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JP2022106440A - Fuel cell - Google Patents

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JP2022106440A
JP2022106440A JP2021001434A JP2021001434A JP2022106440A JP 2022106440 A JP2022106440 A JP 2022106440A JP 2021001434 A JP2021001434 A JP 2021001434A JP 2021001434 A JP2021001434 A JP 2021001434A JP 2022106440 A JP2022106440 A JP 2022106440A
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JP
Japan
Prior art keywords
diffusion layer
gas diffusion
separator
gas
fuel cell
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2021001434A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
正人 加藤
Masato Kato
将之 木村
Masayuki Kimura
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Soken Inc
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Soken Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp, Soken Inc filed Critical Toyota Motor Corp
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E60/50Fuel cells

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  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

To provide a fuel cell comprising a gas diffusion layer which has drainability, conductivity, and rigidity.SOLUTION: A fuel cell comprises: a membrane electrode assembly in which catalyst layers are bonded to both faces of an electrolyte membrane; a first gas diffusion layer which is bonded, on one side, to the membrane electrode assembly; and a separator. The separator has gas passage grooves separated from each other by a rib, and the rib comes into contact with the first gas diffusion layer. The first gas diffusion layer has a drain groove which does not penetrate the first gas diffusion layer in its thickness direction. The drain groove is formed only in a contact region with the rib. The drain groove communicates with the gas passage grooves in the width direction of the first gas diffusion layer.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本開示は、燃料電池に関する。 The present disclosure relates to fuel cells.

燃料電池(FC)は、複数の単セル(以下、セルと記載する場合がある)を積層した燃料電池スタック(以下、単にスタックと記載する場合がある)に、水素等の燃料ガスと酸素、空気等の酸化剤ガスとの電気化学反応によって電気エネルギーを取り出す発電装置である。なお、以下では、燃料ガスや酸化剤ガスを、特に区別することなく単に「反応ガス」あるいは「ガス」と呼ぶ場合もある。また、単セル、及び、単セルを積層した燃料電池スタックのいずれも、燃料電池と呼ぶ場合がある。
燃料電池の燃料極(アノード)では、ガス流路及びガス拡散層から供給される燃料ガスとしての水素(H)が触媒層の触媒作用によりプロトン化し、電解質膜を通過して酸化剤極(カソード)へと移動する。同時に生成した電子は、外部回路を通って仕事をし、カソードへと移動する。カソードに供給される酸化剤ガスとしての酸素(O)は、カソード上でプロトンおよび電子と反応し、水を生成する。生成した水は、電解質膜に適度な湿度を与え、余剰な水はガス拡散層(GDL、以下単に拡散層と記載する場合がある)を透過して、系外へと排出される。
A fuel cell (FC) is a fuel cell stack (hereinafter, may be simply referred to as a stack) in which a plurality of single cells (hereinafter, may be referred to as a cell) are laminated, and a fuel gas such as hydrogen and oxygen are added. It is a power generation device that extracts electrical energy by an electrochemical reaction with an oxidant gas such as air. In the following, the fuel gas and the oxidant gas may be simply referred to as "reaction gas" or "gas" without particular distinction. Further, both a single cell and a fuel cell stack in which single cells are stacked may be referred to as a fuel cell.
At the fuel electrode (anode) of the fuel cell, hydrogen (H 2 ) as a fuel gas supplied from the gas flow path and the gas diffusion layer is protonated by the catalytic action of the catalyst layer, passes through the electrolyte membrane, and passes through the electrolyte membrane to the oxidant electrode (oxidant electrode). Move to the cathode). The electrons generated at the same time work through an external circuit and move to the cathode. Oxygen (O 2 ) as an oxidant gas supplied to the cathode reacts with protons and electrons on the cathode to produce water. The generated water gives an appropriate humidity to the electrolyte membrane, and excess water permeates the gas diffusion layer (GDL, hereinafter simply referred to as a diffusion layer) and is discharged to the outside of the system.

燃料電池車両(以下車両と記載する場合がある)に車載されて用いられる燃料電池に関して様々な技術が提案されている。
例えば特許文献1では、排水性向上のため、ガス拡散層のセパレータのリブ部との接触領域にのみ複数の孔部を形成する旨が開示されている。
Various techniques have been proposed for fuel cells used in a fuel cell vehicle (hereinafter sometimes referred to as a vehicle).
For example, Patent Document 1 discloses that a plurality of holes are formed only in a contact region with a rib portion of a separator of a gas diffusion layer in order to improve drainage.

また、特許文献2では、拡散層に滞留した水を排出するために、拡散層上に直交する格子状の溝を設ける技術が開示されている。 Further, Patent Document 2 discloses a technique of providing orthogonal grid-like grooves on the diffusion layer in order to discharge water accumulated in the diffusion layer.

特開2010-231922号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2010-231922 特開2007-299654号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2007-299654

燃料電池のガス拡散層には、発電時に生じる液水を滞留させないこと、掃気時の排水性を向上させることが求められる。
上記特許文献1に記載の孔部は貫通孔であり、それによりガス拡散層の密度や剛性が低下する。密度の低下によりガス拡散層に求められる導電性が低下したり、剛性の低下によりセパレータのリブとの接触領域で撓みが大きくなりガス拡散層に求められるガスの透過性が低下したりする。
The gas diffusion layer of the fuel cell is required not to retain the liquid water generated during power generation and to improve the drainage property during scavenging.
The hole portion described in Patent Document 1 is a through hole, which reduces the density and rigidity of the gas diffusion layer. The decrease in density reduces the conductivity required for the gas diffusion layer, and the decrease in rigidity causes the deflection in the contact region with the ribs of the separator to increase, resulting in a decrease in the gas permeability required for the gas diffusion layer.

本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、排水性、導電性、剛性を兼ね備えるガス拡散層を備える燃料電池を提供することを主目的とする。 The present disclosure has been made in view of the above circumstances, and an object of the present disclosure is to provide a fuel cell provided with a gas diffusion layer having drainage property, conductivity, and rigidity.

本開示においては、電解質膜の両面に触媒層を接合した膜電極接合体と、
前記膜電極接合体に一方側で接合する第1ガス拡散層と、
セパレータと、を有し、
前記セパレータはリブで隔てられたガス流路溝を有し、当該リブと前記第1ガス拡散層とが当接し、
前記第1ガス拡散層は、当該第1ガス拡散層の厚み方向に貫通しない排水溝を有し、
前記排水溝は、前記リブとの接触領域にのみ形成され、
前記排水溝は、前記第1ガス拡散層の幅方向において前記ガス流路溝と連通することを特徴とする燃料電池を提供する。
In the present disclosure, a membrane electrode assembly in which catalyst layers are bonded to both sides of an electrolyte membrane and a membrane electrode assembly are used.
A first gas diffusion layer bonded to the membrane electrode assembly on one side,
With a separator,
The separator has a gas flow path groove separated by ribs, and the ribs come into contact with the first gas diffusion layer.
The first gas diffusion layer has a drainage groove that does not penetrate in the thickness direction of the first gas diffusion layer.
The drainage ditch is formed only in the contact area with the rib.
The drainage ditch provides a fuel cell characterized in communicating with the gas flow path ditch in the width direction of the first gas diffusion layer.

本開示の燃料電池は、排水性、導電性、剛性を兼ね備え、特に高負荷発電時に大量に生じる液水を滞留させずに排水しやすいガス拡散層を備えるため、発電性能を向上させることができる。 The fuel cell of the present disclosure has drainage, conductivity, and rigidity, and particularly has a gas diffusion layer that easily drains a large amount of liquid water generated during high-load power generation without retaining it, so that the power generation performance can be improved. ..

図1は、ガス拡散層が貫通孔を有する場合と有さない場合における各ガス拡散層の面圧と抵抗との関係を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing the relationship between the surface pressure and resistance of each gas diffusion layer when the gas diffusion layer has a through hole and when it does not. 図2は、燃料電池において、ガス拡散層が貫通孔を有することによりガス拡散層にたわみが生じている場合と、ガス拡散層が貫通孔を有しないことによりガス拡散層にたわみが生じていない場合における各燃料電池の圧力損失を測定した結果を示す図である。FIG. 2 shows a case where the gas diffusion layer has a through hole in the fuel cell and thus the gas diffusion layer is bent, and a case where the gas diffusion layer does not have a through hole and the gas diffusion layer is not bent. It is a figure which shows the result of having measured the pressure loss of each fuel cell in the case. 図3は本開示の燃料電池の一例を示す断面模式図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an example of the fuel cell of the present disclosure. 図4は、セパレータの流路上に溝幅0.1mmの排水溝を設けた拡散層(従来技術)とセパレータの流路上に排水溝を設けていない拡散層(溝なし:本開示)の転落角を測定した結果を示す図である。FIG. 4 shows the fall angles of a diffusion layer (conventional technique) in which a drainage groove having a groove width of 0.1 mm is provided on the flow path of the separator and a diffusion layer (no groove: the present disclosure) in which the drainage groove is not provided on the flow path of the separator. It is a figure which shows the result of having measured. 図5は、溝を有さない拡散層を備える燃料電池、セパレータの流路に当接する領域とリブに当接する領域の両方の領域に溝を有する拡散層を備える燃料電池、セパレータのリブに当接する領域のみに溝を有する拡散層を備える燃料電池の各燃料電池について掃気による排水所要時間を計測した結果を示す図である。FIG. 5 corresponds to a fuel cell having a diffusion layer having no groove, a fuel cell having a diffusion layer having a groove in both a region abutting the flow path of the separator and a region abutting the rib, and a rib of the separator. It is a figure which shows the result of having measured the drainage time by scavenging for each fuel cell of the fuel cell provided with the diffusion layer which has a groove only in the contact area. 図6は、本開示の燃料電池の一例を示す拡散層越しにセパレータを見た場合の燃料電池の上面模式図である。FIG. 6 is a schematic top view of the fuel cell when the separator is seen through the diffusion layer showing an example of the fuel cell of the present disclosure. 図7は、本開示の燃料電池の別の一例を示す拡散層越しにセパレータを見た場合の燃料電池の上面模式図である。FIG. 7 is a schematic top view of the fuel cell when the separator is seen through the diffusion layer showing another example of the fuel cell of the present disclosure. 図8は、本開示の燃料電池の別の一例を示す拡散層越しにセパレータを見た場合の燃料電池の上面模式図である。FIG. 8 is a schematic top view of the fuel cell when the separator is seen through the diffusion layer showing another example of the fuel cell of the present disclosure.

本開示においては、電解質膜の両面に触媒層を接合した膜電極接合体と、
前記膜電極接合体に一方側で接合する第1ガス拡散層と、
セパレータと、を有し、
前記セパレータはリブで隔てられたガス流路溝を有し、当該リブと前記第1ガス拡散層とが当接し、
前記第1ガス拡散層は、当該第1ガス拡散層の厚み方向に貫通しない排水溝を有し、
前記排水溝は、前記リブとの接触領域にのみ形成され、
前記排水溝は、前記第1ガス拡散層の幅方向において前記ガス流路溝と連通することを特徴とする燃料電池を提供する。
In the present disclosure, a membrane electrode assembly in which catalyst layers are bonded to both sides of an electrolyte membrane and a membrane electrode assembly are used.
A first gas diffusion layer bonded to the membrane electrode assembly on one side,
With a separator,
The separator has a gas flow path groove separated by ribs, and the ribs come into contact with the first gas diffusion layer.
The first gas diffusion layer has a drainage groove that does not penetrate in the thickness direction of the first gas diffusion layer.
The drainage ditch is formed only in the contact area with the rib.
The drainage ditch provides a fuel cell characterized in communicating with the gas flow path ditch in the width direction of the first gas diffusion layer.

図1は、ガス拡散層が貫通孔を有する場合と有さない場合における各ガス拡散層の面圧と抵抗との関係を示す図である。
図1に示すように、ガス拡散層に貫通孔を設けると貫通孔を設けない場合と比較してガス拡散層の導電性が低下することがわかる。
また、ガス拡散層に貫通孔を設けるとガス拡散層の基材密度(剛性)が低下する。
図2は、燃料電池において、ガス拡散層が貫通孔を有することによりガス拡散層にたわみが生じている場合と、ガス拡散層が貫通孔を有しないことによりガス拡散層にたわみが生じていない場合における各燃料電池の圧力損失を測定した結果を示す図である。
図2に示すように、ガス拡散層にたわみが生じている場合は、ガス拡散層にたわみが生じていない場合と比較して圧力損失が大きいことがわかる。これにより、ガス拡散層が貫通孔を有することにより、ガス拡散層の剛性が低下し、ガス拡散層の剛性が低下すると、セパレータのリブ下において当接するガス拡散層のたわみが大きくなり、ガス流路を狭め、圧損が上昇すると考えられる。
本開示者らは、上記知見から、ガス拡散層のセパレータのリブ部との接触領域にのみ、厚み方向に貫通しない排水溝を設け、前記排水溝を前記セパレータのガス流路と連通させることにより、導電性、剛性を担保しつつ、ガス流路下の液水を捕集して、ガスを導通させることで液水の持ち去りを促進し、排水性を向上させることができることを見出した。
FIG. 1 is a diagram showing the relationship between the surface pressure and resistance of each gas diffusion layer when the gas diffusion layer has a through hole and when it does not.
As shown in FIG. 1, it can be seen that when the gas diffusion layer is provided with a through hole, the conductivity of the gas diffusion layer is lowered as compared with the case where the through hole is not provided.
Further, if the gas diffusion layer is provided with a through hole, the substrate density (rigidity) of the gas diffusion layer is lowered.
FIG. 2 shows a case where the gas diffusion layer has a through hole in the fuel cell and thus the gas diffusion layer is bent, and a case where the gas diffusion layer does not have a through hole and the gas diffusion layer is not bent. It is a figure which shows the result of having measured the pressure loss of each fuel cell in the case.
As shown in FIG. 2, it can be seen that when the gas diffusion layer is bent, the pressure loss is larger than when the gas diffusion layer is not bent. As a result, since the gas diffusion layer has through holes, the rigidity of the gas diffusion layer decreases, and when the rigidity of the gas diffusion layer decreases, the deflection of the gas diffusion layer that abuts under the rib of the separator increases, and the gas flow. It is thought that the road will be narrowed and the pressure loss will increase.
Based on the above findings, the present disclosers provide a drainage groove that does not penetrate in the thickness direction only in the contact region of the gas diffusion layer with the rib portion of the separator, and communicate the drainage groove with the gas flow path of the separator. It was found that the liquid water under the gas flow path can be collected and the gas can be made conductive to promote the removal of the liquid water and improve the drainage property while ensuring the conductivity and rigidity.

図3は本開示の燃料電池の一例を示す断面模式図である。
図3に示す燃料電池は、第1セパレータ、第1ガス拡散層、MEA、第2ガス拡散層、第2セパレータを有し、第1セパレータはリブで隔てられた流路(ガス流路溝)を有し、第1ガス拡散層は、当該第1ガス拡散層の厚み方向に貫通しない排水溝を有し、排水溝は、リブとの接触領域にのみ形成され、排水溝は、第1ガス拡散層の幅方向において流路と連通している。
第1セパレータは、カソード側セパレータであってもよく、アノード側セパレータであてもよい。第1セパレータと第2セパレータは、一方がカソード側セパレータであり、もう一方がアノード側セパレータである。第1セパレータと第2セパレータをまとめてセパレータと称する。
図3に示す第2ガス拡散層は排水溝を有していないが、第2ガス拡散層は、第1ガス拡散層と同様に排水溝を有していてもよい。第1ガス拡散層と第2ガス拡散層をまとめてガス拡散層又は拡散層と称する。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an example of the fuel cell of the present disclosure.
The fuel cell shown in FIG. 3 has a first separator, a first gas diffusion layer, MEA, a second gas diffusion layer, and a second separator, and the first separator is a flow path (gas flow path groove) separated by ribs. The first gas diffusion layer has a drainage groove that does not penetrate in the thickness direction of the first gas diffusion layer, the drainage groove is formed only in the contact region with the rib, and the drainage groove is the first gas. It communicates with the flow path in the width direction of the diffusion layer.
The first separator may be a cathode side separator or an anode side separator. One of the first separator and the second separator is a cathode side separator and the other is an anode side separator. The first separator and the second separator are collectively referred to as a separator.
Although the second gas diffusion layer shown in FIG. 3 does not have a drainage groove, the second gas diffusion layer may have a drainage groove like the first gas diffusion layer. The first gas diffusion layer and the second gas diffusion layer are collectively referred to as a gas diffusion layer or a diffusion layer.

燃料電池は、燃料電池の単セルを複数積層した燃料電池スタックであってもよい。
単セルの積層数は特に限定されず、例えば、2~数百個であってもよく、2~200個であってもよい。
燃料電池スタックは、単セルの積層方向の両端にエンドプレートを備えていてもよい。
The fuel cell may be a fuel cell stack in which a plurality of single cells of the fuel cell are stacked.
The number of stacked single cells is not particularly limited, and may be, for example, 2 to several hundreds or 2 to 200.
The fuel cell stack may include end plates at both ends of the single cell stacking direction.

燃料電池の単セルは、電解質膜の両面に触媒層を接合した膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)と、膜電極接合体に一方側で接合する第1ガス拡散層と、セパレータと、を有する。
膜電極接合体は、アノード触媒層、電解質膜、カソード触媒層をこの順に有する。
A single cell of a fuel cell includes a membrane electrode assembly (MEA: Membrane Electrode Assembly) in which catalyst layers are bonded to both sides of an electrolyte membrane, a first gas diffusion layer bonded to the membrane electrode assembly on one side, a separator, and the like. Has.
The membrane electrode assembly has an anode catalyst layer, an electrolyte membrane, and a cathode catalyst layer in this order.

本開示の燃料電池は、少なくとも膜電極接合体に一方側で接合する第1ガス拡散層を有し、通常、膜電極接合体にもう一方側で接合する第2ガス拡散層を有する。すなわち、本開示の燃料電池の単セルは、アノード側ガス拡散層、アノード触媒層、電解質膜、カソード触媒層、カソード側ガス拡散層をこの順に有する膜電極ガス拡散層接合体(MEGA)を有していてもよい。
カソード(酸化剤極)は、カソード触媒層を含み、必要に応じてカソード側ガス拡散層を含む。
アノード(燃料極)は、アノード触媒層を含み、必要に応じてアノード側ガス拡散層を含む。
カソード側ガス拡散層及びアノード側ガス拡散層をまとめてガス拡散層と称する。
本開示における第1ガス拡散層は、カソード側ガス拡散層であってもよいしアノード側ガス拡散層であってもよい。第1ガス拡散層と第2ガス拡散層は、一方がカソード側ガス拡散層であり、もう一方がアノード側ガス拡散層である。
The fuel cell of the present disclosure has at least a first gas diffusion layer bonded to the membrane electrode assembly on one side, and usually has a second gas diffusion layer bonded to the membrane electrode assembly on the other side. That is, the single cell of the fuel cell of the present disclosure has a membrane electrode gas diffusion layer conjugate (MEGA) having an anode side gas diffusion layer, an anode catalyst layer, an electrolyte membrane, a cathode catalyst layer, and a cathode side gas diffusion layer in this order. You may be doing it.
The cathode (oxidizing agent electrode) includes a cathode catalyst layer and, if necessary, a cathode side gas diffusion layer.
The anode (fuel electrode) includes an anode catalyst layer and, if necessary, an anode-side gas diffusion layer.
The cathode side gas diffusion layer and the anode side gas diffusion layer are collectively referred to as a gas diffusion layer.
The first gas diffusion layer in the present disclosure may be a cathode side gas diffusion layer or an anode side gas diffusion layer. One of the first gas diffusion layer and the second gas diffusion layer is a cathode side gas diffusion layer, and the other is an anode side gas diffusion layer.

第1ガス拡散層は、当該第1ガス拡散層の厚み方向に貫通しない排水溝を有し、排水溝は、セパレータのリブとの接触領域にのみ形成され、排水溝は、第1ガス拡散層の幅方向においてセパレータのガス流路溝と連通する。第2ガス拡散層は、排水溝を有さないものであってもよく、第1ガス拡散層と同様に、当該第2ガス拡散層の厚み方向に貫通しない排水溝を第2セパレータのリブとの接触領域にのみ有していてもよく、排水溝は、第2ガス拡散層の幅方向において第2セパレータのガス流路溝と連通していてもよい。 The first gas diffusion layer has a drainage groove that does not penetrate in the thickness direction of the first gas diffusion layer, the drainage groove is formed only in the contact region with the rib of the separator, and the drainage groove is the first gas diffusion layer. It communicates with the gas flow path groove of the separator in the width direction of. The second gas diffusion layer may not have a drainage groove, and like the first gas diffusion layer, a drainage groove that does not penetrate in the thickness direction of the second gas diffusion layer is used as a rib of the second separator. The drainage groove may be communicated with the gas flow path groove of the second separator in the width direction of the second gas diffusion layer.

図4は、セパレータの流路上に溝幅0.1mmの排水溝を設けた拡散層(従来技術)とセパレータの流路上に排水溝を設けていない拡散層(溝なし:本開示)の転落角を測定した結果を示す図である。
図4に示すように、流路内に生じる液滴のサイズの場合、溝なしの構成の方が、転落角が小さくなる(=水移動抵抗が小さい)ことがわかる。これは、セパレータの流路上に排水溝を設けた拡散層は、セパレータの流路上に排水溝を設けていない拡散層よりも流路内の排水性が悪化することを示している。
FIG. 4 shows the fall angles of a diffusion layer (conventional technique) in which a drainage groove having a groove width of 0.1 mm is provided on the flow path of the separator and a diffusion layer (no groove: the present disclosure) in which the drainage groove is not provided on the flow path of the separator. It is a figure which shows the result of having measured.
As shown in FIG. 4, in the case of the size of the droplet generated in the flow path, it can be seen that the rolling angle is smaller (= the water movement resistance is smaller) in the configuration without the groove. This indicates that the diffusion layer having the drainage groove on the flow path of the separator has a worse drainage property in the flow path than the diffusion layer having no drainage groove on the flow path of the separator.

拡散層に設けた溝(排水溝)がセパレータの流路(流路部)に重なる構造では、拡散層は通常、PTFEで表面コートされているため撥水性を有するが、拡散層の排水溝はPTFEによるコートがはがれて親水性となるため、PTFEによるコートがある部分との間に親水性-撥水性の境界が生じることで、表面張力に起因する水移動時の抗力が増大し、液水滞留を引き起こし、拡散層が排水溝のない構造である場合よりも流路内の排水性が悪化する。 In a structure in which the groove (drainage groove) provided in the diffusion layer overlaps the flow path (flow path portion) of the separator, the diffusion layer is usually surface-coated with PTFE and thus has water repellency. Since the coat by PTFE is peeled off and becomes hydrophilic, a hydrophilic-water-repellent boundary is created between the part where the coat by PTFE is present, and the resistance force during water movement due to surface tension increases, resulting in liquid water. It causes retention, and the drainage property in the flow path is worse than when the diffusion layer has a structure without a drainage groove.

本開示者らは、溝を有さない拡散層を備える燃料電池、セパレータの流路に当接する領域とリブに当接する領域の両方の領域に溝を有する拡散層を備える燃料電池、セパレータのリブに当接する領域のみに溝を有する拡散層を備える燃料電池、の各燃料電池について、流路内、リブ下に存在する液水を可視化できる治具を使用して、3A/cmの出力で30秒間発電したのち、掃気による排水所要時間を計測した。
図5は、溝を有さない拡散層を備える燃料電池、セパレータの流路に当接する領域とリブに当接する領域の両方の領域に溝を有する拡散層を備える燃料電池、セパレータのリブに当接する領域のみに溝を有する拡散層を備える燃料電池の各燃料電池について掃気による排水所要時間を計測した結果を示す図である。
図5に示すように、セパレータのリブに当接する領域のみに溝を有する拡散層を備える燃料電池の排水所要時間が最も短かったことがわかる。
本開示では、拡散層の排水溝を設ける箇所をセパレータのリブ下に限定し、拡散層の排水溝がセパレータの流路部に重ならないようにすることで、親水性-撥水性の境界が生じない。これによって、流路内の排水性を悪化させることなく拡散層に滞留した水を迅速に排出できる。
本開示は、部品の追加をすることなく、拡散層を打ち抜く工程の変更のみで実現することができるため、製造コストを抑えて拡散層の排水性を改善することができる。
The present disclosures include a fuel cell having a diffusion layer without a groove, a fuel cell having a diffusion layer having a groove in both a region abutting a flow path of a separator and a region abutting a rib, and a rib of a separator. For each fuel cell of a fuel cell having a diffusion layer having a groove only in the region in contact with the fuel cell, a jig capable of visualizing the liquid water existing in the flow path and under the rib is used at an output of 3 A / cm 2 . After generating power for 30 seconds, the time required for drainage by scavenging was measured.
FIG. 5 corresponds to a fuel cell having a diffusion layer having no groove, a fuel cell having a diffusion layer having a groove in both a region abutting the flow path of the separator and a region abutting the rib, and a rib of the separator. It is a figure which shows the result of having measured the drainage time by scavenging for each fuel cell of the fuel cell provided with the diffusion layer which has a groove only in the contact area.
As shown in FIG. 5, it can be seen that the time required for drainage of the fuel cell provided with the diffusion layer having a groove only in the region in contact with the rib of the separator was the shortest.
In the present disclosure, the location where the drainage ditch of the diffusion layer is provided is limited to under the rib of the separator so that the drainage ditch of the diffusion layer does not overlap the flow path portion of the separator, thereby creating a hydrophilic-water repellent boundary. do not have. As a result, the water accumulated in the diffusion layer can be quickly discharged without deteriorating the drainage property in the flow path.
Since the present disclosure can be realized only by changing the process of punching the diffusion layer without adding parts, it is possible to suppress the manufacturing cost and improve the drainage property of the diffusion layer.

本開示のガス拡散層は、カーボンクロス、及びカーボンペーパー等のカーボン多孔質体、並びに、金属メッシュ、金属発泡体等の金属多孔質体等であってもよい。 The gas diffusion layer of the present disclosure may be a carbon porous body such as carbon cloth and carbon paper, or a metal porous body such as a metal mesh or a metal foam.

カソード触媒層及びアノード触媒層をまとめて触媒層と称する。
触媒層は、電気化学反応を促進する金属等の触媒、電解質、及び、電子伝導性を有するカーボン粒子等の担体を備えていてもよい。
触媒(触媒金属)としては、例えば、白金(Pt)、及び、Ptと他の金属とから成る合金(例えばコバルト、及び、ニッケル等を混合したPt合金)等を用いることができる。
The cathode catalyst layer and the anode catalyst layer are collectively referred to as a catalyst layer.
The catalyst layer may include a catalyst such as a metal that promotes an electrochemical reaction, an electrolyte, and a carrier such as carbon particles having electron conductivity.
As the catalyst (catalyst metal), for example, platinum (Pt) and an alloy composed of Pt and another metal (for example, a Pt alloy in which cobalt, nickel and the like are mixed) and the like can be used.

上記触媒はカーボン粒子等の担体上に担持されており、各触媒層では、触媒金属を担持した担体(触媒担持担体)と電解質とが混在していてもよい。
触媒を担持するための担体は、例えば、一般に市販されているカーボン粒子(カーボン粉末)を加熱処理することにより自身の撥水性が高められた撥水化カーボン粒子等を用いてもよい。
The catalyst is supported on a carrier such as carbon particles, and in each catalyst layer, a carrier carrying a catalyst metal (catalyst-supporting carrier) and an electrolyte may be mixed.
As the carrier for supporting the catalyst, for example, water-repellent carbon particles whose water repellency has been enhanced by heat-treating commercially available carbon particles (carbon powder) may be used.

電解質膜は、例えば、固体高分子電解質膜であってもよい。固体高分子電解質膜としては、例えば、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の薄膜等のフッ素系電解質膜、及び、炭化水素系電解質膜等が挙げられる。電解質膜としては、例えば、ナフィオン膜(デュポン社製)等であってもよい。 The electrolyte membrane may be, for example, a solid polymer electrolyte membrane. Examples of the solid polymer electrolyte membrane include a fluorine-based electrolyte membrane such as a thin film of perfluorosulfonic acid containing water, a hydrocarbon-based electrolyte membrane, and the like. The electrolyte membrane may be, for example, a Nafion membrane (manufactured by DuPont) or the like.

単セルは、必要に応じて触媒層とガス拡散層の間にマイクロポーラス層(MPL)を有していてもよい。マイクロポーラス層は、PTFE等の撥水性樹脂とカーボンブラック等の導電性材料との混合物を含んでいてもよい。 The single cell may have a microporous layer (MPL) between the catalyst layer and the gas diffusion layer, if necessary. The microporous layer may contain a mixture of a water repellent resin such as PTFE and a conductive material such as carbon black.

単セルは、リブと第1ガス拡散層とが当接するようにセパレータを備える。単セルは、膜電極ガス拡散層接合体の両面を挟持する2枚のセパレータ(第1セパレータ及び第2セパレータ)を備えてもよい。2枚のセパレータは、一方がアノード側セパレータであり、もう一方がカソード側セパレータである。本開示では、アノード側セパレータとカソード側セパレータとをまとめてセパレータという。
セパレータは、複数のリブと当該リブで隔てられた複数のガス流路溝とを有し、当該リブと第1ガス拡散層とが当接していてもよい。単セルが第2セパレータを有する場合、第2セパレータは、複数のリブと当該リブで隔てられた複数のガス流路溝を有していてもよく、当該リブと第2ガス拡散層とが当接していてもよい。
セパレータは、ガス拡散層に接する面に反応ガス流路を有していてもよい。また、セパレータは、ガス拡散層に接する面とは反対側の面に燃料電池の温度を一定に保つための冷媒流路を有していてもよい。
セパレータは、反応ガス及び冷媒を単セルの積層方向に流通させるための供給孔及び排出孔を有していてもよい。冷媒としては、低温時の凍結を防止するために例えばエチレングリコールと水との混合溶液を用いることができる。反応ガスは、燃料ガス、又は、酸化剤ガスである。燃料ガスは水素等であってもよい。酸化剤ガスは酸素、空気、乾燥空気等であってもよい。
供給孔は、燃料ガス供給孔、酸化剤ガス供給孔、及び、冷媒供給孔等が挙げられる。
排出孔は、燃料ガス排出孔、酸化剤ガス排出孔、及び、冷媒排出孔等が挙げられる。
セパレータは、1つ以上の燃料ガス供給孔を有していてもよく、1つ以上の酸化剤ガス供給孔を有していてもよく、1つ以上の冷媒供給孔を有していてもよく、1つ以上の燃料ガス排出孔を有していてもよく、1つ以上の酸化剤ガス排出孔を有していてもよく、1つ以上の冷媒排出孔を有していてもよい。
セパレータがアノード側セパレータである場合は、1つ以上の燃料ガス供給孔を有していてもよく、1つ以上の酸化剤ガス供給孔を有していてもよく、1つ以上の冷媒供給孔を有していてもよく、1つ以上の燃料ガス排出孔を有していてもよく、1つ以上の酸化剤ガス排出孔を有していてもよく、1つ以上の冷媒排出孔を有していてもよく、アノード側セパレータは、アノード側ガス拡散層に接する面に燃料ガス供給孔から燃料ガス排出孔に燃料ガスを流す燃料ガス流路を有していてもよく、アノード側ガス拡散層に接する面とは反対側の面に冷媒供給孔から冷媒排出孔に冷媒を流す冷媒流路を有していてもよい。
セパレータがカソード側セパレータである場合は、1つ以上の燃料ガス供給孔を有していてもよく、1つ以上の酸化剤ガス供給孔を有していてもよく、1つ以上の冷媒供給孔を有していてもよく、1つ以上の燃料ガス排出孔を有していてもよく、1つ以上の酸化剤ガス排出孔を有していてもよく、1つ以上の冷媒排出孔を有していてもよく、カソード側セパレータは、カソード側ガス拡散層に接する面に酸化剤ガス供給孔から酸化剤ガス排出孔に酸化剤ガスを流す酸化剤ガス流路を有していてもよく、カソード側ガス拡散層に接する面とは反対側の面に冷媒供給孔から冷媒排出孔に冷媒を流す冷媒流路を有していてもよい。
セパレータは、ガス不透過の導電性部材等であってもよい。導電性部材としては、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン、及び、プレス成形した金属(例えば、鉄、アルミニウム、及び、ステンレス等)板等であってもよい。また、セパレータが集電機能を備えるものであってもよい。
The single cell is provided with a separator so that the rib and the first gas diffusion layer are in contact with each other. The single cell may include two separators (first separator and second separator) that sandwich both sides of the membrane electrode gas diffusion layer bonded body. One of the two separators is the anode side separator and the other is the cathode side separator. In the present disclosure, the anode-side separator and the cathode-side separator are collectively referred to as a separator.
The separator may have a plurality of ribs and a plurality of gas flow path grooves separated by the ribs, and the ribs and the first gas diffusion layer may be in contact with each other. When the single cell has a second separator, the second separator may have a plurality of ribs and a plurality of gas flow path grooves separated by the ribs, and the ribs and the second gas diffusion layer are in contact with each other. It may be in contact.
The separator may have a reaction gas flow path on the surface in contact with the gas diffusion layer. Further, the separator may have a refrigerant flow path for keeping the temperature of the fuel cell constant on the surface opposite to the surface in contact with the gas diffusion layer.
The separator may have a supply hole and a discharge hole for flowing the reaction gas and the refrigerant in the stacking direction of the single cell. As the refrigerant, for example, a mixed solution of ethylene glycol and water can be used in order to prevent freezing at a low temperature. The reaction gas is a fuel gas or an oxidant gas. The fuel gas may be hydrogen or the like. The oxidant gas may be oxygen, air, dry air or the like.
Examples of the supply hole include a fuel gas supply hole, an oxidant gas supply hole, and a refrigerant supply hole.
Examples of the discharge hole include a fuel gas discharge hole, an oxidant gas discharge hole, a refrigerant discharge hole, and the like.
The separator may have one or more fuel gas supply holes, one or more oxidant gas supply holes, or one or more refrigerant supply holes. It may have one or more fuel gas discharge holes, one or more oxidant gas discharge holes, or one or more refrigerant discharge holes.
When the separator is an anode-side separator, it may have one or more fuel gas supply holes, or may have one or more oxidant gas supply holes, and one or more refrigerant supply holes. May have one or more fuel gas discharge holes, may have one or more oxidant gas discharge holes, and may have one or more refrigerant discharge holes. The anode-side separator may have a fuel gas flow path for flowing fuel gas from the fuel gas supply hole to the fuel gas discharge hole on the surface in contact with the anode-side gas diffusion layer, and the anode-side gas diffusion may be performed. A gas flow path for flowing a gas from a gas supply hole to a gas discharge hole may be provided on a surface opposite to the surface in contact with the layer.
When the separator is a cathode side separator, it may have one or more fuel gas supply holes, or may have one or more oxidant gas supply holes, and one or more refrigerant supply holes. May have one or more fuel gas discharge holes, may have one or more oxidant gas discharge holes, and may have one or more refrigerant discharge holes. The cathode side separator may have an oxidant gas flow path for flowing the oxidant gas from the oxidant gas supply hole to the oxidant gas discharge hole on the surface in contact with the cathode side gas diffusion layer. A refrigerant flow path for flowing the refrigerant from the refrigerant supply hole to the refrigerant discharge hole may be provided on the surface opposite to the surface in contact with the gas diffusion layer on the cathode side.
The separator may be a gas-impermeable conductive member or the like. The conductive member may be, for example, dense carbon obtained by compressing carbon to make it gas impermeable, a press-molded metal (for example, iron, aluminum, stainless steel, etc.) plate or the like. Further, the separator may have a current collecting function.

燃料電池スタックは、各供給孔が連通した入口マニホールド、及び、各排出孔が連通した出口マニホールド等のマニホールドを有していてもよい。
入口マニホールドは、アノード入口マニホールド、カソード入口マニホールド、及び、冷媒入口マニホールド等が挙げられる。
出口マニホールドは、アノード出口マニホールド、カソード出口マニホールド、及び、冷媒出口マニホールド等が挙げられる。
The fuel cell stack may have a manifold such as an inlet manifold in which each supply hole communicates and an outlet manifold in which each discharge hole communicates.
Examples of the inlet manifold include an anode inlet manifold, a cathode inlet manifold, and a refrigerant inlet manifold.
Examples of the outlet manifold include an anode outlet manifold, a cathode outlet manifold, and a refrigerant outlet manifold.

第1ガス拡散層が有する排水溝は、第1ガス拡散層の厚み方向に貫通しておらず、第1ガス拡散層の幅方向においてセパレータのガス流路溝と連通していれば、その平面視形状は特に限定されず、リブとの接触領域において、2本1組の排水溝が直交して格子形状を形成していてもよく、複数の排水溝がそれぞれ平行に配置されていてもよく、複数の排水溝がそれぞれ曲線状に配置されていてもよい。第2ガス拡散層が排水溝を有する場合の当該排水溝の平面視形状も第1ガス拡散層の場合と同様である。
図6は、本開示の燃料電池の一例を示す拡散層越しにセパレータを見た場合の燃料電池の上面模式図である。図6に示す燃料電池が備える拡散層は、セパレータのリブと当接する領域に直交するような格子状の拡散層溝(排水溝)を設けている。
図7は、本開示の燃料電池の別の一例を示す拡散層越しにセパレータを見た場合の燃料電池の上面模式図である。図7に示す燃料電池が備える拡散層は、セパレータのリブと当接する領域に互いに平行に複数の拡散層溝(排水溝)を設けている。
図8は、本開示の燃料電池の別の一例を示す拡散層越しにセパレータを見た場合の燃料電池の上面模式図である。図8に示すように複数の拡散層溝(排水溝)は、必ずしも互いに平行に設けられている必要はない。
If the drainage groove of the first gas diffusion layer does not penetrate in the thickness direction of the first gas diffusion layer and communicates with the gas flow path groove of the separator in the width direction of the first gas diffusion layer, the plane thereof. The visual shape is not particularly limited, and in the contact region with the rib, a set of two drainage grooves may form an orthogonal grid shape, or a plurality of drainage grooves may be arranged in parallel with each other. , A plurality of drainage ditches may be arranged in a curved shape. When the second gas diffusion layer has a drainage ditch, the shape of the drainage ditch in a plan view is the same as that of the first gas diffusion layer.
FIG. 6 is a schematic top view of the fuel cell when the separator is seen through the diffusion layer showing an example of the fuel cell of the present disclosure. The diffusion layer included in the fuel cell shown in FIG. 6 is provided with a grid-like diffusion layer groove (drainage groove) orthogonal to the region in contact with the rib of the separator.
FIG. 7 is a schematic top view of the fuel cell when the separator is seen through the diffusion layer showing another example of the fuel cell of the present disclosure. The diffusion layer included in the fuel cell shown in FIG. 7 is provided with a plurality of diffusion layer grooves (drainage grooves) parallel to each other in a region in contact with the rib of the separator.
FIG. 8 is a schematic top view of the fuel cell when the separator is seen through the diffusion layer showing another example of the fuel cell of the present disclosure. As shown in FIG. 8, the plurality of diffusion layer grooves (drainage grooves) do not necessarily have to be provided in parallel with each other.

Claims (1)

電解質膜の両面に触媒層を接合した膜電極接合体と、
前記膜電極接合体に一方側で接合する第1ガス拡散層と、
セパレータと、を有し、
前記セパレータはリブで隔てられたガス流路溝を有し、当該リブと前記第1ガス拡散層とが当接し、
前記第1ガス拡散層は、当該第1ガス拡散層の厚み方向に貫通しない排水溝を有し、
前記排水溝は、前記リブとの接触領域にのみ形成され、
前記排水溝は、前記第1ガス拡散層の幅方向において前記ガス流路溝と連通することを特徴とする燃料電池。
A membrane electrode assembly in which catalyst layers are bonded to both sides of the electrolyte membrane,
A first gas diffusion layer bonded to the membrane electrode assembly on one side,
With a separator,
The separator has a gas flow path groove separated by ribs, and the ribs come into contact with the first gas diffusion layer.
The first gas diffusion layer has a drainage groove that does not penetrate in the thickness direction of the first gas diffusion layer.
The drainage ditch is formed only in the contact area with the rib.
A fuel cell characterized in that the drainage ditch communicates with the gas flow path ditch in the width direction of the first gas diffusion layer.
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