JP2009076404A - Fuel battery cell and fuel battery stack - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体高分子型の燃料電池セル及び燃料電池スタックに関し、特に、簡易な構成でアノード電極における水分不足を好適に抑制し、優れた発電性能を発揮させ得る燃料電池セル及び燃料電池スタックに関するものである。 The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell and a fuel cell stack, and more particularly to a fuel cell and a fuel cell stack that can suitably suppress moisture shortage in an anode electrode and exhibit excellent power generation performance with a simple configuration. It is about.
固体高分子型燃料電池の単位セル(以下、単に「燃料電池セル」と称する)は、アノード電極(燃料極)とカソード電極(酸化剤極)との間に固体高分子電解質膜を挟持した構成を有し、アノード電極へ供給される燃料ガス(例えば、水素)とカソード電極へ供給される酸化剤ガス(例えば、空気)とを電気化学的に反応させることにより発電を行う。 A unit cell of a solid polymer fuel cell (hereinafter simply referred to as “fuel cell”) has a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between an anode electrode (fuel electrode) and a cathode electrode (oxidant electrode) A fuel gas (for example, hydrogen) supplied to the anode electrode and an oxidant gas (for example, air) supplied to the cathode electrode are electrochemically reacted to generate power.
具体的には、燃料電池セルでは、アノード電極において、水素がプロトン(H+)化され(式(1))、生じたプロトンが、固体高分子電解質膜を介してカソード電極へ移動し、カソード電極において酸素と反応し、水を生成する(式(2))。これらのアノード電極及びカソード電極で生じる反応の結果として起電力を得る。 Specifically, in the fuel cell, hydrogen is converted into protons (H + ) at the anode electrode (formula (1)), and the generated protons move to the cathode electrode through the solid polymer electrolyte membrane. It reacts with oxygen at the electrode to produce water (formula (2)). An electromotive force is obtained as a result of the reaction occurring at these anode and cathode electrodes.
アノード電極: H2→2H++2e− …(1)
カソード電極: (1/2)O2+2H++2e−→H2O …(2)
Anode electrode: H 2 → 2H + + 2e − (1)
Cathode electrode: (1/2) O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O (2)
燃料電池セルでは、カソード電極において水が生成する上に、アノード電極における反応によって生じたプロトンがカソード電極へ移動する際に、水を水和した状態で移動するので、カソード電極側では水分量が多くアノード電極側では水分量が少ないという水分の濃度勾配が生じる傾向にある。 In the fuel cell, water is generated at the cathode electrode, and when protons generated by the reaction at the anode electrode move to the cathode electrode, the water moves in a hydrated state. On the anode electrode side, there is a tendency that a water concentration gradient is generated in which the amount of water is small.
かかる水分の濃度勾配により、一部の水はカソード電極からアノード電極へ逆拡散する。その一方で、アノード電極からカソード電極へのプロトン移動に伴う水の移動量は、プロトン移動量(即ち、電流密度の上昇)に比例して増加する。よって、運転時の電流密度が高くなる程、アノード電極側の水分量は減少し、その結果、高電流密度での運転時には、アノード電極に100%RHの加湿水素を供給したとしても、アノード電極側の水分不足によって、固体高分子電解質膜の抵抗が増加し発電の継続が困難となるドライアップ現象が生じるという問題があった。 Due to the concentration gradient of water, a part of water is back-diffused from the cathode electrode to the anode electrode. On the other hand, the amount of water movement accompanying proton movement from the anode electrode to the cathode electrode increases in proportion to the amount of proton movement (that is, increase in current density). Therefore, as the current density during operation increases, the amount of moisture on the anode electrode side decreases. As a result, even when humidified hydrogen of 100% RH is supplied to the anode electrode during operation at a high current density, the anode electrode Due to the lack of water on the side, there was a problem that the resistance of the solid polymer electrolyte membrane increased and a dry-up phenomenon that made it difficult to continue power generation occurred.
かかる問題を解決する技術の1つとして、例えば、特許文献1において、電解質膜(固体高分子電解質膜)に隣接するアノード側触媒反応層(触媒層)に密着するアノード(アノード電極)が、セパレータ側に架橋ポリアクリル酸塩の含浸物を有する構成とされた燃料電池のセルが提案されている。具体的には、特許文献1に記載されるセルのアノードは、セパレータ側にガス流路を有する形状にポーラスカーボンを成形した後、この成形ポーラスカーボンをセパレータ側(流路が形成された側)において架橋ポリアクリル酸塩溶液に浸漬することで、セパレータ側に架橋ポリアクリル酸塩の含浸物を有する構成とされている。 As one of the techniques for solving such a problem, for example, in Patent Document 1, an anode (anode electrode) that is in close contact with an anode side catalytic reaction layer (catalyst layer) adjacent to an electrolyte membrane (solid polymer electrolyte membrane) is used as a separator. There has been proposed a cell of a fuel cell having a structure having a cross-linked polyacrylate impregnation on the side. Specifically, in the anode of the cell described in Patent Document 1, after forming porous carbon into a shape having a gas flow path on the separator side, the molded porous carbon is formed on the separator side (side on which the flow path is formed). Is immersed in a crosslinked polyacrylate solution so as to have an impregnated product of the crosslinked polyacrylate on the separator side.
この特許文献1に記載されるセルは、アノードが、セパレータ側に架橋ポリアクリル酸塩の含浸物を有しているので、この架橋ポリアクリル酸塩の含浸物の吸水性によってその周辺を湿潤状態とすることができ、アノード側における多少の水の過不足を架橋ポリアクリル酸塩の含浸物により補うことが可能となる。 In the cell described in Patent Document 1, since the anode has a cross-linked polyacrylate impregnation on the separator side, the periphery of the cell is wet by the water absorption of the cross-linked polyacrylate impregnation. It is possible to make up for some excess or deficiency of water on the anode side by the impregnated product of the crosslinked polyacrylate.
また、アノード電極への水分供給を、水蒸気だけでなく液体水を利用して行うことが検討されており、特許文献1にも、セパレータ側に架橋ポリアクリル酸塩の含浸物を有するアノードへ、直に水分を供給する水分供給装置が記載されている
さらに、アノード電極側の水分不足を解消する手法として、固体高分子電解質膜の膜厚を薄くしたり、イオン交換容量を増大させたりすることによって、カソード電極からアノード電極への水分の逆拡散を促進する手法もある。
しかしながら、特許文献1に記載されるセルであってもなお、高電流密度での運転時におけるアノード電極側の水分不足を解消し、優れた発電性能を発揮させるには不十分であるという問題点があった。 However, even in the cell described in Patent Document 1, there is still a problem that the shortage of moisture on the anode electrode side at the time of operation at a high current density is solved and insufficient power generation performance is exhibited. was there.
また、一般的には、燃料電池セルには、ガス拡散層や細孔層(MPL:Micro Porous Layer)のような撥水性を要求される層が、触媒層及び固体高分子電解質層より燃料電池セルの厚み方向外側に配置されているので、液体水をアノード電極へ供給したとしても、撥水性を有するガス拡散層や細孔層が障害となって、アノード電極として機能する触媒層や固体高分子電解質膜への水の供給は困難であるという問題点があった。 In general, a fuel cell includes a layer that requires water repellency, such as a gas diffusion layer or a microporous layer (MPL), rather than a catalyst layer and a solid polymer electrolyte layer. Since it is arranged outside the thickness direction of the cell, even if liquid water is supplied to the anode electrode, the gas diffusion layer or pore layer having water repellency becomes an obstacle, and the catalyst layer or solid There is a problem that it is difficult to supply water to the molecular electrolyte membrane.
さらに、特許文献1に記載されるような水分供給装置を用いて液体水をアノード電極へ供給するとなると、ポンプなどを駆動する電気エネルギーが必要になると共に、装置の複雑化に伴い発電システム全体の大型化を招いたり、製造コストが増大するなどの問題点を生じるという問題点があった。 Furthermore, when liquid water is supplied to the anode electrode using a moisture supply device as described in Patent Document 1, electrical energy for driving a pump or the like is required, and the entire power generation system is increased with the complexity of the device. There has been a problem that it causes problems such as an increase in size and an increase in manufacturing cost.
また、固体高分子電解質膜の膜厚を薄くしたり、イオン交換容量を増大させたりなどにより、アノード電極側の水分不足を解消しようと試みた場合もまた、高電流密度での運転時においてアノード電極側の水分不足を解消するには不十分である上に、機械的強度の低下などの問題点が生じる。 In addition, when trying to eliminate the shortage of moisture on the anode electrode side by reducing the thickness of the solid polymer electrolyte membrane or increasing the ion exchange capacity, it is also possible to operate the anode during operation at a high current density. In addition to the insufficient moisture on the electrode side, there are problems such as a decrease in mechanical strength.
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、簡易な構成でアノード電極における水分不足を好適に抑制し、優れた発電性能を発揮させ得る燃料電池セル及び燃料電池スタックを提供することを目的としている。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and provides a fuel cell and a fuel cell stack capable of suitably suppressing moisture shortage in the anode electrode with a simple configuration and exhibiting excellent power generation performance. It is intended to provide.
この目的を達成するために、請求項1記載の燃料電池セルは、固体高分子電解質膜と、その固体高分子電解質膜の一方の面に当接し、アノード電極として機能する第1の触媒層と、前記固体高分子電解質膜の他方の面に当接し、カソード電極として機能する第2の触媒層とを備え、前記第1の触媒層へ供給される燃料ガスと前記第2の触媒層へ供給される酸化剤ガスとから水を生成する電気化学反応を利用して発電を行うものであって、前記第1の触媒層における前記固体高分子電解質膜と反対側に当接され、前記第1の触媒層へ供給する燃料ガスの流路となる多数の孔が形成され、燃料ガスと共に供給される液体水を前記第1の触媒層へ供給すべく親水性を有する燃料ガス流通部を備えている。 In order to achieve this object, a fuel cell according to claim 1 includes a solid polymer electrolyte membrane, and a first catalyst layer that abuts on one surface of the solid polymer electrolyte membrane and functions as an anode electrode. A second catalyst layer that contacts the other surface of the solid polymer electrolyte membrane and functions as a cathode electrode, and is supplied to the first catalyst layer and to the second catalyst layer Power generation is performed using an electrochemical reaction that generates water from the oxidant gas, and is brought into contact with the side opposite to the solid polymer electrolyte membrane in the first catalyst layer, A plurality of holes serving as flow paths for the fuel gas supplied to the catalyst layer, and a hydrophilic fuel gas circulation section for supplying liquid water supplied together with the fuel gas to the first catalyst layer. Yes.
請求項2記載の燃料電池セルは、請求項1記載の燃料電池セルにおいて、前記ガス流通部の内部から前記第1の触媒層まで連続した親水性領域が前記燃料ガスの流路に形成されている。 The fuel cell according to claim 2 is the fuel cell according to claim 1, wherein a hydrophilic region continuous from the inside of the gas flow part to the first catalyst layer is formed in the flow path of the fuel gas. Yes.
請求項3記載の燃料電池セルは、請求項1又は2に記載の燃料電池セルにおいて、前記燃料ガスと共に液体水を前記燃料ガス流通部へ供給する水供給手段を備え、前記水供給手段は、前記アノード電極の下方に設けられ、前記アノード電極から排出された水を貯蔵する水溜め部と、前記燃料ガス流通部に供給される燃料ガス流に臨んで配設され、前記水溜め部に貯蔵されている水を噴射する小孔と、を有している。 The fuel cell according to claim 3 is the fuel cell according to claim 1 or 2, further comprising water supply means for supplying liquid water together with the fuel gas to the fuel gas circulation part, A water reservoir provided below the anode electrode for storing water discharged from the anode electrode, and disposed facing the fuel gas flow supplied to the fuel gas circulation unit, and stored in the water reservoir A small hole for injecting water.
請求項4記載の燃料電池セルは、請求項1から3のいずれかに記載の燃料電池セルにおいて、前記燃料ガス流通部は、前記第1の触媒層に当接し、前記第1の触媒層と相互に連通する多数の細孔を有する細孔層を含み、前記細孔層は、導電性粒子とバインダーとを少なくとも含む材料から構成されるものであると共に、前記材料における一部が親水性を有し、残りが撥水性を有する。 The fuel cell according to claim 4 is the fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the fuel gas circulation portion is in contact with the first catalyst layer, Including a pore layer having a large number of pores communicating with each other, and the pore layer is made of a material containing at least conductive particles and a binder, and a part of the material is hydrophilic. And the remainder has water repellency.
請求項5記載の燃料電池セルは、請求項4記載の燃料電池セルにおいて燃料ガス流通部は、前記細孔層と、その細孔層に当接する導電性多孔体とから構成され、前記導電性多孔体は、その表面が親水性を有する。 The fuel cell according to claim 5 is the fuel cell according to claim 4, wherein the fuel gas flow part is composed of the pore layer and a conductive porous body in contact with the pore layer, and the conductivity The surface of the porous body is hydrophilic.
請求項6記載の燃料電池セルは、請求項5記載の燃料電池セルにおいて、前記導電性多孔体は、その表面が固体高分子電解質により被覆されていることを特徴とする請求項5記載の燃料電池セル。 6. The fuel cell according to claim 5, wherein the surface of the conductive porous body is covered with a solid polymer electrolyte. Battery cell.
請求項7記載の燃料電池セルは、請求項1から6のいずれかに記載の燃料電池セルにおいて、少なくとも、前記小孔の内周面は撥水性を有する。 The fuel cell according to claim 7 is the fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein at least the inner peripheral surface of the small hole has water repellency.
請求項8記載の燃料電池スタックは、請求項1から7のいずれかに記載の燃料電池セルを複数備え、前記複数のセルを電気的に直列接続することによって構成される。 A fuel cell stack according to an eighth aspect includes a plurality of fuel battery cells according to any one of the first to seventh aspects, and is configured by electrically connecting the plurality of cells in series.
請求項1記載の燃料電池セルによれば、第1の触媒層における固体高分子電解質膜と反対側には、導電性を有する燃料ガス流通部が当接されており、この燃料ガス流路部に形成されている多数の孔が燃料ガスの流路となり、燃料ガスはこれらの孔を流通して第1の触媒層へ供給される。 According to the fuel cell of the first aspect, the fuel gas flow section having conductivity is in contact with the first catalyst layer on the opposite side of the solid polymer electrolyte membrane, and the fuel gas flow path section. A large number of holes formed in the gas flow path of the fuel gas, and the fuel gas flows through these holes and is supplied to the first catalyst layer.
このように第1の触媒層へ燃料ガスを供給する一方で、固体高分子電解質膜における該第1の触媒層とは反対側の面に当接する第2の触媒層へ酸化剤ガスを供給することによって、第1の触媒層がアノード電極として機能し、第2の触媒層がカソード電極として機能し、燃料ガスと酸化剤ガスとから水を生成する電気化学反応が生じ、その結果として、電力を得ることができる。 In this way, while supplying the fuel gas to the first catalyst layer, the oxidant gas is supplied to the second catalyst layer in contact with the surface of the solid polymer electrolyte membrane opposite to the first catalyst layer. As a result, the first catalyst layer functions as an anode electrode, the second catalyst layer functions as a cathode electrode, and an electrochemical reaction that generates water from the fuel gas and the oxidant gas occurs. Can be obtained.
ここで、燃料ガス流通部は親水性を有するように構成されており、その親水性によって燃料ガスと共に供給される液体水を効率的に第1の触媒層へ供給することができる。よって、水分を乾燥し易いアノード電極側の第1の触媒層及び固体高分子電解質へ効率的に供給し、アノード電極側の水分不足による発電性能の劣化を有効に抑制できるという効果がある。 Here, the fuel gas circulation part is configured to have hydrophilicity, and the liquid water supplied together with the fuel gas can be efficiently supplied to the first catalyst layer due to the hydrophilicity. Therefore, there is an effect that moisture can be efficiently supplied to the first catalyst layer and the solid polymer electrolyte on the anode electrode side that are easily dried, and deterioration of power generation performance due to insufficient moisture on the anode electrode side can be effectively suppressed.
請求項2記載の燃料電池セルによれば、請求項1記載の燃料電池セルの奏する効果に加えて、次の効果を奏する。燃料ガスの流路には、ガス流通部の内部から第1の触媒層まで連続した親水性領域が形成されているので、燃料ガスと共に供給されて燃料ガスの流路を通過する液体水を、この連続する親水性領域により第1の触媒層へと誘導させることができる。よって、アノード電極側へ水分供給をより効率的に行い得るという効果がある。 According to the fuel cell of claim 2, in addition to the effect of the fuel cell of claim 1, the following effect is obtained. Since the hydrophilic region that is continuous from the inside of the gas circulation part to the first catalyst layer is formed in the flow path of the fuel gas, liquid water that is supplied together with the fuel gas and passes through the flow path of the fuel gas, This continuous hydrophilic region can be guided to the first catalyst layer. Therefore, there is an effect that moisture can be supplied more efficiently to the anode electrode side.
請求項3記載の燃料電池セルは、請求項1又は2に記載の燃料電池セルの奏する効果に加えて、次の効果を奏する。液体水は、水溜め部と小孔とを有する水供給手段によって燃料ガスと共に燃料ガス流通部へと供給される。 The fuel cell according to claim 3 has the following effect in addition to the effect of the fuel cell according to claim 1 or 2. The liquid water is supplied to the fuel gas circulation part together with the fuel gas by a water supply means having a water reservoir and a small hole.
ここで、水供給手段における水溜め部は、アノード電極の下方に設けられており、アノード電極から排出された水を該水溜め部に貯蔵することができる。また、水供給手段における小孔は、燃料ガス流通部に供給される燃料ガス流に臨んで配設されており、燃料ガス流を利用して、水溜め部に貯蔵されている液体水を、小孔から燃料ガス流通部へ向けて噴出させることができる。 Here, the water reservoir in the water supply means is provided below the anode electrode, and water discharged from the anode electrode can be stored in the water reservoir. Further, the small hole in the water supply means is arranged facing the fuel gas flow supplied to the fuel gas circulation part, and using the fuel gas flow, the liquid water stored in the water reservoir is It can be made to eject toward a fuel gas distribution part from a small hole.
よって、請求項3記載の燃料電池セルによれば、発電に必要な燃料ガスの流れを利用し、電気化学反応の結果としてアノード電極側に存在する余剰水をアノード電極側の加湿に再利用して、第1の触媒層及び固体高分子電解質膜へ供給することができる。 Therefore, according to the fuel cell of the third aspect, the flow of the fuel gas necessary for power generation is utilized, and the excess water present on the anode electrode side as a result of the electrochemical reaction is reused for humidification on the anode electrode side. Then, it can be supplied to the first catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane.
そのため、動力を要する水分供給装置を別途設けることなくアノード電極側へ水分を供給することができるので、発電システム全体の大型化や製造コストの増大などを招くことなく発電性能を向上させることができる上に、発電したエネルギーが駆動源として消費されることも回避できるという効果がある。 Therefore, since water can be supplied to the anode electrode side without providing a separate water supply device that requires power, the power generation performance can be improved without increasing the size of the entire power generation system or increasing the manufacturing cost. Moreover, there is an effect that it is possible to avoid that the generated energy is consumed as a drive source.
また、複数の燃料電池セルを電気的に直接接続して燃料電池スタックを構成した場合に、各燃料電池セルにおいてアノード電極側が好適に加湿されるので、一部の燃料電池セルにおけるドライアップ現象に起因する発電不能の発生を防止できるという効果がある。 Also, when a fuel cell stack is configured by electrically connecting a plurality of fuel cells directly, the anode electrode side is suitably humidified in each fuel cell, which may cause a dry-up phenomenon in some fuel cells. There is an effect that it is possible to prevent the occurrence of power generation failure.
また、アノード電極側の水分が不足しがちな高電流密度での運転時には、燃料ガスの流量(流速)も増加するので、その結果として、小孔からの水の噴出量も増大し、アノード電極側へのより多くの水分を供給することができるという効果がある。また、インピーダンス計測などのフィードバック制御機構を要することなく、アノード電極側(第1の触媒層及び固体高分子電解質)の水分を制御することができるという効果がある。 In addition, when operating at a high current density, where the moisture on the anode electrode side tends to be insufficient, the flow rate (flow velocity) of the fuel gas also increases. As a result, the amount of water ejected from the small holes also increases, and the anode electrode There is an effect that more water can be supplied to the side. In addition, there is an effect that moisture on the anode electrode side (first catalyst layer and solid polymer electrolyte) can be controlled without requiring a feedback control mechanism such as impedance measurement.
請求項4記載の燃料電池セルによれば、請求項1から3のいずれかに記載の燃料電池セルの奏する効果に加えて、次の効果を奏する。燃料ガス流通部は、第1の触媒層に当接し、第1の触媒層と相互に連通する多数の細孔を有する細孔層を含んでいる。ここで、この細孔層は、導電性粒子とバインダーとを含む材料から構成されるので、導電性粒子に起因する導電性を有している。 According to the fuel cell of claim 4, in addition to the effect of the fuel cell according to any of claims 1 to 3, the following effect is obtained. The fuel gas circulation part includes a pore layer having a large number of pores that are in contact with the first catalyst layer and communicate with each other. Here, since this pore layer is comprised from the material containing electroconductive particle and a binder, it has electroconductivity resulting from electroconductive particle.
また、導電性粒子とバインダーとを含む材料の一部が親水性を有し、残りが撥水性を有しているので、親水性の材料(例えば、親水性の導電性粒子及び/又は親水性のバインダー)に起因する親水性領域と、撥水性の材料(例えば、撥水性の導電性粒子及び/又は撥水性のバインダー)に起因する撥水性領域とを、細孔層の内部に形成することができる。 In addition, since part of the material including the conductive particles and the binder has hydrophilicity and the rest has water repellency, the hydrophilic material (for example, hydrophilic conductive particles and / or hydrophilicity) Forming a hydrophilic region caused by a water-repellent material and a water-repellent region caused by a water-repellent material (for example, water-repellent conductive particles and / or water-repellent binder) inside the pore layer. Can do.
なお、「親水性の導電性粒子」としては、例えば、種々の処理によって表面に親水性が付与された導電性粒子(例えば、親水性材料が表面に被覆された導電性粒子や、親水性処理が表面に施されている導電性粒子など)や、親水性材料から形成されていることによりその表面が予め親水性を有する導電性粒子などが含まれる。 Examples of the “hydrophilic conductive particles” include, for example, conductive particles whose surfaces are rendered hydrophilic by various treatments (for example, conductive particles whose surfaces are coated with a hydrophilic material, hydrophilic treatments) , Etc.) and conductive particles whose surface is hydrophilic in advance because of being formed from a hydrophilic material.
よって、燃料ガスと共に供給される水(小孔を介して水溜め部から供給される水)を、親水性領域を経由させて第1の触媒層及び固体高分子電解質膜へ供給し易くすることができるので、発電性能を向上させることができるという効果がある。 Therefore, water supplied together with the fuel gas (water supplied from the water reservoir through the small holes) can be easily supplied to the first catalyst layer and the solid polymer electrolyte membrane via the hydrophilic region. Therefore, there is an effect that the power generation performance can be improved.
また、細孔層内の水は、撥水性領域に比べて親水性領域を優先的に通過するので、水の流路と燃料ガスの流路とを分離し易く、水による燃料ガス流路の閉塞を防止できるという効果がある。 Further, water in the pore layer preferentially passes through the hydrophilic region as compared with the water-repellent region, so that it is easy to separate the water channel and the fuel gas channel, and the water fuel gas channel There is an effect that blockage can be prevented.
請求項5記載の燃料電池セルによれば、請求項4記載の燃料電池セルの奏する効果に加えて、次の効果を奏する。燃料ガス流通部は、細孔層に加え、その細孔層に当接し、その表面に親水性を有する導電性多孔体を含むので、燃料ガスと共に供給された液体水(例えば、小孔を介して水溜め部から供給された液体水)を、導電性多孔体から細孔層へ好適に移動させることができ、その結果として、水が触媒層及び固体高分子電解質へ好適に供給されることとなる。よって、発電性能を向上させることができるという効果がある。 According to the fuel cell of claim 5, in addition to the effect of the fuel cell of claim 4, the following effect is obtained. In addition to the pore layer, the fuel gas circulation section includes a conductive porous body that is in contact with the pore layer and has hydrophilicity on the surface thereof. Therefore, the liquid water supplied together with the fuel gas (for example, through a small pore) Liquid water supplied from the water reservoir) can be suitably moved from the conductive porous body to the pore layer, and as a result, water is suitably supplied to the catalyst layer and the solid polymer electrolyte. It becomes. Therefore, there is an effect that power generation performance can be improved.
なお、請求項5において、「表面が親水性を有する導電性多孔体」としては、例えば、親水性材料から形成されていることによりその表面に親水性が付与されている導電性多孔体や、表面が親水性材料(例えば、固体高分子電解質)によって被覆された導電性多孔体や、親水性処理(酸化処理やアルカリ処理など)が表面に施されている導電性多孔体などが含まれる。 In addition, in claim 5, as the “conductive porous body having a hydrophilic surface”, for example, a conductive porous body whose surface is made hydrophilic by being formed of a hydrophilic material, Examples thereof include a conductive porous body whose surface is coated with a hydrophilic material (for example, a solid polymer electrolyte), and a conductive porous body whose surface is subjected to a hydrophilic treatment (such as an oxidation treatment or an alkali treatment).
請求項6記載の燃料電池セルによれば、請求項5記載の燃料電池セルの奏する効果に加えて、次の効果を奏する。導電性多孔体の表面は、固体高分子電解質により被覆されているので、導電性多孔体の表面にさらなる親水性が付与されることとなり、燃料ガスと共に供給された液体水(例えば、小孔を介して水溜め部から供給された液体水)を、より好適に第1の触媒層へ移動させることができ、その結果として、発電性能を好適に向上させ得るという効果がある。 According to the fuel cell of claim 6, in addition to the effect of the fuel cell of claim 5, the following effect is obtained. Since the surface of the conductive porous body is coated with the solid polymer electrolyte, further hydrophilicity is imparted to the surface of the conductive porous body, and liquid water (for example, small pores) supplied together with the fuel gas is provided. The liquid water supplied from the water reservoir through the first catalyst layer can be more suitably moved to the first catalyst layer, and as a result, the power generation performance can be preferably improved.
請求項7記載の燃料電池セルによれば、請求項1から6のいずれかに記載の燃料電池セルにおいて、少なくとも、小孔の内周面が撥水性を有するので、運転が停止された場合、即ち、燃料ガスの流量(流速)がゼロとなる場合に、水溜り部に貯蔵されている液体水が流れ出すことを防止することができるという効果がある。 According to the fuel cell of claim 7, in the fuel cell according to any one of claims 1 to 6, at least the inner peripheral surface of the small hole has water repellency, so when the operation is stopped, That is, there is an effect that it is possible to prevent the liquid water stored in the water reservoir from flowing out when the flow rate (flow velocity) of the fuel gas becomes zero.
請求項8記載の燃料電池スタックによれば、請求項1から7のいずれかに記載の燃料電池セルが電気的に直列接続されて構成されているので、請求項1から7のいずれかに記載の燃料電池セルが奏する効果と同様の効果を奏する。 According to the fuel cell stack of claim 8, since the fuel cells according to any one of claims 1 to 7 are configured to be electrically connected in series, the fuel cell stack according to any one of claims 1 to 7. The effect similar to the effect which the fuel cell of this invention produces | generates is show | played.
以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照して説明する。図1は、本発明の第1実施形態における燃料電池セル10を有する燃料電池スタック50を模式的に示す斜視図である。図1に示すように、燃料電池スタック50は、後述する燃料電池セル10の複数個が矢印X−X方向に積層された積層体である。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a perspective view schematically showing a
燃料電池スタック50において、隣接する燃料電池セル10は、一方の燃料電池セル10における導電性のカソード側セパレータ11(図2参照)と、他方の燃料電池セル10における導電性のアノード側セパレータ12(図2参照)との接触によって、電気的に直列接続されている。
In the
本実施形態の燃料電池スタック50において、図1における最も手前側に位置する燃料電池セル10の露出表面には、アノード側セパレータ12(図2参照)の酸化剤ガス流路12c(図2参照)に連通する酸化剤ガス供給口50aが開口されており、各燃料電池セル10のカソード電極13(図4(b)参照)へ供給される酸化剤ガスは、この酸化剤ガス供給口50aから燃料電池スタック50内部へ供給される。
In the
また、図1に示す燃料電池スタック50における最も手前側に位置する燃料電池セル10の露出表面には、アノード側セパレータ12(図2参照)の燃料ガス流路12a(図2参照)に連通する燃料ガス供給口50bが開口されており、各燃料電池セル10のアノード電極14(図4(b)参照)へ供給される燃料ガスは、この燃料ガス供給口50bから燃料電池スタック50内部へ供給される。
Further, the exposed surface of the
一方で、図1に示す燃料電池スタック50における最も奥側に位置する燃料電池セル10の露出表面には、カソード側セパレータ11(図2参照)の燃料ガス流路11b(図2参照)に連通する燃料ガス排出口50c(図1では燃料電池スタック50の裏面側となるため、手前側に隠れ線により図示)が開口されている。燃料ガス供給口50bから燃料電池スタック50の内部へ供給された燃料ガスは、最終的に、この燃料ガス排出口50cから排出される。
On the other hand, the exposed surface of the
よって、酸化剤ガス供給口50a及び燃料ガス供給口50bから、それぞれ、酸化剤ガス及び燃料ガスを燃料電池スタック50の内部へ供給することにより、各燃料電池セル10を発電させることができ、その結果として、燃料電池スタック50から直流電流を取り出すことができる。燃料電池スタック50には、上部に集電端子50d,50eが設けられており、各燃料電池セル10の発電の結果生じた電流は、これらの集電端子50d,50eから直流電流として取り出すことができる。
Therefore, each
次に、図2から図5を参照して、燃料電池スタック50を構成する本実施形態の燃料電池セル10について具体的に説明する。図2は、燃料電池セル10の分解斜視図である。なお、図2を説明する上で、矢印U側を「上」、矢印D側を「下」、矢印R側を「右」、矢印L側を「左」として説明する。
Next, with reference to FIGS. 2 to 5, the
図2に示すように、燃料電池セル10は、アノード側セパレータ12と、インナーマニホールド21と、インナーマニホールド21に装着される支持板18と、後述する多孔体流路付き電極アセンブリ(以下、「多孔体流路付きMEA」と称する)30と、カソード側セパレータ11とが、この順で積層された積層体である。
As shown in FIG. 2, the
アノード側セパレータ12及びカソード側セパレータ11は、いずれも、導電性のプレートとして構成される。ここで、カソード側セパレータ11の上側には、酸化剤ガスを流入し、カソード電極13(図4(b)参照)へ供給する酸化剤ガス流路11aが断面略矩形に貫通形成されている。
Both the
また、カソード側セパレータ11の右下側には、アノード電極14(図4(b)参照)へ供給する燃料ガスを流入する燃料ガス流路11bが穿孔されており、カソード側セパレータ11の左上側には、隣接する燃料電池セル10から排出された燃料ガスの排出経路となる燃料ガス流路11cが穿孔されている。
In addition, a
一方、アノード側セパレータ12の上側には、酸化剤ガスを隣接する燃料電池セル10へ供給する酸化剤ガス流路12cが酸化剤ガス流路11aより小さい断面略矩形に貫通形成されている。
On the other hand, an oxidant
また、アノード側セパレータ12の左上側には、アノード電極14(図4(b)参照)から排出された燃料ガスの排出経路となる燃料ガス流路12bが穿孔されており、アノード側セパレータ12の右下側には、燃料ガスを隣接する燃料電池セル10へ供給する燃料ガス流路12aが穿孔されている。
A fuel
インナーマニホールド21は、燃料電池セル10の内部を流通する燃料ガスの流路が形成された樹脂製の部材であり、ポリエチレンやポリプロピレンなどの撥水性を有する樹脂から構成されることが好ましい。ここで、図2と合わせて図3を参照しつつ、インナーマニホールド21の構成について説明する。図3(a)は、図2に示すインナーマニホールド21のZ−Z線における断面を矢印IIIa方向から見た場合の断面図であり、図3(b)は、図2に示すインナーマニホールド21における裏面側の斜視図である。
The
なお、図3(a)において、インナーマニホールド21における一方の燃料ガス流路21bを仮想線によって図示し、他方の燃料ガス流路21cを隠れ線によって図示している。なお、図3に示す矢印は、図2に対応する方向を示す。即ち、矢印U側は「上」、矢印D側は「下」、矢印R側は「右」、矢印L側は「左」を示す。
In FIG. 3A, one
このインナーマニホールド21は、凹部21kと窓部21gとを有しており、これらの凹部21k及び窓部21gに多孔体流路付きMEA30を収容可能に構成されている。具体的には、図3(a)及び図3(b)に示すように、インナーマニホールド21には、その片面側における酸化剤ガス流路21a及び燃料ガス流路21b,21cより面方向内側に、多孔体流路付きMEA30におけるカソード電極13及び固体高分子電解質15に対応する形状の凹部21kが厚さ方向に凹設されている。なお、凹部21kは、図3(a)及び図3(b)に示すように、インナーマニホールド21の下側端面(図3(b)における矢印D側の端面)の側が開放された凹部として形成されている。また、インナーマニホールド21には、凹部21kの底面から厚さ方向に多孔体流路付きMEA30におけるアノード電極14に対応する形状の窓部21gが貫通形成されている。
The
また、図2、図3(a)及び図3(b)に示すように、インナーマニホールド21には、カソード側セパレータ11の酸化剤ガス流路11a及びアノード側セパレータ12の酸化剤ガス流路12cに対応する位置に、これらの流路11a,12cと連通する酸化剤ガス流路21aが貫通形成されている。なお、この酸化剤ガス経路21aは、酸化剤ガス流路11aより小さく、酸化剤ガス流路12cと略同一の断面矩形状とされている。
As shown in FIGS. 2, 3 (a) and 3 (b), the
また、図2及び図3(b)に示すように、インナーマニホールド21には、カソード側セパレータ11の燃料ガス流路11b及びアノード側セパレータ12の燃料ガス流路12aに対応する位置に、これらの流路11b,12aと連通する燃料ガス流路21bが穿孔されている。
Further, as shown in FIGS. 2 and 3B, the
さらに、図2及び図3(b)に示すように、インナーマニホールド21には、カソード側セパレータ11の燃料ガス流路11c及びアノード側セパレータ12の燃料ガス流路12bに対応する位置に、これらの流路11c,12bと連通する燃料ガス流路21cが穿孔されている。
Further, as shown in FIG. 2 and FIG. 3 (b), the
また、図2及び図3(a)に示すように、インナーマニホールド21における凹部21kと反対側の面には、燃料ガス流路21bに連通する溝部21dと、その溝部21dから窓部21gの下側の開口端面まで延びる溝部21eとが形成されている。詳細は後述するが、燃料電池セル10において、燃料ガス流路21bから流入された燃料ガスは、これらの溝部21d,21eを流通し、アノード電極14へ供給される。
Further, as shown in FIGS. 2 and 3 (a), on the surface of the
一方で、図2及び図3(a)に示すように、インナーマニホールド21における凹部21kと反対側の面には、燃料ガス流路21cに連通すると共に、窓部21gの上側の開口端面に重なりつつ延びる溝部21hが形成されている。詳細は後述するが、燃料電池セル10において、アノード電極14から排出する燃料ガスは、窓部21gの上側の端面の側から溝部21hへ流入し、溝部21h及び燃料ガス流路21c,11cを経て、最終的に燃料ガス排出口50cから排出される。
On the other hand, as shown in FIGS. 2 and 3 (a), the surface of the
さらに、図3(a)及び図3(b)に示すように、インナーマニホールド21には、凹部21kの底面には、窓部21gより下方側(図3(b)における矢印D側)に、窓部21gの開口端面側が開放された凹部21iと、凹部21iより浅い凹部21mとがそれぞれ厚さ方向に凹設されている。なお、凹部21mは、支持板18に対応する形状に凹設されている。燃料電池セル10の構成時には、支持板18が凹部21mに装着され、凹部21iと支持板18とから、窓部21iの開口端面側に開口を有する水溜め部40が形成される。
Further, as shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b), the
また、図2、図3(a)及び図3(b)に示すように、インナーマニホールド21の溝部21eには、凹部21iの下方位置にて連通するピンホール21fが穿孔されている。かかるピンホール21fは、溝部21eを燃料ガスが流通すると、その流れによって内部の圧力が低下するので、水溜め部40に液体水W(図4及び図5参照)が貯留(貯蔵)されている場合には、その液体水Wをピンホール21fから吸い上げて、燃料ガスの流れによってアノード電極14へ向けて噴出させることができる。
As shown in FIGS. 2, 3A and 3B, a
上述したように、インナーマニホールド21は、撥水性を有する樹脂から構成されているので、ピンホール21fの内周面もまた撥水性に構成されている。よって、溝部21eを流通する燃料ガスの流量が減じた場合(特に、流量がゼロになった場合)であっても、水溜め部40に貯留されている液体水の流出が毛管排除圧によって防止される。
As described above, since the
なお、このピンホール21fの直径は、溝部21eを流通する燃料ガスの流量が減じた場合(特に、流量がゼロになった場合)であっても、水溜め部40に貯留された液体水Wがピンホール21fから流出しない径とされている。
Note that the diameter of the
ここで、毛管圧hと毛管半径rとの関係を示す以下の式(I)を用いて、溝部21eを流通する燃料ガスの流量が減じた場合であっても液体水Wが流出しないピンホール21fの直径を考慮する。
Here, a pinhole in which the liquid water W does not flow out even when the flow rate of the fuel gas flowing through the
h=2Tcosθ/(ρgr) …(I)
h:毛管圧[mAq],T:液体の表面張力[N/m],θ:接触角[度],
ρ:液体の密度[kg/m3],g:重力加速度[m/s2],
r:毛管の内径(半径)[m]
h = 2T cos θ / (ρgr) (I)
h: capillary pressure [mAq], T: surface tension of liquid [N / m], θ: contact angle [degree],
ρ: density of liquid [kg / m 3 ], g: acceleration of gravity [m / s 2 ],
r: inner diameter (radius) of the capillary [m]
水溜め部40に貯留される液体水Wによってピンホール21fが受ける水圧(即ち、ピンホール21fの中心から、液体水Wの水面までの高さ)hが0.01〜0.05[mAq]程度である場合に、ピンホール21fの内周壁の接触角θが、ポリエチレンやポリプロピレンのような撥水性樹脂が示す95〜105[度]程度であり、表面張力T及び密度ρに影響する環境温度を10〜80[℃]であるという条件下では、ピンホール21fから液体水Wが流出しないためのピンホール21fの直径(2r)は、0.04〜0.8[mm]程度が必要であると算出される。
The water pressure (that is, the height from the center of the
また、図2に示すように、多孔体流路付きMEA30は、固体高分子電解質膜15と、その固体高分子電解質膜15の片面に配設され、固体高分子電解質膜15と略同一の形状を有するカソード電極13と、固体高分子電解質膜15におけるカソード電極13とは反対側の面に配設され、固体高分子電解質膜15及びカソード電極14より小さく構成されるアノード電極13とから構成される積層体である。
As shown in FIG. 2, the
この多孔体流路付きMEA30は、インナーマニホールド21の凹部21mに支持板18を装着した上で、多孔体流路付きMEA30のアノード電極14を窓部21gに緩挿して、固体高分子電解質膜15を凹部21kの底面に当接させ、この当接部を接着(シール)することによって、インナーマニホールド21に収容される。
In the
そして、多孔体流路付きMEA30が収容されたインナーマニホールド21におけるカソード電極13側にカソード側セパレータ11を配置し、他方の側にアノード側セパレータ12を配置し、これらのセパレータ11,12でインナーマニホールド21を挟持することによって、燃料電池セル10が構成される。
The cathode separator 11 is disposed on the
図4(a)は、図2の矢印IVa方向から見た、即ち、アノード側セパレータ12の側から見た燃料電池セル10の平面図であり、図4(b)は、図4(a)におけるIVb−IVb線における燃料電池セル10の断面図である。また、図5は、図4(b)におけるE部の拡大図である。
4A is a plan view of the
なお、理解を容易にするために、図4(a)において、アノード側セパレータ12の裏面側(紙面裏側)に隠れた構造の一部(酸化剤ガス流路11a,溝部21d,21e,21h、窓部21g、ピンホール21f)を隠れ線によって図示すると共に、図4(b)において、カソード側セパレータ11の燃料ガス流路11bとアノード側セパレータ12の燃料ガス流路12aとを仮想線によって図示し、カソード側セパレータ11の燃料ガス流路11cを隠れ線によって図示している。
In order to facilitate understanding, in FIG. 4A, a part of the structure (oxidant gas flow path 11a,
多孔体流路付きMEA30は、上述の通り、固体高分子電解質膜15と、その固体高分子電解質15の片面に配設され、固体高分子電解質カソード電極13及びアノード電極14とから構成される積層体である。ここで、固体高分子電解質膜15としては、例えば、Nafion(登録商標:デュポン社製)やAciplex(登録商標:旭化成(株)製)など、固体高分子型燃料電池に適用可能な固体高分子電解質膜を使用することができる。
As described above, the
カソード電極13は、図4(b)に示すように、板状の多孔体13aと、その多孔体13aの片面に配設された細孔層(MPL)13bと、その細孔層13bにおける多孔体13aとは反対側の面に配設された触媒層13cとが一体的に形成されたものである。
As shown in FIG. 4B, the
また、アノード電極14は、大きさ(面積)以外、上述したカソード電極13と同様に構成されている。即ち、アノード電極14もまた、図4(b)に示すように、板状の多孔体14aと、その多孔体14aの片面に配設された細孔層(MPL)14bと、その細孔層14bにおける多孔体14aとは反対側の面に配設された触媒層14cとが一体的に形成されたものである。
The
触媒層13c,14cは、例えば、カーボン粒子にプラチナなどの触媒が担持された触媒担持カーボンと電解質とを含んで構成された触媒層を採用することができる。図4(b)に示すように、カソード電極13は、触媒層13cを固体高分子電解質膜15に当接させて配置され、その一方で、アノード電極14は、触媒層14cを固体高分子電解質膜15に当接させて配置されており、これらの触媒層13c,14cが、酸素と水素との電気化学反応を促進する。
As the catalyst layers 13c and 14c, for example, a catalyst layer including a catalyst-supporting carbon in which a catalyst such as platinum is supported on carbon particles and an electrolyte can be employed. As shown in FIG. 4B, the
多孔体13a,14aは、導電性を有すると共に、相互に連通する多くの空孔(例えば、最小内径が10μm〜500μm程度の空孔)を有する。かかる多孔体13a,14aは、三次元の網目状に形成された網材や、連続気泡が形成された発泡材から構成することができる。ここで、例えば、繊維からなる網材を多孔体として採用する場合には、網材が導電性を有する必要性から導電性の繊維が使用される。導電性の繊維としては、例えば、チタン、SUS、タンタル、ハステロイなどの耐食性及び導電性を有する金属繊維や、ニッケル、カーボンなどの繊維を使用することができる。なお、網材は織布であっても不織布であってもよい。
The
このように、本実施形態では、相互の連通する多くの空孔を有する多孔体13a,14aが電極13,14に採用されているので、かかる空孔が、酸化剤ガス(本実施形態では、空気)や燃料ガス(本実施形態では、水素)の流路の一部として機能する。即ち、本実施形態のカソード電極13は、カソード電極としての機能と、気体流路(酸化剤ガス流路)としての機能との両方を兼ね備えている。同様に、本実施形態のアノード電極14は、アノード電極としての機能と、気体流路(燃料ガス流路)としての機能との両方を兼ね備えている。
Thus, in this embodiment, since the
また、多孔体13a,14aとしては、導電性と共に親水性を有することが、反応により生成した水を多孔体13a,14aの厚さ方向に拡散させることができるので、液体水によって孔が閉塞されることを防止できるので好ましい。なお、本実施形態では、多孔体13a,14aとして、親水的なチタン繊維からなる網材(チタン繊維焼結板)を採用する。
Moreover, since the
特に、アノード電極14の多孔体14aは、その表面を親水的に構成することにより、加湿目的で供給された水(水蒸気,液体水)が、厚さ方向へ容易に拡散されて、触媒層14c及び固体高分子電解質膜15側へ移動し易くなる、即ち、加湿目的で供給された水を容易に触媒層14c及び固体高分子電解質膜15側へ到達させることができるという利点も有する。
In particular, the
また、アノード電極14の多孔体14aは、固体高分子電解質(例えば、Nafion(登録商標:デュポン社製)など)の溶液に浸漬後、乾燥させ、親水性である固体高分子電解質膜を被覆することができる。また、その他にも、金属酸化物などの親水性材料を表面に被覆したりか、又は、表面酸化処理などの親水性処理を表面に施すことにより、その表面にさらに親水性を付与することができる。アノード電極14の多孔体14aの表面にさらなる親水性を付与することにより、加湿目的で供給された水をより確実に触媒層14c及び固体高分子電解質膜15側へ到達させ得る。なお、多孔体14aの表面を親水性材料により被覆する場合には、多孔体14aの導電性が保持されるよう、薄膜で被覆することが好ましい。
The
本実施形態では、アノード電極14の多孔体14aとして、表面が固体高分子電解質(Nafion(登録商標:デュポン社製))によって4〜5mg/cm2程度の塗布量で被覆され、さらに親水性を向上させたチタン繊維焼結板を使用した。
In this embodiment, as the
細孔層13b,14bは、導電性を有すると共に、相互に連通する多くの空孔を有する。なお、細孔層13b,14bにおける空孔は、上述した多孔体13a,14aの空孔より小さい細孔(例えば、最小内径が0.01μm〜数μm程度であり、ピークが2μm程度より小さい空孔)である。また、細孔層13b,14bには、触媒は含まれていない。また、かかる細孔層13b,14bは、例えば、200μm以下の厚さで形成される。
The pore layers 13b and 14b are conductive and have many holes communicating with each other. The pores in the pore layers 13b and 14b are smaller than the pores of the
細孔層13b,14bは、多孔体13a,14aを流通するガス(酸化剤ガス、燃料ガス)を触媒層13c,14cへ供給する気体流路としての機能と、触媒層13c、14cと多孔体13a,14aとの間における電子伝達を容易にする機能と、触媒層13c,14c内の水を細孔層13b,14bへ移動させて、適度に触媒層を保水しつつ余剰水を系外に排出し、水によって触媒層13c,14cでの電気化学反応が阻害されることを抑制する機能とを担う。
The pore layers 13b and 14b function as gas passages for supplying gas (oxidant gas, fuel gas) flowing through the
細孔層13b,14bは、カーボン粒子などの導電性粒子とバインダーとを含んで構成されるが、バインダーとして、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン(Polytetrafluoroethylene))や、ポリエチレンや、ポリプロピレンなどの撥水性材料を用いることにより、細孔層13b,14bに撥水性を付与することができる。細孔層13b,14bが撥水性を有することにより、細孔層13b,14b内に移動した水を細孔層13b,14bから排出し易くなるので、発電密度が向上するので好ましい。 The pore layers 13b and 14b include conductive particles such as carbon particles and a binder, and the binder is a water repellent material such as PTFE (Polytetrafluoroethylene), polyethylene, or polypropylene. By using, water repellency can be imparted to the pore layers 13b and 14b. Since the pore layers 13b and 14b have water repellency, water that has moved into the pore layers 13b and 14b can be easily discharged from the pore layers 13b and 14b, which is preferable because the power generation density is improved.
本実施形態では、細孔層13b,14bとして、例えば、導電性粒子(例えば、カーボンブラックなどのカーボン粒子)と、バインダーであるPTFEとから構成される細孔層を採用した。 In the present embodiment, as the pore layers 13b and 14b, for example, pore layers composed of conductive particles (for example, carbon particles such as carbon black) and PTFE as a binder are employed.
ただし、アノード電極14の細孔層14bは、カーボン粒子として、親水性が付与された導電性粒子を使用した。親水性が付与された導電性粒子としては、例えば、固体高分子電解質であるNafion(登録商標:デュポン社製)によって表面が被覆されたカーボンブラックや、表面酸化処理を施したカーボンブラックなどを採用できる。
However, the
このように、アノード電極14の細孔層14bは、親水性が付与された導電性粒子とPTFEとを含んで構成されるので、かかる細孔層14b内には、親水性が付与された導電性粒子に起因する厚さ方向に実質的に連続する親水性領域と、PTFEに起因する撥水性領域とが形成される。
Thus, since the
よって、アノード電極14の細孔層14bは、加湿目的で多孔体14a側から供給された水(水蒸気,液体水)を、触媒層14c及び固体高分子電解質膜15へ容易に移動させて、触媒層14c及び固体高分子電解質膜15における水分不足の状態発生を抑制する機能も有する。
Therefore, the
また、細孔層14bは、その内部に、撥水性であるPTFEに起因して形成される撥水性領域が形成されている。細孔層14b内の水は、撥水性領域に比べて親水性領域を優先的に通過するので、水の流路と燃料ガスの流路とが分離され易く、水による撥水性領域の閉塞が防止され、その結果として、ガス流路の閉塞が防止される。
In addition, the
なお、アノード電極14の細孔層14bが、親水性が付与された導電性粒子と撥水性のバインダー(例えば、PTFE)とに加え、ポリメチルメタクリレート(PMMA)やポリカーボネートなどの親水性のバインダーを含んで構成されていてもよい。親水性のバインダーを用いることにより、親水性バインダーによって親水性領域を形成できると共に、親水性が付与された導電性粒子の分散が補助される。
The
図4(a)及び(b)に示すように、酸化剤ガスは、アノード側セパレータ12の酸化剤ガス流路12cから燃料電池セル10内へ流入する。酸化剤ガス流路12cから流入した酸化剤ガスは、その一部が、酸化剤ガス流路21a及び酸化剤ガス流路11aを経て、隣接する燃料電池セル10に供給されると共に、残りが、カソード電極13の多孔体13aに供給される。
As shown in FIGS. 4A and 4B, the oxidant gas flows into the
一方で、カソード電極13の多孔体13aに供給された酸化剤ガスは、多孔体13aの空孔を矢印Aの方向に流通し、一部が触媒層13cにて反応に使用されると共に、反応に使用されなかった残りの酸化剤ガスがカソード電極13における下端から排出される。また、反応時にカソード電極14で生成した水もまた、カソード電極13における下端から排出される。
On the other hand, the oxidant gas supplied to the
また、図4(a)及び(b)に示すように、燃料ガスは、アノード側セパレータ12の燃料ガス流路12aから燃料電池セル10内へ流入する。燃料ガス流路12aから流入した燃料ガスは、その一部が、ガス流路21b(図2参照)及び燃料ガス流路11bを経て、隣接する燃料電池セル10に供給される。
Further, as shown in FIGS. 4A and 4B, the fuel gas flows into the
燃料ガス流路12aから流入した燃料ガスの残りは、燃料ガス流路21b及び溝部21dを経て、溝部21eを矢印B1の方向に流通し、窓部21gの下側の開口端面に形成された開口から、アノード電極14の多孔体14aに供給される。
The remainder of the fuel gas flowing in from the
一方で、アノード電極14の多孔体14aに供給された燃料ガスは、多孔体14aの空孔を矢印B2の方向に流通し、一部が触媒層14cにて反応に使用されると共に、反応に使用されなかった残りの燃料ガスが、溝部21h及び燃料ガス流路21c(図2参照)を経て、燃料ガス流路11cから排出される。
On the other hand, the fuel gas supplied to the
また、アノード電極14に存在する余剰の液体水は、アノード電極14の下端から排出され、アノード電極14の下方に開口された水溜め部40が受け、水溜め部40の内部空間に液体水Wとして貯留することができる。
Excess liquid water present in the
図5に示すように、水溜め部40に液体水Wが貯留された状態で、燃料ガスが溝部21eを矢印B1の方向に流通すると、その流れによって、水溜め部40に貯留されている液体水Wがピンホール21fから吸い出され、燃料ガスの流れ(矢印B1)によって上方へ噴出される。このように、本実施形態の燃料電池セル10の構成によれば、水溜め部40に貯留された液体水Wを、発電に利用する燃料ガスの流れを利用して、アノード電極14に供給することができるのである。
As shown in FIG. 5, when the liquid water W is stored in the
ここで、以下の式(II)を用いて、ピンホール21fから液体水Wを流出させるのに必要な燃料ガスの流速UHについて考慮する。なお、式(II)は、溝部21eを通過する燃料ガスの流速がUHであるときにピンホール21fが受ける圧力をPa[N/m2]とし、水溜め部40内の流速がゼロであると仮定したとき、水溜め部40内のガス圧力(水溜め部40の気相圧力)をPb[N/m2]とするモデルに対し、ベルヌーイの定理を展開したものである。
Here, using the following Formula (II), consider the flow velocity U H of the fuel gas required from the
UH=√{2(Pb−Pa)/ρH} …(II)
UH:燃料ガス流速[m/s]
ρH:燃料ガス密度[kg/m3]
U H = √ {2 (Pb−Pa) / ρ H } (II)
U H : Fuel gas flow velocity [m / s]
ρ H : fuel gas density [kg / m 3 ]
ここで、(Pb−Pa)は、N/m2単位の毛管圧に相当するので、式(II)は、以下の式(III)として取り扱うことができる。 Here, since (Pb-Pa) corresponds to the capillary pressure of N / m 2 unit, the formula (II) can be handled as the following formula (III).
UH=√{2(h’)/ρH} …(III)
h’:毛管圧[N/m2]
U H = √ {2 (h ′) / ρ H } (III)
h ′: Capillary pressure [N / m 2 ]
毛管圧が0.01〜0.05[mAq]程度であり、燃料ガスとして水素ガスを使用した場合に、水素密度ρHに影響する環境温度を10〜80[℃]であるという条件下では、ピンホール21fから液体水Wを流出させるのに必要な燃料ガス(水素ガス)の流速UHとして、40〜120[m/s]程度が必要であると算出される。
When the capillary pressure is about 0.01 to 0.05 [mAq] and hydrogen gas is used as the fuel gas, the environmental temperature affecting the hydrogen density ρ H is 10 to 80 [° C.]. It is calculated that about 40 to 120 [m / s] is required as the flow rate U H of the fuel gas (hydrogen gas) necessary for flowing the liquid water W out of the
なお、10〜80[℃]の環境温度において、燃料電池セル10を1[A/cm2]の電流密度で運転するのに必要な消費水素量VHは、ファラデーの法則より、1.0112〜1.2614[L/min]程度であるので、上述した必要燃料ガス流速UHが40〜120[m/s]を流通させるための流路断面積は、0.1〜0.4mm2程度であると算出される。
Note that the amount of hydrogen consumption V H required to operate the
以上説明したように、本実施形態の燃料電池セル10によれば、アノード電極14の下方には、アノード電極14の下端に対向する開口を有する水溜め部40が形成されており、アノード電極14の下端から重力によって落下する余剰水を水溜め部40に貯留することができる。
As described above, according to the
水溜め部40には、燃料ガスの流路となる溝部21eに連通するピンホール21fが形成されているので、溝部21eに十分な流速で燃料ガスを流通させることによって、水溜め部40の内部に貯留されている液体水Wがピンホール21fから吸い出され、燃料ガスの流れによって、アノード電極14へ向けて噴出される。
Since the
このように、本実施形態の燃料電池セル10の構成によれば、水溜め部40に貯留された液体水Wを、発電に利用する燃料ガスの流れを利用して、アノード電極14に供給することができる。
Thus, according to the configuration of the
また、本実施形態の燃料電池セル10によれば、アノード電極14における多孔体14aが、親水性のチタン繊維から構成されている上に、表面に固体高分子電解質による薄膜が被覆されたことにより、表面にさらなる親水性が付与されている。よって、かかる多孔体14aは、ピンホール21fから噴出された液体水を、その厚さ方向に容易に拡散することができ、その結果として、かかる液体水を細孔層14bへ確実に移動させ得る。
Further, according to the
さらに、本実施形態の燃料電池セル10によれば、アノード電極14における細孔層14bが、親水性が付与された導電性粒子と撥水性のバインダーであるPTFEとを含んで構成されるので、かかる細孔層14b内には、親水性が付与された導電性粒子に起因する親水性領域が形成され、多孔体14aから移動してきた液体水を、かかる親水性領域を経由させて触媒層14c及び固体高分子電解質15へ容易に供給することができる。
Furthermore, according to the
その一方で、細孔層14b内には、撥水性のバインダーに起因して形成される撥水性領域も形成されている。細孔層14b内の水は、撥水性領域に比べて親水性領域を優先的に通過するので、水の流路と燃料ガスの流路とが分離され易い。よって、撥水性領域が水によって閉塞されてガス流路が閉塞されることを防止できると共に、触媒層14cへのガス供給性も確保される。
On the other hand, a water-repellent region formed due to the water-repellent binder is also formed in the
このように、本実施形態の燃料電池セル10によれば、アノード電極14の多孔体14a及び細孔層14bは、いずれも、その表面(少なくとも一部の表面)に付与された親水性によって、厚さ方向に触媒層14cへ実質的に連続する親水性領域(親水性経路)が形成されている。
As described above, according to the
そのため、かかる親水性領域の存在によって、ピンホール21fからアノード電極14(特に、多孔体14a)へ向けて噴出された液体水を、触媒層14c及び固体高分子電解質15へ効率的に供給することができる。従って、本実施形態の燃料電池セル10によれば、水分不足に陥り易い触媒層14c及び電解質15を確実に湿潤させることができ、優れた発電性能を発揮させることができるのである。
Therefore, the liquid water ejected from the
ここで、本実施形態の燃料電池セル10における触媒層14c及び固体高分子電解質15の加湿は、上述したように発電に必要な燃料ガスの流れを利用し、電気化学反応の結果としてアノード電極14側に生じた余剰水を再利用するものである。即ち、本実施形態の燃料電池セル10によれば、動力を要する水分供給装置を別途設けることなく触媒層14c及び固体高分子電解質15を加湿することができるので、発電システム全体の大型化や製造コストの増大などを招くことなく発電性能を向上させることができる上に、発電したエネルギーが駆動源として消費されることも回避できる。
Here, the humidification of the
特に、アノード電極14側の水分が不足しがちな高電流密度での運転時には、必然的に、燃料ガスの流量(流速)も増加するので、その結果として、ピンホール21fからの水の噴出量も増大することとなり、アノード電極14側へのより多くの水分を供給することができる。従って、高電流密度での運転時においても、触媒層14c及び固体高分子電解質15を確実に湿潤させることができ、発電性能の劣化を抑制することができる。また、インピーダンス計測などのフィードバック制御機構を要することなく、固体高分子電解質膜15中の水分を制御することができる。
In particular, during operation at a high current density where the moisture on the
なお、本実施形態の燃料電池セル10によれば、アノード電極14における多孔体は、導電性を有する多孔体として構成されており、かかる導電性多孔体は、相互に連通する空孔によって水が厚さ方向及び面方向全体に拡散されるので、従来において一般的であるリブ付きのセパレータを用いるタイプの燃料電池セルに比べ、触媒層14c及び固体高分子電解質膜15への水分の供給領域を広くすることができる。よって、触媒層14c及び固体高分子電解質膜15への水分の供給をより効率的に行うことができ、その結果として、発電性能をより有効に向上させることができるという点においても好ましい。
Note that, according to the
また、本実施形態の燃料電池セル10によれば、インナーマニホールド21が、撥水性を有する樹脂から構成されているので、ピンホール21fの内周面を撥水性に構成することができる。ピンホール21fの内周面が撥水性に構成されていることにより、運転が停止された場合、即ち、燃料ガスの流量(流速)がゼロとなる場合に、水溜り部50に貯留されている液体水の流出を毛管排除圧によって防止することができる。
Further, according to the
また、本実施形態の燃料電池スタック50によれば、アノード電極14側が好適に加湿される上述した本実施形態の燃料電池セル10が電気的に直接接続して構成されるので、一部の燃料電池セル10におけるドライアップ現象に起因する発電不能の発生を防止できる。
In addition, according to the
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に何ら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内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。 As described above, the present invention has been described based on the embodiments, but the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various improvements and modifications can be easily made without departing from the spirit of the present invention. It can be guessed.
例えば、上記実施形態では、カソード電極13を、多孔体13aと細孔層13bと触媒層13cとを有する構成としたが、固体高分子電解質15に当接する触媒層を有していれば、その構成は特に限定されない。例えば、固体高分子電解質15に当接する触媒層をカソード電極とし、従来において一般的であるリブ付きのセパレータを用いてリブ間に形成される酸化剤ガス流路から触媒層(カソード電極)へ酸化剤ガスを供給する構成などであってもよい。
For example, in the above embodiment, the
また、上記実施形態では、アノード電極14において、多孔体14a及び細孔層14bを、触媒層14cへ燃料ガスを供給する流路として利用する構成としたが、触媒層14cへ燃料ガスを供給する流路は、このような構成に限定されない。例えば、細孔層14bを用いることなく多孔体14aのみであってもよい。また、細孔層14bに換えて、従来において一般的に用いられていたガス拡散層のような層であってもよい。ただし、水を流通可能な親水性領域(親水性経路)を有していることが必須である。
In the above embodiment, the
また、上記実施形態では、アノード電極14が多孔体14aを含み、かかる多孔体14aの空孔を燃料ガスの通路として機能させたが、多孔体14aに換えて、導電性を有するシート状の網状部材(例えば、エキスパンドメタルや金網など)や、多数の貫通孔が形成された導電性板を凹凸形状に成形して得られるセパレータを燃料ガスの通路として使用する構成としてもよい。その際には、これらのセパレータの表面に親水性を付与すること(例えば、親水性材料からの形成や、親水性材料の被覆や、表面の処理による親水性の付与)が好ましい。導電性を有するシート状の網状部材や、多数の貫通孔が形成された導電性板を凹凸形状に成形して得られるセパレータを用い、そのセパレータの表面に親水性を付与することにより、上記実施形態の燃料電池セル10と同様の、触媒層14c及び固体高分子電解質15の加湿作用を得ることができる。
In the above embodiment, the
また、上記実施形態では、アノード電極14の多孔体14aとして、表面に固体高分子電解質による薄膜が被覆されたチタン繊維焼結板を用いたが、チタン繊維焼結板のように、親水性を有する材料で構成された多孔体(導電性多孔体)であれば、触媒層14c及び固体高分子電解質15の加湿作用を得ることは可能である。
Moreover, in the said embodiment, although the titanium fiber sintered board by which the surface was coated with the thin film by a solid polymer electrolyte was used as the
また、上記実施形態では、アノード電極14の細孔層14bを、親水性が付与された導電性粒子(カーボン粒子)とPTFEとから構成されるものとしたが、親水性が付与された導電性粒子だけでなく、未処理の導電性粒子を含んでいてもよい。
Moreover, in the said embodiment, although the
また、上記実施形態では、アノード電極14の細孔層14bを、親水性が付与された導電性粒子(カーボン粒子)を含んで構成し、その細孔層14bに親水性を付与する(親水性領域を形成する)構成としたが、親水性が付与された導電性粒子に換えて未処理の導電性粒子を使用し、撥水性のバインダーに換えて親水性のバインダー(例えば、PMMAやポリカーボネートなど)を使用し、親水性のバインダーに起因する親水性領域を形成する構成としてもよい。
Moreover, in the said embodiment, the
また、上記実施形態では、インナーマニホールド21を、撥水性を有する樹脂から構成したが、撥水性を有する樹脂からピンホール21f部分を含む一部材のみを形成し、金属などによって形成されたインナーマニホールドに装着するような構成であってもよい。また、水溜め部40のみを別部材から構成して装着するような構成であってもよい。なお、水溜め部40及びピンホール21fを含むインナーマニホールド21を、撥水性を有する樹脂から一体成形により製造することにより、部品点数や製造工程を増やすことなく容易に、水溜め部40及びピンホール21fを有する燃料電池セル10を製造することができる。
In the above embodiment, the
また、上記実施形態では、ピンホール21fを1つだけ有する構成としたが、かかるピンホールの数は1つに限定されず、複数形成されていていてもよい。例えば、図2に示したインナーマニホールド21において、略中央に形成されているピンホール21fの左右方向(図2における矢印L−R方向)に同様のピンホールを複数有し、各ピンホールに、溝部21dから延びる溝部21fと同様の溝部が形成される構成であってもよい。
Moreover, in the said embodiment, although it was set as the structure which has only one
なお、上記各実施形態として例示した本発明の燃料電池セル及び燃料電池スタックは、電気自動車などの移動用電源、屋外据え置き用電源、ポータブル電源、携帯電子機器用電源などの各種電源として利用可能である。 The fuel cell and the fuel cell stack of the present invention exemplified as the above embodiments can be used as various power sources such as a moving power source for an electric vehicle, an outdoor stationary power source, a portable power source, and a portable electronic device power source. is there.
10 燃料電池セル
13c 触媒層(第2の触媒層)
14a 多孔体(ガス流通部の一部,導電性多孔体)
14b 細孔層(ガス流通部の一部,細孔層)
14c 触媒層(第1の触媒層)
15 固体高分子電解質膜
21f ピンホール(小孔)
40 水溜め部
50 燃料電池スタック
10
14a Porous body (part of gas flow part, conductive porous body)
14b Pore layer (part of gas flow part, pore layer)
14c Catalyst layer (first catalyst layer)
15 Solid
40
Claims (8)
前記第1の触媒層における前記固体高分子電解質膜と反対側に当接され、前記第1の触媒層へ供給する燃料ガスの流路となる多数の孔が形成され、燃料ガスと共に供給される液体水を前記第1の触媒層へ供給すべく親水性を有する燃料ガス流通部
を備えていることを特徴とする燃料電池セル。 A solid polymer electrolyte membrane, a first catalyst layer that abuts on one surface of the solid polymer electrolyte membrane and functions as an anode electrode, abuts on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane, and serves as a cathode electrode A second catalyst layer that functions, and using an electrochemical reaction that generates water from a fuel gas supplied to the first catalyst layer and an oxidant gas supplied to the second catalyst layer A fuel cell for generating electricity,
The first catalyst layer is in contact with the opposite side of the solid polymer electrolyte membrane, and a plurality of holes serving as a flow path for the fuel gas supplied to the first catalyst layer are formed and supplied together with the fuel gas A fuel cell comprising a fuel gas circulation part having hydrophilicity to supply liquid water to the first catalyst layer.
前記水供給手段は、
前記アノード電極の下方に設けられ、前記アノード電極から排出された水を貯蔵する水溜め部と、
前記燃料ガス流通部に供給される燃料ガス流に臨んで配設され、前記水溜め部に貯蔵されている水を噴射する小孔と、
を有していることを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池セル。 Water supply means for supplying liquid water together with the fuel gas to the fuel gas circulation part;
The water supply means
A water reservoir portion provided below the anode electrode for storing water discharged from the anode electrode;
A small hole for injecting water stored in the water reservoir, disposed facing the fuel gas flow supplied to the fuel gas circulation unit;
The fuel cell according to claim 1, wherein
前記細孔層は、導電性粒子とバインダーとを少なくとも含む材料から構成されるものであると共に、前記材料における一部が親水性を有し、残りが撥水性を有することを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の燃料電池セル。 The fuel gas flow part includes a pore layer having a large number of pores in contact with the first catalyst layer and in communication with the first catalyst layer,
The pore layer is made of a material containing at least conductive particles and a binder, and part of the material has hydrophilicity and the rest has water repellency. The fuel battery cell according to any one of 1 to 3.
前記導電性多孔体は、その表面が親水性を有することを特徴とする請求項4記載の燃料電池セル。 The fuel gas flow part is composed of the pore layer, and a conductive porous body in contact with the pore layer,
The fuel cell according to claim 4, wherein the surface of the conductive porous body is hydrophilic.
前記複数のセルを電気的に直列接続することによって構成される燃料電池スタック。
A plurality of the fuel cells according to any one of claims 1 to 7,
A fuel cell stack configured by electrically connecting the plurality of cells in series.
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