JP2009259736A - Fuel cell electric power generating system - Google Patents
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Abstract
【課題】 高い出力安定性を有する燃料電池発電システムを提供する。
【解決手段】 酸素を還元する正極と、燃料を酸化する負極と、前記正極と前記負極との間に配置された固体高分子電解質膜とを有する電極・電解質一体化物を備えた燃料電池、および前記負極に供給する燃料を加湿する加湿装置とを有する燃料電池発電システムであって、前記加湿装置は、前記燃料を、ミスト状の水分を含有させた状態で前記負極に供給することを特徴とする燃料電池発電システムにより、前記課題を解決する。
【選択図】 図1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell power generation system having high output stability.
A fuel cell comprising an electrode / electrolyte integrated body having a positive electrode that reduces oxygen, a negative electrode that oxidizes fuel, and a solid polymer electrolyte membrane disposed between the positive electrode and the negative electrode, and A fuel cell power generation system comprising a humidifier that humidifies fuel supplied to the negative electrode, wherein the humidifier supplies the fuel to the negative electrode in a state of containing mist-like moisture. This problem is solved by a fuel cell power generation system.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、燃料電池と、燃料を加湿状態で供給する加湿装置とを有する燃料電池発電システムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell power generation system having a fuel cell and a humidifier that supplies fuel in a humidified state.
近年、パソコン、携帯電話などのコードレス機器の普及に伴い、その電源である電池に対して、更なる小型化、高容量化が要望されている。現在、リチウムイオン二次電池は、エネルギー密度が高く、小型軽量化を図り得る電池として実用化されており、ポータブル電源としての需要が増大している。しかし、このリチウムイオン二次電池は、一部のコードレス機器に対して、十分な連続使用時間を保証することができないという問題がある。 In recent years, with the widespread use of cordless devices such as personal computers and mobile phones, there has been a demand for further miniaturization and higher capacity of batteries as power sources. Currently, lithium ion secondary batteries have been put into practical use as batteries that have high energy density and can be reduced in size and weight, and demand for portable power sources is increasing. However, this lithium ion secondary battery has a problem that it cannot guarantee a sufficient continuous use time for some cordless devices.
前記問題の解決に向けて、例えば固体高分子型燃料電池(PEFC)などの燃料電池の開発が進められている。燃料電池は、燃料および酸素の供給を行えば、連続的に使用することが可能である。 In order to solve the above problems, for example, development of fuel cells such as polymer electrolyte fuel cells (PEFC) is underway. The fuel cell can be used continuously if fuel and oxygen are supplied.
そして、PEFCは、空気中の酸素を還元する正極(カソード)と、水素を酸化する負極(アノード)と、これら正極と負極との間に配置される固体高分子電解質膜とで構成された電極・電解質一体化物(MEA:Membrane electrode assembly)を有しており、リチウムイオン二次電池よりもエネルギー密度が高い電池として注目されている。 The PEFC is composed of a positive electrode (cathode) that reduces oxygen in the air, a negative electrode (anode) that oxidizes hydrogen, and a solid polymer electrolyte membrane disposed between the positive electrode and the negative electrode. -It has electrolyte integrated substance (MEA: Mebrane electrode assembly), and attracts attention as a battery whose energy density is higher than a lithium ion secondary battery.
ところで、燃料電池では、発電を継続すると、MEA中の水分が減少して乾燥する。MEAの有する固体高分子電解質膜は、乾燥するとイオン伝導性が低下するため、このような状態となった燃料電池では、十分に出力を取り出すことができなくなる。 By the way, in the fuel cell, when the power generation is continued, the moisture in the MEA is reduced and dried. When the solid polymer electrolyte membrane of the MEA is dried, the ionic conductivity is lowered. Therefore, the fuel cell in such a state cannot sufficiently take out the output.
こうした問題を解決する技術も提案されている。例えば、特許文献1には、75〜78℃の温水を保持し、この温水中に燃料ガスを通すことで燃料ガスを加湿するための燃料ガス加湿タンクと、温水を保持し、この温水中に酸素などの酸化剤を加湿するための酸化剤加湿タンクとを備えた燃料電池が開示されている。特許文献1に記載の技術のように、燃料電池のMEAに供給する燃料ガスおよび酸化剤(酸素)を加湿することで、発電に伴うMEAの乾燥を防いで、出力の安定化を図ることができる。
Techniques for solving these problems have also been proposed. For example,
また、特許文献2には、燃料電池用の燃料に好適な水素を製造するための水素発生材料や、これを水素源として用いた燃料電池が記載されている。前記の水素発生材料は、水と反応して水素を発生する金属材料を含むものであるため、かかる水素発生材料を用いて得られる水素は、水素発生反応のために供給された水分の一部を含んでいる。よって、前記の水素発生材料により得られる水素を燃料とする燃料電池では、水素の供給によってMEAに継続して水分が供給されるため、発電に伴うMEAの乾燥が抑制される。
前記の通り、特許文献1に開示の技術によれば、燃料電池の出力の安定化に一定の効果が認められるものの、70℃以上に加温された水の中でバブリングを行うことから、燃料ガスの温度が上昇するため、相対湿度を高めるのが難しく、MEAからの水分の蒸発を必ずしも抑制できるものではなかった。
As described above, according to the technique disclosed in
一方、特許文献2に記載の技術によれば、MEAの乾燥を防ぐための部材を別途設けることなく、燃料電池内のMEAに水分を供給することができる。しかし、水素を発生させる反応が発熱反応であり、反応の状況によっては、取り出される水素ガスの温度が70℃以上になる場合もあり、特許文献1に記載の技術と同様に、MEAの乾燥による出力低下を抑制できない場合があった。
On the other hand, according to the technique described in
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、高い出力安定性を有する燃料電池発電システムを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a fuel cell power generation system having high output stability.
前記目的を達成し得た本発明の燃料電池発電システムは、酸素を還元する正極と、燃料を酸化する負極と、前記正極と前記負極との間に配置された固体高分子電解質膜とを有する電極・電解質一体化物を備えた燃料電池と、前記負極に供給する燃料を加湿する加湿装置とを有する燃料電池発電システムであって、前記加湿装置は、前記燃料を、ミスト状の水分を含有させた状態で前記負極に供給することを特徴とするものである。 The fuel cell power generation system of the present invention that has achieved the above object includes a positive electrode that reduces oxygen, a negative electrode that oxidizes fuel, and a solid polymer electrolyte membrane disposed between the positive electrode and the negative electrode A fuel cell power generation system having a fuel cell including an electrode / electrolyte integrated body and a humidifying device for humidifying fuel supplied to the negative electrode, the humidifying device containing mist-like moisture. In this state, the negative electrode is supplied to the negative electrode.
本発明によれば、高い出力安定性を有する燃料電池発電システムを提供することができる。 According to the present invention, a fuel cell power generation system having high output stability can be provided.
まず、図面を用いつつ本発明の燃料電池発電システムの詳細を説明する。図1は、本発明の燃料電池発電システムを構成する燃料電池および加湿装置の一例を示す断面模式図である。なお、図1は断面図であるが、各構成要素の理解を容易にするために、一部の構成要素については、断面であることを示す斜線を付していない。 First, details of the fuel cell power generation system of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a fuel cell and a humidifier constituting the fuel cell power generation system of the present invention. Although FIG. 1 is a cross-sectional view, in order to facilitate understanding of each component, some components are not hatched to indicate a cross section.
図1の燃料電池では、正極拡散層13および正極触媒層14からなる正極と、固体高分子電解質膜15と、負極拡散層17および負極触媒層16からなる負極とが、順次積層されてなる電極・電解質一体化物(MEA)100を3個有しており、これらのMEAが平面的に配置されている。
In the fuel cell of FIG. 1, an electrode in which a positive electrode composed of a positive
それぞれのMEA100の正極側には、正極集電プレート5、6、正極絶縁プレート3、および正極パネルプレート1が順次配置されている。また、それぞれのMEA100の負極側には、負極集電プレート7、8、負極絶縁プレート4、および負極パネルプレート2が順次配置されている。
On the positive electrode side of each
そして、全てのMEA100が、正極パネルプレート1と負極パネルプレート2とに挟持されて一体化している。また、図1では明らかにしていないが、隣り合うMEA100同士は、正極集電プレート5、6と負極集電プレート7、8との電気的接続によって、直列に接続されている。
All the
正極集電プレート5、6、正極絶縁プレート3および正極パネルプレート1には、燃料電池外の酸素を空気として正極に導入するための酸素導入孔が複数設けられている。そして、正極集電プレート5、6の酸素導入孔、正極絶縁プレート3の酸素導入孔、および正極パネルプレート1の酸素導入孔により、正極パネルプレート1の外表面からMEA100の正極拡散層13にまで到達する開口部11が複数形成されており、これら開口部11から、燃料電池外の酸素(空気)が拡散により正極拡散層13に供給される構造となっている。
The positive electrode current collecting
また、図1の燃料電池では、負極集電プレート7、8、負極絶縁プレート4および負極パネルプレート2には、加湿装置10から燃料を負極に導入するための燃料導入孔が複数設けられている。そして、負極集電プレート7、8の燃料導入孔、負極絶縁プレート4の燃料導入孔、および負極パネルプレート2の燃料導入孔により、負極パネルプレート2の加湿装置10側表面からMEA100の負極拡散層17にまで到達する開口部12が複数形成されており、これら開口部12から、加湿装置10内の燃料が負極拡散層17に供給される構造となっている。
In the fuel cell of FIG. 1, the negative electrode
図1の燃料電池では、正極パネルプレート1と負極パネルプレート2(更には加湿装置10)は、間隔を持って配置された固定部により固定されており、前記固定部では、ボルト18とナット19による固定がなされている。図1中、9aおよび9bはシールである。
In the fuel cell of FIG. 1, the positive
図1では、MEA100を3個平面的に配置した燃料電池を示しているが、MEAの数は、特に制限されない。また、複数のMEAを配置する場合は、平面的に配置してもよく、また上下に積層するように配置してもよい。
Although FIG. 1 shows a fuel cell in which three
図2に、図1の燃料電池の負極に隣接して設けられた加湿装置10の模式図を示す。図2中、(a)は平面図である。また、(b)は(a)のA−A線断面図、(c)は(a)のB−B線断面図であるが、これらの断面図では固定部20(ネジ穴)の配置を点線で示していることから、この配置の理解を容易にするために、断面であることを示す斜線を省略している。加湿装置10は、MEAの負極に供給する燃料に、ミスト状の水分を含有させ、その状態でMEAの負極へ供給するために設けられる。
FIG. 2 shows a schematic diagram of a
本発明の燃料電池発電システムに係る加湿装置は、例えば、加湿用の水を内部に貯留したタンクで構成することができる。この場合、前記加湿用の水の中を燃料が流通するよう水量などを調整することにより、燃料の気泡がはじけて生じるミスト状の水分(すなわち、完全に気化した状態ではなく、霧のように微小な粒子の状態の水)を燃料中に含有させることができ、また、MEAの負極に隣接して前記タンクを設けることにより、ミスト状の水分を含有した状態のまま燃料を負極に供給することができる。これにより、過飽和状態で水分を含有する燃料を負極に供給することができ、加湿不足が解消される。 The humidifier according to the fuel cell power generation system of the present invention can be constituted by, for example, a tank in which humidifying water is stored. In this case, by adjusting the amount of water so that the fuel circulates in the water for humidification, the mist-like moisture generated by the bubbles of the fuel repelling (that is, not in a completely vaporized state but in a mist state) Water in the form of fine particles) can be contained in the fuel, and by providing the tank adjacent to the MEA negative electrode, the fuel is supplied to the negative electrode while containing mist-like water. be able to. Thereby, the fuel containing water in a supersaturated state can be supplied to the negative electrode, and the lack of humidification is eliminated.
図2に示す加湿タンク10は、燃料と加湿用の水とをタンク内部21に導入するための供給口22と、タンク内部21から余剰の燃料および水をタンク外に排出するための排出口23が設けられており、これらの供給口22と排出口23とによって、タンク内部21に、燃料を加湿するための水を貯留することができる。20は、正極パネルプレートと負極パネルプレートとを固定するための固定部(ボルトを通すネジ穴)であり、正極パネルプレートと負極パネルプレートとの固定部の位置に合わせて設けられる。
The
より具体的には、図2に示す加湿タンク10では、供給口22並びに排出口23の配置を、燃料電池の使用時に、供給口22の方が下部になるようにしている(すなわち、図中上側が、燃料電池の使用時にも上側となるように、燃料電池を設置する)。図2に示す加湿タンク10を有する燃料電池において、供給口22から水を供給することで、この水が、加湿タンク10のタンク内部21に貯留される。そして、この状態で加湿タンク10に燃料を供給すると、供給された燃料は、加湿タンク10内に貯留されている水によって加湿される。なお、燃料電池は発電に伴って発熱するが、MEAの負極に隣接して加湿タンクを設けることにより、MEAを冷却する効果も期待できる。
More specifically, in the
しかも、前記の通り、加湿タンク10における供給口22および排出口23の配置を、燃料電池の使用時に供給口22の方が下部になるようにすることで、加湿タンク10内に貯留される水の量を制御することができる。すなわち、供給口22から供給された水は、重力によってタンク内部21の図中下側に溜まり、その水位が排出口23の位置に達すると、排出口23から水が加湿タンクの外部に排出される。そのため、供給口22からの水の供給を連続的または断続的に継続することで、タンク内部21での水が一定量以下に減ることを防止し、かつ、少なくとも、供給口22からの水の供給速度を、排出口23から水の排出できる速度よりも小さくしておくことで、タンク内部21の水位を、排出口23の位置以下に保つことができる。
In addition, as described above, the
タンク内部21の水が多くなると、水が負極表面を閉塞して負極への燃料供給を阻害する虞があり、また、タンク内部21の水の量が少なくなりすぎると、ミスト状の水分を燃料に含有させることができなくなるが、図2に示すように、加湿タンク10が、貯留する水の量を制御できる機構を有することで、これらの問題の発生を回避することができる。
If the water inside the
なお、加湿タンク10における供給口22および排出口23の配置や、供給口22からの水の供給速度および供給のタイミングについては、貯留された水が負極への燃料供給を阻害しすぎず、かつ良好に燃料が加湿できるような範囲で、適宜設定すればよい。例えば、負極への水の影響を可及的に低減するためには、MEAの負極が排出口23よりも図2中上側に位置するように、排出口23を配置することができる。一方、燃料電池のサイズを可及的に小さくするためには、MEAの負極が排出口23よりも図2中下側に位置し、かつ燃料の加湿が不十分とならない範囲で、できるだけMEAの負極表面における水と接する部分が小さくなるように、排出口23を配置することができる。
Regarding the arrangement of the
なお、図2に示す加湿タンク10(図1の燃料電池に係る燃料タンク部10)は独立のものであるが、例えば、加湿タンクを負極パネルプレートと一体化した構造にしてもよい。
In addition, although the humidification tank 10 (
加湿タンク10の材質は、燃料による腐食や形態変化がなければよい。具体的には、例えば、ガラスエポキシ樹脂;ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂[ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)など]のプラスティック;ステンレス鋼、ニッケル、銅、グラファイト、チタンなどの金属;が好適である。
The material of the
図3に、正極パネルプレート1の平面模式図を示す。正極パネルプレート1には、各MEAの正極拡散層の位置に合わせて酸素導入孔11aが設けられており、該酸素導入孔11aは、正極絶縁プレートの酸素導入孔および正極集電プレートの酸素導入孔と共に、前記開口部を形成する。20、20a、20b、20c、20d、20eは正極パネルプレート1と負極パネルプレートとを固定するためのボルトを通すネジ穴であり、正極パネルプレート1と負極パネルプレートとを固定するための固定部となる。
FIG. 3 is a schematic plan view of the positive
正極パネルプレート1は、MEAの抑え込みの際に、たわみの発生を抑制する観点から、金属製であることが好ましい。また、MEAの抑え込みの際のたわみをより少なくする観点から、正極パネルプレート1を構成する金属は、曲げ試験により求められるヤング率が50000MPa以上であることが好ましい。具体的な金属としては、例えば、炭素鋼、合金鋼、ステンレス鋼、超合金、アルミニウム合金、マグネシウム合金、チタン合金、ニッケル合金などが挙げられる。なお、本明細書でいう曲げ試験により求められるヤング率とは、両端を支持した板状の試料の中央部に荷重をかけた特に生じたたわみ量を測定して求められる値である。
The positive
また、正極パネルプレート1の厚みは、0.5〜3.5mmであることが好ましい。正極パネルプレート1が薄すぎると、MEAの抑え込み時のたわみが大きくなって、MEAの抑え込みの均一性が損なわれることがある。また、正極パネルプレート1が厚すぎると、正極パネルプレート1、正極絶縁プレートおよび正極集電プレートの総厚みが大きくなってしまい、正極への酸素の供給量が低下することがある。
Moreover, it is preferable that the thickness of the positive
なお、負極パネルプレートには、前記の正極パネルプレートと同じ構成(形状および材質)のものを用いることができる。 In addition, the thing of the same structure (shape and material) as the said positive electrode panel plate can be used for a negative electrode panel plate.
図4には、正極集電プレート5、6の平面模式図を示している。図4中、(a)の正極集電プレート5は、図1の燃料電池の左端のMEA100の正極側に配置するための集電プレート(正極端部集電プレート)であり、燃料電池外部と電気的に接続するための正極集電端子部24が設けられている。また、図3中、(b)の正極集電プレート6は、図1の燃料電池の中央および右側のMEA100の正極側に配置するための集電プレートであり、燃料電池の外周部に相当する位置に正極直列接続タブ25が設けられている。この正極直列接続タブ25を、隣に位置するMEAの負極側に配置された負極集電プレートと接触させる(例えば、負極集電プレートに設けられた負極直列接続タブと接触させる)などして電気的に接続することで、各MEAを直列に接続する。
FIG. 4 is a schematic plan view of the positive electrode
また、図4の正極集電プレート5、6には、MEAの正極拡散層の位置に合わせ、かつ正極パネルプレートの酸素導入孔の位置に合わせて酸素導入孔11bが設けられており、該酸素導入孔11bは、正極パネルプレートの酸素導入孔および正極絶縁プレートの酸素導入孔と共に、前記開口部を形成する。更に、図4の正極集電プレート5、6には、正極パネルプレートの固定部(ネジ穴)の位置に合わせて、固定部20(ネジ穴)が設けられている。
Further, the positive electrode
正極集電プレート5における正極集電端子部24としては、特に制限はないが、例えば、図4に示すように、燃料電池と接続する装置などから引き出された外部端子を接続するための孔などが挙げられる。
The positive current collecting
正極集電プレート6における正極直列接続タブ25は、燃料電池の外周部に相当する位置に1つ設けるだけでもよいが、図4に示すように燃料電池の外周部に相当する位置に2つ設けることが好ましい。1つの正極直列接続タブから接続するよりも、2つのタブから接続する方が、集電プレート間の抵抗が低減されるため、電池の出力をより向上させることができる。
Although only one positive electrode
正極集電プレート5、6の厚みは0.2〜3.2mmであることが好ましい。正極集電プレート5、6が薄すぎると、その電子抵抗が大きくなって、電池の出力が低下することがある。また、正極集電プレート5、6が厚すぎると、正極パネルプレート、正極絶縁プレートおよび正極集電プレートの総厚みが大きくなってしまい、正極への酸素の供給量が低下することがある。
The thickness of the positive electrode
なお、負極集電プレート(図1の負極端部集電プレート7、および負極集電プレート8)には、前記の正極集電プレート(図4に示す正極端部集電プレート5、および図5に示す正極集電プレート6)と同じ構成(形状)のものを用いることができる。
Note that the negative electrode current collecting plate (the negative electrode end
本発明の燃料電池発電システムを構成する燃料電池では、正極集電プレートおよび負極集電プレートに、良導性金属を有する金属製の基材と、該基材を被覆する耐食性導電材料層とで構成されたものを使用することが好ましく、正極集電プレートおよび負極集電プレートの少なくとも一方に、その金属製の基材が、MEAの電極面と平行または略平行な2層により構成され、かつ前記2層のうち、電極側の層が耐食性の金属で構成されており、他方の層(電極とは反対側の層)が前記良導性金属で構成されているものを使用することがより好ましい。 In the fuel cell constituting the fuel cell power generation system of the present invention, the positive electrode current collecting plate and the negative electrode current collecting plate are each made of a metal base material having a good conductivity metal and a corrosion-resistant conductive material layer covering the base material. It is preferable to use a configured material, and at least one of the positive electrode current collecting plate and the negative electrode current collecting plate, the metal base material is constituted by two layers parallel or substantially parallel to the electrode surface of the MEA, and Of the two layers, it is more preferable to use a layer in which the electrode side layer is made of a corrosion-resistant metal and the other layer (the layer on the side opposite to the electrode) is made of the highly conductive metal. preferable.
前記2層構造の基材と耐食性導電材料層とで構成された正極集電プレート5、6の厚み方向の断面の一部を図5に示す。図5に示す正極集電プレート5、6は、金属製の基材51と、基材51を被覆する耐食性導電材料層52とで構成されている。そして、金属製の基材51は、MEAの電極面(正極集電プレートの場合、正極面)と平行または略平行な2層51a、51bにより構成されており、このうち、電極側(正極側)の層51aは耐食性の金属で構成され、他方の層51bは良導性金属で構成されている。
FIG. 5 shows a part of a cross section in the thickness direction of the positive electrode
前記の素材で構成された正極集電プレートを使用することで、隣接するMEA間の電気的接続を良好にしつつ、正極との接触による正極集電プレートの腐食を抑制して、燃料電池におけるより良好な出力特性の確保と長寿命化とを両立できる。また、前記の素材で構成された正極集電プレートであれば、集電プレート本来の役割を主に担う正極側とは反対の層51bを構成する良導性金属に、安価である一方で耐食性が劣るCuなどを使用しても、その腐食を抑制することができるため、燃料電池のコストダウンを図り、その生産性を高めることもできる。
By using the positive current collector plate made of the above-mentioned material, the corrosion of the positive current collector plate due to contact with the positive electrode is suppressed while improving the electrical connection between the adjacent MEAs, so that the Both good output characteristics and long life can be achieved. Moreover, if it is a positive electrode current collection plate comprised with the said raw material, it is cheap, but it is corrosion-resistant to the highly conductive metal which comprises the
なお、正極集電プレートおよび負極集電プレートの一方のみが、図5に示すような前記2層構造の基材と耐食性導電材料層とで構成された集電プレートであってもよく、このような場合でも一定の効果を得ることができるが、正極集電プレートは、負極集電プレートに比べてより高い耐食性が要求されることから、少なくとも正極集電プレートが前記2層構造の基材と耐食性導電材料層とで構成された集電プレートであることが更に好ましく、正極集電プレートおよび負極集電プレートの両者が、前記2層構造の基材と耐食性導電材料層とで構成された集電プレートであることが特に好ましく、この場合には、かかる構成の集電プレートを使用することによる前記の効果がより良好に奏される。 In addition, only one of the positive electrode current collecting plate and the negative electrode current collecting plate may be a current collecting plate composed of the base material having the two-layer structure and the corrosion-resistant conductive material layer as shown in FIG. However, since the positive electrode current collector plate is required to have higher corrosion resistance than the negative electrode current collector plate, at least the positive electrode current collector plate and the base material having the two-layer structure are used. More preferably, the current collecting plate is composed of a corrosion-resistant conductive material layer, and both the positive electrode current collecting plate and the negative electrode current collecting plate are composed of the base material having the two-layer structure and the corrosion-resistant conductive material layer. The electric plate is particularly preferable, and in this case, the above-described effect by using the current collecting plate having such a configuration is more excellent.
すなわち、負極集電プレートに、良導性金属を有する金属製の基材と、該基材を被覆する耐食性導電材料層とで構成されており、その金属製の基材が、MEAの電極面と平行または略平行な2層により構成され、かつ前記2層のうち、電極(負極)側の層が耐食性の金属で構成されており、他方の層が前記良導性金属で構成されているものを使用した場合にも、隣接するMEA間の電気的接続を良好にしつつ、電極との接触による負極集電プレートの腐食を抑制して、燃料電池におけるより良好な出力特性の確保と長寿命化とを両立できる。また、前記の素材で構成された負極集電プレートであれば、集電プレート本来の役割を主に担う正極とは反対側の層を構成する良導性金属に、安価である一方で耐食性が劣るCuなどを使用しても、その腐食を抑制することができるため、燃料電池のコストダウンを図り、その生産性を高めることもできる。 That is, the negative electrode current collecting plate is composed of a metal base material having a highly conductive metal and a corrosion-resistant conductive material layer covering the base material, and the metal base material is an electrode surface of the MEA. Of the two layers, the electrode (negative electrode) side layer is made of a corrosion-resistant metal, and the other layer is made of the highly conductive metal. Even when using one, the electrical connection between adjacent MEAs is improved, and corrosion of the negative electrode current collector plate due to contact with the electrode is suppressed to ensure better output characteristics and longer life in the fuel cell. Both can be achieved. In addition, if the negative electrode current collector plate is made of the above-described material, the highly conductive metal constituting the layer on the opposite side of the positive electrode, which mainly plays the original role of the current collector plate, is inexpensive and has corrosion resistance. Even if inferior Cu or the like is used, the corrosion can be suppressed, so that the cost of the fuel cell can be reduced and the productivity thereof can be increased.
なお、正極集電プレートおよび負極集電プレートは、良好な電子伝導性を有し、かつ耐酸性の高い素材で構成することが好ましいため、正極集電プレートまたは負極集電プレートを、前記の2層構造の基材と、該基材を被覆する耐食性導電材料層とで構成されたものを使用しない場合には、良導性金属を有する金属製の基材(例えば良導性金属で構成された単層構造の基材)と、該基材を被覆する耐食性導電材料層とで構成されたものを使用することが好ましく、例えば、負極集電プレートに、かかる構成のプレートを使用してもよい。 Note that the positive electrode current collecting plate and the negative electrode current collecting plate are preferably made of a material having good electron conductivity and high acid resistance. In the case of not using a layered base material and a corrosion-resistant conductive material layer covering the base material, a metal base material having a good conductivity metal (for example, a good conductivity metal) It is preferable to use a substrate composed of a single layer structure base material) and a corrosion-resistant conductive material layer covering the base material. Good.
正極集電プレートおよび負極集電プレートに係る金属製の基材を被覆する層を構成する耐食性導電材料としては、例えば、Au、Pt、Pdおよびそれらの元素を主体とする合金よりなる群から選択される少なくとも1種の金属;カーボンと熱硬化性樹脂との混合物;などが挙げられる。なお、耐食性導電材料が前記合金の場合、合金中のAu、PtまたはPdの含有量は、例えば、80質量%以上であることが好ましい。また、前記合金における合金成分としては、例えば、イリジウムなどが挙げられる(すなわち、合金としては、例えば、Pt:80質量%−Ir:20質量%の合金などが挙げられる)。更に、耐食性導電材料がカーボンと熱硬化性樹脂との混合物における熱硬化性樹脂としては、例えば、ポリアミドイミドなどが挙げられる。 As the corrosion-resistant conductive material constituting the layer covering the metal base material related to the positive electrode current collector plate and the negative electrode current collector plate, for example, selected from the group consisting of Au, Pt, Pd and alloys mainly composed of those elements At least one metal; a mixture of carbon and a thermosetting resin; and the like. When the corrosion-resistant conductive material is the alloy, the content of Au, Pt or Pd in the alloy is preferably 80% by mass or more, for example. Moreover, as an alloy component in the said alloy, iridium etc. are mentioned, for example (namely, as an alloy, an alloy of Pt: 80 mass% -Ir: 20 mass% etc. is mentioned), for example. Furthermore, examples of the thermosetting resin in the mixture of the corrosion-resistant conductive material of carbon and thermosetting resin include polyamideimide.
耐食性導電材料層の厚みは、0.1〜50μmであることが好ましく、耐食性導電材料層の厚みをこのようにしつつ、集電プレートの厚みを前記好適値にすることが推奨される。耐食性導電材料層が薄すぎると、耐食性導電材料層を形成することによる集電プレートの腐食抑制効果が小さくなることがある。また、耐食性導電材料層が厚すぎると、良導性金属を有する金属製の基材が薄くなり、耐食性導電材料の選択によっては、電子抵抗が大きくなったり、集電プレートのコストが増大したりすることがある。 The thickness of the corrosion-resistant conductive material layer is preferably 0.1 to 50 μm, and it is recommended that the thickness of the current collecting plate be set to the above-mentioned preferable value while the thickness of the corrosion-resistant conductive material layer is set in this way. If the corrosion-resistant conductive material layer is too thin, the corrosion-inhibiting effect of the current collecting plate due to the formation of the corrosion-resistant conductive material layer may be reduced. Moreover, if the corrosion-resistant conductive material layer is too thick, the metal base material having a good conductivity metal becomes thin, and depending on the selection of the corrosion-resistant conductive material, the electronic resistance increases or the cost of the current collecting plate increases. There are things to do.
また、正極集電プレートおよび負極集電プレートに係る金属製の基材における良導性金属としては、例えば、Ni、Ni合金、CuまたはCu合金が挙げられ、これらを1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。なお、Ni合金やCu合金の場合、合金中のNiまたはCuの含有量は、例えば、95質量%以上であることが好ましい。また、Ni合金やCu合金における合金成分としては、例えば、ベリリウムなどが挙げられる(すなわち、合金としては、Cu:98質量%−Be:2質量%の合金や、Ni:98質量%−Be:2質量%の合金などが挙げられる)。負極集電プレートや正極集電プレートが、前記2層構造の基材を有する場合には、電極とは反対側の層を前記例示の良導性金属で構成することができる。 In addition, examples of the highly conductive metal in the metal base material related to the positive electrode current collecting plate and the negative electrode current collecting plate include Ni, Ni alloy, Cu, or Cu alloy, and these may be used alone. In addition, two or more kinds may be used in combination. In the case of a Ni alloy or a Cu alloy, the content of Ni or Cu in the alloy is preferably 95% by mass or more, for example. Moreover, as an alloy component in Ni alloy or Cu alloy, beryllium etc. are mentioned, for example (namely, as an alloy, Cu: 98 mass% -Be: 2 mass% alloy, Ni: 98 mass% -Be: 2% by mass of alloy). When the negative electrode current collecting plate or the positive electrode current collecting plate has the base material having the two-layer structure, the layer on the side opposite to the electrode can be made of the exemplified conductive metal.
正極集電プレートや負極集電プレートが、前記2層構造の基材を有する場合、電極側の層を構成する耐食性の金属としては、例えば、ステンレス鋼、Ti、またはTiを主体とする合金が挙げられ、これらを1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。なお、前記合金の場合、合金中のTiの含有量は、例えば、90質量%以上であることが好ましい。また、前記合金における合金成分としては、例えば、Pd、Taなどが挙げられる(すなわち、合金としては、Ti:99.85質量%−Pd:0.15質量%の合金や、Ti:95質量%−Ta:5質量%の合金などが挙げられる)。 When the positive electrode current collecting plate or the negative electrode current collecting plate has the base material having the two-layer structure, as the corrosion-resistant metal constituting the electrode side layer, for example, stainless steel, Ti, or an alloy mainly composed of Ti is used. These may be used alone or in combination of two or more. In addition, in the case of the said alloy, it is preferable that content of Ti in an alloy is 90 mass% or more, for example. Examples of the alloy component in the alloy include Pd and Ta (that is, the alloy includes Ti: 99.85% by mass—Pd: 0.15% by mass, Ti: 95% by mass). -Ta: 5 mass% alloy etc. are mentioned).
正極集電プレートおよび負極集電プレートに係る良導性金属を有する金属製の基材の厚みは、正極集電プレートおよび負極集電プレートの前記好適厚み、および耐食性導電材料層の前記好適厚みを満足させつつ、設定することが好ましい。 The thickness of the metal base material having a highly conductive metal related to the positive electrode current collecting plate and the negative electrode current collecting plate is the preferred thickness of the positive electrode current collecting plate and the negative electrode current collecting plate, and the preferred thickness of the corrosion-resistant conductive material layer. It is preferable to set while satisfying.
また、正極集電プレートや負極集電プレートが、前記2層構造の基材を有する場合には、前記基材における電極側の層と、他の層との厚みの比率は、電極側の層の厚みを1としたときに、他の層の厚みが0.2〜3であることが好ましい。電極側の層の厚みに対して他の層が薄すぎると、集電プレートの電子抵抗が大きくなる虞があり、電極側の層の厚みに対して他の層が厚すぎると、電極側の層が薄くなって、これを設けることによる集電プレートの腐食抑制効果が小さくなることがある。 Moreover, when the positive electrode current collecting plate or the negative electrode current collecting plate has the base material having the two-layer structure, the ratio of the thickness of the electrode side layer to the other layer in the base material is the electrode side layer. The thickness of the other layer is preferably 0.2 to 3 when the thickness is 1. If the other layer is too thin relative to the thickness of the electrode side layer, the electronic resistance of the current collector plate may increase. If the other layer is too thick relative to the thickness of the electrode side layer, A layer becomes thin and the corrosion inhibitory effect of the current collection plate by providing this may become small.
図6に、正極絶縁プレート3の模式図を示す。図6中、(a)は平面図である。また、(b)は(a)のA−A線断面図であるが、固定部20(ネジ穴)の配置を点線で示しており、この配置の理解を容易にするために、断面であることを示す斜線を省略している。正極絶縁プレート3は、金属製の正極パネルプレートと、正極集電プレートとの間に配置され、これらのプレート間を絶縁する役割を担っている。
FIG. 6 shows a schematic diagram of the positive
正極絶縁プレート3には、各MEAの正極拡散層の位置に合わせ、かつ正極パネルプレートの酸素導入孔および正極集電プレートの酸素導入孔の位置に合わせて酸素導入孔11cが設けられており、該酸素導入孔11cは、正極パネルプレートの酸素導入孔および正極集電プレートの酸素導入孔と共に、前記開口部を形成している。また、正極絶縁プレート3には、正極パネルプレートおよび正極集電プレートの固定部(ネジ穴)の位置に合わせて、固定部20(ネジ穴)が設けられている。
The positive
正極絶縁プレート3には、正極集電プレートを収めるための凹部26が設けられていることが好ましい。凹部26によって正極絶縁プレート3と正極集電プレートとを積層したときに段差をなくすことができるため、かかる段差によるガス漏れやMEAの抑え込みの不均一さの発生を抑えることができる。
The positive
正極絶縁プレート3の材質は、電子絶縁性のものならば特に制限されないが、例えば、ガラスエポキシ樹脂や、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂(PTFEなど)などのプラスティックが好適である。
The material of the positive
正極絶縁プレート3のうち、正極集電プレートが収まる凹部26の厚みは、0.3〜3.3mmであることが好ましい。凹部26が薄すぎると、強度の不足による割れなどがおこる虞がある。また、凹部26が厚すぎると、正極パネルプレート、正極絶縁プレートおよび正極集電プレートの総厚みが大きくなってしまい、正極への酸素の供給量が低下することがある。
Of the positive
なお、負極絶縁プレートには、前記の正極絶縁プレートと同じ構成(形状および材質)のものを用いることができる。 In addition, the thing of the same structure (shape and material) as the said positive electrode insulating plate can be used for a negative electrode insulating plate.
本発明の燃料電池発電システムを構成する燃料電池においては、正極パネルプレート、正極絶縁プレートおよび正極集電プレートの総厚みは1mm以上であることが好ましい。燃料電池の内部抵抗を低くするには、正極パネルプレートと負極パネルプレートとによって、MEAをある程度の均一性を持って抑え込むことが好ましい。例えば、図1に示すように、正極パネルプレート1と負極パネルプレート2とを、間隔を持った配置された固定部において、ボルト18とナット19を用いるなどして固定する場合、正極パネルプレート1、正極絶縁プレート3および正極集電プレート5、6の総厚みが小さすぎると、MEA100の抑え込みの際にこれらのプレートにたわみが生じて、MEA100の抑え込みの均一性が損なわれることがある。
In the fuel cell constituting the fuel cell power generation system of the present invention, the total thickness of the positive electrode panel plate, the positive electrode insulating plate, and the positive electrode current collecting plate is preferably 1 mm or more. In order to reduce the internal resistance of the fuel cell, it is preferable to suppress the MEA with a certain degree of uniformity by the positive electrode panel plate and the negative electrode panel plate. For example, as shown in FIG. 1, in the case where the positive
他方、正極パネルプレート1、正極絶縁プレート3および正極集電プレート5、6の総厚みが大きすぎると、開口部11から正極拡散層13への酸素の供給量が低下する傾向にあるため、前記総厚みは4mm以下であることが好ましい。
On the other hand, if the total thickness of the positive
また、負極パネルプレート2、負極絶縁プレート4および負極集電プレート7、8の総厚みについても、正極パネルプレート1、正極絶縁プレート3および正極集電プレート5、6の総厚みと同様に、MEA100の抑え込みの均一性を高めて電池の内部抵抗を下げる観点から、1mm以上であることが好ましく、更に、開口部12から負極拡散層17への燃料の供給量を高める観点から、4mm以下であることが好ましい。
The total thickness of the negative
図7に、MEA100の模式図を示す。図7中、(a)は平面図であり、(b)は(a)の断面図であるが、(b)では各構成要素の理解を容易にするために、断面であることを示す斜線を省略している。
FIG. 7 shows a schematic diagram of the
MEA100は、酸素を還元する正極触媒層14と、水素を酸化する負極触媒層16とを有しており、更に、正極触媒層14と負極触媒層16との間に固体高分子電解質膜15を備えている。また、正極触媒層14の固体高分子電解質膜15側の面の反対面には、正極拡散層13が積層されており、負極触媒層16の固体高分子電解質膜15側の面の反対面には、負極拡散層17が積層されている。
The
固体高分子電解質膜15は、平面視で、電極(正極および負極)よりも大きい面積を有していることが好ましい。これは、電極からはみ出る部分を利用してシールを行うためである。シールが行われなければ燃料と空気中の酸素とが混合されてしまうため、燃料電池の機能が果たせないことがある。固体高分子電解質膜15における電極よりも大きくなる部分の幅は、シールを行うために十分な幅を確保する観点から、1mm以上であることが好ましい。なお、固体高分子電解質膜15における電極よりも大きくなる部分の幅をあまり大きくすると、固体高分子電解質膜15の限られた面積の中でシールを行う面積の比率が大きくなってしまうため、電極の面積が犠牲になってしまうことから、前記の幅は5mm以下であることが好ましい。
The solid
電極の幅は、3〜35mmであることが好ましい。これは、前記の固体高分子電解質膜15の好適な大きさと、後述する固定部間の好適距離との関係から導かれるものである。電極の長さには特に制限はなく、燃料電池に要求される出力に鑑みて設定することが可能である。
The width of the electrode is preferably 3 to 35 mm. This is derived from the relationship between the preferred size of the solid
また、MEA100は、図8に示すように、複数のMEA100で固体高分子電解質膜15を共有する構造としてもよい。図8の(a)は平面図で、(b)は(a)の断面図であるが、この(b)においても、各構成要素の理解を容易にするために、断面であることを示す斜線を省略している。
Further, the
図8中、27は直列接続タブ接触エリアであり、この部分で正極集電プレートの正極直列接続タブと負極集電プレートの負極直列接続タブとを電気的に接触させ、MEAユニット内の各MEAを直列に接続することができる。また図8のMEA100には、固定部20(ネジ穴)も設けられている。
In FIG. 8,
正極拡散層13および負極拡散層17は、多孔性の電子伝導性材料などから構成され、例えば、撥水処理を施した多孔質炭素シートなどが用いられる。なお、正極拡散層13や負極拡散層17の触媒層側には、更なる撥水性向上および触媒層との接触向上を目的として、フッ素樹脂粒子(PTFE樹脂粒子など)を含む炭素粉末のペーストが塗布されている場合もある。
The positive
正極触媒層14は、正極拡散層13を介して拡散してきた酸素を還元する機能を有している。正極触媒層14は、例えば、触媒を担持した炭素粉末(触媒担持炭素粉末)と、プロトン伝導性材料とを含有している。また、必要に応じて、樹脂バインダを更に含有していてもよい。
The positive
正極触媒層14の含有する触媒としては、酸素を還元できるものであれば特に制限はないが、例えば、白金微粒子が挙げられる。また、前記触媒は、鉄、ニッケル、コバルト、錫、ルテニウムおよび金よりなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素と白金との合金で構成される微粒子などであってもよい。
The catalyst contained in the positive
触媒の担体である炭素粉末としては、例えば、BET比表面積が10〜2000m2/gであり、平均粒子径が20〜100nmのカーボンブラックなどが用いられる。炭素粉末への前記触媒の担持は、例えば、コロイド法などで行うことができる。 As the carbon powder as the catalyst carrier, for example, carbon black having a BET specific surface area of 10 to 2000 m 2 / g and an average particle diameter of 20 to 100 nm is used. The catalyst can be supported on the carbon powder by, for example, a colloid method.
前記炭素粉末と前記触媒との含有比率としては、例えば、炭素粉末100質量部に対して、触媒が5〜400質量部であることが好ましい。このような含有比率であれば、十分な触媒活性を有する正極触媒層が構成できるからである。また、例えば、炭素粉末上に触媒を析出させる方法(例えば、コロイド法)で触媒担持炭素粉末が作製される場合には、炭素粉末と触媒とが前記の含有比率であれば、触媒の径が大きくなりすぎず、十分な触媒活性が得られるからである。 As a content ratio of the carbon powder and the catalyst, for example, the catalyst is preferably 5 to 400 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the carbon powder. This is because such a content ratio can constitute a positive electrode catalyst layer having sufficient catalytic activity. Further, for example, when the catalyst-supported carbon powder is produced by a method of depositing the catalyst on the carbon powder (for example, a colloid method), the catalyst diameter is as long as the carbon powder and the catalyst have the above-mentioned content ratio. This is because it does not become too large and sufficient catalytic activity is obtained.
正極触媒層14に含まれるプロトン伝導性材料としては、特に制限はないが、例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂、スルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂、スルホン化ポリイミド樹脂などのスルホン酸基を有する樹脂を用いることができる。ポリパーフルオロスルホン酸樹脂としては、具体的には、デュポン社製の「ナフィオン(登録商標)」、旭硝子社製の「フレミオン(登録商標)」、旭化成工業社製の「アシプレックス(商品名)」などが挙げられる。
The proton conductive material contained in the positive
正極触媒層14におけるプロトン伝導性材料の含有量は、触媒担持炭素粉末100質量部に対して、2〜200質量部であることが好ましい。プロトン伝導性材料が前記の量で含有されていれば、正極触媒層において十分なプロトン伝導性が得られ、電気抵抗値が大きくなりすぎず、電池性能の良好な燃料電池を得ることができるからである。
The content of the proton conductive material in the positive
正極触媒層14に係るバインダとしては、特に制限はないが、例えば、PTFE、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体(E/TFE)、ポリビニリデンフルオライド(PVDF)およびポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)などのフッ素樹脂や、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン、ポリスチレン、ポリエステル、アイオノマー、ブチルゴム、エチレン・酢酸ビニル共重合体、エチレン・エチルアクリレート共重合体およびエチレン・アクリル酸共重合体などの非フッ素樹脂などを用いることができる。
The binder for the positive
正極触媒層14におけるバインダの含有量は、触媒担持炭素粉末100質量部に対して、0.01〜100質量部であることが好ましい。バインダが前記の量で含有されていれば、正極触媒層について十分な結着性が得られ、電気抵抗値が大きくなりすぎず、電池性能の良好な燃料電池を得ることができるからである。
The binder content in the positive
負極触媒層16は、負極拡散層を介して拡散してきた水素やメタノールなどの燃料を酸化する機能を有している。負極触媒層は、例えば、触媒を担持した炭素粉末(触媒担持炭素粉末)と、プロトン伝導性材料とを含有している。必要に応じて、樹脂などのバインダを更に含有していてもよい。
The negative
負極触媒層16に係る触媒は、水素やメタノールなどの燃料を酸化できれば特に制限はなく、例えば、正極触媒層に係る触媒として例示した前記の各触媒を用いることができる。負極触媒層に係る前記炭素粉末、プロトン伝導性材料、およびバインダについても、正極触媒層に係る炭素粉末、プロトン伝導性材料、およびバインダとして例示した前記の各材料を用いることができる。
The catalyst related to the negative
固体高分子電解質膜15は、プロトンを輸送可能であり、かつ電子伝導性は示さない材料で構成された膜であれば、特に制限はない。固体高分子電解質膜15を構成し得る材料としては、例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂、具体的には、デュポン社製の「ナフィオン(登録商標)」、旭硝子社製の「フレミオン(登録商標)」、旭化成工業社製の「アシプレックス(商品名)」などが挙げられる。その他、スルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂、スルホン化ポリイミド樹脂、硫酸ドープポリベンズイミダゾールなども、固体高分子電解質膜15の材料として用いることができる。
The solid
図9に、シール9a、9bの平面模式図を示す。このシール9a、9bは、MEAの上下に配置される。その際、MEAの電極はシールに設けた孔28に収まり、固体高分子電解質膜のうち電極部分からはみ出た部分は、シール9a、9bに挟まれる。このような構成とすることで、燃料と空気中の酸素とを隔離して、燃料電池を良好に機能させることが可能となる。図9に示すシール9a、9bには直列接続タブ接触エリア27が設けられており、この部分で正極集電プレートの正極直列接続タブと負極集電プレートの負極直列接続タブとを電気的に接触させ、各MEAを直列に接続することができる。また図9のシール9a、9bには、固定部20(ネジ穴)も設けられている。
FIG. 9 shows a schematic plan view of the
シールの材質としては、燃料電池分野などにおいてシール材として公知の各種材料、例えば、シリコンゴム、エチレン−プロピレン−ジエンゴム、PTFEフィルム、ポリイミドフィルムなどを用いることができる。 As a material for the seal, various materials known as a seal material in the field of fuel cells, for example, silicon rubber, ethylene-propylene-diene rubber, PTFE film, polyimide film, and the like can be used.
MEAユニット内の全てのMEAを一体化するための正極パネルプレートと負極パネルプレートとの固定は、各MEAをある程度の均一性を持って抑え込むことができれば、その手段については特に制限はない。例えば、正極パネルプレート、正極絶縁プレート、正極集電プレート、シール、負極集電プレート、負極絶縁プレートおよび負極パネルプレートにおけるMEAの電極部分以外に相当する部分、並びにMEAの固体高分子電解質膜のうち電極部分からはみ出した部分の全体を、接着するなどして固定してもよい。 The fixing of the positive electrode panel plate and the negative electrode panel plate for integrating all the MEAs in the MEA unit is not particularly limited as long as each MEA can be suppressed with a certain degree of uniformity. For example, among the positive electrode panel plate, the positive electrode insulating plate, the positive electrode current collecting plate, the seal, the negative electrode current collecting plate, the portion corresponding to the negative electrode insulating plate and the negative electrode panel plate other than the MEA electrode portion, and the MEA solid polymer electrolyte membrane The entire portion protruding from the electrode portion may be fixed by bonding or the like.
しかし、MEAをより抑え込み易いことから、図1に示すように、間隔を持って配置された固定部において、機械的挟持手段により正極パネルプレートと負極パネルプレートとを固定することが好ましい。この場合、固定部における機械的挟持手段としては、例えば、図1に示すボルトとナットとを用いたネジ止めや、リベット止めなどが好ましく採用できる。 However, since the MEA can be more easily suppressed, as shown in FIG. 1, it is preferable to fix the positive electrode panel plate and the negative electrode panel plate by the mechanical clamping means in the fixing portions arranged at intervals. In this case, as the mechanical clamping means in the fixing portion, for example, screwing using a bolt and nut shown in FIG. 1 or riveting can be preferably employed.
また、前記のように、正極パネルプレートと負極パネルプレートとを、間隔を持って配置された固定部により固定する場合には、MEAを挟んで隣り合う固定部間のうち、より短い固定部間の距離を10mm以上40mm以下とすることが好ましい。前記の固定部間が前記のような距離となるように固定部を配置することで、電池特性をより良好にすることができる。 In addition, as described above, when the positive electrode panel plate and the negative electrode panel plate are fixed by the fixing portions arranged at intervals, the shorter fixing portion between the adjacent fixing portions with the MEA interposed therebetween. Is preferably 10 mm or more and 40 mm or less. By arranging the fixing portions so that the distance between the fixing portions is as described above, the battery characteristics can be improved.
前記の固定部間の距離を、図3を用いて説明すると、固定部20aとMEAを挟んで隣り合う固定部としては、20b、20c、20dがあるが、このうち、固定部20aとの間の距離がより短くなるのは20cである。「MEAを挟んで隣り合う固定部間のうち、より短い固定部間の距離が10mm以上40mm以下」とは、固定部20aと固定部20cとの間の距離が10mm以上40mm以下であることを意味している。
The distance between the fixed portions will be described with reference to FIG. 3. As fixed portions adjacent to each other with the MEA between the fixed
前記の固定部間距離が短すぎると、MEAの電極部分の面積が小さくなってしまい、長すぎると、機械的挟持手段により締め付けたときのパネルプレートのたわみが大きくなってMEAを均一に抑え込むことが困難となり、電池の内部抵抗が高くなったり、相対的に抑えの効いた部分で電流集中が生じて、電極の劣化を引き起こすことがある。前記の固定部間距離は、15mm以上であることがより好ましく、また、30mm以下であることがより好ましい。 If the distance between the fixed parts is too short, the area of the electrode portion of the MEA becomes small, and if it is too long, the deflection of the panel plate when tightened by the mechanical clamping means becomes large and the MEA is uniformly suppressed. The internal resistance of the battery may increase, or current concentration may occur in a relatively restrained portion, causing deterioration of the electrode. The distance between the fixed portions is more preferably 15 mm or more, and more preferably 30 mm or less.
また、MEAを挟まずに隣り合う固定部間の距離(例えば、図3では、固定部20aと固定部20eとの間の距離)も、前記の「MEAを挟んで隣り合う固定部間のうち、より短い固定部間の距離」と同じ理由から、好ましくは10mm以上、より好ましくは15mm以上であって、好ましくは40mm以下、より好ましくは30mm以下である。
Further, the distance between the adjacent fixed parts without sandwiching the MEA (for example, the distance between the
本発明の燃料電池発電システムを構成する燃料電池では、例えば図1に示す正極側の開口部11の、平面視における総面積を、平面視における正極の面積で割り、それを百分率で表して示される開口率(A)が、10%以上60%以下であることが好ましい。正極側の開口率を前記のようにすることで、正極への酸素の供給とMEAから生じる電流の集電をより良好にすることができる。
In the fuel cell constituting the fuel cell power generation system of the present invention, for example, the total area in the plan view of the
すなわち、前記開口率(A)が小さすぎると、正極への酸素の供給が低下することがある。また、前記開口率(A)が大きすぎると、MEA100から生じる電流の集電性が低下することがある。前記開口率(A)は、15%以上であることがより好ましく、また、50%以下であることがより好ましい。
That is, if the aperture ratio (A) is too small, the supply of oxygen to the positive electrode may decrease. On the other hand, if the aperture ratio (A) is too large, the current collecting property of the current generated from the
正極側の開口部11および負極側の開口部12は、方形(長方形、正方形など)、円形(真円形、楕円形など)などの各種の形状とすることができる。なお、正極側の開口部11は、正極側の平面視において、開口部11に接し、かつ線間の最短距離が最も短くなる平行な2本の線を引いたときに、前記最短距離(B)が0.2mm以上3mm以下であることが好ましい。
The
図11に、正極側の開口部11の1つを拡大した図を示す。図11の(a)は、開口部11が長方形の場合を示している。開口部11が長方形の場合、該開口部11に接する平行な2本の線としては、図中のIとII、およびiとiiの2つを引くことができる。このうち、2線間の最短距離が最も短くなるのは、図中Iの線とIIの線との間であり、このIの線とIIの線との間の最短距離が0.2mm以上3mm以下であることが好ましい。
FIG. 11 shows an enlarged view of one of the
また、図11の(b)は、開口部11が真円形の場合を示しているが、開口部11が真円形であれば、該開口部11に接する平行な2本の線としては、図中のIとIIのように、開口部11の直径を挟む2本の線を引くことができ、開口部11のいずれの位置に前記2本の線を引いても、それらの線間の距離は開口部11の直径と等しくなる。よって、開口部11が真円形の場合には、Iの線とIIの線との間の最短距離、すなわち開口部11の直径が0.2mm以上3mm以下であることが好ましい。
FIG. 11B shows a case where the
正極側の開口部における前記2線間の最短距離(B)を前記のようにすることで、正極への酸素の供給とMEAから生じる電流の集電をより良好にすることができる。すなわち、前記2線間の最短距離(B)が小さすぎると、燃料電池外の大気中の酸素を取り込み難くなることがある。また、前記2線間の最短距離(B)が大きすぎると、開口部11が位置する部分での集電が不十分となって、電池の出力が低下することがある。前記2線間の最短距離(B)は、0.5mm以上であることがより好ましく、また、2mm以下であることがより好ましい。
By setting the shortest distance (B) between the two wires in the opening on the positive electrode side as described above, it is possible to improve the supply of oxygen to the positive electrode and the current collection from the MEA. That is, if the shortest distance (B) between the two lines is too small, it may be difficult to take in oxygen in the atmosphere outside the fuel cell. On the other hand, if the shortest distance (B) between the two lines is too large, current collection at the portion where the
更に、本発明の燃料電池発電システムを構成する燃料電池では、正極側の平面視において、開口部11以外の箇所(すなわち、正極拡散層13に到達する開口部11が形成されておらず、正極パネルプレート1などが存在している箇所)における任意の点から、該任意の点に最も近く位置している開口部11までの最短距離(C)が、2mm以下であることが好ましい。前記の最短距離(C)を前記上限値以下とすることで、MEA100への酸素の供給の均一性をより高めて、電池の出力をより向上させることができる。
Furthermore, in the fuel cell constituting the fuel cell power generation system of the present invention, the portion other than the opening 11 (that is, the
すなわち、前記の最短距離(C)が短すぎると、正極パネルプレート1などの存在によって、正極拡散層13の上部が開口していない箇所が部分的に大きくなり、当該箇所には燃料電池外の酸素が供給され難くなる。そのため、MEA100に酸素の供給が不十分な箇所が生じて、電池の出力が低下することがある。前記の最短距離(C)は、1.5mm以下であることがより好ましい。なお、前記の最短距離(C)の下限値については特に制限はなく、前記開口率(A)との兼ね合いで適宜決定される。
That is, if the shortest distance (C) is too short, a portion where the upper portion of the positive
また、負極側の開口部12についても、平面視における負極側の開口部12の総面積を、平面視における負極の面積で割り、それを百分率で表して示される開口率は、負極への燃料の供給を良好にする観点から、10%以上であることが好ましく、15%以上であることがより好ましく、また、集電をより良好にしたりMEA100の乾燥を抑制する観点から、60%以下であることが好ましく、50%以下であることがより好ましい。
Also, for the
更に、負極側の開口部12においても、負極側の平面視において、開口部12に接し、かつ線間の最短距離が最も短くなる平行な2本の線を引いたときに、前記最短距離が、負極への燃料の供給を良好にする観点から、0.2mm以上であることが好ましく、0.5mm以上であることがより好ましく、また、集電をより良好にする観点から、3mm以下であることが好ましく、2mm以下であることがより好ましい。
Further, also in the negative
加えて、MEA100への燃料の供給の均一性をより高める観点から、負極側の平面視において、開口部12以外の箇所(すなわち、負極拡散層17に到達する開口部12が形成されておらず、負極パネルプレート2などが存在している箇所)における任意の点から、該任意の点に最も近く位置している開口部12までの最短距離が、2mm以下であることが好ましく、1.5mm以下であることがより好ましい。
In addition, from the viewpoint of further improving the uniformity of the supply of fuel to the
正極側の開口部11の個々の面積は、燃料電池外の酸素をより良好に取り込む観点から、好ましくは0.1mm2以上、より好ましくは0.2mm2以上である。他方、開口部11の個々の面積が大きすぎると、正極パネルプレート1などの強度が低下することがあるため、その面積は、40mm2以下であることが好ましく、30mm2以下であることがより好ましい。
The individual area of the
なお、負極側の開口部の個々の面積も、燃料をより良好に取り込む観点から、0.1mm2以上であることが好ましく、0.2mm2以上であることがより好ましく、また、負極パネルプレート2などの強度低下を抑制する観点から、40mm2以下であることが好ましく、30mm2以下であることがより好ましい。 In addition, the individual area of the opening on the negative electrode side is also preferably 0.1 mm 2 or more, more preferably 0.2 mm 2 or more from the viewpoint of better taking in the fuel, and the negative electrode panel plate From the viewpoint of suppressing a decrease in strength such as 2 , it is preferably 40 mm 2 or less, and more preferably 30 mm 2 or less.
なお、これまで本発明の燃料電池発電システムを構成する燃料電池を図1〜図10を用いて説明したが、これらの図面に示したものは一例に過ぎず、本発明に用いられる燃料電池はこれらの図面に示された構造のものに限定される訳ではない。例えば、これまで、複数のMEAを平面的に配置して構成した燃料電池について説明したが、複数のMEAを平面的に配置したMEAユニットを複数積層して燃料電池を構成してもよい。 Although the fuel cell constituting the fuel cell power generation system of the present invention has been described so far with reference to FIGS. 1 to 10, those shown in these drawings are only examples, and the fuel cell used in the present invention is The structure is not limited to those shown in these drawings. For example, a fuel cell in which a plurality of MEAs are arranged in a plane has been described so far, but a fuel cell may be configured by stacking a plurality of MEA units in which a plurality of MEAs are arranged in a plane.
本発明の燃料電池発電システムの燃料としては、例えば、水素発生物質と水との反応によって生成する水素など、生成工程において水を使用する燃料が好ましく、この場合には、燃料の生成工程で使用する水と、燃料を加湿する水とを共用することができるため、本発明の燃料電池発電システムを、よりコンパクトにすることができる。 The fuel of the fuel cell power generation system of the present invention is preferably a fuel that uses water in the production process, such as hydrogen produced by a reaction between a hydrogen generating substance and water. In this case, the fuel is used in the fuel production process. Since the water to be used and the water to humidify the fuel can be shared, the fuel cell power generation system of the present invention can be made more compact.
前記燃料電池は、燃料供給源と共に本発明の燃料電池発電システムを構成することができる。本発明の燃料電池発電システムには、前記の理由から、燃料供給源として、水素発生物質に対して連続的または断続的に水を供給し、前記水素発生物質と前記水とを反応させて水素を発生させる水素製造装置が好ましく使用される。 The fuel cell can constitute a fuel cell power generation system of the present invention together with a fuel supply source. In the fuel cell power generation system of the present invention, for the above reasons, water is supplied continuously or intermittently as a fuel supply source to the hydrogen generating material, and the hydrogen generating material and the water are reacted to generate hydrogen. Preferably, a hydrogen production apparatus that generates hydrogen is used.
図11に、本発明の燃料電池発電システムの構成例を模式的に示す。図11中、200は燃料電池、300は水素製造装置、400は外部負荷である。なお、図11では、外部負荷400が、スイッチを介して燃料電池200に接続された構成を示しているが、外部負荷400は燃料電池200に直接接続した状態で構成してもよい。
FIG. 11 schematically shows a configuration example of the fuel cell power generation system of the present invention. In FIG. 11, 200 is a fuel cell, 300 is a hydrogen production apparatus, and 400 is an external load. Although FIG. 11 shows a configuration in which the
図12に、本発明の燃料電池発電システムに係る水素製造装置の一例を模式的に示す。図12に示す水素製造装置は、水素発生物質に対して連続的または断続的に水を供給し、前記水素発生物質と前記水とを反応させて水素を発生させる機構を有している。 FIG. 12 schematically shows an example of a hydrogen production apparatus according to the fuel cell power generation system of the present invention. The hydrogen production apparatus shown in FIG. 12 has a mechanism for supplying water continuously or intermittently to the hydrogen generating substance and generating hydrogen by reacting the hydrogen generating substance with the water.
水素製造装置300は、水素発生物質を収容する水素発生物質収容容器301と、水を収容する水収容容器302を有しており、水素発生物質収容容器301に、水収容容器302から水を供給し、容器301内において水素発生物質と水とを反応させて水素を製造する。よって、水素発生物質収容容器301は、水素発生物質と水との反応容器としての役割も担っている。容器301で発生した水素は、水素導出パイプ306、307で構成される燃料流路を経て、燃料電池200に供給される。
The
水収容容器302から水素発生物質収容容器301に水を供給する水供給パイプ305には、水供給ポンプ303が設けられている。
A
水素発生物質収容容器301および水収容容器302は脱着式とすることもできる。これにより、容器301内の水素発生物質が消費されつくしたり、容器302内の水がなくなったりした場合に、これらを取り外し、水素発生物質が充填された水素発生物質収容容器301や水が充填された水収容容器302を新たに取り付けることで、再び水素製造を行うことが可能となる。
The hydrogen generating
水素発生物質収容容器301に収容される水素発生物質としては、水と120℃以下の低温で反応して水素を発生し得るものであれば特に制限はない。例えば、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、マグネシウムといった金属;アルミニウム、ケイ素、亜鉛、およびマグネシウムの中の1種以上の元素を主体とする合金;水素化化合物;などが好適に使用できる。
The hydrogen generating material stored in the hydrogen generating
アルミニウム、ケイ素、亜鉛およびマグネシウムの中の1種以上の元素を主体とする合金の場合には、主体となる前記の各元素以外の元素については特に限定されない。ここで、「主体」とは、合金全体に対して80質量%以上、より好ましくは90質量%以上含有されていることを意味している。 In the case of an alloy mainly composed of one or more elements selected from aluminum, silicon, zinc and magnesium, elements other than the respective elements which are the main elements are not particularly limited. Here, the “main body” means that 80% by mass or more, more preferably 90% by mass or more is contained with respect to the entire alloy.
アルミニウム、ケイ素、亜鉛、マグネシウムといった金属や、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、およびマグネシウムの中の1種以上の元素を主体とする合金は、常温では水と反応しにくいが、加熱することにより水との発熱反応が容易となる物質である。なお、本明細書において常温とは、20〜30℃の範囲の温度である。 Metals such as aluminum, silicon, zinc, and magnesium, and alloys mainly composed of one or more elements of aluminum, silicon, zinc, and magnesium are less likely to react with water at room temperature. It is a substance that facilitates exothermic reaction. In this specification, normal temperature is a temperature in the range of 20 to 30 ° C.
例えば、アルミニウムと水の場合、水素および酸化生成物を生成する反応は次式のようになる。
2Al+6H2O → Al2O3・3H2O+3H2 (1)
2Al+4H2O → Al2O3・H2O+3H2 (2)
2Al+3H2O → Al2O3+3H2 (3)
For example, in the case of aluminum and water, the reaction for producing hydrogen and oxidation products is as follows:
2Al + 6H 2 O → Al 2 O 3 .3H 2 O + 3H 2 (1)
2Al + 4H 2 O → Al 2 O 3 .H 2 O + 3H 2 (2)
2Al + 3H 2 O → Al 2 O 3 + 3H 2 (3)
なお、前記の金属や合金からなる水素発生物質は、表面に酸化皮膜を形成して安定化する。このため、水素発生物質の粒径をできるだけ小さくし、反応面積を大きくすることが好ましい。例えば、水素発生物質の形態としては、0.1〜100μmの粒径の粒状またはフレーク状であることが好ましく、粒径は、0.1〜50μmであることがより好ましい。水素発生物質の粒径が100μm以下であることにより、スムーズに水素発生が起こるからである。更に水素発生物質の粒径を小さくすると水素発生速度が増加するが、0.1μmより粒径が小さくなると、引火性が高まり取り扱いが困難になる。また、嵩密度が小さくなるため、水素発生物質の充填密度が低下し、エネルギー密度が低下しやすくなる。このため、水素発生物質の粒径は、0.1μm以上とすることが好ましい。 The hydrogen generating material made of the metal or alloy is stabilized by forming an oxide film on the surface. For this reason, it is preferable to make the particle size of the hydrogen generating material as small as possible and increase the reaction area. For example, the form of the hydrogen generating substance is preferably in the form of particles or flakes having a particle diameter of 0.1 to 100 μm, and the particle diameter is more preferably 0.1 to 50 μm. This is because hydrogen generation occurs smoothly when the particle size of the hydrogen generating substance is 100 μm or less. Further, when the particle size of the hydrogen generating material is reduced, the hydrogen generation rate is increased. However, when the particle size is smaller than 0.1 μm, the flammability is increased and handling becomes difficult. Moreover, since the bulk density is reduced, the filling density of the hydrogen generating material is lowered, and the energy density is likely to be lowered. For this reason, it is preferable that the particle size of the hydrogen generating substance is 0.1 μm or more.
なお、本明細書でいう水素発生物質の粒径は、平均粒径であり、体積基準の積算分率50%における粒子直径の値を意味している。平均粒径の測定方法としては、例えば、レーザー回折・散乱法などを用いることができる。具体的には、水などの液相に分散させた測定対象物質にレーザー光を照射することによって検出される散乱強度分布を利用した粒子径分布の測定方法である。レーザー回折・散乱法による粒子径分布測定装置としては、例えば、日機装株式会社製の「マイクロトラックHRA」などを用いることができる。 In addition, the particle size of the hydrogen generating substance referred to in the present specification is an average particle size, and means a value of a particle diameter at a volume-based integrated fraction of 50%. As a method for measuring the average particle diameter, for example, a laser diffraction / scattering method or the like can be used. Specifically, this is a particle diameter distribution measurement method using a scattering intensity distribution detected by irradiating a measurement target substance dispersed in a liquid phase such as water with laser light. As a particle size distribution measuring apparatus using a laser diffraction / scattering method, for example, “Microtrack HRA” manufactured by Nikkiso Co., Ltd. can be used.
また、水素発生物質として用い得る水素化化合物としては、例えば、水素化ホウ素ナトリウムまたは水素化ホウ素カリウムなどの金属水素化物が挙げられる。これらの水素化化合物は、アルカリ水溶液中では比較的安定であるが、触媒が存在する場合、速やかに水と反応して水素を発生することができる。触媒としては例えばPt、Niなどの金属や酸などを用いることができる。 Examples of the hydride compound that can be used as the hydrogen generating substance include metal hydrides such as sodium borohydride or potassium borohydride. These hydrogenated compounds are relatively stable in an alkaline aqueous solution, but when a catalyst is present, they can quickly react with water to generate hydrogen. As the catalyst, for example, metals such as Pt and Ni, acids, and the like can be used.
例えば水素化ホウ素ナトリウムの場合、次式のように反応し、水素を発生することができる。
NaBH4+2H2O → NaBO2+4H2 (4)
For example, in the case of sodium borohydride, it can react as the following formula to generate hydrogen.
NaBH 4 + 2H 2 O → NaBO 2 + 4H 2 (4)
水素発生物質は、前記例示のものを1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。 As the hydrogen generating substance, those exemplified above may be used alone or in combination of two or more.
また、前記の水素発生物質を、水と反応して発熱する発熱物質(水素発生物質以外の物質)と共に用いることにより、低温(例えば5℃程度)の水を供給しても、前記発熱物質の発熱によって反応系内の温度を高めて、迅速な水素発生を可能とし得る。 Further, by using the hydrogen generating material together with a heat generating material (a material other than the hydrogen generating material) that generates heat by reacting with water, even if low temperature (for example, about 5 ° C.) water is supplied, The temperature in the reaction system can be increased by exotherm, and rapid hydrogen generation can be enabled.
水と反応して発熱する発熱物質は、例えば、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、塩化カルシウム、塩化マグネシウム、硫酸カルシウムなどのように、水との反応により水酸化物となったり、水和することにより発熱するアルカリ金属またはアルカリ土類金属の酸化物、塩化物、硫酸化合物などを例示することができる。また、水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素カリウム、水素化リチウムなどの金属水素化物などのように水との反応により水素を生成するものは、前記の通り、水素発生物質として使用することが可能であるが、前記の金属や合金を水素発生物質として使用する場合の発熱物質としても用いることができる。 Exothermic substances that generate heat by reacting with water, for example, calcium oxide, magnesium oxide, calcium chloride, magnesium chloride, calcium sulfate, etc., are converted into hydroxides by reaction with water or exothermic by hydration. Examples include alkali metal or alkaline earth metal oxides, chlorides, and sulfuric acid compounds. In addition, those that generate hydrogen by reaction with water, such as metal hydrides such as sodium borohydride, potassium borohydride, and lithium hydride, can be used as a hydrogen generating substance as described above. However, it can also be used as a heat generating material when the metal or alloy is used as a hydrogen generating material.
なお、例えば発熱物質に関して、鉄粉のように酸素と反応して発熱するものも知られている。しかし、鉄粉を発熱物質として使用する場合には、反応時に酸素を導入しなければならず、前記のように水素発生物質と発熱物質が同一の反応容器内に配される場合は、発生する水素の純度が低下したり、水素発生物質が酸素によって酸化されて水素発生量が低下したりするなどの問題が生じやすくなる。そのため、発熱物質としては、水と反応して発熱する材料が好適に用いられる。 For example, a heat-generating substance that reacts with oxygen and generates heat, such as iron powder, is also known. However, when iron powder is used as the exothermic substance, oxygen must be introduced during the reaction, and it occurs when the hydrogen generating substance and the exothermic substance are arranged in the same reaction vessel as described above. Problems such as reduction in the purity of hydrogen and reduction in the amount of hydrogen generated due to oxidation of the hydrogen generating substance by oxygen are likely to occur. Therefore, as the exothermic substance, a material that generates heat by reacting with water is preferably used.
特に、水素発生物質として、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、マグネシウムといった金属や、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、およびマグネシウムの中の1種以上の元素を主体とする合金を使用する場合には、前記発熱物質を併用することが好ましい。他方、水素発生物質として前記の水素化化合物を用いる場合には、前記発熱物質を併用しなくても、比較的良好な速度で水素を製造できるが、発熱物質を併用して、更に水素発生速度を高めてもよい。 In particular, when a metal such as aluminum, silicon, zinc, or magnesium or an alloy mainly composed of one or more elements selected from aluminum, silicon, zinc, and magnesium is used as the hydrogen generating material, the exothermic material is used. It is preferable to use together. On the other hand, when the hydrogenated compound is used as a hydrogen generating substance, hydrogen can be produced at a relatively good rate without using the exothermic substance. May be increased.
水素発生物質と前記発熱物質を併用する場合には、水素発生物質収容容器に導入する水素発生物質と発熱物質の合計100質量%中、水素発生物質の量を85質量%以上とすることが好ましい。水素発生物質と発熱物質の合計中の水素発生物質量が少なすぎると、水素発生量が低下したり、発熱物質量が多すぎることによって発熱が激しくなり水素発生反応を制御し難くなる虞がある。 When the hydrogen generating substance and the exothermic substance are used in combination, the amount of the hydrogen generating substance is preferably 85% by mass or more in a total of 100 mass% of the hydrogen generating substance and the exothermic substance introduced into the hydrogen generating substance storage container. . If the amount of hydrogen generating material in the total of the hydrogen generating material and the exothermic material is too small, the hydrogen generating amount may decrease, or if the amount of the exothermic material is too large, the heat generation may become intense and the hydrogen generating reaction may be difficult to control. .
なお、前記の発熱物質は、水素発生物質と均一または不均一に混合してなる混合物として水素発生物質収容容器に入れてもよく、水素発生物質と別に水素発生物質収容容器に入れてもよい。後者の場合には、例えば、発熱物質を、水素発生物質収容容器に係る水供給パイプ(図12中、305)の管口部近傍に偏在させて配置することが好ましい。このように発熱物質を配置することにより、より効率的に反応系内を加熱することができる。 The exothermic substance may be put into the hydrogen generating substance storage container as a mixture obtained by uniformly or non-uniformly mixing with the hydrogen generating substance, or may be put into the hydrogen generating substance storage container separately from the hydrogen generating substance. In the latter case, for example, it is preferable to dispose the exothermic substance in the vicinity of the mouth portion of the water supply pipe (305 in FIG. 12) related to the hydrogen generating substance storage container. By arranging the exothermic material in this way, the inside of the reaction system can be heated more efficiently.
水素発生物質収容容器301は、水素を発生させる水素発生物質を収納可能であれば、その材質や形状は特に限定されないが、水の供給口や水素の導出口以外から水や水素が漏れない材質や形状が好ましい。具体的な容器の材質としては、水および水素を透過しにくく、かつ120℃程度に加熱しても容器が破損しない材質が好ましく、例えば、アルミニウム、鉄などの金属、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの樹脂を用いることができる。また、容器の形状としては、角柱状、円柱状などが採用できる。
The material and shape of the hydrogen generating
水収容容器302については特に制限はなく、例えば、従来の水素製造装置と同様の水を収容するタンクなどが採用できる。
There is no restriction | limiting in particular about the
水収容容器302中の水が、水供給パイプ305を通じて水素発生物質収容容器301に供給されることで、容器301内の水素発生物質と反応して水素を発生するが、水素発生物質収容容器301内に存在する未反応の水が、発生した水素のガス圧力で押され、反応に利用されるべき水が、水素導出パイプ306を通じて水素製造装置300の外に出てくる場合がある。
The water in the
よって、図12に示すように、水素製造装置300には、燃料電池200と水素製造装置300とを連結する燃料流路内に、凝縮水分離器304を設けることが好ましい。凝縮水分離器304は、水素導出パイプ306を介して水素発生物質収容容器301と連結されており、また、水素導出パイプ307が取り付けられている。水素発生物質収容容器301から排出された水素との混合物中の水は、水素導出パイプ306内で冷却されることで凝縮水となる。この凝縮水を伴う水素が凝縮水分離器304に導入されると、凝縮水が重力によって凝縮水分離器304の下部に落下して分離される。
Therefore, as shown in FIG. 12, the
そして、図12に示しているように、凝縮水分離器304と水収容容器302とを水回収パイプ308で連結しておくことで、凝縮水分離器304で分離した水を水収容容器302に回収することができる。このように、凝縮水分離器304で分離した水を回収することにより、水素発生のために使用する水の実質的な供給量を少なくすることが可能となり、水収容容器302をよりコンパクトにすることができる。
Then, as shown in FIG. 12, by condensing the
また、図12に示す水素製造装置では、水を収容する水収容容器302が、燃料電池200を加湿するための水を供給する機能も有している。すなわち、水収容容器302には、燃料電池200に設けられた加湿タンクに水を供給するための水供給パイプ310と水供給ポンプ309とが設けられている。このように、燃料電池発電システムを構成する燃料供給源を、水素発生物質と水との反応によって水素を供給する水素製造装置とした場合には、水素発生反応に使用するための水の一部を、燃料を加湿する水として使用する構成にできるため、システムをよりコンパクトにすることができる。
In the hydrogen production apparatus shown in FIG. 12, the
本発明の燃料電池発電システムは、前記の通り、燃料電池におけるMEAの乾燥に伴う出力低下を抑制して出力の安定化を図りつつ、システム全体をコンパクトにすることも可能であるため、より小型であることが要求される携帯機器などの電源用途を始めとして、各種電子機器の電源用途などに好ましく用いることができる。 As described above, the fuel cell power generation system of the present invention can be made more compact as the entire system can be made compact while suppressing the output decrease accompanying drying of the MEA in the fuel cell and stabilizing the output. It can be preferably used for power supply applications of various electronic devices including power supply applications such as portable devices that are required to be.
以下、実施例に基づいて本発明を詳細に述べる。ただし、下記実施例は、本発明を制限するものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail based on examples. However, the following examples do not limit the present invention.
実験1
<燃料電池の作製>
図1に示す構造の燃料電池を作製した。MEA100には、図8に示す構成のものを用いた。MEA100の正極および負極には、カーボンクロス上にPt担持カーボンを塗布した電極(E−TEK社製「LT140E−W」、Pt量:0.5mg/cm2)を用いた。また、固体高分子電解質膜15には、デュポン社製「ナフィオン112」を用いた。各電極は25mm×92mm、固体高分子電解質膜は105mm×100mmとした。
<Fabrication of fuel cell>
A fuel cell having the structure shown in FIG. 1 was produced. The
正極パネルプレート1には、図3に示す構造で、ステンレス304で構成された厚みが2mmのものを用いた。開口部を形成するための酸素導入孔11aは、1mm×13mmの長方形の孔を、各MEAの正極拡散層上部に当たる部分全域にわたり、各々上下に6個、左右に12個、合計72個配置した。また、酸素導入孔11aは、左右に1mm、上下に2mmの距離を空けて配置している。正極側の開口部の電極面積に対する割合(開口率)は42%である。固定部20には、φ3mmの穴を、図3に示すように、MEAの外周部に相当する位置に設けた。MEAを挟んで隣り合う固定部間のうち、より短い固定部間の距離は31mmであり、MEAを挟まずに隣り合う固定部間の距離は15mmである。
As the positive
また、負極パネルプレート2には、正極パネルプレート1と同じ材質・形状のものを用意した。
The negative
正極集電プレート5、6には、図4の(a)(正極端部集電プレート)および(b)(正極集電プレート)に示す構造で、図5に示す断面構造のものを用いた。正極集電プレートの電極側の層(厚み0.23mm)はSUS304で、電極の反対側の層(厚み0.07mm)はCuで構成し、全面を厚み0.2μmでAuを蒸着して被覆した。正極集電プレート5、6の酸素導入孔11bおよび固定部20の形状・配置は、正極パネルプレートと同様である。そして、正極端部集電プレート5には、正極集電端子部24を設けた。更に、正極集電プレート6には、燃料電池の外周部に相当する位置に、正極直列接続タブ25を1つ設けた。
As the positive electrode
また、負極端部集電プレート7および負極集電プレート8には、正極端部集電プレート5および正極集電プレート6と同じ材質・形状のものを用意した。
The negative electrode end
正極絶縁プレート3には、図6示す構造で、ガラスエポキシ樹脂で構成された厚みが0.5mmのものを用いた。正極絶縁プレート3の酸素導入孔11cおよび固定部20の形状・配置は、正極パネルプレートと同様である。また、負極絶縁プレート4には、正極絶縁プレート3と同じ材質・形状のものを用意した。
The positive
加湿タンク10には、図2に示す構造で、ガラスエポキシ樹脂で構成された厚み3mmのものを用いた。中央のタンク内部21の深さは2mmである。また、供給口22および供給口23は、タンク内部21における開口部分の形状を円形(直径:2mm、面積:3.14mm2)とした。そして、供給口22は、その中心(供給口22の開口部分の円の中心)からタンク内部の図2中下辺までの直線距離が1mmの箇所に設けた。また、排出口23は、その中心(排出口23の開口部分の円の中心)からタンク内部の図2中下辺までの直線距離が5mmの箇所に設けた。
As the
シール9a、9bには、図9に示す構造で、シリコンゴムで構成された厚み0.2mmのものを用いた。電極を収めるための孔28のサイズは26m×93mmとした。
As the
以上の各部材を図1に示す順序で積層し、ボルト18とナット19を用いて締め込んで、燃料電池を作製した。
The above members were stacked in the order shown in FIG. 1 and tightened with
<水素製造装置の作製>
次に、図12に示す構成の水素製造装置300を作製した。水素発生物質収容容器301には、内容積50cm3のポリプロピレン製角柱状の容器を用いた。水供給パイプ305、水素導出パイプ306、および水回収パイプ308には、内径2mm、外径3mmのポリプロピレン製のパイプを用いた。水素発生物質収容容器301に、水素発生物質として平均粒径3μmのアルミニウム粉末19.7gと、発熱物質として酸化カルシウム2.5gを入れた。水収容容器302には内容積50cm3のポリプロピレン製角柱状の容器を用い、その中に水を45g入れた。凝縮水分離器304には、内容積10cm3のポリプロピレン製角柱状の容器を用いた。
<Production of hydrogen production equipment>
Next, a
<燃料電池発電システムの組み立て>
前記の燃料電池と水素製造装置とを、内径2mm、外径3mmのポリプロピレン製のパイプ(図12中、307、310)で連結して、燃料電池発電システムを作製した。
<Assembly of fuel cell power generation system>
The fuel cell and the hydrogen production apparatus were connected by polypropylene pipes (307 and 310 in FIG. 12) having an inner diameter of 2 mm and an outer diameter of 3 mm to produce a fuel cell power generation system.
前記の燃料電池発電システムにおいて、水素製造装置から水素を発生させ、3.7Aの定電流で発電試験を行った。なお、試験は室温25℃で行い、水素製造装置300の水収容容器302から燃料電池200に水を供給し、加湿タンク10内に、排出口23の位置まで水を貯留した状態で発電させた。
In the fuel cell power generation system, hydrogen was generated from a hydrogen production apparatus, and a power generation test was performed at a constant current of 3.7 A. The test was performed at room temperature of 25 ° C., and water was supplied from the
実験2
<燃料電池の作製>
水素製造装置に、図13に示す構成の水素製造装置500を用いた以外は、実施例1と同様にして燃料電池発電システムを作製した。水素製造装置500は、水収容容器302から燃料電池200に水を供給する水供給パイプ310および、水供給ポンプ309が設けられていないこと以外は、水素製造装置300と同じ構成である。
<Fabrication of fuel cell>
A fuel cell power generation system was produced in the same manner as in Example 1 except that the
前記の燃料電池発電システムを用い、加湿タンク10内に水を貯留させない以外は、実験1と同様にして発電試験を行った。すなわち、実験2における発電試験は、加湿装置を持たない燃料電池発電システムでの発電試験に相当する。
A power generation test was performed in the same manner as in
実験1および実験2の発電試験結果を図14に示す。
The power generation test results of
図14から明らかなように、実験1の燃料電池発電システムでは、安定に発電を継続できている。一方、実験2の燃料電池発電システムの場合、発電開始後30分あたりから連続的に電圧が低下しており、安定に発電を続けることができなかった。
As is clear from FIG. 14, the fuel cell power generation system of
10 加湿装置(加湿タンク)
21 タンク内部
22 供給口
23 排出口
100 電極・電解質一体化物
300 水素製造装置
10 Humidifier (humidification tank)
21 Inside of
Claims (5)
前記加湿装置は、前記燃料を、ミスト状の水分を含有させた状態で前記負極に供給することを特徴とする燃料電池発電システム。 A fuel cell comprising an electrode / electrolyte integrated product having a positive electrode for reducing oxygen, a negative electrode for oxidizing fuel, and a solid polymer electrolyte membrane disposed between the positive electrode and the negative electrode, and supply to the negative electrode A fuel cell power generation system having a humidifier for humidifying fuel
The humidifying device supplies the fuel to the negative electrode in a state of containing mist-like moisture.
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