JP5339262B2 - Fuel cell - Google Patents

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    • Y02E60/50—Fuel cells

Description

本発明は、水素と酸素の電気化学反応により発電する燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen.

近年、エネルギー変換効率が高く、かつ、発電反応により有害物質を発生しない燃料電池が注目を浴びている。こうした燃料電池の一つとして、１００℃以下の低温で作動する固体高分子形燃料電池が知られている。   In recent years, fuel cells that have high energy conversion efficiency and do not generate harmful substances due to power generation reactions have attracted attention. As one of such fuel cells, a polymer electrolyte fuel cell that operates at a low temperature of 100 ° C. or lower is known.

固体高分子形燃料電池は、電解質膜である固体高分子膜を燃料極と空気極との間に配した基本構造を有し、燃料極に水素を含む燃料ガス、空気極に酸素を含む酸化剤ガスを供給し、以下の電気化学反応により発電する装置である。   A polymer electrolyte fuel cell has a basic structure in which a polymer electrolyte membrane, which is an electrolyte membrane, is disposed between a fuel electrode and an air electrode. The fuel electrode contains hydrogen and the air electrode contains oxygen. It is a device that supplies the agent gas and generates power by the following electrochemical reaction.

燃料極：Ｈ２→２Ｈ＋+２ｅ− ・・・・（１）
空気極：１／２Ｏ２+２Ｈ＋+２ｅ−→Ｈ２Ｏ・・・・（２）
アノードおよびカソードは、それぞれ触媒層とガス拡散層が積層した構造からなる。各電極の触媒層が固体高分子膜を挟んで対向配置され、燃料電池を構成する。触媒層は、触媒を担持した炭素粒子がイオン交換樹脂により結着されてなる層である。ガス拡散層は酸化剤ガスや燃料ガスの通過経路となる。 The fuel electrode: H 2 → 2H + + 2e - ···· (1)
Cathode: 1 / 2O 2 + 2H + + 2e - → H 2 O ···· (2)
The anode contact and cathode catalyst layer and a gas diffusion layer, respectively made of the structure stack. The catalyst layers of the electrodes are arranged opposite to each other with the solid polymer film interposed therebetween, thereby constituting a fuel cell. The catalyst layer is a layer formed by binding carbon particles carrying a catalyst with an ion exchange resin. The gas diffusion layer becomes a passage for the oxidant gas and the fuel gas.

アノードにおいては、供給された燃料中に含まれる水素が上記式（１）に示されるように水素イオンと電子に分解される。このうち水素イオンは固体高分子電解質膜の内部を空気極に向かって移動し、電子は外部回路を通って空気極に移動する。一方、カソードにおいては、カソードに供給された酸化剤ガスに含まれる酸素が燃料極から移動してきた水素イオンおよび電子と反応し、上記式（２）に示されるように水が生成する。このように、外部回路では燃料極から空気極に向かって電子が移動するため、電力が取り出される（特許文献１参照）。
特開２００２−２０３５６９号公報 At the anode, hydrogen contained in the supplied fuel is decomposed into hydrogen ions and electrons as shown in the above formula (1). Among these, hydrogen ions move inside the solid polymer electrolyte membrane toward the air electrode, and electrons move to the air electrode through an external circuit. On the other hand, in the cathode, oxygen contained in the oxidant gas supplied to the cathode reacts with hydrogen ions and electrons that have moved from the fuel electrode, and water is generated as shown in the above formula (2). Thus, in the external circuit, electrons move from the fuel electrode toward the air electrode, so that electric power is taken out (see Patent Document 1).
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-20369

燃料電池を停止し、アノードへの燃料ガスの供給が止まると、アノード側に空気が混入してくる。この状態で燃料電池を再起動すると、燃料ガスの濃度が高い上流側では、電解質膜を介してアノードからカソードへプロトンが伝導する。一方、混入空気により燃料ガスの濃度が低い状態の下流側では、カソードにおいて下記式の反応が進行し、カソードからアノードへプロトンが伝導し、逆電流（リバースカレント）が流れる。   When the fuel cell is stopped and the supply of fuel gas to the anode is stopped, air enters the anode side. When the fuel cell is restarted in this state, protons are conducted from the anode to the cathode via the electrolyte membrane on the upstream side where the concentration of the fuel gas is high. On the other hand, on the downstream side where the concentration of the fuel gas is low due to the mixed air, the reaction of the following formula proceeds at the cathode, protons are conducted from the cathode to the anode, and a reverse current flows.

Ｃ＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−
これにより、カソードに使用される触媒担持用の炭素粒子の腐食が進行し、電池性能の劣化、短寿命化を招いてしまう。 C + 2H 2 O → CO 2 + 4H + + 4e −
As a result, corrosion of the carbon particles for supporting the catalyst used for the cathode proceeds, leading to deterioration of battery performance and shortening of the service life.

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池を再起動する際に生じるリバースカレントを抑制することのできる技術の提供にある。   The present invention has been made in view of these problems, and an object thereof is to provide a technique capable of suppressing a reverse current generated when the fuel cell is restarted.

本発明のある態様は、燃料電池である。当該燃料電池は、電解質膜と、電解質膜の一方の側に設けられたアノードと、電解質膜の他方の側に設けられたカソードと、電解質膜とアノードとの間および／または電解質膜とカソードとの間に、発電開始時の動作条件において電解質膜よりイオン伝導性が低いリバースカレント抑制層と、を備え、前記リバースカレント抑制層は連続膜であることを特徴とする。 One embodiment of the present invention is a fuel cell. The fuel cell includes an electrolyte membrane, an anode provided on one side of the electrolyte membrane, a cathode provided on the other side of the electrolyte membrane, and between the electrolyte membrane and the anode and / or the electrolyte membrane and the cathode. And a reverse current suppression layer having ion conductivity lower than that of the electrolyte membrane under operating conditions at the start of power generation , wherein the reverse current suppression layer is a continuous film .

この態様によれば、発電開始時の動作条件においてアノードとカソードとの間に逆電流が流れることが抑制される。この結果、リバースカレントに起因する燃料電池の触媒層の劣化、短寿命化を抑制し、燃料電池の長寿命化を図ることができる。   According to this aspect, it is possible to suppress a reverse current from flowing between the anode and the cathode under the operating conditions at the start of power generation. As a result, it is possible to suppress the deterioration and shortening of the life of the catalyst layer of the fuel cell due to the reverse current and to extend the life of the fuel cell.

上記態様の燃料電池において、リバースカレント抑制層は、発電開始時の低加湿条件下において、電解質膜よりイオン伝導性が低くてもよい。   In the fuel cell of the above aspect, the reverse current suppression layer may have lower ionic conductivity than the electrolyte membrane under low humidification conditions at the start of power generation.

また、上記いずれかの態様の燃料電池において、リバースカレント抑制層は、電解質膜の全体を被覆していてもよい。   In the fuel cell of any one of the above aspects, the reverse current suppression layer may cover the entire electrolyte membrane.

また、上記いずれかの態様の燃料電池において、リバースカレント抑制層は、アノードに供給される燃料ガスの流れの下流側に位置する電解質膜の一部を被覆していてもよい。   In the fuel cell according to any one of the above aspects, the reverse current suppression layer may cover a part of the electrolyte membrane located on the downstream side of the flow of the fuel gas supplied to the anode.

本発明によれば、燃料電池に燃料ガスを再供給する際に、アノードに空気が残存することによって生じるリバースカレントを抑制することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, when supplying fuel gas to a fuel cell again, the reverse current which arises when air remains in an anode can be suppressed.

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

（実施の形態）
図１は、実施の形態に係る燃料電池１０の構造を模式的に示す斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ線上の断面図である。燃料電池１０は、平板状のセル５０を備え、このセル５０の両側にはセパレータ３４およびセパレータ３６が設けらている。この例では一つのセル５０のみを示すが、セパレータ３４やセパレータ３６を介して複数のセル５０を積層して、燃料電池１０が構成されてもよい。セル５０は、固体高分子電解質膜２０、アノード２２、カソード２４およびリバースカレント抑制層６０とを有する。アノード２２は、触媒層２６およびガス拡散層２８からなる積層体を有する。同様に、カソード２４は、触媒層３０およびガス拡散層３２からなる積層体を有する。アノード２２の触媒層２６とカソード２４の触媒層３０は、固体高分子電解質膜２０を挟んで対向するように設けられている。また、本実施の形態の燃料電池１０では、リバースカレント抑制層６０がカソード２４と固体高分子電解質膜２０との間に設けられており、リバースカレント抑制層６０により固体高分子電解質膜２０の全体が被覆されている。 (Embodiment)
FIG. 1 is a perspective view schematically showing the structure of a fuel cell 10 according to an embodiment. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. The fuel cell 10 includes a flat cell 50, and a separator 34 and a separator 36 are provided on both sides of the cell 50. Although only one cell 50 is shown in this example, the fuel cell 10 may be configured by stacking a plurality of cells 50 via the separator 34 or the separator 36. The cell 50 includes a solid polymer electrolyte membrane 20, an anode 22, a cathode 24, and a reverse current suppression layer 60. The anode 22 has a laminate composed of a catalyst layer 26 and a gas diffusion layer 28. Similarly, the cathode 24 has a laminate composed of a catalyst layer 30 and a gas diffusion layer 32. The catalyst layer 26 of the anode 22 and the catalyst layer 30 of the cathode 24 are provided to face each other with the solid polymer electrolyte membrane 20 interposed therebetween. Further, in the fuel cell 10 of the present embodiment, the reverse current suppression layer 60 is provided between the cathode 24 and the solid polymer electrolyte membrane 20, and the entire solid polymer electrolyte membrane 20 is formed by the reverse current suppression layer 60. Is covered.

アノード２２側に設けられるセパレータ３４にはガス流路３８が設けられている。燃料供給用のマニホールド（図示せず）から燃料ガスがガス流路３８に分配され、ガス流路３８を通じてセル５０に燃料ガスが供給される。同様に、カソード２４側に設けられるセパレータ３６にはガス流路４０が設けられている。酸化剤供給用のマニホールド（図示せず）から酸化剤ガスがガス流路４０に分配され、ガス流路４０を通じてセル５０に酸化剤ガスが供給される。具体的には、燃料電池１０の運転時、燃料ガス、例えば水素ガスがガス流路３８内をガス拡散層２８の表面に沿って上方から下方へ流通することにより、アノード２２に燃料ガスが供給される。一方、燃料電池１０の運転時、酸化剤ガス、たとえば、空気がガス流路４０内をガス拡散層３２の表面に沿って上方から下方へ流通することにより、カソード２４に酸化剤ガスが供給される。これにより、セル５０内で反応が生じる。ガス拡散層２８を介して触媒層２６に水素ガスが供給されると、ガス中の水素がプロトンとなり、このプロトンが固体高分子電解質膜２０中をカソード２４側へ移動する。このとき放出される電子は外部回路に移動し、外部回路からカソード２４に流れ込む。一方、ガス拡散層３２を介して触媒層３０に空気が供給されると、酸素がプロトンと結合して水となる。この結果、外部回路においてはアノード２２からカソード２４に向かって電子が流れることとなり、電力を取り出すことができる。   A gas flow path 38 is provided in the separator 34 provided on the anode 22 side. Fuel gas is distributed to a gas flow path 38 from a fuel supply manifold (not shown), and the fuel gas is supplied to the cell 50 through the gas flow path 38. Similarly, a gas flow path 40 is provided in the separator 36 provided on the cathode 24 side. An oxidant gas is distributed to the gas flow path 40 from an oxidant supply manifold (not shown), and the oxidant gas is supplied to the cell 50 through the gas flow path 40. Specifically, during operation of the fuel cell 10, fuel gas, for example, hydrogen gas, flows from the upper side to the lower side along the surface of the gas diffusion layer 28 in the gas flow path 38, thereby supplying the fuel gas to the anode 22. Is done. On the other hand, during operation of the fuel cell 10, an oxidant gas, for example, air flows through the gas flow path 40 from the upper side to the lower side along the surface of the gas diffusion layer 32, whereby the oxidant gas is supplied to the cathode 24. The Thereby, a reaction occurs in the cell 50. When hydrogen gas is supplied to the catalyst layer 26 via the gas diffusion layer 28, hydrogen in the gas becomes protons, and these protons move through the solid polymer electrolyte membrane 20 to the cathode 24 side. At this time, the emitted electrons move to the external circuit and flow into the cathode 24 from the external circuit. On the other hand, when air is supplied to the catalyst layer 30 through the gas diffusion layer 32, oxygen is combined with protons to become water. As a result, electrons flow from the anode 22 toward the cathode 24 in the external circuit, and power can be taken out.

固体高分子電解質膜２０は、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示し、アノード２２およびカソード２４の間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能する。固体高分子電解質膜２０は、含フッ素重合体や非フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成され、例えば、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例として、ナフィオン（デュポン社製：登録商標）１１２などがあげられる。また、非フッ素重合体の例として、スルホン化された、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホンなどが挙げられる。   The solid polymer electrolyte membrane 20 exhibits good ion conductivity in a wet state, and functions as an ion exchange membrane that moves protons between the anode 22 and the cathode 24. The solid polymer electrolyte membrane 20 is formed of a solid polymer material such as a fluorine-containing polymer or a non-fluorine polymer. A fluorocarbon polymer or the like can be used. Examples of the sulfonic acid type perfluorocarbon polymer include Nafion (manufactured by DuPont: registered trademark) 112. Examples of non-fluorine polymers include sulfonated aromatic polyetheretherketone and polysulfone.

アノード２２を構成する触媒層２６は、イオン交換樹脂と、触媒を担持した炭素粒子すなわち触媒担持炭素粒子とから構成される。イオン交換樹脂は、触媒を担持した炭素粒子と固体高分子電解質膜２０を接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を持つ。イオン交換樹脂は、固体高分子電解質膜２０と同様の高分子材料から形成されてよい。担持される触媒には、例えば白金、ルテニウム、ロジウム、パラジウムなどの１種または２種を合金化したものなどがある。また触媒を担持する炭素粒子には、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノオニオンなどがある。   The catalyst layer 26 constituting the anode 22 is composed of an ion exchange resin and carbon particles carrying a catalyst, that is, catalyst-carrying carbon particles. The ion exchange resin has a role of transmitting protons between the carbon particles carrying the catalyst and the solid polymer electrolyte membrane 20 connected to each other. The ion exchange resin may be formed of the same polymer material as the solid polymer electrolyte membrane 20. Examples of the supported catalyst include those obtained by alloying one or two of platinum, ruthenium, rhodium, palladium and the like. Examples of the carbon particles supporting the catalyst include acetylene black, ketjen black, carbon nanotube, and carbon nano-onion.

アノード２２を構成するガス拡散層２８は、アノードガス拡散基材、およびアノードガス拡散基材に塗布された微細孔層を有する。アノードガス拡散基材は、電子伝導性を有する多孔体で構成されることが好ましく、たとえばカーボンペーパー、カーボンの織布または不織布などを用いることができる。   The gas diffusion layer 28 constituting the anode 22 has an anode gas diffusion base material and a microporous layer applied to the anode gas diffusion base material. The anode gas diffusion base material is preferably composed of a porous body having electron conductivity, and for example, carbon paper, carbon woven fabric or nonwoven fabric can be used.

アノードガス拡散基材に塗布された微細孔層は、導電性粉末と撥水剤とを混練して得られるペースト状の混練物である。導電性粉末としては、たとえば、カーボンブラックを用いることができる。また、撥水剤としては、四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）などのフッ素系樹脂を用いることができる。なお、撥水剤は結着性を有することがこのましい。ここで、結着性とは、粘りの少ないものやくずれやすいものをつなぎ合わせ、粘りのあるもの（状態）にすることができる性質をいう。撥水剤が結着性を有することにより、導電性粉末と撥水剤とを混練することにより、ペーストを得ることができる。   The microporous layer applied to the anode gas diffusion base material is a paste-like kneaded product obtained by kneading a conductive powder and a water repellent. For example, carbon black can be used as the conductive powder. As the water repellent, a fluorine resin such as tetrafluoroethylene resin (PTFE) can be used. It is preferable that the water repellent has a binding property. Here, the binding property refers to a property that can be made sticky (state) by joining things that are less sticky or those that tend to break apart. Since the water repellent has binding properties, a paste can be obtained by kneading the conductive powder and the water repellent.

カソード２４を構成する触媒層３０は、イオン交換樹脂と、触媒を担持した炭素粒子すなわち触媒担持炭素粒子とから構成される。イオン交換樹脂は、触媒を担持した炭素粒子と固体高分子電解質膜２０を接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を持つ。イオン交換樹脂は、固体高分子電解質膜２０と同様の高分子材料から形成されてよい。担持される触媒には、例えば白金、ルテニウム、ロジウム、パラジウムなどの１種または２種を合金化したものなどがある。また触媒を担持する炭素粒子には、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノオニオンなどがある。   The catalyst layer 30 constituting the cathode 24 is composed of an ion exchange resin and carbon particles carrying a catalyst, that is, catalyst-carrying carbon particles. The ion exchange resin has a role of transmitting protons between the carbon particles carrying the catalyst and the solid polymer electrolyte membrane 20 connected to each other. The ion exchange resin may be formed of the same polymer material as the solid polymer electrolyte membrane 20. Examples of the supported catalyst include those obtained by alloying one or two of platinum, ruthenium, rhodium, palladium and the like. Examples of the carbon particles supporting the catalyst include acetylene black, ketjen black, carbon nanotube, and carbon nano-onion.

カソード２４を構成するガス拡散層３２は、カソードガス拡散基材、およびカソードガス拡散基材に塗布された微細孔層を有する。カソードガス拡散基材は、電子伝導性を有する多孔体で構成されることが好ましく、たとえばカーボンペーパー、カーボンの織布または不織布などを用いることができる。   The gas diffusion layer 32 constituting the cathode 24 has a cathode gas diffusion base material and a microporous layer applied to the cathode gas diffusion base material. The cathode gas diffusion base material is preferably composed of a porous body having electron conductivity, and for example, carbon paper, carbon woven fabric or nonwoven fabric can be used.

カソードガス拡散基材に塗布された微細孔層は、導電性粉末と撥水剤とを混練して得られるペースト状の混練物である。導電性粉末としては、たとえば、カーボンブラックを用いることができる。また、撥水剤としては、四フッ化エチレン樹脂などのフッ素系樹脂を用いることができる。なお、撥水剤は結着性を有することがこのましい。撥水剤が結着性を有することにより、導電性粉末と撥水剤とを混練することにより、ペーストを得ることができる。   The microporous layer applied to the cathode gas diffusion substrate is a paste-like kneaded product obtained by kneading a conductive powder and a water repellent. For example, carbon black can be used as the conductive powder. Further, as the water repellent, a fluorine resin such as tetrafluoroethylene resin can be used. It is preferable that the water repellent has a binding property. Since the water repellent has binding properties, a paste can be obtained by kneading the conductive powder and the water repellent.

リバースカレント抑制層６０は、通常発電時に比べて湿度が低い低加湿状態において固体高分子電解質膜２０に比べてプロトン伝導性が低く、発電時の加湿状態では、固体高分子電解質膜２０と同様なプロトン伝導性を示すプロトン伝導体で形成される。このような湿度依存性を有するプロトン伝導体として、酸化タングステン、ＺｒＯ２・ｎＨ２Ｏ、ＳｎＯ２・ｎＨ２Ｏ、Ｎａ−オクトシリケートなどが挙げられる。燃料電池１０の再起動時のように、発電時に比べて湿度が低い状態では、リバースカレント抑制層６０により、アノード２２とカソード２４との間に逆電流が流れることが抑制される。この結果、カソード２４の炭素粒子が腐食されることが抑制されるので、燃料電池１０の動作安定性および耐久性を向上させることができる。
The reverse current suppression layer 60 has lower proton conductivity than the solid polymer electrolyte membrane 20 in a low humidified state where the humidity is lower than that during normal power generation, and is similar to the solid polymer electrolyte membrane 20 in a humidified state during power generation. It is formed of a proton conductor exhibiting proton conductivity. Examples of the proton conductor having such humidity dependence include tungsten oxide, ZrO 2 · nH 2 O, SnO 2 · nH 2 O, and Na-octosilicate. When the humidity is lower than that during power generation, such as when the fuel cell 10 is restarted, the reverse current suppression layer 60 prevents reverse current from flowing between the anode 22 and the cathode 24. As a result, the carbon particles of the cathode 24 are prevented from being corroded, so that the operational stability and durability of the fuel cell 10 can be improved.

リバースカレント抑制層６０は、連続膜であることが好ましい。これにより、リバースカレント抑制層６０の面全体で抑制されるため、局所的にプロトン伝導が阻害されずにプロトンが通過し、プロトンが通過した箇所でカソードが腐食することが抑制される。   The reverse current suppression layer 60 is preferably a continuous film. Thereby, since it suppresses on the whole surface of the reverse current suppression layer 60, a proton passes locally without being inhibited, and it is controlled that a cathode corrodes in the part where the proton passed.

リバースカレント抑制層６０の膜厚は、連続膜を形成し、かつ抵抗値に過度に影響を与えない範囲であればよく、たとえば、０．５μｍから１０μｍとすることができる。   The film thickness of the reverse current suppression layer 60 may be a range that forms a continuous film and does not excessively affect the resistance value, and can be, for example, 0.5 μm to 10 μm.

上述した実施の形態のリバースカレント抑制層６０は、湿度依存性の違いを利用して、燃料電池を再起動する際に生じるリバースカレントを抑制しているが、リバースカレント抑制層６０は、燃料電池の通常運転時には、固体高分子電解質膜２０と同様なプロトン伝導性を示し、燃料電池の再起動時には、固体高分子電解質膜２０に比べて低いプロトン伝導性を示す薄膜であればよい。たとえば、燃料電池の通常運転時の温度は約７０〜８０℃であるのに対して、燃料電池の再起動時の温度は室温に近い。このため、リバースカレント抑制層６０として、燃料電池の通常運転時の温度条件下では、固体高分子電解質膜２０と同様なプロトン伝導性を示し、燃料電池の再起動時の温度条件下では、固体高分子電解質膜２０に比べて低いプロトン伝導性を示すようなプロトン伝導度の温度依存性を有する薄膜を用いてもよい。   The reverse current suppression layer 60 of the above-described embodiment suppresses the reverse current that occurs when the fuel cell is restarted by utilizing the difference in humidity dependence, but the reverse current suppression layer 60 is a fuel cell. During normal operation, a thin film that exhibits proton conductivity similar to that of the solid polymer electrolyte membrane 20 and that exhibits lower proton conductivity than the solid polymer electrolyte membrane 20 when the fuel cell is restarted may be used. For example, the temperature during normal operation of the fuel cell is about 70 to 80 ° C., whereas the temperature when the fuel cell is restarted is close to room temperature. For this reason, the reverse current suppression layer 60 exhibits proton conductivity similar to that of the solid polymer electrolyte membrane 20 under temperature conditions during normal operation of the fuel cell, and is solid under temperature conditions during restart of the fuel cell. A thin film having temperature dependence of proton conductivity that exhibits lower proton conductivity than the polymer electrolyte membrane 20 may be used.

この他、リバースカレント抑制層６０として、燃料電池の通常運転時の水素濃度条件下（水素濃度が高い状態）では、固体高分子電解質膜２０と同様なプロトン伝導性を示し、燃料電池の再起動時、または燃料ガスの再供給時の温度条件下（水素濃度が低い状態）では、固体高分子電解質膜２０に比べて低いプロトン伝導性を示すようなプロトン伝導度の水素濃度依存性を有する薄膜を用いてもよい。   In addition, the reverse current suppression layer 60 exhibits proton conductivity similar to that of the solid polymer electrolyte membrane 20 under the hydrogen concentration condition during normal operation of the fuel cell (high hydrogen concentration state), and restarts the fuel cell. A thin film having proton concentration dependence of proton conductivity that exhibits lower proton conductivity than that of the solid polymer electrolyte membrane 20 at the time of temperature or when the fuel gas is re-supplied (in a state where the hydrogen concentration is low) May be used.

また、上述した実施の形態では、固体高分子電解質膜２０の全体がリバースカレント抑制層６０によって被覆されているが、固体高分子電解質膜２０の被覆状態はこれに限られない。たとえば、図３に示す燃料電池１０のように、固体高分子電解質膜２０が部分的にリバースカレント抑制層６０によって被覆されていてもよい。この場合、リバースカレント抑制層６０による被覆領域は、アノード２２に供給される燃料ガスの流れの下流側であることが望ましく、アノード２２の下流側半分であることがより望ましい。これによれば、燃料電池１０の再起動時に、燃料ガスの流れの上流側においてイオン伝導性を維持しつつ、アノード２２に滞留した空気が押し出される燃料ガスの流れの下流側において、逆電流を抑制することができる。   In the above-described embodiment, the entire solid polymer electrolyte membrane 20 is covered with the reverse current suppression layer 60, but the covering state of the solid polymer electrolyte membrane 20 is not limited to this. For example, like the fuel cell 10 shown in FIG. 3, the solid polymer electrolyte membrane 20 may be partially covered with the reverse current suppression layer 60. In this case, the region covered by the reverse current suppression layer 60 is desirably downstream of the flow of the fuel gas supplied to the anode 22, and more desirably downstream of the anode 22. According to this, when the fuel cell 10 is restarted, while maintaining ionic conductivity on the upstream side of the flow of the fuel gas, a reverse current is applied on the downstream side of the flow of the fuel gas from which the air retained in the anode 22 is pushed out. Can be suppressed.

また、リバースカレント抑制層６０を固体高分子電解質膜２０とカソード２４との間ではなく、固体高分子電解質膜２０とアノード２２との間に設けてもよい。これによっても、上述したように、燃料電池の再起動時、または燃料ガスの再供給時における逆電流を抑制することができる。また、リバースカレント抑制層６０を固体高分子電解質膜２０とカソード２４との間、および固体高分子電解質膜２０とアノード２２との間の両方に設けてもよい。これによれば、燃料電池の再起動時、または燃料ガスの再供給時における逆電流をより確実に抑制することができる。   Further, the reverse current suppression layer 60 may be provided not between the solid polymer electrolyte membrane 20 and the cathode 24 but between the solid polymer electrolyte membrane 20 and the anode 22. This also can suppress the reverse current when the fuel cell is restarted or when the fuel gas is resupplied as described above. Further, the reverse current suppression layer 60 may be provided both between the solid polymer electrolyte membrane 20 and the cathode 24 and between the solid polymer electrolyte membrane 20 and the anode 22. According to this, it is possible to more reliably suppress the reverse current when the fuel cell is restarted or when the fuel gas is resupplied.

本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications such as design changes can be added based on the knowledge of those skilled in the art. The form can also be included in the scope of the present invention.

実施の形態に係る燃料電池の構造を模式的に示す斜視図である。1 is a perspective view schematically showing the structure of a fuel cell according to an embodiment. 図１のＡ−Ａ線上の断面図である。It is sectional drawing on the AA line of FIG. 変形例に係る燃料電池の構造を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the fuel cell which concerns on a modification.

符号の説明Explanation of symbols

１０ 燃料電池、２０ 固体高分子電解質膜、２２ アノード、２４ カソード、２６、３０ 触媒層、２８、３２ ガス拡散層、３４、３６ セパレータ、５０ セル、６０ リバースカレント抑制層。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell, 20 Solid polymer electrolyte membrane, 22 Anode, 24 Cathode, 26, 30 Catalyst layer, 28, 32 Gas diffusion layer, 34, 36 Separator, 50 cell, 60 Reverse current suppression layer.

Claims (4)

電解質膜と、
前記電解質膜の一方の側に設けられたアノードと、
前記電解質膜の他方の側に設けられたカソードと、
前記電解質膜と前記アノードとの間および／または前記電解質膜と前記カソードとの間に、発電時の加湿状態では前記電解質膜と同様なプロトン伝導性を示し、発電開始時の動作条件において前記電解質膜よりイオン伝導性が低い、ＳｎＯ ２ ・ｎＨ ２ ＯまたはＮａ−オクトシリケートで構成されるリバースカレント抑制層と、を備え、前記リバースカレント抑制層は連続膜であることを特徴とする燃料電池。 An electrolyte membrane;
An anode provided on one side of the electrolyte membrane;
A cathode provided on the other side of the electrolyte membrane;
The electrolyte membrane and the anode and / or the electrolyte membrane and the cathode exhibit proton conductivity similar to that of the electrolyte membrane in a humidified state during power generation , and the electrolyte under operating conditions at the start of power generation And a reverse current suppression layer composed of SnO 2 · nH 2 O or Na -octosilicate having lower ion conductivity than the membrane, wherein the reverse current suppression layer is a continuous membrane. 前記リバースカレント抑制層は、発電開始時の低加湿条件下において、前記電解質膜よりイオン伝導性が低い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 reverse current suppression layer has lower ionic conductivity than the electrolyte membrane under low humidification conditions at the start of power generation. 前記リバースカレント抑制層は、前記電解質膜の全体を被覆していることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, wherein the reverse current suppression layer covers the entire electrolyte membrane. 前記リバースカレント抑制層は、前記アノードに供給される燃料ガスの流れの下流側に位置する前記電解質膜の一部を被覆していることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。   3. The fuel cell according to claim 1, wherein the reverse current suppression layer covers a part of the electrolyte membrane located downstream of a flow of fuel gas supplied to the anode.
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07135004A (en) * 1993-11-12 1995-05-23 Toyota Motor Corp Solid high molecular electrolytic film and fuel cell
JPH07235318A (en) * 1993-12-27 1995-09-05 Tokyo Electric Power Co Inc:The Fuel cell
JP4090108B2 (en) * 1997-04-04 2008-05-28 旭化成ケミカルズ株式会社 Membrane / electrode assembly for polymer electrolyte fuel cells
JP4969025B2 (en) * 2004-01-30 2012-07-04 三菱重工業株式会社 Membrane electrode for fuel cell and fuel cell
JP2006054165A (en) * 2004-07-15 2006-02-23 Honda Motor Co Ltd Polymer fuel electrolyte cell and manufacturing method of polymer electrolyte fuel cell
JP2006059756A (en) * 2004-08-23 2006-03-02 Toyota Motor Corp Solid polyelectrolyte film and polymer electrolyte fuel cell using the same, and their manufacturing method
JP2006236631A (en) * 2005-02-22 2006-09-07 Nissan Motor Co Ltd Polymer electrolyte fuel cell and vehicle mounting the same

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