JP2017174563A - Fuel cell - Google Patents
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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).
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.
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
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
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
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
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
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。
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
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
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
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-
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
(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
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
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
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
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
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
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
Claims (5)
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.
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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