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JP2009283290A - Fuel cell - Google Patents

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JP2009283290A JP2008134119A JP2008134119A JP2009283290A JP 2009283290 A JP2009283290 A JP 2009283290A JP 2008134119 A JP2008134119 A JP 2008134119A JP 2008134119 A JP2008134119 A JP 2008134119A JP 2009283290 A JP2009283290 A JP 2009283290A
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gas diffusion
air electrode
facing
separator
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JP2008134119A
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Yuji Ishikawa
裕司 石川
Masahiro Shiozawa
方浩 塩澤
Masanori Uehara
昌徳 上原
Hitoshi Hamada
仁 濱田
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Denso Corp
Toyota Motor Corp
Soken Inc
Original Assignee
Denso Corp
Nippon Soken Inc
Toyota Motor Corp
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

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  • Inert Electrodes (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

【課題】空気極側のガス拡散層におけるリブ対向部の生成水を確実に排出可能で且つリブ対向部を速やかに乾燥可能にする。
【解決手段】空気極ガス拡散層４におけるセパレータ６と対向する面には、酸素通路６０に対向する部位に凹部４０を形成し、空気極リブ６１に対向する部位に凸部４１を形成する。これにより、凸部４１内の生成水は凹部４０側へ容易に移動可能となり、凸部４１内の生成水が確実に排出される。また、酸素通路６０を通過する空気が凸部４１内に流入しやすくなるため、凸部４１内を速やかに乾燥させることができる。
【選択図】図１[PROBLEMS] To reliably discharge generated water at a rib facing portion in a gas diffusion layer on the air electrode side and to quickly dry the rib facing portion.
A concave portion is formed in a portion facing an oxygen passage and a convex portion is formed in a portion facing an air electrode rib on a surface of the air electrode gas diffusion layer facing the separator. Thereby, the generated water in the convex part 41 can be easily moved to the concave part 40 side, and the generated water in the convex part 41 is reliably discharged. Further, since the air passing through the oxygen passage 60 easily flows into the convex portion 41, the inside of the convex portion 41 can be quickly dried.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell that generates electrical energy by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen.

近年、氷点下において燃料電池を自己発熱のみで始動したいという要望があるが、氷点下で燃料電池を作動させた場合には、過冷却状態で発生する生成水の凍結を防止するため、その生成水を掃気により排出させる必要がある。   In recent years, there is a desire to start the fuel cell only by self-heating under freezing. However, when the fuel cell is operated under freezing, the generated water is used to prevent freezing of the generated water generated in a supercooled state. It is necessary to discharge by scavenging.

そして、特許文献１では、燃料電池を氷点下で使用する際には外部ヒータを用いて加熱する方法が提案され、特許文献２では、燃料電池のセル面内で局所発電領域を故意に作り、短時間で自己発熱させる燃料電池システムが提案されている。また、特許文献３では、燃料ガス循環系の全域を掃気して生成水等の不純物を排出させる燃料電池システムが提案され、さらに、特許文献４や特許文献５では、スタックや単セル内部の生成水の制御に関する提案がなされている。
特開２００２−３１３３９１号公報 特開２００２−３０５０１４号公報 特開２００６−１４７１６０号公報 特開２００３−１５１５８５号公報 特開２００５−３８７８０号公報 And in patent document 1, when using a fuel cell below freezing point, the method of heating using an external heater is proposed, and in patent document 2, a local electric power generation area | region is intentionally created in the cell surface of a fuel cell, and short. Fuel cell systems that self-heat over time have been proposed. Patent Document 3 proposes a fuel cell system that scavenges the entire area of the fuel gas circulation system and discharges impurities such as generated water. Further, Patent Document 4 and Patent Document 5 disclose generation inside a stack or a single cell. Proposals for water control have been made.
JP 2002-313391 A JP 2002-305014 A JP 2006-147160 A JP 2003-151585 A JP 2005-38780 A

ところで、本発明者の検討によると、空気極ガス拡散層のうち、酸素通路に対向する酸素通路対向部よりも、セパレータのリブに対向してリブに当接するリブ対向部の方が、生成水がより多く残留し、このリブ対向部の生成水を確実に排出するとともに速やかに乾燥させることが重要であることが分かった。   By the way, according to the study by the present inventors, in the air electrode gas diffusion layer, the rib facing portion that faces the rib of the separator and abuts against the rib is more generated than the oxygen passage facing portion that faces the oxygen passage. It has been found that it is important to discharge the generated water in the rib facing portion and dry it quickly.

本発明は上記点に鑑みて、空気極側のガス拡散層におけるリブ対向部の生成水を確実に排出可能で且つリブ対向部を速やかに乾燥可能にすることを目的とする。   An object of this invention is to make it possible to discharge | emit reliably the production | generation water of the rib opposing part in the gas diffusion layer by the side of an air electrode, and to make a rib opposing part dry quickly in view of the said point.

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、電解質膜（１）と、電解質膜（１）の両側に配置された触媒層（２、３）と、触媒層（２、３）の外側に配置されたガス拡散層（４、５）と、ガス拡散層（４、５）を狭持するように配置されたセパレータ（６）とを備え、酸素と水素を電気化学反応させて電気エネルギを発生させる燃料電池において、セパレータ（６）における空気極側のガス拡散層（４）と対向する面に、空気極側のガス拡散層（４）に酸素を導く酸素通路（６０）と、先端面が空気極側のガス拡散層（４）に当接するリブ（６１）とが形成され、空気極側のガス拡散層（４）におけるセパレータ（６）と対向する面は、酸素通路（６０）に対向する部位が凹部（４０）でリブ（６１）に対向してリブ（６１）に当接する部位が凸部（４１）であることを特徴とする。   In order to achieve the above object, in the invention described in claim 1, the electrolyte membrane (1), the catalyst layers (2, 3) disposed on both sides of the electrolyte membrane (1), and the catalyst layers (2, 3) A gas diffusion layer (4, 5) disposed outside the gas diffusion layer and a separator (6) disposed so as to sandwich the gas diffusion layer (4, 5). In the fuel cell for generating electric energy, an oxygen passage (60) for introducing oxygen to the gas diffusion layer (4) on the air electrode side is provided on the surface of the separator (6) facing the gas diffusion layer (4) on the air electrode side. , A rib (61) whose tip surface is in contact with the gas diffusion layer (4) on the air electrode side is formed, and the surface of the gas diffusion layer (4) on the air electrode side facing the separator (6) is an oxygen passage ( 60) is a recess (40) that faces the rib (61) and contacts the rib (61). Wherein the site is a protrusion (41).

これによると、空気極側のガス拡散層（４）におけるリブ対向部の生成水が空気極側のガス拡散層（４）における酸素通路対向部側へ容易に移動可能となり、リブ対向部の生成水が確実に排出される。また、酸素を含むガスが空気極側のガス拡散層（４）におけるリブ対向部に流入しやすくなるため、リブ対向部を速やかに乾燥させることができる。   According to this, the generated water of the rib facing part in the gas diffusion layer (4) on the air electrode side can easily move to the oxygen passage facing part side in the gas diffusion layer (4) on the air electrode side, and the generation of the rib facing part is performed. Water is reliably discharged. In addition, since the oxygen-containing gas easily flows into the rib facing portion in the gas diffusion layer (4) on the air electrode side, the rib facing portion can be quickly dried.

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。   In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each means described in a claim and this column shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.

本発明の一実施形態について説明する。図１は一実施形態に係る燃料電池におけるセルの構成を示す断面図、図２は図１の空気極ガス拡散層４における要部の拡大断面図である。   An embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a cell in a fuel cell according to an embodiment, and FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the main part of the air electrode gas diffusion layer 4 of FIG.

本実施形態の燃料電池は、高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）が用いられている。この燃料電池は、複数のセルが積層されることでスタック構造となっている。また、各セルは電気的に直列接続されている。燃料電池には、図示しない空気供給装置（例えばコンプレッサ）から空気が供給され、図示しない水素供給装置（例えば水素タンク）から水素が供給されるように構成されている。   As the fuel cell of this embodiment, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is used. This fuel cell has a stack structure in which a plurality of cells are stacked. Each cell is electrically connected in series. The fuel cell is configured such that air is supplied from an air supply device (eg, a compressor) (not shown) and hydrogen is supplied from a hydrogen supply device (eg, a hydrogen tank) (not shown).

そして、セルは、図１に示すように、プロトン伝導性の電解質膜１と、電解質膜１の両面に設けられた触媒層２、３と、触媒層２、３の両外側に設けられたガス拡散層４、５と、ガス拡散層４、５の両外側に設けられたセパレータ６とから構成されている。   As shown in FIG. 1, the cell includes a proton-conductive electrolyte membrane 1, catalyst layers 2 and 3 provided on both surfaces of the electrolyte membrane 1, and gas provided on both outer sides of the catalyst layers 2 and 3. It is comprised from the diffusion layers 4 and 5 and the separator 6 provided in the both outer sides of the gas diffusion layers 4 and 5. FIG.

触媒層２、３は、空気極側の空気極触媒層２と燃料極側の燃料極触媒層３とから構成されており、電極としても機能する。触媒層２、３は、白金などの触媒を担持したカーボン粉をペースト化したものを用いることができる。ガス拡散層４、５は、空気極側の空気極ガス拡散層４と燃料極側の燃料極ガス拡散層５とから構成されており、たとえば炭素繊維からなる糸で織成したカーボンペーパーやカーボンフェルト、カーボンクロスなどにより形成されている。セパレータ６は、カーボン材または導電性金属にて板状に形成されている。   The catalyst layers 2 and 3 are composed of an air electrode catalyst layer 2 on the air electrode side and a fuel electrode catalyst layer 3 on the fuel electrode side, and also function as electrodes. The catalyst layers 2 and 3 may be made by pasting carbon powder carrying a catalyst such as platinum. The gas diffusion layers 4 and 5 are composed of an air electrode gas diffusion layer 4 on the air electrode side and a fuel electrode gas diffusion layer 5 on the fuel electrode side. For example, carbon paper or carbon felt woven with yarns made of carbon fibers. It is formed of carbon cloth or the like. The separator 6 is formed in a plate shape with a carbon material or a conductive metal.

セパレータ６における空気極ガス拡散層４と対向する面には、空気供給装置から供給される空気（酸素）を空気極ガス拡散層４に導く溝状の酸素通路６０と、先端面が空気極ガス拡散層４に当接する突起状の空気極リブ６１とが形成されている。   On the surface of the separator 6 that faces the air electrode gas diffusion layer 4, a groove-like oxygen passage 60 that guides air (oxygen) supplied from the air supply device to the air electrode gas diffusion layer 4, and the tip surface is the air electrode gas. Protruding air electrode ribs 61 that abut against the diffusion layer 4 are formed.

セパレータ６における燃料極ガス拡散層５と対向する面には、水素供給装置から供給される水素を燃料極ガス拡散層５に導く水素通路６２と、先端面が燃料極ガス拡散層５に当接する突起状の水素極リブ６３とが形成されている。   On the surface of the separator 6 that faces the fuel electrode gas diffusion layer 5, a hydrogen passage 62 that guides hydrogen supplied from the hydrogen supply device to the fuel electrode gas diffusion layer 5, and a tip surface abut against the fuel electrode gas diffusion layer 5. A protruding hydrogen electrode rib 63 is formed.

空気極ガス拡散層４におけるセパレータ６と対向する面には、凹部４０と凸部４１が形成されている。そして、凹部４０が酸素通路６０に対向し、凸部４１が空気極リブ６１に対向する。換言すると、空気極ガス拡散層４におけるセパレータ６と対向する面は、酸素通路６０に対向する部位よりも、空気極リブ６１に対向する部位の方が突出している。そして、凸部４１の先端が、空気極リブ６１に当接するようになっている。   A concave portion 40 and a convex portion 41 are formed on the surface of the air electrode gas diffusion layer 4 facing the separator 6. The concave portion 40 faces the oxygen passage 60, and the convex portion 41 faces the air electrode rib 61. In other words, the surface of the air electrode gas diffusion layer 4 that faces the separator 6 protrudes from the portion that faces the air electrode rib 61 rather than the portion that faces the oxygen passage 60. The tip of the convex portion 41 comes into contact with the air electrode rib 61.

図２に示すように、空気極ガス拡散層４は、拡散層基材部４２と、拡散層基材部４２の空気極触媒層２側に形成された触媒層側撥水層４３と、凸部４１の先端に形成されたセパレータ側撥水層４４とから構成されている。より詳細には、セパレータ側撥水層４４は、空気極ガス拡散層４におけるセパレータ６と対向する面のうち、空気極リブ６１に対向する部位のみに設けられている。   As shown in FIG. 2, the air electrode gas diffusion layer 4 includes a diffusion layer base material portion 42, a catalyst layer-side water-repellent layer 43 formed on the air electrode catalyst layer 2 side of the diffusion layer base material portion 42, And a separator-side water-repellent layer 44 formed at the tip of the portion 41. More specifically, the separator-side water-repellent layer 44 is provided only on the portion of the air electrode gas diffusion layer 4 that faces the separator 6 in the surface that faces the separator 6.

触媒層側撥水層４３およびセパレータ側撥水層４４の空隙径は、拡散層基材部４２の空隙径よりも小さくなっている。因みに、拡散層基材部４２の空隙径は１０〜１００μｍ程度であり、触媒層側撥水層４３およびセパレータ側撥水層４４の空隙径は０．３〜１μｍが望ましい。   The gap diameter of the catalyst layer side water repellent layer 43 and the separator side water repellent layer 44 is smaller than the gap diameter of the diffusion layer base material portion 42. Incidentally, the gap diameter of the diffusion layer base material portion 42 is about 10 to 100 μm, and the gap diameters of the catalyst layer side water repellent layer 43 and the separator side water repellent layer 44 are preferably 0.3 to 1 μm.

このような構成の空気極ガス拡散層４は、以下のようにして製作される。まず、第１工程では、平板の拡散層基材部４２における空気極触媒層２側に撥水剤（ＰＴＦＥとカーボン材料）を含浸させ、拡散層基材部４２の空気極触媒層２側に触媒層側撥水層４３を形成する。   The air electrode gas diffusion layer 4 having such a configuration is manufactured as follows. First, in the first step, a water repellent (PTFE and a carbon material) is impregnated on the air electrode catalyst layer 2 side in the flat diffusion layer base material portion 42, and the air electrode catalyst layer 2 side of the diffusion layer base material portion 42 is placed on the air electrode catalyst layer 2 side. The catalyst layer side water repellent layer 43 is formed.

次の第２工程では、拡散層基材部４２におけるセパレータ６側の表面に撥水剤（ＰＴＦＥとカーボン材料）を含浸させる。このときの撥水剤塗布量は１〜４ｍｇ／ｃｍ２程度とする。 In the next second step, the surface on the separator 6 side in the diffusion layer base material 42 is impregnated with a water repellent (PTFE and carbon material). The amount of water repellent applied at this time is about 1 to 4 mg / cm 2 .

次の第３工程では、空気極ガス拡散層４におけるセパレータ６側の面のうち、酸素通路６０に対向する部位のみを、切削加工により１００μｍ程度削りこむ。この工程で、空気極ガス拡散層４におけるセパレータ６側の面のうち、空気極リブ６１に対向する部位（すなわち凸部４１）のみにセパレータ側撥水層４４が残り、空気極ガス拡散層４におけるセパレータ６側の面のうち、酸素通路６０に対向する部位は、拡散層基材部４２が剥き出しの状態となる。   In the next third step, only the portion facing the oxygen passage 60 in the surface on the separator 6 side of the air electrode gas diffusion layer 4 is cut by about 100 μm by cutting. In this step, the separator-side water-repellent layer 44 remains only in the portion facing the air electrode rib 61 (that is, the convex portion 41) in the surface on the separator 6 side of the air electrode gas diffusion layer 4. Of the surface on the separator 6 side, the portion facing the oxygen passage 60 is in a state where the diffusion layer base material portion 42 is exposed.

次に、本実施形態の燃料電池の作動を説明する。まず、燃料電池には、外部から水素と空気が供給され、水素はセパレータ６の水素通路６２を通過し、空気はセパレータ６の酸素通路６０を通過する。そして、燃料電池の各セルでは、水素と空気に含まれる酸素との電気化学反応が起こり、発電が行われる。この発電に伴い、水素通路６２を通過する水素が消費され、酸素通路６０を通過する空気（酸素）が消費される。   Next, the operation of the fuel cell of this embodiment will be described. First, hydrogen and air are supplied to the fuel cell from the outside, hydrogen passes through the hydrogen passage 62 of the separator 6, and air passes through the oxygen passage 60 of the separator 6. In each cell of the fuel cell, an electrochemical reaction occurs between hydrogen and oxygen contained in the air, and power generation is performed. With this power generation, hydrogen passing through the hydrogen passage 62 is consumed, and air (oxygen) passing through the oxygen passage 60 is consumed.

このとき、空気極ガス拡散層４におけるセパレータ６と対向する面には、酸素通路６０に対向する部位に凹部４０を形成し、空気極リブ６１に対向する部位に凸部４１を形成したことにより、図２に実線の矢印で示すように、凸部４１内の生成水は凹部４０側へ容易に移動可能となり、凸部４１内の生成水が確実に排出される。また、図２に破線の矢印で示すように、酸素通路６０を通過する空気が凸部４１内に流入しやすくなるため、凸部４１内を速やかに乾燥させることができる。   At this time, on the surface of the air electrode gas diffusion layer 4 facing the separator 6, the concave portion 40 is formed in the portion facing the oxygen passage 60, and the convex portion 41 is formed in the portion facing the air electrode rib 61. As shown by the solid line arrow in FIG. 2, the generated water in the convex portion 41 can be easily moved to the concave portion 40 side, and the generated water in the convex portion 41 is reliably discharged. In addition, as indicated by the dashed arrow in FIG. 2, the air passing through the oxygen passage 60 is likely to flow into the convex portion 41, so that the inside of the convex portion 41 can be quickly dried.

本発明の一実施形態に係る燃料電池におけるセルの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the cell in the fuel cell which concerns on one Embodiment of this invention. 図１の空気極ガス拡散層４における要部の拡大断面図である。It is an expanded sectional view of the principal part in the air electrode gas diffusion layer 4 of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

１ 電解質膜
２ 空気極触媒層
３ 燃料極触媒層
４ 空気極ガス拡散層
５ 燃料極ガス拡散層
６ セパレータ
４０ 凹部
４１ 凸部
６０ 酸素通路
６１ 空気極リブ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electrolyte membrane 2 Air electrode catalyst layer 3 Fuel electrode catalyst layer 4 Air electrode gas diffusion layer 5 Fuel electrode gas diffusion layer 6 Separator 40 Concave part 41 Convex part 60 Oxygen passage 61 Air electrode rib

Claims (2)

電解質膜（１）と、前記電解質膜（１）の両側に配置された触媒層（２、３）と、前記触媒層（２、３）の外側に配置されたガス拡散層（４、５）と、前記ガス拡散層（４、５）を狭持するように配置されたセパレータ（６）とを備え、酸素と水素を電気化学反応させて電気エネルギを発生させる燃料電池において、
前記セパレータ（６）における空気極側の前記ガス拡散層（４）と対向する面に、前記空気極側のガス拡散層（４）に酸素を導く酸素通路（６０）と、先端面が前記空気極側のガス拡散層（４）に当接するリブ（６１）とが形成され、
前記空気極側のガス拡散層（４）における前記セパレータ（６）と対向する面は、前記酸素通路（６０）に対向する部位が凹部（４０）で前記リブ（６１）に対向して前記リブ（６１）に当接する部位が凸部（４１）であることを特徴とする燃料電池。 An electrolyte membrane (1), catalyst layers (2, 3) disposed on both sides of the electrolyte membrane (1), and gas diffusion layers (4, 5) disposed outside the catalyst layers (2, 3) And a separator (6) arranged so as to sandwich the gas diffusion layer (4, 5), and electrochemically reacting oxygen and hydrogen to generate electric energy,
An oxygen passage (60) for introducing oxygen to the gas diffusion layer (4) on the air electrode side on a surface of the separator (6) facing the gas diffusion layer (4) on the air electrode side, and a tip surface of the separator (6) A rib (61) that contacts the gas diffusion layer (4) on the pole side is formed;
The surface facing the separator (6) in the gas diffusion layer (4) on the air electrode side has a concave portion (40) facing the rib (61) at a portion facing the oxygen passage (60). (61) The fuel cell characterized by the part which contact | abuts to a convex part (41). 前記空気極側のガス拡散層（４）は、拡散層基材部（４２）と、前記拡散層基材部（４２）よりも空隙径が小さい撥水層（４４）とを備え、
前記凹部（４０）および前記凸部（４１）のうち前記凸部（４１）の端面にのみ前記撥水層（４４）が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。 The gas diffusion layer (4) on the air electrode side includes a diffusion layer base material portion (42) and a water repellent layer (44) having a smaller void diameter than the diffusion layer base material portion (42),
The fuel cell according to claim 1, wherein the water repellent layer (44) is provided only on an end surface of the convex portion (41) among the concave portion (40) and the convex portion (41).
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