため、溝部91aを流通する酸化ガスは、絞り部91cにより流れが遮られる。流通する酸化ガスは、絞り部91cの手前で直進しにくくなるため、ガス拡散層74へ潜り込み、ガス拡散層74を介して、隣接する溝部91aへ流れる。隣接する溝部91aへ流れるのは、隣接する溝部91aには、下流側に絞り部91cがなく流路抵抗が少なく流れやすいためである。図2に描かれた矢印は、酸化ガスの流れを示している。絞り部91cにより流れを遮られた酸化ガスは、触媒電極層72へ向かって拡散し、一部が電気化学反応により消費され、隣接する溝部91aへ流れ込む。ここで、便宜的に、絞り部91cがあることにより、ガス拡散層74へ酸化ガスが流出する酸化ガス流路41を一次側流路41aと称し、絞り部91cがないことにより、ガス拡散層74から酸化ガスが流入する酸化ガス流路41を二次側流路41bと称する。また、一次側流路41aを形成する溝部91aを第1溝部191aと称し、二次側流路41bを形成する溝部91aを第2溝部291aと称する。より具体的には、図3に示されるように、溝部91aを、延伸方向に絞り部91cの間隔で区切った場合、絞り部91cがある区間が第1溝部191aであり、絞り部91cがない区間が第2溝部291aである。 The arrows drawn in the groove 91a in FIG. 3 indicate the flow of the oxidizing gas, and the magnitude of the flow rate is expressed by the magnitude of the arrow. Since the flow passage cross-sectional area of the constricted portion 91c is smaller than the flow passage cross-sectional area of the groove portion 91a, the flow of the oxidizing gas flowing through the groove portion 91a is blocked by the constricted portion 91c. The circulating oxidizing gas becomes difficult to move straight before the constricted portion 91c, so it sneaks into the gas diffusion layer 74 and flows to the adjacent groove portion 91a via the gas diffusion layer 74. The reason why the water flows to the adjacent groove portion 91a is that the adjacent groove portion 91a does not have a constriction portion 91c on the downstream side and has less flow resistance and thus flows easily. The arrows drawn in FIG. 2 indicate the flow of oxidizing gas. The oxidizing gas whose flow is blocked by the constricted portion 91c diffuses toward the catalyst electrode layer 72, is partially consumed by an electrochemical reaction, and flows into the adjacent groove portion 91a. Here, for convenience, the oxidizing gas flow path 41 through which the oxidizing gas flows out to the gas diffusion layer 74 due to the presence of the constriction part 91c will be referred to as the primary side flow path 41a, and the presence of the constriction part 91c will refer to the oxidizing gas flow path 41 as the primary side flow path 41a. The oxidizing gas flow path 41 into which the oxidizing gas flows from 74 is referred to as a secondary flow path 41b. Furthermore, the groove 91a forming the primary flow path 41a is referred to as a first groove 191a, and the groove 91a forming the secondary flow path 41b is referred to as a second groove 291a. More specifically, as shown in FIG. 3, when the groove portions 91a are divided in the stretching direction at intervals of the constricted portions 91c, the section where the constricted portions 91c are present is the first groove portion 191a, and the section where the constricted portions 91c are not present. The section is the second groove portion 291a.

図2に示す矢印a,矢印b,矢印cは、酸化ガスの流れを示している。矢印aは、一次側流路41aから触媒電極層72に向かって拡散する流れを示している。矢印bは、一次側流路41aから隣接する二次側流路41bへ向かう流れを示している。矢印cは、二次側流路41bへ引き込まれる流れを示している。電気化学反応により生成された水(以下、生成水という。)は、矢印bおよび矢印cにて示される、二次側流路41bへ向かって流れる酸化ガスとともに、二次側流路41bから外部に排出される。酸化ガスのガス拡散層74への拡散性がよくなると、電気化学反応は促進されるため、発電効率は向上する。一方で、酸化ガスの拡散性が上がり過ぎると、生成水の排出も促進されるため、電解質膜71が乾燥し、水素イオンの伝導性が低下し、発電性能が低下する、所謂ドライアップが生じるおそれがある。そこで、発明者らは、実験により、一次側流路41aから二次側流路41bへ向かって流れる酸化ガスの適切な流量を見出した。以下の説明において、矢印bにて示される、一次側流路41aから二次側流路41bへ向かう流れを「対流」、この対流の流量を「対流量」と称する。 Arrows a, b, and c shown in FIG. 2 indicate the flow of oxidizing gas. Arrow a indicates a flow that diffuses from the primary flow path 41a toward the catalyst electrode layer 72. Arrow b indicates a flow from the primary flow path 41a to the adjacent secondary flow path 41b. Arrow c indicates the flow drawn into the secondary flow path 41b. Water generated by the electrochemical reaction (hereinafter referred to as generated water) is discharged from the secondary flow path 41b to the outside together with the oxidizing gas flowing toward the secondary flow path 41b, as shown by arrows b and c. is discharged. When the diffusivity of the oxidizing gas to the gas diffusion layer 74 improves, the electrochemical reaction is promoted, and thus the power generation efficiency is improved. On the other hand, if the diffusivity of the oxidizing gas increases too much, the discharge of generated water is also promoted, so the electrolyte membrane 71 dries, hydrogen ion conductivity decreases, and power generation performance decreases, resulting in so-called dry-up. There is a risk. Therefore, the inventors conducted experiments to find an appropriate flow rate of the oxidizing gas flowing from the primary flow path 41a to the secondary flow path 41b. In the following description, the flow from the primary flow path 41a toward the secondary flow path 41b, indicated by arrow b, will be referred to as "convection", and the flow rate of this convection will be referred to as "convection flow rate".

対流量の算出には、次の式(1)が用いられた。
対流量[cc/min]=K×t×ΔP/μ/w×60×10・・式(1)
式(1)におけるパラメータは次の通りである。
K:ガス拡散層74の浸透率[m2
t:ガス拡散層基材74aの厚さ[m]
ΔP:一次側流路41aの圧力と二次側流路41bの圧力との差圧[Pa]
μ:生成水の粘度[Pa・s]
w:リブ部91bの幅[m]
本実施形態では、ガス拡散層74の厚さとして、ガス拡散層基材74aの厚さが用いられている。差圧ΔPは、シミュレーションにより求められた一次側流路41aの圧力から、二次側流路41bの圧力を減算した値である。シミュレーションは、一次側流路41aおよび二次側流路41bの三次元の流路構造および発電条件などを入力条件として実施された。具体的には、一次側流路41aおよび二次側流路41bを含む範囲の流路構造がシミュレーションに用いられた。発電条件とは、例えば、電流密度、酸化ガスおよび燃料ガスの流量、温度などである。リブ幅wは、具体的には、次の方法により算出された値が用いられた。図2の破線にて示す、溝部91aの深さの半分の位置を示す線と、溝部91aのガス拡散層74に対向する面との交点CP1、CP2を求め、リブ部91bを挟んで隣接する溝部91aの交点CP1、CP2間の距離がリブ幅wとされた。
The following equation (1) was used to calculate the convection amount.
Convection flow rate [cc/min] = K×t×ΔP/μ/w×60×10 6 ...Equation (1)
The parameters in equation (1) are as follows.
K: permeability of gas diffusion layer 74 [m 2 ]
t: Thickness of gas diffusion layer base material 74a [m]
ΔP: Differential pressure between the pressure in the primary flow path 41a and the pressure in the secondary flow path 41b [Pa]
μ: Viscosity of produced water [Pa・s]
w: Width of rib portion 91b [m]
In this embodiment, the thickness of the gas diffusion layer base material 74a is used as the thickness of the gas diffusion layer 74. The differential pressure ΔP is a value obtained by subtracting the pressure in the secondary flow path 41b from the pressure in the primary flow path 41a determined by simulation. The simulation was performed using the three-dimensional flow path structure of the primary flow path 41a and the secondary flow path 41b, power generation conditions, and the like as input conditions. Specifically, a range of flow path structures including the primary flow path 41a and the secondary flow path 41b was used for the simulation. The power generation conditions include, for example, current density, flow rates of oxidizing gas and fuel gas, and temperature. Specifically, a value calculated by the following method was used for the rib width w. The intersection points CP1 and CP2 of the line indicating the position of half the depth of the groove portion 91a shown by the broken line in FIG. The distance between the intersection points CP1 and CP2 of the groove portion 91a was defined as the rib width w.

対流量と、電流密度およびガス拡散層74に含まれる液水量との関係を調べるため、種々の対流量となるように、種々の燃料電池100が作製された。具体的には、式(1)の差圧ΔPが種々の値となるように、絞り部91cの流路断面積が種々の断面積となるカソード側セパレータ91が複数作製された。また、ガス拡散層74として、互いに種類が異なる2種類のガス拡散層74が用いられた。図4は、対流量に対する、電流密度と液水量との結果である。ここで、液水量とは、リブ部91bと接しているガス拡散層基材74aにおける液水の存在する割合を示し、ガス拡散層基材74aにおいて、空隙部がすべて液水で満たされた状態を100%として算出される値である。なお、本実施形態では、空隙率が70%程度のガス拡散層基材74aが用いられている。液水量は、X線ラジオグラフィを用いて計測された。電流密度は、一定の発電条件で発電されて測定された。図4のサンプルAおよびサンプルBは、互いに種類が異なる2種類のガス拡散層74のそれぞれに対応する。 In order to investigate the relationship between the convection flow rate, the current density, and the amount of liquid water contained in the gas diffusion layer 74, various fuel cells 100 were fabricated so as to have various convection flow rates. Specifically, a plurality of cathode-side separators 91 were manufactured in which the flow path cross-sectional areas of the constricted portions 91c had various cross-sectional areas so that the differential pressure ΔP in equation (1) had various values. Furthermore, two types of gas diffusion layers 74 different from each other were used as the gas diffusion layer 74. FIG. 4 shows the results of current density and liquid water amount versus convective flow rate. Here, the amount of liquid water refers to the proportion of liquid water present in the gas diffusion layer base material 74a that is in contact with the rib portion 91b, and the state in which all the voids in the gas diffusion layer base material 74a are filled with liquid water. This is a value calculated with 100%. Note that in this embodiment, a gas diffusion layer base material 74a with a porosity of about 70% is used. The amount of liquid water was measured using X-ray radiography. The current density was measured under constant power generation conditions. Sample A and sample B in FIG. 4 correspond to two different types of gas diffusion layers 74, respectively.

図4に示されるように、ガス拡散層74の種類に拘わらず、対流量の変化に対して、電流密度および液水量は、同じ挙動を示す。ガス拡散層74に液水があると、ガス拡散層74から触媒電極層72への酸化ガスの供給が阻害されるため、液水量は、少ない方が好ましい。液水量は、対流量が0[cc/min]より大きく、7[cc/min]より小さい範囲で、対流量に対して液水量は大きく低下する。しかし、7[cc/min]より大きい範囲では、7[cc/min]より小さい範囲よりも、対流量に対する液水量の低下率は小さくなる。対流量を7[cc/min]より大きい範囲では、対流量を大きくしても、液水量はあまり低下しない。本実施形態では、対流量を増大させるために、絞り部91cの流路断面積を小さくしているため、対流量を増大させるほど、一次側流路41aの圧力損失が大きくなってしまう。以上を鑑みると、対流量を7[cc/min]より大きくする場合、液水量が小さくなるメリットよりも、一次側流路41aの圧力損失が大きくなってしまうデメリットが大きくなってしまうと考えられる。 As shown in FIG. 4, regardless of the type of gas diffusion layer 74, the current density and the amount of liquid water exhibit the same behavior with respect to changes in the convective flow rate. If there is liquid water in the gas diffusion layer 74, the supply of oxidizing gas from the gas diffusion layer 74 to the catalyst electrode layer 72 will be inhibited, so the amount of liquid water is preferably small. The liquid water amount decreases significantly with respect to the convection flow rate in a range where the convection flow rate is greater than 0 [cc/min] and smaller than 7 [cc/min]. However, in a range larger than 7 [cc/min], the rate of decrease in the amount of liquid water relative to the convection flow rate is smaller than in a range smaller than 7 [cc/min]. In a range where the convection flow rate is greater than 7 [cc/min], even if the convection flow rate is increased, the amount of liquid water does not decrease much. In this embodiment, in order to increase the convection flow rate, the cross-sectional area of the flow path of the constriction part 91c is made small, so that the pressure loss in the primary side flow path 41a increases as the convection flow rate increases. In view of the above, when the convection flow rate is made larger than 7 [cc/min], it is thought that the disadvantage of increasing pressure loss in the primary flow path 41a becomes greater than the advantage of decreasing the amount of liquid water. .

対流量が大きくなるほど、電流密度は大きくなっている。これは、対流量が大きくなるほど、ガス拡散層74から液水がより排出され、酸化ガスがより供給され易くなるため、また、酸化ガスの拡散性が向上するためであると考えられる。特に、対流量が0[cc/min]より大きく、4[cc/min]より小さい範囲で、対流量に対する電流密度の上昇率は高い。換言すれば、対流量が4[cc/min]より小さくなると、電流密度が急激に小さくなってしまう。これにより、対流量は、4[cc/min]より大きいことが好ましいと考えられる。また、対流量が7[cc/min]より大きい範囲では、対流量に対する電流密度の上昇率は、対流量が4[cc/min]より大きく7[cc/min]より小さい範囲における上昇率よりも低下する。上述したように、対流量が7[cc/min]より大きい範囲では、液水量はあまり低下しない。したがって、対流量が7[cc/min]より大きい範囲では、液水量が小さくなるメリットおよび電流密度が大きくなるメリットよりも、一次側流路41aの圧力損失が大きくなってしまうデメリットが大きくなってしまうと考えられる。また、対流量を7[cc/min]より小さい範囲とすれば、過剰な生成水の排出は抑制されるため、電解質膜71のドライアップは抑制される。以上をまとめると、対流量が4.0[cc/min]より大きく7.0[cc/min]よりも小さくなるようにガス拡散層74を設計すると良いと考えられる。 The larger the convection amount, the larger the current density. This is considered to be because the larger the convection flow rate, the more liquid water is discharged from the gas diffusion layer 74, the more easily the oxidizing gas is supplied, and the more diffusivity of the oxidizing gas improves. In particular, the rate of increase in current density relative to the convection flow rate is high in a range where the convection flow rate is greater than 0 [cc/min] and smaller than 4 [cc/min]. In other words, when the convection flow rate becomes smaller than 4 [cc/min], the current density suddenly becomes smaller. Accordingly, it is considered that the convection flow rate is preferably larger than 4 [cc/min]. Furthermore, in a range where the convection flow rate is greater than 7 [cc/min], the rate of increase in current density relative to the convection flow rate is greater than the rate of increase in the range where the convection flow rate is greater than 4 [cc/min] and smaller than 7 [cc/min]. also decreases. As mentioned above, in a range where the convection flow rate is greater than 7 [cc/min], the amount of liquid water does not decrease much. Therefore, in a range where the convection flow rate is greater than 7 [cc/min], the disadvantage of increasing pressure loss in the primary flow path 41a becomes greater than the advantage of decreasing the amount of liquid water and increasing the current density. It is thought that it will be put away. Moreover, if the convection flow rate is set to a range smaller than 7 [cc/min], discharge of excessive generated water is suppressed, and therefore dry-up of the electrolyte membrane 71 is suppressed. To summarize the above, it is considered that it is good to design the gas diffusion layer 74 so that the convection flow rate is greater than 4.0 [cc/min] and smaller than 7.0 [cc/min].

以上説明した実施形態によれば、式(1)により算出される対流量が4.0[cc/min]より大きく7.0[cc/min]よりも小さくなるようにガス拡散層74を設計することにより、良好な発電効率となり、かつ、電解質膜71のドライアップが抑制される燃料電池100を提供することができる。 According to the embodiment described above, the gas diffusion layer 74 is designed so that the convective flow rate calculated by equation (1) is greater than 4.0 [cc/min] and smaller than 7.0 [cc/min]. By doing so, it is possible to provide a fuel cell 100 that has good power generation efficiency and suppresses dry-up of the electrolyte membrane 71.

B.他の実施形態:
(B1)上記実施形態では、カソード側セパレータ91には、全ての溝部91aにおいて、絞り部91cは、等間隔で溝部91aに配置される。これに限定されず、例えば、カソード側セパレータ91の中央部と、外縁部とで、絞り部91cの配置間隔および個数とが異なっていても良い。この場合においても、部分毎に、ガス拡散層74を設計することにより、良好な発電効率となり、かつ、電解質膜71のドライアップが抑制される燃料電池100とすることができる。
B. Other embodiments:
(B1) In the embodiment described above, in the cathode side separator 91, the narrowed portions 91c are arranged in the grooves 91a at equal intervals in all the grooves 91a. However, the present invention is not limited to this, and for example, the arrangement interval and number of the narrowed portions 91c may be different between the center portion and the outer edge portion of the cathode side separator 91. Even in this case, by designing the gas diffusion layer 74 for each portion, the fuel cell 100 can have good power generation efficiency and suppress dry-up of the electrolyte membrane 71.

(B2)上記実施形態では、カソード側セパレータ91についての設計方法について説明したが、アノード側セパレータ92の設計についても本開示の設計方法を適用することができる。 (B2) In the above embodiment, the design method for the cathode side separator 91 has been described, but the design method of the present disclosure can also be applied to the design of the anode side separator 92.

(B3)上記実施形態では、カソード側セパレータ91の全ての溝部91aは、開口部913および開口部914のどちらにも接続され、絞り部91cの配置により、一つの溝部91aは、一次側流路41aおよび二次側流路41bのどちらの機能も有している。これに対し、開口部913のみに接続される溝部91aと、開口部914のみに接続される溝部91aとを交互に配置されるようにし、開口部913に接続される溝部91aを一次側流路41aとして、開口部914に接続される溝部91aを二次側流路41bとして機能させる構成のカソード側セパレータ91についても、本開示の設計方法を適用することができる。 (B3) In the above embodiment, all the grooves 91a of the cathode side separator 91 are connected to both the opening 913 and the opening 914, and due to the arrangement of the throttle part 91c, one groove 91a is connected to the primary flow path. 41a and a secondary flow path 41b. In contrast, the grooves 91a connected only to the opening 913 and the grooves 91a connected only to the opening 914 are arranged alternately, and the grooves 91a connected to the opening 913 are connected to the primary flow path. The design method of the present disclosure can also be applied to the cathode separator 91 having a configuration in which the groove 91a connected to the opening 914 functions as the secondary flow path 41b.

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。 The present disclosure is not limited to the embodiments described above, and can be implemented in various configurations without departing from the spirit thereof. For example, the technical features of the embodiments corresponding to the technical features in each form described in the column of the summary of the invention may be Alternatively, in order to achieve all of the above, it is possible to perform appropriate replacements or combinations. Further, unless the technical feature is described as essential in this specification, it can be deleted as appropriate.

10…セル積層体、11a,11b…冷却水マニホールド、12a,12b…酸化ガスマニホールド、13a,13b…燃料ガスマニホールド、20…正極ターミナル、30…負極ターミナル、41…酸化ガス流路、41a…一次側流路、41b…二次側流路、42…燃料ガス流路、43…冷却水流路、60…燃料電池セル、70…膜電極接合体、71…電解質膜、72…触媒電極層、74…ガス拡散層、74a…ガス拡散層基材、74b…浸込み層、74c…MPL、80…膜電極ガス拡散層接合体、91…カソード側セパレータ、91a,92a…溝部、91b,92b…リブ部、91c…絞り部、91d,91e…接続部、92…アノード側セパレータ、100…燃料電池、191a…第1溝部、291a…第2溝部、911~916…開口部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10... Cell stacked body, 11a, 11b... Cooling water manifold, 12a, 12b... Oxidizing gas manifold, 13a, 13b... Fuel gas manifold, 20... Positive electrode terminal, 30... Negative electrode terminal, 41... Oxidizing gas flow path, 41a... Primary Side channel, 41b... Secondary channel, 42... Fuel gas channel, 43... Cooling water channel, 60... Fuel cell, 70... Membrane electrode assembly, 71... Electrolyte membrane, 72... Catalyst electrode layer, 74 ... Gas diffusion layer, 74a... Gas diffusion layer base material, 74b... Penetration layer, 74c... MPL, 80... Membrane electrode gas diffusion layer assembly, 91... Cathode side separator, 91a, 92a... Groove, 91b, 92b... Rib part, 91c...diaphragm part, 91d, 91e...connection part, 92...anode side separator, 100...fuel cell, 191a...first groove part, 291a...second groove part, 911-916...opening part

Claims (1)

燃料電池が有するガス拡散層の設計方法であって、
前記燃料電池は、
電解質膜と、触媒電極層と、前記ガス拡散層とが積層された膜電極ガス拡散層接合体と、
前記膜電極ガス拡散層接合体に積層されるセパレータであって、(a)前記膜電極ガス拡散層接合体から離れる第1方向に凹んで形成され、前記膜電極ガス拡散層接合体の膜面に沿って延び、反応ガスを供給する一次側流路を形成する第1溝部と、(b)前記第1方向に凹んで形成され、前記第1溝部と並んで前記膜面に沿って延び、前記膜電極ガス拡散層接合体を流通した前記反応ガスが流れ込む二次側流路を形成する第2溝部と、(c)前記第1溝部と、前記第2溝部との間に設けられ、前記膜電極ガス拡散層接合体と接するリブ部と、(d)流路抵抗となる絞り部と、を有するセパレータと、を備え、
前記絞り部は、前記第1溝部及び前記第2溝部にそれぞれ、前記第1溝部及び前記第2溝部の延伸方向に沿って予め定められた間隔で前記延伸方向における位置が互いに重ならないように複数設けられており、
前記ガス拡散層の空隙率は70%であり、
前記設計方法は、
前記ガス拡散層の浸透率をK[m]、前記ガス拡散層の厚さをt[m]、前記一次側流路を流れる前記反応ガスの圧力と前記二次側流路を流れる前記反応ガスの圧力との差である差圧をΔP[Pa]、固体高分子形燃料電池の動作温度における水の粘度をμ[Pa・s]、前記第1溝部及び前記第2溝部のどちらにも前記絞り部が設けられていない位置における前記リブ部の幅をw[m]として、次式
対流量[cc/min]=K×t×ΔP/μ/w×60×10
で求められる対流量と、予め定められた発電条件における前記燃料電池が発電する電流の電流密度と、前記リブ部と接している前記ガス拡散層における液水の存在する割合である液水量と、に基づき、前記対流量が、第1の値より大きく、第2の値より小さい値となるように前記ガス拡散層を設計し、
前記第1の値及び前記第2の値は、0cc/minより大きく、20cc/minより小さい値であり、前記ガス拡散層が前記反応ガスの拡散性を向上させて電気化学反応を促進しつつ、前記電解質膜のドライアップを抑制するために用いられる値であり、
前記第1の値及び前記第2の値は、前記対流量が互いに異なる複数のサンプルに対応する複数のプロット点であって、前記対流量を横軸、前記電流密度および前記液水量のそれぞれを縦軸としてプロットした複数のプロット点を含むグラフから求められる値であり、
前記対流量が前記第2の値より大きい範囲では、前記対流量が前記第2の値より小さい範囲よりも、前記対流量に対する前記液水量の低下率が小さく、
前記第2の値は、前記縦軸を前記液水量とする前記複数のプロット点のうち隣り合う2つのプロット点を結ぶ直線の傾きで示される前記低下率が有意に変化する前記対流量に対応する値であり、
前記対流量が前記第1の値より小さい範囲では、前記対流量が前記第1の値より大きい範囲よりも、前記対流量に対する前記電流密度の上昇率が大きく、
前記第1の値は、前記第2の値よりも小さく、前記縦軸を前記電流密度とする前記複数のプロット点のうち隣り合う2つのプロット点を結ぶ直線の傾きで示される前記上昇率が有意に変化する前記対流量以上の値である、設計方法。
A method for designing a gas diffusion layer of a fuel cell, the method comprising:
The fuel cell includes:
A membrane electrode gas diffusion layer assembly in which an electrolyte membrane, a catalyst electrode layer, and the gas diffusion layer are laminated;
A separator laminated on the membrane electrode gas diffusion layer assembly, the separator being (a) recessed in a first direction away from the membrane electrode gas diffusion layer assembly, the separator having a membrane surface of the membrane electrode gas diffusion layer assembly; (b) a first groove extending along the membrane surface and forming a primary flow path for supplying the reaction gas; (c) a second groove portion forming a secondary flow path into which the reaction gas flowing through the membrane electrode gas diffusion layer assembly flows; and (c) a second groove portion provided between the first groove portion and the second groove portion; A separator having a rib portion in contact with the membrane electrode gas diffusion layer assembly, and (d) a constriction portion serving as flow path resistance,
A plurality of the narrowed portions are arranged in the first groove portion and the second groove portion at predetermined intervals along the stretching direction of the first groove portion and the second groove portion so that the positions in the stretching direction do not overlap with each other. It is provided,
The porosity of the gas diffusion layer is 70%,
The design method includes:
The permeability of the gas diffusion layer is K [m 2 ], the thickness of the gas diffusion layer is t [m], the pressure of the reaction gas flowing through the primary flow path and the reaction flowing through the secondary flow path. The differential pressure that is the difference between the gas pressure and the gas pressure is ΔP [Pa], the viscosity of water at the operating temperature of the polymer electrolyte fuel cell is μ [Pa・s], and both the first groove part and the second groove part The width of the rib portion at the position where the throttle portion is not provided is w [m], and the following formula is used: Convection flow rate [cc/min] = K x t x ΔP/μ/w x 60 x 10 6
the current density of the current generated by the fuel cell under predetermined power generation conditions, and the amount of liquid water that is the proportion of liquid water present in the gas diffusion layer that is in contact with the rib portion; Based on the above, the gas diffusion layer is designed such that the convection amount is larger than a first value and smaller than a second value,
The first value and the second value are larger than 0 cc/min and smaller than 20 cc/min, and the gas diffusion layer improves the diffusivity of the reaction gas and promotes the electrochemical reaction. , is a value used to suppress dry-up of the electrolyte membrane,
The first value and the second value are a plurality of plot points corresponding to a plurality of samples having different convective flow rates, wherein the convective flow rate is plotted on the horizontal axis, and the current density and the liquid water amount are plotted on the horizontal axis, respectively. It is a value obtained from a graph containing multiple plot points plotted as the vertical axis,
In a range where the convection flow rate is larger than the second value, a decreasing rate of the liquid water amount with respect to the convection flow rate is smaller than in a range where the convection flow rate is smaller than the second value,
The second value corresponds to the convective flow rate at which the rate of decrease, which is indicated by the slope of a straight line connecting two adjacent plot points among the plurality of plot points with the liquid water amount on the vertical axis, changes significantly. is the value of
In a range where the convection amount is smaller than the first value, the rate of increase in the current density with respect to the convection amount is greater than in a range where the convection amount is larger than the first value,
The first value is smaller than the second value, and the rate of increase is represented by the slope of a straight line connecting two adjacent plot points among the plurality of plot points with the vertical axis representing the current density. The design method is a value greater than or equal to the convection flow rate that changes significantly .
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