JP4661103B2 - Fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池に関し、特に、発電性能を向上させることが可能な燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a fuel cell capable of improving power generation performance.

固体高分子型燃料電池（以下において、「ＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte Fuel Cell）」と記述する。）は、各種の燃料電池の中でも、低温領域での運転が可能であるとともに、５０〜６０％の高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車の最適な動力源として注目されている。このＰＥＦＣの電解質は、陽イオン交換樹脂膜を、カチオン伝導性膜として使用するものである。ＰＥＦＣのカチオン伝導性膜は、分子中にプロトン（水素イオン（Ｈ＋））交換基を有しており、これを飽和状態に含水させることにより、常温で２０Ω・ｃｍ以下の比抵抗を示し、プロトン伝導性電解質として機能している。そして、電解質膜の飽和含水量は、温度によって可逆的に変化する。すなわち、ＰＥＦＣの運転中においては、電解質膜からの蒸散を防止するために燃料ガス中および酸化ガス中に水蒸気の形で添加された加湿水と、カソード側における電気化学反応によって生成される水とによって常に飽和状態が維持される。 A polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as “PEFC (Polymer Electrolyte Fuel Cell)”) can be operated in a low temperature region among various fuel cells and has a high value of 50 to 60%. It shows energy conversion efficiency, has a short start-up time, and has a small and light system, and has attracted attention as an optimal power source for electric vehicles. This PEFC electrolyte uses a cation exchange resin membrane as a cation conductive membrane. The cation conductive membrane of PEFC has proton (hydrogen ion (H + )) exchange group in the molecule, and shows a specific resistance of 20 Ω · cm or less at room temperature by containing water in a saturated state. It functions as a proton conductive electrolyte. The saturated water content of the electrolyte membrane changes reversibly with temperature. That is, during operation of the PEFC, humidified water added in the form of water vapor in the fuel gas and oxidizing gas to prevent transpiration from the electrolyte membrane, and water generated by an electrochemical reaction on the cathode side By means of this, saturation is always maintained.

上述のように、通常、カソード側に供給される酸化ガスは水蒸気を用いて加湿されるが、少なくともカソードの酸化ガス供給路の入口近傍では、当該供給路内を流れる酸化ガスにより水分が持ち去られる等の理由により、電解質膜が乾燥しやすい。電解質膜が乾燥すると、電解質膜のプロトン伝導性電解質としての機能が低下するため、ＰＥＦＣの発生電圧が低下する。したがって、ＰＥＦＣの発電性能の向上を図るためには、電解質膜の乾燥を抑制することが重要である。   As described above, the oxidizing gas supplied to the cathode side is usually humidified using water vapor, but at least in the vicinity of the inlet of the oxidizing gas supply path of the cathode, moisture is taken away by the oxidizing gas flowing in the supply path. For these reasons, the electrolyte membrane is likely to dry. When the electrolyte membrane is dried, the function of the electrolyte membrane as a proton conductive electrolyte is lowered, so that the generated voltage of PEFC is lowered. Therefore, in order to improve the power generation performance of PEFC, it is important to suppress drying of the electrolyte membrane.

他方、カソード側において生成される水が増加するか、あるいは燃料ガスおよび酸化ガスが消費されて残留ガス中の水蒸気が過飽和となって水が凝結して、水の供給が過剰となると、この電解質膜の表面に触媒やガス拡散層、ひいてはガス供給路が水浸しとなり、いわゆる「フラッディング」状態となる。このフラッディングが発生すると、セル内のガス接触面積が減少し、更にはカソードへの酸素ガスの供給が阻害されて、ＰＥＦＣの発生電圧が低下する。この電圧低下は、ＰＥＦＣの効率の低下に繋がるため、ＰＥＦＣの発電性能の向上を図るためには、フラッディングを抑制することが重要である。   On the other hand, if the water generated on the cathode side increases or the fuel gas and the oxidizing gas are consumed, the water vapor in the residual gas becomes supersaturated and the water condenses, and the water supply becomes excessive. The catalyst, the gas diffusion layer, and thus the gas supply path are submerged on the surface of the membrane, resulting in a so-called “flooding” state. When this flooding occurs, the gas contact area in the cell decreases, and further, the supply of oxygen gas to the cathode is hindered, and the generated voltage of PEFC decreases. Since this voltage drop leads to a decrease in the efficiency of the PEFC, it is important to suppress flooding in order to improve the power generation performance of the PEFC.

これまでに、燃料電池の発電性能を向上させることを目的とした技術は開示されてきている。例えば、特許文献１には、電解質膜・電極構造体、流路用溝部が形成されていないセパレータ、及び、金属材料製の発泡体からなる拡散部材を積層することにより厚み方向の電気抵抗の低減を図ることが可能な燃料電池に関する技術が開示されている。また、関連する技術が、特許文献２及び特許文献３に開示されている。
特開２００４−８７３１８号公報 特開平８−１２４５８３号公報 特開２０００−５８０７３号公報 So far, techniques aimed at improving the power generation performance of fuel cells have been disclosed. For example, Patent Document 1 discloses a reduction in electrical resistance in the thickness direction by laminating an electrolyte membrane / electrode structure, a separator in which a channel groove is not formed, and a diffusion member made of a metal material foam. A technology relating to a fuel cell capable of achieving the above has been disclosed. Related techniques are disclosed in Patent Document 2 and Patent Document 3.
JP 2004-87318 A JP-A-8-124583 JP 2000-58073 A

しかし、特許文献１に開示されている技術では、拡散部材の積層方向における当該拡散部材の構造については検討されておらず、特に、反応ガスの下流部においてフラッディングが生じやすく、燃料電池の発電性能を向上させ難いという問題があった。   However, in the technique disclosed in Patent Document 1, the structure of the diffusion member in the stacking direction of the diffusion members has not been studied, and in particular, flooding is likely to occur in the downstream portion of the reaction gas, and the power generation performance of the fuel cell. There was a problem that it was difficult to improve.

そこで本発明は、発電性能を向上させることが可能な燃料電池を提供することを課題とする。   Then, this invention makes it a subject to provide the fuel cell which can improve electric power generation performance.

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
請求項１に記載の発明は、電解質及び当該電解質の両側に設けられる触媒層を備える電解質・触媒構造体と、電解質・触媒構造体の両側に設けられる集電体層と、集電体層の外側に設けられるセパレータと、を備える燃料電池であって、集電体層には反応ガスが供給されるとともに、当該集電体層は生成水排出促進手段及び乾燥抑制手段を備え、反応ガスの下流部であるとともに集電体層における触媒層側の部位を第１の部位、反応ガスの下流部であるとともに集電体層におけるセパレータ側の部位を第２の部位、反応ガスの上流部であるとともに集電体層におけるセパレータ側の部位を第３の部位、反応ガスの上流部であるとともに集電体層における触媒層側の部位を第４の部位、とするとき、第２の部位をなす部材及び第４の部位をなす部材よりも大きな気孔率を有する、第１の部位をなす部材が、生成水排出促進手段であり、第２の部位をなす部材及び第４の部位をなす部材よりも大きな気孔率を有する、第３の部位をなす部材が、乾燥抑制手段であり、反応ガスの供給口が第３の部位に開口しており、反応ガスの排出口が第１の部位に開口していることを特徴とする、燃料電池により、上記課題を解決する。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池において、集電体層に当接するセパレータの当接面は平面であることを特徴とする。
ここに、「反応ガスの下流部」とは、集電体層内における反応ガスの流れの前半を含まない、集電体層の部位であって、電解質・触媒構造体の面方向に長さを有している。また、「反応ガスの上流部」とは、集電体層内における反応ガスの流れの後半を含まない、集電体層の部位であって、電解質・触媒構造体の面方向に長さを有している。一方、「集電体層における触媒層側の部位」とは、触媒層に当接すべき集電体層の面の少なくとも一部を含む部位であって、電解質・触媒構造体、集電体層、及び、セパレータを積層すべき方向に長さを有し、かつ、セパレータとは当接しない部位である。当該部位の具体例としては、集電体層を、上記積層すべき方向を法線方向とする面により、等しい厚さの２つの領域に切断した場合における、触媒層側に位置する集電体層等を挙げることができる。さらに、「集電体層におけるセパレータ側の部位」とは、電解質・触媒構造体、集電体層、及び、セパレータを積層すべき方向に長さを有し、かつ、触媒層とは当接しない部位である。当該部位の具体例としては、集電体層を、上記積層すべき方向を法線方向とする面により等しい厚さの２つの領域に切断した場合における、セパレータ側に位置する集電体層等を挙げることができる。
In order to solve the above problems, the present invention takes the following means. That is,
The invention according to claim 1 is an electrolyte / catalyst structure including an electrolyte and a catalyst layer provided on both sides of the electrolyte, a current collector layer provided on both sides of the electrolyte / catalyst structure, and a current collector layer. A separator provided outside, and a reaction gas is supplied to the current collector layer, and the current collector layer includes a generated water discharge promoting unit and a drying suppression unit , The downstream portion and the portion on the catalyst layer side of the current collector layer are the first portion, the downstream portion of the reactive gas and the separator side portion of the current collector layer are the second portion and the upstream portion of the reactive gas When the separator side portion of the current collector layer is the third portion, and the upstream portion of the reaction gas and the catalyst layer side portion of the current collector layer is the fourth portion, the second portion is Forming the member and the fourth part The member forming the first portion having a porosity higher than that of the material is the generated water discharge promoting means, and has a porosity higher than that of the member forming the second portion and the member forming the fourth portion. The member forming part 3 is a drying suppression means, the reaction gas supply port is open to the third part, and the reaction gas discharge port is open to the first part. The above problem is solved by a fuel cell.
According to a second aspect of the present invention, in the fuel cell according to the first aspect, the contact surface of the separator that contacts the current collector layer is a flat surface.
Here, the “downstream part of the reaction gas” is a part of the current collector layer that does not include the first half of the flow of the reaction gas in the current collector layer, and has a length in the plane direction of the electrolyte / catalyst structure. have. The “upstream part of the reaction gas” is a part of the current collector layer that does not include the latter half of the flow of the reaction gas in the current collector layer, and has a length in the surface direction of the electrolyte / catalyst structure. Have. On the other hand, the “part on the catalyst layer side in the current collector layer” is a part including at least a part of the surface of the current collector layer to be in contact with the catalyst layer, and is an electrolyte / catalyst structure, current collector It is a site | part which has length in the direction which should laminate | stack a layer and a separator, and does not contact | abut with a separator. As a specific example of the part, the current collector layer is located on the catalyst layer side when the current collector layer is cut into two regions having the same thickness by a plane whose normal direction is the direction to be laminated. A layer etc. can be mentioned. Furthermore, the “part on the separator side in the current collector layer” means a length in the direction in which the electrolyte / catalyst structure, current collector layer, and separator are to be laminated, and is in contact with the catalyst layer. It is a part that does not. Specific examples of the part include a current collector layer positioned on the separator side in the case where the current collector layer is cut into two regions having the same thickness by a plane whose normal direction is the direction to be laminated. Can be mentioned.

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の燃料電池において、集電体層は、発泡金属により形成されていることを特徴とする。
A third aspect of the present invention is the fuel cell according to the first or second aspect, wherein the current collector layer is formed of a foam metal .

請求項１及び請求項２に記載の発明によれば、反応ガスの下流部であるとともに触媒層側である集電体層部位に生成水排出促進手段が備えられているので、触媒層内の反応場において生成された水を、生成水排出促進手段によりセル外へと排出することができる。したがって、反応ガスの下流部において発生しやすいフラッディングを抑制することが可能であるため、発電性能を向上させることが可能な燃料電池を提供することができる。また、第１の部位をなす部材が生成水排出促進手段であり、生成水排出促進手段としての役割を兼ねる集電体層の当該部材は、大きな気孔率を有しているので、反応ガスは第１の部位を流れやすい。そのため、反応ガスの下流部では、集電体層の中でも触媒層側の部位に多くの反応ガスが流れる結果、触媒層の反応場において生成された水が反応ガスによりセル外へと持ち去られやすくなる。したがって、本発明によれば、フラッディングを抑制することが可能であるため、発電性能を向上させることが可能な燃料電池を容易に提供することができる。さらに、第３の部位をなす部材が乾燥抑制手段であり、乾燥抑制手段としての役割を兼ねる集電体層の当該部材は、大きな気孔率を有しているので、反応ガスは第３の部位を流れやすい。そのため、反応ガスの上流部では、集電体層の中でも触媒層から離れたセパレータ側の部位に多くの反応ガスが流れる結果、触媒層近傍からの生成水蒸発速度が小さくなるため、反応ガスの上流部における電解質の乾燥が抑制される。したがって、本発明によれば、発電性能を向上させることが可能な燃料電池を容易に提供することができる。
According to the first and second aspects of the present invention, since the current collector layer portion that is the downstream portion of the reaction gas and on the catalyst layer side is provided with the generated water discharge promoting means, The water generated in the reaction field can be discharged out of the cell by the generated water discharge promoting means. Therefore, since it is possible to suppress flooding that is likely to occur in the downstream portion of the reaction gas, it is possible to provide a fuel cell that can improve power generation performance. In addition, the member that forms the first part is the generated water discharge promoting means, and the member of the current collector layer that also serves as the generated water discharge promoting means has a large porosity. It is easy to flow through the first part. Therefore, in the downstream portion of the reaction gas, a large amount of the reaction gas flows in the current collector layer on the catalyst layer side. As a result, water generated in the reaction field of the catalyst layer is easily taken out of the cell by the reaction gas. Become. Therefore, according to the present invention, since it is possible to suppress flooding, it is possible to easily provide a fuel cell capable of improving power generation performance. Further, the member constituting the third part is the drying inhibiting means, and the member of the current collector layer that also serves as the drying inhibiting means has a large porosity, so that the reactive gas is contained in the third part. Easy to flow. For this reason, in the upstream portion of the reaction gas, a large amount of reaction gas flows through a portion of the current collector layer on the separator side away from the catalyst layer. Drying of the electrolyte in the upstream portion is suppressed. Therefore, according to the present invention, a fuel cell capable of improving power generation performance can be easily provided.

請求項３に記載の発明によれば、集電体層は、発泡金属により形成されるため、発電性能を向上させることが可能な燃料電池を容易に提供することができる。
According to the third aspect of the present invention, since the current collector layer is formed of the foam metal, it is possible to easily provide a fuel cell capable of improving the power generation performance.

ＰＥＦＣのカソードに供給される酸化ガス（以下において、「空気」と記述することがある。）は、通常、水蒸気により加湿された後にカソードへと供給されるが、かかる酸化ガスのカソードにおける上流部、特に入口近傍では、電解質膜が乾燥しやすいことが知られている。この乾燥は、集電体層内を流れる空気によって、触媒層及び電解質膜の水分が持ち去られることが一因となっているため、集電体層内における空気の流れを制御することにより、電解質膜の乾燥を抑制することが可能であると考えられる。   An oxidizing gas (hereinafter sometimes referred to as “air”) supplied to the cathode of the PEFC is usually supplied to the cathode after being humidified with water vapor. In particular, it is known that the electrolyte membrane tends to dry particularly near the entrance. This drying is partly due to the moisture in the catalyst layer and the electrolyte membrane being taken away by the air flowing in the current collector layer. Therefore, by controlling the flow of air in the current collector layer, It is thought that drying of the film can be suppressed.

一方、カソードにおける空気の出口近傍では、カソードの触媒層における反応場で生成された水が溜まりやすく、かかる滞留水はフラッディングの原因となる。したがって、フラッディングを抑制するためには、カソードの空気出口近傍における排水性を向上させることが必要であり、カソードの集電体層内における空気の流れを制御することで、カソードの空気出口近傍における排水性を向上させることが可能であると考えられる。   On the other hand, in the vicinity of the air outlet of the cathode, the water generated in the reaction field in the cathode catalyst layer tends to accumulate, and this accumulated water causes flooding. Therefore, in order to suppress flooding, it is necessary to improve drainage in the vicinity of the cathode air outlet, and by controlling the flow of air in the cathode current collector layer, in the vicinity of the cathode air outlet. It is thought that drainage can be improved.

本発明は、このような観点からなされたものであり、集電体層における反応ガスの下流部では、触媒層の近傍に多くの反応ガスを流し、反応ガスが触媒層内の水を持ち去りやすくすることでフラッディングを抑制する一方、集電体層における反応ガスの上流部では、触媒層から離れた部位に多くの反応ガスを流すことで電解質膜の乾燥を抑制する。   The present invention has been made from such a viewpoint, and in the downstream portion of the reaction gas in the current collector layer, a large amount of reaction gas is caused to flow in the vicinity of the catalyst layer, and the reaction gas carries away water in the catalyst layer. While fading is suppressed by facilitating, in the upstream part of the reaction gas in the current collector layer, drying of the electrolyte membrane is suppressed by causing a large amount of reaction gas to flow in a portion away from the catalyst layer.

以下に図面を参照しつつ、本発明の燃料電池の各実施形態について、具体的に説明する。   Embodiments of the fuel cell of the present invention will be specifically described below with reference to the drawings.

図１は、第１実施形態にかかる本発明の燃料電池を概略的に示す断面図である。第１実施形態にかかる燃料電池１００は、電解質（以下において、「電解質膜」と記述する。）１及び当該電解質膜１の両側に設けられる触媒層２、３を備える電解質・触媒構造体４と、当該構造体４の両側に設けられる集電体層１０、２０と、集電体層１０、２０の外側に設けられるセパレータ３０、４０とを備えている。そして、集電体層１０及び２０に当接するセパレータ３０及び４０の当接面は平面であって、セパレータ３０及び４０の当接面には、反応ガス供給路としての溝は形成されていない。   FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a fuel cell according to the first embodiment of the present invention. A fuel cell 100 according to the first embodiment includes an electrolyte / catalyst structure 4 including an electrolyte (hereinafter referred to as “electrolyte membrane”) 1 and catalyst layers 2 and 3 provided on both sides of the electrolyte membrane 1. The current collector layers 10 and 20 provided on both sides of the structure 4 and the separators 30 and 40 provided outside the current collector layers 10 and 20 are provided. The contact surfaces of the separators 30 and 40 that are in contact with the current collector layers 10 and 20 are flat surfaces, and no grooves as reaction gas supply paths are formed on the contact surfaces of the separators 30 and 40.

第１実施形態にかかる燃料電池１００において、カソードに供給される空気は、空気用供給孔５０及び空気供給口６０を通って集電体層２０へと供給される一方、アノードに供給される反応ガス（以下において、「水素ガス」と記述することがある。）は、図示されていない水素ガス用供給孔及び水素ガス供給口を通って集電体層１０へと供給されている。そして、集電体層２０へと供給された空気は、空気排出部としての空気排出口７０及び空気用排出孔８０を通ってカソードの外部へと排出される一方、集電体層１０へと供給された水素ガスは、図示されていない水素ガス排出部としての水素ガス排出口及び水素ガス用排出孔を通って、アノードの外部へと排出される。なお、図１において、図の上下方向が、電解質・触媒構造体４の面方向であり、図の左右方向が、電解質・触媒構造体４、集電体層１０、２０、及び、セパレータ３０、４０を積層すべき方向である。また、図中の矢印は、反応ガスが流れる方向を示している。   In the fuel cell 100 according to the first embodiment, the air supplied to the cathode is supplied to the current collector layer 20 through the air supply hole 50 and the air supply port 60, while being supplied to the anode. A gas (hereinafter sometimes referred to as “hydrogen gas”) is supplied to the current collector layer 10 through a hydrogen gas supply hole and a hydrogen gas supply port, which are not shown. The air supplied to the current collector layer 20 is discharged to the outside of the cathode through the air discharge port 70 and the air discharge hole 80 as an air discharge portion, while being supplied to the current collector layer 10. The supplied hydrogen gas is discharged out of the anode through a hydrogen gas discharge port and a hydrogen gas discharge hole as a hydrogen gas discharge unit (not shown). In FIG. 1, the vertical direction in the figure is the surface direction of the electrolyte / catalyst structure 4, and the horizontal direction in the figure is the electrolyte / catalyst structure 4, current collector layers 10 and 20, and the separator 30, This is the direction in which 40 is to be laminated. Moreover, the arrow in a figure has shown the direction through which reaction gas flows.

図１に示す本発明の第１実施形態にかかる燃料電池１００の集電体層２０において、反応ガスの下流部であるとともに触媒層３側である部位２０ａをなす部材は、大きな気孔率を有する一方、集電体層２０における当該部位２０ａ以外をなす部材は、上記部位２０ａをなす部材よりも小さな気孔率を有している。したがって、大きな気孔率を有する部位２０ａをなす部材は、小さな気孔率を有する部材のみと隣接している。そして、集電体層の部位２０ａをなす部材は、生成水排出促進手段として機能している。第１実施形態にかかる燃料電池１００をこのような構成とすることにより、空気は、集電体層２０の下流部において、小さな気孔率を有するように形成されているセパレータ４０の近傍よりも、大きな気孔率を有するように形成されている触媒層３側の部位２０ａを流れやすくなる。そのため、カソード側の触媒層３の反応場において生成された水は、２０ａを流れる空気により持ち去られやすくなり、空気の下流部における滞留水を低減させることができる。したがって、かかる形態とすることで、フラッディングを抑制することにより発電効率を向上させることが可能な、燃料電池１００を提供することができる。   In the current collector layer 20 of the fuel cell 100 according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 1, the member that forms the portion 20a that is the downstream portion of the reaction gas and is on the catalyst layer 3 side has a large porosity. On the other hand, the member other than the part 20a in the current collector layer 20 has a smaller porosity than the member constituting the part 20a. Therefore, the member forming the portion 20a having a large porosity is adjacent to only the member having a small porosity. And the member which makes the site | part 20a of a collector layer functions as a generated water discharge | emission promotion means. By adopting such a configuration of the fuel cell 100 according to the first embodiment, air is more downstream than the vicinity of the separator 40 formed to have a small porosity in the current collector layer 20. It becomes easy to flow through the portion 20a on the catalyst layer 3 side formed to have a large porosity. For this reason, the water generated in the reaction field of the catalyst layer 3 on the cathode side is easily taken away by the air flowing through 20a, and the accumulated water in the downstream portion of the air can be reduced. Therefore, by adopting such a configuration, it is possible to provide the fuel cell 100 capable of improving power generation efficiency by suppressing flooding.

図２は、第２実施形態にかかる本発明の燃料電池を概略的に示す断面図である。第２実施形態にかかる燃料電池２００の集電体層２０において、反応ガスの上流部であるとともにセパレータ側である部位２０ｂをなす部材は、大きな気孔率を有している。そして、当該部位２０ｂをなす部材は、乾燥抑制手段として機能している。一方、燃料電池２００の集電体層２０において、上記部位２０ｂ以外をなす部材は、部位２０ｂをなす部材よりも小さな気孔率を有しており、部位２０ｂをなす部材は、小さな気孔率を有する部材のみと隣接している。ここに、図２において、図１と同じ構成を採る部位については同じ符号を付し、その説明を省略する。   FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a fuel cell according to the second embodiment of the present invention. In the current collector layer 20 of the fuel cell 200 according to the second embodiment, the member that forms the portion 20b on the separator side as well as the upstream portion of the reaction gas has a large porosity. And the member which comprises the said site | part 20b is functioning as a drying suppression means. On the other hand, in the current collector layer 20 of the fuel cell 200, the members other than the part 20b have a smaller porosity than the members that form the part 20b, and the members that form the part 20b have a small porosity. Adjacent to the member only. Here, in FIG. 2, parts having the same configuration as in FIG.

第２実施形態にかかる燃料電池２００をこのような構成とすることにより、集電体層２０における空気の上流部において、多くの空気は、小さな気孔率を有するように形成されている触媒層３の近傍よりも、大きな気孔率を有するように形成されているセパレータ側の部位２０ｂを流れやすくなる。そのため、上記上流部において、触媒層及び電解質膜の水分が空気により持ち去られる量を低減することができる。したがって、空気の上流部における電解質膜の乾燥を抑制することができるため、電解質膜の乾燥を抑制することにより発電効率を向上させることが可能な、燃料電池２００とすることができる。   By adopting such a configuration of the fuel cell 200 according to the second embodiment, in the upstream portion of the air in the current collector layer 20, a large amount of air is formed so as to have a small porosity. The portion 20b on the separator side formed so as to have a larger porosity than in the vicinity of is more likely to flow. Therefore, in the upstream portion, the amount of moisture taken away from the catalyst layer and the electrolyte membrane by the air can be reduced. Therefore, since drying of the electrolyte membrane in the upstream part of air can be suppressed, it can be set as the fuel cell 200 which can improve electric power generation efficiency by suppressing drying of an electrolyte membrane.

図３は、第３実施形態にかかる本発明の燃料電池を概略的に示す断面図である。第３実施形態にかかる燃料電池３００の集電体層２０において、反応ガスの下流部であるとともに触媒層３側である部位２０ａをなす部材は、大きな気孔率を有しており、さらに、反応ガスの上流部であるとともにセパレータ４０側である部位２０ｂをなす部材も大きな気孔率を有している。そして、上記部位２０ａをなす部材は生成水排出促進手段として機能しており、上記部位２０ｂをなす部材は乾燥抑制手段として機能している。一方、燃料電池３００の集電体層２０において、上記部位２０ａ及び２０ｂ以外をなす部材は、これらの部位２０ａ及び２０ｂをなす部材よりも小さな気孔率を有している。そのため、上記部位２０ａ及び２０ｂをなす部材は、電解質・触媒構造体４の面方向、並びに、電解質・触媒構造体４、集電体層１０、２０、及び、セパレータ３０、４０を積層すべき方向において、小さな気孔率を有する部材のみと隣接している。ここに、図３において、図１と同じ構成を採る部位については同じ符号を付し、その説明を省略する。   FIG. 3 is a sectional view schematically showing a fuel cell according to the third embodiment of the present invention. In the current collector layer 20 of the fuel cell 300 according to the third embodiment, the member that forms the portion 20a that is the downstream portion of the reaction gas and is on the catalyst layer 3 side has a large porosity, and further, the reaction The member that forms the portion 20b on the separator 40 side as well as the upstream portion of the gas also has a large porosity. The member forming the part 20a functions as generated water discharge promoting means, and the member forming the part 20b functions as drying suppression means. On the other hand, in the current collector layer 20 of the fuel cell 300, members other than the portions 20a and 20b have a lower porosity than members forming the portions 20a and 20b. Therefore, the members constituting the portions 20a and 20b include the surface direction of the electrolyte / catalyst structure 4, and the direction in which the electrolyte / catalyst structure 4, the current collector layers 10 and 20, and the separators 30 and 40 should be stacked. In FIG. 2, the member is adjacent to only a member having a small porosity. Here, in FIG. 3, parts having the same configuration as in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

第３実施形態にかかる燃料電池３００をこのような構成とすることにより、空気は、集電体層２０の上流部において、大きな気孔率を有するように形成されているセパレータ４０側の部位２０ｂを流れやすくなる一方、小さな気孔率を有するように形成されている触媒層３の近傍は流れ難い。そのため、空気の上流部において、触媒層を介して電解質膜の水分が空気により持ち去られる量を低減することができる結果、空気の上流部における電解質膜の乾燥を抑制することが可能になる。   By configuring the fuel cell 300 according to the third embodiment in such a configuration, the air has a portion 20b on the separator 40 side formed to have a large porosity in the upstream portion of the current collector layer 20. While it becomes easy to flow, the vicinity of the catalyst layer 3 formed so as to have a small porosity is difficult to flow. As a result, the amount of moisture in the electrolyte membrane taken away by the air through the catalyst layer in the upstream portion of the air can be reduced. As a result, drying of the electrolyte membrane in the upstream portion of the air can be suppressed.

他方、空気は、集電体層２０の下流部において、小さな気孔率を有するように形成されているセパレータ４０の近傍よりも、大きな気孔率を有するように形成されている触媒層３側の部位２０ａを流れやすくなる。そのため、本実施形態にかかる燃料電池は、第１実施形態にかかる燃料電池と同様に、フラッディングを抑制することができる。したがって、第３実施形態にかかる燃料電池３００とすることで、電解質膜の乾燥及びフラッディングを抑制することにより発電効率を向上させることが可能な、燃料電池３００を提供することができる。   On the other hand, in the downstream portion of the current collector layer 20, the air is a portion on the catalyst layer 3 side that is formed to have a larger porosity than the vicinity of the separator 40 that is formed to have a small porosity. It becomes easy to flow 20a. Therefore, the fuel cell according to the present embodiment can suppress flooding in the same manner as the fuel cell according to the first embodiment. Therefore, the fuel cell 300 according to the third embodiment can provide the fuel cell 300 capable of improving the power generation efficiency by suppressing the drying and flooding of the electrolyte membrane.

なお、第３実施形態にかかる燃料電池は、反応ガスの上流部であるとともにセパレータ側である集電体層部位をなす部材、及び、反応ガスの下流部であるとともに触媒層側である集電体層部位をなす部材が大きな気孔率を有しており、これらの部位をなす部材が、それぞれ乾燥抑制手段及び生成水排出促進手段として機能していれば、図３に示す形態に限定されるものではない。   The fuel cell according to the third embodiment includes a member that forms a current collector layer portion on the separator side that is an upstream portion of the reaction gas, and a current collector that is a downstream portion of the reaction gas and is on the catalyst layer side. The members forming the body layer portions have a large porosity, and the members forming these portions are limited to the form shown in FIG. 3 as long as they function as the drying suppression means and the generated water discharge promoting means, respectively. It is not a thing.

図４は、第３実施形態にかかる本発明の燃料電池における他の態様を概略的に示す断面図である。図４に示すように、本実施形態にかかる燃料電池３５０の集電体層２０は、反応ガスの上流部から下流部にかけて徐々に触媒層へと近づくような形態で、大きな気孔率を有する部位２０ｃが形成されている。図４において、図１と同じ構成を採る部位については同じ符号を付し、その説明を省略する。
かかる形態の燃料電池３５０では、上記部位２０ｃをなす部材が、反応ガスの上流部では乾燥抑制手段として機能するとともに、反応ガスの下流部では生成水排出促進手段として機能することで、発電効率を向上させることが可能な燃料電池３５０とすることができる。 FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing another aspect of the fuel cell according to the third embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, the current collector layer 20 of the fuel cell 350 according to the present embodiment is a part having a large porosity in such a form that gradually approaches the catalyst layer from the upstream part to the downstream part of the reaction gas. 20c is formed. 4, parts having the same configuration as in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
In the fuel cell 350 of this form, the member forming the part 20c functions as a drying suppression unit in the upstream part of the reaction gas and functions as a generated water discharge promoting unit in the downstream part of the reaction gas, thereby improving the power generation efficiency. The fuel cell 350 can be improved.

本発明において、燃料電池１００、２００、３００、及び３５０が備える集電体層１０、２０を構成すべき物質は、導電性を有していれば特に限定されるものではないが、例えば、導電性を有する多孔質材料により形成することが好ましい。集電体層１０、２０をかかる多孔質材料により形成する場合、その多孔質材料は、特に限定されるものではなく、例えば、メッキ法、発泡法等により製造されるステンレス、チタン又はニッケル等の発泡金属、あるいは焼結金属、あるいはポーラスに形成されたカーボン等を使用することができる。   In the present invention, the material that constitutes the current collector layers 10 and 20 included in the fuel cells 100, 200, 300, and 350 is not particularly limited as long as it has conductivity. It is preferable to form with a porous material having properties. When the current collector layers 10 and 20 are formed of such a porous material, the porous material is not particularly limited. For example, stainless steel, titanium, nickel, or the like manufactured by a plating method, a foaming method, or the like is used. Foamed metal, sintered metal, carbon formed in porous, or the like can be used.

また、集電体層１０、２０に大きな気孔率を有する部位及び小さな気孔率を有する部位を設ける方法は、特に限定されるものではない。例えば、焼結金属からなる集電体層１０、２０とする場合には、大きな径を有する焼結体からなる部位と小さな径を有する焼結体からなる部位とを設けたうえで、焼結することにより、本発明にかかる集電体層１０、２０とすることができる。   The method of providing the current collector layers 10 and 20 with a portion having a large porosity and a portion having a small porosity is not particularly limited. For example, in the case of the current collector layers 10 and 20 made of sintered metal, sintering is performed after providing a portion made of a sintered body having a large diameter and a portion made of a sintered body having a small diameter. Thus, the current collector layers 10 and 20 according to the present invention can be obtained.

さらに、便宜上、各実施形態にかかる燃料電池の説明では、大きな気孔率を有する集電体層部位がカソード側にのみ配置されている形態について記載したが、当該集電体層の配置形態は、かかる形態に限定されるものではなく、アノード側のみに配置されている形態、又は、アノード側及びカソード側に配置されている形態であっても良い。ここで、燃料電池内部の電気化学反応により水が生成される場所は、カソード側の触媒層であるため、フラッディングを抑制することにより燃料電池の発電効率を向上させるという観点からは、少なくともカソード側の集電体層に大きな気孔率を有する部位を形成することが好ましい。   Furthermore, for convenience, in the description of the fuel cell according to each embodiment, the current collector layer portion having a large porosity is described only on the cathode side. It is not limited to such a form, The form arrange | positioned only at the anode side, or the form arrange | positioned at the anode side and the cathode side may be sufficient. Here, the place where water is generated by the electrochemical reaction inside the fuel cell is the catalyst layer on the cathode side. Therefore, from the viewpoint of improving the power generation efficiency of the fuel cell by suppressing flooding, at least the cathode side It is preferable to form a portion having a large porosity in the current collector layer.

加えて、上記実施形態にかかる説明では、単一層からなる集電体層１０、２０を備える燃料電池１００、２００、３００、及び、３５０を想定したが、本発明における集電体層１０、２０の形態は、単一層からなる形態に限定されるものではなく、二層以上の多層からなる形態であっても良い。集電体層１０、２０を二層以上からなる形態とする場合、集電体層を構成すべき層は、電解質・触媒構造体４、集電体層１０、２０、及び、セパレータ３０、４０の積層方向に積層することが好ましい。   In addition, in the description according to the above embodiment, the fuel cells 100, 200, 300, and 350 including the current collector layers 10 and 20 including a single layer are assumed. However, the current collector layers 10 and 20 in the present invention are assumed. The form is not limited to a form composed of a single layer, and may be a form composed of two or more layers. In the case where the current collector layers 10 and 20 are formed of two or more layers, the layers that constitute the current collector layer are the electrolyte / catalyst structure 4, the current collector layers 10 and 20, and the separators 30 and 40. It is preferable to laminate in the laminating direction.

第１実施形態にかかる本発明の燃料電池を概略的に示す断面図である。1 is a cross-sectional view schematically showing a fuel cell of the present invention according to a first embodiment. 第２実施形態にかかる本発明の燃料電池を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematically the fuel cell of this invention concerning 2nd Embodiment. 第３実施形態にかかる本発明の燃料電池を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematically the fuel cell of this invention concerning 3rd Embodiment. 第３実施形態にかかる本発明の燃料電池の他の態様を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematically the other aspect of the fuel cell of this invention concerning 3rd Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

１ 電解質
２、３ 触媒層
４ 電解質・触媒構造体
１０、２０ 集電体層
３０、４０ セパレータ
１００、２００、３００、３５０ 燃料電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electrolyte 2, 3 Catalyst layer 4 Electrolyte and catalyst structure 10, 20 Current collector layer 30, 40 Separator 100, 200, 300, 350 Fuel cell

Claims (3)

電解質及び前記電解質の両側に設けられる触媒層を備える電解質・触媒構造体と、前記電解質・触媒構造体の両側に設けられる集電体層と、前記集電体層の外側に設けられるセパレータと、を備える燃料電池であって、
前記集電体層には反応ガスが供給されるとともに、前記集電体層は生成水排出促進手段及び乾燥抑制手段を備え、
前記反応ガスの下流部であるとともに前記集電体層における前記触媒層側の部位を第１の部位、
前記反応ガスの下流部であるとともに前記集電体層における前記セパレータ側の部位を第２の部位、
前記反応ガスの上流部であるとともに前記集電体層における前記セパレータ側の部位を第３の部位、
前記反応ガスの上流部であるとともに前記集電体層における前記触媒層側の部位を第４の部位、とするとき、
前記第２の部位をなす部材及び前記第４の部位をなす部材よりも大きな気孔率を有する、前記第１の部位をなす部材が、前記生成水排出促進手段であり、
前記第２の部位をなす部材及び前記第４の部位をなす部材よりも大きな気孔率を有する、前記第３の部位をなす部材が、前記乾燥抑制手段であり、
前記反応ガスの供給口が前記第３の部位に開口しており、前記反応ガスの排出口が前記第１の部位に開口していることを特徴とする、燃料電池。 An electrolyte and a catalyst structure including a catalyst layer provided on both sides of the electrolyte and the electrolyte; a current collector layer provided on both sides of the electrolyte / catalyst structure; and a separator provided outside the current collector layer; A fuel cell comprising:
A reactive gas is supplied to the current collector layer, and the current collector layer includes generated water discharge promoting means and drying suppression means ,
The downstream part of the reaction gas and the part on the catalyst layer side in the current collector layer are the first part,
The second portion is a downstream portion of the reactive gas and the separator-side portion of the current collector layer,
The third portion is a portion on the separator side in the current collector layer that is an upstream portion of the reaction gas.
When the upstream portion of the reaction gas and the portion on the catalyst layer side in the current collector layer is a fourth portion,
The member forming the first part having a larger porosity than the member forming the second part and the member forming the fourth part is the generated water discharge promoting means,
The member constituting the third part, having a larger porosity than the member constituting the second part and the member constituting the fourth part, is the drying suppression means,
The fuel cell, wherein the reaction gas supply port is open to the third part, and the reaction gas discharge port is open to the first part . 前記集電体層に当接する前記セパレータの当接面は平面であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。 2. The fuel cell according to claim 1, wherein the contact surface of the separator that contacts the current collector layer is a flat surface. 前記集電体層は、発泡金属により形成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein the current collector layer is formed of a foam metal .
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