JP2016072133A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、車両などに搭載される燃料電池、詳しくは、ガス拡散層を備える燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell mounted on a vehicle or the like, and particularly to a fuel cell including a gas diffusion layer.
従来、燃料電池として、液体燃料が供給されるアノードと、空気が供給されるカソードとが、固体高分子膜からなる電解質膜を挟んで対向配置されている固体高分子形燃料電池が知られている。 Conventionally, as a fuel cell, a solid polymer fuel cell is known in which an anode to which liquid fuel is supplied and a cathode to which air is supplied face each other with an electrolyte membrane made of a solid polymer membrane interposed therebetween. Yes.
また、燃料電池に採用される電極および電解質膜として、電解質膜と、電解質膜の一方面に接合されたアノード電極(燃料側触媒層)と、電解質膜の他方面に接合されたカソード電極(空気側触媒層)とを備える膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly:MEA)が知られている。 Further, as an electrode and an electrolyte membrane employed in a fuel cell, an electrolyte membrane, an anode electrode (fuel side catalyst layer) joined to one surface of the electrolyte membrane, and a cathode electrode (air) joined to the other surface of the electrolyte membrane A membrane electrode assembly (MEA) including a side catalyst layer) is known.
例えば、膜・電極接合体と、膜・電極接合体の一方側に積層されるアノード側GDL一体型シールと、膜・電極接合体の他方側に積層されるカソード側GDL一体型シールとを備え、アノード側GDL一体型シールが、ガス透過性材料からなるアノード側拡散層を備え、カソード側GDL一体型シールが、ガス透過性材料からなるカソード側拡散層を備える燃料電池が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
For example, a membrane-electrode assembly, an anode-side GDL integrated seal laminated on one side of the membrane-electrode assembly, and a cathode-side GDL integrated seal laminated on the other side of the membrane-electrode assembly A fuel cell is proposed in which the anode-side GDL integrated seal includes an anode-side diffusion layer made of a gas-permeable material, and the cathode-side GDL integrated seal includes a cathode-side diffusion layer made of a gas-permeable material ( For example, see
しかるに、特許文献1に記載の燃料電池では、空気が、カソード側拡散層を介して、カソードに供給され、液体燃料が、アノード側拡散層を介して、アノードに供給される。これにより、カソードにおいて、酸素と水とが反応して水酸化物イオンが、生成される。そして、その水酸化物イオンが、膜・電極接合体を通過して、アノードにおいて、液体燃料と反応し、起電力が生じる。
However, in the fuel cell described in
ここで、アノードでは、水酸化物イオンと液体燃料との反応によりガスが発生するので、アノードに供給される液体燃料には、液体燃料の供給方向下流において、供給方向上流よりも多くのガスが含まれる。そのため、アノードに対する液体燃料の供給量は、液体燃料の供給方向下流において相対的に少なく、供給方向上流において相対的に多い。 Here, in the anode, gas is generated by the reaction between the hydroxide ions and the liquid fuel. Therefore, the liquid fuel supplied to the anode has more gas in the supply direction downstream of the liquid fuel than in the supply direction upstream. included. Therefore, the amount of liquid fuel supplied to the anode is relatively small downstream in the liquid fuel supply direction and relatively large upstream in the supply direction.
また、アノードに供給される液体燃料は、アノードにおいて反応することなく電解質膜を透過して、カソードに漏出する場合がある。このようなカソードに漏出する液体燃料の量は、液体燃料中に含まれるガスの量が多いと相対的に少なく、液体燃料中に含まれるガスの量が少ないと相対的に多くなる。そのため、カソードに漏出する液体燃料の量は、液体燃料の供給方向上流において、相対的に多くの液体燃料が、カソードに漏出してしまう。 Moreover, the liquid fuel supplied to the anode may permeate the electrolyte membrane without reacting at the anode and leak to the cathode. The amount of liquid fuel leaking to the cathode is relatively small when the amount of gas contained in the liquid fuel is large, and relatively large when the amount of gas contained in the liquid fuel is small. For this reason, the amount of liquid fuel leaking to the cathode is such that a relatively large amount of liquid fuel leaks to the cathode upstream in the liquid fuel supply direction.
その結果、アノードに対する液体燃料の供給量が、液体燃料の供給方向下流において、さらに低下してしまい、発電効率が低下してしまうという不具合がある。 As a result, there is a problem in that the amount of liquid fuel supplied to the anode further decreases downstream in the liquid fuel supply direction, and power generation efficiency decreases.
そこで、本発明の目的は、アノード触媒層に効率よく液体燃料を供給することができ、発電効率の向上を図ることができる燃料電池を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell that can efficiently supply liquid fuel to the anode catalyst layer and can improve power generation efficiency.
本発明の燃料電池は、電解質層と、前記電解質層の厚み方向の一方面に配置され、液体燃料が供給されるアノード触媒層と、前記電解質層の厚み方向の他方面に配置され、酸素が供給されるカソード触媒層と、前記アノード触媒層および前記カソード触媒層の少なくともいずれか一方と前記厚み方向に向かい合うように配置され、複数の気孔を有するガス拡散層とを備え、前記アノード触媒層は、前記厚み方向と直交する直交方向の一方から他方に向かって、液体燃料が供給されるように構成され、前記複数の気孔のサイズは、前記直交方向の一方から他方に向かうに従って、大きくなることを特徴としている。 The fuel cell of the present invention is disposed on one surface in the thickness direction of the electrolyte layer, the electrolyte layer, an anode catalyst layer to which liquid fuel is supplied, and disposed on the other surface in the thickness direction of the electrolyte layer. A cathode catalyst layer to be supplied; and at least one of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer and a gas diffusion layer having a plurality of pores arranged to face the thickness direction, the anode catalyst layer comprising: The liquid fuel is configured to be supplied from one of the orthogonal directions orthogonal to the thickness direction to the other, and the size of the plurality of pores increases from one to the other in the orthogonal direction. It is characterized by.
また、前記複数の気孔のサイズは、前記直交方向の一方から他方に向かうに従って、連続的に大きくなることが好適である。 Moreover, it is preferable that the size of the plurality of pores is continuously increased from one to the other in the orthogonal direction.
また、前記ガス拡散層は、前記アノード触媒層の前記厚み方向の一方側に配置されていることが好適である。 The gas diffusion layer is preferably disposed on one side of the anode catalyst layer in the thickness direction.
本発明の燃料電池では、アノード触媒層に、直交方向の一方から他方に向かって、液体燃料が供給される。そのため、複数の気孔のサイズは、液体燃料の供給方向の上流から下流に向かうに従って大きくなる。つまり、複数の気孔のサイズは、液体燃料の供給方向の上流において相対的に小さく、液体燃料の供給方向の下流において相対的に大きい。 In the fuel cell of the present invention, liquid fuel is supplied to the anode catalyst layer from one side in the orthogonal direction to the other side. Therefore, the size of the plurality of pores increases from the upstream to the downstream in the liquid fuel supply direction. That is, the size of the plurality of pores is relatively small upstream in the liquid fuel supply direction and relatively large downstream in the liquid fuel supply direction.
このような複数の気孔を有するガス拡散層を、アノード触媒層と向かい合うように配置すると、液体燃料が、複数の気孔を通過してアノード触媒層に供給される。ここで、複数の気孔のうち、液体燃料の供給方向の上流にある気孔のサイズが相対的に小さいので、液体燃料の供給方向の上流において、アノード触媒層に液体燃料が過度に供給されることを抑制でき、カソード触媒層に液体燃料が漏出することを抑制できる。 When such a gas diffusion layer having a plurality of pores is disposed so as to face the anode catalyst layer, the liquid fuel passes through the plurality of pores and is supplied to the anode catalyst layer. Here, among the plurality of pores, the size of the pores upstream in the liquid fuel supply direction is relatively small, so that the liquid fuel is excessively supplied to the anode catalyst layer upstream in the liquid fuel supply direction. And the leakage of the liquid fuel to the cathode catalyst layer can be suppressed.
一方、複数の気孔のうち、液体燃料の供給方向の下流にある気孔のサイズが相対的に大きいので、液体燃料の供給方向の下流において、液体燃料中に含まれるガスが増加しても、液体燃料を効率よく、アノード触媒層に供給することができる。 On the other hand, among the plurality of pores, the size of the pores downstream in the liquid fuel supply direction is relatively large, so even if the gas contained in the liquid fuel increases downstream in the liquid fuel supply direction, the liquid The fuel can be efficiently supplied to the anode catalyst layer.
また、複数の気孔を有するガス拡散層が、カソード触媒層と向かい合うように配置すると、空気が、複数の気孔を通過して、カソード触媒層に供給される。ここで、複数の気孔のうち、液体燃料の供給方向の上流にある気孔のサイズが相対的に小さいので、例え、液体燃料がカソード触媒層に漏出しても、その液体燃料が、気孔を介して、カソード触媒層と向かい合うガス拡散層から排出されることを抑制できる。その結果、カソード触媒層と向かい合うガス拡散層が、水分を含む液体燃料をトラップして、発電効率を向上させる。 Further, when the gas diffusion layer having a plurality of pores is disposed so as to face the cathode catalyst layer, air passes through the plurality of pores and is supplied to the cathode catalyst layer. Here, among the plurality of pores, the size of the pores upstream in the liquid fuel supply direction is relatively small. For example, even if the liquid fuel leaks into the cathode catalyst layer, the liquid fuel passes through the pores. Thus, it is possible to suppress discharge from the gas diffusion layer facing the cathode catalyst layer. As a result, the gas diffusion layer facing the cathode catalyst layer traps liquid fuel containing moisture and improves power generation efficiency.
これらによって、発電効率の向上を図ることができる。 By these, the power generation efficiency can be improved.
1.電動車両の全体構成
図1に示すように、電動車両1は、燃料電池3およびバッテリー53を選択的に動力源とするハイブリッド車両であって、燃料電池システム2を搭載している。
1. Overall Configuration of Electric Vehicle As shown in FIG. 1, the
燃料電池システム2は、燃料電池3と、燃料給排部4と、空気給排部5と、制御部6と、動力部7とを備えている。
(1)燃料電池
燃料電池3は、液体燃料が直接供給される直接液体燃料形燃料電池であり、電動車両1の中央下側に配置されている。
(2)燃料給排部
燃料給排部4は、電動車両1において燃料電池3の後側に配置されている。燃料給排部4は、燃料タンク21と、燃料供給ライン23と、燃料還流ライン24と、排気ライン25とを備えている。
The
(1) Fuel Cell The
(2) Fuel Supply / Discharge Unit The fuel supply / discharge unit 4 is disposed on the rear side of the
燃料タンク21は、燃料電池3の後側に間隔を隔てて配置されている。燃料タンク21は、略ボックス形状を有し、燃料成分を含む液体燃料を貯蔵するように構成されている。
The
燃料成分としては、例えば、分子中に水素原子を含有する含水素液体燃料が挙げられ、具体的には、メタノールなどのアルコール類、ジメチルエーテルなどのアルキル基を有するエーテル類、ヒドラジン類などが挙げられ、好ましくは、アルコール類およびヒドラジン類が挙げられ、さらに好ましくは、ヒドラジン類が挙げられる。 Examples of the fuel component include hydrogen-containing liquid fuels containing hydrogen atoms in the molecule, and specific examples include alcohols such as methanol, ethers having an alkyl group such as dimethyl ether, and hydrazines. Preferably, alcohols and hydrazines are used, and more preferably, hydrazines are used.
ヒドラジン類としては、例えば、ヒドラジン(NH2NH2)、水加ヒドラジン(NH2NH2・H2O)、炭酸ヒドラジン((NH2NH2)2CO2)、塩酸ヒドラジン(NH2NH2・HCl)、硫酸ヒドラジン(NH2NH2・H2SO4)、モノメチルヒドラジン(CH3NHNH2)、ジメチルヒドラジン((CH3)2NNH2、CH3NHNHCH3)、カルボンヒドラジド((NHNH2)2CO)などが挙げられる。 Examples of hydrazines include hydrazine (NH 2 NH 2 ), hydrated hydrazine (NH 2 NH 2 .H 2 O), hydrazine carbonate ((NH 2 NH 2 ) 2 CO 2 ), and hydrazine hydrochloride (NH 2 NH 2). HCl), hydrazine sulfate (NH 2 NH 2 .H 2 SO 4 ), monomethyl hydrazine (CH 3 NHNH 2 ), dimethyl hydrazine ((CH 3 ) 2 NNH 2 , CH 3 NHNHCH 3 ), carboxylic hydrazide ((NHNH 2 ) 2 CO).
このようなヒドラジン類のうち、好ましくは、炭素を含まないヒドラジン類、すなわち、ヒドラジン、水加ヒドラジン、硫酸ヒドラジンなどが挙げられる。ヒドラジン、水加ヒドラジン、硫酸ヒドラジンなどは、COおよびCO2の生成がなく、触媒の被毒が生じないことから、耐久性の向上を図ることができ、実質的なゼロエミッションを実現することができる。 Among such hydrazines, preferably, hydrazines containing no carbon, that is, hydrazine, hydrated hydrazine, hydrazine sulfate, and the like. Hydrazine, hydrated hydrazine, hydrazine sulfate, etc. do not generate CO and CO 2 and do not cause poisoning of the catalyst. Therefore, durability can be improved and substantially zero emission can be realized. it can.
このような燃料成分は、単独または2種類以上組み合わせて用いることができる。 Such fuel components can be used alone or in combination of two or more.
燃料供給ライン23は、燃料タンク21から燃料電池3へ液体燃料を供給するための配管である。燃料供給ライン23の供給方向上流端は、燃料タンク21の下端部に接続されている。燃料供給ライン23の供給方向下流端は、燃料電池3の燃料供給口82(後述、図2参照)に接続されている。燃料供給ライン23は、第1ポンプ26を備えている。
The
第1ポンプ26は、燃料供給ライン23の途中に介在されている。第1ポンプ26としては、例えば、ロータリーポンプ、ギヤポンプなどの回転式ポンプ、ピストンポンプ、ダイヤフラムポンプなどの往復式ポンプなど、公知の送液ポンプが挙げられる。第1ポンプ26は、駆動することにより、燃料タンク21内の液体燃料を燃料電池3に供給する。
The
燃料還流ライン24は、燃料電池3から燃料タンク21へ液体燃料を還流するための配管である。燃料還流ライン24の還流方向上流端は、燃料電池3の燃料排出口83(後述、図2参照)に接続されている。燃料還流ライン24の還流方向下流端は、燃料タンク21の上端部に接続されている。燃料還流ライン24は、気液分離器27を備えている。
The
気液分離器27は、燃料還流ライン24の途中に介在されている。気液分離器27は、液体燃料とガス(気体)とを分離する。
The gas-
排気ライン25は、気液分離器27で分離されたガスを電動車両1から外へ排気するための配管である。排気ライン25の排気方向上流端は、気液分離器27に接続されている。排気ライン25の排気方向下流端は、大気開放されている。なお、排気ライン25の途中には、ガスを無害化および無臭化するための図示しない浄化装置が介在されている。
(3)空気給排部
空気給排部5は、電動車両1において燃料電池3の前側に配置されている。空気給排部5は、空気供給ライン41と、空気排出ライン42とを備えている。
The
(3) Air Supply / Exhaust Unit The air supply /
空気供給ライン41は、電動車両1の外から燃料電池3へ空気を供給するための配管である。空気供給ライン41の供給方向上流端は、大気開放されている。空気供給ライン41の供給方向下流端は、燃料電池3の空気供給口85(後述、図2参照)に接続されている。空気供給ライン41は、第2ポンプ43を備えている。
The
第2ポンプ43は、空気供給ライン41の途中に介在されている。第2ポンプ43としては、例えば、エアコンプレッサなどの公知の送気ポンプが挙げられる。第2ポンプ43は、駆動することにより、電動車両1外からの空気を燃料電池3に供給する。なお、空気供給ライン41の途中には、空気供給ライン41を通過する空気を加湿するための図示しない加湿装置が接続(介在)されている。
The
空気排出ライン42は、燃料電池3から電動車両1の外へ空気を排出するための配管である。空気排出ライン42の排出方向上流端は、燃料電池3の空気排出口86(後述、図2参照)に接続されている。空気排出ライン42の排出方向下流端は、大気開放されている。
(4)制御部
制御部6は、ECU51を備えている。
The
(4) Control Unit The
ECU51は、電動車両1における電気的な制御を実行するコントロールユニット(すなわち、Electronic Control Unit)であり、CPU、ROMおよびRAMなどを備えるマイクロコンピュータから構成されている。
The
ECU51は、第1ポンプ26および第2ポンプ43のそれぞれと電気的に接続されている。
(5)動力部
動力部7は、電動車両1の前端部において、いわゆるエンジンルーム内に配置されている。動力部7は、モータ52と、バッテリー53とを備えている。
The
(5) Power unit The power unit 7 is disposed in a so-called engine room at the front end of the
モータ52は、燃料電池3に電気的に接続されている。モータ52は、燃料電池3から出力される電気エネルギーを電動車両1の駆動力として機械エネルギーに変換する。モータ52としては、例えば、三相誘導電動機、三相同期電動機などの公知の三相電動機などが挙げられる。
The
バッテリー53は、燃料電池3とモータ52との間の配線に電気的に接続されている。バッテリー53としては、例えば、ニッケル水素電池や、リチウムイオン電池などの公知の二次電池などが挙げられる。
The
2.燃料電池
燃料電池3は、図2に示すように、膜・電極接合体61と、膜・電極接合体61の一方側(アノード側)に配置される燃料供給部材62と、膜・電極接合体61の他方側(カソード側)に配置される空気供給部材63と、膜・電極接合体61と燃料供給部材62との間に配置される、ガス拡散層の一例としてのアノード側拡散層67と、膜・電極接合体61と空気供給部材63との間に配置される、ガス拡散層の一例としてのカソード側拡散層68とを有する燃料電池セル(単位セル)が、複数積層されたスタック構造に形成されている(図1参照)。なお、図2では、複数の単位セルのうち1つだけを燃料電池3として表し、その他の単位セルについては省略している。
2. As shown in FIG. 2, the
膜・電極接合体61は、電解質層の一例としての電解質膜64、電解質膜64の厚み方向の一方面に配置されるアノード触媒層の一例としてのアノード電極65、および、電解質膜64の厚み方向の他方面に配置されるカソード触媒層の一例としてのカソード電極66を備えている。
The membrane /
なお、以下の説明において、電解質膜64の厚み方向(図2における紙面左右方向)を、単に厚み方向とし、厚み方向および上下方向の両方向と直交する方向を幅方向とする。また、上下方向は、直交方向の一例であり、下方が直交方向の一方、上方が直交方向の他方方の一例である。 In the following description, the thickness direction of the electrolyte membrane 64 (the left-right direction in FIG. 2) is simply the thickness direction, and the direction orthogonal to both the thickness direction and the up-down direction is the width direction. Moreover, the up-down direction is an example of the orthogonal direction, the lower side is an example of the orthogonal direction, and the upper side is an example of the other side of the orthogonal direction.
電解質膜64は、アニオン交換型またはカチオン交換型の高分子電解質膜から形成されている。
The
電解質膜64の厚みは、例えば、5μm以上、好ましくは、10μm以上、例えば、50μm以下、好ましくは、35μm以下である。
The thickness of the
アノード電極65は、例えば、触媒を担持した触媒担体により形成されている。また、触媒担体を用いずに、触媒を、直接、アノード電極65として形成してもよい。
The
アノード電極65の厚みは、例えば、10μm以上、好ましくは、20μm以上、例えば、200μm以下、好ましくは、100μm以下である。
The thickness of the
カソード電極66は、例えば、アノード電極65と同様に、触媒を担持した触媒担体により形成されている。
The
また、カソード電極66は、例えば、錯体形成有機化合物および/または導電性高分子とカーボンとからなる複合体(以下、この複合体を「カーボンコンポジット」という。)に、遷移金属が担持されている材料により形成されてもよい。
In the
カソード電極66の厚みは、例えば、10μm以上、好ましくは、20μm以上、例えば、300μm以下、好ましくは、150μm以下である。
The thickness of the
アノード側拡散層67は、アノード電極65に対して一方側に積層(配置)され、アノード電極65に対して厚み方向一方側から向かい合うように配置されている。
The anode
カソード側拡散層68は、カソード電極66に対して他方側に積層(配置)され、カソード電極66に対して厚み方向他方側から向かい合うように配置されている。
The cathode
燃料供給部材62は、ガス不透過性の導電性部材からなり、アノード電極65に液体燃料を供給する。燃料供給部材62には、その表面から凹む、例えば、葛折状などの溝が形成されている。そして、燃料供給部材62は、溝の形成された表面が、アノード側拡散層67を介して、アノード電極65に対向接触されている。これにより、アノード電極65の一方面と燃料供給部材62の他方面(溝の形成された表面)との間には、アノード電極65全体に燃料成分を接触させるための燃料供給路81が形成される。
The
燃料供給路81には、燃料成分を燃料供給部材62内に流入させるための燃料供給口82が下端部に形成され、燃料成分を燃料供給部材62から排出するための燃料排出口83が上端部に形成されている。
In the
空気供給部材63は、ガス不透過性の導電性部材からなり、カソード電極66に空気を供給する。空気供給部材63には、その表面から凹む、例えば、葛折状などの溝が形成されている。そして、空気供給部材63は、溝の形成された表面が、カソード側拡散層68を介して、カソード電極66に対向接触されている。これにより、カソード電極66の他方面と空気供給部材63の一方面(溝の形成された表面)との間には、カソード電極66全体に空気を接触させるための空気供給路84が形成される。
The
空気供給路84には、空気を空気供給部材63内に流入させるための空気供給口85が上端部に形成され、空気を空気供給部材63から排出するための空気排出口86が下端部に形成されている。
3.アノード側拡散層およびカソード側拡散層
アノード側拡散層67およびカソード側拡散層68のそれぞれは、図3Bに示すように、厚み方向から見て、略矩形状、より具体的には、上下方向に延びる略長方形状を有している。
In the
3. As shown in FIG. 3B, each of the anode
アノード側拡散層67およびカソード側拡散層68のそれぞれは、ガスを透過させるための気孔90を有するガス拡散層(GDL)であって、ガス透過性材料から形成されている。
Each of the anode
ガス透過性材料としては、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、炭素繊維不織布などが挙げられる。また、ガス透過性材料は、必要によりフッ素処理されていてもよい。このようなガス透過性材料の中では、好ましくは、カーボンペーパーおよびカーボンクロスが挙げられる。なお、カーボンペーパーは、カーボン繊維の束91を織ることにより調製される。
Examples of the gas permeable material include carbon paper, carbon cloth, and carbon fiber nonwoven fabric. Further, the gas permeable material may be treated with fluorine as necessary. Among such gas permeable materials, carbon paper and carbon cloth are preferable. The carbon paper is prepared by weaving a
例えば、アノード側拡散層67およびカソード側拡散層68のそれぞれが、カーボンクロスから形成される場合、カーボンクロスの織目が、複数の気孔90として構成される。
For example, when each of the anode
複数の気孔90は、アノード側拡散層67およびカソード側拡散層68のそれぞれの全体にわたって配置されている。複数の気孔90のぞれぞれの形状は、特に制限されないが、気孔90がカーボンクロスの織目である場合、厚み方向から見て略矩形状である。
The plurality of
このような複数の気孔90のサイズは、下方から上方に向かうに従って、連続的に大きくなる。
The size of the plurality of
つまり、複数の気孔90は、サイズが互いに異なる複数の気孔90を含んでおり、より具体的には、最もサイズの小さい最小気孔90Aと、最もサイズの大きい最大気孔90Bと、サイズが最小気孔90Aよりも大きく、かつ、最大気孔90Bよりも小さい中気孔90Cとを含んでいる。
That is, the plurality of
最小気孔90Aは、アノード側拡散層67およびカソード側拡散層68のそれぞれの下端部に配置されている。
The
最小気孔90Aの幅方向の寸法L1は、例えば、15μm以上、好ましくは、20μm以上、例えば、30μm以下、好ましくは、25μm以下である。最小気孔90Aの上下方向の寸法L2は、例えば、15μm以上、好ましくは、20μm以上、例えば、30μm以下、好ましくは、25μm以下である。
The dimension L1 in the width direction of the
また、最小気孔90Aの開口面積は、アノード側拡散層67またはカソード側拡散層68の面積に対して、例えば、5.625×10−7%以上、好ましくは、1.0×10−6%以上、例えば、2.25×10−6%以下、好ましくは、1.56×10−6%以下である。
Further, the opening area of the
最大気孔90Bは、アノード側拡散層67およびカソード側拡散層68のそれぞれの上端部に配置されている。
The maximum pores 90 </ b> B are disposed at the upper ends of the anode
最大気孔90Bの幅方向の寸法L3は、例えば、40μm以上、好ましくは、45μm以上、例えば、60μm以下、好ましくは、55μm以下である。最大気孔90Bの上下方向の寸法L4は、例えば、45μm以上、好ましくは、50μm以上、例えば、60μm以下、好ましくは、55μm以下である。
The dimension L3 in the width direction of the
また、最大気孔90Bの開口面積は、アノード側拡散層67またはカソード側拡散層68の面積に対して、例えば、4.0×10−6%以上、好ましくは、5.06×10−6%以上、例えば、9.0×10−6%以下、好ましくは、7.56×10−6%以下である。また、最大気孔90Bの開口面積は、最小気孔90Aの開口面積に対して、例えば、180%以上、好ましくは、324%以上、例えば、1600%以下、好ましくは、625%以下である。
Further, the opening area of the
中気孔90Cは、アノード側拡散層67およびカソード側拡散層68のそれぞれにおいて、最小気孔90Aと最大気孔90Bとの間に配置されている。
The middle pore 90C is disposed between the
中気孔90Cの幅方向の寸法L5は、例えば、30μm以上、好ましくは、35μm以上、例えば、45μm以下、好ましくは、40μm以下である。中気孔90Cの上下方向の寸法L6は、例えば、30μm以上、好ましくは、35μm以上、例えば、45μm以下、好ましくは、40μm以下である。 The dimension L5 in the width direction of the middle pore 90C is, for example, 30 μm or more, preferably 35 μm or more, for example, 45 μm or less, preferably 40 μm or less. The vertical dimension L6 of the middle pore 90C is, for example, 30 μm or more, preferably 35 μm or more, for example, 45 μm or less, preferably 40 μm or less.
また、中気孔90Cの開口面積は、アノード側拡散層67またはカソード側拡散層68の面積に対して、例えば、2.25×10−6%以上、好ましくは、3.06×10−6%以上、例えば、5.06×10−6%以下、好ましくは、4.0×10−6%以下である。また、中気孔90Cの開口面積は、最小気孔90Aの開口面積に対して、例えば、136%以上、好ましくは、306.25%以上、例えば、900%以下、好ましくは、506.25%以下であり、最大気孔90Bの開口面積に対して、例えば、25%以上、好ましくは、41%以上、例えば、81%以下、好ましくは、64%以下である。
Further, the opening area of the medium pore 90C is, for example, 2.25 × 10 −6 % or more, preferably 3.06 × 10 −6 % with respect to the area of the anode
このように、気孔90が厚み方向から見て矩形状である場合、複数の気孔90の平均幅方向寸法は、例えば、20μm以上、好ましくは、25μm以上、例えば、35μm以下、好ましくは、30μm以下であり、複数の気孔90の平均上下方向寸法は、例えば、20μm以上、好ましくは、25μm以上、例えば、35μm以下、好ましくは、30μm以下である。
Thus, when the
このような複数の気孔90の開口面積の総和は、アノード側拡散層67またはカソード側拡散層68の面積に対して、例えば、50%以上、好ましくは、60%以上、例えば、80%以下、好ましくは、70%以下である。
The total opening area of the plurality of
このようなアノード側拡散層67およびカソード側拡散層68のそれぞれを作製するには、例えば、図3Aに示すように、カーボンクロスからなる加工シート92を、厚み方向から見て、上方に向かうに従って幅狭となる略台形状に切り出す。
In order to manufacture each of the anode
加工シート92の下底Xの幅方向寸法は、加工シート92の上底Yの幅方向寸法に対して、例えば、120%以上、好ましくは、130%以上、例えば、200%以下、好ましくは、190%以下である。
The width direction dimension of the lower base X of the processed
加工シート92の高さZの上下方向寸法は、加工シート92の下底Xの幅方向寸法に対して、例えば、50%以上、好ましくは、60%以上、例えば、100%以下、好ましくは、90%以下である。
The vertical dimension of the height Z of the processed
なお、加工シート92の複数の気孔90(織目)のそれぞれは、互いに同一のサイズ(寸法)を有している。
Each of the plurality of pores 90 (texture) of the processed
そして、加工シート92が厚み方向から見て略長方形となるように、加工シート92の上側部分における幅方向両端縁を、幅方向の外方に向けて引っ張る。
Then, both end edges in the width direction of the upper portion of the processed
すると、加工シート92の複数の気孔90(織目)のサイズが、下方から上方に向かうに従って、連続的に徐々に大きくなるように広げられる。
Then, the size of the plurality of pores 90 (texture) of the processed
これによって、図3Bに示すように、アノード側拡散層67およびカソード側拡散層68のそれぞれが作製される。
4.燃料電池による発電
図1に示すように、第1ポンプ26が作動すると、図2に示すように、液体燃料が、燃料供給口82から燃料供給路81に供給される。そして、液体燃料は、燃料供給路81を下方から上方に向かって通過する。このとき、液体燃料は、図2および図3Bに示すように、アノード側拡散層67の複数の気孔90を通過して、アノード電極65に供給される。つまり、液体燃料は、アノード電極65に下方から上方に向かって供給され、アノード電極65と接触する。
Thereby, as shown in FIG. 3B, each of the anode
4). As shown in FIG. 1, when the
また、図1に示すように、第2ポンプ43が作動すると、図2に示すように、空気が、空気供給口85から空気供給路84に供給される。そして、空気は、空気供給路84を上方から下方に向かって通過する。このとき、空気は、図2および図3Bに示すように、カソード側拡散層68の複数の気孔90を通過して、カソード電極66に供給される。つまり、空気は、カソード電極66に上方から下方に向かって供給され、カソード電極66と接触する。
As shown in FIG. 1, when the
そして、各電極(アノード電極65およびカソード電極66)において電気化学反応が生じ、起電力が発生する。例えば、電解質膜64がアニオン交換型の固体高分子膜であり、燃料成分がヒドラジンである場合には、電気化学反応は、下記式(1)〜(3)の通りとなる。
(1) N2H4+4OH−→N2+4H2O+4e−(アノード電極65での反応)
(2) O2+2H2O+4e−→4OH− (カソード電極66での反応)
(3) N2H4+O2→N2+2H2O (燃料電池3全体での反応)
すなわち、ヒドラジンが供給されたアノード電極65では、ヒドラジン(N2H4)とカソード電極66での反応で生成した水酸化物イオン(OH−)とが反応して、窒素(N2)および水(H2O)が生成するとともに、電子(e−)が発生する(上記式(1)参照)。
Then, an electrochemical reaction occurs in each electrode (the
(1) N 2 H 4 + 4OH − → N 2 + 4H 2 O + 4e − (reaction at the anode electrode 65)
(2) O 2 + 2H 2 O + 4e − → 4OH − (reaction at the cathode electrode 66)
(3) N 2 H 4 + O 2 → N 2 + 2H 2 O (reaction in the entire fuel cell 3)
That is, at the
そして、カソード電極66では、電子(e−)と、水(H2O)と、空気供給路84を流れる空気中の酸素(O2)とが反応して、水酸化物イオン(OH−)が生成する(上記式(2)参照)。
In the
生成した水酸化物イオン(OH−)は、電解質膜64を通過してアノード電極65に到達し、上記式(1)の反応が生じる。
The generated hydroxide ions (OH − ) pass through the
そして、このようなアノード電極65およびカソード電極66での電気化学的反応が連続的に生じることによって、燃料電池3全体として上記式(3)で表わされる反応が生じて、燃料電池3に起電力が発生する。すなわち、燃料電池3は、燃料成分を消費して発電する。
Then, when the electrochemical reaction at the
また、上記の電気化学的反応は、電解質膜64がアニオン交換型の固体高分子膜であり、液体燃料がメタノールである場合には、下記式(4)〜(6)の通りとなる。
(4) CH3OH+6OH−→CO2+5H2O+6e−(アノード電極65での反応)
(5) O2+2H2O+4e−→4OH− (カソード電極66での反応)
(6) CH3OH+3/2O2→CO2+2H2O (燃料電池3全体での反応)
5.作用効果
燃料電池3では、図2に示すように、アノード電極65に下方から上方に向かって、液体燃料が供給される。つまり、アノード側拡散層67およびカソード側拡散層68のそれぞれにおいて、複数の気孔90のサイズは、図3Bに示すように、液体燃料の供給方向Sの上流から下流に向かうに従って大きくなる。そのため、複数の気孔90のサイズは、液体燃料の供給方向Sの上流において相対的に小さく、液体燃料の供給方向Sの下流において相対的に大きい。
In addition, the above electrochemical reaction is expressed by the following formulas (4) to (6) when the
(4) CH 3 OH + 6OH − → CO 2 + 5H 2 O + 6e − (reaction at the anode electrode 65)
(5) O 2 + 2H 2 O + 4e − → 4OH − (reaction at the cathode electrode 66)
(6) CH 3 OH + 3 / 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O (reaction in the entire fuel cell 3)
5. Operational Effect In the
上記の発電動作において、アノード側拡散層67に液体燃料が供給されると、液体燃料は、図2および図3Bに示すように、複数の気孔90を通過してアノード電極65に供給される。ここで、複数の気孔90のうち、液体燃料の供給方向Sの上流にある気孔90、つまり、下方の気孔90(例えば、最小気孔90A)のサイズは、相対的に小さい。
In the above power generation operation, when the liquid fuel is supplied to the anode-
これにより、液体燃料の供給方向Sの上流において、アノード電極65に液体燃料が過度に供給されることを抑制でき、カソード電極66に液体燃料が漏出することを抑制できる。
Thereby, upstream of the liquid fuel supply direction S, liquid fuel can be prevented from being excessively supplied to the
一方、複数の気孔90のうち、液体燃料の供給方向Sの下流にある気孔90、つまり、上方の気孔90(例えば、最大気孔90B)のサイズは、相対的に大きい。
On the other hand, among the plurality of
そのため、上記式(1)や(4)において示すように、アノード電極65での反応によりガスが発生し、液体燃料中に含まれるガスが増加しても、液体燃料の供給方向Sの下流において、供給方向Sの上流よりも相対的に多く、液体燃料をアノード電極65に供給できる。つまり、液体燃料を効率よく、アノード電極65に供給することができる。
Therefore, as shown in the above formulas (1) and (4), even if gas is generated by the reaction at the
また、上記の発電動作において、カソード側拡散層68に空気が供給されると、空気は、複数の気孔90を通過して、カソード電極66に供給される。ここで、複数の気孔90のうち、液体燃料の供給方向Sの上流にある気孔90、つまり、下方の気孔90(例えば、最小気孔90A)のサイズは相対的に小さい。そのため、例え、液体燃料がカソード電極66に漏出しても、その液体燃料が、下方の気孔90を介してカソード側拡散層68から排出されることを抑制できる。その結果、カソード側拡散層68が、水分を含む液体燃料をトラップする。これらによって、発電効率の向上を図ることができる。
In the above power generation operation, when air is supplied to the cathode
なお、上記の実施形態では、図3Bに示すように、複数の気孔90のそれぞれが、厚み方向から見て略矩形状に形成されるが、気孔90の形状は、特に制限されない。
In the above embodiment, as shown in FIG. 3B, each of the plurality of
例えば、複数の気孔90のそれぞれは、図4に示すように、厚み方向から見て略円形状であってもよく、厚み方向から見て多角形であってもよい。
For example, as shown in FIG. 4, each of the plurality of
上記の実施形態では、図3Bに示すように、複数の気孔90のサイズは、下方から上方に向かうに従って、連続的に大きくなるように構成されるが、図4に示すように、段階的に大きくなるように構成してもよい。
In the above embodiment, as shown in FIG. 3B, the size of the plurality of
複数の気孔90のサイズが段階的に大きくなる場合、アノード側拡散層67およびカソード側拡散層68のそれぞれは、複数の最小気孔90Aが形成される第1部分93と、複数の最大気孔90Bが形成される第2部分94と、複数の中気孔90Cが形成される第3部分95とを備えている。
When the size of the plurality of
第1部分93は、アノード側拡散層67およびカソード側拡散層68のそれぞれの下端部である。第1部分93に形成される複数の最小気孔90Aのサイズは、互いに同一である。
The
第2部分94は、アノード側拡散層67およびカソード側拡散層68のそれぞれの上端部である。第2部分94に形成される複数の最大気孔90Bのサイズは、互いに同一であり、最小気孔90Aのサイズよりも大きい。
The
第3部分95は、アノード側拡散層67およびカソード側拡散層68のそれぞれの上下方向略中央部分であって、第1部分93と第2部分94との間の部分である。第3部分95に形成される複数の中気孔90Cのサイズは、互いに同一であり、最小気孔90Aのサイズよりも大きく、最大気孔90Bのサイズよりも小さい。
The
このようなアノード側拡散層67およびカソード側拡散層68を作製するには、第1部分93、第2部分94および第3部分95のそれぞれを別途準備して、それらを繋ぎ合わせる。
In order to produce such an anode
なお、図4では、複数の気孔90のサイズが、下方から上方に向かうに従って、3段階で大きくなる形態を示すが、段階数はこれに限定されない。
FIG. 4 shows a form in which the size of the plurality of
このような変形例では、アノード側拡散層67およびカソード側拡散層68のそれぞれが繋ぎ目を有する。このような繋ぎ目は、液体燃料および空気の拡散を阻害するために、本変形例よりも上記の実施形態の方が好適である。
In such a modification, each of the anode
上記の実施形態では、アノード側拡散層67およびカソード側拡散層68のそれぞれが、下方から上方に向かうに従ってサイズが大きくなる複数の気孔90を有しているが、これに限定されず、アノード側拡散層67が有する複数の気孔90のみを、下方から上方に向かうに従ってサイズが大きくなるようにしてもよく、カソード側拡散層68が有する複数の気孔90のみを、下方から上方に向かうに従ってサイズが大きくなるようにしてもよい。
In the above embodiment, each of the anode
なお、図示しないが、カソード側拡散層68は、カソード電極66との間に配置されるマイクロポーラス層を備えていてもよい。
Although not shown, the cathode
これら変形例によっても、上記の実施形態と同様の作用効果を奏することができる。 Also according to these modified examples, the same effects as those of the above embodiment can be obtained.
また、上記実施形態および変形例は、適宜組み合わせることができる。 Moreover, the said embodiment and modification can be combined suitably.
3 燃料電池
64 電解質膜
65 アノード電極
66 カソード電極
67 アノード側拡散層
68 カソード側拡散層
90 複数の気孔
3
Claims (3)
前記電解質層の厚み方向の一方面に配置され、液体燃料が供給されるアノード触媒層と、
前記電解質層の厚み方向の他方面に配置され、酸素が供給されるカソード触媒層と、
前記アノード触媒層および前記カソード触媒層の少なくともいずれか一方と前記厚み方向に向かい合うように配置され、複数の気孔を有するガス拡散層とを備え、
前記アノード触媒層は、前記厚み方向と直交する直交方向の一方から他方に向かって、液体燃料が供給されるように構成され、
前記複数の気孔のサイズは、前記直交方向の一方から他方に向かうに従って、大きくなることを特徴とする、燃料電池。 An electrolyte layer;
An anode catalyst layer disposed on one surface in the thickness direction of the electrolyte layer and supplied with liquid fuel;
A cathode catalyst layer disposed on the other surface in the thickness direction of the electrolyte layer and supplied with oxygen;
A gas diffusion layer that is disposed so as to face at least one of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer in the thickness direction and has a plurality of pores;
The anode catalyst layer is configured so that liquid fuel is supplied from one of the orthogonal directions orthogonal to the thickness direction toward the other,
The fuel cell according to claim 1, wherein the size of the plurality of pores increases from one to the other in the orthogonal direction.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2018160447A (en) * | 2017-03-22 | 2018-10-11 | 株式会社東芝 | Membrane electrode assembly, electrochemical cell, stack, fuel cell and vehicle |
-
2014
- 2014-09-30 JP JP2014201757A patent/JP2016072133A/en active Pending
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