JP2009004298A - Fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the cooling efficiency of a fuel cell. <P>SOLUTION: In this fuel cell 100, a layered product which has respectively stacked an anode-side metal porous body 20a, and a cathode-side metal porous body 20c on both surfaces of a membrane-electrode assembly 10 sandwiched between a pair of collector members 30. Then, an anode-side hygroscopic film 25a and a cathode-side hygroscopic film 25c, each having electrical conductivity and hygroscopicity and are interposed between the anode-side metal porous body 20a and the collector member 30 and between the cathode-side metal porous body 20c and the collector member 30, respectively. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池に関し、詳しくは、燃料電池による発電時に発生する反応熱を効率よく放熱する技術に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a technique for efficiently radiating reaction heat generated during power generation by a fuel cell.

水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池は、プロトン伝導性を有する電解質膜（例えば、固体高分子膜）の両面に、それぞれガス拡散電極（アノード、および、カソード）を接合してなる膜電極接合体を、セパレータ（集電部材）によって挟持することによって構成される。そして、アノード、および、カソードは、それぞれ、上記電気化学反応を促進するための触媒層と、この触媒層に発電に供する反応ガス（燃料ガス、および、酸化剤ガス）を拡散させつつ供給するためのガス拡散層とを備える。   A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen has attracted attention as an energy source. In this fuel cell, a membrane electrode assembly formed by bonding gas diffusion electrodes (anode and cathode) to both surfaces of an electrolyte membrane (for example, a solid polymer membrane) having proton conductivity is used as a separator (current collector). It is comprised by pinching with a member. The anode and the cathode each supply a catalyst layer for promoting the electrochemical reaction and a reaction gas (fuel gas and oxidant gas) used for power generation while diffusing the catalyst layer. Gas diffusion layer.

そして、従来、燃料電池の構成について、種々の技術が提案されている。例えば、下記特許文献１には、燃料電池において、上記ガス拡散層とセパレータ（いわゆるフラットセパレータ）との間に、反応ガスの流路を構成する導電性多孔体層を介装させる構成が記載されている。また、下記特許文献２〜５には、燃料電池におけるフラッディングやドライアップを抑制するための技術が記載されている。   Conventionally, various techniques have been proposed for the configuration of the fuel cell. For example, Patent Document 1 below describes a configuration in which a conductive porous body layer constituting a reaction gas flow path is interposed between the gas diffusion layer and a separator (so-called flat separator) in a fuel cell. ing. Patent Documents 2 to 5 listed below describe techniques for suppressing flooding and dry-up in a fuel cell.

特開２００６−２８６５５７号公報JP 2006-286557 A 特開２００３−６８３３０号公報JP 2003-68330 A 特開平８−１３００２５号公報JP-A-8-130025 特開２００６−２５２９４８号公報JP 2006-252948 A 特開２００６−３１０２０１号公報JP 2006-310201 A

ところで、燃料電池は、効率よく発電を行うために、適切な温度範囲内で運転することが望まれる。そして、燃料電池では、発電時に、上記電気化学反応によって反応熱が発生するため、燃料電池を備える燃料電池システムには、燃料電池を冷却するための冷却装置が併設される。また、燃料電池システムには、システムの小型化が望まれており、冷却装置の小型化も望まれている。しかし、燃料電池システムにおいて、冷却装置を小型化すると、一般に、冷却能力が低下するため、燃料電池を十分に冷却できない場合がある。したがって、比較的小型の冷却装置であっても、燃料電池を十分に冷却可能にする技術が求められている。   By the way, it is desired that the fuel cell be operated within an appropriate temperature range in order to efficiently generate power. In the fuel cell, reaction heat is generated by the electrochemical reaction during power generation. Therefore, a fuel cell system including the fuel cell is provided with a cooling device for cooling the fuel cell. Further, the fuel cell system is desired to be downsized, and the cooling device is also downsized. However, in a fuel cell system, when the cooling device is downsized, the cooling capacity generally decreases, and thus the fuel cell may not be sufficiently cooled. Therefore, there is a need for a technique that can sufficiently cool the fuel cell even with a relatively small cooling device.

しかし、上記特許文献に記載された技術では、燃料電池の冷却効率については、何ら考慮されていなかった。本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池の冷却効率を向上させることを目的とする。   However, in the technology described in the above-mentioned patent document, no consideration is given to the cooling efficiency of the fuel cell. The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to improve the cooling efficiency of a fuel cell.

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために以下の形態又は適用例として実現することが可能である。   The present invention can be realized as the following forms or application examples in order to solve at least a part of the above-described problems.

［適用例１］燃料電池であって、電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合してなる膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両面にそれぞれ積層され、導電性を有する多孔質部材からなり、前記膜電極接合体における発電に供する反応ガスを、前記アノード、および、前記カソードにそれぞれ供給するための流路形成部材と、前記膜電極接合体、および、前記流路形成部材を挟持し、前記膜電極接合体によって発電された電力を集電するする集電部材と、を備え、前記アノード側に積層された前記流路形成部材と前記集電部材との間、および、前記カソード側に積層された前記流路形成部材と前記集電部材との間の少なくとも一方に、導電性、および、吸湿性を有する吸湿部材が介装されている、燃料電池。   [Application Example 1] A fuel cell, in which a membrane electrode assembly formed by bonding an anode and a cathode to both surfaces of an electrolyte membrane, respectively, and laminated on both surfaces of the membrane electrode assembly, respectively. A flow path forming member for supplying the anode and the cathode with a reaction gas to be used for power generation in the membrane electrode assembly, the membrane electrode assembly, and the flow path. A current collecting member that sandwiches the forming member and collects the electric power generated by the membrane electrode assembly, and between the flow path forming member and the current collecting member stacked on the anode side, And the fuel cell by which the moisture absorption member which has electroconductivity and moisture absorption is interposed in at least one between the said flow-path formation member laminated | stacked on the said cathode side and the said current collection member.

ここで、上記流路形成部材としては、例えば、金属多孔体を用いることができる。また、上記吸湿部材としては、例えば、吸湿性樹脂に導電性材料を混合した部材を用いることができる。なお、「吸湿性を有する」とは、水分を吸収し、保水する性質を有することを意味している。   Here, as the flow path forming member, for example, a metal porous body can be used. In addition, as the hygroscopic member, for example, a member obtained by mixing a hygroscopic resin with a conductive material can be used. Note that “having hygroscopicity” means having a property of absorbing moisture and retaining water.

本適用例では、燃料電池による発電時に発生する反応熱は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応が起こる触媒層で発生し、この反応熱は、触媒層からガス拡散層、流路形成部材、吸湿部材、集電部材の順に伝導する。そして、本願発明者は、流路形成部材と集電部材との間に吸湿部材を介装した場合と、流路形成部材と集電部材との間に吸湿部材を介装せずに、流路形成部材と集電部材とを直接当接させた場合との、触媒層から集電部材までの熱抵抗を実験的に解析した。この結果、本願発明者は、流路形成部材と集電部材との間に吸湿部材を介装した場合の方が、流路形成部材と集電部材とを直接当接させた場合よりも、流路形成部材から集電部材までの熱抵抗を低減することができることを見出した。これは、燃料電池による発電時に生成された生成水が、吸湿部材に吸収されて熱伝達媒体となり、液状の水の熱伝導率の方が反応ガスの熱伝導率よりも１桁高いことによると考えられる。つまり、本適用例によって、アノード、および、カソードから各集電部材までの熱抵抗を低減させ、燃料電池の冷却効率を向上させることができる。   In this application example, the reaction heat generated during power generation by the fuel cell is generated in the catalyst layer where the electrochemical reaction between the fuel gas and the oxidant gas occurs, and this reaction heat is generated from the catalyst layer to the gas diffusion layer and the flow path formation. Conduction is performed in the order of the member, the hygroscopic member, and the current collecting member. Then, the inventor of the present application uses a case where a moisture absorbing member is interposed between the flow path forming member and the current collecting member, and a case where the moisture absorbing member is not interposed between the flow path forming member and the current collecting member. The thermal resistance from the catalyst layer to the current collecting member when the path forming member and the current collecting member were in direct contact with each other was experimentally analyzed. As a result, the inventor of the present application, when the hygroscopic member is interposed between the flow path forming member and the current collecting member, than when directly contacting the flow path forming member and the current collecting member, It has been found that the thermal resistance from the flow path forming member to the current collecting member can be reduced. This is because the generated water generated during power generation by the fuel cell is absorbed by the moisture absorbing member and becomes a heat transfer medium, and the thermal conductivity of liquid water is one digit higher than the thermal conductivity of the reaction gas. Conceivable. That is, according to this application example, the thermal resistance from the anode and the cathode to each current collecting member can be reduced, and the cooling efficiency of the fuel cell can be improved.

なお、本適用例では、流路形成部材と集電部材との間に吸湿部材が介装されているので、吸湿部材によって、流路形成部材における反応ガスの流れが阻害されることはない。また、流路形成部材からアノード、および、カソードへの反応ガスの供給が阻害されることもない。   In this application example, since the hygroscopic member is interposed between the flow path forming member and the current collecting member, the flow of the reaction gas in the flow path forming member is not hindered by the hygroscopic member. Further, the supply of the reaction gas from the flow path forming member to the anode and the cathode is not hindered.

［請求項２］適用例１記載の燃料電池であって、
前記吸湿部材は、フィルム状、または、ペースト状の部材からなる、燃料電池。 [Claim 2] The fuel cell according to Application Example 1,
The moisture absorbing member is a fuel cell made of a film-like or paste-like member.

こうすることによって、流路形成部材と集電部材との間に吸湿部材を容易に介装することができる。   By doing so, it is possible to easily interpose the moisture absorbing member between the flow path forming member and the current collecting member.

［請求項３］適用例１記載の燃料電池であって、前記吸湿部材は、前記流路形成部材と前記集電部材との互いに当接する少なくとも一方の表面に、前記吸湿部材を構成するペーストを塗布することによって形成されている、燃料電池。 [Claim 3] The fuel cell according to Application Example 1, wherein the hygroscopic member has a paste constituting the hygroscopic member on at least one surface of the flow path forming member and the current collecting member that are in contact with each other. A fuel cell formed by coating.

こうすることによって、流路形成部材と集電部材との間に吸湿部材を容易に介装することができる。なお、吸湿部材を構成するペーストは、少なくとも流路形成部材側に塗布することが好ましい。こうすることによって、上記ペーストの一部が流路形成部材の気孔内に入り込むので、ペーストを集電部材側のみに塗布する場合と比較して、流路形成部材と吸湿部材（上記ペースト）との接触面積を広くすることができる。したがって、流路形成部材と吸湿部材との接触抵抗や、熱抵抗を低減することができる。   By doing so, it is possible to easily interpose the moisture absorbing member between the flow path forming member and the current collecting member. In addition, it is preferable to apply | coat the paste which comprises a moisture absorption member at least on the flow-path formation member side. As a result, a part of the paste enters the pores of the flow path forming member, so that the flow path forming member and the moisture absorbing member (the paste) are compared with the case where the paste is applied only to the current collecting member side. The contact area can be increased. Therefore, the contact resistance between the flow path forming member and the hygroscopic member and the thermal resistance can be reduced.

本発明は、上述の燃料電池としての構成の他、燃料電池の製造方法の発明として構成することもできる。なお、この態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。   The present invention can be configured as a fuel cell manufacturing method in addition to the above-described configuration as a fuel cell. In this aspect, the various additional elements shown above can be applied.

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．燃料電池の構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池１００の概略構成を示す説明図である。燃料電池１００の断面図を示した。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described based on examples.
A. Fuel cell configuration:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a fuel cell 100 as one embodiment of the present invention. A cross-sectional view of the fuel cell 100 is shown.

図示するように、本実施例の燃料電池１００は、膜電極接合体１０のアノード側、および、カソード側に、アノード側金属多孔体２０ａ、および、カソード側金属多孔体２０ｃをそれぞれ積層し、この積層体の両面に、それぞれ、導電性、および、吸湿性を有するアノード側吸湿性フィルム２５ａ、および、カソード側吸湿性フィルム２５ｃを配置し、一対の集電部材３０によって挟持することによって構成されている。つまり、本実施例の燃料電池１００では、アノード側金属多孔体２０ａと集電部材３０との間、および、カソード側金属多孔体２０ｃと集電部材３０との間に、アノード側吸湿性フィルム２５ａ、および、カソード側吸湿性フィルム２５ｃがそれぞれ介装されている。   As shown in the figure, the fuel cell 100 of the present example is formed by laminating an anode-side metal porous body 20a and a cathode-side metal porous body 20c on the anode side and the cathode side of the membrane electrode assembly 10, respectively. The anode-side hygroscopic film 25a and the cathode-side hygroscopic film 25c having conductivity and hygroscopicity are arranged on both surfaces of the laminate, respectively, and are sandwiched by a pair of current collecting members 30. Yes. That is, in the fuel cell 100 of the present embodiment, the anode-side hygroscopic film 25a is provided between the anode-side metal porous body 20a and the current collecting member 30 and between the cathode-side metal porous body 20c and the current collecting member 30. , And a cathode-side hygroscopic film 25c, respectively.

膜電極接合体１０は、プロトン伝導性を有する電解質膜１０ｍの一方の面に、アノードとして、アノード側触媒層１０ａと、アノード側ガス拡散層１２ａとを、この順に備えている。また、膜電極接合体１０は、電解質膜１０ｍの他方の面に、カソードとして、カソード側触媒層１０ｃと、カソード側ガス拡散層１２ｃとを、この順に備えている。   The membrane electrode assembly 10 includes an anode side catalyst layer 10a and an anode side gas diffusion layer 12a as an anode in this order on one surface of an electrolyte membrane 10m having proton conductivity. The membrane electrode assembly 10 includes a cathode side catalyst layer 10c and a cathode side gas diffusion layer 12c in this order as cathodes on the other surface of the electrolyte membrane 10m.

この膜電極接合体１０では、電解質膜１０ｍとして、例えば、ナフィオン（登録商標）等の固体高分子膜を用いている。電解質膜１０ｍとして、他の材料からなる電解質膜を用いるようにしてもよい。また、膜電極接合体１０では、アノード側ガス拡散層１２ａ、および、カソード側ガス拡散層１２ｃとして、カーボンクロスを用いるものとした。カーボンクロスの代わりに、カーボンペーパ等、ガス拡散性、および、導電性を有する他の材料を用いるものとしてもよい。   In this membrane electrode assembly 10, a solid polymer film such as Nafion (registered trademark) is used as the electrolyte membrane 10m, for example. As the electrolyte membrane 10m, an electrolyte membrane made of another material may be used. In the membrane electrode assembly 10, carbon cloth is used as the anode-side gas diffusion layer 12a and the cathode-side gas diffusion layer 12c. Instead of carbon cloth, other materials having gas diffusibility and conductivity such as carbon paper may be used.

アノード側金属多孔体２０ａは、膜電極接合体１０のアノードに供給すべき燃料ガス（例えば、水素）が流れる流路を構成し、カソード側金属多孔体２０ｃは、膜電極接合体１０のカソードに供給すべき酸化剤ガス（例えば、酸素を含む空気）が流れる流路を構成している。また、アノード側金属多孔体２０ａ、および、カソード側金属多孔体２０ｃは、発電時に生成された生成水が流れる流路としての機能も有している。アノード側金属多孔体２０ａ、および、カソード側金属多孔体２０ｃは、本発明における流路形成部材に相当する。   The anode-side metal porous body 20a constitutes a flow path through which a fuel gas (for example, hydrogen) to be supplied to the anode of the membrane electrode assembly 10 flows, and the cathode-side metal porous body 20c serves as the cathode of the membrane electrode assembly 10. A flow path is formed through which an oxidant gas to be supplied (for example, air containing oxygen) flows. Moreover, the anode side metal porous body 20a and the cathode side metal porous body 20c also have a function as a flow path through which generated water generated during power generation flows. The anode side metal porous body 20a and the cathode side metal porous body 20c correspond to the flow path forming member in the present invention.

アノード側吸湿性フィルム２５ａ、および、カソード側吸湿性フィルム２５ｃとしては、例えば、吸湿性樹脂に導電性材料を混合したフィルム状の部材を用いることができる。吸湿性樹脂としては、例えば、ナイロン、アクリル樹脂、ＡＢＳ樹脂、ベンジルセルロース、エチルセルロース、メチルセルロース、エチルヒドロキシセルロース、メチルヒドロキシエチルセルロース、フェニルセルロース等が挙げられる。また、導電性材料としては、例えば、カーボンブラック、アセチレンブラック、金属粉末等が挙げられる。アノード側吸湿性フィルム２５ａ、および、カソード側吸湿性フィルム２５ｃは、本発明における吸湿部材に相当する。   As the anode-side hygroscopic film 25a and the cathode-side hygroscopic film 25c, for example, a film-like member obtained by mixing a hygroscopic resin with a conductive material can be used. Examples of the hygroscopic resin include nylon, acrylic resin, ABS resin, benzyl cellulose, ethyl cellulose, methyl cellulose, ethyl hydroxy cellulose, methyl hydroxyethyl cellulose, and phenyl cellulose. Examples of the conductive material include carbon black, acetylene black, and metal powder. The anode side hygroscopic film 25a and the cathode side hygroscopic film 25c correspond to the hygroscopic member in the present invention.

なお、燃料電池１００は、燃料電池システムに備えられる（図示省略）。そして、燃料電池１００の膜電極接合体１０では、発電時に、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって、反応熱が発生する。このため、集電部材３０内には、図示しない冷却水流路が形成されており、この冷却水流路に、図示しない冷却装置（ラジエータ）や循環ポンプ等の冷却システムを用いて、冷却水を流すことによって、燃料電池１００が冷却され、発電に適切な温度が維持される。   The fuel cell 100 is provided in a fuel cell system (not shown). In the membrane electrode assembly 10 of the fuel cell 100, reaction heat is generated by an electrochemical reaction between the fuel gas and the oxidant gas during power generation. For this reason, a cooling water passage (not shown) is formed in the current collecting member 30, and the cooling water is allowed to flow through the cooling water passage using a cooling system (a radiator), a circulation pump, or the like (not shown). As a result, the fuel cell 100 is cooled, and a temperature suitable for power generation is maintained.

Ｂ．燃料電池の製造工程：
図２は、燃料電池１００の製造工程を示す説明図である。まず、膜電極接合体１０を作製する（ステップＳ１００）。この膜電極接合体１０は、例えば、電解質膜１０ｍの両面に、それぞれ、いわゆる触媒インクを塗布して乾燥させることによって、アノード側触媒層１０ａ、および、カソード側触媒層１０ｃを形成し、この両面に、それぞれアノード側ガス拡散層１２ａ、および、カソード側ガス拡散層１２ｃを構成するカーボンクロスを重ねてホットプレス接合することによって作製することができる。なお、触媒インクは、例えば、白金（Ｐｔ）等の水素と酸素との電気化学反応を促進する触媒金属を担持したカーボンと、電解質溶液としてのナフィオン分散溶液と、溶媒（例えば、水、エタノール、ポリエチレングリコール）とを混合したものである。 B. Fuel cell manufacturing process:
FIG. 2 is an explanatory view showing the manufacturing process of the fuel cell 100. First, the membrane electrode assembly 10 is produced (step S100). In this membrane electrode assembly 10, for example, an anode side catalyst layer 10a and a cathode side catalyst layer 10c are formed on both surfaces of the electrolyte membrane 10m by applying and drying a so-called catalyst ink, respectively. In addition, the carbon cloths constituting the anode side gas diffusion layer 12a and the cathode side gas diffusion layer 12c can be stacked and hot-press bonded. The catalyst ink includes, for example, carbon carrying a catalytic metal that promotes an electrochemical reaction between hydrogen such as platinum (Pt) and oxygen, a Nafion dispersion solution as an electrolyte solution, and a solvent (for example, water, ethanol, Polyethylene glycol).

次に、膜電極接合体１０のアノード側、および、カソード側に、それぞれ、アノード側金属多孔体２０ａ、および、カソード側金属多孔体２０ｃを積層する（ステップＳ１１０）。そして、アノード側金属多孔体２０ａと集電部材３０との間、および、カソード側金属多孔体２０ｃと集電部材３０との間に、それぞれ、アノード側吸湿性フィルム２５ａ、および、カソード側吸湿性フィルム２５ｃを介装させて、ステップＳ１１０で作製された積層体を、一対の集電部材３０によって挟持する（ステップＳ１２０）。以上の工程によって、燃料電池１００を製造することができる。   Next, the anode side metal porous body 20a and the cathode side metal porous body 20c are laminated on the anode side and the cathode side of the membrane electrode assembly 10, respectively (step S110). The anode side hygroscopic film 25a and the cathode side hygroscopic property are respectively provided between the anode side metal porous body 20a and the current collecting member 30 and between the cathode side metal porous body 20c and the current collecting member 30. The laminated body produced in step S110 is sandwiched between the pair of current collecting members 30 with the film 25c interposed (step S120). The fuel cell 100 can be manufactured through the above steps.

Ｃ．比較例、および、実施例の効果：
上述した本実施例の燃料電池１００の効果を示すため、以下、比較例の燃料電池１００Ｒの構成、および、比較例の燃料電池１００Ｒと本実施例の燃料電池１００との熱抵抗の差異について説明する。 C. Effects of Comparative Examples and Examples:
In order to show the effects of the fuel cell 100 of the present embodiment described above, the configuration of the fuel cell 100R of the comparative example and the difference in thermal resistance between the fuel cell 100R of the comparative example and the fuel cell 100 of the present embodiment will be described below. To do.

図３は、比較例としての燃料電池１００Ｒの概略構成を示す説明図である。燃料電池１００Ｒの断面図を示した。図示するように、この燃料電池１００Ｒは、先に説明した実施例の燃料電池１００（図１参照）と同様に、膜電極接合体１０のアノード側、および、カソード側に、アノード側金属多孔体２０ａ、および、カソード側金属多孔体２０ｃをそれぞれ積層し、この積層体を集電部材３０によって挟持することによって構成されている。両者の比較から分かるように、比較例の燃料電池１００Ｒは、アノード側吸湿性フィルム２５ａ、および、カソード側吸湿性フィルム２５ｃを備えていない。なお、膜電極接合体１０、アノード側金属多孔体２０ａ、カソード側金属多孔体２０ｃ、集電部材３０は、先に説明した比較例としての燃料電池１００Ｒと同じである。   FIG. 3 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a fuel cell 100R as a comparative example. A cross-sectional view of the fuel cell 100R is shown. As shown in the figure, this fuel cell 100R is similar to the fuel cell 100 (see FIG. 1) of the embodiment described above, on the anode side and the cathode side of the membrane electrode assembly 10, and on the anode side metal porous body. 20a and cathode-side metal porous body 20c are laminated, and the laminated body is sandwiched between current collecting members 30. As can be seen from the comparison between the two, the fuel cell 100R of the comparative example does not include the anode-side hygroscopic film 25a and the cathode-side hygroscopic film 25c. The membrane electrode assembly 10, the anode side metal porous body 20a, the cathode side metal porous body 20c, and the current collecting member 30 are the same as the fuel cell 100R as the comparative example described above.

このような燃料電池１００Ｒでは、膜電極接合体１０で発生した反応熱は、カソード側触媒層１０ｃからカソード側ガス拡散層１２ｃ、カソード側金属多孔体２０ｃ、集電部材３０の順に伝導し、また、アノード側触媒層１０ａからアノード側ガス拡散層１２ａ、アノード側金属多孔体２０ａ、集電部材３０の順に伝導する。そして、この熱伝導率は、上述した各層、部材間の接触熱抵抗と、各層、部材のバルクの熱抵抗とによって決定される。例えば、カソード側触媒層１０ｃから集電部材３０までの熱抵抗は、カソード側触媒層１０ｃとカソード側ガス拡散層１２ｃとの接触熱抵抗と、カソード側ガス拡散層１２ｃのバルクの熱抵抗と、カソード側ガス拡散層１２ｃとカソード側金属多孔体２０ｃとの接触熱抵抗と、カソード側金属多孔体２０ｃのバルクの熱抵抗と、カソード側金属多孔体２０ｃと集電部材３０との接触熱抵抗とからなる。アノード側についても同様である。   In such a fuel cell 100R, the reaction heat generated in the membrane electrode assembly 10 is conducted from the cathode side catalyst layer 10c to the cathode side gas diffusion layer 12c, the cathode side metal porous body 20c, and the current collecting member 30 in this order. The anode side catalyst layer 10a, the anode side gas diffusion layer 12a, the anode side metal porous body 20a, and the current collecting member 30 are conducted in this order. And this thermal conductivity is determined by the contact thermal resistance between each layer and member mentioned above, and the bulk thermal resistance of each layer and member. For example, the thermal resistance from the cathode side catalyst layer 10c to the current collecting member 30 is the contact thermal resistance between the cathode side catalyst layer 10c and the cathode side gas diffusion layer 12c, the bulk thermal resistance of the cathode side gas diffusion layer 12c, Contact thermal resistance between the cathode side gas diffusion layer 12c and the cathode metal porous body 20c, bulk thermal resistance of the cathode side metal porous body 20c, and contact thermal resistance between the cathode side metal porous body 20c and the current collecting member 30 Consists of. The same applies to the anode side.

一方、本実施例の１００では、例えば、カソード側触媒層１０ｃから集電部材３０までの熱抵抗は、カソード側触媒層１０ｃとカソード側ガス拡散層１２ｃとの接触熱抵抗と、カソード側ガス拡散層１２ｃのバルクの熱抵抗と、カソード側ガス拡散層１２ｃとカソード側金属多孔体２０ｃとの接触熱抵抗と、カソード側金属多孔体２０ｃのバルクの熱抵抗と、カソード側金属多孔体２０ｃとカソード側吸湿性フィルム２５ｃとの接触熱抵抗と、カソード側吸湿性フィルム２５ｃのバルクの熱抵抗と、カソード側吸湿性フィルム２５ｃと集電部材３０との接触熱抵抗とからなる。アノード側についても同様である。   On the other hand, in 100 of the present embodiment, for example, the thermal resistance from the cathode side catalyst layer 10c to the current collecting member 30 is the contact thermal resistance between the cathode side catalyst layer 10c and the cathode side gas diffusion layer 12c, and the cathode side gas diffusion. The bulk thermal resistance of the layer 12c, the contact thermal resistance of the cathode side gas diffusion layer 12c and the cathode side metal porous body 20c, the bulk thermal resistance of the cathode side metal porous body 20c, the cathode side metal porous body 20c and the cathode It consists of contact thermal resistance with the side hygroscopic film 25c, bulk thermal resistance of the cathode side hygroscopic film 25c, and contact thermal resistance between the cathode side hygroscopic film 25c and the current collecting member 30. The same applies to the anode side.

図４は、本実施例の効果を示す説明図である。ここでは、比較例の燃料電池１００Ｒにおけるカソード側触媒層１０ｃから集電部材３０までの熱抵抗の内訳と、本実施例の燃料電池１００におけるカソード側触媒層１０ｃから集電部材３０までの熱抵抗の内訳とを示した。縦軸は、１ｃｍ2当たりの熱抵抗を示している。 FIG. 4 is an explanatory diagram showing the effect of this embodiment. Here, the breakdown of the thermal resistance from the cathode side catalyst layer 10c to the current collecting member 30 in the fuel cell 100R of the comparative example, and the thermal resistance from the cathode side catalyst layer 10c to the current collecting member 30 in the fuel cell 100 of the present embodiment. The breakdown of The vertical axis represents the thermal resistance per cm 2 .

図４において、領域Ａは、それぞれ、カソード側触媒層１０ｃとカソード側ガス拡散層１２ｃとの接触熱抵抗を示している。また、領域Ｂは、それぞれ、カソード側ガス拡散層１２ｃのバルクの熱抵抗を示している。また、領域Ｃは、それぞれ、カソード側ガス拡散層１２ｃとカソード側金属多孔体２０ｃとの接触熱抵抗を示している。また、領域Ｄは、それぞれ、カソード側金属多孔体２０ｃのバルクの熱抵抗を示している。また、領域Ｅは、比較例の燃料電池１００Ｒにおけるカソード側金属多孔体２０ｃと集電部材３０との接触熱抵抗を示している。また、領域Ｆは、本実施例の燃料電池１００におけるカソード側金属多孔体２０ｃとカソード側吸湿性フィルム２５ｃとの接触熱抵抗と、カソード側吸湿性フィルム２５ｃのバルクの熱抵抗と、カソード側吸湿性フィルム２５ｃと集電部材３０との接触熱抵抗との和を示している。   In FIG. 4, a region A indicates the contact thermal resistance between the cathode side catalyst layer 10c and the cathode side gas diffusion layer 12c. Region B shows the bulk thermal resistance of the cathode-side gas diffusion layer 12c. Region C shows contact thermal resistance between the cathode side gas diffusion layer 12c and the cathode side metal porous body 20c, respectively. Each region D indicates the bulk thermal resistance of the cathode-side metal porous body 20c. Region E indicates the contact thermal resistance between the cathode-side metal porous body 20c and the current collecting member 30 in the fuel cell 100R of the comparative example. Further, the region F includes the contact thermal resistance between the cathode-side metal porous body 20c and the cathode-side hygroscopic film 25c, the bulk thermal resistance of the cathode-side hygroscopic film 25c, and the cathode-side hygroscopic in the fuel cell 100 of the present embodiment. The sum of the contact thermal resistance between the conductive film 25c and the current collecting member 30 is shown.

比較例の燃料電池１００Ｒと本実施例の燃料電池１００とを比較すると、比較例の燃料電池１００Ｒの領域Ｅ（カソード側金属多孔体２０ｃから集電部材３０までの熱抵抗）に対して、本実施例の燃料電池１００の領域Ｆ（カソード側金属多孔体２０ｃから集電部材３０までの熱抵抗）は、約６５（％）低下した。また、比較例の燃料電池１００Ｒにおけるカソード側触媒層１０ｃから集電部材３０までの熱抵抗に対して、本実施例の燃料電池１００におけるカソード側触媒層１０ｃから集電部材３０までの熱抵抗は、約２５（％）低下した。なお、図示は省略したが、アノード側についても同様の結果が得られた。   When the fuel cell 100R of the comparative example and the fuel cell 100 of the present embodiment are compared, the region E (thermal resistance from the cathode-side metal porous body 20c to the current collecting member 30) of the fuel cell 100R of the comparative example The region F (thermal resistance from the cathode side metal porous body 20c to the current collecting member 30) of the fuel cell 100 of the example was reduced by about 65 (%). In addition, the thermal resistance from the cathode side catalyst layer 10c to the current collecting member 30 in the fuel cell 100R of the comparative example is as follows. About 25%. Although not shown, similar results were obtained on the anode side.

つまり、カソード側金属多孔体２０ｃと集電部材３０との間にカソード側吸湿性フィルム２５ｃを介装することによって、カソード側金属多孔体２０ｃから各集電部材３０までの熱抵抗を低減することができる。同様に、アノード側金属多孔体２０ａと集電部材３０との間にアノード側吸湿性フィルム２５ａを介装することによって、アノード側金属多孔体２０ａから集電部材３０までの熱抵抗を低減することができる。これは、燃料電池１００による発電時に生成された生成水が、アノード側吸湿性フィルム２５ａ、および、カソード側吸湿性フィルム２５ｃに吸収されて熱伝達媒体となり、生成水の熱伝導率の方が反応ガスの熱伝導率よりも１桁高いことによると考えられる。   That is, by interposing the cathode side hygroscopic film 25c between the cathode side metal porous body 20c and the current collecting member 30, the thermal resistance from the cathode side metal porous body 20c to each current collecting member 30 is reduced. Can do. Similarly, by interposing the anode-side hygroscopic film 25a between the anode-side metal porous body 20a and the current collecting member 30, the thermal resistance from the anode-side metal porous body 20a to the current collecting member 30 can be reduced. Can do. This is because the generated water generated during power generation by the fuel cell 100 is absorbed by the anode-side hygroscopic film 25a and the cathode-side hygroscopic film 25c and becomes a heat transfer medium, and the thermal conductivity of the generated water reacts. This is considered to be due to an order of magnitude higher than the thermal conductivity of the gas.

以上説明したように、本実施例の燃料電池１００によれば、アノード、および、カソードから各集電部材３０までの熱抵抗を低減させ、燃料電池の冷却効率を向上させることができる。したがって、本発明の燃料電池１００を備える燃料電池システムにおいて、従来よりも小型の冷却装置を用いても、燃料電池１００を十分に冷却することが可能となり、燃料電池システムの小型化を図ることができる。   As described above, according to the fuel cell 100 of the present embodiment, the thermal resistance from the anode and cathode to each current collecting member 30 can be reduced, and the cooling efficiency of the fuel cell can be improved. Therefore, in the fuel cell system including the fuel cell 100 of the present invention, the fuel cell 100 can be sufficiently cooled even if a cooling device smaller than the conventional one is used, and the fuel cell system can be downsized. it can.

なお、本実施例の燃料電池１００では、アノード側金属多孔体２０ａと集電部材３０との間、および、カソード側金属多孔体２０ｃと集電部材３０との間に、それぞれ、アノード側吸湿性フィルム２５ａ、および、カソード側吸湿性フィルム２５ｃを介装するので、アノード側吸湿性フィルム２５ａ、および、カソード側吸湿性フィルム２５ｃによって、アノード側金属多孔体２０ａ、および、カソード側金属多孔体２０ｃにおける反応ガスの流れが阻害されることはない。また、アノード側金属多孔体２０ａからアノード側ガス拡散層１２ａへの燃料ガスの供給や、カソード側金属多孔体２０ｃからカソード側ガス拡散層１２ｃへの酸化剤ガスの供給が阻害されることもない。   In the fuel cell 100 of the present embodiment, the anode-side hygroscopic property is provided between the anode-side metal porous body 20a and the current collecting member 30, and between the cathode-side metal porous body 20c and the current collecting member 30, respectively. Since the film 25a and the cathode side hygroscopic film 25c are interposed, the anode side metal porous body 20a and the cathode side metal porous body 20c are separated by the anode side hygroscopic film 25a and the cathode side hygroscopic film 25c. The flow of the reaction gas is not hindered. Further, the supply of fuel gas from the anode side metal porous body 20a to the anode side gas diffusion layer 12a and the supply of oxidant gas from the cathode side metal porous body 20c to the cathode side gas diffusion layer 12c are not hindered. .

Ｄ．変形例：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。 D. Variations:
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to such embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the scope of the present invention. For example, the following modifications are possible.

Ｄ１．変形例１：
上記実施例では、吸湿部材として、アノード側吸湿性フィルム２５ａ、および、カソード側吸湿性フィルム２５ｃを用いるものとしたが、本発明は、これに限られない。アノード側吸湿性フィルム２５ａ、および、カソード側吸湿性フィルム２５ｃの代わりに、導電性、および、吸湿性を有するペースト状の部材を用いるようにしてもよい。この場合、図２に示したステップＳ１２０において、アノード側金属多孔体２０ａと集電部材３０との互いに当接する少なくとも一方の表面、および、カソード側金属多孔体２０ｃと集電部材３０との互いに当接する少なくとも一方の表面に、上述したペーストを塗布するようにすればよい。このペーストは、例えば、吸湿性樹脂、導電性材料、架橋剤、溶剤を混合してペースト状にしたものである。 D1. Modification 1:
In the said Example, although the anode side hygroscopic film 25a and the cathode side hygroscopic film 25c were used as a hygroscopic member, this invention is not limited to this. Instead of the anode-side hygroscopic film 25a and the cathode-side hygroscopic film 25c, a paste-like member having conductivity and hygroscopicity may be used. In this case, in step S120 shown in FIG. 2, at least one surface of the anode-side metal porous body 20a and the current collecting member 30 that abut each other, and the cathode side metal porous body 20c and the current collecting member 30 contact each other. What is necessary is just to apply | coat the paste mentioned above to the at least one surface which touches. This paste is, for example, a paste formed by mixing a hygroscopic resin, a conductive material, a crosslinking agent, and a solvent.

なお、上述したペーストは、少なくともアノード側金属多孔体２０ａの集電部材３０と当接する側の表面、および、カソード側金属多孔体２０ｃの集電部材３０と当接する側の表面に塗布することが好ましい。こうすることによって、上記ペーストの一部が、アノード側金属多孔体２０ａ、および、カソード側金属多孔体２０ｃの気孔内に入り込むので、上記ペーストを集電部材側に塗布する場合と比較して、アノード側金属多孔体２０ａ、および、カソード側金属多孔体２０ｃと上記ペーストとの接触面積を広くすることができる。したがって、アノード側金属多孔体２０ａ、および、カソード側金属多孔体２０ｃと吸湿部材（上記ペースト）との接触抵抗や、熱抵抗を低減することができる。   The above-described paste may be applied to at least the surface of the anode-side metal porous body 20a that contacts the current collecting member 30 and the surface of the cathode-side metal porous body 20c that contacts the current collecting member 30. preferable. By doing so, part of the paste enters the pores of the anode-side metal porous body 20a and the cathode-side metal porous body 20c, so compared with the case where the paste is applied to the current collecting member side, The contact area between the anode side metal porous body 20a and the cathode side metal porous body 20c and the paste can be increased. Therefore, it is possible to reduce contact resistance and thermal resistance between the anode-side metal porous body 20a and the cathode-side metal porous body 20c and the hygroscopic member (the paste).

Ｄ２．変形例２：
上記実施例では、アノード側金属多孔体２０ａと集電部材３０との間と、カソード側金属多孔体２０ｃと集電部材３０との間との双方に、アノード側吸湿性フィルム２５ａ、および、カソード側吸湿性フィルム２５ｃをそれぞれ介装するものとしたが、本発明は、これに限られない。アノード側吸湿性フィルム２５ａ、および、カソード側吸湿性フィルム２５ｃの少なくとも一方を省略するようにしてもよい。これは、上述した変形例１における、導電性、および、吸湿性を有するペーストついても同様である。 D2. Modification 2:
In the above embodiment, the anode-side hygroscopic film 25a and the cathode are provided both between the anode-side metal porous body 20a and the current collecting member 30 and between the cathode-side metal porous body 20c and the current collecting member 30. Although the side hygroscopic film 25c is interposed, the present invention is not limited to this. At least one of the anode-side hygroscopic film 25a and the cathode-side hygroscopic film 25c may be omitted. The same applies to the paste having conductivity and hygroscopicity in Modification 1 described above.

Ｄ３．変形例３：
上記実施例では、膜電極接合体１０において、アノード、および、カソードに、アノード側ガス拡散層１２ａ、および、カソード側ガス拡散層１２ｃをそれぞれ備えるものとしたが、これらのうちの少なくとも一方を省略してもよい。 D3. Modification 3:
In the above embodiment, in the membrane electrode assembly 10, the anode and the cathode are respectively provided with the anode side gas diffusion layer 12a and the cathode side gas diffusion layer 12c, but at least one of these is omitted. May be.

Ｄ４．変形例４：
上記実施例では、本発明を単電池に適用した場合について説明したが、複数の膜電極接合体１０を、セパレータを介在させて積層した燃料電池スタックに適用するようにしてもよい。 D4. Modification 4:
In the above embodiment, the case where the present invention is applied to a single cell has been described. However, a plurality of membrane electrode assemblies 10 may be applied to a fuel cell stack in which separators are interposed.

本発明の一実施例としての燃料電池１００の概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of the fuel cell 100 as one Example of this invention. 燃料電池１００の製造工程を示す説明図である。5 is an explanatory view showing a manufacturing process of the fuel cell 100. FIG. 比較例としての燃料電池１００Ｒの概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of the fuel cell 100R as a comparative example. 本実施例の効果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the effect of a present Example.

符号の説明Explanation of symbols

１００，１００Ｒ…燃料電池
１０…膜電極接合体
１０ｍ…電解質膜
１０ａ…アノード側触媒層
１０ｃ…カソード側触媒層
１２ａ…アノード側ガス拡散層
１２ｃ…カソード側ガス拡散層
２０ａ…アノード側金属多孔体
２０ｃ…カソード側金属多孔体
２５ａ…アノード側吸湿性フィルム
２５ｃ…カソード側吸湿性フィルム
３０…集電部材 DESCRIPTION OF SYMBOLS 100,100R ... Fuel cell 10 ... Membrane electrode assembly 10m ... Electrolyte membrane 10a ... Anode side catalyst layer 10c ... Cathode side catalyst layer 12a ... Anode side gas diffusion layer 12c ... Cathode side gas diffusion layer 20a ... Anode side metal porous body 20c ... Cathode side metal porous body 25a ... Anode side hygroscopic film 25c ... Cathode side hygroscopic film 30 ... Current collecting member

Claims (3)

燃料電池であって、
電解質膜の両面に、それぞれ、アノード、および、カソードを接合してなる膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の両面にそれぞれ積層され、導電性を有する多孔質部材からなり、前記膜電極接合体における発電に供する反応ガスを、前記アノード、および、前記カソードにそれぞれ供給するための流路形成部材と、
前記膜電極接合体、および、前記流路形成部材を挟持し、前記膜電極接合体によって発電された電力を集電する集電部材と、を備え、
前記アノード側に積層された前記流路形成部材と前記集電部材との間、および、前記カソード側に積層された前記流路形成部材と前記集電部材との間の少なくとも一方に、導電性、および、吸湿性を有する吸湿部材が介装されている、
燃料電池。 A fuel cell,
A membrane electrode assembly formed by bonding an anode and a cathode to both surfaces of the electrolyte membrane, and
Flow paths for respectively supplying the reaction gas used for power generation in the membrane electrode assembly to the anode and the cathode, which are laminated on both surfaces of the membrane electrode assembly, respectively, and are made of a conductive porous member. A forming member;
The membrane electrode assembly, and a current collecting member that sandwiches the flow path forming member and collects the electric power generated by the membrane electrode assembly, and
Conductive between at least one of the flow path forming member and the current collecting member stacked on the anode side and between the flow path forming member and the current collecting member stacked on the cathode side And a hygroscopic member having hygroscopicity is interposed,
Fuel cell. 請求項１記載の燃料電池であって、
前記吸湿部材は、フィルム状、または、ペースト状の部材からなる、燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein
The moisture absorbing member is a fuel cell made of a film-like or paste-like member. 請求項１記載の燃料電池であって、
前記吸湿部材は、前記流路形成部材と前記集電部材との互いに当接する少なくとも一方の表面に、前記吸湿部材を構成するペーストを塗布することによって形成されている、燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein
The hygroscopic member is formed by applying a paste constituting the hygroscopic member on at least one surface of the flow path forming member and the current collecting member that are in contact with each other.
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