[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

JP2006019162A - Fuel cell - Google Patents

Fuel cell Download PDF

Info

Publication number
JP2006019162A
JP2006019162A JP2004196605A JP2004196605A JP2006019162A JP 2006019162 A JP2006019162 A JP 2006019162A JP 2004196605 A JP2004196605 A JP 2004196605A JP 2004196605 A JP2004196605 A JP 2004196605A JP 2006019162 A JP2006019162 A JP 2006019162A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
gas diffusion
fuel cell
diffusion layer
diffusion layers
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP2004196605A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hideyuki Kumei
秀之 久米井
Yoshifumi Ota
佳史 大田
Masafumi Kobayashi
雅史 小林
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2004196605A priority Critical patent/JP2006019162A/en
Publication of JP2006019162A publication Critical patent/JP2006019162A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Inert Electrodes (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To make possible to keep proper humidity in a fuel cell regardless of its conditions of power generation. <P>SOLUTION: A plurality of unit gas diffusion layers 14 and 16 having regions of high gas-permeability 32 and 34 and a region of low gas-permeability are stacked to construct a gas diffusion layer. At least one layer 16 of the unit gas diffusion layers 14 and 16 is movable in a plane perpendicular to the stacking direction in relation to the adjacent layer 14. Relative displacement of the adjacent unit gas diffusion layers 14 and 16 by a moving device 36 changes overlapping states of each regions 32 and 34 between the unit gas diffusion layers 14 and 16, and results in change of gas-permeability of the whole of the gas diffusion layers. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料電池に関し、詳しくは、電解質膜に接する触媒層とガス流路が形成されたセパレータとの間にガス拡散層が配置された燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a fuel cell in which a gas diffusion layer is disposed between a catalyst layer in contact with an electrolyte membrane and a separator in which a gas flow path is formed.

燃料電池の電解質膜は、その内部における水素イオンの移動に水分子が必要とされ、水分を含んだ状態でのみ高い水素イオン導電性を示す。このため、燃料電池の電池性能を維持するためには水分は必須となる。しかしその一方で燃料電池内に水分が過剰に存在する場合には、ガス流路が水によって閉塞されてしまい、電極への反応ガス(燃料ガス或いは酸化ガス)の流通が妨げられて燃料電池の電池性能が低下してしまう。したがって、燃料電池にとっては、余分な水分を除去して内部を適度な湿潤状態に保つことが、高い電池性能を維持する上で重要になる。   The electrolyte membrane of a fuel cell requires water molecules for the movement of hydrogen ions therein, and exhibits high hydrogen ion conductivity only when it contains moisture. For this reason, moisture is essential to maintain the battery performance of the fuel cell. On the other hand, however, if there is excessive moisture in the fuel cell, the gas flow path is blocked by water, and the flow of the reaction gas (fuel gas or oxidizing gas) to the electrode is hindered. Battery performance is degraded. Therefore, it is important for the fuel cell to maintain high cell performance by removing excess water and keeping the inside in a moderately wet state.

燃料電池内の余分な水分を除去するための技術としては、例えば特許文献1に記載された従来技術が知られている。この従来技術は、電極を構成するガス拡散層の構造に特徴がある。燃料電池の電極は、電解質膜に接触して設けられた触媒層と、触媒層とガス流路との間に配置されるガス拡散層とから構成されている。従来技術では、ガス拡散層を緻密性の高い内側層と撥水性が高くポーラスな外側層の2層構造とすることで、触媒層の表面に生じる水分の排水性を向上させている。
特開2000−182625号公報 特開2000−58073号公報 特開平10−172586号公報
As a technique for removing excess moisture in the fuel cell, for example, a conventional technique described in Patent Document 1 is known. This prior art is characterized by the structure of the gas diffusion layer constituting the electrode. The electrode of the fuel cell includes a catalyst layer provided in contact with the electrolyte membrane and a gas diffusion layer disposed between the catalyst layer and the gas flow path. In the prior art, the gas diffusion layer has a two-layer structure of a dense inner layer and a water-repellent and porous outer layer, thereby improving the drainage of moisture generated on the surface of the catalyst layer.
JP 2000-182625 A JP 2000-58073 A Japanese Patent Laid-Open No. 10-172586

しかしながら、上記従来技術では、燃料電池の発電状況が変化したときに必ずしも燃料電池内部を適度な湿潤状態に維持することができるとは限らない。ガス拡散層の排水性能はガス拡散層の構造によって決まるのに対し、燃料電池内部での水分の発生量は発電状況によって変化するからである。例えば、水分の発生量の多い高負荷時には、ガス拡散層には余分な水分を確実に排水することが求められるのに対し、水分の発生量の少ない低負荷時には、ガス拡散層には電解質膜の乾燥を防止するための保水性が求められる。上記従来技術ではガス拡散層の構造は固定され、その排水性能は燃料電池の発電状況によらず一定であるため、発電状況に応じた全ての要求に応えることは難しい。   However, in the above prior art, when the power generation state of the fuel cell changes, the inside of the fuel cell cannot always be maintained in an appropriate wet state. This is because the drainage performance of the gas diffusion layer is determined by the structure of the gas diffusion layer, whereas the amount of water generated in the fuel cell varies depending on the power generation situation. For example, when the load is high with a large amount of moisture generated, the gas diffusion layer is required to reliably drain excess water, whereas when the load is low with a small amount of moisture generated, the gas diffusion layer has an electrolyte membrane. Water retention is required to prevent drying. In the above prior art, the structure of the gas diffusion layer is fixed, and the drainage performance is constant regardless of the power generation status of the fuel cell, so it is difficult to meet all the demands according to the power generation status.

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池の内部をその発電状況によらず常に適度な湿潤状態に維持することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell that can always maintain the inside of the fuel cell in an appropriate wet state regardless of the power generation state. And

第1の発明は、上記の目的を達成するため、電解質膜に接する触媒層とガス流路が形成されたセパレータとの間にガス拡散層が配置された燃料電池において、
前記ガス拡散層がガス透過性の高い高透過性領域とガス透過性の低い低透過性領域とを有する複数の単位ガス拡散層を積層されて構成されるとともに、
前記単位ガス拡散層のうち少なくとも一つの層を隣接する層に対して積層方向に垂直な面内で移動させ、前記隣接しあう単位ガス拡散層間の前記各領域の重なり状態を変化させる移動手段を備えることを特徴としている。
In order to achieve the above object, a first invention provides a fuel cell in which a gas diffusion layer is disposed between a catalyst layer in contact with an electrolyte membrane and a separator in which a gas flow path is formed.
The gas diffusion layer is configured by laminating a plurality of unit gas diffusion layers having a high permeability region having a high gas permeability and a low permeability region having a low gas permeability,
Moving means for moving at least one of the unit gas diffusion layers in a plane perpendicular to the stacking direction with respect to an adjacent layer, and changing an overlapping state of the regions between the adjacent unit gas diffusion layers; It is characterized by providing.

第2の発明は、第1の発明において、前記移動手段は、前記燃料電池の発電負荷が高いときのほうが発電負荷が低いときよりも前記隣接しあう単位ガス拡散層間の前記高透過性領域の重なり率が高くなるよう、前記隣接しあう単位ガス拡散層を相対移動させることを特徴としている。   According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the moving means is configured such that the high permeability region between the adjacent unit gas diffusion layers is higher when the power generation load of the fuel cell is higher than when the power generation load is low. The unit gas diffusion layers adjacent to each other are relatively moved so as to increase the overlapping rate.

第3の発明は、第1の発明において、前記移動手段は、前記燃料電池内の湿度或いは温度が高いときのほうが湿度或いは温度が低いときよりも前記隣接しあう単位ガス拡散層間の前記高透過性領域の重なり率が高くなるよう、前記隣接しあう単位ガス拡散層を相対移動させることを特徴としている。   According to a third aspect of the present invention, in the first aspect, the moving means has the high transmission between the adjacent unit gas diffusion layers when the humidity or temperature in the fuel cell is higher than when the humidity or temperature is low. The unit gas diffusion layers adjacent to each other are moved relative to each other so as to increase the overlapping ratio of the active regions.

第4の発明は、第1乃至第3の何れか1つの発明において、前記単位ガス拡散層のうち最外に配置された単位ガス拡散層は前記高透過性領域が前記ガス流路に面するように配置されていることを特徴としている。   According to a fourth invention, in any one of the first to third inventions, the unit gas diffusion layer arranged at the outermost of the unit gas diffusion layers has the high permeability region facing the gas flow path. It is characterized by being arranged like this.

第5の発明は、第1乃至第4の何れか1つの発明において、前記高透過性領域として前記単位ガス拡散層を貫通する開口部が設けられていることを特徴としている。   According to a fifth invention, in any one of the first to fourth inventions, an opening that penetrates the unit gas diffusion layer is provided as the highly permeable region.

また、第6の発明は、上記の目的を達成するため、電解質膜に接する触媒層とガス流路が形成されたセパレータとの間にガス拡散層が配置された燃料電池において、
前記ガス拡散層がほぼ一定形状の多数の貫通孔が規則正しい配置で形成された複数の単位ガス拡散層を積層されて構成されるとともに、
前記単位ガス拡散層のうち少なくとも一つの層を隣接する層に対して積層方向に垂直な面内で相対移動させ、前記隣接しあう単位ガス拡散層間の前記貫通孔の重なり状態を変化させる移動手段を備えることを特徴としている。
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a fuel cell in which a gas diffusion layer is disposed between a catalyst layer in contact with an electrolyte membrane and a separator having a gas flow path in order to achieve the above object.
The gas diffusion layer is configured by laminating a plurality of unit gas diffusion layers in which a plurality of through holes having a substantially constant shape are formed in a regular arrangement,
Moving means for moving at least one of the unit gas diffusion layers relative to an adjacent layer in a plane perpendicular to the stacking direction to change an overlapping state of the through holes between the adjacent unit gas diffusion layers It is characterized by having.

第7の発明は、第6の発明において、前記移動手段は、前記燃料電池の発電負荷が高いときのほうが発電負荷が低いときよりも前記隣接しあう単位ガス拡散層間の前記貫通孔の重なり率が高くなるよう、前記隣接しあう単位ガス拡散層を相対移動させることを特徴としている。   According to a seventh aspect, in the sixth aspect, the moving means is configured such that the rate of overlap of the through holes between the adjacent unit gas diffusion layers when the power generation load of the fuel cell is higher than when the power generation load is low. The unit gas diffusion layers adjacent to each other are moved relative to each other so as to be high.

第8の発明は、第6の発明において、前記移動手段は、前記燃料電池内の湿度或いは温度が高いときのほうが湿度或いは温度が低いときよりも前記隣接しあう単位ガス拡散層間の前記貫通孔の重なり率が高くなるよう、前記隣接しあう単位ガス拡散層を相対移動させることを特徴としている。   In an eighth aspect based on the sixth aspect, the moving means has the through-holes between the adjacent unit gas diffusion layers when the humidity or temperature in the fuel cell is higher than when the humidity or temperature is low. The unit gas diffusion layers adjacent to each other are moved relative to each other so as to increase the overlapping ratio.

第9の発明は、第6乃至第8の何れか1つの発明において、前記単位ガス拡散層はメッシュで構成されていることを特徴としている。   According to a ninth invention, in any one of the sixth to eighth inventions, the unit gas diffusion layer is formed of a mesh.

第10の発明は、第1乃至第9の何れか1つの発明において、前記単位ガス拡散層のうち少なくとも一つは前記ガス流路に沿って配置され、前記移動手段は、前記ガス流路を構成する前記セパレータの壁部を基点として、前記ガス流路に沿って配置された前記単位ガス拡散層を移動させることを特徴としている。   According to a tenth aspect of the present invention, in any one of the first to ninth aspects, at least one of the unit gas diffusion layers is disposed along the gas flow path, and the moving means includes the gas flow path. The unit gas diffusion layer disposed along the gas flow path is moved with the wall portion of the separator constituting the base point as a base point.

第11の発明は、第1乃至第10の何れか1つの発明において、前記移動手段は吸水量に応じて伸縮する吸水性ポリマーにより構成されていることを特徴としている。   An eleventh invention is characterized in that, in any one of the first to tenth inventions, the moving means is composed of a water-absorbing polymer that expands and contracts according to the amount of water absorption.

第12の発明は、第1乃至第10の何れか1つの発明において、前記移動手段は温度に応じて伸縮する形状記憶合金により構成されていることを特徴としている。   A twelfth aspect of the invention is characterized in that, in any one of the first to tenth aspects of the invention, the moving means is made of a shape memory alloy that expands and contracts according to temperature.

第1の発明において、隣接しあう単位ガス拡散層間の各領域の重なり状態を変化させることで、ガス拡散層全体での見かけのガス透過性が変化する。例えば、一方の単位ガス拡散層の高透過性領域に他方の単位ガス拡散層の低透過性領域を重ねた場合と、一方の単位ガス拡散層の高透過性領域に他方の単位ガス拡散層の高透過性領域を重ねた場合とでは、後者の方がガス拡散層全体での見かけのガス透過性は高くなる。ガス拡散層全体での見かけのガス透過性が高くなるほど反応ガスによる触媒層からの水分の持ち去りが促されるために排水性は向上し、逆に見かけのガス透過性が低くなるほど反応ガスによる水分の持ち去りが抑制されるために保水性は向上する。したがって、第1の発明によれば、隣接しあう単位ガス拡散層間の相対移動を燃料電池の発電状況に応じて制御し、ガス拡散層全体でのガス透過性を変化させることで、発電状況によらず燃料電池内部を常に適度な湿潤状態に維持することが可能になる。   In the first invention, the apparent gas permeability in the entire gas diffusion layer is changed by changing the overlapping state of the regions between the adjacent unit gas diffusion layers. For example, when the low permeability region of the other unit gas diffusion layer is overlapped with the high permeability region of one unit gas diffusion layer, and when the other unit gas diffusion layer of the other unit gas diffusion layer is superposed on the high permeability region of one unit gas diffusion layer. In the case where the highly permeable regions are stacked, the latter has higher apparent gas permeability in the entire gas diffusion layer. The higher the apparent gas permeability in the entire gas diffusion layer, the more the moisture is removed from the catalyst layer by the reaction gas, so the drainage is improved. Conversely, the lower the apparent gas permeability is, the more moisture from the reaction gas is. Water retention is improved because the removal of water is suppressed. Therefore, according to the first invention, the relative movement between the adjacent unit gas diffusion layers is controlled in accordance with the power generation status of the fuel cell, and the gas permeability in the entire gas diffusion layer is changed, so that the power generation status is changed. Regardless, the inside of the fuel cell can always be maintained in a moderately moist state.

燃料電池の発電に伴い発生する水分量は燃料電池の発電負荷が高いほど多くなる。第2の発明によれば、隣接しあう単位ガス拡散層間の高透過性領域の重なり率が発電負荷に応じて制御されるので、発電負荷によらず燃料電池内部を常に適度な湿潤状態に維持することができる。   The amount of water generated with the power generation of the fuel cell increases as the power generation load of the fuel cell increases. According to the second invention, since the overlapping rate of the highly permeable regions between the adjacent unit gas diffusion layers is controlled according to the power generation load, the inside of the fuel cell is always maintained in a moderately moist state regardless of the power generation load. can do.

燃料電池内の湿度或いは温度が高いほど、発電に伴い燃料電池内には多くの水分が発生している。第3の発明によれば、隣接しあう単位ガス拡散層間の高透過性領域の重なり率が燃料電池内の湿度或いは温度に応じて制御されるので、燃料電池内部を常に適度な湿潤状態に維持することができる。   The higher the humidity or temperature in the fuel cell, the more water is generated in the fuel cell with power generation. According to the third aspect of the invention, since the overlapping rate of the highly permeable regions between the adjacent unit gas diffusion layers is controlled according to the humidity or temperature in the fuel cell, the inside of the fuel cell is always maintained in an appropriate wet state. can do.

また、第4の発明によれば、最外に配置された単位ガス拡散層の高透過性領域はガス流路に面しているので、この最外単位ガス拡散層の高透過性領域に内側の単位ガス拡散層の高透過性領域が重なることで、触媒層からガス流路へ水分を効率的に排水することができる。   According to the fourth aspect of the invention, since the highly permeable region of the outermost unit gas diffusion layer faces the gas flow path, the outer side of the highly permeable region of the outermost unit gas diffusion layer is on the inner side. By overlapping the highly permeable regions of the unit gas diffusion layer, water can be efficiently drained from the catalyst layer to the gas flow path.

また、第5の発明によれば、単位ガス拡散層を貫通する開口部を高透過性領域とすることで、ガス透過性の異なる2つの領域(高透過性領域と低透過性領域)を簡易に構成することができる。   In addition, according to the fifth aspect of the present invention, by making the opening penetrating the unit gas diffusion layer a highly permeable region, two regions having different gas permeability (a high permeable region and a low permeable region) can be simplified. Can be configured.

第6の発明において、隣接しあう単位ガス拡散層間の貫通孔の重なり状態を変化させることで、ガス拡散層全体でのガス透過性が変化する。例えば、一方の単位ガス拡散層の貫通孔と他方の単位ガス拡散層の貫通孔との重なりをずらした場合と、一方の単位ガス拡散層の貫通孔と他方の単位ガス拡散層の貫通孔とを完全に重ねた場合とでは、後者の方がガス拡散層全体でのガス透過性は高くなる。ガス拡散層全体でのガス透過性が高くなるほど排水性は向上し、逆にガス透過性が低くなるほど排水性は向上する。したがって、第6の発明によれば、隣接しあう単位ガス拡散層間の相対移動を燃料電池の発電状況に応じて制御し、ガス拡散層全体でのガス透過性を変化させることで、発電状況によらず燃料電池内部を常に適度な湿潤状態に維持することが可能になる。   In the sixth invention, the gas permeability in the entire gas diffusion layer is changed by changing the overlapping state of the through holes between the adjacent unit gas diffusion layers. For example, when the overlap between the through hole of one unit gas diffusion layer and the through hole of the other unit gas diffusion layer is shifted, the through hole of one unit gas diffusion layer and the through hole of the other unit gas diffusion layer When the two are completely stacked, the latter has higher gas permeability in the entire gas diffusion layer. As the gas permeability in the entire gas diffusion layer increases, the drainage improves, and conversely, as the gas permeability decreases, the drainage improves. Therefore, according to the sixth aspect of the present invention, the relative movement between the adjacent unit gas diffusion layers is controlled according to the power generation status of the fuel cell, and the gas permeability in the entire gas diffusion layer is changed, so that the power generation status is changed. Regardless, the inside of the fuel cell can always be maintained in a moderately moist state.

燃料電池の発電に伴い発生する水分量は燃料電池の発電負荷が高いほど多くなる。第7の発明によれば、隣接しあう単位ガス拡散層間の貫通孔の重なり率が発電負荷に応じて制御されるので、発電負荷によらず燃料電池内部を常に適度な湿潤状態に維持することができる。   The amount of water generated with the power generation of the fuel cell increases as the power generation load of the fuel cell increases. According to the seventh invention, since the overlapping rate of the through holes between the adjacent unit gas diffusion layers is controlled in accordance with the power generation load, the inside of the fuel cell is always maintained in an appropriate wet state regardless of the power generation load. Can do.

燃料電池内の湿度或いは温度が高いほど、発電に伴い燃料電池内には多くの水分が発生している。第8の発明によれば、隣接しあう単位ガス拡散層間の貫通孔の重なり率が燃料電池内の湿度或いは温度に応じて制御されるので、燃料電池内部を常に適度な湿潤状態に維持することができる。   The higher the humidity or temperature in the fuel cell, the more water is generated in the fuel cell with power generation. According to the eighth invention, since the overlapping rate of the through holes between the adjacent unit gas diffusion layers is controlled in accordance with the humidity or temperature in the fuel cell, the inside of the fuel cell is always maintained in an appropriate wet state. Can do.

また、第9の発明によれば、メッシュは一定形状の多数の貫通孔が規則正しい配置で形成されており、そのまま単位ガス拡散層として用いることができるので、簡易にガス拡散層を構成することができる。   Further, according to the ninth invention, the mesh has a large number of through-holes having a fixed shape formed in a regular arrangement and can be used as a unit gas diffusion layer as it is, so that the gas diffusion layer can be easily configured. it can.

第10の発明によれば、ガス流路を構成するセパレータの壁部を基点としてガス流路に沿って配置された単位ガス拡散層を移動させるようにすることで、簡単な構成で移動手段を実現することができる。   According to the tenth invention, by moving the unit gas diffusion layer disposed along the gas flow path with the wall portion of the separator constituting the gas flow path as a base point, the moving means can be configured with a simple structure. Can be realized.

第11の発明によれば、吸水性ポリマーは燃料電池内部の湿度に応じて自動で伸縮するので、発電状況に応じた隣接しあう単位ガス拡散層間の相対移動を容易に実現することができる。   According to the eleventh aspect, since the water-absorbing polymer automatically expands and contracts according to the humidity inside the fuel cell, it is possible to easily realize the relative movement between the adjacent unit gas diffusion layers according to the power generation situation.

第12の発明によれば、形状記憶合金は燃料電池内部の温度に応じて自動で伸縮するので、発電状況に応じた隣接しあう単位ガス拡散層間の相対移動を容易に実現することができる。   According to the twelfth invention, since the shape memory alloy automatically expands and contracts according to the temperature inside the fuel cell, the relative movement between the adjacent unit gas diffusion layers according to the power generation situation can be easily realized.

実施の形態1.
以下、図1乃至図5を参照して、本発明の実施の形態1について説明する。
Embodiment 1 FIG.
Hereinafter, Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIGS.

図1は本発明の実施の形態1としての燃料電池2の概略構成図である。燃料電池2は、電解質膜4の両側を電極10,20で挟み、さらにその両側をセパレータ6,8で挟んで構成されている。通常、燃料電池2は単独で使用されるのではなく、燃料電池2を一つのセルとして、複数のセルが一方向に積層された燃料電池スタックとして使用される。ここでは、簡単のために一つのセル(燃料電池2)に着目して説明するものとする。   FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell 2 as Embodiment 1 of the present invention. The fuel cell 2 is configured such that both sides of the electrolyte membrane 4 are sandwiched between electrodes 10 and 20 and both sides are sandwiched between separators 6 and 8. Normally, the fuel cell 2 is not used alone, but is used as a fuel cell stack in which the fuel cell 2 is one cell and a plurality of cells are stacked in one direction. Here, for the sake of simplicity, description will be given focusing on one cell (fuel cell 2).

電解質膜4は非導電性のイオン交換膜、例えば固体高分子膜であり、湿潤状態で水素イオンが膜中を移動する。電解質膜4の外側に配置される一方の電極10はカソードであり、カソード10は電解質膜4の一面に配置された触媒層12とその外側に配された2層構造のガス拡散層14,16とからなる。もう一方の電極20はアノードであり、アノード20は電解質膜4の他面に配置された触媒層22とその外側に配された2層構造のガス拡散層24,26とからなる。   The electrolyte membrane 4 is a non-conductive ion exchange membrane, such as a solid polymer membrane, and hydrogen ions move through the membrane in a wet state. One electrode 10 arranged outside the electrolyte membrane 4 is a cathode, and the cathode 10 is a catalyst layer 12 arranged on one surface of the electrolyte membrane 4 and gas diffusion layers 14 and 16 having a two-layer structure arranged outside the catalyst layer 12. It consists of. The other electrode 20 is an anode, and the anode 20 includes a catalyst layer 22 disposed on the other surface of the electrolyte membrane 4 and gas diffusion layers 24 and 26 having a two-layer structure disposed on the outside thereof.

セパレータ6,8は、ガス、水ともに不透過性で導電性を有する材質、例えば、カーボン、金属、或いは導電性樹脂で形成されたプレートである。各セパレータ6,8の電極10,20との接触面にはガス流路18,28が形成されている。カソード10と接するセパレータ6に形成されたガス流路18は、酸素を含む酸化ガス(例えば空気)を供給するための酸化ガス流路であり、アノード20と接するセパレータ8に形成されたガス流路28は、水素を含む燃料ガスを供給するための燃料ガス流路である。   The separators 6 and 8 are plates made of a material that is impermeable to both gas and water and has conductivity, such as carbon, metal, or conductive resin. Gas flow paths 18 and 28 are formed on the contact surfaces of the separators 6 and 8 with the electrodes 10 and 20. The gas flow path 18 formed in the separator 6 in contact with the cathode 10 is an oxidizing gas flow path for supplying an oxidizing gas (for example, air) containing oxygen, and the gas flow path formed in the separator 8 in contact with the anode 20. 28 is a fuel gas flow path for supplying a fuel gas containing hydrogen.

カソード10を構成する2層構造のガス拡散層14,16のうち、内側のガス拡散層14は触媒層12の全面を覆うように配置され、触媒層12に一体的に接着されている。セパレータ6はガス拡散層14の表面に接するように配置されている。一方、外側のガス拡散層16は酸化ガス流路18に沿って設けられ、その両側を内側のガス拡散層14とセパレータ6との間に挟まれている。外側のガス拡散層16と内側のガス拡散層14とは接着されておらず、外側のガス拡散層16は内側のガス拡散層14に対して酸化ガス流路18に沿って相対移動可能になっている。   Of the two-layer gas diffusion layers 14 and 16 constituting the cathode 10, the inner gas diffusion layer 14 is disposed so as to cover the entire surface of the catalyst layer 12, and is integrally bonded to the catalyst layer 12. The separator 6 is disposed in contact with the surface of the gas diffusion layer 14. On the other hand, the outer gas diffusion layer 16 is provided along the oxidizing gas flow path 18, and both sides thereof are sandwiched between the inner gas diffusion layer 14 and the separator 6. The outer gas diffusion layer 16 and the inner gas diffusion layer 14 are not bonded, and the outer gas diffusion layer 16 can move relative to the inner gas diffusion layer 14 along the oxidizing gas flow path 18. ing.

同様に、アノード20を構成する2層構造のガス拡散層24,26のうち、内側のガス拡散層24は触媒層22の全面を覆うように配置され、触媒層22に一体的に接着されている。セパレータ8はガス拡散層24の表面に接するように配置されている。また、外側のガス拡散層26は燃料ガス流路28に沿って設けられ、その両側を内側のガス拡散層24とセパレータ8との間に挟まれている。外側のガス拡散層26と内側のガス拡散層24とは接着されておらず、外側のガス拡散層26は内側のガス拡散層24に対して酸化ガス流路28に沿って相対移動可能になっている。   Similarly, of the gas diffusion layers 24 and 26 having a two-layer structure constituting the anode 20, the inner gas diffusion layer 24 is disposed so as to cover the entire surface of the catalyst layer 22, and is integrally bonded to the catalyst layer 22. Yes. The separator 8 is disposed so as to contact the surface of the gas diffusion layer 24. The outer gas diffusion layer 26 is provided along the fuel gas flow path 28, and both sides thereof are sandwiched between the inner gas diffusion layer 24 and the separator 8. The outer gas diffusion layer 26 and the inner gas diffusion layer 24 are not bonded, and the outer gas diffusion layer 26 can move relative to the inner gas diffusion layer 24 along the oxidizing gas flow path 28. ing.

図2,図4は図1のA方向(酸化ガス流路18内の上方)から見たカソード10側のガス拡散層14,16の詳細図である。図3は図2のB方向断面図であり、図5は図4のC方向断面図である。図2及び図3に示す構造と図4及び図5に示す構造の相違は、後述する吸水性ポリマー36の伸縮量の差によるものである。以下、これらの図を用いてカソード10側のガス拡散層14,16の構成について詳細に説明する。なお、アノード20側のガス拡散層24,26の構成は、以下に説明するカソード10側のガス拡散層14,16の構成と同構成であるので、その説明は省略する。   2 and 4 are detailed views of the gas diffusion layers 14 and 16 on the cathode 10 side as viewed from the direction A in FIG. 1 (above the oxidizing gas flow path 18). 3 is a cross-sectional view in the B direction of FIG. 2, and FIG. 5 is a cross-sectional view in the C direction of FIG. The difference between the structure shown in FIGS. 2 and 3 and the structure shown in FIGS. 4 and 5 is due to the difference in the amount of expansion and contraction of the water-absorbing polymer 36 described later. Hereinafter, the configuration of the gas diffusion layers 14 and 16 on the cathode 10 side will be described in detail with reference to these drawings. The configuration of the gas diffusion layers 24 and 26 on the anode 20 side is the same as the configuration of the gas diffusion layers 14 and 16 on the cathode 10 side, which will be described below.

外側ガス拡散層16には、酸化ガス流路18に沿って複数の開口部34が一定間隔で形成されている。一方、内側ガス拡散層14には、酸化ガス流路18の下部に位置する部分にのみ、外側ガス拡散層16に形成された開口部34に対応するように複数の開口部32が一定間隔で形成されている。外側ガス拡散層16のガス流路18に沿った上流端或いは下流端には、水分の吸収度に応じて伸縮する吸水性ポリマー36の先端部が接合されている。吸水性ポリマー36は酸化ガス流路18内に位置するとともに、その基端部はセパレータ6の壁部(図示略)に接合されている。   A plurality of openings 34 are formed in the outer gas diffusion layer 16 at regular intervals along the oxidizing gas flow path 18. On the other hand, in the inner gas diffusion layer 14, a plurality of openings 32 are formed at regular intervals so as to correspond to the openings 34 formed in the outer gas diffusion layer 16 only in the portion located below the oxidizing gas flow path 18. Is formed. At the upstream end or the downstream end along the gas flow path 18 of the outer gas diffusion layer 16, a tip end portion of the water-absorbing polymer 36 that expands and contracts in accordance with the moisture absorption is joined. The water-absorbing polymer 36 is located in the oxidizing gas flow path 18, and its base end is joined to the wall (not shown) of the separator 6.

吸水性ポリマー36が伸縮することで外側ガス拡散層16は酸化ガス流路18に沿って移動し、内側ガス拡散層14に対する相対位置が変化する。図3は吸水性ポリマー36が最大まで伸張した状態を示しており、このとき、外側ガス拡散層16の開口部34は内側ガス拡散層14の開口部32の真上に位置するようになっている。図5は吸水性ポリマー36が最小まで収縮した状態示しており、このとき、外側ガス拡散層16の開口部34は内側ガス拡散層14の開口部32上から完全に外れるようになっている。このように上下の開口部32,34の位置関係が設定されることで、上下の開口部32,34の重なり率は、吸水性ポリマー36の伸縮量に応じてリニアに変化することになる。   As the water absorbing polymer 36 expands and contracts, the outer gas diffusion layer 16 moves along the oxidizing gas flow path 18 and the relative position to the inner gas diffusion layer 14 changes. FIG. 3 shows a state in which the water-absorbing polymer 36 is extended to the maximum. At this time, the opening 34 of the outer gas diffusion layer 16 is positioned directly above the opening 32 of the inner gas diffusion layer 14. Yes. FIG. 5 shows a state in which the water-absorbing polymer 36 is contracted to the minimum. At this time, the opening 34 of the outer gas diffusion layer 16 is completely removed from the opening 32 of the inner gas diffusion layer 14. By setting the positional relationship between the upper and lower openings 32 and 34 in this way, the overlapping ratio of the upper and lower openings 32 and 34 changes linearly according to the amount of expansion and contraction of the water absorbent polymer 36.

次に、以上のように構成された燃料電池2の動作、特に燃料電池2の負荷に応じた動作について説明する。発電に伴いカソード10の触媒層12で生成される水分量は、燃料電池2の負荷が高い場合ほど多くなる。触媒層12で生成される水分量が上昇すると酸化ガス流路18内に配置された吸水性ポリマー36は水分を吸収して伸張する。その結果、燃料電池2の負荷が上昇した場合は、図2,3に示すように外側ガス拡散層16が内側ガス拡散層14上を移動し、外側ガス拡散層16の開口部34が内側ガス拡散層14の開口部32の真上に位置するようになる。外側ガス拡散層16の開口部34はガス流路18に面しているので、このように上下の開口部32,34が一直線に繋がることで触媒層12とガス流路18を直結するラインができ、このラインを介して触媒層12からガス流路18へ水分の拡散が促されることになる。つまり、ガス拡散層14,16全体の見かけのガス透過性は上昇することになる。   Next, the operation of the fuel cell 2 configured as described above, particularly the operation according to the load of the fuel cell 2 will be described. The amount of water generated in the catalyst layer 12 of the cathode 10 with power generation increases as the load of the fuel cell 2 increases. When the amount of moisture generated in the catalyst layer 12 increases, the water-absorbing polymer 36 disposed in the oxidizing gas flow path 18 absorbs moisture and expands. As a result, when the load of the fuel cell 2 increases, the outer gas diffusion layer 16 moves on the inner gas diffusion layer 14 as shown in FIGS. 2 and 3, and the opening 34 of the outer gas diffusion layer 16 moves to the inner gas. It comes to be located right above the opening 32 of the diffusion layer 14. Since the opening 34 of the outer gas diffusion layer 16 faces the gas flow path 18, a line directly connecting the catalyst layer 12 and the gas flow path 18 is formed by connecting the upper and lower openings 32 and 34 in a straight line. Thus, the diffusion of moisture from the catalyst layer 12 to the gas flow path 18 is promoted through this line. That is, the apparent gas permeability of the gas diffusion layers 14 and 16 as a whole is increased.

一方、燃料電池2の負荷が低く触媒層12で生成される水分量が少ない場合には、酸化ガスの相対湿度の低下により酸化ガス流路18内に配置された吸水性ポリマー36は水分を奪われて収縮する。その結果、燃料電池2の負荷が低下した場合は、図4,5に示すように外側ガス拡散層16が内側ガス拡散層14上を吸水性ポリマー36側に移動し、外側ガス拡散層16の開口部34の位置と内側ガス拡散層14の開口部32の位置にズレが生じる。このように上下の開口部32,34の連通が遮断されることで、触媒層12で生成された水分がガス流路18に至るには、内側ガス拡散層14及び/又は外側ガス拡散層16内を通過せざるを得なくなる。つまり、ガス拡散層14,16全体の見かけのガス透過性は低下することになる。   On the other hand, when the load of the fuel cell 2 is low and the amount of water produced in the catalyst layer 12 is small, the water-absorbing polymer 36 disposed in the oxidizing gas channel 18 deprives moisture due to a decrease in the relative humidity of the oxidizing gas. It contracts. As a result, when the load on the fuel cell 2 decreases, the outer gas diffusion layer 16 moves on the inner gas diffusion layer 14 toward the water absorbent polymer 36 as shown in FIGS. Deviation occurs between the position of the opening 34 and the position of the opening 32 of the inner gas diffusion layer 14. Thus, in order for the water | moisture content produced | generated by the catalyst layer 12 to reach the gas flow path 18 by interrupting | blocking communication of the upper and lower openings 32 and 34, the inner side gas diffusion layer 14 and / or the outer side gas diffusion layer 16 are used. You have to pass through. That is, the apparent gas permeability of the entire gas diffusion layers 14 and 16 is reduced.

以上のように、本実施の形態の燃料電池2は、燃料電池2の負荷に応じてガス拡散層14,16全体の見かけのガス透過性を自動制御することができる。まず、燃料電池2の負荷が高くなったときには、吸水性ポリマー36の伸張により外側ガス拡散層16の開口部34が内側ガス拡散層14の開口部32の真上に位置することで、ガス拡散層14,16全体の見かけのガス透過性が上昇し、酸化ガスによる触媒層12からの水分の持ち去りが促される。これにより、水分の発生量の多い高負荷時のガス拡散層14,16の排水性が向上し、過剰な水分を確実に排水して高い発電性能を維持することが可能になる。   As described above, the fuel cell 2 of the present embodiment can automatically control the apparent gas permeability of the entire gas diffusion layers 14 and 16 according to the load of the fuel cell 2. First, when the load of the fuel cell 2 becomes high, the opening 34 of the outer gas diffusion layer 16 is positioned immediately above the opening 32 of the inner gas diffusion layer 14 due to the extension of the water-absorbing polymer 36, thereby causing gas diffusion. The apparent gas permeability of the entire layers 14 and 16 is increased, and the removal of moisture from the catalyst layer 12 by the oxidizing gas is promoted. Thereby, the drainage of the gas diffusion layers 14 and 16 at the time of high load with a large amount of generated moisture is improved, and it becomes possible to drain excessive water reliably and maintain high power generation performance.

逆に燃料電池2の負荷が低下したときには、吸水性ポリマー36の収縮により外側ガス拡散層16の開口部34の位置が内側ガス拡散層14の開口部32の位置からずれることで、ガス拡散層14,16全体の見かけのガス透過性が低下し、酸化ガスによる触媒層12からの水分の持ち去りが抑制される。これにより、水分の発生量の少ない低負荷時のガス拡散層14,16の保水性が向上し、電解質膜4の乾燥を防止して高い発電性能を維持することが可能になる。   Conversely, when the load of the fuel cell 2 is reduced, the position of the opening 34 of the outer gas diffusion layer 16 is shifted from the position of the opening 32 of the inner gas diffusion layer 14 due to the shrinkage of the water absorbing polymer 36, thereby The apparent gas permeability of the entire 14, 16 is lowered, and the removal of moisture from the catalyst layer 12 by the oxidizing gas is suppressed. Thereby, the water retention of the gas diffusion layers 14 and 16 at the time of low load with a small amount of moisture generation is improved, and it becomes possible to prevent the electrolyte membrane 4 from being dried and to maintain high power generation performance.

また、図2乃至図5では吸水性ポリマー36が最大に伸張した場合と最小まで収縮した場合のみ示しているが、吸水性ポリマー36は生成水量に応じて伸縮し、外側ガス拡散層16の開口部34と内側ガス拡散層14の開口部32の重なり率は吸水性ポリマー36の伸縮量に応じて変化する。したがって、燃料電池2の負荷が変化して生成水量が変化した場合には、それに応じて上下の開口部32,34の重なり率が変化し、ガス拡散層14,16全体の見かけのガス透過性が変化することになる。これにより、燃料電池の負荷状況によらず、燃料電池2内部を常に適度な湿潤状態に維持することが可能になる。   2 to 5 show only the case where the water-absorbing polymer 36 is extended to the maximum and the case where the water-absorbing polymer 36 is contracted to the minimum, the water-absorbing polymer 36 expands and contracts according to the amount of generated water and opens the outer gas diffusion layer 16. The overlapping ratio between the portion 34 and the opening 32 of the inner gas diffusion layer 14 changes according to the amount of expansion and contraction of the water absorbent polymer 36. Therefore, when the load of the fuel cell 2 changes and the amount of generated water changes, the overlapping ratio of the upper and lower openings 32 and 34 changes accordingly, and the apparent gas permeability of the entire gas diffusion layers 14 and 16 changes. Will change. Thereby, it becomes possible to always maintain the inside of the fuel cell 2 in an appropriate wet state regardless of the load state of the fuel cell.

なお、本実施の形態では、内側ガス拡散層14、外側ガス拡散層16のそれぞれが第1の発明の「単位ガス拡散層」に相当し、内側ガス拡散層14と外側ガス拡散層16を合わせた全体が第1の発明の「ガス拡散層」に相当している。また、各ガス拡散層14,16の開口部32,34が第1の発明の「高透過性領域」に相当し、各ガス拡散層14,16の開口部32,34以外の領域が、第1の発明の「低透過性領域」に相当している。本実施の形態のように、ガス拡散層14,16を貫通する開口部32,34を設けることで、ガス透過性の異なる2つの領域(高透過性領域と低透過性領域)を簡易に構成することができる。   In the present embodiment, each of the inner gas diffusion layer 14 and the outer gas diffusion layer 16 corresponds to the “unit gas diffusion layer” of the first invention, and the inner gas diffusion layer 14 and the outer gas diffusion layer 16 are combined. The entirety corresponds to the “gas diffusion layer” of the first invention. The openings 32 and 34 of the gas diffusion layers 14 and 16 correspond to the “highly permeable region” of the first invention, and the regions other than the openings 32 and 34 of the gas diffusion layers 14 and 16 are the first. This corresponds to the “low permeability region” of the first invention. As in the present embodiment, by providing the openings 32 and 34 penetrating the gas diffusion layers 14 and 16, two regions having different gas permeability (a high permeability region and a low permeability region) can be easily configured. can do.

本実施の形態では、各ガス拡散層14,16に開口部32,34を開けているが、図6に示すように各ガス拡散層14,16を構成してもよい。図6は各ガス拡散層14,16の変形例を示す図であり、上記実施の形態の図5に対応している。この変形例では、内側ガス拡散層14はガス透過性の高い高透過性領域42とガス透過性の低い低透過性領域44が交互に組み合わされて構成されている。同様に、外側ガス拡散層16も高透過性領域46と低透過性領域48が内側ガス拡散層14と同一ピッチで交互に組み合わされて構成されている。高透過性領域42,46と低透過性領域44,48のガス透過性の差は、各領域を形成する多孔質材料の材質や密度、ポア径等を異ならせることで実現されている。本変形例においても、生成水量に応じて吸水性ポリマー36の伸縮量が変化することで、高透過性領域42,46間の重なり率が変化し、ガス拡散層14,16全体の見かけのガス透過性が変化することになる。   In the present embodiment, the openings 32 and 34 are opened in the gas diffusion layers 14 and 16, but the gas diffusion layers 14 and 16 may be configured as shown in FIG. FIG. 6 is a view showing a modification of the gas diffusion layers 14 and 16 and corresponds to FIG. 5 of the above embodiment. In this modification, the inner gas diffusion layer 14 is configured by alternately combining a high permeability region 42 having a high gas permeability and a low permeability region 44 having a low gas permeability. Similarly, the outer gas diffusion layer 16 is configured by alternately combining the high permeability region 46 and the low permeability region 48 at the same pitch as the inner gas diffusion layer 14. The difference in gas permeability between the high-permeability regions 42 and 46 and the low-permeability regions 44 and 48 is realized by making the material, density, pore diameter, etc. of the porous material forming each region different. Also in this modified example, the amount of expansion / contraction of the water-absorbing polymer 36 changes according to the amount of generated water, whereby the overlapping ratio between the high-permeability regions 42 and 46 changes, and the apparent gas in the gas diffusion layers 14 and 16 as a whole. Permeability will change.

実施の形態2.
次に、図7乃至図10を参照して、本発明の実施の形態2について説明する。
Embodiment 2. FIG.
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

本実施の形態の燃料電池は、実施の形態1とはガス拡散層の構成に相違があり、その他の構成は実施の形態1と共通している。図7,図9は、本実施の形態2にかかるガス拡散層の構成を示す図であり、実施の形態1において図1のA方向(酸化ガス流路18内の上方)から見た図に相当する。図8は図7のD方向断面図であり、図10は図9のE方向断面図である。図7及び図8に示す構造と図9及び図10に示す構造の相違は、後述する吸水性ポリマー36の伸縮量の差によるものである。図中、実施の形態と同一の部分については同一の符号を付している。なお、以下では、本発明の構成をカソード側のガス拡散層に適用した例について説明するが、勿論、アノード側のガス拡散層にも適用することができる。   The fuel cell according to the present embodiment is different from the first embodiment in the configuration of the gas diffusion layer, and the other configurations are the same as those in the first embodiment. FIGS. 7 and 9 are diagrams showing the configuration of the gas diffusion layer according to the second embodiment. FIG. 7 is a diagram viewed from the direction A in FIG. 1 (above the oxidizing gas flow path 18) in the first embodiment. Equivalent to. 8 is a cross-sectional view in the D direction of FIG. 7, and FIG. 10 is a cross-sectional view in the E direction of FIG. The difference between the structure shown in FIGS. 7 and 8 and the structure shown in FIGS. 9 and 10 is due to the difference in the amount of expansion and contraction of the water-absorbing polymer 36 described later. In the figure, the same reference numerals are given to the same parts as those in the embodiment. In the following, an example in which the configuration of the present invention is applied to the cathode-side gas diffusion layer will be described, but it is of course applicable to the anode-side gas diffusion layer.

本実施の形態にかかるガス拡散層52,56も実施の形態1と同様に2層構造となっている。内側のガス拡散層52は触媒層12の全面を覆うように配置され、触媒層12に一体的に接着されている。外側のガス拡散層56は内側ガス拡散層52の表面に沿って移動可能に配置され、その端部を吸水性ポリマー36を介してセパレータ6の壁部に接合されている。本実施形態では、ガス拡散層52,56として、ともに金属或いはカーボン等で製作されたメッシュが用いられている。メッシュには規則正しく網目54,58が形成されている。   The gas diffusion layers 52 and 56 according to the present embodiment also have a two-layer structure as in the first embodiment. The inner gas diffusion layer 52 is disposed so as to cover the entire surface of the catalyst layer 12 and is integrally bonded to the catalyst layer 12. The outer gas diffusion layer 56 is disposed so as to be movable along the surface of the inner gas diffusion layer 52, and its end is joined to the wall portion of the separator 6 via the water-absorbing polymer 36. In the present embodiment, as the gas diffusion layers 52 and 56, meshes made of metal or carbon are used. Meshes 54 and 58 are regularly formed on the mesh.

吸水性ポリマー36が伸縮することで、外側ガス拡散層56の内側ガス拡散層52に対する相対位置が変化する。図8は吸水性ポリマー36が最大まで伸張した状態を示しており、このとき、外側ガス拡散層56の網目58と内側ガス拡散層52の網目54は完全に重なるようになっている。一方、図10は吸水性ポリマー36が最小まで収縮した状態を示しており、このとき、外側ガス拡散層56の網目58と内側ガス拡散層52の網目54にはずれが生じるようになっている。   The relative position of the outer gas diffusion layer 56 with respect to the inner gas diffusion layer 52 changes as the water-absorbing polymer 36 expands and contracts. FIG. 8 shows a state in which the water-absorbing polymer 36 is extended to the maximum. At this time, the mesh 58 of the outer gas diffusion layer 56 and the mesh 54 of the inner gas diffusion layer 52 are completely overlapped. On the other hand, FIG. 10 shows a state where the water-absorbing polymer 36 is contracted to the minimum. At this time, the mesh 58 of the outer gas diffusion layer 56 and the mesh 54 of the inner gas diffusion layer 52 are displaced.

実施の形態1で述べたように、吸水性ポリマー36の伸縮量は燃料電池の負荷に応じて変化する。燃料電池の負荷が上昇した場合は、発電に伴い発生した水分を吸水性ポリマー36が吸収して伸張することで、図7,9に示すように外側ガス拡散層56が内側ガス拡散層52上を移動して上下の網目54,58が完全に重なり合う。本実施形態のようにガス拡散層52,56としてメッシュを用いる場合には、そのガス透過性はメッシュの全体面積に対する網目面積の割合(空孔率)によって決まる。このため、上記のように上下の網目54,58が完全に重なることで空孔率は最大となり、実質的にガス拡散層52,56の何れか1層のみを設けた場合と同等のガス透過性が得られることになる。   As described in the first embodiment, the amount of expansion / contraction of the water-absorbing polymer 36 changes according to the load of the fuel cell. When the load of the fuel cell rises, the water-absorbing polymer 36 absorbs and expands the water generated by power generation, so that the outer gas diffusion layer 56 is placed on the inner gas diffusion layer 52 as shown in FIGS. The upper and lower meshes 54 and 58 are completely overlapped. When a mesh is used as the gas diffusion layers 52 and 56 as in this embodiment, the gas permeability is determined by the ratio of the mesh area to the entire mesh area (porosity). For this reason, when the upper and lower meshes 54 and 58 are completely overlapped as described above, the porosity is maximized, and substantially the same gas permeation as when only one of the gas diffusion layers 52 and 56 is provided. Sex will be obtained.

一方、燃料電池の負荷が低下した場合は、吸水性ポリマー36は相対湿度が低下した酸化ガスに水分を奪われて収縮するので、図8,10に示すように外側ガス拡散層56が内側ガス拡散層52上を吸水性ポリマー36側に移動し、上下の網目54,58の重なりにずれが生じる。これにより、ガス拡散層52,56全体でのメッシュの空孔率は低下し、見かけのガス透過性は低下することになる。   On the other hand, when the load of the fuel cell is reduced, the water-absorbing polymer 36 is deprived of moisture by the oxidizing gas whose relative humidity has been reduced, so that the outer gas diffusion layer 56 becomes the inner gas as shown in FIGS. The diffusion layer 52 moves to the water-absorbing polymer 36 side, and the upper and lower meshes 54 and 58 are displaced from each other. Thereby, the porosity of the mesh in the gas diffusion layers 52 and 56 as a whole is lowered, and the apparent gas permeability is lowered.

以上のように、本実施の形態にかかるガス拡散層52,56の構成によっても、実施の形態1と同様に、燃料電池の負荷に応じてガス拡散層52,56全体の見かけのガス透過性を自動制御することができる。その結果、水分の発生量の多い高負荷時にはガス拡散層52,56の排水性を向上させ、過剰な水分を確実に排水して高い発電性能を維持することが可能になる。また、水分の発生量の少ない低負荷時にはガス拡散層52,56の保水性を向上させ、電解質膜の乾燥を防止して高い発電性能を維持することが可能になる。   As described above, according to the configuration of the gas diffusion layers 52 and 56 according to the present embodiment, as in the first embodiment, the apparent gas permeability of the entire gas diffusion layers 52 and 56 according to the load of the fuel cell. Can be controlled automatically. As a result, it is possible to improve the drainage performance of the gas diffusion layers 52 and 56 during high loads with a large amount of moisture generated, and to reliably drain excess moisture and maintain high power generation performance. In addition, it is possible to improve the water retention of the gas diffusion layers 52 and 56 at the time of low load where the amount of generated moisture is small, and to prevent the electrolyte membrane from being dried and to maintain high power generation performance.

なお、本実施の形態では、内側ガス拡散層52、外側ガス拡散層56のそれぞれが第6の発明の「単位ガス拡散層」に相当し、内側ガス拡散層52と外側ガス拡散層56を合わせた全体が第6の発明の「ガス拡散層」に相当している。また、各ガス拡散層52,56に用いたメッシュの網目54,58が第6の発明の「貫通孔」に相当している。   In the present embodiment, each of the inner gas diffusion layer 52 and the outer gas diffusion layer 56 corresponds to the “unit gas diffusion layer” of the sixth invention, and the inner gas diffusion layer 52 and the outer gas diffusion layer 56 are combined. The entirety corresponds to the “gas diffusion layer” of the sixth invention. The mesh meshes 54 and 58 used for the gas diffusion layers 52 and 56 correspond to the “through holes” of the sixth invention.

また、本実施の形態では外側ガス拡散層56を平行移動させているが、図11に示すように各ガス拡散層52,56が丸型の場合(例えばガス拡散層52,56が丸型筒状の燃料電池に適用される場合)には、燃料電池の負荷に応じて外側ガス拡散層56を周方向に回転させるようにしてもよい。この場合、高負荷時には、図12の拡大図に示すように上下の網目54,58を完全に重ね合わせるようにし、低負荷時には、図13の拡大図に示すように上下の網目54,58にずれを生じさせるようにする。なお、図11では、内側ガス拡散層52と外側ガス拡散層56を横方向にずらして表示しているが、実際には2つのガス拡散層52,56は重なりあうようになっており、重なり合った状態のまま外側ガス拡散層56が回転するようになっている。   In the present embodiment, the outer gas diffusion layer 56 is moved in parallel. However, as shown in FIG. 11, when the gas diffusion layers 52 and 56 are round (for example, the gas diffusion layers 52 and 56 are round cylinders). The outer gas diffusion layer 56 may be rotated in the circumferential direction according to the load of the fuel cell. In this case, when the load is high, the upper and lower meshes 54, 58 are completely overlapped as shown in the enlarged view of FIG. 12, and when the load is low, the upper and lower meshes 54, 58 are shown as shown in the enlarged view of FIG. Try to cause a shift. In FIG. 11, the inner gas diffusion layer 52 and the outer gas diffusion layer 56 are displayed while being shifted in the horizontal direction. However, the two gas diffusion layers 52 and 56 are actually overlapped with each other. In this state, the outer gas diffusion layer 56 rotates.

その他.
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。
Others.
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, the following modifications may be made.

上記実施の形態では外側ガス拡散層を移動させる手段として吸水性ポリマーを用いているが、代わりに形状記憶合金を用いてもよい。形状記憶合金は所定温度以下で変形を加えても、温度が所定温度以上になると変形前の形に戻る性質を有している。したがって、外側ガス拡散層を移動させる手段として形状記憶合金を用いることで、燃料電池の負荷が上昇してガス流路内の温度が上昇した場合と、燃料電池の負荷が低下してガス流路内の温度が低下した場合とで、外側ガス拡散層の位置を自動的に変化させることができる。   In the above embodiment, a water-absorbing polymer is used as means for moving the outer gas diffusion layer, but a shape memory alloy may be used instead. Even if the shape memory alloy is deformed at a predetermined temperature or lower, the shape memory alloy has a property of returning to a shape before deformation when the temperature is higher than the predetermined temperature. Therefore, by using a shape memory alloy as a means for moving the outer gas diffusion layer, when the load of the fuel cell is increased and the temperature in the gas flow path is increased, the load of the fuel cell is decreased and the gas flow path is decreased. The position of the outer gas diffusion layer can be automatically changed when the inner temperature is lowered.

また、外側ガス拡散層を移動させる手段として人工筋肉を用いてもよい。人工筋肉は電気信号により伸縮させることができる。したがって、燃料電池の負荷に応じて電気信号が人工筋肉に供給されるよう構成することで、燃料電池の負荷に応じて外側ガス拡散層の位置を自動的に変化させることができる。   An artificial muscle may be used as a means for moving the outer gas diffusion layer. Artificial muscles can be expanded and contracted by electrical signals. Therefore, by configuring the electric signal to be supplied to the artificial muscle according to the load of the fuel cell, the position of the outer gas diffusion layer can be automatically changed according to the load of the fuel cell.

また、上記実施の形態ではガス拡散層を外側ガス拡散層と内側ガス拡散層の2層構造としているが、より多くの単位ガス拡散層を積層してもよい。その場合、移動手段によって移動可能とする単位ガス拡散層は1層に限定されず、複数の単位ガス拡散層を移動可能に構成してもよい。   In the above embodiment, the gas diffusion layer has a two-layer structure of the outer gas diffusion layer and the inner gas diffusion layer, but more unit gas diffusion layers may be stacked. In this case, the unit gas diffusion layer that can be moved by the moving means is not limited to one layer, and a plurality of unit gas diffusion layers may be configured to be movable.

また、実施の形態2では、ガス拡散層としてメッシュを用いているが、ほぼ一定形状の多数の貫通孔(メッシュでは網目)が規則正しい配置で形成されている部材であれば、メッシュには限定されない。例えば、ガス拡散層としてパンチングプレートを用いてもよい。上下の貫通孔の重なり率が高いほど、ガス拡散層全体の見かけの空孔率は大きくなる。したがって、上下の貫通孔の重なり率を燃料電池の負荷に応じて制御することで、燃料電池の負荷に応じてガス透過性を変化させることができる。   In the second embodiment, a mesh is used as the gas diffusion layer. However, the mesh is not limited to a mesh as long as it is a member in which a large number of substantially uniform through holes (mesh in a mesh) are formed in a regular arrangement. . For example, a punching plate may be used as the gas diffusion layer. The higher the overlapping ratio of the upper and lower through holes, the higher the apparent porosity of the entire gas diffusion layer. Therefore, by controlling the overlapping rate of the upper and lower through holes according to the load of the fuel cell, the gas permeability can be changed according to the load of the fuel cell.

本発明の実施の形態1としての燃料電池の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the fuel cell as Embodiment 1 of this invention. 図1のA方向から見た図である(高負荷時)。It is the figure seen from the A direction of FIG. 1 (at the time of high load). 図2のB方向断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view in the B direction of FIG. 2. 図1のA方向から見た図である(低負荷時)。It is the figure seen from the A direction of FIG. 1 (at the time of low load). 図4のC方向断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view in the direction C of FIG. 4. 本発明の実施の形態1にかかるガス拡散層の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of the gas diffusion layer concerning Embodiment 1 of this invention. 本実施の形態2にかかるガス拡散層の構成を示す図であり、図1のA方向から見た図に相当する(高負荷時)。It is a figure which shows the structure of the gas diffusion layer concerning this Embodiment 2, and is equivalent to the figure seen from the A direction of FIG. 1 (at the time of high load). 図7のD方向断面図である。It is a D direction sectional view of Drawing 7. 本実施の形態2にかかるガス拡散層の構成を示す図であり、図1のA方向から見た図に相当する(低負荷時)。It is a figure which shows the structure of the gas diffusion layer concerning this Embodiment 2, and is equivalent to the figure seen from the A direction of FIG. 1 (at the time of low load). 図9のE方向断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view in the E direction of FIG. 9. 本発明の実施の形態2にかかるガス拡散層の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of the gas diffusion layer concerning Embodiment 2 of this invention. 図11に示すガス拡散層の高負荷時における位置関係を示す拡大図である。It is an enlarged view which shows the positional relationship at the time of high load of the gas diffusion layer shown in FIG. 図11に示すガス拡散層の低負荷時における位置関係を示す拡大図である。It is an enlarged view which shows the positional relationship at the time of the low load of the gas diffusion layer shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

2 燃料電池
4 電解質膜
6,8 セパレータ
10 カソード
12,22 触媒層
14,24 内側ガス拡散層
16,26 外側ガス拡散層
18 酸化ガス流路
20 アノード
28 燃料ガス流路
32,34 開口部
36 吸水性ポリマー
42,46 高透過性領域
44,48 低透過性領域
52 内側ガス拡散層(メッシュ)
56 外側ガス拡散層(メッシュ)
54,58 網目
2 Fuel cell 4 Electrolyte membrane 6, 8 Separator 10 Cathode 12, 22 Catalyst layer 14, 24 Inner gas diffusion layer 16, 26 Outer gas diffusion layer 18 Oxidizing gas channel 20 Anode 28 Fuel gas channel 32, 34 Opening 36 Water absorption Polymer 42, 46 High permeability region 44, 48 Low permeability region 52 Inner gas diffusion layer (mesh)
56 Outer gas diffusion layer (mesh)
54,58 mesh

Claims (12)

電解質膜に接する触媒層とガス流路が形成されたセパレータとの間にガス拡散層が配置された燃料電池において、
前記ガス拡散層がガス透過性の高い高透過性領域とガス透過性の低い低透過性領域とを有する複数の単位ガス拡散層を積層されて構成されるとともに、
前記単位ガス拡散層のうち少なくとも一つの層を隣接する層に対して積層方向に垂直な面内で移動させ、前記隣接しあう単位ガス拡散層間の前記各領域の重なり状態を変化させる移動手段を備えることを特徴とする燃料電池。
In a fuel cell in which a gas diffusion layer is disposed between a catalyst layer in contact with an electrolyte membrane and a separator in which a gas flow path is formed,
The gas diffusion layer is configured by laminating a plurality of unit gas diffusion layers having a high permeability region having a high gas permeability and a low permeability region having a low gas permeability,
Moving means for moving at least one of the unit gas diffusion layers in a plane perpendicular to the stacking direction with respect to an adjacent layer, and changing an overlapping state of the regions between the adjacent unit gas diffusion layers; A fuel cell comprising the fuel cell.
前記移動手段は、前記燃料電池の発電負荷が高いときのほうが発電負荷が低いときよりも前記隣接しあう単位ガス拡散層間の前記高透過性領域の重なり率が高くなるよう、前記隣接しあう単位ガス拡散層を相対移動させることを特徴とする請求項1記載の燃料電池。   The moving means is configured so that the overlapping unit of the highly permeable regions between the adjacent unit gas diffusion layers is higher when the power generation load of the fuel cell is higher than when the power generation load is low. 2. The fuel cell according to claim 1, wherein the gas diffusion layer is relatively moved. 前記移動手段は、前記燃料電池内の湿度或いは温度が高いときのほうが湿度或いは温度が低いときよりも前記隣接しあう単位ガス拡散層間の前記高透過性領域の重なり率が高くなるよう、前記隣接しあう単位ガス拡散層を相対移動させることを特徴とする請求項1記載の燃料電池。   The moving means is arranged so that the overlapping rate of the highly permeable regions between the adjacent unit gas diffusion layers is higher when the humidity or temperature in the fuel cell is higher than when the humidity or temperature is low. 2. The fuel cell according to claim 1, wherein the unit gas diffusion layers are moved relative to each other. 前記単位ガス拡散層のうち最外に配置された単位ガス拡散層は前記高透過性領域が前記ガス流路に面するように配置されていることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の燃料電池。   4. The unit gas diffusion layer disposed at the outermost portion of the unit gas diffusion layers is disposed such that the highly permeable region faces the gas flow path. 5. 2. The fuel cell according to item 1. 前記高透過性領域として前記単位ガス拡散層を貫通する開口部が設けられていることを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein an opening that penetrates the unit gas diffusion layer is provided as the highly permeable region. 電解質膜に接する触媒層とガス流路が形成されたセパレータとの間にガス拡散層が配置された燃料電池において、
前記ガス拡散層がほぼ一定形状の多数の貫通孔が規則正しい配置で形成された複数の単位ガス拡散層を積層されて構成されるとともに、
前記単位ガス拡散層のうち少なくとも一つの層を隣接する層に対して積層方向に垂直な面内で相対移動させ、前記隣接しあう単位ガス拡散層間の前記貫通孔の重なり状態を変化させる移動手段を備えることを特徴とする燃料電池。
In a fuel cell in which a gas diffusion layer is disposed between a catalyst layer in contact with an electrolyte membrane and a separator in which a gas flow path is formed,
The gas diffusion layer is configured by laminating a plurality of unit gas diffusion layers in which a plurality of through holes having a substantially constant shape are formed in a regular arrangement,
Moving means for moving at least one of the unit gas diffusion layers relative to an adjacent layer in a plane perpendicular to the stacking direction to change an overlapping state of the through holes between the adjacent unit gas diffusion layers A fuel cell comprising:
前記移動手段は、前記燃料電池の発電負荷が高いときのほうが発電負荷が低いときよりも前記隣接しあう単位ガス拡散層間の前記貫通孔の重なり率が高くなるよう、前記隣接しあう単位ガス拡散層を相対移動させることを特徴とする請求項6記載の燃料電池。   The moving means has the unit gas diffusion adjacent to each other so that the overlapping rate of the through holes between the adjacent unit gas diffusion layers is higher when the power generation load of the fuel cell is higher than when the power generation load is low. The fuel cell according to claim 6, wherein the layers are moved relative to each other. 前記移動手段は、前記燃料電池内の湿度或いは温度が高いときのほうが湿度或いは温度が低いときよりも前記隣接しあう単位ガス拡散層間の前記貫通孔の重なり率が高くなるよう、前記隣接しあう単位ガス拡散層を相対移動させることを特徴とする請求項6記載の燃料電池。   The moving means is adjacent to each other so that the overlapping rate of the through-holes between the adjacent unit gas diffusion layers is higher when the humidity or temperature in the fuel cell is higher than when the humidity or temperature is low. 7. The fuel cell according to claim 6, wherein the unit gas diffusion layer is relatively moved. 前記単位ガス拡散層はメッシュで構成されていることを特徴とする請求項6乃至8の何れか1項に記載の燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 6 to 8, wherein the unit gas diffusion layer is formed of a mesh. 前記単位ガス拡散層のうち少なくとも一つは前記ガス流路に沿って配置され、前記移動手段は、前記ガス流路を構成する前記セパレータの壁部を基点として、前記ガス流路に沿って配置された前記単位ガス拡散層を移動させることを特徴とする請求項1乃至9の何れか1項に記載の燃料電池。   At least one of the unit gas diffusion layers is disposed along the gas flow path, and the moving means is disposed along the gas flow path with a wall portion of the separator constituting the gas flow path as a base point. The fuel cell according to any one of claims 1 to 9, wherein the unit gas diffusion layer formed is moved. 前記移動手段は吸水量に応じて伸縮する吸水性ポリマーにより構成されていることを特徴とする請求項1乃至10の何れか1項に記載の燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 10, wherein the moving means is composed of a water-absorbing polymer that expands and contracts according to the amount of water absorption. 前記移動手段は温度に応じて伸縮する形状記憶合金により構成されていることを特徴とする請求項1乃至10の何れか1項に記載の燃料電池。
The fuel cell according to any one of claims 1 to 10, wherein the moving means is made of a shape memory alloy that expands and contracts according to temperature.
JP2004196605A 2004-07-02 2004-07-02 Fuel cell Withdrawn JP2006019162A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004196605A JP2006019162A (en) 2004-07-02 2004-07-02 Fuel cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004196605A JP2006019162A (en) 2004-07-02 2004-07-02 Fuel cell

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2006019162A true JP2006019162A (en) 2006-01-19

Family

ID=35793235

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2004196605A Withdrawn JP2006019162A (en) 2004-07-02 2004-07-02 Fuel cell

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2006019162A (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008066208A (en) * 2006-09-11 2008-03-21 Honda Motor Co Ltd Fuel cell
WO2008143020A1 (en) * 2007-05-14 2008-11-27 Nec Corporation Solid state polymer type fuel cell
WO2009017243A1 (en) * 2007-07-31 2009-02-05 Canon Kabushiki Kaisha Fuel cell apparatus
JP2010086941A (en) * 2008-09-05 2010-04-15 Sony Corp Fuel cell and electronic equipment
US8273496B2 (en) 2007-01-25 2012-09-25 Sharp Kabushiki Kaisha Fuel cell containing a cathode diffusion layer having a fabric structure

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008066208A (en) * 2006-09-11 2008-03-21 Honda Motor Co Ltd Fuel cell
US8273496B2 (en) 2007-01-25 2012-09-25 Sharp Kabushiki Kaisha Fuel cell containing a cathode diffusion layer having a fabric structure
WO2008143020A1 (en) * 2007-05-14 2008-11-27 Nec Corporation Solid state polymer type fuel cell
US8252482B2 (en) 2007-05-14 2012-08-28 Nec Corporation Solid polymer fuel cell
WO2009017243A1 (en) * 2007-07-31 2009-02-05 Canon Kabushiki Kaisha Fuel cell apparatus
JP2009037742A (en) * 2007-07-31 2009-02-19 Canon Inc Fuel cell device
JP2010086941A (en) * 2008-09-05 2010-04-15 Sony Corp Fuel cell and electronic equipment

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5181634B2 (en) Fuel cell
US20030039876A1 (en) Electrochemical fuel cell with fluid distribution layer having non-uniform perforations
KR101347769B1 (en) Fuel cell
JP2006019162A (en) Fuel cell
JP2005302472A (en) Fuel cell
JP2007242417A (en) Fuel cell
JP2010232062A (en) Fuel cell
JP2007250432A (en) Fuel cell
JP2005141979A (en) Fuel cell
JP4973396B2 (en) Fuel cell and diffusion layer
JP2011034768A (en) Fuel cell
JP2008166237A (en) Fuel cell, seal-integrated member structuring fuel cell, and its manufacturing method
JP5806141B2 (en) Fuel cell
JP2008077906A (en) Fuel cell
JP4661103B2 (en) Fuel cell
JP2006302697A (en) Membrane electrode assebmly of fuel cell
JP2009211927A (en) Fuel cell
JP2007273326A (en) Fuel battery cell
JP2008192448A (en) Fuel cell
JP5234461B2 (en) Polymer electrolyte fuel cell
JP2008027804A (en) Fuel cell
JP2005310586A (en) Fuel battery
JP2007184129A (en) Membrane-electrode assembly of polymer electrolyte fuel cell
JP2010153157A (en) Fuel cell separator
JP2004087505A (en) Solid polymer fuel cell

Legal Events

Date Code Title Description
A300 Withdrawal of application because of no request for examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300

Effective date: 20070904