JP6225451B2 - 膜電極接合体、および、固体高分子形燃料電池 - Google Patents
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Description
本開示の技術における膜電極接合体の他の態様は、前記加湿部は、前記支持体における前記電解質層と接触する面の少なくとも一部に、水分を保持することの可能な多孔質部を備える。
本開示の技術における膜電極接合体の他の態様は、前記支持体は、前記多孔質部を支持する基材を備え、前記基材における前記多孔質部と接触する面には、水分を外部から受け入れることの可能な溝が形成され、前記加湿部は、前記溝を備える。
上記構成によれば、固体高分子形燃料電池にて、電解質膜の湿度を高めることができる。したがって、低加湿条件下における固体高分子形燃料電池の出力特性の低下を抑えられる。
図1〜図4を参照して、膜電極接合体、および、固体高分子形燃料電池の第1の実施形態について説明する。
図1に示されるように、膜電極接合体10Aは、電解質層としての高分子電解質膜11と、高分子電解質膜11に積層された燃料極触媒層12および空気極触媒層13と、高分子電解質膜11を支持する支持体としての基材14とを備えている。
図2に示されるように、溝15は、1つの連続した水路である。溝15は、基材面14aを囲む4つの縁部のうち、1組の平行な縁部の間を横断している。溝15は、基材面14aの面内にて、複数回、屈曲している。基材14の端面に開口した溝15の一方の端部が、水の流入口15aとなる。基材14の端面に開口した溝15の他方の端部が、水の流出口15bとなる。すなわち、溝15は、水を外部から受け入れることが可能に構成されている。
高分子電解質膜11の平坦面11a上には、1つの燃料極触媒層12と1つの空気極触媒層13とが配置されている。燃料極触媒層12と空気極触媒層13との間には、隙間が設けられている。燃料極触媒層12と空気極触媒層13との間の隙間には、高分子電解質膜11の平坦面11aが露出している。空気極触媒層13の縁部と対向しない燃料極触媒層12の縁部は、高分子電解質膜11の縁部と重なっている。また、燃料極触媒層12の縁部と対向しない空気極触媒層13の縁部は、高分子電解質膜11の縁部と重なっている。
まず、任意の基材上に高分子電解質膜11が成膜される。高分子電解質膜11は、イオン伝導性を有する膜であればよい。高分子電解質膜11の材料の例として、Nafion(デュポン社製、登録商標)等のフッ素系樹脂や、エンジニアリングプラスチック、または、エンジニアリングプラスチックの共重合体にスルホン酸基を導入した樹脂等の炭化水素系樹脂等が挙げられる。
膜電極接合体10Aにて、基材14における高分子電解質膜11と接触する基材面14aには、溝15が形成されている。流入口15aから流出口15bに向けて、溝15に水が流されると、溝15に面している高分子電解質膜11が、溝15内の水を吸収する。これにより、高分子電解質膜11が加湿される。
なお、第1の実施形態では、溝15が加湿部を構成する。
(1)基材14が、高分子電解質膜11の厚さ方向にて、高分子電解質膜11に対して触媒層12,13と反対側に配置され、基材14から高分子電解質膜11に加湿が行われる。したがって、高分子電解質膜11の平坦面11bに対して直接的に加湿を行うことができるため、高分子電解質膜11の湿度を高めることができる。また、触媒層12,13へのガスの供給を妨げることなく、高分子電解質膜11の加湿を行うことができる。
図5および図6を参照して、膜電極接合体、および、固体高分子形燃料電池の第2の実施形態について説明する。なお、第1の実施形態と第2の実施形態とは、膜電極接合体における支持体の構成が異なっているため、以下では、支持体の構成について説明し、第1の実施形態と同様の構成については同じ符号を付してその説明を省略する。
図6に示されるように、多孔質部32の平面形状は、高分子電解質膜11の平面形状と同形に形成されている。したがって、多孔質部32は、高分子電解質膜11の平坦面11bの全面と接している。
膜電極接合体10Bにて、支持体30の支持面30aのうちの高分子電解質膜11と接触する部分が多孔質部32から構成されている。供給路33から多孔質部32に水が供給されると、水は多孔質部32を浸透し、多孔質部32から高分子電解質膜11に水が供給される。これにより、高分子電解質膜11が加湿される。
また、多孔質部32からは、高分子電解質膜11に対して水が徐々に供給されるため、高分子電解質膜11を一定の速さで均一に加湿し続けることができる。さらに、多孔質部32が高分子電解質膜11の平坦面11bの全面と接しているため、高分子電解質膜11の全体を均一に加湿することができる。また、第1の実施形態と比較して、高分子電解質膜11が溝の角部と接しないため、高分子電解質膜11の傷みを抑えられる。
以上説明したように、第2の実施形態によれば、第1の実施形態の(1)の効果に加えて、以下の効果が得られる。
図7および図8を参照して、膜電極接合体、および、固体高分子形燃料電池の第3の実施形態について説明する。なお、第1の実施形態と第3の実施形態とは、膜電極接合体における支持体の構成が異なっているため、以下では、支持体の構成について説明し、第1の実施形態と同様の構成については同じ符号を付してその説明を省略する。
図8に示されるように、溝43は、第1の実施形態における溝15と同様の形状に形成されている。多孔質部42の平面形状は、高分子電解質膜11の平面形状と同形に形成されている。溝43は、基材41における凹部41aの底面41bが高分子電解質膜11と接する範囲内に、均等に配置されている。多孔質部42は、高分子電解質膜11の平坦面11bの全面と接している。
膜電極接合体10Cにて、支持体40の支持面40aのうちの高分子電解質膜11と接触する部分が多孔質部42から構成されている。そして、基材41における多孔質部42と接触する面には、溝43が形成されている。溝43に水が流されると、溝43に面している多孔質部42が、溝43内の水を吸収する。多孔質部42が吸収した水は多孔質部32を浸透し、多孔質部32から高分子電解質膜11に水が供給される。これにより、高分子電解質膜11が加湿される。
また、多孔質部42からは、高分子電解質膜11に対して水が徐々に供給されるため、高分子電解質膜11を一定の速さで均一に加湿し続けることができる。さらに、多孔質部42が高分子電解質膜11の平坦面11bの全面と接しているため、高分子電解質膜11の全体を均一に加湿することができる。また、第1の実施形態と比較して、高分子電解質膜11が溝の角部と接しないため、高分子電解質膜11の傷みを抑えられる。さらに、多孔質部42への水の供給が、多孔質部42の下面の全体に対して行われるため、多孔質部42への水の供給を均一に効率よく行うことができる。
以上説明したように、第3の実施形態によれば、第1の実施形態の(1)、第2の実施形態の(3)の効果に加えて、以下の効果が得られる。
上記実施形態は、以下のように変更して実施することが可能である。
・溝15,43の形状は、上述の形状に限られない。例えば、図9に示されるように、溝45が渦巻状に形成されていてもよい。また、溝45は、水の流入口45aのみを有し、流出口を有していなくてもよい。この場合、溝45内の水が、高分子電解質膜11、あるいは、多孔質部42に吸収されて減少することに伴って、流入口45aから溝45に水が供給される。要は、溝15,43は、水を外部から受け入れることが可能であればよい。
・多孔質部32,42が、支持体30,40の支持面30a,40aのうちの高分子電解質膜11と接触する部分の一部のみを構成していてもよい。要は、支持体30,40における高分子電解質膜11と接触する面の少なくとも一部に多孔質部32,42が備えられていればよい。
Claims (5)
- 支持体と、
前記支持体に接触する電解質層と、
前記電解質層に接触する燃料極触媒層と、
前記電解質層に接触する空気極触媒層と、を備え、
前記燃料極触媒層と前記空気極触媒層とは、前記電解質層の厚さ方向にて、前記電解質層に対して前記支持体とは反対側に配置され、
前記電解質層の面上において前記燃料極触媒層と前記空気極触媒層とは離れており、
前記支持体は、前記電解質層を加湿する加湿部を備え、
前記加湿部は、前記電解質層を挟んで前記燃料極触媒層と対向する位置と、前記電解質層を挟んで前記空気極触媒層と対向する位置とにおいて前記電解質層と接触する
膜電極接合体。 - 前記支持体における前記電解質層と接触する面には、水分を外部から受け入れることの可能な溝が形成され、
前記加湿部は、前記溝を備える
請求項1に記載の膜電極接合体。 - 前記加湿部は、
前記支持体における前記電解質層と接触する面の少なくとも一部に、水分を保持することの可能な多孔質部を備える
請求項1または2に記載の膜電極接合体。 - 前記支持体は、前記多孔質部を支持する基材を備え、
前記基材における前記多孔質部と接触する面には、水分を外部から受け入れることの可能な溝が形成され、
前記加湿部は、前記溝を備える
請求項3に記載の膜電極接合体。 - 請求項1〜4のいずれか一項に記載の膜電極接合体を備える
固体高分子形燃料電池。
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