JP2011018605A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell.
燃料電池は、通常、電解質膜の両面に電極が配置された発電体である膜電極接合体を備えている(下記特許文献1等)。電解質膜としては湿潤状態で良好なイオン伝導性を示す膜が用いられる。そのため、燃料電池の運転の際には、燃料電池内部は適度な湿潤状態に保たれることが好ましい。
A fuel cell normally includes a membrane electrode assembly which is a power generator in which electrodes are arranged on both surfaces of an electrolyte membrane (
しかし、膜電極接合体では、反応ガス(燃料ガスおよび酸化剤ガス)の流れに従って水分が移動するため、反応ガスの上流側ほど電解質膜が乾燥しやすい傾向にある。燃料電池に供給される反応ガスの加湿量が低いほど、水分の蒸発が促進されるため、その傾向が特に強くなる。電解質膜の乾燥が著しい場合には、イオン伝導性の低下により発電不能に陥る、いわゆるドライアップが発生し、燃料電池の発電性能の低下が引き起こされる可能性がある。 However, in the membrane electrode assembly, the moisture moves according to the flow of the reaction gas (fuel gas and oxidant gas), and therefore the electrolyte membrane tends to dry more toward the upstream side of the reaction gas. This tendency is particularly strong as the moisture content of the reaction gas supplied to the fuel cell is lower, since moisture evaporation is promoted. When the electrolyte membrane is extremely dried, so-called dry-up occurs, in which power generation becomes impossible due to a decrease in ion conductivity, which may cause a decrease in power generation performance of the fuel cell.
本発明は、燃料電池の発電性能の低下を抑制する技術を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the technique which suppresses the fall of the electric power generation performance 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なされたものであり、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。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
[適用例1]
燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池であって、電解質膜がアノード電極およびカソード電極によって狭持された膜電極接合体と、前記カソード電極の電極面に沿って設けられた酸化剤ガスのためのガス流路とを備え、前記カソード電極は、発電反応を促進するための触媒が担持された触媒担持カーボンと、高分子電解質とを含むとともに、前記ガス流路の上流側に設けられた第1のカソード領域と、前記ガス流路の下流側に設けられた第2のカソード領域とを有し、前記第1のカソード領域は前記触媒担持カーボンに対する前記高分子電解質の量が前記第2のカソード領域より少ない、燃料電池。
この燃料電池によれば、高分子電解質の含有量が少なく、排水性が比較的低い第1のカソード領域がガス流路の上流側に設けられているため、カソード電極の上流側における保水性が向上する。従って、カソード電極の上流側が乾燥することによる燃料電池の発電性能の低下を抑制できる。
[Application Example 1]
A fuel cell that generates electric power by being supplied with a fuel gas and an oxidant gas, wherein an electrolyte membrane is provided between an anode electrode and a cathode electrode, and a membrane electrode assembly is provided along the electrode surface of the cathode electrode A gas flow path for an oxidant gas, wherein the cathode electrode includes a catalyst-carrying carbon on which a catalyst for promoting a power generation reaction is supported, a polymer electrolyte, and an upstream side of the gas flow path A first cathode region provided on the downstream side of the gas flow path and a second cathode region provided downstream of the gas flow path, wherein the first cathode region is an amount of the polymer electrolyte relative to the catalyst-supporting carbon. A fuel cell having less than said second cathode region.
According to this fuel cell, since the first cathode region having a low content of polymer electrolyte and relatively low drainage is provided on the upstream side of the gas flow path, the water retention on the upstream side of the cathode electrode is ensured. improves. Therefore, it is possible to suppress a decrease in power generation performance of the fuel cell due to drying of the upstream side of the cathode electrode.
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、その燃料電池を備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。 The present invention can be realized in various forms, for example, in the form of a fuel cell, a fuel cell system including the fuel cell, a vehicle equipped with the fuel cell system, and the like. .
A.実施例:
図1は本発明の一実施例としての燃料電池の構成を示す概略図である。この燃料電池100は、反応ガスとして水素と空気の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。燃料電池100は、膜電極接合体10と、2つのガス拡散部材41,42と、アノードセパレータ50と、カソードセパレータ60とを備える。なお、燃料電池100は、複数の膜電極接合体10がセパレータを介して積層される燃料電池スタックとして構成されるものとしても良い。
A. Example:
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a fuel cell as an embodiment of the present invention. The
膜電極接合体10は、電解質膜1がアノード電極2およびカソード電極3によって狭持された発電体である。電解質膜1は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜である。アノード電極2およびカソード電極3は、触媒インクを電解質膜1の外表面に塗布・乾燥させることによって形成されたガス透過性を有する電極である。ここで、「触媒インク」とは、発電反応を促進するための触媒(例えば白金(Pt)など)が担持された触媒担持カーボンと高分子電解質溶液とを混合した混合溶液を意味する。なお、本実施例の燃料電池100では、カソード電極3に第1と第2のカソード領域3a,3bが設けられているが、詳細は後述する。
The
2つのガス拡散部材41,42はそれぞれ、ガス透過性および導電性を有する多孔質部材であり、アノード電極2またはカソード電極3の全体に反応ガスを行き渡らせるためのガス流路として機能する。第1のガス拡散部材41はアノード電極2の外側に配置され、第2のガス拡散部材42はカソード電極3の外側に配置される。2つのガス拡散部材41,42は、カーボンペーパーや、カーボンクロス、いわゆるエキスパンドメタル、パンチングメタルなどによって構成することができる。
Each of the two
アノードセパレータ50およびカソードセパレータ60は、導電性を有するガス不透過の板状部材である。アノードセパレータ50およびカソードセパレータ60はそれぞれ、第1と第2のガス拡散部材41,42の外側から膜電極接合体10を狭持する。アノードセパレータ50およびカソードセパレータ60の内側(膜電極接合体10の側)の面にはそれぞれ、反応ガスのための流路溝51,61が設けられている。
The
アノードセパレータ50の流路溝51は、図1の紙面垂直方向に沿って交互にジグザグに折り返す、いわゆるサーペンタイン形状の流路溝であり、発電領域の全体に渡って形成されている。反応ガスである水素は、流路溝51の端部52(図1の紙面上側)から供給され、流路溝51に沿って図1の紙面下側へと流れつつ、ガス拡散部材41を介してアノード電極2に至り、発電反応に供される。反応に供されることのなかった水素を含むアノード排ガスは、ガス拡散部材41を介して流路溝51へと流れ、流路溝51の端部53(図1の紙面下側)から燃料電池100の外部へと排出される。
The
カソードセパレータ60の流路溝61は、アノードセパレータ50の流路溝51と、膜電極接合体10を挟んで対称に形成されたサーペンタイン形状の流路溝である。反応ガスである空気は、流路溝61の端部62(図1紙面下側)から供給され、流路溝61に沿って図1の紙面上側へと流れつつ、ガス拡散部材41を介してカソード電極3に至り、発電反応に供される。反応に供されることのなかった酸素および発電反応によって生成された水分を含むカソード排ガスは、ガス拡散部材41を介して流路溝61へと流れ、流路溝61の端部63(図1の紙面上側)から燃料電池100の外部へと排出される。
The
即ち、この燃料電池100では、2つの電極2,3と、ガス拡散部材41,42と、各セパレータ40,60の流路溝51,52とによって、電極面に沿った反応ガスのための流路が形成されており、水素の流れ方向と酸素の流れ方向とが互いに対向し合っている。なお、各セパレータの流路溝51,52の形状はサーペンタイン形状でなくとも良く、例えば、図1の紙面上下方向に複数の流路溝が併走する直線形状の流路溝であっても良い。また、各セパレータの流路溝51,52とガス拡散部材41,42とのうち、いずれか一方が省略されるものとしても良い。
That is, in this
ところで、一般に、燃料電池では、カソード電極面における反応ガスの上流側ほど電解質膜が乾燥しやすい傾向にある。特に、燃料電池に無加湿の反応ガスが供給される場合など、供給される反応ガスの湿潤度が低いほど、上流側における水分の蒸発が促進されるため、この傾向が強くなる。電解質膜の乾燥が著しい場合には、プロトン伝導性の低下により、燃料電池が発電停止に陥ってしまう場合がある。従って、カソード電極面における反応ガスの上流側においては、水分の蒸発を抑制し、排水性が低下されていることが好ましい。 By the way, in general, in the fuel cell, the electrolyte membrane tends to be dried more toward the upstream side of the reaction gas on the cathode electrode surface. In particular, when the non-humidified reaction gas is supplied to the fuel cell, the lower the wetness of the supplied reaction gas is, the more moisture is promoted on the upstream side, and this tendency becomes stronger. When the electrolyte membrane is significantly dried, the fuel cell may stop generating power due to a decrease in proton conductivity. Therefore, on the upstream side of the reaction gas on the cathode electrode surface, it is preferable that the evaporation of moisture is suppressed and the drainage is reduced.
前述したように、カソード電極3は、触媒担持カーボンと、高分子電解質とを含む。ここで、本明細書では、触媒担持カーボンの質量に対する高分子電解質の質量の比を「アイオノマー比」と呼ぶ。本発明の発明者は、このアイオノマー比とカソード電極の排水性との間には、次のような関係があることを見出した。 As described above, the cathode electrode 3 includes catalyst-supporting carbon and a polymer electrolyte. Here, in this specification, the ratio of the mass of the polymer electrolyte to the mass of the catalyst-supporting carbon is referred to as “ionomer ratio”. The inventor of the present invention has found that the following relationship exists between the ionomer ratio and the drainage of the cathode electrode.
図2は、カソード電極における排水量とカソード電極のアイオノマー比との関係を示すグラフである。本発明の発明者は、アイオノマー比がそれぞれK1,K2,K3である触媒インクを用いて、アイオノマー比が異なるカソード電極を有する3種類の燃料電池を構成し、各燃料電池において同条件での発電を行い、カソード排ガスに含まれる水分量(排水量)を測定した。なお、この測定に用いられた各燃料電池は、カソード電極以外の構成が、本実施例の燃料電池100とほぼ同じである。
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the amount of drainage at the cathode electrode and the ionomer ratio of the cathode electrode. The inventor of the present invention constructed three types of fuel cells having cathode electrodes with different ionomer ratios using catalyst inks having ionomer ratios of K 1 , K 2 , and K 3 , respectively. The amount of water contained in the cathode exhaust gas (drainage amount) was measured. In addition, each fuel cell used for this measurement has substantially the same configuration as the
測定にあたり、各燃料電池には、カソード側にストイキ比4.5の量の室温の空気を背圧100kPaGで供給し、アノード側にストイキ比3.5の量の室温の水素を背圧100kPaGで供給した。また、各燃料電池には、0.1Aの一定電流で発電させた。このグラフGから、カソード電極のアイオノマー比が小さい燃料電池ほど排水量が少なく、発電によって生成された水分が燃料電池内に保持されていることがわかる。即ち、アイオノマー比が小さいカソード電極ほど、生成水分の蒸発が抑制され、その排水性が低下している。 In measurement, each fuel cell is supplied with room-temperature air having a stoichiometric ratio of 4.5 to the cathode side at a back pressure of 100 kPaG, and room temperature hydrogen having a stoichiometric ratio of 3.5 to the anode side at a back pressure of 100 kPaG. Supplied. Each fuel cell was generated at a constant current of 0.1A. From this graph G, it can be seen that a fuel cell with a smaller ionomer ratio of the cathode electrode has a smaller amount of drainage, and water generated by power generation is retained in the fuel cell. That is, the smaller the ionomer ratio, the more the generated water is prevented from evaporating and the drainage is reduced.
ここで、本実施例の燃料電池100(図1)では、カソード電極3に第1と第2のカソード領域3a,3bが設けられている。第1のカソード領域3aは、カソード電極3の上流側(図1の紙面下側)に設けられた領域であり、第2のカソード領域3bは、カソード電極3の下流側(図1の紙面上側)に設けられた領域である。第1と第2のカソード領域3a,3bはそれぞれ、アイオノマー比の異なる触媒インクを用いることにより形成されており、第1のカソード領域3aは、第2のカソード領域3bよりアイオノマー比の小さい領域として形成されている。即ち、この燃料電池100では、カソード電極3の上流側に、高分子電解質の含有量が比較的少なく、排水性が比較的低い第1のカソード領域3aが形成されている。この第1のカソード領域3aによって、カソード電極3の上流側における保水性が向上し、電解質膜1の乾燥が抑制され、運転中の燃料電池100における発電性能の低下が抑制される。
Here, in the fuel cell 100 (FIG. 1) of the present embodiment, the cathode electrode 3 is provided with first and
ところで、一般に、燃料電池では、各電極に含まれる触媒量を低減すると、触媒あたりの発電反応による発熱量が増大するため、カソード電極がより乾燥しやすくなることが知られている。カソード電極が乾燥すると、カソード電極に含まれる高分子電解質のガス透過性が低下し、反応ガスの配流性が低下するため、燃料電池の発電性能が低下してしまう。しかし、本実施例の燃料電池100によれば、第1のカソード領域3aによって、カソード電極3の保水性が向上しているため、カソード電極3に含まれる触媒量を低減した場合であっても、カソード電極3の上流側における乾燥を抑制することができる。従って、燃料電池100の発電性能の低下を抑制しつつ、触媒使用量の削減による製造コストの低減が可能である。
By the way, in general, in a fuel cell, it is known that when the amount of catalyst contained in each electrode is reduced, the amount of heat generated by the power generation reaction per catalyst increases, so that the cathode electrode becomes easier to dry. When the cathode electrode is dried, the gas permeability of the polymer electrolyte contained in the cathode electrode is lowered and the flowability of the reaction gas is lowered, so that the power generation performance of the fuel cell is lowered. However, according to the
ここで、第1と第2のカソード領域3a,3bのそれぞれのアイオノマー比は、以下に説明する方法により設定することが好ましい。アイオノマー比が発電領域に渡って均一となるようにカソード電極を構成した場合に、燃料電池の発電性能が最も向上する好適なアイオノマー比Kstdを実験により求める。そして、第1のカソード領域3aのアイオノマー比Kaをアイオノマー比Kstdより小さく設定し、第2のカソード領域3bのアイオノマー比Kbを アイオノマー比Kstdより大きく設定する(Ka<Kstd<Kb)。これによって、燃料電池100の発電性能を、より向上させることができる。
Here, the ionomer ratio of each of the first and
なお、カソード電極3は、第1と第2のカソード領域3a,3b以外に、アイオノマー比の異なる複数の領域をさらに有しているものとしても良い。また、第1と第2のカソード領域3a,3bのように、アイオノマー比の異なる領域が明確に区分けされていなくとも良い。例えば、カソード電極3は、反応ガスの上流側ほどアイオノマー比が小さくなるように構成されているものとしても良い。
The cathode electrode 3 may further include a plurality of regions having different ionomer ratios in addition to the first and
このように、本実施例の燃料電池100によれば、アイオノマー比が比較的小さい第1のカソード領域3aによってカソード電極3の上流側の排水性を低下させることにより、燃料電池100の発電性能の低下を抑制できる。なお、本実施例の燃料電池100は、反応ガスを無加湿で供給する燃料電池システムに用いた場合に、特に、その発電性能の低下が抑制される。
As described above, according to the
1…電解質膜
2…アノード電極
3…カソード電極
3a…第1のカソード領域
3b…第2のカソード領域
10…膜電極接合体
41…第1のガス拡散部材
42…第2のガス拡散部材
50…アノードセパレータ
51…流路溝
52…端部
53…端部
60…カソードセパレータ
61…流路溝
62…端部
63…端部
100…燃料電池
DESCRIPTION OF
Claims (1)
電解質膜がアノード電極およびカソード電極によって狭持された膜電極接合体と、
前記カソード電極の電極面に沿って設けられた酸化剤ガスのためのガス流路と、
を備え、
前記カソード電極は、発電反応を促進するための触媒が担持された触媒担持カーボンと、高分子電解質とを含むとともに、前記ガス流路の上流側に設けられた第1のカソード領域と、前記ガス流路の下流側に設けられた第2のカソード領域とを有し、
前記第1のカソード領域は前記触媒担持カーボンに対する前記高分子電解質の量が前記第2のカソード領域より少ない、燃料電池。 A fuel cell that generates power by receiving supply of fuel gas and oxidant gas,
A membrane electrode assembly in which an electrolyte membrane is sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode;
A gas flow path for an oxidant gas provided along the electrode surface of the cathode electrode;
With
The cathode electrode includes a catalyst-supporting carbon on which a catalyst for promoting a power generation reaction is supported, a polymer electrolyte, a first cathode region provided on the upstream side of the gas flow path, and the gas A second cathode region provided on the downstream side of the flow path,
The first cathode region is a fuel cell, wherein the amount of the polymer electrolyte with respect to the catalyst-supporting carbon is less than that of the second cathode region.
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JP2017041403A (en) * | 2015-08-21 | 2017-02-23 | トヨタ車体株式会社 | Gas passage formation plate for fuel battery and fuel battery stack |
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2009
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