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JP2009238376A - Fuel cell - Google Patents

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JP2009238376A
JP2009238376A JP2008078913A JP2008078913A JP2009238376A JP 2009238376 A JP2009238376 A JP 2009238376A JP 2008078913 A JP2008078913 A JP 2008078913A JP 2008078913 A JP2008078913 A JP 2008078913A JP 2009238376 A JP2009238376 A JP 2009238376A
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JP
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diffusion layer
fuel cell
layer
microporous
pore diameter
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Application number
JP2008078913A
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Japanese (ja)
Inventor
Takashi Naka
敬史 仲
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Equos Research Co Ltd
Original Assignee
Equos Research Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell capable of homogenizing a state of wetness on a cathode side in a polymer electrolyte fuel cell, and capable of operation at a higher load. <P>SOLUTION: A polymer electrolyte membrane 11 is pinched by reaction layers 12a, 12b, the reaction layers 12a, 12b are pinched by a cathode side diffusion layer 13 and an anode side diffusion layer 14, and furthermore, the cathode side diffusion layer 13 and the anode side diffusion layer 14 are pinched by separators 17, 18. In the cathode side diffusion layer 13, micro porous layers 13b, 13c, 13d are formed on both faces of a diffusion layer base material 13a, and in the micro porous layers 13c, 13d on a gas flow passage side, gas is easier to be permeated on the downstream side than on the upstream side. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池に関し、加湿器を有しない固体高分子型燃料電池システムに好適に用いることができる。   The present invention relates to a fuel cell and can be suitably used for a polymer electrolyte fuel cell system having no humidifier.

固体高分子型燃料電池は、高分子電解質からなる膜が反応層で挟まれ、さらにその反応層の外側を集電及びガス拡散の役割を果たす拡散層で挟まれた膜−電極接合体を備えている。反応層は、白金等の触媒を担持してなるカーボン粒子と、ナフィオン(登録商標、Nafion(Dupont社製))等の高分子固体電解質が混合されている。そして、膜−電極接合体の両面は、空気や水素のガス流路を備えたセパレータで挟持されて単位セルが構成され、さらにこの単位セルが複数積層されたスタックが形成されている。   A polymer electrolyte fuel cell includes a membrane-electrode assembly in which a membrane made of a polymer electrolyte is sandwiched between reaction layers, and the outside of the reaction layer is sandwiched between diffusion layers that play a role of current collection and gas diffusion. ing. In the reaction layer, carbon particles supporting a catalyst such as platinum and a solid polymer electrolyte such as Nafion (registered trademark, Nafion (manufactured by Dupont)) are mixed. The both surfaces of the membrane-electrode assembly are sandwiched by separators having air or hydrogen gas flow paths to form unit cells, and a stack in which a plurality of unit cells are stacked is formed.

この固体高分子型燃料電池では以下の電気化学反応が行われる。
アノード側:H → 2H+2e
カソード側:1/2O+2H+2e → H
全反応 :H+1/2O → H
すなわち、水素がアノード側のセパレータのガス流路に供給され、拡散層を通って反応層に供給される。そして、反応層での電気化学反応によって水素が酸化されてプロトンと電子とが生成する。こうして生成したプロトンは、オキソニウムイオンの形態で水を引き連れながら反応層および高分子固体電解質内を移動し、カソード側に達する。一方、カソード側に供給された酸素は、オキソニウムイオンと結合し、水が生成する。
In this polymer electrolyte fuel cell, the following electrochemical reaction is performed.
Anode side: H 2 → 2H + + 2e
Cathode side: 1 / 2O 2 + 2H + + 2e → H 2 O
Total reaction: H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O
That is, hydrogen is supplied to the gas flow path of the separator on the anode side, and supplied to the reaction layer through the diffusion layer. Then, hydrogen is oxidized by the electrochemical reaction in the reaction layer to generate protons and electrons. The protons thus generated move in the reaction layer and the polymer solid electrolyte while drawing water in the form of oxonium ions, and reach the cathode side. On the other hand, oxygen supplied to the cathode side combines with oxonium ions to generate water.

以上のように、固体高分子型燃料電池では、カソード側で水が発生し、さらには、アノード側からカソード側に向かって水が移動するため、カソード側の拡散層が水浸しの状態となるフラッディング現象が生じて、拡散層におけるガスの透過が困難となるおそれがある。   As described above, in the polymer electrolyte fuel cell, water is generated on the cathode side, and further, water moves from the anode side to the cathode side, so that the diffusion layer on the cathode side is flooded. A phenomenon may occur, and gas permeation through the diffusion layer may be difficult.

その一方において、特に空冷式の固体高分子型燃料電池では、ストイキ比(すなわち、供給している水素ガスとの反応に必要な空気量に対する供給する空気量の比率)を大きくすることによって膜−電極接合体を冷却するため、カソード側に供給される空気によって持ち去られる水の量が増加し、膜−電極接合体が乾燥状態となりやすい。   On the other hand, particularly in an air-cooled solid polymer fuel cell, the membrane ratio is increased by increasing the stoichiometric ratio (that is, the ratio of the amount of air supplied to the amount of air necessary for reaction with the supplied hydrogen gas). Since the electrode assembly is cooled, the amount of water carried away by the air supplied to the cathode side increases, and the membrane-electrode assembly tends to be in a dry state.

このため、カソード側の拡散層の両面に、拡散層よりも緻密で撥水性を有するマイクロポーラス層を形成し、マイクロポーラス層の撥水性によって拡散層内が水浸しになるのを防ぐとともに、高分子電解質膜の乾燥を防ぐことが行なわれている(特許文献1及び特許文献2)
特開平9−245800号公報 特開平2005−174607号公報
Therefore, a microporous layer that is denser and more water-repellent than the diffusion layer is formed on both surfaces of the diffusion layer on the cathode side, and prevents the inside of the diffusion layer from being immersed in water due to the water repellency of the microporous layer. Prevention of drying of the electrolyte membrane is performed (Patent Document 1 and Patent Document 2).
Japanese Patent Laid-Open No. 9-245800 Japanese Patent Laid-Open No. 2005-174607

しかし、高分子電解質燃料電池におけるカソード側の湿潤の具合は、場所によって異なるため、例えカソード側の拡散層の両面に、拡散層よりも緻密で撥水性を有する均一なマイクロポーラス層を形成したとしても、全ての場所を適切な湿潤状態にすることが困難であった。なぜならば、同じカソード側であっても、ガス流路の上流側は湿度の低い酸化ガスが流れるため乾燥しやすく、下流側はカソード側に存在する水分を含んで湿度の高い状態の酸化ガスとなっているため、上流側と比べて水分が蒸発し難く、湿潤状態となりやすいからである。   However, the degree of wetness on the cathode side in polymer electrolyte fuel cells varies depending on the location. For example, a uniform microporous layer that is denser and more water-repellent than the diffusion layer is formed on both sides of the diffusion layer on the cathode side. However, it was difficult to make all the places properly wet. This is because, even on the same cathode side, an oxidizing gas with a low humidity flows on the upstream side of the gas flow path, so that it is easy to dry, and the downstream side contains the moisture present on the cathode side and an oxidizing gas in a high humidity state. This is because the moisture is less likely to evaporate than the upstream side, and it tends to be in a wet state.

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、高分子電解質燃料電池におけるカソード側の湿潤の具合をより均一にすることができ、より高負荷での運転が可能な燃料電池及び燃料電池システムを提供することを解決すべき課題としている。   The present invention has been made in view of the above-described conventional circumstances, and can make the degree of wetness on the cathode side of a polymer electrolyte fuel cell more uniform, and can be operated at a higher load. And providing a fuel cell system is a problem to be solved.

本発明の第1の局面の燃料電池は、固体高分子電解質膜が触媒を含有する反応層によって両側から挟持され、該反応層の外側からガス透過可能な拡散層で挟持され、さらに該拡散層の外側からガス流路を形成するセパレータで挟持された燃料電池において、
カソード側の拡散層は、拡散層基材の両面に該拡散層基材よりも緻密で撥水性を有するマイクロポーラス層が形成されており、ガス流路側のマイクロポーラス層は上流側よりも下流側のほうがよりガス透過しやすくされていることを特徴とする。
In the fuel cell according to the first aspect of the present invention, the solid polymer electrolyte membrane is sandwiched from both sides by a reaction layer containing a catalyst, sandwiched by a diffusion layer that allows gas permeation from the outside of the reaction layer, and further the diffusion layer In the fuel cell sandwiched by the separator that forms the gas flow path from the outside of the
The diffusion layer on the cathode side has microporous layers that are denser and more water-repellent than the diffusion layer substrate on both sides of the diffusion layer substrate, and the microporous layer on the gas flow path side is downstream of the upstream side. This is characterized in that gas permeation is easier.

本発明の第1の局面の燃料電池では、カソード側の拡散層の拡散層基材の両面に該拡散層基材よりも緻密で撥水性を有するマイクロポーラス層が形成されているため、マイクロポーラス層の撥水性によって拡散層内が水浸しになるのを防ぐとともに、高分子電解質膜の乾燥を防ぐことができる。
また、ガス流路側のマイクロポーラス層は乾燥状態となりやすい上流側よりも、湿潤状態となりやすい下流側のほうがよりガス透過しやすくされているため、湿潤状態をより均質化することができる。このため、高負荷運転において酸化ガスの流量を増やしても、上流側が過乾燥状態となったり、下流側が過湿潤状態となったりし難くなる。このため、より高負荷での運転が可能となる。
In the fuel cell according to the first aspect of the present invention, the microporous layers that are denser and more water-repellent than the diffusion layer substrate are formed on both sides of the diffusion layer substrate of the diffusion layer on the cathode side. The water repellency of the layer can prevent the inside of the diffusion layer from being immersed in water, and can also prevent the polymer electrolyte membrane from drying.
In addition, since the microporous layer on the gas flow path side is more easily permeated with the gas on the downstream side where it is likely to be wet than the upstream side where it is likely to be dry, the wet state can be made more uniform. For this reason, even if the flow rate of the oxidizing gas is increased in a high load operation, it is difficult for the upstream side to be overdried or the downstream side to be overwet. For this reason, operation with a higher load becomes possible.

拡散層基材の表面に、場所によって異なったガス透過能を有するマイクロポーラス層を形成する方法としては、例えばカーボンの細孔径を場所によって変えたり、カーボンや撥水剤の含有量を変えたりすること等が挙げられる。   Examples of a method for forming a microporous layer having a gas permeability different depending on the location on the surface of the diffusion layer base include changing the pore diameter of carbon depending on the location or changing the content of carbon or water repellent. And so on.

本発明の第2の局面の燃料電池では、カソード側の拡散層基材の表面に形成されているガス流路側のマイクロポーラス層には一次粒子間に生じる隙間によって細孔径が制御されたカーボンと撥水性樹脂とが含有されており、下流側のカーボンの細孔径は上流側のカーボンの細孔径よりも大きくされていることとした。   In the fuel cell of the second aspect of the present invention, the microporous layer on the gas flow path side formed on the surface of the diffusion layer base material on the cathode side has carbon whose pore diameter is controlled by a gap generated between the primary particles. The water-repellent resin is contained, and the pore diameter of the downstream carbon is made larger than the pore diameter of the upstream carbon.

カーボンは、その製造方法により、一次粒子間に生じる隙間が異なり、これによって細孔径を制御することができる。そして、カーボンの細孔径を変えることによって、容易にガス透過能を制御することができる。また、水が連通する細孔を通過する場合に必要とされる水圧ΔPは、次式(1)で示されることが知られている。

Figure 2009238376
一方、反応ガスは極めて小さな径の通路であっても水よりも容易に通過することができる。本発明の第2の局面の燃料電池では、カソード側の拡散層の表面に形成されているガス流路側のマイクロポーラス層にはカーボンが含有されており、下流側のカーボンの細孔径は上流側のカーボンの細孔径よりも大きくされている。このため、上流側のマイクロポーラス層は水が透過し難くなり、反応層及び固体高分子電解質層の乾燥を防ぐことができる。また、下流側のマイクロポーラス層は、ガスも液体も通しやすくなるため、酸化ガスによる水の持ち去り量が増えるため、湿潤過多となりやすい下流側拡散層が水浸しの状態になることを防ぐことができる。 The gap between the primary particles varies depending on the production method of carbon, and the pore diameter can be controlled by this. The gas permeability can be easily controlled by changing the pore diameter of carbon. Further, it is known that the water pressure ΔP required when water passes through the communicating pores is represented by the following equation (1).
Figure 2009238376
On the other hand, the reaction gas can pass through even a very small diameter passage more easily than water. In the fuel cell of the second aspect of the present invention, the microporous layer on the gas flow path side formed on the surface of the diffusion layer on the cathode side contains carbon, and the pore diameter of the carbon on the downstream side is upstream. The pore diameter of the carbon is larger. For this reason, it is difficult for water to permeate through the upstream microporous layer, and drying of the reaction layer and the solid polymer electrolyte layer can be prevented. Also, the downstream microporous layer facilitates the passage of gas and liquid, and the amount of water taken away by the oxidizing gas increases, thereby preventing the downstream diffusion layer, which tends to be excessively wet, from becoming immersed. it can.

細孔径の選択については、カソード側に流す空気のストイキ比、燃料電池の運転温度、空気の湿度等の条件によって最適な細孔径は変化するため、それらを考慮して適宜選択すればよいが、通常、空冷式の燃料電池で運転する場合には、ストイキ比10〜200おいて、上流側の細孔径を0.005〜0.03μm、下流側の細孔径を0.05〜0.3μmとすることが好ましい。   As for the selection of the pore diameter, the optimal pore diameter varies depending on the conditions such as the stoichiometric ratio of the air flowing to the cathode side, the operating temperature of the fuel cell, the humidity of the air, etc. Normally, when operating with an air-cooled fuel cell, the upstream pore diameter is 0.005 to 0.03 μm and the downstream pore diameter is 0.05 to 0.3 μm at a stoichiometric ratio of 10 to 200. It is preferable to do.

また、本発明の第2の局面の燃料電池では、マイクロポーラス層に撥水性樹脂が添加されているため、マイクロポーラス層の水濡性が低下し、ガス透過性を妨げることなく、水の透過を防止することができる。このため、反応層への酸素ガスの供給を妨げることなく、膜−電極接合体の乾燥を防ぐことができる。   Further, in the fuel cell according to the second aspect of the present invention, since the water-repellent resin is added to the microporous layer, the water wettability of the microporous layer is reduced, and the water permeation is prevented without hindering the gas permeability. Can be prevented. For this reason, drying of the membrane-electrode assembly can be prevented without hindering the supply of oxygen gas to the reaction layer.

以下、本発明に係る燃料電池を具体化した実施形態について説明する。
(実施形態)
実施形態の燃料電池は、図1に示す燃料電池単層セル10が複数個積層されて構成されている。この燃料電池単層セル10は、ナフィオン(登録商標)からなる高分子電解質膜11が白金触媒を含有する反応層12a、12bによって両側から挟持され、反応層12a、12bの外側からカソード側拡散層13と、アノード側拡散層14とによって挟持され、さらにカソード側拡散層13及びアノード側拡散層14の外側からガス流路15、16を形成するセパレータ17、18で挟持されている。
Hereinafter, embodiments embodying a fuel cell according to the present invention will be described.
(Embodiment)
The fuel cell according to the embodiment is configured by stacking a plurality of fuel cell single-layer cells 10 shown in FIG. The fuel cell single layer cell 10 includes a polymer electrolyte membrane 11 made of Nafion (registered trademark) sandwiched from both sides by reaction layers 12a and 12b containing a platinum catalyst, and a cathode side diffusion layer from the outside of the reaction layers 12a and 12b. 13 and the anode side diffusion layer 14, and further sandwiched by separators 17 and 18 that form gas flow paths 15 and 16 from the outside of the cathode side diffusion layer 13 and the anode side diffusion layer 14.

カソード側拡散層13は、ガス拡散が可能なカーボン製の織物やカーボン製の紙等からなる拡散層基材13aの反応層12a側に、カーボン粉末と撥水性樹脂とを含む多孔性のマイクロポーラス層13bが形成されている。また、拡散層基材13aのガス流路15側の上流側表面には、細孔径が小さいカーボンを含有する小細孔径マイクロポーラス層13cが形成されており、ガス流路15側の下流側表面には、細孔径が大きいカーボンを含有する大細孔径マイクロポーラス層13dが形成されている。カーボン粒子は通常、細かい粒子が凝集して2次粒子を形成しており、この2次粒子には外部と連通する細孔(すなわち、カーボン粒子問に生じる隙間)が存在しており、この連通する細孔の径が小さいほど、マイクロポーラス層を水が通過しにくくなる。このため、マイクロポーラス層の原料に用いたカーボンの細孔径は、マイクロポーラス層の細孔径とほぼ一致する。したがって、カーボン粒子問に生じる隙間で細孔径をすれば、マイクロポーラス層の細孔径を制御することができる。   The cathode side diffusion layer 13 is a porous microporous material containing carbon powder and a water repellent resin on the reaction layer 12a side of a diffusion layer base material 13a made of carbon woven fabric, carbon paper or the like capable of gas diffusion. Layer 13b is formed. A small pore diameter microporous layer 13c containing carbon having a small pore diameter is formed on the upstream surface of the diffusion layer base material 13a on the gas flow path 15 side, and the downstream surface on the gas flow path 15 side. A large pore diameter microporous layer 13d containing carbon having a large pore diameter is formed. Carbon particles are usually formed by agglomeration of fine particles to form secondary particles, and these secondary particles have pores communicating with the outside (that is, gaps formed in the carbon particles). The smaller the pore diameter is, the more difficult it is for water to pass through the microporous layer. For this reason, the pore diameter of the carbon used as the raw material for the microporous layer substantially matches the pore diameter of the microporous layer. Therefore, the pore diameter of the microporous layer can be controlled by setting the pore diameter in the gap generated in the carbon particles.

また、アノード側拡散層14は拡散層基材14aの両側に、カーボン粉末と撥水性樹脂とを含む多孔性のマイクロポーラス層14b、14cが形成されている。   The anode side diffusion layer 14 has porous microporous layers 14b and 14c containing carbon powder and a water repellent resin formed on both sides of the diffusion layer base material 14a.

拡散層基材13a、14aとしては、例えば、カーボンクロス、カーボンペーパー、カーボン繊維からなる不織布等を用いることができる。また、マイクロポーラス層12b、12cとしては、撥水性樹脂粉末と、カーボン粉末とを混合して用いることができる。撥水性樹脂粉末として具体的には、フルオロカーボン系ポリマー(たとえばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン/ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン/パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリフッ化ビニル(PVF)、エチレン/テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、エチレン/クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)等)とが挙げられる。また、カーボン粉末としては、例えばカーボンブラック、黒鉛粉、カーボンナノファイバー、ファーネスブラック、アセチレンブラック等が挙げられる。   As the diffusion layer base materials 13a and 14a, for example, carbon cloth, carbon paper, a nonwoven fabric made of carbon fiber, or the like can be used. Further, as the microporous layers 12b and 12c, a water-repellent resin powder and a carbon powder can be mixed and used. Specific examples of the water-repellent resin powder include fluorocarbon polymers (for example, polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA)). ), Polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl fluoride (PVF), ethylene / tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), ethylene / chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), etc. ). Examples of the carbon powder include carbon black, graphite powder, carbon nanofiber, furnace black, and acetylene black.

以上のように構成された実施形態1の燃料電池単層セル10では、カソード側の拡散層13における拡散層基材13aの両面に、拡散層基材13aよりも緻密で撥水性を有するマイクロポーラス層13b、13c、13dが形成されているため、撥水性によって拡散層基材13a内が水浸しになるのを防ぐとともに、反応層12bから拡散層13側への水の移動が阻止され、高分子電解質膜11の乾燥を防ぐことができる。   In the fuel cell single-layer cell 10 of Embodiment 1 configured as described above, the microporous material is denser and more water-repellent than the diffusion layer base material 13a on both sides of the diffusion layer base material 13a in the diffusion layer 13 on the cathode side. Since the layers 13b, 13c, and 13d are formed, the inside of the diffusion layer base material 13a is prevented from being immersed in water due to water repellency, and the movement of water from the reaction layer 12b to the diffusion layer 13 side is prevented. Drying of the electrolyte membrane 11 can be prevented.

さらには、カソード側の拡散層13における拡散層基材13aのマイクロポーラス層13c、13dは、乾燥しやすい上流側に細孔径が小さいカーボンを含有する小細孔径マイクロポーラス層13cが形成されており、湿潤状態となりやすいガス流路15側の下流側には、細孔径が大きいカーボンを含有する大細孔径マイクロポーラス層13dが形成されている。このため、湿潤状態をより均質化することができ、高負荷運転において酸化ガスの流量を増やしても、上流側が乾燥状態となったり、下流側が過剰な湿潤状態となったりし難くなる。このため、より高負荷での運転が可能となる。   Further, the microporous layers 13c and 13d of the diffusion layer base material 13a in the diffusion layer 13 on the cathode side are formed with a small pore diameter microporous layer 13c containing carbon having a small pore diameter on the upstream side that is easy to dry. A large-pore-diameter microporous layer 13d containing carbon having a large pore diameter is formed on the downstream side of the gas flow path 15 that tends to become wet. For this reason, the wet state can be made more uniform, and even if the flow rate of the oxidizing gas is increased in a high load operation, it becomes difficult for the upstream side to become dry and the downstream side to become excessively wet. For this reason, operation with a higher load becomes possible.

以下実施形態をさらに具体的に記載した、実施例について詳細に説明する。
(実施例1)
<マイクロポーラス層の調製>
ポリテトラフルオロエチレンの微粉末をカーボンブラック粉末(一次粒子径16nm)に対して35重量部%となるように混合し、溶着によって自立した小細孔径マイクロポーラス層を調製した。
同様の方法で、一次粒子径が35nmのカーボンブラックを用いて自立した大細孔径マイクロポーラス層を調製した。
Hereinafter, examples in which embodiments are described more specifically will be described in detail.
Example 1
<Preparation of microporous layer>
A fine powder of polytetrafluoroethylene was mixed with the carbon black powder (primary particle diameter of 16 nm) so as to be 35 parts by weight to prepare a microporous layer having a small pore diameter that was self-supported by welding.
In the same manner, a self-supporting large pore diameter microporous layer was prepared using carbon black having a primary particle diameter of 35 nm.

こうして得られた、小細孔径マイクロポーラス層及び大細孔径マイクロポーラス層の細孔分布をポロシメータで測定した結果を図2に示す。この図から、小細孔径マイクロポーラス層は細孔径が0.015μmに中心ピークが存在し、大細孔径マイクロポーラス層では0.15μmに中心ピークが存在することが分かった。   FIG. 2 shows the result of measuring the pore distribution of the small pore diameter microporous layer and the large pore diameter microporous layer thus obtained with a porosimeter. From this figure, it was found that the small pore diameter microporous layer has a central peak at a pore diameter of 0.015 μm, and the large pore diameter microporous layer has a central peak at 0.15 μm.

<反応層付拡散膜の調整>
所定の大きさの矩形に裁断された平織りのカーボンクロスを用意し、一面側に小細孔径マイクロポーラス層を重ね、さらに他面側の半分に小細孔径マイクロポーラス層を重ね、残りの半分に大細孔径マイクロポーラス層を重ねる。そして、345°Cで熱圧着させて一体化する。
<Adjustment of diffusion membrane with reaction layer>
Prepare a plain weave carbon cloth cut into a rectangle of the specified size, stack a small-pore microporous layer on one side, and stack a small-pore microporous layer on the other half, and on the other half A large pore diameter microporous layer is stacked. Then, they are integrated by thermocompression bonding at 345 ° C.

次に、市販の白金担持カーボン(白金含有量60wt%)1gに、ナフィオン(登録商標)溶液(5wt%水/イソプロパノール溶液)2g〜200gを加え、ハイブリッドミキサーで撹拌し、触媒ペーストとし、上記の方法によって一体化した膜の表面にPt担持量が0.01〜2mg/cmとなるように印刷して、乾燥して反応層付の拡散層を得た。
なお、拡散層の上に印刷して反応層を形成する替わりに、ポリテトラフルオロエチレン製のシート上に上記触媒ペーストで印刷し、乾燥後、剥離させて自立した反応層膜を作製し、これを拡散層と熱圧着させて反応層を形成してもよい。
Next, 2 g to 200 g of Nafion (registered trademark) solution (5 wt% water / isopropanol solution) is added to 1 g of commercially available platinum-supported carbon (platinum content 60 wt%), and stirred with a hybrid mixer to obtain a catalyst paste. The surface of the film integrated by the method was printed so that the amount of Pt supported was 0.01 to 2 mg / cm 2 and dried to obtain a diffusion layer with a reaction layer.
Instead of printing on the diffusion layer to form the reaction layer, the catalyst paste is printed on a polytetrafluoroethylene sheet, dried, and peeled to produce a self-supporting reaction layer film. The reaction layer may be formed by thermocompression bonding with a diffusion layer.

以上のようにして作製したカソード側反応層付拡散層と、反応層側のみ小細孔径マイクロポーラス層を圧着させたアノード側反応層付拡散層とを用意し、ナフィオン(登録商標)からなる高分子電解質膜の両側から反応層で挟み、ホットプレスによって圧着した。さらに、その外側に酸素及び水素のガス供給路を形成して燃料電池単層セルを作製した。   A cathode-side reaction layer-attached diffusion layer prepared as described above, and an anode-side reaction layer-attached diffusion layer in which a small-pore-diameter microporous layer is pressure-bonded only on the reaction layer side are prepared. The membrane was sandwiched between reaction layers from both sides of the molecular electrolyte membrane and pressed by hot pressing. Further, oxygen and hydrogen gas supply passages were formed on the outside thereof to produce a fuel cell single layer cell.

(比較例1)
実施例2では、アノード側反応層付拡散層作製において、大細孔径マイクロポーラス層は用いず、拡散層の両面ともすべて小細孔径マイクロポーラス層を接合させた。その他は実施例1の燃料電池単層セルと同様であり、説明を省略する。
(Comparative Example 1)
In Example 2, in the production of the diffusion layer with the anode-side reaction layer, the large pore size microporous layer was not used, and the small pore size microporous layer was bonded to both surfaces of the diffusion layer. Others are the same as those of the fuel cell single-layer cell of Example 1, and the description is omitted.

<評価>
こうして作製した実施例及び比較例1の燃料電池単層セルについて、
アノード側セパレータのガス流路に、乾燥した水素ガスを0.1MPa導入するとともに、カソード側のセパレータのガス流路に、供給空気のストイキ比が所定の値となるように制御装置で制御しながら供給し、電流とセル電圧との関係を測定した。なお、セル温度は温度調節器で50°Cに調節した。
<Evaluation>
About the fuel cell single layer cell of Example and Comparative Example 1 produced in this way,
While introducing 0.1 MPa of dry hydrogen gas into the gas flow path of the anode-side separator, while controlling with a control device so that the stoichiometric ratio of supply air becomes a predetermined value in the gas flow path of the cathode-side separator The relationship between current and cell voltage was measured. The cell temperature was adjusted to 50 ° C. with a temperature controller.

その結果、図3〜図6に示すように、ストイキ比が大きくなるにつれて、実施例の燃料電池単層セルは比較例よりも、より高い電流まで高いセル電圧が維持されていることが分かり、高負荷における発電が可能であることが分かった。この理由は、次のように説明される。   As a result, as shown in FIG. 3 to FIG. 6, as the stoichiometric ratio increases, it can be seen that the fuel cell single layer cell of the example maintains a higher cell voltage up to a higher current than the comparative example, It was found that power generation at high load is possible. The reason for this is explained as follows.

すなわち、ストイキ比が10未満の場合には、カソード側反応層への空気の供給量が少ないため、反応層内に大きな圧力は生じない。そのため、マイクロポーラス層の細孔径サイズによらず、フラッディング現象が生じてセル電圧が大きく低下する。
これに対して、ストイキ比が10以上になると、カソード側反応層への空気供給量が増え、反応層内の圧力が高くなる。この場合、比較例の燃料電池単体セルでは、カソード側拡散層に接合されたガス流路側のマイクロポーラス層の細孔径が0.015μmと小さいため、圧力が高くなっても水が排出され難く、フラッディング現象が総じてセル電圧が低下する。一方、実施例の燃料電池単体セルでは、ガス流路側のマイクロポーラス層の細孔径は0.15μmと大きいため、圧力が高くなると下流側から水が排出されやすいため、フラッディング現象を緩和できる。
That is, when the stoichiometric ratio is less than 10, since the amount of air supplied to the cathode reaction layer is small, no large pressure is generated in the reaction layer. For this reason, regardless of the pore size of the microporous layer, a flooding phenomenon occurs and the cell voltage is greatly reduced.
On the other hand, when the stoichiometric ratio is 10 or more, the amount of air supplied to the cathode side reaction layer increases and the pressure in the reaction layer increases. In this case, in the fuel cell unit cell of the comparative example, since the pore diameter of the microporous layer on the gas flow path side joined to the cathode side diffusion layer is as small as 0.015 μm, it is difficult for water to be discharged even when the pressure increases. The flooding phenomenon generally reduces the cell voltage. On the other hand, in the fuel cell unit cell of the example, since the pore diameter of the microporous layer on the gas flow path side is as large as 0.15 μm.

上記電流−セル電圧の測定において、同時に空気の入り口と出口における湿度を測定し、図3〜図6の結果から電流と電極内水分量との関係を計算により求めた。その結果、図7〜図10に示すように、ストイキ比が大きくなるにつれて、実施例の燃料電池単層セルの方が、比較例よりも水分量が少ないことが分かった。この結果からも、実施例の燃料電池単層セルのカソード側では、水が排出されやすく、電流が大きくなってもフラッディング現象が生じ難いことが分かる。   In the measurement of the current-cell voltage, the humidity at the air inlet and outlet was measured at the same time, and the relationship between the current and the moisture content in the electrode was determined by calculation from the results shown in FIGS. As a result, as shown in FIGS. 7 to 10, it was found that the fuel cell single-layer cell of the example had less water content than the comparative example as the stoichiometric ratio increased. Also from this result, it can be seen that water is easily discharged on the cathode side of the fuel cell single-layer cell of the example, and the flooding phenomenon hardly occurs even when the current is increased.

<燃料電池システム>
上述したように、本発明の燃料電池は、ストイキ比を高めてもカソード側で乾燥状態やフラッディングを生じ難いことから、カソード側に空気を流して燃料電池を冷却するという、空冷式の燃料電池システムに好適に利用することができる。
このような空冷式の燃料電池システムとしては、次のシステムが考えられる。すなわち、
(1)固体高分子電解質膜が触媒を含有する反応層によって両側から挟持され、該反応層の外側からガス透過可能な拡散層で挟持され、さらに該拡散層の外側からガス流路を形成するセパレータで挟持された燃料電池と、該燃料電池のアノード極側のガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手投と、該燃料電池のカソード極側のガス流路に酸化ガス及び冷媒ガスとしての空気を供給する空気供給手段と、空気供給量を制御して該燃料電池の温度を制御する制御手段とを備えた燃料電池システムにおいて、
カソード側の拡散層は、拡散層基材の両面に該拡散層基材よりも緻密で撥水性を有するマイクロポーラス層が形成されており、ガス流路側のマイクロポーラス層は上流側よりも下流側のほうがよりガス透過しやすくされており、前記制御手段は、供給空気のストイキ比を10から200の範囲となるように制御することを特徴とする燃料電池システムである。
<Fuel cell system>
As described above, since the fuel cell of the present invention is unlikely to be dried or flooded on the cathode side even if the stoichiometric ratio is increased, air-cooled fuel cell in which the fuel cell is cooled by flowing air to the cathode side. It can utilize suitably for a system.
The following system can be considered as such an air-cooled fuel cell system. That is,
(1) A solid polymer electrolyte membrane is sandwiched from both sides by a reaction layer containing a catalyst, is sandwiched by a diffusion layer that allows gas permeation from the outside of the reaction layer, and further forms a gas flow path from the outside of the diffusion layer. A fuel cell sandwiched between separators, a fuel gas supply hand supply for supplying a fuel gas to a gas flow path on the anode electrode side of the fuel cell, and an oxidizing gas and a refrigerant gas on a gas flow path on the cathode electrode side of the fuel cell As a fuel cell system comprising air supply means for supplying air and control means for controlling the temperature of the fuel cell by controlling the air supply amount,
The diffusion layer on the cathode side has microporous layers that are denser and more water-repellent than the diffusion layer substrate on both sides of the diffusion layer substrate, and the microporous layer on the gas flow path side is downstream of the upstream side. The fuel cell system is characterized in that the gas permeation is made easier, and the control means controls the stoichiometric ratio of the supply air to be in the range of 10 to 200.

上記実施例からも明らかなように、この燃料電池システムでは特に10以上という高いストイキ比において、高負荷において高電圧という特性を奏することができる。ただしストイキ比が200を超えると、乾燥によって膜電極接合体が乾燥して電圧低下のおそれを生ずる。空気供給手段としては、シロッコファン、ターボファン等の各種の送風機を用いることができる。さらには、空冷式固体高分子型燃料電池において、メタノール改質器がなくても駆動可能とすることができる。   As is clear from the above embodiments, this fuel cell system can exhibit a high voltage characteristic at a high load especially at a high stoichiometric ratio of 10 or more. However, when the stoichiometric ratio exceeds 200, the membrane / electrode assembly is dried by drying, which may cause a voltage drop. Various air blowers such as a sirocco fan and a turbo fan can be used as the air supply means. Furthermore, the air-cooled solid polymer fuel cell can be driven without a methanol reformer.

このような燃料電池システムの実施例を図11に示す。この燃料電池システムは空冷式であり、燃料電池スタック40と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池スタック40に供給するための水素ガス供給系50と、酸化ガスとしての空気を燃料電池スタック40に供給するための空気供給系60と、空気供給系60に設けられた送風機61を制御するための制御装置70とを備えている。   An embodiment of such a fuel cell system is shown in FIG. This fuel cell system is air-cooled, and a fuel cell stack 40, a hydrogen gas supply system 50 for supplying hydrogen gas as a fuel gas to the fuel cell stack 40, and air as an oxidizing gas to the fuel cell stack 40. The air supply system 60 for supplying and the control apparatus 70 for controlling the air blower 61 provided in the air supply system 60 are provided.

燃料電池スタック40は、上述の実施例の燃料電池用単層セルを積層した構成とされており、図示しない空気流路の上流側に空気を燃料電池スタック40の空気流路内に導入するための空気マニホールド41が設けられており、空気流路の下流側には空気を排気するための空気ダクト42が設けられている。空気ダクト42には排気の温度を測定するための温度センサ43が設けられており、温度センサ43は制御装置70に接続されており、温度センサ43からの温度に関する信号を受けて、送風機61を制御可能とされている。   The fuel cell stack 40 has a structure in which the single-layer cells for fuel cells of the above-described embodiments are stacked, and in order to introduce air into the air flow path of the fuel cell stack 40 upstream of an air flow path (not shown). The air manifold 41 is provided, and an air duct 42 for exhausting air is provided downstream of the air flow path. The air duct 42 is provided with a temperature sensor 43 for measuring the temperature of the exhaust gas. The temperature sensor 43 is connected to the control device 70, receives a signal related to the temperature from the temperature sensor 43, and controls the blower 61. It can be controlled.

また、空気供給系60には外気を取り入れるための送風機61が設けられており、供給管62を介して空気マニホールド41に接続されている。送風機61は全圧30kPaの能力を有している。なお、空気供給系30に加湿器は備えられていない。   The air supply system 60 is provided with a blower 61 for taking in outside air, and is connected to the air manifold 41 through a supply pipe 62. The blower 61 has a capacity of a total pressure of 30 kPa. Note that the air supply system 30 is not provided with a humidifier.

水素供給系50には、水素源となる水素ボンベ51が調整弁52〜57を介して水素ポンプ58に接続されており、水素ポンプ58からさらに燃料電池スタック40の図示しない水素ガス流路へ接続されている。   In the hydrogen supply system 50, a hydrogen cylinder 51 serving as a hydrogen source is connected to a hydrogen pump 58 via adjustment valves 52 to 57, and further connected to a hydrogen gas flow path (not shown) of the fuel cell stack 40 from the hydrogen pump 58. Has been.

以上のように構成された燃料電池システムを駆動させる場合、水素供給系50の調整弁52〜57を調整して所定の圧力とし、水素ポンプ58へ供給し、さらに水素ポンプ58を駆動することにより、燃料電池スタック40の水素ガス流路に水素ガスを所定の流量となるように供給する。
また、空気供給系60の送風機61を駆動して、空気を空気マニホールド41から燃料電池スタック40の空気流路に供給する。これにより、燃料電池スタック40内で水素ガスの電気化学的酸化反応及び酸素の電気化学的還元反応が行われ、電流が負荷80に流れる。
空気流路の供給された過剰空気は空気ダクト42から排気されるが、その排気された空気の温度を温度センサ43が感知し、制御装置70に温度に関する信号を伝える。さらに制御装置70では、温度センサ43が感知した温度と設定温度とを比較し、感知温度が設定温度よりも高い場合には送風機61の出力を上げてさらに多くの空気を送り、燃料電池スタック40を空冷する。また、感知温度が設定温度よりも低い場合には送風機61の出力を下げて、空気の流量を下げる。これにより、燃料電池スタック40の温度が上昇する。こうして、制御装置70によって、ストイキ比の調整を行うことができる。
When driving the fuel cell system configured as described above, the adjustment valves 52 to 57 of the hydrogen supply system 50 are adjusted to a predetermined pressure, supplied to the hydrogen pump 58, and further driven by driving the hydrogen pump 58. Then, hydrogen gas is supplied to the hydrogen gas flow path of the fuel cell stack 40 at a predetermined flow rate.
Further, the blower 61 of the air supply system 60 is driven to supply air from the air manifold 41 to the air flow path of the fuel cell stack 40. Thereby, an electrochemical oxidation reaction of hydrogen gas and an electrochemical reduction reaction of oxygen are performed in the fuel cell stack 40, and a current flows to the load 80.
Excess air supplied to the air flow path is exhausted from the air duct 42, and the temperature sensor 43 senses the temperature of the exhausted air and transmits a temperature-related signal to the control device 70. Further, the control device 70 compares the temperature sensed by the temperature sensor 43 with the set temperature. If the sensed temperature is higher than the set temperature, the output of the blower 61 is increased to send more air, and the fuel cell stack 40 Air-cool. Further, when the sensed temperature is lower than the set temperature, the output of the blower 61 is lowered to lower the air flow rate. As a result, the temperature of the fuel cell stack 40 increases. Thus, the stoichiometric ratio can be adjusted by the control device 70.

実施例の燃料電池システムでは、カソード側の拡散層の拡散層基材の両面に、拡散層基材よりも緻密で撥水性を有するマイクロポーラス層が形成されているため、マイクロポーラス層の撥水性によって拡散層内が水浸しになるのを防ぐとともに、高分子電解質膜の乾燥を防ぐことができる。また、ガス流路側のマイクロポーラス層は乾燥状態となりやすい上流側よりも、湿潤状態となりやすい下流側のほうがよりガス透過しやすくされているため、湿潤状態をより均質化することができる。このため、高負荷運転において酸化ガスの流量を増やしても、上流側が過乾燥状態となったり、下流側が過湿潤状態となったりし難くなる。このため、より高負荷での運転が可能となる。このため、大きなストイキ比で駆動される空冷式燃料電池であるにもかかわらず、燃料電池システムの出力の低下が防止される。   In the fuel cell system of the example, the microporous layer having a finer water repellency than the diffusion layer substrate is formed on both sides of the diffusion layer substrate of the diffusion layer on the cathode side. As a result, the diffusion layer can be prevented from being immersed in water, and the polymer electrolyte membrane can be prevented from drying. Further, since the microporous layer on the gas flow path side is more easily permeated with gas on the downstream side where it is likely to be wet than the upstream side where it is likely to be dry, the wet state can be made more uniform. For this reason, even if the flow rate of the oxidizing gas is increased in a high load operation, it is difficult for the upstream side to be overdried or the downstream side to be overwet. For this reason, operation with a higher load becomes possible. For this reason, although the air-cooled fuel cell is driven with a large stoichiometric ratio, a decrease in the output of the fuel cell system is prevented.

この発明は上記発明の実施の態様及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。   The present invention is not limited to the description of the embodiments and examples of the invention described above. Various modifications are also included in the present invention as long as those skilled in the art can easily conceive without departing from the scope of the claims.

実施形態の燃料電池用単層セルの模式断面図である。It is a schematic cross section of the single layer cell for fuel cells of an embodiment. 実施例で調製したマイクロポーラス層の細孔分布の測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result of the pore distribution of the microporous layer prepared in the Example. 実施例の燃料電池単層セルのストイキ比2における電流とセル電圧の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the electric current and cell voltage in the stoichiometric ratio 2 of the fuel cell single layer cell of an Example. 実施例の燃料電池単層セルのストイキ比3における電流とセル電圧の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the electric current in the stoichiometric ratio 3 of the fuel cell single layer cell of an Example, and a cell voltage. 実施例の燃料電池単層セルのストイキ比5における電流とセル電圧の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the electric current and cell voltage in the stoichiometric ratio 5 of the fuel cell single layer cell of an Example. 実施例の燃料電池単層セルのストイキ比10における電流とセル電圧の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the electric current in the stoichiometric ratio 10 of the fuel cell single layer cell of an Example, and a cell voltage. 実施例の燃料電池単層セルのストイキ比2における電流と電極内水分量の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the electric current in the stoichiometric ratio 2 of the fuel cell single layer cell of an Example, and the moisture content in an electrode. 実施例の燃料電池単層セルのストイキ比3における電流と電極内水分量の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the electric current in the stoichiometric ratio 3 of the fuel cell single layer cell of an Example, and the moisture content in an electrode. 実施例の燃料電池単層セルのストイキ比5における電流と電極内水分量の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the electric current in the stoichiometric ratio 5 of the fuel cell single layer cell of an Example, and the moisture content in an electrode. 実施例の燃料電池単層セルのストイキ比10における電流と電極内水分量の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the electric current in the stoichiometric ratio of 10 of the fuel cell single layer cell of an Example, and the moisture content in an electrode. 燃料電池システムの系統図である。It is a systematic diagram of a fuel cell system.

符号の説明Explanation of symbols

11…固体高分子電解質膜
12a、12b…反応層
13、14…拡散層
13a、14a…拡散層基材
13b、13c、13d、14b、14c…マイクロポーラス層
13b、13c、14b、14c…小細孔径マイクロポーラス層
13d…大細孔径マイクロポーラス層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Solid polymer electrolyte membrane 12a, 12b ... Reaction layer 13, 14 ... Diffusion layer 13a, 14a ... Diffusion layer base material 13b, 13c, 13d, 14b, 14c ... Microporous layer 13b, 13c, 14b, 14c ... Small Pore diameter microporous layer 13d ... Large pore diameter microporous layer

Claims (2)

固体高分子電解質膜が触媒を含有する反応層によって両側から挟持され、該反応層の外側からガス透過可能な拡散層で挟持され、さらに該拡散層の外側からガス流路を形成するセパレータで挟持された燃料電池において、
カソード側の拡散層は、拡散層基材の両面に該拡散層基材よりも緻密で撥水性を有するマイクロポーラス層が形成されており、ガス流路側のマイクロポーラス層は上流側よりも下流側のほうがよりガス透過しやすくされていることを特徴とする燃料電池。
A solid polymer electrolyte membrane is sandwiched from both sides by a reaction layer containing a catalyst, sandwiched by a diffusion layer that allows gas permeation from the outside of the reaction layer, and further sandwiched by a separator that forms a gas flow path from the outside of the diffusion layer Fuel cell,
The diffusion layer on the cathode side has microporous layers that are denser and more water-repellent than the diffusion layer substrate on both sides of the diffusion layer substrate, and the microporous layer on the gas flow path side is downstream of the upstream side. A fuel cell characterized in that is more easily gas permeable.
カソード側の拡散層基材の表面に形成されているガス流路側のマイクロポーラス層には一次粒子間に生じる隙間によって細孔径が制御されたカーボンと撥水性樹脂とが含有されており、下流側のカーボンの細孔径は上流側のカーボンの細孔径よりも大きくされていることを特徴とする請求項1記載の燃料電池。   The microporous layer on the gas flow path side formed on the surface of the diffusion layer base material on the cathode side contains carbon and water-repellent resin whose pore diameters are controlled by gaps formed between the primary particles. 2. The fuel cell according to claim 1, wherein the pore diameter of the carbon is larger than the pore diameter of the upstream carbon.
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