JP2009064615A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
【課題】固体高分子型燃料電池が備える電解質膜が水分不足となることを抑制する。
【解決手段】固体高分子型燃料電池は、電解質膜と、電解質膜上に形成された電極であるアノードおよびカソードと、各々の電極上に配置されるガス拡散層を備える。また、各々のガス拡散層上に配置されて、アノード側に配置されたガス拡散層との間に、水素を含有する燃料ガスが上流側から下流側へと流れる燃料ガス流路を形成すると共に、カソード側に配置されたガス拡散層との間に、酸素を含有する酸化ガスが流れる酸化ガス流路を形成するガスセパレータを備える。アノード側に配置されたガス拡散層とカソード側に配置されたガス拡散層の少なくとも一方は、燃料ガス流路に対して燃料ガスが流入する入り口部近傍領域において、電解質膜と燃料ガス流路との間の熱抵抗が、電解質膜と酸化ガス流路との間の熱抵抗よりも小さくなるように、面内で厚さが変化している。
【選択図】図1An electrolyte membrane included in a polymer electrolyte fuel cell is prevented from being deficient in moisture.
A polymer electrolyte fuel cell includes an electrolyte membrane, an anode and a cathode that are electrodes formed on the electrolyte membrane, and a gas diffusion layer disposed on each electrode. In addition, a fuel gas flow path is formed between each gas diffusion layer and the gas diffusion layer disposed on the anode side so that the fuel gas containing hydrogen flows from the upstream side to the downstream side. A gas separator is provided between the gas diffusion layer disposed on the cathode side and forming an oxidizing gas flow path through which an oxidizing gas containing oxygen flows. At least one of the gas diffusion layer disposed on the anode side and the gas diffusion layer disposed on the cathode side includes an electrolyte membrane, a fuel gas flow channel, and a fuel gas flow channel in a region near the inlet where the fuel gas flows into the fuel gas flow channel. The thickness changes in the plane so that the thermal resistance between the two is smaller than the thermal resistance between the electrolyte membrane and the oxidizing gas flow path.
[Selection] Figure 1
Description
この発明は、燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell.
固体高分子型燃料電池が備える電解質膜は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示すため、固体高分子型燃料電池の電池性能を維持するためには、電解質膜の含水量を充分に保つことが必要となる。このような電解質膜の含水量を保つための方策の一つとして、電解質膜のカソード側の面上に配置されるガス拡散層において、例えば酸化ガス流れの上流側ほどガス拡散層を厚く形成することによって、酸化ガス流れの上流側ほどガス拡散層の水分透過性を低くする構成が提案されている(例えば、特許文献1参照)。このように酸化ガス流れの上流側ほどガス拡散層の水分透過性を低くすることで、酸化ガス中の湿度がより低い上流部において、電解質膜中の水分の酸化ガス中への蒸発を抑制して、電解質膜の含水量の低下を防いでいる。 Since the electrolyte membrane provided in the polymer electrolyte fuel cell exhibits good proton conductivity in a wet state, the water content of the electrolyte membrane must be sufficiently maintained in order to maintain the cell performance of the polymer electrolyte fuel cell. Is required. As one of the measures for maintaining the water content of the electrolyte membrane, in the gas diffusion layer disposed on the cathode side surface of the electrolyte membrane, for example, the gas diffusion layer is formed thicker toward the upstream side of the oxidizing gas flow. Thus, a configuration has been proposed in which the moisture permeability of the gas diffusion layer is lowered toward the upstream side of the oxidizing gas flow (see, for example, Patent Document 1). In this way, by lowering the moisture permeability of the gas diffusion layer toward the upstream side of the oxidizing gas flow, the evaporation of moisture in the electrolyte membrane into the oxidizing gas is suppressed in the upstream portion where the humidity in the oxidizing gas is lower. Thus, the water content of the electrolyte membrane is prevented from decreasing.
しかしながら、電解質膜の水分量の低下を抑制するためには、カソード側の面から酸化ガス中への水分の蒸発を抑制するだけでは不十分となる場合があった。上記した電解質膜のカソード側の面では発電に伴って水が生じるのに対し、アノード側の面は発電に伴って水がカソード側に移動して水分不足となり易いため、電解質膜のアノード側の面における含水量の状態は、電池性能に対して、より大きく影響する場合があった。そのため、電解質膜における含水量の調節の更なる適正化が望まれていた。 However, in order to suppress a decrease in the water content of the electrolyte membrane, it may be insufficient to simply suppress the evaporation of water from the cathode side surface into the oxidizing gas. While water is generated on the cathode side of the electrolyte membrane as power is generated, the surface on the anode side tends to be deficient in water due to the power generation. The state of moisture content on the surface may have a greater influence on the battery performance. Therefore, further optimization of the adjustment of the water content in the electrolyte membrane has been desired.
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、固体高分子型燃料電池が備える電解質膜が水分不足となることを抑制することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to prevent the electrolyte membrane included in the polymer electrolyte fuel cell from being deficient in water.
上記目的を達成するために、本発明の一態様としての燃料電池は、固体高分子型燃料電池であって、
電解質膜と、
前記電解質膜のそれぞれの面上に形成された電極であるアノードおよびカソードと、
各々の前記電極上に配置され、導電性多孔質部材によって形成されるガス拡散層と、
各々の前記ガス拡散層上に配置されて、アノード側に配置された前記ガス拡散層との間に、水素を含有する燃料ガスが上流側から下流側へと流れる燃料ガス流路を形成すると共に、カソード側に配置された前記ガス拡散層との間に、酸素を含有する酸化ガスが流れる酸化ガス流路を形成するガスセパレータと、
を備え、
アノード側に配置された前記ガス拡散層とカソード側に配置された前記ガス拡散層の少なくとも一方は、前記燃料ガス流路に対して前記燃料ガスが流入する入り口部近傍領域において、前記電解質膜と前記燃料ガス流路との間の熱抵抗が、前記電解質膜と前記酸化ガス流路との間の熱抵抗よりも小さくなるように、面内で厚さが変化している。
In order to achieve the above object, a fuel cell as one embodiment of the present invention is a polymer electrolyte fuel cell,
An electrolyte membrane;
An anode and a cathode, which are electrodes formed on each surface of the electrolyte membrane;
A gas diffusion layer disposed on each of the electrodes and formed by a conductive porous member;
Between each gas diffusion layer and the gas diffusion layer disposed on the anode side, a fuel gas flow path in which a fuel gas containing hydrogen flows from the upstream side to the downstream side is formed. A gas separator that forms an oxidizing gas passage through which an oxidizing gas containing oxygen flows between the gas diffusion layer disposed on the cathode side;
With
At least one of the gas diffusion layer disposed on the anode side and the gas diffusion layer disposed on the cathode side includes the electrolyte membrane in a region near the entrance where the fuel gas flows into the fuel gas flow path. The thickness changes in the plane so that the thermal resistance between the fuel gas flow path is smaller than the thermal resistance between the electrolyte membrane and the oxidizing gas flow path.
以上のように構成された本発明の一態様としての燃料電池によれば、少なくとも一方のガス拡散層は、燃料ガス流路に対して燃料ガスが流入する入り口部近傍領域において、電解質膜と燃料ガス流路との間の熱抵抗が、電解質膜と酸化ガス流路との間の熱抵抗よりも小さくなるように、面内で厚さが変化している。そのため、上記入り口部近傍領域において、電解質膜から燃料ガス流路側への伝熱が促進され、電解質膜内ではカソード側からアノード側への水の移動が促進される。したがって、電解質膜において、燃料ガス流れの上流におけるアノード側の膜乾燥を抑制し、電池性能を向上させることができる。 According to the fuel cell as one aspect of the present invention configured as described above, at least one of the gas diffusion layers includes the electrolyte membrane and the fuel in the vicinity of the inlet portion where the fuel gas flows into the fuel gas flow path. The thickness changes in the plane so that the thermal resistance between the gas flow path is smaller than the thermal resistance between the electrolyte membrane and the oxidizing gas flow path. Therefore, heat transfer from the electrolyte membrane to the fuel gas flow path side is promoted in the vicinity of the inlet portion, and movement of water from the cathode side to the anode side is promoted in the electrolyte membrane. Therefore, in the electrolyte membrane, membrane drying on the anode side upstream of the fuel gas flow can be suppressed, and battery performance can be improved.
上記本発明の一態様としての燃料電池において、アノード側に配置された前記ガス拡散層は、前記燃料ガスの流れ方向において、下流側よりも上流側が薄く形成されていることとしても良い。このような構成とすれば、アノード側のガス拡散層の厚みを面内で変化させることにより、既述した入り口部近傍領域において、電解質膜と燃料ガス流路との間の熱抵抗を、電解質膜と酸化ガス流路との間の熱抵抗よりも小さくして、膜乾燥を抑制することができる。 In the fuel cell as one aspect of the present invention, the gas diffusion layer disposed on the anode side may be formed thinner on the upstream side than on the downstream side in the flow direction of the fuel gas. With such a configuration, by changing the thickness of the gas diffusion layer on the anode side in the plane, the thermal resistance between the electrolyte membrane and the fuel gas flow path can be reduced in the region near the entrance portion described above. Membrane drying can be suppressed by making it smaller than the thermal resistance between the membrane and the oxidizing gas flow path.
このような燃料電池において、さらに、前記アノードとアノード側に配置された前記ガス拡散層との間に、導電性粒子および撥水性物質を備える第1の撥水層を備え、前記第1の撥水層は、前記燃料ガスの流れ方向において、下流側よりも上流側が厚く形成されていることとしても良い。このような構成とすれば、熱抵抗に対する影響が比較的小さい第1の撥水層の厚みを面内で変化させることにより、アノード側のガス拡散層の厚みを面内で変化させたことによる効果を損なうことなく、ガス拡散層および撥水層を含む部材を積層した構造全体の厚みを均一化することができる。 In such a fuel cell, a first water repellent layer comprising conductive particles and a water repellent substance is further provided between the anode and the gas diffusion layer disposed on the anode side, and the first repellent layer is provided. The water layer may be formed thicker on the upstream side than on the downstream side in the flow direction of the fuel gas. With such a configuration, the thickness of the gas diffusion layer on the anode side is changed in the plane by changing the thickness of the first water-repellent layer having a relatively small influence on the thermal resistance in the plane. The thickness of the entire structure in which the members including the gas diffusion layer and the water repellent layer are laminated can be made uniform without impairing the effect.
また、本発明の一態様としての燃料電池において、カソード側に配置された前記ガス拡散層は、前記燃料ガスの流れ方向において、下流側よりも上流側が厚く形成されていることとしても良い。このような構成とすれば、アノード側のガス拡散層に加えて、あるいはアノード側のガス拡散層に代えて、カソード側のガス拡散層の厚みを面内で変化させることにより、既述した入り口部近傍領域において、電解質膜と燃料ガス流路との間の熱抵抗を、電解質膜と酸化ガス流路との間の熱抵抗よりも小さくして、膜乾燥を抑制することができる。 In the fuel cell as one embodiment of the present invention, the gas diffusion layer disposed on the cathode side may be formed thicker on the upstream side than on the downstream side in the flow direction of the fuel gas. With such a configuration, in addition to the gas diffusion layer on the anode side or in place of the gas diffusion layer on the anode side, the thickness of the gas diffusion layer on the cathode side is changed in the plane, so that the above-described entrance In the region in the vicinity of the part, the thermal resistance between the electrolyte membrane and the fuel gas flow channel can be made smaller than the thermal resistance between the electrolyte membrane and the oxidizing gas flow channel, and membrane drying can be suppressed.
このような燃料電池において、さらに、前記カソードとカソード側に配置された前記ガス拡散層との間に、導電性粒子および撥水性物質を備える第2の撥水層を備え、前記第2の撥水層は、前記燃料ガスの流れ方向において、下流側よりも上流側が薄く形成されていることとしても良い。このような構成とすれば、熱抵抗に対する影響が比較的小さい第2の撥水層の厚みを面内で変化させることにより、カソード側のガス拡散層の厚みを面内で変化させたことによる効果を損なうことなく、ガス拡散層および撥水層を含む部材を積層した構造全体の厚みを均一化することができる。 In such a fuel cell, a second water repellent layer comprising conductive particles and a water repellent substance is further provided between the cathode and the gas diffusion layer disposed on the cathode side, and the second repellent layer is provided. The water layer may be formed so that the upstream side is thinner than the downstream side in the flow direction of the fuel gas. With such a configuration, the thickness of the gas diffusion layer on the cathode side is changed in the plane by changing the thickness of the second water-repellent layer having a relatively small influence on the thermal resistance in the plane. The thickness of the entire structure in which the members including the gas diffusion layer and the water repellent layer are laminated can be made uniform without impairing the effect.
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池における電解質膜の乾燥抑制方法などの形態で実現することが可能である。 The present invention can be realized in various forms other than those described above. For example, the present invention can be realized in a form such as a method for suppressing drying of an electrolyte membrane in a fuel cell.
A.燃料電池の構成:
図1は、本発明の実施例としての燃料電池を構成する単セル10の概略構成を現わす断面模式図であり、図2は、分解斜視図である。図2では、図1に示す断面の位置を、1−1断面として示している。本実施例の燃料電池は、固体高分子型燃料電池であり、単セル10を複数積層したスタック構造を有している。単セル10は、電解質を含むMEA(膜−電極接合体、Membrane Electrode Assembly)12と、MEA12を両側から挟持してサンドイッチ構造を形成するガス拡散層16,17と、このサンドイッチ構造をさらに両側から挟持するセパレータ20,21とを、順次積層することによって形成されている。さらに、単セル10においては、MEA12とガス拡散層16,17との間に、撥水層18,19が形成されている。
A. Fuel cell configuration:
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a
MEA12は、電解質膜13と、電解質膜13を間に挟んでその表面に形成された電極であるアノード14およびカソード15を備えている。電解質膜13は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。本実施例では、ナフィオン膜(デュポン社製)を使用した。アノード14およびカソード15は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金、あるいは白金と他の金属から成る合金を備えている。アノード14およびカソード15を形成するには、例えば、白金または白金と他の金属からなる合金を担持させたカーボン粉を作製し、この触媒を担持したカーボン粉を適当な有機溶剤に分散させ、電解質溶液(例えば、Aldrich Chemical社、Nafion Solution)を適量添加して、触媒ペーストを作製すればよい。この触媒ペーストを、電解質膜13上にスクリーン印刷等の方法により塗布することで、アノード14およびカソード15を形成することができる。
The
ガス拡散層16,17は、ガス透過性および導電性を有する部材によって構成されている。本実施例では、ガス拡散層16,17は、カーボンクロスやカーボンペーパなどのカーボン多孔質体によって形成されている。ガス拡散層16,17を設けることによって、電極に対するガス供給効率を向上させると共に、セパレータ20,21と電極との間の集電性を高めることができ、さらに電解質膜13を保護することができる。このようなガス拡散層16,17の厚みは、例えば、100〜500μmとすることができる。
The
撥水層18,19は、導電性粒子、例えばカーボン粒子と、フッ素系樹脂等の撥水性樹脂とを含むペーストを、ガス拡散層16,17となるカーボン多孔質体の一方の面(MEA12に重ね合わせる面)上に塗布することによって形成されている。電極とガス拡散層との間に設けられた撥水層は、液水を弾いて電極側に押し戻す働きを有し、このように液水を押し戻すことによって電解質膜13が水分不足となることを抑制している。また、液水を弾くことによって、ガス拡散層16,17が備える細孔が液水によって閉塞されることを抑制し、細孔の閉塞に起因するガス流れの阻害を抑えている。なお、本実施例では、既述したガス拡散層16および撥水層18の厚みが均一ではなく、その厚みの面内分布に特徴があるが、これらの構成については後に詳述する。このような撥水層18,19の厚みは、例えば、20〜80μmとすることができる。
The water
セパレータ20,21は、カーボンや金属などの導電性材料で形成されたガス不透過な薄板状部材である。セパレータ20,21は、単セル10内に配置されて反応ガス(水素を含有する燃料ガスあるいは酸素を含有する酸化ガス)が流れるガス流路の壁面を成す部材であって、その表面には、単セル10内のガス流路を形成するための凹凸形状が形成されている。単セル10内では、溝22が形成されたセパレータ20の一方の面とアノード14との間には、燃料ガスの流路であるセル内燃料ガス流路が形成される。また、溝23が形成されたセパレータ21の一方の面とカソード15との間には、酸化ガスの流路であるセル内酸化ガス流路が形成される(図1参照)。なお、セパレータ20,21は、それぞれ、一方の面に上記溝22が形成されると共に、他方の面に溝23が形成された、同じ形状の部材である。
The
セパレータ20,21は、その外周近くの互いに対応する位置に、孔部30〜33を備えている。セパレータ20,21を、MEA12およびガス拡散層16,17と共に積層して燃料電池を組み立てると、積層された各セパレータの対応する位置に設けられた孔部は、互いに重なり合って、セパレータの積層方向に燃料電池内部を貫通する流路を形成する。すなわち、セル内ガス流路に対して反応ガスを供給・排出する給排ガス流路であるガスマニホールドを形成する。具体的には、溝22と連通する孔部30および孔部31は、それぞれ、各セル内燃料ガス流路に燃料ガスを分配する燃料ガス供給マニホールドと、各セル内燃料ガス流路から排出されるアノード排ガスが集合する燃料ガス排出マニホールドを形成する。また、溝23と連通する孔部32および孔部33は、それぞれ、酸化ガス供給マニホールドと、酸化ガス排出マニホールドを形成する。
The
なお、図示は省略しているが、スタック構造の内部温度を調節するために、各単セル間に、あるいは所定数の単セルを積層する毎に、冷媒の通過する冷媒流路を設けても良い。冷媒流路は、隣り合う単セル間において、一方の単セルが備えるセパレータ21と、これに隣接して設けられる他方の単セルのセパレータ20との間に設ければよい。
Although illustration is omitted, in order to adjust the internal temperature of the stack structure, a refrigerant flow path through which the refrigerant passes may be provided between the single cells or every time a predetermined number of single cells are stacked. good. The refrigerant flow path may be provided between adjacent single cells and between the
燃料電池を組み立てる際には、各部材を図1に示す順序で積層して単セル10を組み立ていると共に、このような単セル10を所定数積層して、スタック構造を有する燃料電池を製造する。ここで、本実施例では、既述したように、ガス拡散層16と撥水層18の厚みが均一ではなく、燃料電池の組み立ての際には、単セル10内の燃料ガスの流れ方向に対して上記厚みの分布が特定の状態となるように、ガス拡散層16および撥水層18を配置している。以下、ガス拡散層16および撥水層18の厚みの分布について説明する。
When assembling a fuel cell, each member is stacked in the order shown in FIG. 1 to assemble a
図3は、ガス拡散層16の構成の概略を表わす斜視図である。四角形状に形成されたガス拡散層16は、一辺(図3における辺40)近傍領域から、この一辺に対向する辺(図3における辺41)の近傍領域に向かって、段階的に厚みが増加する形状となっている。具体的には、一方の面(図3で手前に表わされている面)では、厚みが段階的に増加するように段差が形成されると共に、他方の面(図3では裏側となっている面)は、段差の無い平坦面に形成されている。本実施例では、撥水層18は、既述したように、カーボン粒子と撥水性樹脂とを含むペーストをガス拡散層16上に塗布して形成しているが、上記ペーストの塗布は、ガス拡散層16の面の内、段差が形成された面に対して行なわれている。そして、ガス拡散層16が薄い領域ほど上記ペーストを厚く塗布することにより、撥水層18を塗布したガス拡散層16は、全体として、略均一な厚みとなっている。なお、上記ペーストを塗布すると、ペーストの一部は、多孔質体であるガス拡散層16の表面から内部へと入り込む。ガス拡散層16内へと入り込むペースト量は、ペーストの組成や固形分の濃度等により変化するが、このように内部に入り込む量を考慮して、全体として厚みが略均一となるようにペーストを塗布することによって、撥水層18を形成すればよい。また、図1および図3では、ガス拡散層16の厚さは、3段階に変化することとしているが、厚みが変化する段階の数は、異なる数としても良い。
FIG. 3 is a perspective view schematically showing the configuration of the
燃料電池を組み立てる際には、撥水層18を設けたガス拡散層16は、セル内燃料ガス流路の入り口側ほどガス拡散層18の厚みが薄くなる向きとしつつ、撥水層18をMEA12側として配置される(図1参照)。具体的には、図3に示す辺40が、燃料ガス供給マニホールドを形成する孔部30に近接し、辺41が、燃料ガス排出マニホールドを形成する孔部31に近接するように、ガス拡散層18を配置する。なお、カソード側に配置されるガス拡散層17は、その外周形状は、図3に示したガス拡散層16と同一であるが、全体として均一な厚みに形成されている。そして、このようなガス拡散層17上に、既述した撥水層18を形成したものと同様にペーストを均一な厚みに塗布することにより、撥水層19が形成されている。
When assembling the fuel cell, the
B.部材の厚みと伝熱および水移動の関係:
燃料電池で電気化学反応が進行する際には、発電に伴ってカソードにて水が生じる。生じた水の一部は、カソードが形成された電解質膜表面から酸化ガス中に気化すると共に、他の一部は、電解質膜内をアノード側へと拡散・移動する。このような電解質膜内の水の一部は、電解質膜のアノード側表面から、燃料ガス中に気化する。ここで、固体高分子電解質からなる電解質膜は、含水量の低下に伴ってプロトン伝導性が低下するため、電解質膜の含水量が低下すると、燃料電池の出力電圧が低下する。燃料電池においては、その運転温度が高いほど、電極が備える触媒の活性が高くなるが、運転温度が上昇すると、電解質膜から反応ガスへの水の蒸発量が増大して電解質膜が乾燥し易くなり、上記のように電圧低下が引き起こされ易くなる。そのため、燃料電池の性能を向上させるには、高温での運転時においても、電解質膜の乾燥を抑えることが望まれる。
B. Relationship between member thickness, heat transfer and water transfer:
When an electrochemical reaction proceeds in the fuel cell, water is generated at the cathode as power is generated. Part of the generated water is vaporized into the oxidizing gas from the surface of the electrolyte membrane on which the cathode is formed, and the other part diffuses and moves to the anode side in the electrolyte membrane. A part of the water in the electrolyte membrane evaporates into the fuel gas from the anode side surface of the electrolyte membrane. Here, an electrolyte membrane made of a solid polymer electrolyte has a proton conductivity that decreases with a decrease in water content. Therefore, when the water content of the electrolyte membrane decreases, the output voltage of the fuel cell decreases. In a fuel cell, the higher the operating temperature, the higher the activity of the catalyst provided in the electrode. However, when the operating temperature rises, the amount of water evaporated from the electrolyte membrane to the reaction gas increases and the electrolyte membrane tends to dry. Thus, a voltage drop is likely to be caused as described above. Therefore, in order to improve the performance of the fuel cell, it is desired to suppress drying of the electrolyte membrane even during operation at a high temperature.
このような燃料電池において、アノード側とカソード側とで構成を異ならせることによって、高温における電池性能を向上させることができるという知見が得られたので以下に説明する。具体的には、ガス拡散層の有無と、発電時の電圧との関係を調べた。図4は、電池性能を調べるために用いた燃料電池を構成する単セルの構成を表わす断面模式図である。図1に示した第1実施例の燃料電池と共通する部分には同じ参照番号を付している。図4(A)の単セル510は、アノード側にはガス拡散層を備えず、カソード側の撥水層19と同様に均一な厚みに形成された撥水層518のみを備えている。また、図4(A)に示す燃料電池は、セル内ガス流路を形成する凹凸を備えるセパレータ20,21に代えて、凹凸を有しない平坦面が形成されたセパレータ520,521を備えている。さらに、図4(A)に示す燃料電池は、撥水層と518とセパレータ520の間、および、ガス拡散層17とセパレータ521の間に、それぞれ、平板状の導電性多孔質体からなる流路形成部522,523を備えている。図4(A)の単セルでは、流路形成部522,523が備える細孔が形成する空間によって、セル内ガス流路が形成されている。
In such a fuel cell, the knowledge that the cell performance at a high temperature can be improved by changing the configuration on the anode side and the cathode side will be described below. Specifically, the relationship between the presence or absence of a gas diffusion layer and the voltage during power generation was examined. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a single cell constituting a fuel cell used for examining battery performance. Portions common to the fuel cell of the first embodiment shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. A
図4(B)の単セル610は、ガス拡散層16および撥水層18に代えて、カソード側と同様に、均一な厚みに形成されたガス拡散層616および撥水層518を備える。また、図4(A)と同様に、セパレータ20,21に代えてセパレータ520,521を備えると共に、ガス拡散層とセパレータとの間には、セル内ガス流路を形成する流路形成部522,523が配置されている。すなわち、図4(A)の単セル510と図4(B)の単セル610とは、アノード側のガス拡散層の有無のみが異なっている。なお、図4(A)および(B)では、流路形成部522内に形成されるセル内燃料ガス流路における燃料ガスの流れ方向を、矢印で示している。
A
図5は、上記2種類の燃料電池について、運転温度を種々異ならせて、出力電圧を調べた結果の一例を示す説明図である。ここでは、燃料電池の運転温度として、燃料電池内を流れて燃料電池から排出された冷却水の温度を用いた。さらにここでは、それぞれの燃料電池について、カソードに酸化ガスとして供給する空気を加湿する条件と加湿しない条件とについて、電圧低下を調べた。加湿は、55℃のバブラを用いて行なった。燃料ガスとしては水素ガスを用い、出力電流値を一定値(1.6A/cm2)として、運転温度を次第に上昇させたときの出力電圧の低下の様子を調べた。電圧低下は、冷却水の出口温度が75℃のときの出力電圧からの低下の程度により表わしている。 FIG. 5 is an explanatory diagram showing an example of the result of examining the output voltage of the two types of fuel cells with different operating temperatures. Here, the temperature of the cooling water flowing through the fuel cell and discharged from the fuel cell was used as the operating temperature of the fuel cell. Further, here, for each fuel cell, the voltage drop was examined under the condition of humidifying the air supplied as the oxidizing gas to the cathode and the condition of not humidifying. Humidification was performed using a 55 ° C. bubbler. Hydrogen gas was used as the fuel gas, the output current value was set to a constant value (1.6 A / cm 2 ), and the state of decrease in output voltage when the operating temperature was gradually increased was examined. The voltage drop is represented by the degree of drop from the output voltage when the cooling water outlet temperature is 75 ° C.
図5中、グラフ(1)は、図4(A)に示す燃料電池に対して加湿した酸化ガスを供給したときの電圧低下を調べた結果を表わし、グラフ(2)は、図4(B)に示す燃料電池に対して加湿した酸化ガスを供給したときの電圧低下を調べた結果を表わす。また、グラフ(3)は、図4(A)に示す燃料電池に対して加湿しない酸化ガスを供給したときの電圧低下を調べた結果を表わし、グラフ(4)は、図(B)に示す燃料電池に対して加湿しない酸化ガスを供給したときの電圧低下を調べた結果を表わす。 In FIG. 5, graph (1) represents the results of examining the voltage drop when humidified oxidizing gas was supplied to the fuel cell shown in FIG. 4 (A), and graph (2) represents the result of FIG. The result of investigating the voltage drop when the humidified oxidizing gas is supplied to the fuel cell shown in FIG. Graph (3) shows the result of examining the voltage drop when supplying non-humidified oxidizing gas to the fuel cell shown in FIG. 4 (A). Graph (4) is shown in FIG. The result of having investigated the voltage drop when supplying the oxidizing gas which does not humidify with respect to a fuel cell is represented.
図5に示すように、加湿を行なう方が、燃料電池の運転温度をより高くしても、電圧低下の程度を抑えることができた。これは、酸化ガスを加湿することにより、運転温度が高温になっても、電解質膜の含水量を充分に維持することが可能になるためと考えられる。さらに、図5に示すように、加湿の有無に拘わらず、図4(A)に示すアノード側のガス拡散層を有しない燃料電池の方が、図(B)に示す両側にガス拡散層を有する燃料電池よりも、高温運転時における電圧低下を抑えることができた。これは、図4(A)の燃料電池では、アノード側のガス拡散層を設けないことにより、電解質膜13のアノード側とカソード側とで熱抵抗の大きさに差が生じたために、電池性能が向上したものと考えられる。すなわち、燃料電池の発電時には、発電に伴ってMEA12で熱が生じ、生じた熱は、MEA12から両側のセル内ガス流路側へと伝わるが、上記のように電解質膜13の両側で熱抵抗の大きさに差があることにより、電解質膜13内での水の移動が影響を受けるためと考えられる。具体的には、電解質膜13から、ガス拡散層を有しないために熱抵抗が小さいセル内燃料ガス流路側への伝熱が促進されることによって、電解質膜13内ではカソード側からアノード側への水の移動が促進される。これによって、発電時に水が生じない電解質膜のアノード側表面における含水量が増加して、膜乾燥に起因する電圧低下が抑えられたと考えられる。このように、セル内燃料ガス流路側へと熱が伝わる際の熱抵抗を小さくするほど電解質膜内でのカソード側からアノード側への水の移動を促進できるのは、電解質膜内において、熱の移動に伴って水が一緒に移動するためと考えられる。このような熱の移動と物質の移動の関係は、いわゆるソーレ効果として知られている。
As shown in FIG. 5, when the humidification was performed, the degree of voltage drop could be suppressed even when the operating temperature of the fuel cell was increased. This is considered to be because the moisture content of the electrolyte membrane can be sufficiently maintained even when the operation temperature becomes high by humidifying the oxidizing gas. Further, as shown in FIG. 5, the fuel cell having no anode-side gas diffusion layer shown in FIG. 4 (A), regardless of whether or not humidification, has gas diffusion layers on both sides shown in FIG. The voltage drop during high-temperature operation could be suppressed more than the fuel cell that had it. This is because, in the fuel cell of FIG. 4 (A), since the gas diffusion layer on the anode side is not provided, the difference in thermal resistance between the anode side and the cathode side of the
図5では、既述したように、ガス拡散層の有無を異ならせることによって、電解質膜13とセル内燃料ガス流路あるいはセル内酸化ガス流路との間の熱抵抗を異ならせている。このように電解質膜13とセル内ガス流路との間に介在して熱抵抗に関わる部材として、さらに撥水層があるが、ガス拡散層は、撥水層に比べて特に熱抵抗に大きく寄与する部材であるといえる。以下に、ガス拡散層と撥水層について、伝熱の効率を比較した結果を示す。
In FIG. 5, as described above, the thermal resistance between the
図6は、ガス拡散層の伝熱効率(具体的には熱拡散率)を測定した結果を表わす説明図であり、図7は、撥水層の伝熱効率(具体的には熱拡散率)を測定した結果を表わす説明図である。ここでは、レーザフラッシュ法を用いて、厚さの異なる複数のガス拡散層あるいは撥水層についてハーフタイムを測定した結果を示している。レーザフラッシュ法は、熱拡散率を測定するための周知の方法であり、試料表面をレーザパルスで瞬間的に均一加熱して、試料裏面へ熱が拡散する過程を、赤外放射測温を利用した非接触測定等により観察する方法である。試料の熱拡散率が高いほど、ハーフタイム(試料裏面が最大上昇温度の半分に達するのに要する時間)は短くなる。本実施例では、ガス拡散層に係る測定は、ガス拡散層16を構成する多孔質体と同様の多孔質体であって、厚みの異なる複数の多孔質体を、それぞれ薄板状の治具に挟んで行なった。また、撥水層に係る測定は、撥水層18を形成するために用いたものと同様のペーストを、薄板状の治具間に塗布したものを、厚みを異ならせて複数用意して行なった。図6における横軸は、ガス拡散層16に相当する多孔質体を治具に挟んだ全体の厚みを表わしている。また、図7における横軸は、撥水層18に相当する層を治具間に形成した全体の厚みを表わしている。図6および図7における縦軸は、ハーフタイムを表わしている。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing the results of measuring the heat transfer efficiency (specifically, thermal diffusivity) of the gas diffusion layer, and FIG. 7 shows the heat transfer efficiency (specifically, thermal diffusivity) of the water repellent layer. It is explanatory drawing showing the measurement result. Here, the result of measuring the half time for a plurality of gas diffusion layers or water repellent layers having different thicknesses using the laser flash method is shown. The laser flash method is a well-known method for measuring the thermal diffusivity. Infrared radiation temperature measurement is used to instantly uniformly heat the sample surface with a laser pulse and diffuse the heat to the back of the sample. This is a method of observation by non-contact measurement or the like. The higher the thermal diffusivity of the sample, the shorter the half time (the time required for the sample back surface to reach half of the maximum temperature rise). In the present example, the measurement related to the gas diffusion layer is performed using a porous body similar to the porous body constituting the
図6に示すように、ガス拡散層の厚みとハーフタイムの関係を表わすグラフは、一定の傾きを示す直線状となる。すなわち、ガス拡散層は、厚みが増すに従ってハーフタイムが長くなるため、厚みが増すに従って熱抵抗が大きくなることが確認された。これに対して、図7に示すように、撥水層の厚みとハーフタイムの関係は、図6のような傾きを示さず、撥水層の厚みは、熱抵抗にほとんど影響しないことが確認された。本実施例では、ガス拡散層16と撥水層18とを、面内の厚み変化が背反するように形成しているが、上記のように撥水層の厚みは熱抵抗にほとんど影響しないため、熱抵抗の面内分布は、ガス拡散層の厚みの面内分布に依存するといえる。本実施例では、ガス拡散層16の厚みを、セル内燃料ガス流路における燃料ガスの流れ方向において、下流側よりも上流側を薄く形成しているため、電解質膜13からセル内燃料ガス流路側へと熱が伝わる際の熱抵抗の面内分布は、燃料ガス流れの上流側ほど小さいといえる。そのため、燃料ガス流れの上流側ほど、電解質膜13とセル内酸化ガス流路との間の熱抵抗に比べて、電解質膜13とセル内燃料ガス流路との間の熱抵抗が、より小さくなる。
As shown in FIG. 6, the graph representing the relationship between the thickness of the gas diffusion layer and the half time is a straight line having a certain inclination. That is, it was confirmed that the thermal resistance increases as the thickness increases because the gas diffusion layer has a longer half time as the thickness increases. On the other hand, as shown in FIG. 7, the relationship between the thickness of the water-repellent layer and the half time does not show an inclination as shown in FIG. 6, and it is confirmed that the thickness of the water-repellent layer hardly affects the thermal resistance. It was done. In this embodiment, the
以上のように構成された本実施例の燃料電池によれば、セル内燃料ガス流路における燃料ガス流れ方向の上流側ほど、カソード側に比べてアノード側の方がガス拡散層の熱抵抗が小さいため、電解質膜13から各セル内ガス流路側への熱流速は、カソード側に比べてアノード側の方が大きくなる。これにより、燃料ガス流れの上流側ほど、電解質膜13からセル内燃料ガス流路側への伝熱が促進される。既述したように、電解質膜からセル内燃料ガス流路側への伝熱が促進されるほど、電解質膜内ではカソード側からアノード側への水の移動が促進されるため、本実施例の燃料電池によれば、特に、燃料ガス流れ方向の上流側におけるアノード側の膜乾燥を抑制することができる。
According to the fuel cell of the present embodiment configured as described above, the thermal resistance of the gas diffusion layer on the anode side is higher on the upstream side in the fuel gas flow direction in the fuel gas flow path in the cell than on the cathode side. Since it is small, the heat flow rate from the
燃料電池の発電時には、電解質膜は、以下のような種々の要因により水分の分布状態が影響される。すなわち、発電時に電解質膜内をプロトンが移動する際には、プロトンは水和しているため、水はプロトンと共にアノード側からカソード側へと移動する。また、電気化学反応に伴って、カソードでは水が生じるため、電解質膜のカソード側表面では液水が存在し易い状態となるが、アノード側では水分が不足しやすい状態となる。また、セル内ガス流路をガスが流れる際には、電解質膜からガス流路中のガスへと水分が蒸発するため、セル内ガス流路においては、下流を流れるガスほど湿度が高い状態となる。そのため、湿度がより低いガスが流れるガス流れ方向の上流側ほど、電解質膜からガスへと水分が奪われやすくなる。従って、電解質膜においては、アノード側表面の中でも特に、燃料ガス流れの上流側の表面ほど、水分不足になり易いといえる。本実施例では、このようなセル内燃料ガス流路における燃料ガス流れ方向の上流側において、電解質膜内でアノード側への水移動を促進しているため、電解質膜が水不足となることに起因する問題の発生を抑制することができる。それにより、燃料電池の運転温度をより高温にしたときに、出力電圧すなわち電池性能を安定して維持する効果を高めることができる。 During power generation of the fuel cell, the moisture distribution state of the electrolyte membrane is affected by the following various factors. That is, when protons move in the electrolyte membrane during power generation, the protons are hydrated, so that water moves from the anode side to the cathode side together with the protons. Further, since water is generated at the cathode accompanying the electrochemical reaction, liquid water tends to exist on the cathode side surface of the electrolyte membrane, but moisture tends to be insufficient on the anode side. In addition, when gas flows through the gas flow path in the cell, moisture evaporates from the electrolyte membrane to the gas in the gas flow path. Become. For this reason, moisture is more easily taken from the electrolyte membrane to the gas in the upstream side in the gas flow direction in which the gas having lower humidity flows. Therefore, in the electrolyte membrane, it can be said that the surface on the upstream side of the fuel gas flow is more likely to be deficient in moisture, particularly on the anode side surface. In the present embodiment, since the water movement to the anode side is promoted in the electrolyte membrane on the upstream side in the fuel gas flow direction in such a fuel gas flow path in the cell, the electrolyte membrane is short of water. Occurrence of problems can be suppressed. As a result, when the operating temperature of the fuel cell is raised to a higher temperature, the effect of stably maintaining the output voltage, that is, the cell performance, can be enhanced.
また、本実施例の燃料電池によれば、セル内燃料ガス流路における燃料ガス流れ方向の上流側ほど、ガス拡散層16を薄く形成すると共に撥水層18を厚く形成して、単セル10全体の厚みを均一化している。既述したように、撥水層はガス拡散層に比べて熱抵抗に対する影響が少ないため、撥水層を厚く形成しても熱抵抗が増大する程度が小さく、ガス拡散層を薄く形成して熱抵抗を削減した効果を損なうことがない。そのため、電解質膜13では、セル内燃料ガス流路における燃料ガス流れ方向の上流側において、カソード側からアノード側への水移動の促進と、単セル10全体の厚みの均一化とを両立することができる。単セル10全体の厚みを均一化することによって、単セル10を積層して燃料電池を組み立てることが容易になる。なお、撥水層の厚みは、全体の厚みが略同一になるような厚みにすることが望ましいが、必ずしも同一にする必要はない。同一となっていなくても、ガス拡散層を薄くした領域ほど撥水層を厚くすることにより、ガス拡散層の厚みを面内で変化させたことによる単セル10内で生じる厚みの不均一を抑制することができる。
Further, according to the fuel cell of the present embodiment, the
なお、電解質膜13の内部では、上記のようにプロトン移動に伴う水の移動の他に、水の濃度勾配によって、カソード側からアノード側への水の移動も行なわれる。そのため、カソード側からアノード側への水移動を促進する方法として、電解質膜の薄型化も考えられるが、電解質膜の薄型化は電解質膜の強度低下を伴うため限度がある。本実施例によれば、電解質膜13とセル内燃料ガス流路との間の熱抵抗を変化させることにより、電解質膜13内での水移動を促進するため、電解質膜13の強度低下を伴うこともない。
In addition to the movement of water accompanying proton movement as described above, the movement of water from the cathode side to the anode side is also performed inside the
電解質膜において、カソード側からアノード側への水移動を促進すると、既述したように燃料電池の運転温度がより高いときには、電解質膜の膜乾燥を抑えることによって、電池性能が高まる。これに対して、燃料電池の運転温度がより低いとき(例えば、常温での発電時)には、電解質膜からセル内ガス流路を流れるガスへと気化する水分量が少なくなるため、電解質膜において水が過剰になる場合が生じ得る。特に、セル内ガス流路の下流領域では、流路を流れるガス中の水分量が多いため、電解質膜の含水量が過剰になり易い。電解質膜の表面に液水が滞留すると、いわゆるフラッディングと呼ばれる状態となり、液水がガス流れを阻害して、電池性能を低下させる可能性がある。本実施例の燃料電池では、電解質膜13において、セル内燃料ガス流路の上流側ではカソード側からアノード側への水移動を促進して高温運転時の膜乾燥を抑制すると共に、セル内燃料ガス流路の下流側ではカソード側からアノード側への水移動を抑制することができる。したがって、燃料ガス流れ方向の下流側において電解質膜13のアノード側表面が水過剰となるのを抑え、常温発電などの低温運転時であっても、フラッディングを抑制することが可能になる。
When water movement from the cathode side to the anode side is promoted in the electrolyte membrane, as described above, when the operating temperature of the fuel cell is higher, cell performance is improved by suppressing membrane drying of the electrolyte membrane. On the other hand, when the operating temperature of the fuel cell is lower (for example, during power generation at normal temperature), the amount of water vaporized from the electrolyte membrane to the gas flowing through the in-cell gas flow path is reduced. In some cases, water may become excessive. In particular, in the downstream region of the in-cell gas flow path, the water content in the gas flowing through the flow path is large, so the water content of the electrolyte membrane tends to be excessive. If liquid water stays on the surface of the electrolyte membrane, a state called so-called flooding occurs, and the liquid water may obstruct gas flow and possibly reduce battery performance. In the fuel cell of this embodiment, in the
C.第2実施例:
第1実施例では、アノード側に配置したガス拡散層16および撥水層18の厚みを面内で変化させることで、電解質膜13内におけるカソード側からアノード側への水移動を促進しているが、カソード側に配置したガス拡散層17および撥水層19の厚みをさらに面内で変化させることとしても良い。このような構成を、第2実施例として以下に説明する。
C. Second embodiment:
In the first embodiment, the movement of water from the cathode side to the anode side in the
図8は、第2実施例の燃料電池が備える単セル110の構成を表わす断面模式図である。第2実施例の燃料電池において、第1実施例の燃料電池と共通する部分には同じ参照番号を付して詳しい説明を省略する。第2実施例の燃料電池は、第1実施例のガス拡散層17および撥水層19に代えて、ガス拡散層117および撥水層119を備えた単セル110によって構成されている。ガス拡散層117は、ガス拡散層16,17と同様の導電性多孔質部材によって形成されているが、セル内燃料ガス流路における燃料ガス流れ方向の上流側ほど厚く形成されている。具体的には、ガス拡散層117は、図3に示したガス拡散層16と同様の形状を有しており、辺40が、燃料ガス排出マニホールドを形成する孔部31に近接し、辺41が、燃料ガス供給マニホールドを形成する孔部30に近接するように配置されている。
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the
また、撥水層119は、撥水層18,19と同様のペーストをガス拡散層117上に塗布することによって形成されている。このようなペーストの塗布は、ガス拡散層117における段差が形成された面に対して、ガス拡散層117が薄い領域ほど厚く塗布することにより行なわている。このように、セル内燃料ガス流路における燃料ガス流れ方向の上流側ほど厚みが薄くなるように、撥水層119を形成することによって、撥水層119を形成したガス拡散層117は、全体として略均一な厚みとなっている。
The
以上のように形成された第2実施例の燃料電池によれば、アノード側に配置されたガス拡散層16および撥水層18が、第1実施例と同様の構成を有するため、第1実施例と同様の効果を奏することができる。さらに、第2実施例の燃料電池によれば、カソード側に配置されたガス拡散層117を、セル内燃料ガス流路における燃料ガス流れ方向の上流側ほど厚く形成しているため、燃料ガス流れ方向上流側ほど、カソード側のガス拡散層の熱抵抗が大きくなると共に、カソード側のガス拡散層とアノード側のガス拡散層の熱抵抗の差が大きくなる。そのため、燃料ガス流れ方向の上流側において、電解質膜13から各セル内ガス流路側への熱流速が、カソード側よりもアノード側の方が大きくなる程度が、さらに増大する。これにより、燃料ガス流れ方向の上流側において、電解質膜13からセル内燃料ガス流路側への伝熱がさらに促進されると共に、電解質膜13内ではカソード側からアノード側への水の移動がさらに促進されて、燃料ガス流れ方向の上流側におけるアノード側の膜乾燥を抑制することができる。また、第2実施例の燃料電池によれば、セル内燃料ガス流路におけるガス流れの下流側ほど、伝熱への影響が小さい撥水層119を厚く形成しているため、ガス拡散層117の厚みを変化させたことによる効果を損なうことなく、単セル110の厚みを均一化することができる。
According to the fuel cell of the second embodiment formed as described above, the
D.変形例:
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
D. Variations:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
D1.変形例1:
第1および第2実施例では、ガス拡散層の厚みは、面内で段階的に変化することとしたが、異なる構成としても良い。例えば、図1におけるガス拡散層16、あるいは、図8におけるガス拡散層16および117の厚みは、無段階的に徐々に変化することとしても良い。セル内燃料ガス流路における燃料ガスの流れ方向に応じてガス拡散層の厚みを変化させるならば、実施例と同様の効果を得ることができる。
D1. Modification 1:
In the first and second embodiments, the thickness of the gas diffusion layer is changed stepwise in the plane, but may have a different configuration. For example, the thickness of the
D2.変形例2:
第1および第2実施例では、ガス拡散層と共に、このガス拡散層上に形成される撥水層の厚みを変化させることにより、単セル全体の厚みを均一化しているが、異なる構成としても良い。例えば、撥水層の厚みは均一にして、アノード側およびカソード側のガス拡散層の厚みを、面内で変化させることとしても良い。このような変形例の燃料電池の構成を、図9に示す。ここでは、第1実施例と同様の部分には同じ参照番号を付して詳しい説明を省略する。
D2. Modification 2:
In the first and second embodiments, the thickness of the entire single cell is made uniform by changing the thickness of the water repellent layer formed on the gas diffusion layer together with the gas diffusion layer. good. For example, the thickness of the water repellent layer may be made uniform, and the thickness of the gas diffusion layers on the anode side and the cathode side may be changed in the plane. FIG. 9 shows the configuration of the fuel cell according to such a modification. Here, the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図9に示す変形例の燃料電池が備える単セル210は、ガス拡散層16,17に代えて、ガス拡散層216,217を備えている。ガス拡散層216は、セル内燃料ガス流路における燃料ガス流れ方向の上流側ほど薄く形成されており、ガス拡散層217は、セル内燃料ガス流路における燃料ガス流れ方向の上流側ほど厚く形成されており、これによって、単セル210全体の厚みが均一化されている。なお、ガス拡散層216,217は、無段階的に徐々に厚みが変化する形状となっている。このような構成としても、第1および第2実施例と同様に、電解質膜13における燃料ガス流れ方向の上流側において、カソード側からアノード側への水移動を促進し、膜乾燥を抑制することができる。
A
なお、撥水層は、既述したように電解質膜13側に水を押し戻すことによって膜乾燥を抑制したり、MEA12近傍に液水が滞留するのを抑えるために設けているが、撥水層を設けない構成も可能である。例えば、図9に示す変形例の燃料電池において、撥水層518および撥水層19の内の少なくともいずれか一方を設けないこととしても良い。
As described above, the water repellent layer is provided in order to suppress film drying by pushing water back to the
D3.変形例3:
アノード側のガス拡散層の厚みは変化させることなく、カソード側のガス拡散層の厚みだけを面内で変化させることとしても良い。この場合には、セル内燃料ガス流路における燃料ガス流れの上流側ほど、カソード側のガス拡散層を厚く形成すればよい。このような構成としても、電解質膜とセル内燃料ガス流路との間の熱抵抗が、電解質膜とセル内酸化ガス流路との間の熱抵抗に比べて相対的に小さくなるため、実施例と同様の効果が得られる。なお、このような場合にも、伝熱に対する影響のより少ない撥水層の厚みを調節することによって、単セル全体の厚みを均一化することが可能になる。
D3. Modification 3:
Only the thickness of the gas diffusion layer on the cathode side may be changed in the plane without changing the thickness of the gas diffusion layer on the anode side. In this case, the gas diffusion layer on the cathode side may be formed thicker toward the upstream side of the fuel gas flow in the fuel gas flow path in the cell. Even with this configuration, the thermal resistance between the electrolyte membrane and the in-cell fuel gas flow path is relatively small compared to the thermal resistance between the electrolyte membrane and the in-cell oxidizing gas flow path. The same effect as the example can be obtained. Even in such a case, the thickness of the entire single cell can be made uniform by adjusting the thickness of the water-repellent layer that has less influence on heat transfer.
少なくともアノード側ガス拡散層とカソード側ガス拡散層の一方において、燃料ガスの流れ方向に応じて厚みを変化させ、燃料ガス流れ方向の上流側ほど、電解質膜とセル内燃料ガス流路との間の熱抵抗の方が、電解質膜とセル内酸化ガス流路との間の熱抵抗よりも小さくすれば、同様の効果が得られる。 At least one of the anode side gas diffusion layer and the cathode side gas diffusion layer is changed in thickness in accordance with the flow direction of the fuel gas, and between the electrolyte membrane and the in-cell fuel gas flow path toward the upstream side in the fuel gas flow direction. If the thermal resistance is made smaller than the thermal resistance between the electrolyte membrane and the in-cell oxidizing gas flow path, the same effect can be obtained.
D4.変形例4:
セル内燃料ガス流路における燃料ガスの流れ方向に応じて少なくとも一方のガス拡散層の厚みを変化させるならば、セル内酸化ガス流路における酸化ガス流れについては、種々の変形が可能である。実施例では、セル内燃料ガス流路における燃料ガスの流れ方向と、セル内酸化ガス流路における酸化ガスの流れ方向とは、直交することとしたが、例えば、平行に流れることとしても良い。また、セル内ガス流路は、実施例のように、セパレータに設けた凹凸形状とMEAとの間に形成される空間によって形成しても良いし、図4のように多孔質体内の細孔が形成する空間によって形成しても良い。
D4. Modification 4:
If the thickness of at least one gas diffusion layer is changed in accordance with the flow direction of the fuel gas in the in-cell fuel gas flow path, various modifications can be made to the oxidant gas flow in the in-cell oxidant gas flow path. In the embodiment, the flow direction of the fuel gas in the in-cell fuel gas flow path and the flow direction of the oxidant gas in the in-cell oxidation gas flow path are orthogonal to each other, but may flow in parallel, for example. Further, the in-cell gas flow path may be formed by a space formed between the concavo-convex shape provided in the separator and the MEA as in the embodiment, or the pores in the porous body as shown in FIG. You may form by the space which forms.
10,110,210,510,610…単セル
12…MEA
13…電解質膜
14…アノード
15…カソード
16,17,117,216,217,616…ガス拡散層
18,19,119,518…撥水層
18…ガス拡散層
20,21,520,521…セパレータ
22,23…溝
30〜33…孔部
40,41…辺
522,523…流路形成部
10, 110, 210, 510, 610 ...
DESCRIPTION OF
Claims (5)
電解質膜と、
前記電解質膜のそれぞれの面上に形成された電極であるアノードおよびカソードと、
各々の前記電極上に配置され、導電性多孔質部材によって形成されるガス拡散層と、
各々の前記ガス拡散層上に配置されて、アノード側に配置された前記ガス拡散層との間に、水素を含有する燃料ガスが上流側から下流側へと流れる燃料ガス流路を形成すると共に、カソード側に配置された前記ガス拡散層との間に、酸素を含有する酸化ガスが流れる酸化ガス流路を形成するガスセパレータと、
を備え、
アノード側に配置された前記ガス拡散層とカソード側に配置された前記ガス拡散層の少なくとも一方は、前記燃料ガス流路に対して前記燃料ガスが流入する入り口部近傍領域において、前記電解質膜と前記燃料ガス流路との間の熱抵抗が、前記電解質膜と前記酸化ガス流路との間の熱抵抗よりも小さくなるように、面内で厚さが変化している
燃料電池。 A polymer electrolyte fuel cell,
An electrolyte membrane;
An anode and a cathode, which are electrodes formed on each surface of the electrolyte membrane;
A gas diffusion layer disposed on each of the electrodes and formed by a conductive porous member;
Between each gas diffusion layer and the gas diffusion layer disposed on the anode side, a fuel gas flow path in which a fuel gas containing hydrogen flows from the upstream side to the downstream side is formed. A gas separator that forms an oxidizing gas passage through which an oxidizing gas containing oxygen flows between the gas diffusion layer disposed on the cathode side;
With
At least one of the gas diffusion layer disposed on the anode side and the gas diffusion layer disposed on the cathode side includes the electrolyte membrane in a region near the entrance where the fuel gas flows into the fuel gas flow path. The thickness of the fuel cell is changed so that a thermal resistance between the fuel gas channel and the fuel gas channel is smaller than a thermal resistance between the electrolyte membrane and the oxidizing gas channel.
アノード側に配置された前記ガス拡散層は、前記燃料ガスの流れ方向において、下流側よりも上流側が薄く形成されている
燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein
The fuel cell, wherein the gas diffusion layer disposed on the anode side is formed thinner on the upstream side than on the downstream side in the flow direction of the fuel gas.
前記アノードとアノード側に配置された前記ガス拡散層との間に、導電性粒子および撥水性物質を備える第1の撥水層を備え、
前記第1の撥水層は、前記燃料ガスの流れ方向において、下流側よりも上流側が厚く形成されている
燃料電池。 The fuel cell according to claim 2, further comprising:
A first water-repellent layer comprising conductive particles and a water-repellent substance is provided between the anode and the gas diffusion layer disposed on the anode side,
The first water-repellent layer is formed thicker on the upstream side than on the downstream side in the flow direction of the fuel gas.
カソード側に配置された前記ガス拡散層は、前記燃料ガスの流れ方向において、下流側よりも上流側が厚く形成されている
燃料電池。 A fuel cell according to any one of claims 1 to 3,
The gas diffusion layer disposed on the cathode side is formed thicker on the upstream side than on the downstream side in the flow direction of the fuel gas.
前記カソードとカソード側に配置された前記ガス拡散層との間に、導電性粒子および撥水性物質を備える第2の撥水層を備え、
前記第2の撥水層は、前記燃料ガスの流れ方向において、下流側よりも上流側が薄く形成されている
燃料電池。 The fuel cell according to claim 4, further comprising:
Between the cathode and the gas diffusion layer disposed on the cathode side, a second water repellent layer comprising conductive particles and a water repellent material is provided,
The second water-repellent layer is formed so that the upstream side is thinner than the downstream side in the flow direction of the fuel gas.
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| JP2007229922A JP2009064615A (en) | 2007-09-05 | 2007-09-05 | Fuel cell |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013045570A (en) * | 2011-08-23 | 2013-03-04 | Nippon Soken Inc | Fuel cell |
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2007
- 2007-09-05 JP JP2007229922A patent/JP2009064615A/en active Pending
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