JP2006019162A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
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。
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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。
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
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
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
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
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
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
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
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.
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
56 Outer gas diffusion layer (mesh)
54,58 mesh
Claims (12)
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:
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.
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