JP2010049960A

JP2010049960A - Fuel cell

Info

Publication number: JP2010049960A
Application number: JP2008213678A
Authority: JP
Inventors: Kenji Tsubosaka; 健二壷阪
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-08-22
Filing date: 2008-08-22
Publication date: 2010-03-04
Anticipated expiration: 2028-08-22
Also published as: JP5228699B2

Abstract

【課題】触媒層に集電機能を有する燃料電池において、コストおよびエネルギ消費の増大を抑制しつつ触媒層の温度上昇を抑制することができる燃料電池を提供する。
【解決手段】本発明に係る燃料電池（５）は、電解質膜（１０）と、電解質膜の少なくともいずれか一方の面に配置された触媒層（２０，３０）と、触媒層内に少なくとも一部が配置された集電体（４０，５０）と、を備え、集電体の電解質膜側の第１領域の吸熱性は、集電体の電解質膜と反対側の第２領域の吸熱性に比較して高いことを特徴とするものである。
【選択図】図１PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell capable of suppressing an increase in temperature of a catalyst layer while suppressing an increase in cost and energy consumption in a fuel cell having a current collecting function in a catalyst layer.
A fuel cell (5) according to the present invention comprises an electrolyte membrane (10), a catalyst layer (20, 30) disposed on at least one surface of the electrolyte membrane, and at least one in the catalyst layer. Current collector (40, 50) having a portion disposed therein, and the heat absorption of the first region on the electrolyte membrane side of the current collector is the heat absorption of the second region on the opposite side of the current collector to the electrolyte membrane It is characterized by being higher than
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell.

燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。 A fuel cell is a device that generally obtains electric energy using hydrogen and oxygen as fuel. Since this fuel cell is excellent in terms of the environment and can realize high energy efficiency, it has been widely developed as a future energy supply system.

燃料電池は、例えば、プロトン伝導性を有する電解質膜と、電解質膜に沿って配置されたカソード触媒層およびアノード触媒層と、を備える。このような燃料電池においては、カソード側に酸素を含むカソードガスが供給され、アノード側に水素を含むアノードガスが供給される。それにより、発電が行われる。 The fuel cell includes, for example, an electrolyte membrane having proton conductivity, and a cathode catalyst layer and an anode catalyst layer disposed along the electrolyte membrane. In such a fuel cell, a cathode gas containing oxygen is supplied to the cathode side, and an anode gas containing hydrogen is supplied to the anode side. Thereby, power generation is performed.

特許文献１には、カソード触媒層およびアノード触媒層の内部に多孔質の集電体の一部を進入させた燃料電池が開示されている。特許文献２には、カソード触媒層およびアノード触媒層の内部に多孔質の集電体が埋設された燃料電池が開示されている。 Patent Document 1 discloses a fuel cell in which a part of a porous current collector is inserted into a cathode catalyst layer and an anode catalyst layer. Patent Document 2 discloses a fuel cell in which a porous current collector is embedded in a cathode catalyst layer and an anode catalyst layer.

特開平５−３１５０００号公報JP-A-5-315000 特開２００５−１７４８７２号公報JP-A-2005-174872

ところで、発電時においては、触媒層の電解質膜に近い領域ほど発熱量が多くなる傾向にある。この場合、燃料電池の発電性低下を引き起こすおそれがある。特に、高温時に発電性低下が顕著にあらわれる傾向にある。特許文献１および特許文献２の燃料電池において触媒層を冷却するためには、冷却系統を新たに設ける必要がある。この場合、コストの増大およびエネルギ消費の増大をまねくおそれがある。 By the way, at the time of power generation, the heat generation amount tends to increase as the area of the catalyst layer closer to the electrolyte membrane. In this case, there is a risk of causing a decrease in power generation performance of the fuel cell. In particular, there is a tendency for power generation to be significantly reduced at high temperatures. In order to cool the catalyst layer in the fuel cells of Patent Document 1 and Patent Document 2, it is necessary to newly provide a cooling system. In this case, there is a risk of increasing costs and energy consumption.

本発明は、触媒層に集電機能を有する燃料電池において、コストおよびエネルギ消費の増大を抑制しつつ触媒層の温度上昇を抑制することができる燃料電池を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a fuel cell capable of suppressing an increase in temperature of the catalyst layer while suppressing an increase in cost and energy consumption in a fuel cell having a current collecting function in the catalyst layer.

本発明に係る燃料電池は、電解質膜と、電解質膜の少なくともいずれか一方の面に配置された触媒層と、触媒層内に少なくとも一部が配置された集電体と、を備え、集電体の電解質膜側の第１領域の吸熱性は、集電体の電解質膜と反対側の第２領域の吸熱性に比較して高いことを特徴とするものである。 A fuel cell according to the present invention comprises an electrolyte membrane, a catalyst layer disposed on at least one surface of the electrolyte membrane, and a current collector disposed at least partially within the catalyst layer, The heat absorption property of the first region on the electrolyte membrane side of the body is higher than the heat absorption property of the second region on the side opposite to the electrolyte membrane of the current collector.

本発明に係る燃料電池によれば、集電体の第１領域の吸熱性は集電体の第２領域の吸熱性に比較して高いことから、触媒層の冷却効率が高まる。それにより、触媒層の温度上昇を抑制することができる。また、新たな冷却系統を設ける必要がないことから、コストおよびエネルギの消費の増大を抑制することができる。 According to the fuel cell of the present invention, since the endothermic property of the first region of the current collector is higher than the endothermic property of the second region of the current collector, the cooling efficiency of the catalyst layer is increased. Thereby, the temperature rise of a catalyst layer can be suppressed. Moreover, since it is not necessary to provide a new cooling system, it is possible to suppress an increase in cost and energy consumption.

上記構成において、集電体の吸熱性は、電解質膜に向かって徐々にまたは段階的に高くなっていてもよい。この場合、触媒層の冷却効率が高まる。 In the above configuration, the endothermic property of the current collector may increase gradually or stepwise toward the electrolyte membrane. In this case, the cooling efficiency of the catalyst layer is increased.

上記構成において、第１領域の熱伝導率は、第２領域の熱伝導率に比較して高くてもよい。上記構成において、第１領域の断面積は、第２領域の断面積に比較して大きくてもよい。また、上記構成において、第１領域の表面積は、第２領域の表面積に比較して大きくてもよい。これらの構成によれば、集電体の第１領域の吸熱性を第２領域の吸熱性に比較して高くすることができる。 In the above configuration, the thermal conductivity of the first region may be higher than the thermal conductivity of the second region. In the above configuration, the cross-sectional area of the first region may be larger than the cross-sectional area of the second region. In the above configuration, the surface area of the first region may be larger than the surface area of the second region. According to these configurations, the endothermic property of the first region of the current collector can be made higher than the endothermic property of the second region.

上記構成において、第１領域は、触媒層内に配置され、第２領域は、触媒層の電解質膜と反対側に配置されたガス拡散層内に配置されていてもよい。上記構成において、触媒層は、カソード触媒層であってもよい。 In the above configuration, the first region may be disposed in the catalyst layer, and the second region may be disposed in the gas diffusion layer disposed on the opposite side of the catalyst layer from the electrolyte membrane. In the above configuration, the catalyst layer may be a cathode catalyst layer.

上記構成において、集電体は、導電性多孔体であってもよい。この構成によれば、集電体が配置されることによる反応ガスの電解質膜への供給効率の低下が抑制される。 In the above configuration, the current collector may be a conductive porous body. According to this structure, the fall of the supply efficiency to the electrolyte membrane of the reactive gas by arrange | positioning a collector is suppressed.

本発明によれば、触媒層に集電機能を有する燃料電池において、コストおよびエネルギ消費の増大を抑制しつつ触媒層の温度上昇を抑制することができる燃料電池を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell which can suppress the temperature rise of a catalyst layer can be provided, suppressing the increase in cost and energy consumption in the fuel cell which has a current collection function in a catalyst layer.

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described.

本発明の実施例１に係る燃料電池５について説明する。図１は、実施例１に係る燃料電池５の模式的断面図である。なお、図１は、燃料電池５に負荷１００が接続された状態を示している。燃料電池５は、電解質膜１０と、触媒層（アノード触媒層２０およびカソード触媒層３０）と、集電体（アノード集電体４０およびカソード集電体５０）と、ガス拡散層（アノードガス拡散層６０およびカソードガス拡散層７０）と、セパレータ（セパレータ８０およびセパレータ９０）と、を備える。電解質膜１０としては、例えばプロトン伝導性を有する固体高分子電解質が用いられる。 A fuel cell 5 according to Example 1 of the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a fuel cell 5 according to the first embodiment. FIG. 1 shows a state in which a load 100 is connected to the fuel cell 5. The fuel cell 5 includes an electrolyte membrane 10, a catalyst layer (anode catalyst layer 20 and cathode catalyst layer 30), a current collector (anode current collector 40 and cathode current collector 50), and a gas diffusion layer (anode gas diffusion). Layer 60 and cathode gas diffusion layer 70) and separators (separator 80 and separator 90). For example, a solid polymer electrolyte having proton conductivity is used as the electrolyte membrane 10.

アノード触媒層２０およびカソード触媒層３０は、電解質膜１０を挟持するように配置されている。アノード触媒層２０およびカソード触媒層３０は、触媒を含有する導電性材料からなる。アノード触媒層２０の触媒は、水素のプロトン化を促進させる。カソード触媒層３０の触媒は、プロトンと酸素との反応を促進させる。例えば、アノード触媒層２０およびカソード触媒層３０は、白金担持カーボン等を含む。 The anode catalyst layer 20 and the cathode catalyst layer 30 are disposed so as to sandwich the electrolyte membrane 10. The anode catalyst layer 20 and the cathode catalyst layer 30 are made of a conductive material containing a catalyst. The catalyst of the anode catalyst layer 20 promotes protonation of hydrogen. The catalyst of the cathode catalyst layer 30 promotes the reaction between protons and oxygen. For example, the anode catalyst layer 20 and the cathode catalyst layer 30 include platinum-supported carbon.

アノード集電体４０は、少なくとも一部がアノード触媒層２０内に配置されている。また、カソード集電体５０は、少なくとも一部がカソード触媒層３０内に配置されている。本実施例においては、アノード集電体４０およびカソード集電体５０の一部はそれぞれアノード触媒層２０およびカソード触媒層３０の内部に配置され、残りの一部はそれぞれアノードガス拡散層６０およびカソードガス拡散層７０に配置されている。 At least a part of the anode current collector 40 is disposed in the anode catalyst layer 20. Further, at least a part of the cathode current collector 50 is disposed in the cathode catalyst layer 30. In the present embodiment, a part of the anode current collector 40 and the cathode current collector 50 is disposed inside the anode catalyst layer 20 and the cathode catalyst layer 30, respectively, and the remaining part is the anode gas diffusion layer 60 and the cathode, respectively. The gas diffusion layer 70 is disposed.

アノード集電体４０およびカソード集電体５０は、集電性に優れた電子伝導物質からなる。また、本実施例において、アノード集電体４０およびカソード集電体５０は、複数の孔を有する導電性多孔体である。アノード集電体４０およびカソード集電体５０として、例えば、金属メッシュ、金属発泡焼結体、エキスパンドメタル、カーボンファイバー、カーボン焼結体等が用いられる。本実施例において、アノード集電体４０は金属メッシュからなる。なお、アノード集電体４０およびカソード集電体５０の吸熱性については後述する。 The anode current collector 40 and the cathode current collector 50 are made of an electron conductive material having excellent current collecting properties. In this embodiment, the anode current collector 40 and the cathode current collector 50 are conductive porous bodies having a plurality of holes. As the anode current collector 40 and the cathode current collector 50, for example, a metal mesh, a metal foam sintered body, an expanded metal, a carbon fiber, a carbon sintered body, or the like is used. In this embodiment, the anode current collector 40 is made of a metal mesh. The endothermic properties of the anode current collector 40 and the cathode current collector 50 will be described later.

アノードガス拡散層６０は、アノード触媒層２０の電解質膜１０と反対側に配置されている。カソードガス拡散層７０は、カソード触媒層３０の電解質膜１０と反対側に配置されている。アノードガス拡散層６０は、アノードガス拡散層６０に供給された水素を含むアノードガスを拡散させて、アノード触媒層２０に供給する。カソードガス拡散層７０は、カソードガス拡散層７０に供給された酸素を含むカソードガスを拡散させて、カソード触媒層３０に供給する。 The anode gas diffusion layer 60 is disposed on the opposite side of the anode catalyst layer 20 from the electrolyte membrane 10. The cathode gas diffusion layer 70 is disposed on the opposite side of the cathode catalyst layer 30 from the electrolyte membrane 10. The anode gas diffusion layer 60 diffuses the anode gas containing hydrogen supplied to the anode gas diffusion layer 60 and supplies it to the anode catalyst layer 20. The cathode gas diffusion layer 70 diffuses the cathode gas containing oxygen supplied to the cathode gas diffusion layer 70 and supplies it to the cathode catalyst layer 30.

アノードガス拡散層６０およびカソードガス拡散層７０の構成材料は、ガス透過性を備えた材料であれば、特に限定されない。また、アノード触媒層２０およびカソード触媒層３０が集電機能を有しているため、アノードガス拡散層６０およびカソードガス拡散層７０の構成材料は導電性を有していなくてもよい。 The constituent material of the anode gas diffusion layer 60 and the cathode gas diffusion layer 70 is not particularly limited as long as it is a material having gas permeability. Further, since the anode catalyst layer 20 and the cathode catalyst layer 30 have a current collecting function, the constituent materials of the anode gas diffusion layer 60 and the cathode gas diffusion layer 70 do not have to be conductive.

セパレータ８０は、アノードガス拡散層６０のアノード触媒層２０と反対側に配置されている。セパレータ９０は、カソードガス拡散層７０のカソード触媒層３０と反対側に配置されている。セパレータ８０およびセパレータ９０には、溝によって構成されたガス流路（図示せず）が形成されている。セパレータ８０のガス流路にはアノードガスが通り、セパレータ９０のガス流路にはカソードガスが通る。セパレータ８０およびセパレータ９０の材質は、特に限定されない。アノード触媒層２０およびカソード触媒層３０が集電機能を有しているため、セパレータ８０およびセパレータ９０は導電性を有していなくてもよい。 The separator 80 is disposed on the opposite side of the anode gas diffusion layer 60 from the anode catalyst layer 20. The separator 90 is disposed on the opposite side of the cathode gas diffusion layer 70 from the cathode catalyst layer 30. The separator 80 and the separator 90 are formed with a gas flow path (not shown) constituted by grooves. The anode gas passes through the gas flow path of the separator 80, and the cathode gas passes through the gas flow path of the separator 90. The material of the separator 80 and the separator 90 is not particularly limited. Since the anode catalyst layer 20 and the cathode catalyst layer 30 have a current collecting function, the separator 80 and the separator 90 may not have conductivity.

負荷１００は、モータ、補機等である。負荷１００とアノード集電体４０とカソード集電体５０とは、電気的に接続されて電気回路を形成する。 The load 100 is a motor, an auxiliary machine, or the like. The load 100, the anode current collector 40, and the cathode current collector 50 are electrically connected to form an electric circuit.

燃料電池５は、以下のように動作する。アノードガスは、セパレータ８０のガス流路を通ってアノードガス拡散層６０に供給される。アノードガス拡散層６０に供給されたアノードガスは、アノードガス拡散層６０を拡散した後に、アノード触媒層２０に到達する。アノード触媒層２０において、アノードガス中の水素はプロトンと電子とに分離される。プロトンは、電解質膜１０を伝導して、カソード触媒層３０に到達する。電子は、アノード集電体４０によって集電されて負荷１００に供給された後に、カソード集電体５０に到達する。 The fuel cell 5 operates as follows. The anode gas is supplied to the anode gas diffusion layer 60 through the gas flow path of the separator 80. The anode gas supplied to the anode gas diffusion layer 60 diffuses through the anode gas diffusion layer 60 and then reaches the anode catalyst layer 20. In the anode catalyst layer 20, hydrogen in the anode gas is separated into protons and electrons. Protons are conducted through the electrolyte membrane 10 and reach the cathode catalyst layer 30. The electrons are collected by the anode current collector 40 and supplied to the load 100, and then reach the cathode current collector 50.

カソードガスは、セパレータ９０のガス流路を通ってカソードガス拡散層７０に供給される。カソードガス拡散層７０に供給されたカソードガスは、カソードガス拡散層７０を拡散した後に、カソード触媒層３０に到達する。カソード触媒層３０においては、カソードガス中の酸素と電解質膜１０を伝導したプロトンと負荷１００からの電子とから水が生成される。生成された水（生成水）は、主としてカソード触媒層３０およびカソードガス拡散層７０を通って、セパレータ９０のガス流路から外部へ排出される。以上のように、燃料電池５は動作する。 The cathode gas is supplied to the cathode gas diffusion layer 70 through the gas flow path of the separator 90. The cathode gas supplied to the cathode gas diffusion layer 70 reaches the cathode catalyst layer 30 after diffusing the cathode gas diffusion layer 70. In the cathode catalyst layer 30, water is generated from oxygen in the cathode gas, protons conducted through the electrolyte membrane 10, and electrons from the load 100. The generated water (generated water) is discharged to the outside mainly from the gas flow path of the separator 90 through the cathode catalyst layer 30 and the cathode gas diffusion layer 70. As described above, the fuel cell 5 operates.

本実施例に係る燃料電池５によれば、触媒層内に集電体が配置されていることから、ガス拡散層およびセパレータに導電性材料を用いる必要がなくなる。この場合、ガス拡散層およびセパレータとして用いる材料に対する制約が抑制される。それにより、ガス拡散層およびセパレータとして安価かつ軽量な材料を用いることができる。 According to the fuel cell 5 according to the present embodiment, since the current collector is disposed in the catalyst layer, it is not necessary to use a conductive material for the gas diffusion layer and the separator. In this case, restrictions on the materials used as the gas diffusion layer and the separator are suppressed. Thereby, an inexpensive and lightweight material can be used for the gas diffusion layer and the separator.

続いて、集電体の吸熱性の詳細について説明する。図２は、アノード集電体４０の模式的拡大図である。図２において、界面１１０はアノード触媒層２０とアノードガス拡散層６０との界面である。前述したように、本実施例においてアノード集電体４０は、アノード触媒層２０内に配置された部分と、アノードガス拡散層６０内に配置された部分と、を有している。図２において、アノード集電体４０のアノード触媒層２０内に配置された部分を第１領域４１と称し、アノードガス拡散層６０内に配置された部分を第２領域４２と称する。 Next, details of the endothermic property of the current collector will be described. FIG. 2 is a schematic enlarged view of the anode current collector 40. In FIG. 2, the interface 110 is an interface between the anode catalyst layer 20 and the anode gas diffusion layer 60. As described above, in this embodiment, the anode current collector 40 has a portion disposed in the anode catalyst layer 20 and a portion disposed in the anode gas diffusion layer 60. In FIG. 2, a portion of the anode current collector 40 disposed in the anode catalyst layer 20 is referred to as a first region 41, and a portion disposed in the anode gas diffusion layer 60 is referred to as a second region 42.

本実施例においては、第１領域４１の金属線の直径（φ_１）および第２領域４２の金属線の直径（φ_２）は同じである。一方、アノード集電体４０の第１領域４１の熱伝導率（λ_１）は、第２領域４２の熱伝導率（λ_２）に比較して高い。この場合、熱伝導の物理法則に基づいて、第１領域４１の単位時間当たりにおける吸熱量は第２領域４２の単位時間当たりにおける吸熱量に比較して高くなる。 In the present embodiment, the diameter (φ ₁ ) of the metal wire in the first region 41 and the diameter (φ ₂ ) of the metal wire in the second region 42 are the same. On the other hand, the thermal conductivity (λ ₁ ) of the first region 41 of the anode current collector 40 is higher than the thermal conductivity (λ ₂ ) of the second region 42. In this case, the endothermic amount per unit time of the first region 41 is higher than the endothermic amount per unit time of the second region 42 based on the physical law of heat conduction.

すなわち、本実施例において、第１領域４１の吸熱性は、第２領域４２の吸熱性に比較して高くなっている。第１領域４１の熱伝導率を第２領域４２の熱伝導率に比較して高くするためには、第１領域４１に第２領域４２よりも高い熱伝導率を有する材料を用いればよい。なお、カソード集電体５０もアノード集電体４０と同様に、電解質膜１０側に第１領域５１（図示せず）を有し、カソードガス拡散層７０側に第２領域５２（図示せず）を有している。これ以降、第１領域４１および第１領域５１並びに第２領域４２および第２領域５２を、それぞれ第１領域および第２領域と総称する。 That is, in the present embodiment, the endothermic property of the first region 41 is higher than the endothermic property of the second region 42. In order to make the thermal conductivity of the first region 41 higher than the thermal conductivity of the second region 42, a material having a higher thermal conductivity than the second region 42 may be used for the first region 41. Similarly to the anode current collector 40, the cathode current collector 50 also has a first region 51 (not shown) on the electrolyte membrane 10 side, and a second region 52 (not shown) on the cathode gas diffusion layer 70 side. )have. Hereinafter, the first region 41, the first region 51, the second region 42, and the second region 52 are collectively referred to as a first region and a second region, respectively.

図３は、所定の電圧における燃料電池５の各部位の温度を示すグラフである。横軸は燃料電池５の各部位を示し、縦軸は温度（℃）を示している。曲線２００は、集電体の熱伝導率に分布を設けなかった場合の温度曲線を示している。曲線２００に示すように、燃料電池５の発電に伴って、アノード触媒層２０およびカソード触媒層３０の電解質膜１０に近い部分が高温になる。特に、カソード触媒層３０の電解質膜１０に近い部分が最も高温になる。 FIG. 3 is a graph showing the temperature of each part of the fuel cell 5 at a predetermined voltage. The horizontal axis represents each part of the fuel cell 5, and the vertical axis represents temperature (° C.). A curve 200 shows a temperature curve when no distribution is provided for the thermal conductivity of the current collector. As indicated by the curve 200, the portions close to the electrolyte membrane 10 of the anode catalyst layer 20 and the cathode catalyst layer 30 become hot as the fuel cell 5 generates power. In particular, the portion of the cathode catalyst layer 30 close to the electrolyte membrane 10 has the highest temperature.

一方、曲線２１０は、集電体の第１領域の熱伝導率が第２領域の熱伝導率に比較して高い場合の温度曲線を示している。曲線２１０は曲線２００に比較して、アノード触媒層２０およびカソード触媒層３０の電解質膜１０に近い部分の温度が低下している。それにより、燃料電池５の温度が全体的に低下している。これは、触媒層の冷却効率が高まったからであると考えられる。 On the other hand, a curve 210 shows a temperature curve when the thermal conductivity of the first region of the current collector is higher than the thermal conductivity of the second region. Compared with the curve 200, the curve 210 has lower temperatures at portions of the anode catalyst layer 20 and the cathode catalyst layer 30 near the electrolyte membrane 10. Thereby, the temperature of the fuel cell 5 is lowered as a whole. This is considered to be because the cooling efficiency of the catalyst layer has increased.

ここで、曲線２００および曲線２１０のカソード触媒層３０の電解質膜１０に近い部分の温度差を△Ｔとした場合、△Ｔは熱伝導の物理法則に基づいて、下記式（１）で表される。ｋ_１は比例定数である。
△Ｔ＝ｋ_１×（λ_１−λ_２）・・・（１） Here, when the temperature difference in the portion near the electrolyte membrane 10 of the cathode catalyst layer 30 of the curve 200 and the curve 210 is ΔT, ΔT is expressed by the following formula (1) based on the physical law of heat conduction. The k ₁ is a proportionality constant.
ΔT = k ₁ × (λ ₁ −λ ₂ ) (1)

式（１）からΔＴは、第１領域の熱伝導率と第２領域の熱伝導率との差に比例することが判る。したがって、第１領域の熱伝導率が第２領域の熱伝導率に比較して高くなることによって、触媒層の電解質膜１０に近い部分の温度が低下することが式（１）からも確認される。 From equation (1), it can be seen that ΔT is proportional to the difference between the thermal conductivity of the first region and the thermal conductivity of the second region. Therefore, it is also confirmed from the formula (1) that the temperature of the portion close to the electrolyte membrane 10 of the catalyst layer is lowered when the thermal conductivity of the first region is higher than the thermal conductivity of the second region. The

図４は、発電電圧の温度特性を示すグラフである。横軸は燃料電池５の温度（℃）を示し、縦軸は発電電圧（Ｖ）を示している。曲線２２０は、集電体の熱伝導率に分布を設けなかった場合の発電電圧の温度特性を示している。温度が上昇するにつれて徐々に発電電圧が低下している。そして、所定の温度以上になった場合に急激に発電電圧が低下している。発電電圧が低下するということは、燃料電池５の性能が低下することを意味する。したがって、曲線２２０から、特に高温時において燃料電池５の性能が顕著に低下することが確認される。 FIG. 4 is a graph showing the temperature characteristics of the generated voltage. The horizontal axis indicates the temperature (° C.) of the fuel cell 5, and the vertical axis indicates the generated voltage (V). A curve 220 shows a temperature characteristic of the generated voltage when no distribution is provided in the thermal conductivity of the current collector. As the temperature increases, the generated voltage gradually decreases. And when it becomes more than predetermined temperature, the generated voltage has fallen rapidly. A reduction in the generated voltage means that the performance of the fuel cell 5 is reduced. Therefore, it can be confirmed from the curve 220 that the performance of the fuel cell 5 is significantly reduced particularly at high temperatures.

一方、曲線２３０は、本実施例に係る燃料電池５における電圧の温度特性、すなわち第１領域の熱伝導率が第２領域の熱伝導率に比較して高い場合の発電電圧の温度特性を示している。曲線２３０は、曲線２２０に比較して、発電電圧の低下が生じる温度が高温側にシフトしている。その結果、所定の発電電圧Ａに至る温度がΔＴだけ高温側にシフトしている。これは、曲線２３０の場合の方が曲線２２０の場合に比較して燃料電池５の性能低下が抑制されて、温度特性（性能）が向上したことを示している。 On the other hand, the curve 230 shows the temperature characteristic of the voltage in the fuel cell 5 according to the present embodiment, that is, the temperature characteristic of the generated voltage when the thermal conductivity of the first region is higher than the thermal conductivity of the second region. ing. In the curve 230, the temperature at which the power generation voltage decreases is shifted to a higher temperature side than the curve 220. As a result, the temperature reaching the predetermined power generation voltage A is shifted to the high temperature side by ΔT. This indicates that the performance of the fuel cell 5 is suppressed and the temperature characteristic (performance) is improved in the case of the curve 230 compared to the case of the curve 220.

以上のように、本実施例に係る燃料電池５によれば、第１領域の吸熱性が第２領域の吸熱性に比較して高くなることから、触媒層の冷却効率が高まる。それにより、触媒層の電解質膜１０に近い領域が高温になることが抑制される。その結果、燃料電池５の性能低下が抑制される。 As described above, according to the fuel cell 5 according to this example, the endothermic property of the first region is higher than the endothermic property of the second region, so that the cooling efficiency of the catalyst layer is increased. Thereby, it is suppressed that the area | region near the electrolyte membrane 10 of a catalyst layer becomes high temperature. As a result, the performance degradation of the fuel cell 5 is suppressed.

なお、燃料電池５の性能低下を抑制するために、触媒層を冷却することも考えられる。しかしながら、触媒層を冷却するためには、相応の冷却性を有する冷却系統が必要となる。その結果、製造コストは増加し、エネルギー消費量も増加する。一方、本実施例に係る燃料電池５によれば、新たな冷却系統を設けることなく燃料電池５の性能低下を抑制することができる。 In addition, in order to suppress the performance fall of the fuel cell 5, cooling a catalyst layer is also considered. However, in order to cool the catalyst layer, a cooling system having appropriate cooling properties is required. As a result, manufacturing costs increase and energy consumption also increases. On the other hand, according to the fuel cell 5 according to the present embodiment, it is possible to suppress the performance deterioration of the fuel cell 5 without providing a new cooling system.

なお、本実施例において、集電体はガス拡散層内に配置されていなくてもよい。この場合、触媒層内において、電解質膜１０に近い領域の熱伝導率が電解質膜１０から遠い領域の熱伝導率に比較して高ければよい。 In this embodiment, the current collector may not be arranged in the gas diffusion layer. In this case, in the catalyst layer, the thermal conductivity in the region near the electrolyte membrane 10 may be higher than the thermal conductivity in the region far from the electrolyte membrane 10.

また、本実施例において、集電体の熱伝導率は、ガス拡散層と触媒層との界面において段階的に高くなっているがこれに限られない。例えば、集電体の熱伝導率は、電解質膜１０に向かって徐々にまたは段階的に高くなってもよい。 In this embodiment, the thermal conductivity of the current collector is increased stepwise at the interface between the gas diffusion layer and the catalyst layer, but is not limited thereto. For example, the thermal conductivity of the current collector may increase gradually or stepwise toward the electrolyte membrane 10.

また、本実施例において集電体は、アノード触媒層２０内およびカソード触媒層３０内の両方に配置されているが、これに限られない。集電体は、いずれか一方の触媒層内の少なくとも一部に配置されていればよい。ただし、図３に示すようにカソード触媒層３０の方がアノード触媒層２０に比較して高温になることから、集電体はカソード触媒層３０内に配置されていることが好ましい。 In the present embodiment, the current collector is disposed in both the anode catalyst layer 20 and the cathode catalyst layer 30, but is not limited thereto. It suffices for the current collector to be disposed in at least a part of any one of the catalyst layers. However, since the cathode catalyst layer 30 has a higher temperature than the anode catalyst layer 20 as shown in FIG. 3, the current collector is preferably disposed in the cathode catalyst layer 30.

続いて、触媒層内に集電体を配置する方法について説明する。図５は、触媒層内に集電体を配置する方法の一例を示す模式的断面図である。図５に示すように、アノード集電体４０にアノード触媒層２０の原材料２１を塗工機１２０で塗布する。それにより、アノード触媒層２０内にアノード集電体４０を配置することができる。同様の方法で、カソード触媒層３０内にカソード集電体５０を配置することができる。 Then, the method to arrange | position a collector in a catalyst layer is demonstrated. FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing an example of a method for arranging the current collector in the catalyst layer. As shown in FIG. 5, the raw material 21 of the anode catalyst layer 20 is applied to the anode current collector 40 by a coating machine 120. Thereby, the anode current collector 40 can be disposed in the anode catalyst layer 20. The cathode current collector 50 can be disposed in the cathode catalyst layer 30 in the same manner.

図６（ａ）および図６（ｂ）は、触媒層内に集電体を配置する他の方法を示す模式的断面図である。まず、図６（ａ）に示すように、電解質膜１０にアノード触媒層２０およびカソード触媒層３０が配置された膜−電極接合体１３０と、アノード集電体４０と、カソード集電体５０と、を準備する。次に、膜−電極接合体１３０にアノード触媒層２０およびカソード触媒層３０を、プレス機１４０を用いて圧着させる。その結果、図６（ｂ）に示すように、膜−電極接合体１３０にアノード集電体４０およびカソード集電体５０の一部が食い込む。以上の工程により、アノード触媒層２０内およびカソード触媒層３０内にアノード集電体４０およびカソード集電体５０を配置することができる。 FIG. 6A and FIG. 6B are schematic cross-sectional views showing another method for arranging the current collector in the catalyst layer. First, as shown in FIG. 6A, a membrane-electrode assembly 130 in which an anode catalyst layer 20 and a cathode catalyst layer 30 are disposed on an electrolyte membrane 10, an anode current collector 40, a cathode current collector 50, Prepare. Next, the anode catalyst layer 20 and the cathode catalyst layer 30 are pressure-bonded to the membrane-electrode assembly 130 using a press machine 140. As a result, as shown in FIG. 6B, part of the anode current collector 40 and the cathode current collector 50 bites into the membrane-electrode assembly 130. Through the above steps, the anode current collector 40 and the cathode current collector 50 can be arranged in the anode catalyst layer 20 and the cathode catalyst layer 30.

なお、図６（ａ）および図６（ｂ）に示す方法において、プレス機１４０が集電体に加える面圧としては、例えば触媒層に集電体が食い込む面圧以上で、かつ電解質膜１０が破壊される面圧より小さければよい。 In the method shown in FIGS. 6A and 6B, the surface pressure applied by the press 140 to the current collector is, for example, not less than the surface pressure at which the current collector bites into the catalyst layer, and the electrolyte membrane 10. It is sufficient that the surface pressure is smaller than the surface pressure at which it is destroyed.

図７は、プレス機１４０が集電体に加える面圧の具体例を説明するための図である。横軸は面圧（ＭＰａ）を示し、縦軸は触媒層の硬度（ビッカース硬度：ＨＶ）を示している。実線２４０は、触媒層の硬度直線を示している。集電体に対する面圧は、集電体が触媒層に食い込みつつ電解質膜１０を破壊しない範囲内の値に設定することができる。 FIG. 7 is a diagram for explaining a specific example of the surface pressure applied to the current collector by the press machine 140. The horizontal axis indicates the surface pressure (MPa), and the vertical axis indicates the hardness of the catalyst layer (Vickers hardness: HV). A solid line 240 indicates a hardness line of the catalyst layer. The surface pressure with respect to the current collector can be set to a value within a range where the current collector bites into the catalyst layer and does not destroy the electrolyte membrane 10.

続いて、本発明の実施例２に係る燃料電池５ａ（図示せず）について説明する。燃料電池５ａは、アノード集電体４０およびカソード集電体５０の代わりにアノード集電体４０ａおよびカソード集電体５０ａ（図示せず）を備える点で、燃料電池５と異なる。その他の構成は燃料電池５と同様のため、説明を省略する。 Next, a fuel cell 5a (not shown) according to Example 2 of the present invention will be described. The fuel cell 5a is different from the fuel cell 5 in that an anode current collector 40a and a cathode current collector 50a (not shown) are provided instead of the anode current collector 40 and the cathode current collector 50. Since other configurations are the same as those of the fuel cell 5, description thereof is omitted.

図８は、実施例２に係るアノード集電体４０ａの模式的拡大図である。アノード集電体４０ａは、第１領域４１の代わりに第１領域４１ａを備える点で、図２に示すアノード集電体４０と異なる。第１領域４１ａの熱伝導率（λ_１）は、第２領域４２の熱伝導率（λ_２）と同じである。一方、第１領域４１ａの金属線の直径（φ_１）は、第２領域４２の金属線の直径（φ_２）よりも大きい。この場合、第１領域４１ａの断面積は第２領域４２の断面積よりも大きくなる。なお、カソード集電体５０ａにおいても、アノード集電体４０ａと同様に、第１領域（図示せず）の断面積は第２領域（図示せず）の断面積に比較して大きい。 FIG. 8 is a schematic enlarged view of the anode current collector 40a according to the second embodiment. The anode current collector 40a is different from the anode current collector 40 shown in FIG. 2 in that it includes a first region 41a instead of the first region 41. The thermal conductivity (λ ₁ ) of the first region 41 a is the same as the thermal conductivity (λ ₂ ) of the second region 42. On the other hand, the diameter (φ ₁ ) of the metal wire in the first region 41 a is larger than the diameter (φ ₂ ) of the metal wire in the second region 42. In this case, the cross-sectional area of the first region 41 a is larger than the cross-sectional area of the second region 42. Also in the cathode current collector 50a, the cross-sectional area of the first region (not shown) is larger than the cross-sectional area of the second region (not shown), like the anode current collector 40a.

第１領域の断面積が第２領域の断面積に比較して大きい場合、熱伝導の物理法則に基づいて、第１領域の単位時間当たりにおける吸熱量は第２領域の単位時間当たりにおける吸熱量に比較して高くなる。すなわち、第１領域の吸熱性は、第２領域の吸熱性に比較して高くなる。したがって、触媒層の電解質膜１０に近い領域が高温になることが抑制される。それにより、燃料電池５ａの性能低下が抑制される。 When the cross-sectional area of the first region is larger than the cross-sectional area of the second region, the endothermic amount per unit time of the first region is based on the physical law of heat conduction. Higher than That is, the endothermic property of the first region is higher than the endothermic property of the second region. Therefore, the region near the electrolyte membrane 10 of the catalyst layer is suppressed from becoming high temperature. Thereby, the performance fall of fuel cell 5a is controlled.

また、本実施例において図３および図４における△Ｔは、熱伝導の物理法則に基づいて、下記式（２）で表される。ｋ_２は比例定数である。
△Ｔ＝ｋ_２×（（φ_１／２）^２×π−（φ_２／２）^２×π）・・・（２） In this embodiment, ΔT in FIGS. 3 and 4 is represented by the following formula (2) based on the physical law of heat conduction. k ₂ is a proportionality constant.
_{△ T = k 2 × ((} φ 1/2) 2 × π- (φ 2/2) 2 × π) ··· (2)

式（２）から、ΔＴは、第１領域の断面積（（φ_１／２）^２×π）と第２領域の断面積（（φ_２／２）^２×π）の差に比例することが判る。したがって、第１領域の断面積が第２領域の断面積に比較して大きくなることによって、触媒層の電解質膜１０に近い部分の温度が低下することが式（２）からも確認される。 From equation (2), [Delta] T is proportional to the difference in cross-sectional area of the first region _{^{((φ 1/2) 2}} × π) and the cross-sectional area of the second region _{^{((φ 2/2) 2}} × π) I understand. Therefore, it is also confirmed from the equation (2) that the temperature of the portion of the catalyst layer close to the electrolyte membrane 10 decreases as the cross-sectional area of the first region becomes larger than the cross-sectional area of the second region.

また、本実施例において、集電体の断面積は、電解質膜１０に向かって徐々にまたは段階的に大きくなってもよい。この場合、集電体の吸熱性を電解質膜１０に向かって徐々にまたは段階的に高くすることができる。 In the present embodiment, the cross-sectional area of the current collector may increase gradually or stepwise toward the electrolyte membrane 10. In this case, the endothermic property of the current collector can be increased gradually or stepwise toward the electrolyte membrane 10.

なお、本実施例において、さらに第１領域の熱伝導率が第２領域の熱伝導率に比較して高くてもよい。この場合、両者の熱伝導率が同じ場合に比較して第１領域の吸熱性がより高くなることから、燃料電池５ａの性能低下がより抑制される。 In this embodiment, the thermal conductivity of the first region may be higher than the thermal conductivity of the second region. In this case, since the endothermic property of the first region is higher than when both have the same thermal conductivity, the performance degradation of the fuel cell 5a is further suppressed.

また、本実施例において、集電体はガス拡散層内に配置されていなくてもよい。この場合、触媒層内の集電体のさらに電解質膜１０に近い部分の断面積が触媒層内の集電体の電解質膜１０から遠い部分の断面積に比較して大きければよい。また、集電体は少なくともカソード触媒層３０内の少なくとも一部に配置されていることが好ましい。 In the present embodiment, the current collector may not be disposed in the gas diffusion layer. In this case, the cross-sectional area of the current collector in the catalyst layer further closer to the electrolyte membrane 10 may be larger than the cross-sectional area of the current collector in the catalyst layer far from the electrolyte membrane 10. The current collector is preferably disposed at least in a part of the cathode catalyst layer 30.

また、実施例１および実施例２において、第１領域の表面積は第２領域の表面積に比較して大きくてもよい。この場合、第１領域と触媒層との接触面積が大きくなることによって、第１領域の吸熱性が第２領域の吸熱性に比較して高くなるからである。例えば、図８の構成の場合には第１領域４１ａおよび第２領域４２の金属線の本数が同じであることから、第１領域４１ａの表面積は第２領域４２の表面積よりも大きくなっている。しかしながら、図８において、第１領域４１ａの断面積が第２領域４２の断面積と同じ場合若しくは第１領域４１ａの断面積が第２領域４２の断面積よりも小さい場合であっても、第１領域４１ａの金属線の本数を第２領域４２の金属線の本数よりも多くすることによって、第１領域４１ａの表面積を第２領域４２の表面積に比較して大きくすることができる。この場合においても、触媒層の電解質膜１０に近い領域が高温になることが抑制されることから、燃料電池５ａの性能低下が抑制される。 In Example 1 and Example 2, the surface area of the first region may be larger than the surface area of the second region. In this case, the contact area between the first region and the catalyst layer is increased, so that the endothermic property of the first region is higher than the endothermic property of the second region. For example, in the case of the configuration of FIG. 8, the surface area of the first region 41 a is larger than the surface area of the second region 42 because the number of metal wires in the first region 41 a and the second region 42 is the same. . However, in FIG. 8, even if the cross-sectional area of the first region 41a is the same as the cross-sectional area of the second region 42, or the cross-sectional area of the first region 41a is smaller than the cross-sectional area of the second region 42, The surface area of the first region 41a can be made larger than the surface area of the second region 42 by making the number of metal wires in the first region 41a larger than the number of metal wires in the second region 42. Also in this case, since the region near the electrolyte membrane 10 of the catalyst layer is suppressed from becoming high temperature, the performance deterioration of the fuel cell 5a is suppressed.

図１は、実施例１に係る燃料電池５の模式的断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a fuel cell 5 according to the first embodiment. 図２は、実施例１に係るアノード集電体４０の模式的拡大図である。FIG. 2 is a schematic enlarged view of the anode current collector 40 according to the first embodiment. 図３は、所定の電圧における燃料電池５の各部位の温度を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing the temperature of each part of the fuel cell 5 at a predetermined voltage. 図４は、発電電圧の温度特性を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing the temperature characteristics of the generated voltage. 図５は、触媒層内に集電体を配置する方法の一例を示す模式的断面図である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing an example of a method for arranging the current collector in the catalyst layer. 図６（ａ）および図６（ｂ）は、触媒層内に集電体を配置する他の方法を示す模式的断面図である。FIG. 6A and FIG. 6B are schematic cross-sectional views showing another method for arranging the current collector in the catalyst layer. 図７は、プレス機１４０が集電体に加える面圧の具体例を説明するための図である。FIG. 7 is a diagram for explaining a specific example of the surface pressure applied to the current collector by the press machine 140. 図８は、実施例２に係るアノード集電体４０ａの模式的拡大図である。FIG. 8 is a schematic enlarged view of the anode current collector 40a according to the second embodiment.

Explanation of symbols

５燃料電池
１０電解質膜
２０アノード触媒層
２１原材料
３０カソード触媒層
４０アノード集電体
４１第１領域
４２第２領域
５０カソード集電体
６０アノードガス拡散層
７０カソードガス拡散層
８０，９０セパレータ
１００負荷
１１０界面
１２０塗工機
１３０膜−電極接合体
１４０プレス機 5 Fuel cell 10 Electrolyte membrane 20 Anode catalyst layer 21 Raw material 30 Cathode catalyst layer 40 Anode current collector 41 First region 42 Second region 50 Cathode current collector 60 Anode gas diffusion layer 70 Cathode gas diffusion layers 80 and 90 Separator 100 Load 110 Interface 120 Coating Machine 130 Membrane-Electrode Assembly 140 Press

Claims

An electrolyte membrane;
A catalyst layer disposed on at least one surface of the electrolyte membrane;
A current collector at least partially disposed in the catalyst layer,
The endothermic property of the first region on the electrolyte membrane side of the current collector is higher than the endothermic property of the second region on the opposite side of the current collector from the electrolyte membrane.

2. The fuel cell according to claim 1, wherein the heat absorption property of the current collector increases gradually or stepwise toward the electrolyte membrane.

The fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the thermal conductivity of the first region is higher than the thermal conductivity of the second region.

The fuel cell according to claim 1, wherein a cross-sectional area of the first region is larger than a cross-sectional area of the second region.

5. The fuel cell according to claim 1, wherein a surface area of the first region is larger than a surface area of the second region.

The first region is disposed in the catalyst layer;
The fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein the second region is disposed in a gas diffusion layer disposed on the opposite side of the catalyst layer from the electrolyte membrane.

The fuel cell according to claim 1, wherein the catalyst layer is a cathode catalyst layer.

The fuel cell according to claim 1, wherein the current collector is a conductive porous body.