JP2009218190A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池における発電効率の低下を抑制する技術を提供する。
【解決手段】
燃料電池であって、電解質膜の両面に電極が配置されて成る発電体と、発電体の少なくとも一方の面に配置される、多孔体から成るガス流路形成部材と、ガス流路形成部材の発電体が配置される面と反対側の面に配置されるセパレータと、を備え、ガス流路形成部材は、第1の部材と、発電体側に配置され、第1の部材よりも親水性の高い第2の部材と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図3A technique for suppressing a decrease in power generation efficiency in a fuel cell is provided.
[Solution]
A fuel cell comprising: a power generation body in which electrodes are disposed on both surfaces of an electrolyte membrane; a gas flow path forming member made of a porous body disposed on at least one surface of the power generation body; A separator disposed on a surface opposite to a surface on which the power generation body is disposed, and the gas flow path forming member is disposed on the first member and the power generation body side and is more hydrophilic than the first member. A high second member.
[Selection] Figure 3
Description
この発明は、燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell.
燃料電池では、発電時に水素と酸素の電気化学反応により、水が生成される(以下、生成される水を「生成水」ともいう)。このような生成水が電解質膜付近に滞留すると(いわゆる、フラッディング)、反応ガスの供給が滞り、燃料電池性能が低下する場合もある。 In a fuel cell, water is generated by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen during power generation (hereinafter, the generated water is also referred to as “generated water”). When such generated water stays in the vicinity of the electrolyte membrane (so-called flooding), the supply of the reaction gas is delayed and the fuel cell performance may be deteriorated.
ところで、燃料電池の中には、電解質膜の両面に電極を配置して成る発電体と、発電体の両面に配置されるガス拡散層と、発電体に反応ガスを供給するための多孔体流路形成部材と、アノードガスとカソードガスを分離すると共に、各電極で発電された電気を集電するセパレータと、を備えるものがある(例えば、特許文献1、2参照)。 By the way, in a fuel cell, a power generation body in which electrodes are disposed on both surfaces of an electrolyte membrane, a gas diffusion layer disposed on both surfaces of the power generation body, and a porous body flow for supplying reaction gas to the power generation body Some include a path forming member and a separator that separates the anode gas and the cathode gas and collects electricity generated by each electrode (for example, see Patent Documents 1 and 2).
このような燃料電池において、多孔体流路形成部材のセパレータと当接する面に、親水性を有する親水部を設けて、電解質膜付近に滞留する生成水を、多孔体流路形成部材に移動させて、反応ガスの流れによって生成水を排出させることによって、フラッディングを抑制する技術が提案されている(例えば、特許文献3参照)。 In such a fuel cell, a hydrophilic portion having a hydrophilic property is provided on the surface of the porous channel forming member that contacts the separator, and the generated water staying in the vicinity of the electrolyte membrane is moved to the porous channel forming member. Thus, a technique for suppressing flooding by discharging generated water by the flow of a reactive gas has been proposed (see, for example, Patent Document 3).
上記したように、反応ガスの流れによって、生成水が燃料電池外へ排出される。反応ガスの入口付近(反応ガスの流れの上流)は、乾燥した反応ガスが導入されるため、発電体で生成される生成水が排出され易い。一方、反応ガスの出口付近(反応ガスの流れの下流)では、反応ガスの流速が遅くなるため、生成水が排出されにくい。このように、生成水の排出状況は、発電体の面方向に一律ではない。そのため、上記した特許文献3に記載の燃料電池のように、多孔体流路形成部材のセパレータと当接する側全体に、親水層を設けると、発電体で生成される生成水の排水が促進されて、反応ガスの入口付近では、電解質膜が乾燥して、発電効率が低下するおそれがある。 As described above, the produced water is discharged out of the fuel cell by the flow of the reaction gas. Since the dry reaction gas is introduced near the inlet of the reaction gas (upstream of the flow of the reaction gas), the generated water generated by the power generator is easily discharged. On the other hand, in the vicinity of the outlet of the reactive gas (downstream of the reactive gas flow), the flow rate of the reactive gas becomes slow, so that the generated water is difficult to be discharged. Thus, the discharge state of generated water is not uniform in the surface direction of the power generator. Therefore, as in the fuel cell described in Patent Document 3 described above, if a hydrophilic layer is provided on the entire surface of the porous body flow passage forming member that contacts the separator, drainage of generated water generated by the power generation body is promoted. Thus, in the vicinity of the reaction gas inlet, the electrolyte membrane may be dried and the power generation efficiency may be reduced.
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり燃料電池における発電効率の低下を抑制する技術を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of such a subject, and it aims at providing the technique which suppresses the fall of the power generation efficiency in a fuel cell.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
[適用例1] 燃料電池であって、
電解質膜の両面に電極が配置されて成る発電体と、
前記発電体の少なくとも一方の面に配置される、多孔体から成るガス流路形成部材と、
前記ガス流路形成部材の前記発電体が配置される面と反対側の面に配置されるセパレータと、
を備え、
前記ガス流路形成部材は、
第1の部材と、
前記発電体側に配置され、前記第1の部材よりも親水性の高い第2の部材と、
を備えることを特徴とする。
Application Example 1 A fuel cell,
A power generator in which electrodes are arranged on both sides of the electrolyte membrane;
A gas flow path forming member made of a porous material, disposed on at least one surface of the power generator;
A separator disposed on a surface opposite to a surface on which the power generation body of the gas flow path forming member is disposed;
With
The gas flow path forming member is:
A first member;
A second member disposed on the power generation body side and having a higher hydrophilicity than the first member;
It is characterized by providing.
適用例1の燃料電池によれば、ガス流路形成部材は、発電体側に親水性の高い第2の部材を備えるため、発電体内に存在する水が、第2の部材に引き寄せられるものの、ガス流路形成部材内を、セパレータ側に向かって移動する水が少なくなる。そのため、ガス流路形成部材内を流れる反応ガスによって、水が排出され難くなる。したがって、電解質膜の乾燥が抑制され、発電効率の低下が抑制できる。 According to the fuel cell of Application Example 1, since the gas flow path forming member includes the second member having high hydrophilicity on the power generation body side, water present in the power generation body is attracted to the second member. Less water moves in the flow path forming member toward the separator side. Therefore, it becomes difficult for water to be discharged by the reaction gas flowing in the gas flow path forming member. Therefore, drying of the electrolyte membrane is suppressed, and a decrease in power generation efficiency can be suppressed.
[適用例2] 適用例1に記載の燃料電池であって、
前記第2の部材は、前記ガス流路形成部材内を流通するガスの流れの上流側に配置されることを特徴とする燃料電池。
[Application Example 2] The fuel cell according to Application Example 1,
The fuel cell according to claim 1, wherein the second member is disposed upstream of a flow of gas flowing through the gas flow path forming member.
一般に、電解質膜の面内において、ガスの流れの上流側は、下流側に比べて乾燥しやすいが、このようにすると、ガスの流れの上流側における、電解質膜の乾燥を抑制することができる。したがって、発電効率の低下が抑制できる。 In general, in the plane of the electrolyte membrane, the upstream side of the gas flow is easier to dry than the downstream side, but in this way, drying of the electrolyte membrane on the upstream side of the gas flow can be suppressed. . Therefore, a decrease in power generation efficiency can be suppressed.
[適用例3] 適用例2に記載の燃料電池であって、
前記ガス流路形成部材は、
前記セパレータ側に配置され、前記第1の部材よりも親水性の高い第3の部材をさらに備え、
前記第3の部材は、前記ガス流路形成部材内を流通するガスの流れの下流側に配置されることを特徴とする燃料電池。
[Application Example 3] The fuel cell according to Application Example 2,
The gas flow path forming member is:
A third member disposed on the separator side and having a higher hydrophilicity than the first member;
The fuel cell according to claim 1, wherein the third member is disposed on a downstream side of a flow of gas flowing through the gas flow path forming member.
適用例3の燃料電池では、ガス流路形成部材は、発電体側のガスの流れの上流域に親水性の高い第2の部材を備え、セパレータ側のガスの流れの下流側に親水性の高い第3の部材を備える。ガス流路形成部材が、セパレータ側に親水性の高い第3の部材を備えると、発電体内に存在する水が、第3の部材に引き寄せられて、セパレータに向かって移動する。そうすると、ガス流路形成部材内を水が移動する際に、ガス流路形成部材内を流通する反応ガスにより、水が排出される。したがって、ガスの流れの下流域では、排水性が良くなり、フラッディングを抑制することができる。そのため、上記したように、ガスの流れの上流域では、電解質膜の乾燥を抑制すると共に、ガスの流れの下流域では、フラッディングを抑制することができるため、総合的に、発電効率の低下を抑制することができる。 In the fuel cell of Application Example 3, the gas flow path forming member includes the second member having high hydrophilicity in the upstream region of the gas flow on the power generator side, and has high hydrophilicity on the downstream side of the gas flow on the separator side. A third member is provided. When the gas flow path forming member includes the third member having high hydrophilicity on the separator side, the water present in the power generation body is attracted to the third member and moves toward the separator. Then, when the water moves through the gas flow path forming member, the water is discharged by the reaction gas flowing through the gas flow path forming member. Therefore, in the downstream area of the gas flow, drainage is improved and flooding can be suppressed. Therefore, as described above, drying of the electrolyte membrane can be suppressed in the upstream region of the gas flow, and flooding can be suppressed in the downstream region of the gas flow. Can be suppressed.
[適用例4] 適用例2または3に記載の燃料電池において、
前記第2の部材と、前記第3の部材とは、前記ガス流路形成部材の積層面に垂直な方向から見た場合に、一部が重なるように配置されていることを特徴とする燃料電池。
[Application Example 4] In the fuel cell according to Application Example 2 or 3,
The fuel is characterized in that the second member and the third member are disposed so as to partially overlap each other when viewed from a direction perpendicular to the laminated surface of the gas flow path forming member. battery.
このようにすると、ガス流路形成部材の積層面に垂直な方向から見た場合に、第2の部材と、第3の部材との一部が重なるように配置されている部分では、発電体内に存在する水が、第2の部材に引き寄せられ、さらに第3の部材に引き寄せられる。そのため、発電体内に存在する水が、セパレータに向かって移動しやすくなり、排水性が向上される。 In this case, when viewed from the direction perpendicular to the stacking surface of the gas flow path forming member, the portion where the second member and the third member are arranged so as to partially overlap each other, The water present in the water is drawn to the second member and further drawn to the third member. Therefore, the water present in the power generation body is easily moved toward the separator, and the drainage is improved.
[適用例5] 適用例1ないし4のいずれか1つに記載の燃料電池において、
前記ガス流路形成部材は、エキスパンドメタルより成ることを特徴とする燃料電池。
[Application Example 5] In the fuel cell according to any one of Application Examples 1 to 4,
The fuel cell according to claim 1, wherein the gas flow path forming member is made of expanded metal.
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、その燃料電池を備える燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した移動体等の形態で実現することができる。 The present invention can be realized in various forms. For example, the present invention can be realized in the form of a fuel cell, a fuel cell system including the fuel cell, a moving body equipped with the fuel cell system, and the like. .
A.第1の実施例:
A1.実施例の構成:
図1は、本発明の第1の実施例としての燃料電池100の断面構成を概略的に示す断面図である。図1では、後述する図5におけるA−A切断面を示している。燃料電池100は、水素と空気とを用いて発電を行う固体高分子型の燃料電池である。
A. First embodiment:
A1. Example configuration:
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a cross-sectional configuration of a
燃料電池100は、図1に示すように、シール部材一体型MEA(Membrane‐Electrode Assembly:膜電極接合体)200の両面に、アノード側多孔体410と、カソード側多孔体430と、がそれぞれ配置され、その両面にセパレータ300が配置されるように積層された構成を成している。図1では、複数のシール部材一体型MEA200、アノード側多孔体410、カソード側多孔体430、およびセパレータ300が積層された部分の一部を抜き出して示しており、他は図示を省略している。以下、アノード側多孔体410と、カソード側多孔体430とをまとめて、多孔体410、430とも呼ぶ。
As shown in FIG. 1, the
本実施例におけるアノード側多孔体410、カソード側多孔体430が、請求項におけるガス流路形成部材に相当する。
The anode side
燃料電池100は、上記した各構成部品が複数積層されて成り、全体としては、図1に示すように、発電に用いられるカソードガスとしての空気を供給するカソードガス供給マニホールド106と、カソード排ガスを排出するカソード排ガス排出マニホールド108と、を備えている。また、同様に、発電に用いられるアノードガスとしての水素を供給するアノードガス供給マニホールド(図示しない)と、アノード排ガスを排出するアノード排ガス排出マニホールド(図示しない)、を備えている。
The
燃料電池100に供給された空気は、カソードガス供給マニホールドを通って、セパレータ300のカソードガス供給口336hを介してカソード側多孔体430に流入し、カソード側多孔体430内を流通しつつ、MEA210に供給されて電極反応に利用される。電極反応に利用されなかった空気を含むカソード排ガスは、セパレータ300のカソード排ガス排出口338hを介してカソード排ガス排出マニホールド108に排出され、カソード排ガス排出マニホールド108を通って燃料電池100外へ排出される。同様に、燃料電池100に供給されたアノードガスとしての水素も、燃料電池100内を流通して電極反応に利用され、電極反応に利用されなかった水素を含むアノード排ガスは、燃料電池100外へ排出される。また、セパレータ300には、冷却水流路110pが形成され、セパレータ内部を冷却水が流通することにより、燃料電池100の電極反応に伴って生成される熱を取り除き、燃料電池100の内部温度を所定の範囲内に保っている。
The air supplied to the
A1−1.シール部材一体型MEAの構成:
図2は、シール部材一体型MEA200の平面構成を示す平面図である。図1に示すように、シール部材一体型MEA200は、外形が略長方形状のMEA210の外周に、枠状のシール部材220が、MEA210と一体的に形成されて成る。図3は、図1におけるX1部を拡大して示す拡大断面図である。図3に示すように、MEA210は、電解質膜212の一方の面にアノード214、アノード側拡散層216の順に積層され、他方の面にカソード215、カソード側拡散層217の順に積層されて成る。本実施例におけるMEA210が、請求項における発電体に相当する。
A1-1. Structure of seal member integrated MEA:
FIG. 2 is a plan view showing a planar configuration of the seal member integrated
本実施例において、電解質膜212としては、フッ素系樹脂により形成された高分子電解質膜を、用いている。アノード214およびカソード215としては、触媒として白金および白金合金を担持したカーボン担体より形成された電極を、用いている。そして、アノード側拡散層216およびカソード側拡散層217としては、撥水加工が施されたカーボンフェルトを用いている。例えば、カーボンとテフロン(登録商標)を混合させた混合液を、カーボンフェルトに含浸させることにより、撥水加工を施すことができる。なお、アノード側拡散層216のアノード214と接触する接触面、カソード側拡散層217のカソード215と接触する接触面のみに、撥水加工を施しても良いし、アノード側拡散層216、カソード側拡散層217の全体に撥水加工を施しても良い。また、本実施例では、排水性を高めるために、アノード側拡散層216、217に撥水加工を施しているが、撥水加工が施されていない構成にしてもよい。
In the present embodiment, as the
シール部材220は、シリコーンゴムを用いて射出成型により形成されている。シール部材220を成形する際には、シリコーンゴムを、アノード214、カソード215、アノード側拡散層216、およびカソード側拡散層217それぞれの内部の空隙に含浸させ、いわゆるアンカー効果によりシール部材220と、MEA210とを結合している。
The
図2に示すように、シール部材220には、カソードガス供給用貫通孔106s、カソード排ガス排出用貫通孔108sが、それぞれ3つずつ、アノードガス供給用貫通孔102s、アノード排ガス排出用貫通孔104s、冷却水供給用貫通孔110s、冷却水排出用貫通孔112sが、それぞれ1つずつ、形成されている。そして、反応ガスの漏洩を防止するためのシールラインSLが形成されている。
As shown in FIG. 2, the
A1―2.アノード側多孔体およびカソード側多孔体の構成:
図4は、カソード側多孔体430の概略構成を示す説明図である。図4(a)は、カソード側多孔体430のカソード側拡散層217と当接する面の構成を示す平面図、図4(b)は、カソード側多孔体430のセパレータ300と当接する面の構成を示す平面図、図4(c)は、(b)におけるA−A切断面を拡大して示す拡大断面図である。図5は、シール部材一体型MEA200上にカソード側多孔体430が積層された状態を示す平面図である。図5では、後述する第2の部材432と第3の部材434の配置される領域を説明するためのハッチングが、カソード側多孔体430に付されている。カソード側多孔体430は、図4(c)に示すように、第1の部材431と、第1の部材431よりも親水性の高い、第2の部材432と、第1の部材431よりも親水性の高い、第3の部材434と、を備える。そして、図4、5に示すように、外形は、シール部材一体型MEA200のシール部材220の内枠と略一致する、平面略長方形状を成す。本実施例において、カソード側多孔体430としてエキスパンドメタルを用いている。
A1-2. Composition of anode side porous body and cathode side porous body:
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of the cathode side
図4(a)に示すように、カソード側多孔体430は、カソード側拡散層217と当接する面には、その一部に、第2の部材432を備えている。そして、図4(b)に示すように、カソード側多孔体430は、セパレータ300と当接する面には、その一部に、第3の部材434を備えている。以下、第2の部材432と第3の部材434とを合わせて、部材432、434とも呼ぶ。
As shown in FIG. 4A, the cathode-side
図4(a)に示すように、第2の部材432は、平面的には、アノードガスとしての空気の流れ(図中、空気の流れを矢印で示す。)の上流から中流の領域、すなわち、図5に示す(領域A+領域B)の領域に配置されている。一方、第3の部材434は、空気の流れの中流から下流の領域、すなわち、図5に示す(領域B+領域C)の領域に配置されている。上記したように、第2の部材432は、カソード側拡散層217と当接する面に、第3の部材434は、セパレータ300と当接する面に、それぞれ、配置されており、図4(c)に示すように、領域Bは、第1の部材431と、第2の部材432と、第3の部材434とを備える。図5では、第1の部材431と、第2の部材432と、を備える領域Aと、第1の部材431と、第3の部材434と、を備える領域Cを、斜線ハッチングを付して示し、第1の部材431と、第2の部材432と、第3の部材434とを備える領域Bを、クロスハッチングを付して示している。
As shown in FIG. 4 (a), the
本実施例において、エキスパンドメタルの表面をサンドブラストで粗して、親水性を向上させることにより、第2の部材432、第3の部材434を形成し、親水性を向上させる処理を施していない部分が第1の部材431となっている。その他、酸化チタンや、親水性塗料を塗布することによって、親水性を付与する等、周知の方法で、第2の部材432、第3の部材434を形成することができる。また、第1の部材431、第2の部材432、第3の部材434をそれぞれ、別個の部材として形成し、それらを、図4のように配置して、カソード側多孔体430を構成してもよい。
In this embodiment, the surface of the expanded metal is roughened by sandblasting to improve the hydrophilicity, thereby forming the
アノード側多孔体410は、図3に示すように、カソード側多孔体430と、MEA210を挟んで対称となるような構成を成す。すなわち、アノード側多孔体410は、第1の部材411と、第1の部材411よりも親水性の高い、第2の部材412と、第1の部材411よりも親水性の高い、第3の部材414と、を備える。アノード側多孔体410は、アノード側拡散層216側には、第2の部材412が配置され、セパレータ300側には、第3の部材414が配置されている。そして、第2の部材412は、カソード側多孔体430の第2の部材432と同様に、水素の流れの上流側に配置され、第3の部材414は、カソード側多孔体430の第3の部材434と同様に、水素の流れの下流側に配置されている。
As shown in FIG. 3, the anode-side
本実施例における第1の部材411、第1の部材431が、請求項における第1の部材に、第2の部材432および第2の部材412が、請求項における第2の部材に、第3の部材434および第3の部材414が、請求項における第3の部材に、それぞれ相当する。また、カソード側多孔体430のセパレータ300と当接する面、またはカソード側拡散層217と当接する面が、請求項における積層面に相当する。
In this embodiment, the
A1−3.セパレータの構成:
セパレータ300は、図3に示すように、カソード側多孔体430と当接するカソード対向プレート330と、アノード側多孔体410と当接するアノード対向プレート310と、カソード対向プレート330およびアノード対向プレート310に狭持された中間プレート320と、が積層された3層構造を有している。
A1-3. Separator configuration:
As shown in FIG. 3, the
セパレータ300を構成する3枚のプレート(アノード対向プレート310、カソード対向プレート330、中間プレート320)は、略長方形を成すステンレス鋼製の薄板であり、金属接合や樹脂接合することによって作製される。ステンレス鋼の代わりに、チタンやアルミニウム等、他の金属を用いるものとしてもよい。なお、これらの各プレートは、後述するように、冷却水に晒されるので、耐食性の高い金属を用いることが好ましい。
Three plates (an
図6は、アノード対向プレート310の平面構成を概略的に示す平面図である。図示するように、アノード対向プレート310の周縁部には、上記したアノードガス供給用貫通孔102、アノード排ガス排出用貫通孔104、カソードガス供給用貫通孔106、カソード排ガス排出用貫通孔108、冷却水用貫通孔110、112を構成する、アノードガス供給用貫通孔102a、アノード排ガス排出用貫通孔104a、カソードガス供給用貫通孔106a、カソード排ガス排出用貫通孔108a、冷却水用貫通孔110a、112aが形成されている。
FIG. 6 is a plan view schematically showing a planar configuration of the
また、複数のアノードガス供給口312h、アノード排ガス排出口314hが、アノード対向プレート310の長辺に沿って、カソードガス供給用貫通孔106a、カソード排ガス排出用貫通孔108aよりも内側に形成されている。図に矢印で示すように、アノードガス供給口312hから、アノード側多孔体410にアノードガスとしての水素が供給され、アノード排ガス排出口314hから、アノード排ガスが排出される。
A plurality of anode
図7は、中間プレート320の平面構成を概略的に示す平面図である。図示するように、中間プレート320には、上記したアノード対向プレート310に形成されている貫通孔と同様の、アノードガス供給用貫通孔102m、アノード排ガス排出用貫通孔104m、カソードガス供給用貫通孔106m、カソード排ガス排出用貫通孔108mが形成されている。
FIG. 7 is a plan view schematically showing a planar configuration of the
さらに、アノードガス供給用貫通孔102mから複数のアノードガス供給口312hに水素が流れるように、アノードガス供給用貫通孔102mと複数のアノードガス供給口312hとを接続するアノードガス供給用接続部102j、が形成されている。同様に、アノード排ガス排出用貫通孔104mと複数のアノード排ガス排出口314hとを接続するアノード排ガス排出用接続部104jが、形成されている。
Further, the anode gas
また、3つのカソードガス供給用貫通孔106mから、後述する複数のカソードガス供給口336hに空気が流れるように、カソードガス供給用貫通孔106mと複数のカソードガス供給口336hとを接続するカソードガス供給用接続部106j、が形成されている。同様に、後述する複数のカソード排ガス排出口248hから、3つのカソード排ガス排出用貫通孔108mにカソード排ガスが流れるように、複数のカソード排ガス排出口248hとカソード排ガス排出用貫通孔108mとを接続するカソード排ガス排出用接続部108j、が形成されている。
The cathode gas that connects the cathode gas supply through-
また、発電によって燃料電池100の温度が上昇するのを抑制するために、MEA400全体を冷却するように、セパレータ300内に冷却水を流す、冷却水流路110pが、形成されている。
Further, in order to prevent the temperature of the
図8は、カソード対向プレート330の平面構成を概略的に示す平面図である。図示するように、カソード対向プレート330には、上記したアノード対向プレート310に形成されている貫通孔と同様の、アノードガス供給用貫通孔102c、アノード排ガス排出用貫通孔104c、カソードガス供給用貫通孔106c、カソード排ガス排出用貫通孔108c、冷却水用貫通孔110c、112cが形成されている。
FIG. 8 is a plan view schematically showing a planar configuration of the
さらに、複数のカソードガス供給口336h、カソード排ガス排出口248hが、カソード対向プレート330の上下辺に沿って、カソードガス供給用貫通孔106c、カソード排ガス排出用貫通孔108cよりも内側に形成されている。図に矢印で示すように、カソードガス供給口336hから、カソード側多孔体430にカソードガスとしての空気が供給され、カソード排ガスが、カソード排ガス排出口248hを介して排出される。
Further, a plurality of cathode
図9は、セパレータ300の平面構成を概略的に示す平面図である。セパレータ300は、先に説明したように、アノード対向プレート310と、中間プレート320と、カソード対向プレート330とを接合することによって形成されている。ここでは、アノード対向プレート310側から見た様子を示している。図から分かるように、アノード対向プレート310と、中間プレート320と、カソード対向プレート330を積層した際に、各貫通孔が重なって、セパレータ300を貫通する各貫通孔が形成される。
FIG. 9 is a plan view schematically showing a planar configuration of the
また、アノード対向プレート310、中間プレート320、カソード対向プレート330を重ねることによって、図示するように、アノードガス供給用貫通孔102と、アノードガス供給用接続部102jと、アノードガス供給口312hとが繋がって、アノードガス(水素)の供給路が形成される。同様に、アノード排ガスの排出路、カソードガス(空気)の供給路、カソード排ガスの排出路が形成される。
Further, by stacking the
A2.実施例の効果:
図10は、カソード側の水の流れを説明するための説明図である。図10では、図3におけるX2部を拡大して示している。図中の矢印は、電解質膜212およびカソード215から排出される水の流れを示している。この水には、カソード215で生成される生成水の他、空気中に含まれる水等も含む。上記したように、カソード側多孔体430は、領域Aでは、カソード側拡散層217と当接する面に、第1の部材431よりも親水性の高い第2の部材432を備える。そのため、カソード215および電解質膜212中の水は、図中矢印で示すように、第2の部材432の親水性により、カソード側多孔体430の方へ移動する。
A2. Effects of the embodiment:
FIG. 10 is an explanatory diagram for explaining the flow of water on the cathode side. 10, the X2 part in FIG. 3 is shown enlarged. The arrows in the figure indicate the flow of water discharged from the
しかしながら、領域Aでは、セパレータ300側に、第3の部材434を備えていないため、水は、さらに、セパレータ300の方に向かっては、移動しにくい。そうすると、領域Aでは、第1の部材431内にあまり水が存在しないため、カソード側多孔体430内を流通する空気によって、水が排出されにくくなり、水の排出が抑制される。従来、空気の流れの上流では、乾燥した空気が供給されると、水が排出され易く、電解質膜212が乾燥して、発電効率が低下するおそれがあったが、本実施例の燃料電池100によれば、空気の流れの上流(領域Aに相当する)では、水の排出が抑制されるため、電解質膜212の乾燥を抑制することができ、発電効率の低下を抑制することができる。
However, in the region A, since the
また、従来、空気の流れの下流では、空気の流速が上流に比べて遅く、水が排出され難いため、フラッディングが生じやすく、結果として、発電効率が低下するという問題があった。本実施例では、カソード側多孔体430は、空気の流れの下流に相当する領域Cでは、セパレータ300と当接する面に、第1の部材431よりも親水性の高い第3の部材434が配置されている。そのため、カソード215および電解質膜212中の水は、図中矢印で示すように、第3の部材434の親水性により、セパレータ300の方へ向かって移動する。そして、カソード側多孔体430内を移動する際に、カソード側多孔体430内を流れる空気と共に、燃料電池100外へ排出される。したがって、空気の流れの下流(領域Cに相当する)では、排水性が促進されるため、フラッディングを抑制することができ、発電効率の低下を抑制することができる。
Conventionally, downstream of the air flow, the air flow rate is slower than that of the upstream, and it is difficult for water to be discharged. Therefore, flooding is likely to occur, and as a result, power generation efficiency is reduced. In the present embodiment, the cathode-side
さらに、カソード側多孔体430は、領域Bでは、カソード側拡散層217側に、第2の部材432、セパレータ300側に、第3の部材434を備えている。空気の流れの中流域(領域B)では、下流域に比べて、MEA210の含水量が少なくなり易い。そのような場合に、カソード側拡散層217側にも親水性の高い第2の部材432が設けられていると、水が、第2の部材432に引き寄せられ、さらに、第2の部材432から第3の部材434へと引き寄せられる。そのため、排水性が向上し、フラッディングを抑制することができ、発電効率の低下を抑制することができる。
Further, in the region B, the cathode-side
なお、アノード側においても、カソード側と同様に、排水性が調節され、発電効率の低下を抑制することができる。 In addition, also on the anode side, the drainage property is adjusted similarly to the cathode side, and a decrease in power generation efficiency can be suppressed.
以上説明したように、本実施例の燃料電池100によれば、反応ガス(空気、水素)の流れに沿って、段階的に排水性を調節することによって、MEA210の含水量の、面内のばらつきを低減し、発電効率の低下を抑制することができる。
As described above, according to the
B.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。
B. 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.
(1)上記実施例において、カソード側多孔体430は、カソード側拡散層217と当接する面に、第2の部材432、セパレータ300と当接する面に、第3の部材434を備えているが、カソード側多孔体430は、第3の部材を備えないようにしてもよい。このようにしても、電解質膜212の乾燥を抑制して、発電効率の低下を抑制することができる。
(1) In the above embodiment, the cathode-side
(2)上記実施例において、第2の部材432と第3の部材434とは、カソード側多孔体430の積層面に垂直な方向から見て、領域Bで重なるように配置されているが、第2の部材432と第3の部材434の配置は、上記した実施例に限定されない。図11は、変形例のカソード側多孔体の断面構成を概略的に示す断面図である。例えば、図11(a)に示すように、第2の部材432と第3の部材434とが、重ならず、隣り合うように形成されてもよい。また、図11(b)に示すように、領域Aを小さくしてもよい。このように、第2の部材432と第3の部材434の配置や、大きさ(面積)は、例えば、MEA210の含水量の面内分布に応じて、定めるようにしてもよい。
(2) In the above embodiment, the
(3)上記実施例において、拡散層216、217として、カーボンフェルトを用いているが、カーボンフェルトの代わりに、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス等を用いてもよい。また、多孔体として、エキスパンドメタルを用いているが、スラリー発泡法や発泡焼結法等の公知の方法で作成された発泡金属を用いてもよい。 (3) In the above embodiment, carbon felt is used as the diffusion layers 216 and 217, but carbon paper, carbon cloth, etc. may be used instead of carbon felt. Moreover, although the expanded metal is used as a porous body, you may use the foam metal produced by well-known methods, such as a slurry foaming method and a foam sintering method.
(4)上記第1の実施例の燃料電池100では、MEA210の両面に、アノード側多孔体410と、カソード側多孔体430と、をそれぞれ配置しているが、このような構成に限定されない。例えば、MEA210のカソード側にのみカソード側多孔体430を配置して、アノード側には、従来の多孔体を配置するようにしてもよい。このようにしても、MEA210(発電体)の含水量が調節されるため、発電効率の低下を抑制することができる。
(4) In the
また、スタック構造を有する燃料電池の場合、積層方向の端部寄りに、水が溜まりやすい傾向がある。したがって、積層方向の端部寄りのセルモジュール(シール部材一体型MEA200をセパレータ300で挟持したもの)には、上記した実施例と同様の多孔体410、430を用い、中央寄りのセルモジュールには、従来の多孔体を用いるようにしてもよい。このようにしても、水が溜まり易い部分の排水性能を調節して、燃料電池スタック全体の発電効率の低下を抑制することができる。
Further, in the case of a fuel cell having a stack structure, water tends to accumulate near the end in the stacking direction. Therefore, for the cell module near the end in the stacking direction (the sealing member integrated
(5)上記実施例では、MEA210として、アノード側、カソード側両方に拡散層216、217が配置されるものを示したが、拡散層がない構成にしてもよい。カソード側は、電極反応により水が生成されるため、拡散層217があると、その生成水を吸い上げて排出しやすくなるが、アノード側では水が生成されないため、そのような必要性が低い。そこで、例えば、アノード側には拡散層を配置しない構成にしてもよい。さらに、カソード側にも拡散層が配置されない構成にしてもよい。
(5) In the above embodiment, the
100…燃料電池
102a、102c、102m、102s…アノードガス供給用貫通孔
102j…アノードガス供給用接続部
104a、104c、104m、104s…アノード排ガス排出用貫通孔
104j…アノード排ガス排出用接続部
106…カソードガス供給マニホールド
106a、106c、106m、106s…カソードガス供給用貫通孔
106j…カソードガス供給用接続部
108…カソード排ガス排出マニホールド
108a、108c、108m、108s…カソード排ガス排出用貫通孔
108j…カソード排ガス排出用接続部
110a、110c…冷却水用貫通孔
110p…冷却水流路
110s…冷却水供給用貫通孔
112s…冷却水排出用貫通孔
200…シール部材一体型MEA
210…MEA
212…電解質膜
214…アノード
215…カソード
216…アノード側拡散層
217…カソード側拡散層
220…シール部材
300…セパレータ
310…アノード対向プレート
320…中間プレート
330…カソード対向プレート
312h…アノードガス供給口
314h…アノード排ガス排出口
336h…カソードガス供給口
338h…カソード排ガス排出口
400…MEA
410…アノード側多孔体
411、431…第1の部材
412、432…第2の部材
414、434…第3の部材
430…カソード側多孔体
SL…シールライン
DESCRIPTION OF
210 ... MEA
212 ...
410: Anode-side
Claims (5)
電解質膜の両面に電極が配置されて成る発電体と、
前記発電体の少なくとも一方の面に配置される、多孔体から成るガス流路形成部材と、
前記ガス流路形成部材の前記発電体が配置される面と反対側の面に配置されるセパレータと、
を備え、
前記ガス流路形成部材は、
第1の部材と、
前記発電体側に配置され、前記第1の部材よりも親水性の高い第2の部材と、
を備えることを特徴とする。 A fuel cell,
A power generator in which electrodes are arranged on both sides of the electrolyte membrane;
A gas flow path forming member made of a porous material, disposed on at least one surface of the power generator;
A separator disposed on a surface opposite to a surface on which the power generation body of the gas flow path forming member is disposed;
With
The gas flow path forming member is:
A first member;
A second member disposed on the power generation body side and having a higher hydrophilicity than the first member;
It is characterized by providing.
前記第2の部材は、前記ガス流路形成部材内を流通するガスの流れの上流側に配置されることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to claim 1,
The fuel cell according to claim 1, wherein the second member is disposed upstream of a flow of gas flowing through the gas flow path forming member.
前記ガス流路形成部材は、
前記セパレータ側に配置され、前記第1の部材よりも親水性の高い第3の部材をさらに備え、
前記第3の部材は、前記ガス流路形成部材内を流通するガスの流れの下流側に配置されることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to claim 2, wherein
The gas flow path forming member is:
A third member disposed on the separator side and having a higher hydrophilicity than the first member;
The fuel cell according to claim 1, wherein the third member is disposed on a downstream side of a flow of gas flowing through the gas flow path forming member.
前記第2の部材と、前記第3の部材とは、前記ガス流路形成部材の積層面に垂直な方向から見た場合に、一部が重なるように配置されていることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to claim 2 or 3,
The fuel is characterized in that the second member and the third member are disposed so as to partially overlap each other when viewed from a direction perpendicular to the laminated surface of the gas flow path forming member. battery.
前記ガス流路形成部材は、エキスパンドメタルより成ることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein
The fuel cell according to claim 1, wherein the gas flow path forming member is made of expanded metal.
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|---|---|---|---|---|
| CN105470538A (en) * | 2014-09-25 | 2016-04-06 | 丰田自动车株式会社 | Fuel cell and manufacturing method of fuel cell |
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