JP2010250958A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
【課題】 集電体と膜−電極接合体との間の電気的接触を確保することができる燃料電池を提供する。
【解決手段】 燃料電池(100)は、膜−電極接合体(10)と、膜−電極接合体に隣接配置され、ガス透過性を有する集電体(20,21)と、を備え、集電体は、膜−電極接合体に比較して低い剛性を有していることを特徴とするものである。燃料電池によれば、アノードガスとカソードガスとの間に差圧が生じても、膜−電極接合体の変形に集電体が追従して変形する。それにより、膜−電極接合体と集電体との間の電気的接触を確保することができる。
【選択図】 図1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell capable of ensuring electrical contact between a current collector and a membrane-electrode assembly.
A fuel cell (100) includes a membrane-electrode assembly (10) and a current collector (20, 21) disposed adjacent to the membrane-electrode assembly and having gas permeability. The electric body is characterized by having a lower rigidity than the membrane-electrode assembly. According to the fuel cell, even if a differential pressure is generated between the anode gas and the cathode gas, the current collector is deformed following the deformation of the membrane-electrode assembly. Thereby, electrical contact between the membrane-electrode assembly and the current collector can be ensured.
[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、電解質膜と触媒層とを有する膜−電極接合体を備える。膜−電極接合体のカソード側の電極に酸素を含むカソードガスが供給され、アノード側の電極に水素を含むアノードガスが供給される。それにより、膜−電極接合体において発電が行われる。 The fuel cell includes a membrane-electrode assembly having an electrolyte membrane and a catalyst layer. A cathode gas containing oxygen is supplied to the cathode side electrode of the membrane-electrode assembly, and an anode gas containing hydrogen is supplied to the anode side electrode. Thereby, power generation is performed in the membrane-electrode assembly.
近年、膜−電極接合体の両面にガス透過性を有する集電体をさらに備える燃料電池が開発されている(例えば、特許文献1〜3参照)。このような燃料電池においては、膜−電極接合体で発電された電力を集電体によって外部に取り出すことができる。 In recent years, fuel cells that further include a gas permeable current collector on both surfaces of the membrane-electrode assembly have been developed (see, for example, Patent Documents 1 to 3). In such a fuel cell, the electric power generated by the membrane-electrode assembly can be taken out by the current collector.
しかしながら、アノードガスとカソードガスとの差圧に起因して膜−電極接合体と集電体との間で十分な電気的接触が得られないことがある。 However, sufficient electrical contact may not be obtained between the membrane-electrode assembly and the current collector due to the differential pressure between the anode gas and the cathode gas.
本発明は、集電体と膜−電極接合体との間の電気的接触を確保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 this invention is to provide the fuel cell which can ensure the electrical contact between a collector and a membrane-electrode assembly.
本発明に係る燃料電池は、膜−電極接合体と、膜−電極接合体に隣接配置されガス透過性を有する集電体と、を備え、集電体は、膜−電極接合体に比較して低い剛性を有していることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池によれば、アノードガスとカソードガスとの間に差圧が生じても、膜−電極接合体の変形に集電体が追従して変形する。それにより、膜−電極接合体と集電体との間の電気的接触を確保することができる。 A fuel cell according to the present invention includes a membrane-electrode assembly and a gas permeable current collector disposed adjacent to the membrane-electrode assembly, the current collector being compared with the membrane-electrode assembly. It has a low rigidity. According to the fuel cell of the present invention, even if a differential pressure is generated between the anode gas and the cathode gas, the current collector is deformed following the deformation of the membrane-electrode assembly. Thereby, electrical contact between the membrane-electrode assembly and the current collector can be ensured.
上記構成において、膜−電極接合体と集電体とは、接着されていてもよい。上記構成に係る燃料電池は、集電体の膜−電極接合体と反対側に設けられ集電体との間に反応ガスが流動するための空間を区画するセパレータをさらに備えていてもよい。 In the above configuration, the membrane-electrode assembly and the current collector may be bonded. The fuel cell according to the above configuration may further include a separator that is provided on the opposite side of the current collector from the membrane-electrode assembly and divides a space for the reaction gas to flow between the current collector and the current collector.
上記構成において、集電体は、シート状の導電性繊維、金属の発泡焼結体、エキスパンドメタル、またはメタルメッシュであってもよい。この構成によれば、集電体はガス透過性を有することができる。 In the above configuration, the current collector may be a sheet-like conductive fiber, a metal foam sintered body, an expanded metal, or a metal mesh. According to this configuration, the current collector can have gas permeability.
上記構成において、集電体は、カソード側の集電体であってもよい。この構成によれば、カソードガスの圧力をアノードガスに比較して高くした場合であっても、カソード側の集電体と膜−電極接合体との間の電気的接触を確保することができる。上記構成において、集電体は、アノード側の集電体であってもよい。この構成によれば、アノードガスの圧力をカソードガスに比較して高くした場合であっても、アノード側の集電体と膜−電極接合体との間の電気的接触を確保することができる。 In the above configuration, the current collector may be a cathode-side current collector. According to this configuration, even when the pressure of the cathode gas is higher than that of the anode gas, electrical contact between the cathode-side current collector and the membrane-electrode assembly can be ensured. . In the above configuration, the current collector may be an anode-side current collector. According to this configuration, even when the pressure of the anode gas is higher than that of the cathode gas, electrical contact between the anode-side current collector and the membrane-electrode assembly can be ensured. .
上記構成において、膜−電極接合体に含まれる電解質膜は、固体高分子電解質であってもよい。 In the above configuration, the electrolyte membrane included in the membrane-electrode assembly may be a solid polymer electrolyte.
本発明によれば、集電体と膜−電極接合体との間の電気的接触を確保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 ensure the electrical contact between a collector and a membrane-electrode assembly can be provided.
以下、本発明を実施するための形態を説明する。 Hereinafter, modes for carrying out the present invention will be described.
本発明の実施例1に係る燃料電池100について説明する。図1は、燃料電池100の模式的断面図である。燃料電池100は、膜−電極接合体10と、一対の集電体(アノード集電体20およびカソード集電体21)と、一対のセパレータ(アノードセパレータ30およびカソードセパレータ31)と、シール部材40と、を備える。膜−電極接合体10は、電解質膜11と、アノード触媒層12と、カソード触媒層13と、を備える。電解質膜11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を用いることができる。プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜として、例えばパーフルオロスルホン酸膜を用いることができる。
A
アノード触媒層12およびカソード触媒層13は、電解質膜11を挟持するように配置されている。アノード触媒層12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13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12およびカソード触媒層13は、白金担持カーボン等を含んでいる。
The
アノード集電体20およびカソード集電体21は、膜−電極接合体10に隣接配置されている。具体的には、アノード集電体20は、アノード触媒層12の電解質膜11側とは反対側の面に沿って配置されている。カソード集電体21は、カソード触媒層13の電解質膜11側とは反対側の面に沿って配置されている。アノード集電体20およびカソード集電体21は、膜−電極接合体10に接着接合されている。アノード集電体20およびカソード集電体21は、モータ、補機等の負荷と電気的に接続されている。
The anode
アノード集電体20およびカソード集電体21は、導電性および反応ガス透過性を有している。アノード集電体20およびカソード集電体21として、例えば、カーボン繊維等の導電性繊維がクロス、フェルト、ペーパー等のシート状に形成されたシート体を用いることができる。また、アノード集電体20およびカソード集電体21として、金属の発泡焼結体、エキスパンドメタル、メタルメッシュ等を用いることができる。なお、発泡焼結体、エキスパンドメタル、メタルメッシュ等の金属素材としては、例えばニッケル(Ni)、チタン(Ti)、金(Au)、ステンレス(SUS)等を用いることができる。アノード集電体20およびカソード集電体21のより詳細な説明は、後述する。
The anode
アノードセパレータ30およびカソードセパレータ31は、外周部において膜−電極接合体10に対して突出して接触する接触部を有する。それにより、アノードセパレータ30と膜−電極接合体10との間にアノードガス流動用のアノードガス流路32が区画される。また、カソードセパレータ31と膜−電極接合体10との間にカソードガス流動用のカソードガス流路33が区画される。
The
なお、アノードセパレータ30およびカソードセパレータ31は、反応ガスの流動を阻害しない範囲で、外周部以外に膜−電極接合体10と接触する接触部を有していてもよい。ただし、反応ガスの膜−電極接合体10への拡散性を考慮すると、膜−電極接合体10の全面またはほぼ全面にわたって反応ガス流動用の空間部が形成されていることが好ましい。
The
本実施例においては、一例として、アノードガスは水素(H2)であり、カソードガスはエアである。アノードセパレータ30およびカソードセパレータ31の材質は、特に限定されず、例えば樹脂、金属等が用いられる。
In the present embodiment, as an example, the anode gas is hydrogen (H 2 ) and the cathode gas is air. The material of the
シール部材40は、アノード触媒層12およびカソード触媒層13の外周面を覆っている。シール部材40は、アノード触媒層12およびカソード触媒層13からアノードガスおよびカソードガスが漏洩することを抑制している。
The
燃料電池100は、以下のように動作する。アノードガス流路32を流動するアノードガスは、アノード集電体20を透過してアノード触媒層12に到達する。アノード触媒層12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する。プロトンは、電解質膜11を伝導して、アノード触媒層12に到達する。電子は、アノード集電体20によって集電されて燃料電池100の外部に取り出される。燃料電池100の外部に取り出された電子は、負荷の仕事に供された後に、カソード集電体21に到達する。
The
カソードガス流路33を流動するカソードガスは、カソード集電体21を透過してカソード触媒層13に到達する。カソード触媒層13においては、カソードガス中の酸素と電解質膜11を伝導したプロトンとアノード集電体20から伝導した電子とによって水が生成される。生成された水(生成水)は、主としてカソードガス流路33を流動して燃料電池100の外部に排出される。反応後のアノードガスおよびカソードガスはそれぞれ、アノードガス流路32およびカソードガス流路33を流動して、燃料電池100の外部に排出される。以上のように、燃料電池100は動作する。
The cathode gas flowing through the cathode
ところで、燃料電池100において、アノードガスとカソードガスとの間で差圧が生じると、膜−電極接合体10に変形圧力がかかる。例えば、図2(a)に示すように、一方の反応ガスが他方の反応ガスに比較して高圧になった場合、膜−電極接合体10において、高圧側から低圧側に変形圧力がかかる。アノード集電体20およびカソード集電体21はガス透過性を有するため、変形圧力が回避される。この場合、集電体と膜−電極接合体10との間の電気的接触が十分に確保できなくなるおそれがある。
Incidentally, in the
そこで、本実施例においては、アノード集電体20およびカソード集電体21は、膜−電極接合体10に比較して低い剛性を有している。この場合、図2(b)に示すように、アノードガスとカソードガスとの間に差圧が生じても、膜−電極接合体10の変形にアノード集電体20およびカソード集電体21が追従して変形する。それにより、膜−電極接合体10とアノード集電体20およびカソード集電体21との間の電気的接触が確保される。なお、本実施例において剛性とは、荷重に対する歪み量のことである。したがって、同じ荷重をかけた場合において、剛性が高いと歪み量が小さく、剛性が低いと歪み量が大きくなる。
Therefore, in this embodiment, the anode
アノード集電体20およびカソード集電体21の剛性を膜−電極接合体10の剛性より小さく設定するためには、同じ荷重をかけた場合にアノード集電体20およびカソード集電体21の歪み量が膜−電極接合体10の歪み量に比較して大きくなるようにアノード集電体20およびカソード集電体21を構成すればよい。例えば、アノード集電体20およびカソード集電体21のヤング率を膜−電極接合体10のヤング率より小さくすればよい。膜−電極接合体10のヤング率が2GPa程度のヤング率を有している場合、集電体として2GPaより小さいヤング率のものを用いればよい。カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルト等のシート体のヤング率は40MPa程度であるため、集電体としてこれらのシート体を用いればよい。
In order to set the rigidity of the anode
また、集電体の構造を調整してもよい。例えば、集電体を曲がり易い形状(例えば波形状)にする、集電体の気孔率をより大きくする、集電体がエキスパンドメタルおよびメタルメッシュの場合には線径を細くする等によって、集電体の剛性を膜−電極接合体10の剛性より低くしてもよい。
Further, the structure of the current collector may be adjusted. For example, the current collector can be bent easily (for example, in a wave shape), the porosity of the current collector is increased, or when the current collector is an expanded metal or a metal mesh, the wire diameter is reduced. The rigidity of the electric body may be lower than the rigidity of the membrane-
なお、本実施例において、アノード集電体20およびカソード集電体21の剛性が膜−電極接合体10の剛性よりも小さいが、これに限られない。アノード集電体20およびカソード集電体21の少なくとも一方の剛性が膜−電極接合体10の剛性よりも小さければよい。
In this embodiment, the rigidity of the anode
この場合、アノード側およびカソード側のうち反応ガス圧力が高い側の集電体の剛性が膜−電極接合体10の剛性よりも低いことが好ましい。例えば、アノードガスに純水素を用いてカソードガスにエアを用いる場合、アノードガスの圧力は1〜700kPa程度であり、カソードガスの圧力は100〜701kPa程度であり、60kPa程度の差圧が生じることがある。そこで、図2(a)に示すようにカソードガスの圧力がアノードガスの圧力より高い場合には、カソード集電体21の剛性を膜−電極接合体10の剛性よりも低くすることによって、カソード集電体21と膜−電極接合体10との間の電気的接触を確保することができる。一方、図3(a)に示すようにアノードガスの圧力がカソードガスの圧力より高い場合には、アノード集電体20の剛性を膜−電極接合体10の剛性よりも低くすることによって、図3(b)に示すようにアノード集電体20と膜−電極接合体10との間の電気的接触を確保することができる。
In this case, it is preferable that the rigidity of the current collector on the side of the anode side and the cathode side where the reaction gas pressure is high is lower than the rigidity of the membrane-
なお、剛性にかかわりなく、膜−電極接合体10と集電体との接着力を大きくすることによって電気的接触を確保することも考えられる。しかしながら、接着剤の接着力以上に差圧が生じた場合には、膜−電極接合体10と集電体との間の電気的接触が得られなくなる。したがって、本実施例のように、集電体を膜−電極接合体10の変形に追従させることによって、差圧の大きさにかかわりなく、膜−電極接合体10と集電体との間の電気的接触を確保することができる。
Regardless of the rigidity, it is conceivable to ensure electrical contact by increasing the adhesive force between the membrane-
10 膜−電極接合体
11 電解質膜
12 アノード触媒層
13 カソード触媒層
20 アノード集電体
21 カソード集電体
30 アノードセパレータ
31 カソードセパレータ
32 アノードガス流路
33 カソードガス流路
40 シール部材
100 燃料電池
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記膜−電極接合体に隣接配置され、ガス透過性を有する集電体と、を備え、
前記集電体は、前記膜−電極接合体に比較して低い剛性を有していることを特徴とする燃料電池。 A membrane-electrode assembly;
A current collector disposed adjacent to the membrane-electrode assembly and having gas permeability;
The fuel cell according to claim 1, wherein the current collector has a lower rigidity than the membrane-electrode assembly.
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| JP2015530726A (en) * | 2012-10-05 | 2015-10-15 | ヌヴェラ・フュエル・セルズ・インコーポレーテッド | Elastic flow structure for electrochemical cells |
| JP2022554055A (en) * | 2019-10-28 | 2022-12-28 | トプソー・アクチエゼルスカベット | Solid oxide cell stack with pressure differential between anode and cathode compartments |
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| US10305124B2 (en) | 2012-10-05 | 2019-05-28 | Nuvera Fuel Cells, LLC | Resilient flow structures for electrochemical cell |
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