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JP2017174563A - Fuel cell - Google Patents

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JP2017174563A
JP2017174563A JP2016057516A JP2016057516A JP2017174563A JP 2017174563 A JP2017174563 A JP 2017174563A JP 2016057516 A JP2016057516 A JP 2016057516A JP 2016057516 A JP2016057516 A JP 2016057516A JP 2017174563 A JP2017174563 A JP 2017174563A
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JP
Japan
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gas
gas diffusion
layer
fuel cell
separator
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Application number
JP2016057516A
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Japanese (ja)
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雄介 平光
Yusuke Hiramitsu
雄介 平光
田代 圭介
Keisuke Tashiro
圭介 田代
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Motors Corp
Original Assignee
Mitsubishi Motors Corp
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Publication date
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E60/50Fuel cells

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Abstract

【課題】燃料電池におけるガスの拡散を効率的且つ均一にする燃料電池を提供する。【解決手段】 固体高分子電解質膜31の両側に触媒層42、52を有し、前記触媒層42、52の外側にガス拡散層43、53及びセパレータ41、51を設けた燃料電池であって、前記セパレータ41、51の前記ガス拡散層43、53側には、前記セパレータ41、51へのガスの導入側のマニホールド45、55が設けられた一辺側からガスの排出側のマニホールド46、56が設けられた他辺側に亘って、前記ガス拡散層に接触する凸部44a、54aと前記ガス拡散層43、53から離反する凹部44b、54bとが繰り返されることで形成されるガス流路44、54が設けられ、前記ガス流路44、54は、隣り合う前記凹部44b、54bが、前記凸部44a、54aと接触する前記ガス拡散層43、53を介して連通されることで形成される。【選択図】図1Provided is a fuel cell that efficiently and uniformly diffuses gas in a fuel cell. A fuel cell having catalyst layers (42, 52) on both sides of a solid polymer electrolyte membrane (31) and gas diffusion layers (43, 53) and separators (41, 51) outside the catalyst layers (42, 52). On the gas diffusion layers 43 and 53 side of the separators 41 and 51, manifolds 45 and 55 on the gas introduction side to the separators 41 and 51 are provided, and manifolds 46 and 56 on the gas discharge side from one side. A gas flow path formed by repeating the convex portions 44a and 54a contacting the gas diffusion layer and the concave portions 44b and 54b separating from the gas diffusion layers 43 and 53 over the other side where the gas diffusion layer is provided. 44 and 54 are provided, and the gas flow paths 44 and 54 communicate with each other through the gas diffusion layers 43 and 53 where the adjacent concave portions 44b and 54b are in contact with the convex portions 44a and 54a. Is formed. [Selection] Figure 1

Description

本発明は、固体高分子膜をアノード(燃料極)とカソード(空気極)との間に配した燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell in which a solid polymer membrane is disposed between an anode (fuel electrode) and a cathode (air electrode).

燃料電池として、水素を含む燃料ガスをアノードに供給し、酸素を含む酸化ガスをカソードに供給して、両極で起こる電気化学反応によって起電力を得る固体高分子形燃料電池がある。かかる燃料電池は、電解質膜である固体高分子膜をアノード(燃料極)とカソード(空気極)との間に配した基本構造を有し、アノードに水素を含む燃料ガスを供給して水素を水素イオンと電子に分解し、カソードに酸素を含む酸化剤ガスを供給し、酸素が電子を受領して生成した酸素イオンと水素イオンとから水を生成するという電気化学反応により発電する装置である。そして、一般的には、セパレータ、ガス拡散層、触媒層、電解質膜、触媒層、ガス拡散層、セパレータを順に積層して構成される。   As a fuel cell, there is a polymer electrolyte fuel cell in which a fuel gas containing hydrogen is supplied to an anode and an oxidizing gas containing oxygen is supplied to a cathode to obtain an electromotive force by an electrochemical reaction occurring at both electrodes. Such a fuel cell has a basic structure in which a solid polymer membrane as an electrolyte membrane is disposed between an anode (fuel electrode) and a cathode (air electrode). A fuel gas containing hydrogen is supplied to the anode to supply hydrogen. A device that generates electricity by an electrochemical reaction that decomposes into hydrogen ions and electrons, supplies an oxidant gas containing oxygen to the cathode, and generates oxygen from oxygen ions and hydrogen ions generated by oxygen receiving the electrons. . In general, a separator, a gas diffusion layer, a catalyst layer, an electrolyte membrane, a catalyst layer, a gas diffusion layer, and a separator are sequentially stacked.

ガス拡散層にはセパレータから供給されるガスを触媒へと拡散するための高いガス拡散性、電気化学反応に伴って生成する液水を系外へ排出するための高い排水性、発生した電流を取り出すための高い導電性が必要であり、炭素繊維などからなるガス拡散電極基材(以降、電極基材と記載)が広く用いられている。またセパレータには、ガスを分離する機能、隣り合うセル間を電気的に接続する集電体としての役割、セル構造部材としての役割、系外から導入したガスをガス拡散層へ供給し、また余剰ガスおよび生成水を系外へ排出する通路としての機能を有しており、一般的にはカーボンコンポジット材の圧縮成形や導電性樹脂板材および金属板材のプレス成形により作製される。   The gas diffusion layer has high gas diffusibility for diffusing the gas supplied from the separator to the catalyst, high drainage for discharging liquid water generated by the electrochemical reaction out of the system, and the generated current. A high conductivity for extraction is required, and a gas diffusion electrode base material (hereinafter referred to as an electrode base material) made of carbon fiber or the like is widely used. The separator also has a function of separating the gas, a role as a current collector for electrically connecting adjacent cells, a role as a cell structure member, supplying a gas introduced from outside the system to the gas diffusion layer, and It has a function as a passage for discharging surplus gas and generated water to the outside of the system, and is generally produced by compression molding of a carbon composite material or press molding of a conductive resin plate material and a metal plate material.

このような燃料電池においては、セパレータから供給されるガスが触媒へ効率的に且つ均一に拡散する必要がある。また、凹凸状の流路の凸部のガス拡散性および排水性が低い課題がある。   In such a fuel cell, the gas supplied from the separator needs to diffuse efficiently and uniformly into the catalyst. In addition, there is a problem that the gas diffusibility and drainage of the convex part of the uneven channel are low.

さらに、燃料電池においては、電気化学反応で生じる凝縮水がガス拡散層(GDL)に目詰まりするフラッディングや凝縮水がガス流路から排出されないプラッギングによりガス拡散性が低下し、電池性能が低下するという課題もある。   Further, in the fuel cell, the gas diffusibility is lowered due to flooding in which condensed water generated by an electrochemical reaction is clogged in the gas diffusion layer (GDL) or plugging in which condensed water is not discharged from the gas flow path, and the battery performance is lowered. There is also a problem.

そこで、セパレータの流路に連通する出口マニホールドに間仕切り部材を設けて、各燃料電池セルへガスを均一に供給する技術が提案されている(特許文献1参照)。   In view of this, a technique has been proposed in which a partition member is provided in an outlet manifold communicating with the flow path of the separator, and gas is uniformly supplied to each fuel cell (see Patent Document 1).

また、電極基材中での水滞留を防止し、同時に触媒層表面との接触面積を増大させて接触抵抗を低減させるため、ガス拡散層の触媒層側に導電性の微多孔層(MPL)を塗工する技術が提案されている(特許文献2参照)。   In addition, in order to prevent water retention in the electrode substrate and at the same time increase the contact area with the catalyst layer surface and reduce the contact resistance, a conductive microporous layer (MPL) on the catalyst layer side of the gas diffusion layer The technique which coats is proposed (refer patent document 2).

また、上述したMPLをガス拡散層のセパレータ側にパターン状に塗工することにより、面内ガス透気度を低減して効率よくガスを触媒に導入するとともに、セパレータとの接触抵抗を低減するという技術もある(特許文献3参照)。   In addition, by applying the MPL described above in a pattern on the separator side of the gas diffusion layer, the gas permeability is reduced, the gas is efficiently introduced into the catalyst, and the contact resistance with the separator is reduced. There is also a technique (see Patent Document 3).

また、近年、燃料電池低コスト化の技術が提案されており、その1つとして、通常セパレータに設けられるガス流路を、ガス拡散層に設ける技術が提案されている(特許文献4、5、6参照)。   In recent years, a technique for reducing the cost of fuel cells has been proposed, and as one of them, a technique for providing a gas flow path normally provided in a separator in a gas diffusion layer has been proposed (Patent Documents 4, 5, 6).

特開2009−176610号公報JP 2009-176610 A 特開2003−303595号公報JP 2003-303595 A 国際公開第2013/099720号International Publication No. 2013/099720 特開2006−339089号公報JP 2006-339089 A 特開2005−294121号公報JP-A-2005-294121 特開2011−233537号公報JP 2011-233537 A

しかしながら、セパレータから供給されるガスが触媒へ効率的に且つ均一に拡散するという基本性能の向上を図るという要望が依然としてある。
そこで、本発明は、上述した課題に鑑み、燃料電池におけるガスの拡散を効率的且つ均一にする燃料電池を提供することを目的とする。
However, there is still a demand for improving the basic performance that the gas supplied from the separator diffuses efficiently and uniformly into the catalyst.
In view of the above-described problems, an object of the present invention is to provide a fuel cell that efficiently and uniformly diffuses gas in the fuel cell.

前記目的を達成する本発明の第1の態様は、固体高分子電解質膜の両側に触媒層を有し、前記触媒層の外側にガス拡散層及びセパレータを設けた燃料電池であって、前記セパレータの前記ガス拡散層側には、前記セパレータへのガスの導入側のマニホールドが設けられた一辺側からガスの排出側のマニホールドが設けられた他辺側に亘って、前記ガス拡散層に接触する凸部と前記ガス拡散層から離反する凹部とが繰り返されることで形成されるガス流路が設けられ、前記ガス流路は、隣り合う前記凹部が、前記凸部と接触する前記ガス拡散層を介して連通されることで形成されることを特徴とする燃料電池にある。   A first aspect of the present invention that achieves the above object is a fuel cell having a catalyst layer on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, and a gas diffusion layer and a separator provided outside the catalyst layer, wherein the separator The gas diffusion layer is in contact with the gas diffusion layer from one side where a gas introduction side manifold to the separator is provided to the other side where a gas discharge side manifold is provided. A gas flow path formed by repeating a convex portion and a concave portion that is separated from the gas diffusion layer is provided, and the gas flow channel includes the gas diffusion layer in which the adjacent concave portion is in contact with the convex portion. The fuel cell is formed by communicating with each other.

かかる態様では、セパレータの凸部及び凹部をガス流れ方向に交差する方向に延設し、凸部及び凹部をガス流れ方向に間欠的に設けたので、ガスの電極触媒層までの拡散が促進され且つ均一になるという効果を奏する。   In this aspect, since the convex portions and concave portions of the separator are extended in the direction intersecting the gas flow direction, and the convex portions and concave portions are provided intermittently in the gas flow direction, diffusion of gas to the electrode catalyst layer is promoted. Moreover, there is an effect that it becomes uniform.

本発明の第2の態様は、前記凹部及び前記凸部は、前記一辺側から前記他辺側へのガスの流れ方向に交差する方向の一方の側辺から対向する他方の側辺まで延設されることを特徴とする第1の態様に記載の燃料電池にある。
かかる態様では、ガスの電極触媒層までの拡散がより均一となる。
In the second aspect of the present invention, the concave portion and the convex portion extend from one side of the direction intersecting the gas flow direction from the one side to the other side to the opposite side. The fuel cell according to the first aspect is provided.
In this embodiment, the diffusion of gas to the electrode catalyst layer becomes more uniform.

本発明の第3の態様は、前記ガス拡散層は、前記触媒層側の第1層と前記セパレータ側の第2層とからなり、第1層は前記第2層と比較して撥水性であり、前記第2層は前記第1層と比較して親水性であることを特徴とする第1又は2の態様に記載の燃料電池にある。   According to a third aspect of the present invention, the gas diffusion layer is composed of a first layer on the catalyst layer side and a second layer on the separator side, and the first layer is water repellent compared to the second layer. The fuel cell according to the first or second aspect, wherein the second layer is more hydrophilic than the first layer.

かかる態様では、電気化学反応で生成する水蒸気の凝縮水が電極触媒層の近傍に滞留するのを防止し、凝縮水の親水性ガス拡散層への移動を促進することができる。   In such an embodiment, the condensed water of water vapor generated by the electrochemical reaction can be prevented from staying in the vicinity of the electrode catalyst layer, and the movement of the condensed water to the hydrophilic gas diffusion layer can be promoted.

本発明の第4の態様は、前記ガス拡散層は、前記第1層及び前記第2層の間に、空間が複数設けられていることを特徴とする第3の態様に記載の燃料電池にある。
かかる態様では、ガス拡散層内のガスの流路抵抗がさらに低減する。
According to a fourth aspect of the present invention, in the fuel cell according to the third aspect, the gas diffusion layer is provided with a plurality of spaces between the first layer and the second layer. is there.
In this aspect, the flow resistance of the gas in the gas diffusion layer is further reduced.

本発明の第5の態様は、前記凸部及び前記凹部の延設方向の両端に親水性スペーサーが設けられることを特徴とする第1から4のいずれかの態様に記載の燃料電池にある。   A fifth aspect of the present invention is the fuel cell according to any one of the first to fourth aspects, wherein hydrophilic spacers are provided at both ends in the extending direction of the convex portion and the concave portion.

かかる態様では、セパレータに到達した凝縮水が親水性スペーサーに集められ、親水性スペーサーを介してセル外に排出される。   In such an embodiment, the condensed water that has reached the separator is collected in the hydrophilic spacer and discharged out of the cell through the hydrophilic spacer.

本発明の燃料電池は、セパレータのガス流路をガス流れ方向に交差する方向に延設し、ガス流れ方向に間欠的に設けたので、ガスの電極触媒層までの拡散が促進され且つ均一になるという効果を奏する。   In the fuel cell of the present invention, the gas flow path of the separator is extended in the direction intersecting the gas flow direction and intermittently provided in the gas flow direction, so that the diffusion of the gas to the electrode catalyst layer is promoted and uniform. The effect of becoming.

本発明の実施形態1に係る燃料電池の概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention. 本発明の実施形態1に係る燃料電池の概略構成を示す斜視図である。1 is a perspective view showing a schematic configuration of a fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention. 本発明の実施形態1に係る燃料電池の概略構成を示す分解斜視図である。1 is an exploded perspective view showing a schematic configuration of a fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention. 本発明の実施形態2に係る燃料電池の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the fuel cell which concerns on Embodiment 2 of this invention. 本発明の変形例に係る燃料電池の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the fuel cell which concerns on the modification of this invention. 本発明の変形例のガス拡散層の界面を示す概略平面図である。It is a schematic plan view which shows the interface of the gas diffusion layer of the modification of this invention.

以下、本発明を実施形態に基づいて説明する。
(実施形態1)
本実施形態の固体高分子形燃料電池である燃料電池11は、図1に概略構成を示すセル構造を有する。図1に示すように、燃料電池11のセル30は、電解質膜31を挟んで燃料極であるアノード40及び空気極であるカソード50が設けられ、アノード40及びカソード50の外側に一対のセパレータ41及び51が設けられている。アノード40側のセパレータ41には水素が供給され、カソード50側のセパレータ51には空気が供給される。
Hereinafter, the present invention will be described based on embodiments.
(Embodiment 1)
A fuel cell 11 that is a polymer electrolyte fuel cell of the present embodiment has a cell structure schematically shown in FIG. As shown in FIG. 1, the cell 30 of the fuel cell 11 includes an anode 40 that is a fuel electrode and a cathode 50 that is an air electrode with an electrolyte membrane 31 interposed therebetween, and a pair of separators 41 outside the anode 40 and the cathode 50. And 51 are provided. Hydrogen is supplied to the separator 41 on the anode 40 side, and air is supplied to the separator 51 on the cathode 50 side.

アノード40及びカソード50は、電解質膜31に接触する電極触媒層42及び52と、電極触媒層42及び52の電解質膜31とは反対側のガス拡散層43及び53とからなり、ガス拡散層43及び53にセパレータ41及び51が接合または当接されている。   The anode 40 and the cathode 50 include electrode catalyst layers 42 and 52 that are in contact with the electrolyte membrane 31 and gas diffusion layers 43 and 53 on the opposite side of the electrode catalyst layers 42 and 52 from the electrolyte membrane 31. And 53 are joined or brought into contact with separators 41 and 51.

電解質膜31としては、例えば、ナフィオン(商品名)に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜等のフッ素系電解質膜の他、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン等の炭化水素系樹脂にスルホン酸基、リン酸基、カルボキシル基等のイオン交換基を導入した炭化水素系電解質膜等、一般的に用いられているものを用いることができる。   Examples of the electrolyte membrane 31 include hydrocarbon electrolyte resins such as polyether ketone, polyether ether ketone, and polyether sulfone in addition to fluorine-based electrolyte membranes such as perfluorocarbon sulfonic acid resin membranes represented by Nafion (trade name). Commonly used ones such as hydrocarbon electrolyte membranes into which ion exchange groups such as sulfonic acid groups, phosphoric acid groups, and carboxyl groups are introduced can be used.

また、電極触媒層42、52は、通常、アノード40及びカソード50における電極反応に対して触媒活性を有する電極触媒と電解質材料とを含有する。電極触媒としては、通常、触媒成分を導電性粒子に担持させたものが用いられる。触媒成分としては、燃料極の燃料の酸化反応又は酸化剤極の酸化剤の還元反応に対して触媒活性を有しているものであれば、特に限定されず、高分子形燃料電池に一般的に用いられているものを使用することができる。例えば、白金、又はルテニウム、鉄、ニッケル、マンガン、コバルト、銅等の金属と白金との合金等が挙げられる。触媒担体である導電性粒子としては、カーボンブラック等の炭素粒子や炭素繊維のような導電性炭素材料、金属粒子や金属繊維等の金属材料も用いることができる。   In addition, the electrode catalyst layers 42 and 52 usually contain an electrode catalyst having an catalytic activity for the electrode reaction in the anode 40 and the cathode 50 and an electrolyte material. As the electrode catalyst, one in which a catalyst component is supported on conductive particles is usually used. The catalyst component is not particularly limited as long as it has catalytic activity for the oxidation reaction of the fuel at the fuel electrode or the reduction reaction of the oxidant at the oxidant electrode, and is generally used for polymer fuel cells. What is used for can be used. For example, platinum or an alloy of platinum and a metal such as ruthenium, iron, nickel, manganese, cobalt, copper, and the like can be given. As the conductive particles as the catalyst carrier, carbon particles such as carbon black, conductive carbon materials such as carbon fibers, and metal materials such as metal particles and metal fibers can also be used.

また、ガス拡散層43、53には、従来から公知の炭素繊維などからなるガス拡散電極基材が用いられる。かかるガス拡散層43、53は、セパレータ41、51から供給されるガスを電極触媒層42、52へと拡散するための高いガス拡散性、電気化学反応に伴って生成する液水を系外へ排出するための高い排水性、発生した電流を取り出すための高い導電性が必要であるが、これらの機能を有するものであれば、通常用いられているガス拡散電極基材を用いることができる。   For the gas diffusion layers 43 and 53, a gas diffusion electrode substrate made of a conventionally known carbon fiber or the like is used. The gas diffusion layers 43 and 53 have a high gas diffusibility for diffusing the gas supplied from the separators 41 and 51 to the electrode catalyst layers 42 and 52, and liquid water generated by the electrochemical reaction is out of the system. High drainage for discharging and high conductivity for taking out the generated current are required, but any gas diffusion electrode substrate that is usually used can be used as long as it has these functions.

このように設けられたアノード40及びカソード50の外側には、セパレータ41、51が設けられている。セパレータ41、51としては、一般的に用いられる金属板や導電性炭素製板等が用いられ、ガス拡散層43、53側にガス流路44、54が設けられている。詳細には、ガス流路44、54は、ガス拡散層43、53側の表面に接触する凸部44a、54aと、ガス拡散層43、53の表面から離間して該表面との間に空隙を設ける凹部44b、54bを交互に繰り返して設けることで、繰り返し方向に亘ってガス流路44、54が形成される。すなわち、隣り合う凹部44b、54b内の空隙は、間の凸部44a、54aと接触するガス拡散層43、53を介して連通しており、ガス流路44、54は、凹部44b、54b内の空隙とガス拡散層43、53とにより形成されている。凸部44a、54aと凹部44b、54bとを有するセパレータ41、51は、一般的には、プレス成形により形成されるが、形成方法はこれに限定されるものではない。また、本実施形態では、凸部44a、54aと凹部44b、54bとは、凸部44a、54a及び凹部44b、54bの繰り返し方向、すなわち、ガス流路44、54の方向(図1に上下方向)に直交する方向(図1の紙面に直交する方向)に延び、ガスの流れ方向に交差する方向の一方の側辺から対向する他方の側辺まで延設されているが、途中で途切れるように設けてもよい。また、セパレータ41、51における上下側には、ガス流路44、54にそれぞれ連通する導入側マニホールド45、55及び排出側マニホールド46、56が設けられている。これらの詳細な構造は後述する。   Separators 41 and 51 are provided outside the anode 40 and the cathode 50 thus provided. As the separators 41 and 51, commonly used metal plates, conductive carbon plates, or the like are used, and gas flow paths 44 and 54 are provided on the gas diffusion layers 43 and 53 side. Specifically, the gas flow paths 44 and 54 are spaced from the surfaces of the convex portions 44a and 54a that are in contact with the surfaces of the gas diffusion layers 43 and 53 and the surfaces of the gas diffusion layers 43 and 53, respectively. The gas flow paths 44 and 54 are formed in the repeated direction by alternately and repeatedly providing the concave portions 44b and 54b for providing the. That is, the gaps in the adjacent recesses 44b and 54b communicate with each other via the gas diffusion layers 43 and 53 that are in contact with the protrusions 44a and 54a between them, and the gas flow paths 44 and 54 are in the recesses 44b and 54b. And the gas diffusion layers 43 and 53 are formed. The separators 41 and 51 having the convex portions 44a and 54a and the concave portions 44b and 54b are generally formed by press molding, but the forming method is not limited to this. Further, in the present embodiment, the convex portions 44a and 54a and the concave portions 44b and 54b are defined by the direction in which the convex portions 44a and 54a and the concave portions 44b and 54b repeat, that is, the direction of the gas flow paths 44 and 54 (the vertical direction in FIG. ) Extending in a direction orthogonal to () a direction orthogonal to the paper surface of FIG. 1, and extending from one side in the direction intersecting the gas flow direction to the other side opposite to each other. May be provided. In addition, on the upper and lower sides of the separators 41 and 51, introduction-side manifolds 45 and 55 and discharge-side manifolds 46 and 56 communicating with the gas flow paths 44 and 54, respectively, are provided. These detailed structures will be described later.

このように、電解質膜31を挟んで、アノード40及びカソード50とセパレータ41、51とを積層した積層体を一組のセル30とし、これを複数組み積層して燃料電池スタックとする。   In this way, a laminated body in which the anode 40 and the cathode 50 and the separators 41 and 51 are laminated with the electrolyte membrane 31 interposed therebetween is used as a set of cells 30, and a plurality of sets are stacked to form a fuel cell stack.

図3には、燃料電池用スタック60の一部を分解した斜視図を示す。同図に示すように、燃料電池用スタック60の4隅には、スタック方向に貫通する流路が設けられている。詳細な図示は省略するが、アノード40側のセパレータ41の導入側マニホールド45には、水素が導入される導入流路61が連通し、排出側マニホールド46には排出流路62が連通するように構成されている。また、カソード50側のセパレータ51の導入側マニホールド55には、空気が導入される導入側流路63が連通し、排出側マニホールド56には排出側流路64が連通するように構成されている。これにより、燃料電池用スタックの各セル30のアノード40側のセパレータ41には水素が供給され、カソード50側のセパレータ51には空気が供給されるようになっている。   FIG. 3 is an exploded perspective view of a part of the fuel cell stack 60. As shown in the figure, at the four corners of the fuel cell stack 60, there are provided flow paths penetrating in the stack direction. Although not shown in detail, an introduction flow path 61 through which hydrogen is introduced communicates with the introduction side manifold 45 of the separator 41 on the anode 40 side, and a discharge flow path 62 communicates with the discharge side manifold 46. It is configured. Further, the introduction side flow passage 63 through which air is introduced communicates with the introduction side manifold 55 of the separator 51 on the cathode 50 side, and the discharge side flow passage 64 communicates with the discharge side manifold 56. . Thus, hydrogen is supplied to the separator 41 on the anode 40 side of each cell 30 of the fuel cell stack, and air is supplied to the separator 51 on the cathode 50 side.

ここで、セパレータ41、51に設けられたガス流路44、54は、主に図2及び図3に示すように、セパレータ41、51の導入側マニホールド45、55が設けられた一辺側41aから排出側マニホールド46、56が設けられた他辺側41bに亘ったガス流れ方向に、間欠的に設けられている。すなわち、凹部及び凸部からなる各ガス流路44、54は、ガス流れ方向について、一定間隔毎に設けられている。また、各ガス流路44、54は、ガス流れ方向に直交する方向の一方側の側辺41c、51cから他方側の側辺41d、51dまで連続的に延設されており、ガス流路44、54の側辺41c、51c側の端部と側辺41d、51dの端部は燃料電池用スタック60の封止部材により封止されている。なお、燃料電池用スタックのセパレータ41とセパレータ51との間の各ガス流路44、54間のスペースは、冷却水を流通させる流路となるが、説明は省略する。   Here, as shown mainly in FIGS. 2 and 3, the gas flow paths 44 and 54 provided in the separators 41 and 51 extend from one side 41a where the introduction-side manifolds 45 and 55 of the separators 41 and 51 are provided. The discharge side manifolds 46 and 56 are provided intermittently in the gas flow direction across the other side 41b. That is, the gas flow paths 44 and 54 each including a concave portion and a convex portion are provided at regular intervals in the gas flow direction. The gas flow paths 44 and 54 are continuously extended from one side 41c and 51c in the direction orthogonal to the gas flow direction to the other side 41d and 51d. , 54 end portions on the side sides 41c and 51c side and end portions of the side sides 41d and 51d are sealed by a sealing member of the fuel cell stack 60. In addition, although the space between each gas flow path 44 and 54 between the separator 41 and the separator 51 of the stack for fuel cells becomes a flow path through which cooling water flows, description is abbreviate | omitted.

上述した構成により、セパレータ41、51の導入側マニホールド45、55から導入されたガスは、最初の凹部44b、54bから凸部44a、54aと接触するガス拡散層43、53に拡散し、ガス拡散層43、53に拡散したガスは、順次、隣接する凹部44b、54b、に入り、更に、凸部44a、54aと接触するガス拡散層43、53に入りながら、排出側マニホールド46、56に到達するようになる(図1参照)。すなわち、ガスの流れ方向に亘って間欠的に設けられた凹部44b、54bは凸部44a、54aと接触するガス拡散層43、53のみを介して連通していることになる。   With the above-described configuration, the gas introduced from the inlet-side manifolds 45 and 55 of the separators 41 and 51 diffuses from the first concave portions 44b and 54b to the gas diffusion layers 43 and 53 that are in contact with the convex portions 44a and 54a. The gas diffused in the layers 43 and 53 sequentially enters the adjacent concave portions 44b and 54b, and further reaches the discharge side manifolds 46 and 56 while entering the gas diffusion layers 43 and 53 that are in contact with the convex portions 44a and 54a. (See FIG. 1). That is, the recesses 44b and 54b provided intermittently over the gas flow direction communicate with each other only through the gas diffusion layers 43 and 53 in contact with the projections 44a and 54a.

このようにガス流路44、54の一部を形成する凹部44b、54bをガス流れ方向に交差する方向に延設し、ガス流れ方向に凸部44a、54aと交互に間欠的に設けたので、ガスは、凹部44b、54bから凸部44a、54aと接触するガス拡散層43、53に拡散し、また、ガス拡散層43、53から凹部44b、54b内の空隙に戻り、また、凹部44b、54bからガス拡散層43、53に拡散するという流れを繰り返すので、ガスの電極触媒層42、52までの拡散が促進され且つ均一になるという効果を奏する。また、生成された水の排出が促進されるという利点もある。なお、これをセパレータ41、51に凸部44a、54a、凹部44b、54bを設けない場合と比較すると、凹部44b、54bが圧力損失を低減することとなり、発電効率が向上することとなる。また、セパレータ41、51に排出された水は、セパレータ41、51上に広がり、ガスの流れを阻害せず、セパレータ41、51の凸部44a、54a及び凹部44b、54bの延設方向両側の端部に設置された親水性スペーサーを通じてセル外部へ排出される。   As described above, the recesses 44b and 54b forming part of the gas flow paths 44 and 54 are extended in a direction intersecting the gas flow direction, and are provided intermittently alternately with the projections 44a and 54a in the gas flow direction. The gas diffuses from the recesses 44b and 54b to the gas diffusion layers 43 and 53 in contact with the projections 44a and 54a, and returns from the gas diffusion layers 43 and 53 to the voids in the recesses 44b and 54b. , 54b is diffused into the gas diffusion layers 43 and 53, so that the diffusion of the gas to the electrode catalyst layers 42 and 52 is promoted and uniform. There is also an advantage that discharge of the generated water is promoted. Compared with the case where the separators 41 and 51 are not provided with the convex portions 44a and 54a and the concave portions 44b and 54b, the concave portions 44b and 54b reduce the pressure loss, and the power generation efficiency is improved. Further, the water discharged to the separators 41 and 51 spreads on the separators 41 and 51, does not obstruct the gas flow, and is on both sides in the extending direction of the convex portions 44a and 54a and the concave portions 44b and 54b of the separators 41 and 51. It is discharged out of the cell through a hydrophilic spacer installed at the end.

(実施形態2)
図4には、実施形態2に係る燃料電池のセルの概略構成を示す。なお、上述した実施形態と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略する。
(Embodiment 2)
FIG. 4 shows a schematic configuration of a cell of the fuel cell according to the second embodiment. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same member as embodiment mentioned above, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

本実施形態のセル30Aは、ガス拡散層43A、53Aを二層とし、電極触媒層42、52側を疎水性ガス拡散層431、531とし、セパレータ41、51側を親水性ガス拡散層432、532で構成した。ここで、疎水性ガス拡散層431、531及び親水性ガス拡散層432、532の親水性、疎水性は、相対的なものであり、例えば、親水性ガス拡散層432、532は、疎水性ガス拡散層431、531と比較して親水性を有していればよい。例えば、疎水性ガス拡散層431、531は、通常のガス拡散層とし、親水性ガス拡散層432、532を親水性の材料で形成するが、親水性処理を施したガス拡散層とすればよい。また、親水性ガス拡散層432、532を通常のガス拡散層とし、疎水性ガス拡散層431、531を疎水性材料で形成するか、疎水性処理したガス拡散層としてもよい。さらに、疎水性ガス拡散層431、531を疎水性材料で形成するか、疎水性処理を施したものとし、親水性ガス拡散層432、532を親水性材料で形成するか、親水性処理を施したものとしてもよい。   In the cell 30A of this embodiment, the gas diffusion layers 43A and 53A are two layers, the electrode catalyst layers 42 and 52 side are hydrophobic gas diffusion layers 431 and 531, the separators 41 and 51 side is a hydrophilic gas diffusion layer 432, 532. Here, the hydrophilicity and hydrophobicity of the hydrophobic gas diffusion layers 431 and 531 and the hydrophilic gas diffusion layers 432 and 532 are relative. For example, the hydrophilic gas diffusion layers 432 and 532 are hydrophobic gases. What is necessary is just to have hydrophilicity compared with the diffusion layers 431 and 531. For example, the hydrophobic gas diffusion layers 431 and 531 are normal gas diffusion layers, and the hydrophilic gas diffusion layers 432 and 532 are formed of a hydrophilic material, but may be gas diffusion layers subjected to hydrophilic treatment. . Alternatively, the hydrophilic gas diffusion layers 432 and 532 may be normal gas diffusion layers, and the hydrophobic gas diffusion layers 431 and 531 may be formed of a hydrophobic material or may be a gas diffusion layer subjected to hydrophobic treatment. Further, the hydrophobic gas diffusion layers 431 and 531 are formed of a hydrophobic material or subjected to a hydrophobic treatment, and the hydrophilic gas diffusion layers 432 and 532 are formed of a hydrophilic material or subjected to a hydrophilic treatment. It is good also as what you did.

本実施形態では、電気化学反応で生成する水蒸気の凝縮水が電極触媒層42、52の近傍に滞留するのを防止し、凝縮水のセパレータ41、51側の親水性ガス拡散層432、532への移動を促進することができる。なお、この目的から、親水性ガス拡散層432、532を親水性材料で形成するか、親水性処理したものとするのが好ましい。   In this embodiment, condensate of water vapor generated by an electrochemical reaction is prevented from staying in the vicinity of the electrode catalyst layers 42 and 52, and the hydrophilic gas diffusion layers 432 and 532 on the separator 41 and 51 side of the condensate are obtained. Can be promoted. For this purpose, it is preferable that the hydrophilic gas diffusion layers 432 and 532 are made of a hydrophilic material or subjected to a hydrophilic treatment.

また、このようなガス拡散層43A、53Aの構成、すなわち、疎水性ガス拡散層431、531及び親水性ガス拡散層432、532の二層構造は、ガス流路44、54をガス流れ方向に交差する方向に延設し、ガス流れ方向に間欠的に設けた構造と組み合わせることで、さらに顕著な効果を奏する。すなわち、凸部44a、54a及び凹部44b、54bをガス流れ方向に交差する方向に延設し、ガス流れ方向に交互に間欠的に設けた構造では、図4に示すように、凹部44b、54bの間の凸部44a、54aに対向する領域Sがガスの滞留領域となるが、親水性ガス拡散層432、532に凝縮水が移動し、保持されても、領域Sに凝縮水が保持でき、ガスの流れが阻害されないという利点がある。因みに、通常のセパレータ構造、すなわち、ガスの流れ方向に流路を有する構造では、保持されている凝縮水がガスの流れを阻害する虞がある。
なお、本実施形態のガス拡散層の二層構造は、凝縮水が生成するカソード側のみに採用してもよい。
In addition, such a structure of the gas diffusion layers 43A and 53A, that is, the two-layer structure of the hydrophobic gas diffusion layers 431 and 531 and the hydrophilic gas diffusion layers 432 and 532, allows the gas flow paths 44 and 54 to be in the gas flow direction. By combining with a structure extending in the intersecting direction and intermittently provided in the gas flow direction, a more remarkable effect can be obtained. That is, in the structure in which the convex portions 44a and 54a and the concave portions 44b and 54b are extended in a direction intersecting the gas flow direction and are alternately provided alternately in the gas flow direction, the concave portions 44b and 54b are formed as shown in FIG. The region S that faces the convex portions 44a and 54a between the two is a gas retention region, but the condensed water can be retained in the region S even if the condensed water moves and is retained in the hydrophilic gas diffusion layers 432 and 532. There is an advantage that the gas flow is not hindered. Incidentally, in a normal separator structure, that is, a structure having a flow path in the gas flow direction, there is a possibility that the condensed water that is held may obstruct the gas flow.
Note that the two-layer structure of the gas diffusion layer of the present embodiment may be employed only on the cathode side where condensed water is generated.

(その他)
上述した実施形態1、2において、ガス拡散層の電極触媒層側、又はセパレータ側、又は両方に、マイクロポーラス層(MPL)を設けてもよく、マイクロポーラス層は、従来から公知のものを採用することがきる。
(Other)
In the first and second embodiments described above, a microporous layer (MPL) may be provided on the electrode catalyst layer side, the separator side, or both of the gas diffusion layer, and a conventionally known microporous layer is adopted. I can do it.

電極触媒側にMPLを設けると、電極触媒中での水滞留を防止し、同時に電極触媒層表面との接触面積を増大させて接触抵抗を低減させることができる。また、セパレータ側に設けられるMPLは、面内ガス透気度を低減して効率よくガスを触媒に導入するとともに、セパレータとの接触抵抗を低減するという効果を奏する。なお、MPLは、一般的には、塗工技術により形成されるが、パターン塗工で、所定のパターン形状で設けてもよい。   When MPL is provided on the electrode catalyst side, water retention in the electrode catalyst can be prevented, and at the same time, the contact area with the electrode catalyst layer surface can be increased to reduce the contact resistance. Further, the MPL provided on the separator side has an effect of reducing the in-plane gas gas permeability and efficiently introducing the gas into the catalyst and reducing the contact resistance with the separator. The MPL is generally formed by a coating technique, but may be provided in a predetermined pattern shape by pattern coating.

また、上述した実施形態2のガス拡散層の二層構造において、間の界面に空間(凹形状)を形成し、空間(凹形状)にガスが流れ込むようにしてもよい。これにより、ガスの流路抵抗をさらに低減することができ、ガスの拡散効率の向上を図ることができる。   In the two-layer structure of the gas diffusion layer of the second embodiment described above, a space (concave shape) may be formed at the interface between the two so that the gas flows into the space (concave shape). As a result, the gas flow resistance can be further reduced, and the gas diffusion efficiency can be improved.

図5には、ガス拡散層を二層構造とし、二層の間に空間(凹形状)を設け、さらに、電極触媒側及びセパレータ側にマイクロポーラス層(MPL)を設けた構成を示す。なお、上述した実施形態と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略する。   FIG. 5 shows a configuration in which the gas diffusion layer has a two-layer structure, a space (concave shape) is provided between the two layers, and a microporous layer (MPL) is provided on the electrode catalyst side and the separator side. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same member as embodiment mentioned above, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

図示のように、ガス拡散層43B、53Bは、疎水性ガス拡散層433、533と、親水性ガス拡散層434、534とを具備する。疎水性ガス拡散層433、533及び親水性ガス拡散層434、534は、その間に凹形状435、535を具備する。凹形状435、535は、親水性ガス拡散層434、534の疎水性ガス拡散層433、533側の界面を示す図6に示すように、ガスの流れ方向に長く形成しているが、ガスの流れに交差する方向に長いものとしてもよい。さらに、ガス拡散層43B、53Bは、電極触媒層42、52側及びセパレータ41、51側にMPL436、536と、MPL437、537とを具備する。   As illustrated, the gas diffusion layers 43B and 53B include hydrophobic gas diffusion layers 433 and 533 and hydrophilic gas diffusion layers 434 and 534, respectively. The hydrophobic gas diffusion layers 433 and 533 and the hydrophilic gas diffusion layers 434 and 534 have concave shapes 435 and 535 therebetween. The concave shapes 435 and 535 are formed long in the gas flow direction as shown in FIG. 6 showing the interfaces of the hydrophilic gas diffusion layers 434 and 534 on the hydrophobic gas diffusion layers 433 and 533 side. It is good also as a thing long in the direction which cross | intersects a flow. Further, the gas diffusion layers 43B and 53B include MPLs 436 and 536 and MPLs 437 and 537 on the electrode catalyst layers 42 and 52 side and the separators 41 and 51 side, respectively.

かかる例では、電極触媒層42、52側に設けたMPL436、536を設けると、電極触媒中での水滞留を防止し、同時に電極触媒層表面との接触面積を増大させて接触抵抗を低減させることができる。また、セパレータ41、51側に設けられたMPL437、537により、面内ガス透気度を低減し、より効率よくガスが触媒に導入されるようになり、また、セパレータ41、51との接触抵抗を低減するという効果を奏する。   In such an example, when MPLs 436 and 536 provided on the electrode catalyst layers 42 and 52 side are provided, water retention in the electrode catalyst is prevented, and at the same time, the contact area with the surface of the electrode catalyst layer is increased to reduce the contact resistance. be able to. Further, the MPLs 437 and 537 provided on the separators 41 and 51 side reduce the in-plane gas gas permeability so that the gas can be introduced into the catalyst more efficiently, and the contact resistance with the separators 41 and 51 There is an effect of reducing.

また、疎水性ガス拡散層433、533及び親水性ガス拡散層434、534は、その間に凹形状435、535を具備することにより、ガス拡散層43B、53B内でのガスの流路抵抗を低減し、ガスの触媒への拡散効率を向上することができる。   Further, the hydrophobic gas diffusion layers 433 and 533 and the hydrophilic gas diffusion layers 434 and 534 are provided with concave shapes 435 and 535 therebetween, thereby reducing the gas flow resistance in the gas diffusion layers 43B and 53B. In addition, the diffusion efficiency of the gas into the catalyst can be improved.

本発明は、電動車両の燃料電池の産業分野で利用することができる。   The present invention can be used in the industrial field of fuel cells for electric vehicles.

11 燃料電池
30、30A、30B セル
31 電解質膜
40 アノード
41、51 セパレータ
42、52 電極触媒層
43、43A、43B、53、53A、53B ガス拡散層
44、54 ガス流路
45、55 導入側マニホールド
46、56 排出側マニホールド
50 カソード
431、433、531、533 疎水性ガス拡散層
432、434、532、534 親水性ガス拡散層
435、535 凹形状
436、437、536、537 マイクロポーラス層(MPL)
11 Fuel cell 30, 30A, 30B Cell 31 Electrolyte membrane 40 Anode 41, 51 Separator 42, 52 Electrode catalyst layer 43, 43A, 43B, 53, 53A, 53B Gas diffusion layer 44, 54 Gas flow path 45, 55 Inlet side manifold 46, 56 Exhaust side manifold 50 Cathode 431, 433, 531, 533 Hydrophobic gas diffusion layer 432, 434, 532, 534 Hydrophilic gas diffusion layer 435, 535 Concave shape 436, 437, 536, 537 Microporous layer (MPL)

Claims (5)

固体高分子電解質膜の両側に触媒層を有し、前記触媒層の外側にガス拡散層及びセパレータを設けた燃料電池であって、
前記セパレータの前記ガス拡散層側には、前記セパレータへのガスの導入側のマニホールドが設けられた一辺側からガスの排出側のマニホールドが設けられた他辺側に亘って、前記ガス拡散層に接触する凸部と前記ガス拡散層から離反する凹部とが繰り返されることで形成されるガス流路が設けられ、
前記ガス流路は、隣り合う前記凹部が、前記凸部と接触する前記ガス拡散層を介して連通されることで形成されることを特徴とする燃料電池。
A fuel cell having a catalyst layer on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, and a gas diffusion layer and a separator provided outside the catalyst layer,
On the gas diffusion layer side of the separator, the gas diffusion layer extends from one side where a gas introduction side manifold to the separator is provided to the other side where a gas discharge side manifold is provided. A gas flow path formed by repeating a convex portion that contacts and a concave portion that separates from the gas diffusion layer is provided,
The gas flow path is formed by connecting adjacent concave portions through the gas diffusion layer in contact with the convex portions.
前記凹部及び前記凸部は、前記一辺側から前記他辺側へのガスの流れ方向に交差する方向の一方の側辺から対向する他方の側辺まで延設されることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。   The concave portion and the convex portion extend from one side in a direction intersecting a gas flow direction from the one side to the other side to the opposite side. 2. The fuel cell according to 1. 前記ガス拡散層は、前記触媒層側の第1層と前記セパレータ側の第2層とからなり、第1層は前記第2層と比較して撥水性であり、前記第2層は前記第1層と比較して親水性であることを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池。   The gas diffusion layer includes a first layer on the catalyst layer side and a second layer on the separator side, the first layer is water repellent compared to the second layer, and the second layer is the first layer. The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell is more hydrophilic than one layer. 前記ガス拡散層は、前記第1層及び前記第2層の間に、空間が複数設けられていることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 3, wherein the gas diffusion layer has a plurality of spaces between the first layer and the second layer. 前記凸部及び前記凹部の延設方向の両端に親水性スペーサーが設けられる
ことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の燃料電池。
The fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein hydrophilic spacers are provided at both ends in the extending direction of the convex portion and the concave portion.
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