JP2012243442A - Membrane-electrode assembly, solid polymer fuel cell, and fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、膜−電極接合体、固体高分子形燃料電池、及び燃料電池システムに関し、特に、膜−電極接合体の構造に関する。 The present invention relates to a membrane-electrode assembly, a polymer electrolyte fuel cell, and a fuel cell system, and more particularly to a structure of a membrane-electrode assembly.
燃料電池は、一般的には単セルを積層させて構成されているスタックを本体としている。セルは、MEAを一対の平板状のセパレータ、具体的にはアノードセパレータ及びカソードセパレータで挟んで構成されている。MEAは、高分子電解質膜とその両面に積層して構成された一対の電極とを有して構成されており、MEAの両主面には電極面が形成されている。また、セパレータは、導電性カーボンを含む樹脂、金属等の導電材料で構成され、MEAの電極面に当接して電気回路の一部を担っている。 In general, a fuel cell has a main body of a stack formed by stacking single cells. The cell is configured by sandwiching the MEA between a pair of flat separators, specifically, an anode separator and a cathode separator. The MEA includes a polymer electrolyte membrane and a pair of electrodes that are stacked on both sides of the polymer electrolyte membrane, and electrode surfaces are formed on both main surfaces of the MEA. In addition, the separator is made of a conductive material such as resin or metal containing conductive carbon, and is in contact with the electrode surface of the MEA and serves as a part of the electric circuit.
ここで、セルにおける電気化学反応は発熱反応であるので、燃料電池運転動作中にセル内面が触媒活性温度になるようにセルを冷却する必要があり、燃料電池運転動作時には適切な温度管理を要する。すなわち、セルの冷却が不充分な場合、MEAの温度が上昇して高分子電解質膜から水分が蒸発する。その結果、高分子電解質膜の劣化が促進されてセルスタックの耐久性が低下したり、高分子電解質膜の電気抵抗が増大してセルの電気出力が低下したりすることが知られている。 Here, since the electrochemical reaction in the cell is an exothermic reaction, it is necessary to cool the cell so that the inner surface of the cell reaches the catalyst activation temperature during the operation of the fuel cell, and appropriate temperature management is required during the operation of the fuel cell. . That is, when the cooling of the cell is insufficient, the temperature of the MEA rises and water is evaporated from the polymer electrolyte membrane. As a result, it is known that the deterioration of the polymer electrolyte membrane is promoted and the durability of the cell stack is lowered, or the electric resistance of the polymer electrolyte membrane is increased and the electric output of the cell is lowered.
一方、セルスタックを必要以上に冷却した場合、ガス流路を流れる反応ガス中の水分が結露し、反応ガス中に含まれる液体状態の水の量が増加する。液体状態の水は、セパレータ板のガス流路に表面張力によって液滴として付着する。この液滴の量が甚だしい場合は、ガス流路内に付着した水が、ガス流路を塞いでガスの流れを阻害し、フラッディングを起こすおそれがある。フラッディングが生じると、電極の反応面積が減少し、電気出力が不安定化する等、燃料電池の性能を低下させることが知られている。 On the other hand, when the cell stack is cooled more than necessary, moisture in the reaction gas flowing through the gas flow path is condensed, and the amount of liquid water contained in the reaction gas increases. Liquid water adheres as droplets to the gas flow path of the separator plate due to surface tension. When the amount of the droplets is excessive, water adhering to the gas flow path may block the gas flow path to obstruct the gas flow and cause flooding. It is known that when flooding occurs, the reaction area of the electrode decreases and the electric output becomes unstable, and the performance of the fuel cell is lowered.
また、特に、カソード側での電極内では、反応によって生成水が生じるために、電極内での水の排水性が重要である。ガス流路内のフラッディングと同様に、カソード側の電極内が、生成した水で閉塞してしまうと電気出力の不安定化を引き起こすおそれがある。 In particular, in the electrode on the cathode side, generated water is generated by the reaction, so the drainage of water in the electrode is important. Similar to the flooding in the gas flow path, if the cathode side electrode is clogged with the generated water, the electric output may become unstable.
ところで、このような燃料電池において、電解質膜を凹凸面にすることで、電解質膜と電極との接触面積を大きくする膜電極接合体が知られている(例えば、特許文献1及び特許文献2参照)。
By the way, in such a fuel cell, a membrane electrode assembly is known in which the contact area between the electrolyte membrane and the electrode is increased by making the electrolyte membrane uneven (see, for example,
しかしながら、上記特許文献1及び特許文献2に開示されている膜電極接合体であっても、燃料電池の出力性能をより向上させるためには、未だ改善の余地があることを本発明者らは見出した。
However, the present inventors have found that there is still room for improvement in order to further improve the output performance of the fuel cell even in the membrane electrode assembly disclosed in
すなわち、電解質膜を凹凸面にすると、電解質膜の凹状部分は、凸状部分で囲まれた領域であるため、反応ガスの供給量が比較的少なくなる。また、カソード側では、電解質膜の凹状部分近傍の電極で反応した際に生成水が、電解質膜の凸状部分により、GDLやセパレータ側へ排出しにくい状況を招く可能性がある。 That is, when the electrolyte membrane is made uneven, since the concave portion of the electrolyte membrane is a region surrounded by the convex portion, the amount of reaction gas supplied is relatively small. In addition, on the cathode side, when the reaction occurs at the electrode near the concave portion of the electrolyte membrane, there is a possibility that the generated water is difficult to be discharged to the GDL or the separator side due to the convex portion of the electrolyte membrane.
そして、本発明者らは、電極(特に、カソード)における電解質膜の凹状部分近傍の生成水をいかにして外部に排出するか、また、電極における電解質膜の凹状部分近傍にいかにして反応ガスを供給するかが、凸凹状に形成されている固体高分子電解質膜を用いた際の電池性能向上に大きく影響することを見出した。 Then, the inventors of the present invention describe how the generated water in the vicinity of the concave portion of the electrolyte membrane in the electrode (particularly the cathode) is discharged to the outside, and how the reaction gas is in the vicinity of the concave portion of the electrolyte membrane in the electrode. It has been found that whether or not to supply the battery greatly affects the improvement of the battery performance when the solid polymer electrolyte membrane formed in an uneven shape is used.
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、凸凹状に形成されている固体高分子電解質膜を用いた際に、電極(触媒層)における固体高分子電解質膜の凹状部分近傍での生成水の排出性を高め、ガス拡散性を確保することができる、膜−電極接合体、固体高分子形燃料電池、及び燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems. When a solid polymer electrolyte membrane formed in an uneven shape is used, the concave shape of the solid polymer electrolyte membrane in an electrode (catalyst layer) is provided. An object of the present invention is to provide a membrane-electrode assembly, a polymer electrolyte fuel cell, and a fuel cell system capable of enhancing the discharge of produced water in the vicinity of the portion and ensuring gas diffusibility.
上記課題を解決するために、本発明に係る膜−電極接合体は、少なくとも一方の主面が凸凹状に形成されている固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の主面と接触するように配置されている触媒層と、ガス拡散層と、を有する電極と、を備え、前記固体高分子電解質膜の凸凹状に形成されている主面と接触する前記触媒層は、前記固体高分子電解質膜の厚み方向から見て、前記固体高分子電解質膜の凹状に形成されている部分と重なる部分が、第1触媒層と第2触媒層で形成されていて、前記第1触媒層は、前記固体高分子電解質膜の前記主面と接触し、前記第2触媒層は、前記ガス拡散層の主面と接触するように配置され、前記第1触媒層は、前記第2触媒層よりもアイオノマー/カーボンの質量比(I/C)が低く、及び/又はイオン交換基当量重量(EW)が高くなるように構成されている。 In order to solve the above problems, a membrane-electrode assembly according to the present invention comprises a solid polymer electrolyte membrane in which at least one main surface is formed in an uneven shape, and a contact with the main surface of the solid polymer electrolyte membrane. An electrode having a catalyst layer and a gas diffusion layer, and the catalyst layer in contact with the main surface formed in an uneven shape of the solid polymer electrolyte membrane is the solid When viewed from the thickness direction of the polymer electrolyte membrane, a portion that overlaps the concave portion of the solid polymer electrolyte membrane is formed by the first catalyst layer and the second catalyst layer, and the first catalyst layer Is in contact with the main surface of the solid polymer electrolyte membrane, the second catalyst layer is disposed in contact with the main surface of the gas diffusion layer, and the first catalyst layer is the second catalyst layer Lower ionomer / carbon mass ratio (I / C) and / or Ion-exchange group equivalent weight (EW) is configured to increases.
これにより、電極(触媒層)における固体高分子電解質膜の凹状部分近傍での生成水の排出性を高め、ガス拡散性を確保することができる。なお、アイオノマー/カーボンの質量比(I/C)におけるアイオノマーとしては、フッ素系高分子樹脂からなるものが好ましい。 Thereby, the discharge | emission property of the produced water in the recessed part vicinity of the solid polymer electrolyte membrane in an electrode (catalyst layer) can be improved, and gas diffusibility can be ensured. In addition, as an ionomer in ionomer / carbon mass ratio (I / C), what consists of a fluoropolymer resin is preferable.
また、本発明に係る膜−電極接合体では、前記第1触媒層は、その厚みが前記固体高分子電解質膜の凹状に形成されている部分の高さよりも小さくなるように形成されていてもよい。 In the membrane-electrode assembly according to the present invention, the thickness of the first catalyst layer may be smaller than the height of the concave portion of the solid polymer electrolyte membrane. Good.
また、本発明に係る膜−電極接合体では、前記第1触媒層の厚みは、前記固体高分子電解質膜の凹状に形成されている部分の高さの1/3以上であってもよい。 In the membrane-electrode assembly according to the present invention, the thickness of the first catalyst layer may be 1/3 or more of the height of the concave portion of the solid polymer electrolyte membrane.
また、本発明に係る膜−電極接合体では、前記第1触媒層の厚みは、前記固体高分子電解質膜の凹状に形成されている部分の高さの1/2以上であってもよい。 In the membrane-electrode assembly according to the present invention, the thickness of the first catalyst layer may be 1/2 or more of the height of the concave portion of the solid polymer electrolyte membrane.
また、本発明に係る膜−電極接合体では、前記第1触媒層のI/Cが、0.5〜1.0であり、前記第2触媒層のI/Cが、1.0〜2.0であってもよい。 In the membrane-electrode assembly according to the present invention, the I / C of the first catalyst layer is 0.5 to 1.0, and the I / C of the second catalyst layer is 1.0 to 2. 0.0.
また、本発明に係る膜−電極接合体では、前記第1触媒層のEWが、900〜1500であり、前記第2触媒層のEWが、500〜900であってもよい。 In the membrane-electrode assembly according to the present invention, the EW of the first catalyst layer may be 900 to 1500, and the EW of the second catalyst layer may be 500 to 900.
さらに、本発明に係る膜−電極接合体では、前記固体高分子電解質膜の凹状に形成されている部分の高さが、3〜20μmであってもよい。 Furthermore, in the membrane-electrode assembly according to the present invention, the height of the concave portion of the solid polymer electrolyte membrane may be 3 to 20 μm.
また、本発明に係る固体高分子形燃料電池は、前記膜−電極接合体と、板状で、前記膜−電極接合体を挟持するように配設された一対の導電性のセパレータと、を備える。 Further, the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention comprises the membrane-electrode assembly, and a pair of conductive separators arranged in a plate shape so as to sandwich the membrane-electrode assembly. Prepare.
これにより、電極(触媒層)における固体高分子電解質膜の凹状部分近傍での生成水の排出性を高め、ガス拡散性を確保することができ、電池性能を向上させることができる。 Thereby, the discharge | emission property of the produced water in the recessed part vicinity of the solid polymer electrolyte membrane in an electrode (catalyst layer) can be improved, gas diffusibility can be ensured, and battery performance can be improved.
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記固体高分子形燃料電池と、前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給器と、前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、前記固体高分子形燃料電池に熱媒体を供給する熱媒体供給器と、制御器と、を備え、前記制御器は、前記燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの露点が、前記燃料電池に供給される熱媒体の温度より低い条件で、発電運転を行うように、前記燃料ガス供給器、前記酸化剤ガス供給器、及び前記熱媒体供給器を制御する。 In addition, the fuel cell system according to the present invention includes the solid polymer fuel cell, a fuel gas supplier that supplies fuel gas to the anode, an oxidant gas supplier that supplies oxidant gas to the cathode, A heating medium supplier for supplying a heating medium to the polymer electrolyte fuel cell; and a controller, wherein the controller has a dew point of the fuel gas and the oxidant gas supplied to the fuel cell. The fuel gas supply device, the oxidant gas supply device, and the heat medium supply device are controlled so that the power generation operation is performed under a condition lower than the temperature of the heat medium supplied to the battery.
これにより、燃料電池を低加湿条件で運転する場合に、電極(触媒層)における固体高分子電解質膜の凹状部分近傍での生成水の排出性を高め、ガス拡散性を確保することができ、電池性能を向上させることができる。 As a result, when the fuel cell is operated under low humidification conditions, it is possible to enhance the discharge of generated water in the vicinity of the concave portion of the solid polymer electrolyte membrane in the electrode (catalyst layer), and to ensure gas diffusibility, Battery performance can be improved.
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施形態の詳細な説明から明らかにされる。 The above object, other objects, features, and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description of the preferred embodiments with reference to the accompanying drawings.
本発明の膜−電極接合体、固体高分子形燃料電池、及び燃料電池システムによれば、電極(触媒層)における固体高分子電解質膜の凹状部分近傍での生成水の排出性を高め、ガス拡散性を確保することが可能となる。 According to the membrane-electrode assembly, the polymer electrolyte fuel cell, and the fuel cell system of the present invention, the discharge of generated water in the vicinity of the concave portion of the polymer electrolyte membrane in the electrode (catalyst layer) is enhanced, It becomes possible to ensure diffusibility.
以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している。さらに、本発明は以下の実施の形態に限定されない。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. Further, in all the drawings, only components necessary for explaining the present invention are extracted and illustrated, and other components are not illustrated. Furthermore, the present invention is not limited to the following embodiment.
(実施の形態1)
本発明の実施の形態1は、少なくとも一方の主面が凸凹状に形成されている固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜の主面と接触するように配置されている触媒層と、ガス拡散層と、を有する電極と、を備え、固体高分子電解質膜の凸凹状に形成されている主面と接触する触媒層は、固体高分子電解質膜の厚み方向から見て、固体高分子電解質膜の凹状に形成されている部分と重なる部分が、第1触媒層と第2触媒層で形成されていて、第1触媒層は、固体高分子電解質膜の主面と接触し、第2触媒層は、ガス拡散層の主面と接触するように配置され、第1触媒層は、第2触媒層よりもアイオノマー/カーボンの質量比(I/C)が低く、及び/又はイオン交換基当量重量(EW)が高くなるように構成されている態様を例示するものである。
[膜−電極接合体の構成]
図1は、本発明の実施の形態1に係る膜−電極接合体の概略構成を模式的に示す断面図である。図2は、図1に示す膜−電極接合体の固体高分子電解質膜の概略構成を模式的に示す断面図であり、図3は、図1に示す膜−電極接合体の固体高分子電解質膜の概略構成を模式的に示す正面図である。なお、図1乃至図3においては、一部を省略している。まず、図3においては、固体高分子電解質膜の凸状部分と凹状部分とを区別しやすくするため、それぞれの部分にハッチングを付している。
(Embodiment 1)
[Configuration of membrane-electrode assembly]
1 is a cross-sectional view schematically showing a schematic configuration of a membrane-electrode assembly according to
図1に示すように、本実施の形態1に係る膜−電極接合体50は、固体高分子電解質膜10と、アノード触媒層20Aとアノードガス拡散層30Aを有するアノード40Aと、カソード触媒層20C及びカソードガス拡散層30Cを有するカソード40Cと、を備える。固体高分子電解質膜10は、水素を選択的に輸送するように構成されている。
As shown in FIG. 1, the membrane-
固体高分子電解質膜10は、図1乃至図3に示すように、一方の主面(ここでは、カソード40C側主面)が凸凹状に形成されている。具体的には、固体高分子電解質膜10のカソード40C側主面から突出するように、凸状部分1Bが形成されている。そして、固体高分子電解質膜10の凹状に形成されている部分(以下、凹状部分1Aという)は、固体高分子電解質膜10のカソード40C側主面と凸状部分1Bの側面とから構成されている。
As shown in FIGS. 1 to 3, the solid
なお、本実施の形態1においては、固体高分子電解質膜10のカソード40C側主面から突出するように、凸状部分1Bを形成することで、固体高分子電解質膜10の一方の主面(カソード40C側主面)を凸凹状に形成したが、これに限定されない。例えば、固体高分子電解質膜10の一方の主面から凹むように孔を形成して、該主面を凸凹状に形成してもよい。この場合、孔の底面が凹状部分1Aを構成し、固体高分子電解質膜10の一方の主面と孔を形成する側壁とが凸状部分1Bを構成する。
In the first embodiment, by forming the
また、本実施の形態1においては、固体高分子電解質膜10のカソード40C側主面を凸凹状に形成したが、これに限定されない。例えば、固体高分子電解質膜10のアノード40A側主面を凸凹状に形成してもよく、固体高分子電解質膜10の両側の主面を凸凹状に形成してもよい。
In the first embodiment, the
さらに、凹状部分1Aの高さ(換言すると、固体高分子電解質膜10のカソード40C側主面から凸状部分1Bの先端部までの高さ)は、固体高分子電解質膜10の厚み以下であってもよく、3〜20μm以下であってもよい。
Furthermore, the height of the
そして、固体高分子電解質膜10の他方の主面(アノード40A側主面)には、アノード触媒層20Aが設けられている。また、固体高分子電解質膜10のカソード40C側主面には、カソード触媒層20Cが設けられている。
An
カソード触媒層20Cは、第1触媒層2Aと第2触媒層2Bを有している。カソード触媒層20Cは、固体高分子電解質膜10の厚み方向から見て、カソード触媒層20Cにおける、固体高分子電解質膜10の凹状部分1Aと重なる部分が、第1触媒層2Aと第2触媒層2Bで形成されている。
The
第1触媒層2Aは、固体高分子電解質膜10のカソード40C側主面と接触するように配置されている。また、第2触媒層2Bは、カソードガス拡散層30Cの主面と接触するように配置されている。換言すると、第1触媒層2Aの固体高分子電解質膜10の主面と接触しない側の主面には、第2触媒層2Bが設けられている。
The
また、第1触媒層2Aは、発電による生成水が滞留するために固体高分子電解質膜10の凹状部分1Aに存在する触媒層のガス拡散性が低下し、その触媒層へのガス拡散性を確保する観点から、その厚みが、固体高分子電解質膜10の凹状部分1Aの高さよりも小さくなるように形成されていることが好ましい。さらに、第1触媒層2Aは、固体高分子電解質膜10の凹状部分1Aの底面近傍に存在する触媒層に確実にガス供給する観点から、その厚みが、固体高分子電解質膜10の凹状部分1Aの高さの1/3以上であることが好ましく、1/2以上であることがより好ましい。
In addition, since the
アノード触媒層20A及びカソード触媒層20Cは、触媒担持カーボンとアイオノマーを有していれば、その構成は特に限定されない。また、第1触媒層2Aは、プロトン伝導性を維持する観点から、第1触媒層2Aのアイオノマー/カーボンの質量比(I/C)が、0.5以上、かつ、1.0以下であることが好ましい。さらに、第2触媒層2Bは、電子伝導性を維持する観点から、第2触媒層2BのI/Cが、1.0以上、かつ、2.0以下であることが好ましい。この場合、第1触媒層2Aは、第1触媒層2AのI/Cが、実質的に1.0未満であってもよい。なお、アイオノマー/カーボンの質量比(I/C)におけるアイオノマーとしては、フッ素系高分子樹脂からなるものが好ましい。
The structure of the
さらに、第1触媒層2Aは、第1触媒層2Aの性能を維持する観点から、第1触媒層2A(正確には、第1触媒層2Aを構成するフッ素系高分子樹脂)のEWが、900以上、かつ、1500以下であることが好ましい。また、第2触媒層2Bは、第2触媒層2Bの形状安定性を維持する観点から、第2触媒層2B(正確には、第2触媒層2Bを構成するフッ素系高分子樹脂)のEWが500以上、かつ、900以下であることが好ましい。なお、第2触媒層2BのEWは、実質的に900未満であってもよい。
Furthermore, from the viewpoint of maintaining the performance of the
アノード触媒層20Aの固体高分子電解質膜10と接触しない側の主面には、アノードガス拡散層30Aが設けられている。また、カソード触媒層20Cの固体高分子電解質膜10と接触しない側の主面(第2触媒層2Bの第1触媒層2Aと接触しない側の主面)には、カソードガス拡散層30Cが設けられている。なお、アノードガス拡散層30A及びカソードガス拡散層30Cは、一般的な固体高分子形燃料電池のガス拡散層と同様に構成されているため、その詳細な説明は省略する。
An anode
[膜−電極接合体の製造方法]
次に、本実施の形態1に係る膜−電極接合体50の製造方法について。図1乃至図3を参照しながら説明する。
[Method for producing membrane-electrode assembly]
Next, a manufacturing method of the membrane-
まず、図2及び図3に示すような凹凸構造を形成したシリコンウェハ等で構成された金型に固体高分子電解質膜10を構成する材料をキャストして、固体高分子電解質膜10を成形する。なお、固体高分子電解質膜10は、上記特許文献1に開示されている方法で、成形してもよい。
First, the material constituting the solid
次に、固体高分子電解質膜10の凸凹状に形成されている主面に、第1触媒層2A形成用インクを塗工又はスプレーする等により、第1触媒層2Aを形成する。このとき、第1触媒層2Aを形成するインクは、後述する第2触媒層2Bを形成するインクよりも、I/Cが低く、及び/又はEWが高くなるように調整される。具体的には、上述したように、第1触媒層2A形成用インクは、I/Cが0.5〜1.0になるように、及び/又はEWが、900〜1500になるように調整される。
Next, the
なお、第1触媒層2A形成用インクは、第1触媒層2Aの厚みが、凹状部分1Aの高さの1/3以上(好ましくは、1/2以上)、かつ、凹状部分1Aの高さよりも小さくなるように、塗工又はスプレー等される。
In the
次に、第1触媒層2Aの固体高分子電解質膜10と接触していない主面に、第2触媒層2B形成用インクを塗工又はスプレーする等により、第2触媒層2Bを形成する。このとき、第2触媒層2B形成用インクは、I/Cが1.0〜2.0になるように、及び/又はEWが、500〜900になるように調整される。
Next, the
そして、固体高分子電解質膜10のカソード触媒層20Cが形成されていない側の主面に、アノード触媒層20A形成用インクを塗工又はスプレーする等により、アノード触媒層20Aを形成する。なお、アノード触媒層20A形成用インクは、一般的な触媒層を形成するインクを用いることができる。
Then, the
次に、カーボンクロス等を予め適宜な大きさに裁断して、アノードガス拡散層30A及びカソードガス拡散層30Cを用意する。そして、アノード触媒層20Aにおける固体高分子電解質膜10と接触しない側の主面に、アノードガス拡散層30Aを接合する。また、カソード触媒層20Cにおける固体高分子電解質膜10と接触しない側の主面に、カソードガス拡散層30Cを接合する。このようにして、膜−電極接合体50が得られる。なお、撥水カーボン層形成インクを予めアノード触媒層20A及び/又はカソード触媒層20Cの主面、又はアノードガス拡散層30A及び/又はカソードガス拡散層30Cの主面に塗工等することにより、撥水カーボン層を形成してから、膜−電極接合体50を形成してもよい。
Next, carbon cloth or the like is cut into an appropriate size in advance to prepare an anode
[固体高分子形燃料電池の構成]
次に、本実施の形態1に係る固体高分子形燃料電池(実施の形態1に係る膜−電極接合体50を備える固体高分子形燃料電池)の構成について、図1乃至図4を参照しながら説明する。
[Configuration of polymer electrolyte fuel cell]
Next, the structure of the polymer electrolyte fuel cell according to the first embodiment (the polymer electrolyte fuel cell including the membrane-
図4は、図1に示す膜−電極接合体を備える固体高分子形燃料電池(本発明の実施の形態1に係る固体高分子形燃料電池)の概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図4においては、一部を省略している。 FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a schematic configuration of a polymer electrolyte fuel cell (solid polymer fuel cell according to Embodiment 1) including the membrane-electrode assembly shown in FIG. . In FIG. 4, a part is omitted.
図4に示すように、本発明の実施の形態1に係る固体高分子形燃料電池100は、膜−電極接合体50と、アノードセパレータ60Aと、カソードセパレータ60Cと、図示されない一対のガスケットを備えている。
As shown in FIG. 4, the polymer
一対のガスケットは、アノード40A及びカソード40Cのそれぞれの周囲に設けられている。また、ガスケットは、ここでは、ドーナツ状に形成されていて。フッ素ゴムで構成されている。これにより、燃料ガスや酸化剤ガスが固体高分子形燃料電池100外にリークされることが抑制され、また、固体高分子形燃料電池100内でこれらのガスが互いに混合されることが抑制される。なお、ガスケットの周縁部には、厚み方向の貫通孔からなる燃料ガス供給マニホールド孔等の各マニホールド孔が設けられている。
The pair of gaskets are provided around each of the
アノードセパレータ60A及びカソードセパレータ60Cは、膜−電極接合体50及びガスケットを挟むように設けられている。また、アノードセパレータ60A及びカソードセパレータ60Cは、熱伝導性及び導電性に優れた金属、黒鉛、または、黒鉛と樹脂を混合したものを使用することができ、例えば、カーボン粉末とバインダー(溶剤)との混合物を射出成形により作製したものやチタンやステンレス鋼製の板の表面に金メッキを施したものを使用することができる。これにより、膜−電極接合体50が機械的に固定され、複数の固体高分子形燃料電池100をその厚み方向に積層したときには、膜−電極接合体50が電気的に接続される。
The
アノードセパレータ60Aのアノード40Aと接触する一方の主面には、燃料ガスが通流するための溝状の燃料ガス流路70が設けられている。また、アノードセパレータ60Aの他方の主面には、熱媒体が通流するための溝状の熱媒体流路90が設けられている。
On one main surface of the
同様に、カソードセパレータ60Cのカソード40Cと接触する一方の主面には、酸化剤ガスが通流するための溝状の酸化剤ガス流路80が設けられている。また、カソードセパレータ60Cの他方の主面には、熱媒体が通流するための溝状の熱媒体流路90が設けられている。
Similarly, a groove-like oxidant
これにより、アノード40A及びカソード40Cには、それぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、これらのガスが反応して電気と熱が発生する。また、冷却水等の熱媒体を熱媒体流路90に通流させることにより、発生した熱の回収が行われる。
Thereby, fuel gas and oxidant gas are supplied to the
そして、このように構成された本実施の形態1に係る固体高分子形燃料電池100をその厚み方向に積層することにより、セル積層体が形成される(図示せず)。このとき、固体高分子電解質膜10、ガスケット、アノードセパレータ60A、及びカソードセパレータ60Cに設けられた燃料ガス供給マニホールド孔等の各マニホールド孔は、固体高分子形燃料電池100を積層したときに厚み方向にそれぞれつながって、燃料ガス供給マニホールド等の各マニホールドが、それぞれ形成される。そして、セル積層体の両端に集電板及び絶縁板をそれぞれ配置し、その両端に更に一対の端板を配置して、締結具で締結することにより、燃料電池スタック101が形成される(図4参照)。
And the cell laminated body is formed by laminating | stacking the polymer
このように構成された本実施の形態1に係る膜−電極接合体50及び固体高分子形燃料電池100では、第1触媒層2Aが第2触媒層2BよりもI/Cが低く、及び/又はEWが高くなるように構成されているため、固体高分子電解質膜10の凹状部分1A近傍(第1触媒層2A)での生成水の排出性を高め、ガス拡散性を確保することができる。このため、固体高分子形燃料電池100の電池性能を向上させることができる。
In the membrane-
(実施の形態2)
本発明の実施の形態2は、実施の形態1に係る固体高分子形燃料電池と、アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給器と、カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、固体高分子形燃料電池に熱媒体を供給する熱媒体供給器と、制御器と、を備え、制御器は、固体高分子形燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの露点が、固体高分子形燃料電池に供給される熱媒体の温度より低い条件で、固体高分子形燃料電池が発電運転を行うように、燃料ガス供給器、酸化剤ガス供給器、及び熱媒体供給器を制御する態様を例示するものである。
(Embodiment 2)
Embodiment 2 of the present invention includes a polymer electrolyte fuel cell according to
[燃料電池システムの構成]
図5は、本発明の実施の形態2に係る燃料電池システムの概略構成を模式的に示すブロック図である。
[Configuration of fuel cell system]
FIG. 5 is a block diagram schematically showing a schematic configuration of the fuel cell system according to Embodiment 2 of the present invention.
図5に示すように、本発明の実施の形態2に係る燃料電池システム200は、燃料電池スタック101と、燃料ガス供給器102と、酸化剤ガス供給器103と、熱媒体供給器104と、電力調整器105と、制御器110と、を備えている。制御器110は、燃料電池スタック101に供給される熱媒体の温度より低い条件で、燃料電池スタック101が発電運転を行うように、燃料ガス供給器102、酸化剤ガス供給器103、及び熱媒体供給器104を制御する。
As shown in FIG. 5, a
燃料電池スタック101は、上述したように、複数の固体高分子形燃料電池100を有している。また、燃料電池スタック101には、燃料ガス経路101A、酸化剤ガス経路101B、及び熱媒体経路101Cが設けられている。
The
燃料ガス経路101Aは、固体高分子形燃料電池100の燃料ガス流路70、燃料ガス供給マニホールド、及び燃料ガス排出マニホールドで構成されている。また、酸化剤ガス経路101Bは、固体高分子形燃料電池100の酸化剤ガス流路80、酸化剤ガス供給マニホールド、及び酸化剤ガス排出マニホールドで構成されている。同様に、熱媒体経路101Cは、固体高分子形燃料電池100の熱媒体流路90、熱媒体供給マニホールド、及び熱媒体排出マニホールドで構成されている。
The
燃料電池スタック101の燃料ガス経路101Aの入口には、燃料ガス供給経路111を介して、燃料ガス供給器102が接続されている。燃料ガス供給器102は、例えば、水素生成装置、水素ボンベ、又は水素吸蔵合金等と、加湿器と、流量調整器と、を有している(いずれも図示せず)。水素生成装置は、原料ガス(例えば、メタンガスやプロパンガス等)と水から燃料ガス(水素ガス)を生成する。また、加湿器は、水素生成装置等からの燃料ガスを加湿することができれば、どのような態様のものであってもよく、例えば、熱媒体が水である場合、熱媒体と全熱交換する全熱交換器であってもよく、タンク等に貯えられた水を水蒸気にして燃料ガスを加湿する、いわゆる加湿器であってもよい。流量調整器は、例えば、流量調整可能なポンプやポンプと流量調整弁で構成されていてもよい。
A fuel
また、燃料電池スタック101の酸化剤ガス経路101Bの入口には、酸化剤ガス供給経路113を介して、酸化剤ガス供給器103が接続されている。酸化剤ガス供給器103は、例えば、ファンやブロワ等のファン類と、加湿器と、流量調整器と、を有している(いずれも図示せず)。加湿器は、ファン類から供給される酸化剤ガスを加湿することができれば、どのような態様のものであってもよく、例えば、熱媒体が水である場合、熱媒体と全熱交換する全熱交換器であってもよく、タンク等に貯えられた水を水蒸気にして酸化剤ガスを加湿する、いわゆる加湿器であってもよい。流量調整器は、例えば、流量調整可能なポンプやポンプと流量調整弁で構成されていてもよい。
In addition, an oxidant
これにより、適宜加湿された燃料ガスが、燃料ガス供給器102から燃料ガス供給経路111を通流して、燃料ガス経路101Aに供給される。同様に、適宜加湿された酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給器103から酸化剤ガス供給経路113を通流して、酸化剤ガス経路101Bに供給される。
Thereby, the fuel gas appropriately humidified flows from the fuel
燃料ガス経路101Aに供給された燃料ガスは、燃料ガス経路101A内を通流する間に、各固体高分子形燃料電池100のアノード40Aに供給される。また、酸化剤ガス経路101Bに供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス経路101B内を通流する間に、各固体高分子形燃料電池100のカソード40Cに供給される。そして、アノード40Aで使用されなかった燃料ガスは、燃料ガス排出経路112に排出される。また、カソード40Cで使用されなかった酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出経路114に排出される。なお、未使用の燃料ガスは、例えば、未使用の酸化剤ガスで充分に希釈してから大気中に排出してもよく、燃料ガス供給器102が、水素生成装置で構成されている場合には、該水素生成装置の燃焼器(図示せず)に供給されてもよい。
The fuel gas supplied to the
また、燃料電池スタック101の熱媒体経路101Cには、熱媒体循環経路115が接続されている。熱媒体循環経路115の途中には、熱媒体供給器104が設けられている。熱媒体供給器104は、例えば、外部から供給された熱媒体を貯えるタンクと、熱媒体温度調整器と、ポンプと、流量調整弁を有している。熱媒体温度調整器としては、例えば、燃料ガスや酸化剤ガス等と熱交換する熱交換器や熱媒体を加熱するヒータ等の加熱器や熱媒体を冷却する冷却器が挙げられる。また、熱媒体としては、例えば、水やエチレングリコール等の不凍液が挙げられる。
A heat
なお、本実施の形態2においては、熱媒体供給器104は、タンクと、ポンプと、流量調整弁で構成したが、これに限定されない。熱媒体供給器104は、ポンプが流量調整可能である場合、流量調整弁を有しない構成としてもよい。
In the second embodiment, the
これにより、適宜の温度に調整された熱媒体が、熱媒体供給器104から熱媒体循環経路115を通流して、熱媒体経路101Cに供給される。熱媒体経路101Cに供給された熱媒体は、熱媒体経路101Cを通流する間に、各固体高分子形燃料電池100で発生した熱を回収し、熱媒体循環経路115に排出される。熱媒体循環経路115に排出された熱媒体は、熱媒体循環経路115を通流して、熱媒体供給器104で再び適度な温度に調整される。なお、本実施の形態2においては、熱媒体が、熱媒体供給器104と燃料電池スタック101とを循環するように構成したが、これに限定されない。熱媒体経路101Cから排出された熱媒体が、燃料電池システム200外に排出するように構成してもよい。
Thereby, the heat medium adjusted to an appropriate temperature flows from the heat
また、燃料電池スタック101には、電気配線131、132を介して、電力調整器105が接続されている。電力調整器105は、例えば、燃料電池スタック101の固体高分子形燃料電池100で発電された直流電力を直流電圧に変換するコンバータと、コンバータから出力される直流電力を交流電力に変換するインバータを有している。そして、電力調整器105は、制御器110の制御により、固体高分子形燃料電池100から取り出す電力を調整している。
In addition, a
制御器110は、燃料電池システム200を構成する各機器を制御する機器であれば、どのような形態であってもよい。制御器110は、マイクロプロセッサ、CPU等に例示される演算処理部と、各制御動作を実行するためのプログラムを格納した、メモリ等から構成される記憶部を備えている。そして、制御器110は、演算処理部が、記憶部に格納された所定の制御プログラムを読み出し、これを実行することにより、これらの情報を処理し、かつ、これらの制御を含む燃料電池システム200に関する各種の制御を行う。
The
なお、制御器110は、単独の制御器で構成される形態だけでなく、複数の制御器が協働して燃料電池システム200の制御を実行する制御器群で構成される形態であっても構わない。また、制御器110は、マイクロコントロールで構成されていてもよく、MPU、PLC(Programmable Logic Controller)、論理回路等によって構成されていてもよい。
Note that the
そして、制御器110は、燃料電池スタック101に供給される燃料ガスの露点及び酸化剤ガスの露点が、燃料電池スタック101に供給される熱媒体の温度よりも低くなるように、燃料ガス供給器102、酸化剤ガス供給器103、及び熱媒体供給器104を制御する。
The
このように構成された本実施の形態2に係る燃料電池システム200では、燃料電池スタック101に供給される燃料ガスの露点及び酸化剤ガスの露点が、燃料電池スタック101に供給される熱媒体の温度よりも低いため、燃料ガス(水素)と酸化剤ガス(酸素)の反応で生成される水は、固体高分子電解質膜10とカソード触媒層20Cとの界面近傍で生成されやすい。このため、本実施の形態2のように、固体高分子電解質膜10を凸凹状にすることで、固体高分子電解質膜10とカソード触媒層20Cとの界面をより広く確保することで、電池性能を向上させることができる。
In the
また、本実施の形態2に係る燃料電池システム200では、固体高分子電解質膜10近傍(特に凹状部分1A近傍)に、第1触媒層2Aを配置することにより、電解質膜と触媒層との界面近傍で生成された水を適度に排水することができ、また、当該部分のガス拡散性を確保することができる。このため、固体高分子形燃料電池100の電池性能を向上させることができる。
In the
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。したがって、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の形態を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の要旨を逸脱することなく、その構造及び/又は機能の詳細を実質的に変更できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。 From the foregoing description, many modifications and other embodiments of the present invention are obvious to one skilled in the art. Accordingly, the foregoing description is to be construed as illustrative only and is provided for the purpose of teaching those skilled in the art the best mode of carrying out the invention. The details of the structure and / or function may be substantially changed without departing from the scope of the invention. Moreover, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the embodiment.
本発明の膜−電極接合体、固体高分子形燃料電池、及び燃料電池システムは、電解質膜と触媒層との界面近傍で生成された水を適度に排水し、かつ、ガス拡散性を確保することで、電池性能を向上させることができるため、燃料電池の技術分野で有用である。 The membrane-electrode assembly, the polymer electrolyte fuel cell, and the fuel cell system of the present invention appropriately drain water generated in the vicinity of the interface between the electrolyte membrane and the catalyst layer and ensure gas diffusibility. Thus, the battery performance can be improved, which is useful in the technical field of fuel cells.
1A 凹状部分
1B 凸状部分
2A 第1触媒層
2B 第2触媒層
10 固体高分子電解質膜
20A アノード触媒層
20C カソード触媒層
30A アノードガス拡散層
30C カソードガス拡散層
40A アノード
40C カソード
50 膜−電極接合体
60A アノードセパレータ
60C カソードセパレータ
70 燃料ガス流路
80 酸化剤ガス流路
90 熱媒体流路
100 固体高分子形燃料電池
101 燃料電池スタック
101A 燃料ガス経路
101B 酸化剤ガス経路
101C 熱媒体経路
102 燃料ガス供給器
103 酸化剤ガス供給器
104 熱媒体供給器
105 電力調整器
110 制御器
111 燃料ガス供給経路
112 燃料ガス排出経路
113 酸化剤ガス供給経路
114 酸化剤ガス排出経路
115 熱媒体循環経路
131 電気配線
132 電気配線
200 燃料電池システム
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記固体高分子電解質膜の主面と接触するように配置されている触媒層と、ガス拡散層と、を有する電極と、を備え、
前記固体高分子電解質膜の凸凹状に形成されている主面と接触する前記触媒層は、前記固体高分子電解質膜の厚み方向から見て、前記固体高分子電解質膜の凹状に形成されている部分と重なる部分が、第1触媒層と第2触媒層で形成されていて、
前記第1触媒層は、前記固体高分子電解質膜の前記主面と接触し、前記第2触媒層は、前記ガス拡散層の主面と接触するように配置され、
前記第1触媒層は、前記第2触媒層よりもアイオノマー/カーボンの質量比(I/C)が低く、及び/又はイオン交換基当量重量(EW)が高くなるように構成されている、膜−電極接合体。 A solid polymer electrolyte membrane in which at least one main surface is formed in an uneven shape; and
An electrode having a catalyst layer disposed so as to contact the main surface of the solid polymer electrolyte membrane and a gas diffusion layer;
The catalyst layer that is in contact with the main surface of the solid polymer electrolyte membrane that is formed in a concave-convex shape is formed in the concave shape of the solid polymer electrolyte membrane as viewed from the thickness direction of the solid polymer electrolyte membrane. A portion overlapping with the portion is formed of the first catalyst layer and the second catalyst layer,
The first catalyst layer is in contact with the main surface of the solid polymer electrolyte membrane, and the second catalyst layer is disposed in contact with the main surface of the gas diffusion layer;
The first catalyst layer is configured to have a lower ionomer / carbon mass ratio (I / C) and / or a higher ion exchange group equivalent weight (EW) than the second catalyst layer. An electrode assembly.
板状で、前記膜−電極接合体を挟持するように配設された一対の導電性のセパレータと、を備える、固体高分子形燃料電池。 A membrane-electrode assembly according to any one of claims 1 to 7,
A solid polymer fuel cell comprising: a plate-like pair of conductive separators disposed so as to sandwich the membrane-electrode assembly.
前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給器と、
前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器と、
前記固体高分子形燃料電池に熱媒体を供給する熱媒体供給器と、
制御器と、を備え、
前記制御器は、前記固体高分子形燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの露点が、前記固体高分子形燃料電池に供給される熱媒体の温度より低い条件で、前記固体高分子形燃料電池が発電運転を行うように、前記燃料ガス供給器、前記酸化剤ガス供給器、及び前記熱媒体供給器を制御する、燃料電池システム。 A polymer electrolyte fuel cell according to claim 8,
A fuel gas supplier for supplying fuel gas to the anode;
An oxidant gas supplier for supplying an oxidant gas to the cathode;
A heat medium feeder for supplying a heat medium to the polymer electrolyte fuel cell;
A controller, and
The controller is configured so that a dew point of a fuel gas and an oxidant gas supplied to the polymer electrolyte fuel cell is lower than a temperature of a heat medium supplied to the polymer electrolyte fuel cell. A fuel cell system that controls the fuel gas supply unit, the oxidant gas supply unit, and the heat medium supply unit so that the fuel cell performs a power generation operation.
Priority Applications (1)
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JP2011110089A JP2012243442A (en) | 2011-05-17 | 2011-05-17 | Membrane-electrode assembly, solid polymer fuel cell, and fuel cell system |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2023101305A1 (en) * | 2021-12-03 | 2023-06-08 | 코오롱인더스트리 주식회사 | Membrane-electrode assembly and fuel cell including same |
-
2011
- 2011-05-17 JP JP2011110089A patent/JP2012243442A/en not_active Withdrawn
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WO2023101305A1 (en) * | 2021-12-03 | 2023-06-08 | 코오롱인더스트리 주식회사 | Membrane-electrode assembly and fuel cell including same |
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