JP2000058073A - Fuel cell - Google Patents
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- Y02E60/50—Fuel cells
Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池に関し、
さらに詳しくは、固体高分子電解質膜の両面に設けられ
るガス拡散電極の拡散層として、開口径の異なる多孔質
層が積層された積層体を用いることにより、高出力、高
エネルギー効率が得られるようにした燃料電池に関する
ものである。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a fuel cell,
More specifically, by using a laminate in which porous layers having different opening diameters are laminated as diffusion layers of gas diffusion electrodes provided on both sides of the solid polymer electrolyte membrane, high output and high energy efficiency can be obtained. The present invention relates to a fuel cell that has been described.
【０００２】[0002]
【従来の技術】固体高分子型燃料電池は、電解質として
固体高分子電解質膜（以下、単に「電解質膜」という）
を用いる燃料電池であり、出力密度が高いこと、構造が
単純であること、動作温度が比較的低いこと、静粛性が
あること、等の特徴を有していることから、従来から宇
宙開発用あるいは軍用の電源として用いられている。ま
た、燃料電池は、水素を燃料として用いた場合には、本
質的には窒素酸化物及び炭酸ガスを排出しないことか
ら、近年では、自動車用の低公害動力源としても注目さ
れているものである。2. Description of the Related Art A polymer electrolyte fuel cell uses a polymer electrolyte membrane (hereinafter simply referred to as "electrolyte membrane") as an electrolyte.
Fuel cells that use high power density, have a simple structure, have a relatively low operating temperature, and are quiet. Or it is used as a military power supply. In addition, fuel cells, which use hydrogen as fuel, do not emit nitrogen oxides and carbon dioxide gas in essence, and have recently attracted attention as low-pollution power sources for automobiles. is there.
【０００３】図８に、固体高分子型燃料電池の基本構造
の一例を示す。図８において、固体高分子型燃料電池１
の発電単位となる単電池２は、電解質膜１２の一方の面
にガス拡散電極（燃料極）１４を接合し、他方の面にガ
ス拡散電極（空気極）１６（図８中には、図示せず）を
接合した電極・電解質接合体１０を、集電体１８、１８
で挟んだ構造をとっている。FIG. 8 shows an example of the basic structure of a polymer electrolyte fuel cell. In FIG. 8, the polymer electrolyte fuel cell 1
In the unit cell 2 serving as a power generation unit, a gas diffusion electrode (fuel electrode) 14 is joined to one surface of the electrolyte membrane 12 and a gas diffusion electrode (air electrode) 16 (see FIG. (Not shown) are joined to current collectors 18, 18
It has a structure sandwiched between.
【０００４】電解質膜１２には、一般に、ナフィオン
（登録商標、デュポン社製）の商品名で知られるパーフ
ルオロスルホン酸膜に代表される、厚さ５０〜２００μ
ｍのフッ素系電解質膜が用いられている。The electrolyte membrane 12 generally has a thickness of 50 to 200 μm represented by a perfluorosulfonic acid membrane known under the trade name of Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont).
m fluorine-based electrolyte membrane is used.
【０００５】また、ガス拡散電極１４、１６は、図９に
示すように、白金等の電極触媒を担持させたカーボン粒
子と電解質からなる多孔質の触媒層１４ａ、１６ａと、
ガスが拡散可能な多孔質材料からなる拡散層１４ｂ、１
６ｂの２層からなっている。As shown in FIG. 9, the gas diffusion electrodes 14 and 16 are made of porous catalyst layers 14a and 16a made of carbon particles carrying an electrode catalyst such as platinum and an electrolyte.
Diffusion layers 14b, 1 made of a porous material capable of diffusing gas
6b.
【０００６】さらに、集電体１８、１８は、集電性能が
高く、酸化水蒸気雰囲気下でも安定な緻密質のグラファ
イトが一般に用いられる。また、集電体１８、１８に
は、ガス拡散電極１４、１６に電子を供給するための山
部１８ａと、ガスや水などの物質を供給するための溝部
１８ｂが設けられている。Further, the current collectors 18 are generally made of dense graphite which has high current collecting performance and is stable even in an oxidized water vapor atmosphere. Further, the current collectors 18 are provided with a peak portion 18a for supplying electrons to the gas diffusion electrodes 14 and 16, and a groove portion 18b for supplying a substance such as gas or water.
【０００７】そして、図８に示す単電池２を多数積層し
て所定の圧力で締め付け、ガス拡散電極（燃料極）１４
及びガス拡散電極（空気極）１６（図８中には図示せ
ず）と、集電体１８、１８の表面に設けられた山部１８
ａ、１８ａ…とを接触させることにより、１つの固体高
分子型燃料電池１が構成される。[0007] Then, a large number of the single cells 2 shown in FIG. 8 are stacked and tightened at a predetermined pressure to form a gas diffusion electrode (fuel electrode) 14.
And a gas diffusion electrode (air electrode) 16 (not shown in FIG. 8) and a peak 18 provided on the surface of the current collectors 18
a, 18a, etc., one solid polymer electrolyte fuel cell 1 is constituted.
【０００８】このような構造を有する固体高分子型燃料
電池１の両端に負荷を接続した状態で、ガス拡散電極１
４（燃料極）側に改質ガス等の水素を含むガスを流し、
ガス拡散電極１６（空気極）側に空気等の酸素を含むガ
スを流すと、水素と酸素から水が生成し、その際の自由
エネルギー変化が、固体高分子型燃料電池１の両端に配
した集電体１８、１８から直接、電気エネルギーとして
取り出されるものである。[0008] With a load connected to both ends of the solid polymer fuel cell 1 having such a structure, the gas diffusion electrode 1
Flow a gas containing hydrogen such as reformed gas on the 4 (fuel electrode) side,
When a gas containing oxygen such as air flows on the gas diffusion electrode 16 (air electrode) side, water is generated from hydrogen and oxygen, and a change in free energy at that time is distributed to both ends of the polymer electrolyte fuel cell 1. It is directly extracted from the current collectors 18 and 18 as electric energy.
【０００９】固体高分子型燃料電池１内で発電が行われ
る際、ガス拡散電極１４、１６では、周知のように、次
のような電極反応が生じている。すなわち、燃料極１４
側では、集電体１８の溝部１８ｂに供給された水素ガス
が、拡散層１４ｂを通って触媒層１４ａに達する。そし
て、触媒層１４ａにおいて、水素ガスが解離し、水素イ
オンと電子が生成する。When power is generated in the polymer electrolyte fuel cell 1, the following electrode reactions occur at the gas diffusion electrodes 14 and 16 as is well known. That is, the fuel electrode 14
On the side, the hydrogen gas supplied to the groove 18b of the current collector 18 reaches the catalyst layer 14a through the diffusion layer 14b. Then, in the catalyst layer 14a, the hydrogen gas is dissociated, and hydrogen ions and electrons are generated.
【００１０】また、空気極１６側では、図１０に示すよ
うに、電解質膜１２を介して燃料極１４側から移動して
きた水素イオンが空気極１６側の触媒層１６ａに達する
と共に、集電体１８の山部１８ａから供給される電子
と、空気極１６側に設けられた集電体１８の溝部１８ｂ
から供給される酸素ガスが、それぞれ拡散層１６ｂを通
って触媒層１６ａに達する。そして、触媒層１６ａにお
いて、水素イオンと、電子と、酸素ガスから水が生成す
る。また、電極反応により生成した水は、拡散層１６ｂ
を通って、集電体１８側に排出される。On the cathode 16 side, as shown in FIG. 10, hydrogen ions which have moved from the anode 14 via the electrolyte membrane 12 reach the catalyst layer 16a on the cathode 16 and the current collector. The electrons supplied from the peaks 18a of the current collector 18 and the grooves 18b of the current collector 18 provided on the cathode 16 side.
The oxygen gas supplied from each reaches the catalyst layer 16a through the diffusion layer 16b. Then, in the catalyst layer 16a, water is generated from hydrogen ions, electrons, and oxygen gas. Water generated by the electrode reaction is diffused by the diffusion layer 16b.
And is discharged to the current collector 18 side.
【００１１】さらに、強酸基を有するパーフルオロ系の
電解質膜１２は、導電性を発現するには水を必要とする
が、集電体１８の溝部１８ｂ内に乾燥した反応ガスを流
し続けると、電解質膜１２が乾燥し、導電性が低下す
る。また、水素イオンが燃料極１４側から空気極１６側
に移動する際に水分子も同時に移動するため、燃料極１
４側は、特に乾燥しやすくなっている。そのため、反応
ガスを加湿し、反応ガス中に含まれる水蒸気により、電
解質膜１２に水を供給することが一般に行われている。Further, the perfluoro-based electrolyte membrane 12 having a strong acid group requires water to exhibit conductivity, but when a dry reaction gas is continuously flowed into the groove 18b of the current collector 18, The electrolyte membrane 12 dries and the conductivity decreases. Further, when hydrogen ions move from the fuel electrode 14 side to the air electrode 16 side, water molecules also move at the same time.
The fourth side is particularly easy to dry. Therefore, it is common practice to humidify the reaction gas and supply water to the electrolyte membrane 12 with water vapor contained in the reaction gas.
【００１２】このように、ガス拡散電極１４、１６に設
けられる拡散層１４ｂ、１６ｂは、触媒層１４ａ、１６
ａで進行する電極反応に必要な物質（反応ガス、水）の
通り道であると同時に、電子の通り道としての役割を担
っている。すなわち、拡散層１４ｂ、１６ｂには、集電
体１８、１８からそれぞれ別個に供給されるガスや水な
どの物質と電子とを分散させ、触媒層１４ａ、１６ａ全
面に行き渡らせることにより、発電反応を促進させる機
能が求められる。As described above, the diffusion layers 14b and 16b provided on the gas diffusion electrodes 14 and 16 serve as the catalyst layers 14a and 16b.
It serves as a path for substances (reactive gas, water) necessary for the electrode reaction proceeding in a, and also as a path for electrons. That is, in the diffusion layers 14b and 16b, substances such as gas and water and electrons supplied separately from the current collectors 18 and 18 are dispersed and spread over the entire surfaces of the catalyst layers 14a and 16a. A function that promotes is required.
【００１３】そのため、拡散層１４ｂ、１６ｂには、一
般に、反応ガスや生成ガス、水等の物質の拡散性と、電
子の伝導性とを両立させることが可能な材料が用いられ
ている。具体的には、カーボンペーパー、カーボンクロ
ス、あるいはカーボン粉末をポリテトラフルオロエチレ
ンなどの高分子バインダと共にシート状に成形したもの
等、通気性を有し、しかも均一な気孔径分布を有する多
孔質の炭素系材料が用いられている。（例えば、米国特
許第４，８４７，１７３号、同３，８９９，３５４号、
同３，９１２，５３８号等参照）。For this reason, the diffusion layers 14b and 16b are generally made of a material capable of satisfying both the diffusivity of a substance such as a reaction gas, a generated gas, and water and the conductivity of electrons. Specifically, such as carbon paper, carbon cloth, or a carbon powder molded into a sheet with a polymer binder such as polytetrafluoroethylene, has a gas permeable property, and has a uniform pore size distribution. Carbon-based materials are used. (For example, U.S. Pat. Nos. 4,847,173 and 3,899,354,
3,912,538 and the like).
【００１４】また、特開平１０−９２４３９号公報及び
特開平１０−９２４４０号公報には、カーボンブラック
とポリ（ビニリデンフルオライド）、又はカーボンブラ
ックとポリエーテルスルホンを含む縣濁液を超音波処理
し、これをカーボンクロスに塗布し、さらにこのカーボ
ンクロスを脱イオン水浴中に浸水させて凝固させること
により、ガスの流れの方向に向かって多孔率が低下（密
度が増加）し、かつ気孔径が減少している拡散層を備え
たガス拡散電極が開示されている。Further, JP-A-10-92439 and JP-A-10-92440 disclose ultrasonic treatment of a suspension containing carbon black and poly (vinylidene fluoride) or carbon black and polyether sulfone. By applying this to a carbon cloth and further submerging the carbon cloth in a deionized water bath to solidify, the porosity decreases (increases in density) in the direction of gas flow, and the pore diameter decreases. A gas diffusion electrode with a decreasing diffusion layer is disclosed.
【００１５】[0015]
【発明が解決しようとする課題】ところで、燃料電池の
出力と、エネルギー効率のさらなる向上のためには、拡
散層を通して反応物質（燃料、酸素、水）がより迅速に
効率よく触媒層に供給あるいは排出される必要がある。
そのためには、拡散層の厚さを薄くして、物質や電子の
移動距離を短くする方法が有効と考えられる。By the way, in order to further improve the output and energy efficiency of the fuel cell, the reactants (fuel, oxygen, and water) are supplied to the catalyst layer more quickly and efficiently through the diffusion layer. Need to be discharged.
For that purpose, it is considered effective to reduce the thickness of the diffusion layer to shorten the moving distance of substances and electrons.
【００１６】また、電解質膜は、通常、水蒸気を用いて
加湿されているが、水蒸気を発生させるのに大きなエネ
ルギーを要するために、燃料電池のエネルギー効率を低
下させる原因となっている。また、水蒸気が凝縮する際
に発熱し、電池内部の温度が不均一になりやすい。従っ
て、電解質膜を水蒸気で加湿するかわりに、ミストで加
湿する方法を採用することができれば、燃料電池の出力
及びエネルギー効率を向上させることができると考えら
れる。The electrolyte membrane is usually humidified by using water vapor. However, since the generation of water vapor requires a large amount of energy, it causes a decrease in energy efficiency of the fuel cell. In addition, heat is generated when the water vapor condenses, and the temperature inside the battery is likely to be uneven. Therefore, it is considered that the output and energy efficiency of the fuel cell can be improved if a method of humidifying the mist instead of humidifying the electrolyte membrane can be employed.
【００１７】しかしながら、本願発明者らによる実験に
よれば、拡散層として、従来から用いられている多孔質
の炭素系材料を用いた場合には、拡散層の厚さをある程
度以上薄くすると、かえって燃料電池の出力及びエネル
ギー効率が低下するという結果が得られている。However, according to an experiment conducted by the inventors of the present invention, when a porous carbon-based material that has been used conventionally is used as the diffusion layer, if the thickness of the diffusion layer is reduced to a certain degree or more, on the contrary, The result is that the output and energy efficiency of the fuel cell are reduced.
【００１８】また、カーボンクロスのような炭素系材料
を拡散層として用いた場合、拡散層の気孔径を大きくす
ると、反応物質の拡散は容易となり、ミストによる加湿
も可能となるが、拡散層の気孔径が大きくなりすぎる
と、拡散層の電子伝導特性や熱伝導特性が不十分とな
る。そのため、触媒層において電子が不足したり、電池
内部の温度にばらつきが生じ、燃料電池の出力やエネル
ギー効率が低下するという問題がある。When a carbon-based material such as carbon cloth is used as the diffusion layer, if the pore size of the diffusion layer is increased, the diffusion of the reactant becomes easy and the mist can be humidified. If the pore size is too large, the electron conduction properties and heat conduction properties of the diffusion layer become insufficient. For this reason, there is a problem in that the number of electrons in the catalyst layer is insufficient, and the temperature inside the battery varies, thereby lowering the output and energy efficiency of the fuel cell.
【００１９】一方、拡散層の気孔径を小さくすれば、上
述の問題を回避できるが、拡散層の気孔径がミストの粒
径より小さくなると、ミストで電解質膜を加湿した場合
に、拡散層表面でミストが凝集し、拡散層表面の気孔が
閉塞するおそれがある。そのため、電解質膜を水蒸気で
加湿せざるを得ず、エネルギー効率の高い燃料電池が得
られないという問題がある。On the other hand, if the pore size of the diffusion layer is reduced, the above-mentioned problem can be avoided. However, if the pore size of the diffusion layer is smaller than the particle size of the mist, the surface of the diffusion layer is humidified when the electrolyte film is humidified by the mist. As a result, mist may aggregate and pores on the surface of the diffusion layer may be closed. For this reason, there is a problem that the electrolyte membrane must be humidified with water vapor, and a fuel cell with high energy efficiency cannot be obtained.
【００２０】これに対し、例えば特開平１０−９２４３
９号公報及び特開平１０−９２４４０号公報に開示され
ているように、拡散層の気孔径が触媒層に向かって小さ
くなるように傾斜を持たせ、ガス流路側の気孔径を十分
大きくすれば、反応ガス等の物質と電子の双方を効率よ
く触媒層に供給することができるという利点がある。On the other hand, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 10-9243
No. 9 and JP-A-10-92440, if the pore diameter of the diffusion layer is inclined so as to become smaller toward the catalyst layer, and the pore diameter on the gas flow path side is made sufficiently large. There is an advantage that both a substance such as a reaction gas and electrons can be efficiently supplied to the catalyst layer.
【００２１】しかしながら、カーボンブラックと樹脂粒
子の縣濁液をカーボンクロスに塗布し、脱イオン水浴中
に浸水させて凝固させる方法では、工程がやや煩雑にな
るという問題がある。また、拡散層の触媒層側の気孔径
と、集電体側の気孔径とを独立に制御することには限界
があるので、燃料電池の高出力化及び高エネルギー効率
化と、ミストによる加湿の双方を可能とするガス拡散電
極を得ることは困難である。However, the method of applying a suspension of carbon black and resin particles to a carbon cloth and immersing the suspension in a deionized water bath to coagulate has a problem that the process becomes somewhat complicated. In addition, since there is a limit in independently controlling the pore diameter on the catalyst layer side of the diffusion layer and the pore diameter on the current collector side, it is necessary to increase the output and energy efficiency of the fuel cell and to improve the humidification by mist. It is difficult to obtain a gas diffusion electrode that enables both.
【００２２】本発明が解決しようとする課題は、触媒層
全体に反応ガスや水等の物質、あるいは電子を効率よく
供給することができ、これにより高出力及び高エネルギ
ー効率が得られる燃料電池を簡便な方法により提供する
ことにある。The problem to be solved by the present invention is to provide a fuel cell which can efficiently supply a substance such as a reaction gas or water or electrons to the entire catalyst layer, thereby obtaining high output and high energy efficiency. It is to provide by a simple method.
【００２３】また、本発明が解決しようとする他の課題
は、電解質膜をミストで加湿した場合であっても、拡散
層の気孔が閉塞するおそれがなく、しかも高出力、高エ
ネルギー効率が得られる燃料電池を提供することにあ
る。Another problem to be solved by the present invention is that even when the electrolyte membrane is humidified by mist, there is no possibility that the pores of the diffusion layer are blocked, and high output and high energy efficiency are obtained. To provide a fuel cell.
【００２４】[0024]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は、電解質と、該電解質の両面に接合された一
対のガス拡散電極と、該ガス拡散電極が接合された前記
電解質を挟持する集電体とを備えた燃料電池において、
前記ガス拡散電極は、前記電解質側に設けられた電極触
媒を含む触媒層と、前記集電体側に設けられ、前記集電
体側から前記触媒層側に向かって開口径が減少するよう
に、開口径の異なる多孔質層が積層された拡散層とを備
えていることを要旨とするものである。In order to solve the above-mentioned problems, the present invention comprises an electrolyte, a pair of gas diffusion electrodes joined to both sides of the electrolyte, and the electrolyte joined to the gas diffusion electrodes. And a current collector,
The gas diffusion electrode is provided with a catalyst layer including an electrode catalyst provided on the electrolyte side, and provided on the current collector side, and is opened so that an opening diameter decreases from the current collector side toward the catalyst layer side. The gist of the invention is to provide a diffusion layer in which porous layers having different diameters are stacked.
【００２５】上記構成を有する本発明に係る燃料電池
は、開口径の異なる多孔質層を積層して拡散層としてい
るので、集電体側の開口径が大きく、かつ触媒層側に向
かって開口径が減少している拡散層を容易に得ることが
できる。また、拡散層の開口径が触媒層側に向かって減
少しているので、触媒層への反応ガス等の物質と電子の
双方の供給が容易になる。そのため、触媒が有効に働
き、燃料電池の出力及びエネルギー効率を向上させるこ
とが可能となる。In the fuel cell according to the present invention having the above structure, since the diffusion layer is formed by laminating porous layers having different opening diameters, the opening diameter on the current collector side is large and the opening diameter toward the catalyst layer side is large. Can easily be obtained. In addition, since the opening diameter of the diffusion layer decreases toward the catalyst layer, it becomes easy to supply both a substance such as a reaction gas and electrons to the catalyst layer. Therefore, the catalyst works effectively, and the output and energy efficiency of the fuel cell can be improved.
【００２６】また、拡散層の触媒層側の開口径を小さく
すると同時に、集電体側の開口径をミストの粒径よりも
大きくすることができるので、電解質膜をミストで加湿
した場合であっても、拡散層表面の開口部が閉塞するお
それがない。そのため、反応物質や電子の拡散性を損な
うことなく、電解質膜をミストで加湿することが可能と
なり、燃料電池のエネルギー効率が向上する。また、水
をミストで供給するために、局部的な発熱が抑制され、
電池出力も向上する。Further, since the opening diameter of the diffusion layer on the catalyst layer side can be made smaller and the opening diameter on the current collector side can be made larger than the particle size of the mist, there is a case where the electrolyte membrane is humidified by the mist. Also, there is no possibility that the opening on the surface of the diffusion layer is closed. Therefore, it is possible to humidify the electrolyte membrane with mist without impairing the diffusivity of the reactants and electrons, and the energy efficiency of the fuel cell is improved. In addition, since water is supplied by mist, local heat generation is suppressed,
Battery output also improves.
【００２７】[0027]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明に係る
固体高分子型燃料電池３０の内、一方のガス拡散電極
（空気極）３６側の拡大断面図を示したものである。Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is an enlarged cross-sectional view of one of the polymer electrolyte fuel cells 30 according to the present invention on the side of one gas diffusion electrode (air electrode) 36.
【００２８】図１において、固体高分子型燃料電池３０
は、電解質膜３４と、電解質膜３４の一方の面に接合さ
れた空気極３６と、電解質膜３４の他方の面に接合され
た燃料極（図示せず）と、空気極３６及び図示しない燃
料極が接合された電解質膜３４（以下、これを「電極・
電解質接合体３２」という）を両面から挟持する集電体
３８とを備えている。In FIG. 1, a polymer electrolyte fuel cell 30
Are an electrolyte membrane 34, an air electrode 36 joined to one side of the electrolyte membrane 34, a fuel electrode (not shown) joined to the other side of the electrolyte membrane 34, The electrolyte membrane 34 to which the electrodes are joined (hereinafter referred to as “electrode
And a current collector 38 sandwiching the electrolyte junction 32 from both sides.
【００２９】電解質膜３４としては、プロトン伝導性を
有する各種の電解質膜を用いることができ、特に限定さ
れるものではない。一般的には、パーフルオロスルホン
酸膜に代表される、厚さ５０〜２００μｍのフッ素系電
解質膜が用いられる。As the electrolyte membrane 34, various electrolyte membranes having proton conductivity can be used, and are not particularly limited. Generally, a fluorine-based electrolyte membrane having a thickness of 50 to 200 μm represented by a perfluorosulfonic acid membrane is used.
【００３０】パーフルオロスルホン酸膜は、電解質基と
してスルホン酸基を有するパーフルオロビニルエーテル
とテトラフルオロエチレンとの共重合体であり、高いプ
ロトン伝導性を有し、しかも耐酸化性に優れていること
から、固体高分子型燃料電池用の電解質膜として賞用さ
れているものである。The perfluorosulfonic acid membrane is a copolymer of perfluorovinyl ether having a sulfonic acid group as an electrolyte group and tetrafluoroethylene, has high proton conductivity, and has excellent oxidation resistance. Therefore, it has been awarded as an electrolyte membrane for polymer electrolyte fuel cells.
【００３１】空気極３６は、触媒層３６ａと、拡散層３
６ｂとを備えている。触媒層３６ａは、電極反応の場と
なる部分であり、白金等の電極触媒を担持させたカーボ
ン粒子と、パーフルオロスルホン酸ポリマー等の電解質
からなる多孔質な層である。The air electrode 36 comprises a catalyst layer 36a and the diffusion layer 3
6b. The catalyst layer 36a is a portion where an electrode reaction takes place, and is a porous layer made of carbon particles carrying an electrode catalyst such as platinum and an electrolyte such as a perfluorosulfonic acid polymer.
【００３２】拡散層３６ｂは、電極反応に必要な反応ガ
スや水等の物質と、電子とを触媒層３６ａに供給する役
割を有するものであり、本発明では、開口径の異なる複
数の多孔質層４１、４２、４３を積層して得られる積層
体が用いられる。各多孔質層４１、４２、４３は、各開
口部４１ａ、４２ａ、４３ａの大きさが、集電体３８側
から触媒層３６ａ側に向かって減少するように積層され
ている。The diffusion layer 36b has a role of supplying a substance such as a reaction gas or water necessary for an electrode reaction and electrons to the catalyst layer 36a. In the present invention, a plurality of porous layers having different opening diameters are provided. A laminate obtained by laminating the layers 41, 42 and 43 is used. The porous layers 41, 42, and 43 are stacked such that the size of each of the openings 41a, 42a, and 43a decreases from the current collector 38 toward the catalyst layer 36a.
【００３３】拡散層３６ｂの基材となる多孔質層４１、
４２、４３の材質は、多孔質で、かつ電気伝導性及び熱
伝導性が良好なものであれば特に限定されるものではな
い。具体的には、平均孔径の異なるカーボンクロス、カ
ーボンペーパ、カーボンシート等の多孔質の炭素系材料
や、目の開きの異なるＡｌ、Ｃｕ、Ｆｅ、ステンレス鋼
等からなる金属メッシュ、あるいは平均孔径の異なる金
属多孔体等が好適な一例として挙げられる。The porous layer 41 serving as the base material of the diffusion layer 36b,
The materials 42 and 43 are not particularly limited as long as they are porous and have good electric and thermal conductivity. Specifically, a porous carbon-based material such as carbon cloth, carbon paper, and carbon sheet having different average pore diameters, a metal mesh made of Al, Cu, Fe, stainless steel, or the like having different openings, or a metal mesh having different average pore diameters is used. A different example of a porous metal body is a preferred example.
【００３４】特に、金属メッシュ又は金属多孔体を多孔
質層４１、４２、４３として用いた場合には、多孔質の
炭素系材料に比較して、導電率及び熱伝導率が高いの
で、反応物質及び電子の拡散性を損なうことなく、拡散
層３６ｂ全体の厚さを薄くすることができるという利点
がある。In particular, when a metal mesh or a porous metal body is used as the porous layers 41, 42, and 43, the conductivity and thermal conductivity are higher than those of a porous carbon-based material. Further, there is an advantage that the entire thickness of the diffusion layer 36b can be reduced without impairing the electron diffusivity.
【００３５】また、金属メッシュ又は金属多孔体からな
る多孔質層４１、４２、４３を積層して拡散層３６ｂと
する場合には、各多孔質層４１，４２、４３の表面に
は、耐食性、耐不働態化性のコーティング層が被覆され
ていても良い。各多孔質層４１、４２、４３の表面に耐
食性、耐不働態化性のコーティング層を被覆すると、拡
散層３６ｂが、腐食や不働態化により劣化しにくくなる
という利点がある。具体的には、酸化水蒸気雰囲気下で
も安定なＳｎ又はＳｎ合金からなるコーティング層が好
適な一例として挙げられる。When the porous layers 41, 42, 43 made of a metal mesh or a porous metal body are laminated to form the diffusion layer 36b, the surfaces of the porous layers 41, 42, 43 have corrosion resistance, A passivation-resistant coating layer may be coated. When the surface of each of the porous layers 41, 42, and 43 is coated with a corrosion-resistant and passivation-resistant coating layer, there is an advantage that the diffusion layer 36b is hardly deteriorated by corrosion or passivation. Specifically, a preferable example is a coating layer made of Sn or a Sn alloy that is stable even in an oxidized steam atmosphere.
【００３６】ここで、集電体３８側に位置する多孔質層
４３に備えられる開口部４３ａの開口径（メッシュの場
合は目の開き、多孔体の場合は平均孔径）は、１０μｍ
より大きいことが好ましい。開口径が１０μｍ以下にな
ると、反応ガスや水などの物質移動の障害となると同時
に、電極反応により生成した水や反応ガス中に含まれる
水蒸気が凝縮した水により、開口部４３ａが閉塞するお
それがある。Here, the opening diameter of the opening 43a provided in the porous layer 43 located on the current collector 38 side (opening in the case of a mesh, average pore diameter in the case of a porous body) is 10 μm.
It is preferably larger. If the opening diameter is 10 μm or less, it may hinder mass transfer of the reaction gas and water, and at the same time, the opening 43a may be closed by water generated by the electrode reaction or water condensed in water vapor contained in the reaction gas. is there.
【００３７】また、ミスト加湿を行う場合には、多孔質
層４３の開口径は、ミストの大きさより大きくする必要
がある。ミストの粒径は、ミストの発生法にもよるが、
通常、１μｍ〜数百μｍ程度であるので、開口部４３ａ
の開口径は、ミストにより開口部４３ａが閉塞しないよ
う、ミスト発生法に応じた大きさとすればよい。When mist humidification is performed, the opening diameter of the porous layer 43 must be larger than the size of the mist. The particle size of the mist depends on the mist generation method,
Normally, since it is about 1 μm to several hundred μm, the opening 43 a
May be set to a size corresponding to the mist generation method so that the opening 43a is not closed by the mist.
【００３８】これに対し、触媒層３６ａ側に位置する多
孔質層４１に備えられる開口部４１ａの開口径は、０．
１μｍ〜１０μｍの範囲が好ましい。多孔質層４１の開
口径が０．１μｍ未満では、反応ガスや水などの物質移
動の障害となり、触媒層３６ａへの反応ガス等の供給が
困難となる。また、多孔質層４１の開口径が１０μｍを
超えると、開口部４１ａの真下に位置する触媒層３６ａ
への電子の供給が不十分となり、燃料電池の出力及びエ
ネルギー効率が低下する。On the other hand, the opening diameter of the opening 41a provided in the porous layer 41 located on the catalyst layer 36a side is 0.1 mm.
The range of 1 μm to 10 μm is preferred. If the opening diameter of the porous layer 41 is less than 0.1 μm, it becomes an obstacle to mass transfer of the reaction gas and water, and it becomes difficult to supply the reaction gas and the like to the catalyst layer 36a. When the opening diameter of the porous layer 41 exceeds 10 μm, the catalyst layer 36a located immediately below the opening 41a
The supply of electrons to the fuel cell becomes insufficient, and the output and energy efficiency of the fuel cell decrease.
【００３９】なお、図１に例示する固体高分子型燃料電
池３０においては、３つの多孔質層４１、４２、４３を
積層して拡散層３６ｂとしているが、多孔質層の積層数
は３層に限定されるものではなく、２層あるいは４層以
上の多孔質層を積層して拡散層３６ｂとしても良い。In the polymer electrolyte fuel cell 30 illustrated in FIG. 1, three porous layers 41, 42, and 43 are laminated to form a diffusion layer 36b, but the number of porous layers is three. However, the diffusion layer 36b may be formed by laminating two or four or more porous layers.
【００４０】また、触媒層３６ａと拡散層３６ｂの間
に、炭素粉を含む多孔質、かつ疎水性の撥水化層を設け
ても良い。触媒層３６ａと拡散層３６ｂの間に撥水化層
を設けると、触媒層３６ａ側に位置する多孔質層４１の
開口部４１ａが炭素を含む撥水化層で埋められるので、
触媒層３６ａと拡散層３６ｂの電気的接触が改善され、
開口部４１ａの真下に位置する触媒層３６ａへの電子の
供給が容易になるという利点がある。A porous and hydrophobic water-repellent layer containing carbon powder may be provided between the catalyst layer 36a and the diffusion layer 36b. When a water-repellent layer is provided between the catalyst layer 36a and the diffusion layer 36b, the opening 41a of the porous layer 41 located on the catalyst layer 36a side is filled with the water-repellent layer containing carbon.
The electrical contact between the catalyst layer 36a and the diffusion layer 36b is improved,
There is an advantage that electrons can be easily supplied to the catalyst layer 36a located directly below the opening 41a.
【００４１】さらに、多孔質層４１、４２、４３として
金属メッシュ又は金属多孔体を用いる場合には、触媒層
３６ａと拡散層３６ｂの間に撥水化層を設けることによ
り、拡散層３６ｂと触媒層３６ａに含まれる電解質とが
直接接触しなくなるので、拡散層３６ｂの腐食や不働態
化による劣化がおきにくくなるという利点がある。When a metal mesh or a porous metal body is used as the porous layers 41, 42, and 43, a water-repellent layer is provided between the catalyst layer 36a and the diffusion layer 36b so that the diffusion layer 36b and the catalyst Since the electrolyte contained in the layer 36a is not in direct contact with the electrolyte, there is an advantage that the diffusion layer 36b is hardly deteriorated by corrosion or passivation.
【００４２】撥水化層としては、具体的には、カーボン
粒子とポリテトラフルオロエチレン（以下、これを「Ｐ
ＴＦＥ」という）粒子からなる多孔質の薄層が好適な一
例として挙げられる。As the water repellent layer, specifically, carbon particles and polytetrafluoroethylene (hereinafter referred to as “P
A suitable example is a porous thin layer composed of particles (hereinafter referred to as "TFE").
【００４３】また、電解質膜３４の他方の面に接合され
ている燃料極は、図示はしないが、空気極３６と同様の
構成を有しており、電極触媒を含む触媒層と、開口径の
異なる多孔質層を積層して得られる拡散層の２層からな
っている。また、触媒層と拡散層の間に、炭素粉を含む
撥水化層を設けてもよい。Although not shown, the fuel electrode joined to the other surface of the electrolyte membrane 34 has the same configuration as the air electrode 36, and has a catalyst layer containing an electrode catalyst and It consists of two diffusion layers obtained by laminating different porous layers. Further, a water-repellent layer containing carbon powder may be provided between the catalyst layer and the diffusion layer.
【００４４】集電体３８は、拡散層３６ｂに、電極反応
に必要な電子と反応ガスを供給するためのものである。
集電体３８には、ガス流方向に沿って、山部３８ａと溝
部３８ｂが設けられ、山部３８ａを拡散層３６ｂに押し
付けることにより、電極・電解質接合体３２を集電体３
８で挟持するようになっている。The current collector 38 supplies electrons and a reaction gas necessary for an electrode reaction to the diffusion layer 36b.
The current collector 38 is provided with a peak portion 38a and a groove portion 38b along the gas flow direction. By pressing the peak portion 38a against the diffusion layer 36b, the electrode-electrolyte assembly 32 is connected to the current collector 3
8 to hold it.
【００４５】なお、集電体３８の形状は、山部３８ａと
溝部３８ｂを備えたものに限定されるものではなく、例
えば、拡散層３６ｂと接する面に、孤立した多数の突起
を設けるようにしても良い。また、集電体３８の材質と
しては、一般に、酸化水蒸気雰囲気下でも安定な、緻密
質のグラファイトが用いられるが、金属製の集電体を用
いても良い。The shape of the current collector 38 is not limited to the shape having the peaks 38a and the grooves 38b. For example, a large number of isolated projections may be provided on the surface in contact with the diffusion layer 36b. May be. In addition, as a material of the current collector 38, generally, a dense graphite which is stable even in an oxidized water vapor atmosphere is used, but a metal current collector may be used.
【００４６】次に、本発明に係る固体高分子型燃料電池
により、高出力、高エネルギー効率が得られる理由につ
いて説明する。図２及び図３は、均一な気孔径分布を有
する多孔質の炭素系材料を触媒層１６ｂとして用いた、
従来一般に用いられている固体高分子型燃料電池１の空
気極１６側の拡大断面図を模式的に示したものである。Next, the reason why high output and high energy efficiency can be obtained by the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention will be described. 2 and 3 show a case where a porous carbon-based material having a uniform pore size distribution is used as the catalyst layer 16b.
FIG. 1 schematically shows an enlarged cross-sectional view of an air electrode 16 side of a polymer electrolyte fuel cell 1 generally used in the related art.
【００４７】図２に示すように、拡散層１６ｂとして、
電極面に垂直方向（図２のｙ方向）に向かって均一な気
孔径分布を有し、しかも開口部１６ｄの開口径が大きい
多孔質の炭素系材料を用いた場合、ｙ方向への物質移動
のみならず、電極面に平行方向（図２のｘ方向）への物
質移動に対する抵抗も小さくなる。As shown in FIG. 2, as the diffusion layer 16b,
When a porous carbon-based material having a uniform pore size distribution in a direction perpendicular to the electrode surface (the y direction in FIG. 2) and having a large opening diameter of the opening 16d is used, mass transfer in the y direction is performed. In addition, the resistance to mass transfer in the direction parallel to the electrode surface (x direction in FIG. 2) is reduced.
【００４８】そのため、集電体１８の溝部１８ｂを流れ
るガス中に含まれる酸素は、集電体１８の溝部１８ｂの
真下に位置する触媒層１６ａに十分供給されるのみなら
ず、集電体１８の山部１８ａの真下に位置する触媒層１
６ａにも十分に拡散する。また、開口径がミストの粒径
より十分大きい場合には、ミスト加湿を行っても、開口
部１６ｄの表面がミストにより閉塞することもない。Therefore, oxygen contained in the gas flowing through the groove 18b of the current collector 18 is not only sufficiently supplied to the catalyst layer 16a located immediately below the groove 18b of the current collector 18, but also is supplied to the catalyst layer 18a. Catalyst layer 1 located directly below the mountain portion 18a
6a is also sufficiently diffused. Further, when the opening diameter is sufficiently larger than the particle diameter of the mist, even if mist humidification is performed, the surface of the opening 16d will not be closed by the mist.
【００４９】しかしながら、触媒層１６ａには、電子伝
導性のない高分子電解質が含まれているので、触媒層１
６ａによるｘ方向への電子伝導は期待できない。そのた
め、開口部１６ｄの開口径が大きすぎる場合には、開口
部１６ｄの真下に位置する触媒層１６ａへの電子の供給
が不十分となり、燃料電池の出力及びエネルギー効率が
低下する。However, since the catalyst layer 16a contains a polymer electrolyte having no electron conductivity, the catalyst layer 1a
Electron conduction in the x direction by 6a cannot be expected. Therefore, if the opening diameter of the opening 16d is too large, the supply of electrons to the catalyst layer 16a located immediately below the opening 16d becomes insufficient, and the output and energy efficiency of the fuel cell decrease.
【００５０】一方、図３に示すように、拡散層１６ｂと
して、ｙ方向に向かって均一な気孔径分布を有し、しか
も開口部１６ｄの開口径が小さい多孔質の炭素系材料を
用いた場合には、電子のｘ方向への伝導距離が短くなる
ので、開口部１６ｂの真下に位置する触媒層３６ａへ
も、電子を十分に供給することができる。On the other hand, as shown in FIG. 3, when a porous carbon-based material having a uniform pore size distribution in the y direction and a small opening diameter of the opening 16d is used as the diffusion layer 16b. In this case, since the conduction distance of the electrons in the x direction becomes shorter, the electrons can be sufficiently supplied also to the catalyst layer 36a located immediately below the opening 16b.
【００５１】しかしながら、触媒層１６ａの開口径が小
さすぎる場合には、反応ガスや水等の物質のｙ方向への
移動抵抗が増大するために、触媒層１６ａへの反応ガス
の供給が不十分となり、燃料電池の出力及びエネルギー
効率が低下する。さらに、開口径がミストの粒径より小
さい場合には、拡散層１６ｂ表面にミストが付着して開
口部１６ｄが閉塞し、触媒層１６ａへの反応ガスの供給
が困難になるおそれがあるので、ミスト加湿を行うこと
ができない。However, if the opening diameter of the catalyst layer 16a is too small, the resistance of the reaction gas or water or the like to the movement in the y direction increases, so that the supply of the reaction gas to the catalyst layer 16a is insufficient. And the output and energy efficiency of the fuel cell decrease. Further, when the opening diameter is smaller than the particle diameter of the mist, the mist adheres to the surface of the diffusion layer 16b and the opening 16d is closed, so that there is a possibility that the supply of the reaction gas to the catalyst layer 16a becomes difficult. Mist humidification cannot be performed.
【００５２】これに対し、本発明に係る固体高分子型燃
料電池３０においては、図１に示すように、拡散層３６
ｂとして、開口径の異なる複数の多孔質層４１、４２、
４３を積層した拡散層３６ｂを用いており、集電体３８
側から触媒層３６ａ側に向かって開口径が減少するよう
になっている。On the other hand, in the polymer electrolyte fuel cell 30 according to the present invention, as shown in FIG.
b, a plurality of porous layers 41, 42 having different opening diameters;
43, a current collector 38 is used.
The opening diameter decreases from the side toward the catalyst layer 36a.
【００５３】すなわち、集電体３８側の多孔質層４３の
開口径が大きくなっているので、ｙ方向の物質移動に対
する抵抗は小さくなる。また、中間に配置されている多
孔質層４２の開口径を適宜制御すれば、ｘ方向の物質移
動に対する抵抗も小さくすることができる。That is, since the opening diameter of the porous layer 43 on the side of the current collector 38 is large, the resistance to mass transfer in the y direction is small. Further, by appropriately controlling the opening diameter of the porous layer 42 disposed in the middle, the resistance to the mass transfer in the x direction can be reduced.
【００５４】また、触媒層３６ａ側の多孔質層４１の開
口径が小さくなっているので、電子のｘ方向への伝導距
離も短くなり、開口部４１ａの真下に位置する触媒層３
６ａにも電子が十分に供給される。そのため、触媒層３
６ａ全面に、反応ガスや水等の物質と電子とを十分に行
き渡らせることが可能となり、燃料電池の出力及びエネ
ルギー効率が向上する。Also, since the opening diameter of the porous layer 41 on the catalyst layer 36a side is small, the conduction distance of electrons in the x direction is also short, and the catalyst layer 3 located immediately below the opening 41a
6a is also supplied with sufficient electrons. Therefore, the catalyst layer 3
A substance such as a reaction gas or water and electrons can be sufficiently distributed over the entire surface 6a, and the output and energy efficiency of the fuel cell can be improved.
【００５５】また、触媒層３６ａ側に位置する多孔質層
４１の開口径を十分に小さくすると共に、集電体３８側
に位置する多孔質層４３の開口径をミストの粒径より大
きくすれば、拡散層３６ｂ表面の開口部４３ａがミスト
により閉塞することはないので、反応物質や電子の拡散
性を損なうことなく、電解質膜３４のミスト加湿が可能
となる。しかも、上述のような構成を有する拡散層３６
ｂは、開口径の異なる複数の多孔質層４１、４２、４３
を積層するだけで容易に得ることができる。Further, if the opening diameter of the porous layer 41 located on the catalyst layer 36a side is made sufficiently small, and the opening diameter of the porous layer 43 located on the current collector 38 side is made larger than the particle diameter of the mist. Since the opening 43a on the surface of the diffusion layer 36b is not closed by the mist, the mist of the electrolyte membrane 34 can be humidified without impairing the diffusibility of the reactants and the electrons. In addition, the diffusion layer 36 having the above-described configuration
b denotes a plurality of porous layers 41, 42, 43 having different opening diameters.
Can be easily obtained simply by laminating them.
【００５６】さらに、拡散層３６ｂを構成する多孔質層
４１、４２、４３として、金属メッシュ又は金属多孔体
を用いた場合には、従来一般に用いられてきた多孔質の
炭素系材料と比較して、導電率が高いので、拡散層３６
ｂ全体の厚さを薄層化することができる。Further, when a metal mesh or a porous metal material is used as the porous layers 41, 42, 43 constituting the diffusion layer 36b, the porous carbon-based material conventionally used in general is used. Since the conductivity is high, the diffusion layer 36
b) The entire thickness can be reduced.
【００５７】しかも、金属メッシュ又は金属多孔体は、
熱伝導率が大きいので、電極反応の際に触媒層３６ａ又
は電解質膜３４で発生した熱は、拡散層３６ｂ及び集電
体３８を介して、効率よく外部に放散させることができ
る。そのため、電池内部の温度を均一化することがで
き、高い出力を得ることが可能となる。Moreover, the metal mesh or the porous metal body is
Since the thermal conductivity is large, heat generated in the catalyst layer 36a or the electrolyte membrane 34 during the electrode reaction can be efficiently radiated to the outside via the diffusion layer 36b and the current collector 38. Therefore, the temperature inside the battery can be made uniform, and a high output can be obtained.
【００５８】また、金属メッシュ又は金属多孔体の表面
に、Ｓｎ又はＳｎ合金等、耐食性及び耐不働態化性に優
れたコーティング層を形成したものを多孔質層４１、４
２、４３として用いた場合には、腐食又は不働態化によ
る拡散層３６ｂの劣化がおきにくくなる。そのため、酸
化水蒸気雰囲気下に長時間曝された場合であっても、拡
散層３６ｂと集電体３８との間の接触抵抗の増加が抑制
され、触媒層３６ａへの電子の供給が阻害されることも
ない。Further, a coating layer having excellent corrosion resistance and passivation resistance, such as Sn or Sn alloy, is formed on the surface of a metal mesh or a porous metal body by using porous layers 41 and 4.
When used as 2, 43, deterioration of the diffusion layer 36b due to corrosion or passivation hardly occurs. Therefore, even when exposed to an oxidizing water vapor atmosphere for a long time, an increase in contact resistance between the diffusion layer 36b and the current collector 38 is suppressed, and supply of electrons to the catalyst layer 36a is inhibited. Not even.
【００５９】図示しない燃料極においても、拡散層とし
て開口径の異なる多孔質層を積層して得られる積層体を
用いれば、水素ガスの拡散性と電子の伝導性を損なうこ
となく電解質膜のミスト加湿が可能となる点、金属メッ
シュ又は金属多孔体からなる積層体を用いれば拡散層の
薄層化と電池内部温度の均一化が可能となる点、Ｓｎコ
ーティング等を施した金属メッシュ又は金属多孔体を用
いれば拡散層の耐食性・耐不働態化性を向上できる点等
は、空気極３６と同様である。Even in a fuel electrode (not shown), if a laminate obtained by laminating porous layers having different opening diameters is used as the diffusion layer, the mist of the electrolyte membrane can be reduced without impairing the diffusivity of hydrogen gas and the conductivity of electrons. The point that humidification is possible, the point that the diffusion layer can be made thinner and the temperature inside the battery can be made uniform by using a laminate made of a metal mesh or a metal porous body, the metal mesh or the metal porous sheet coated with Sn, etc. The point that the corrosion resistance and the passivation resistance of the diffusion layer can be improved by using a body is the same as the air electrode 36.
【００６０】（実施例１）線径３０μｍで、開口率がそ
れぞれ約２０％、３０％及び５０％（開口径が、それぞ
れ２４μｍ、３５μｍ及び７２μｍ）のＳＵＳ３０４製
ステンレスメッシュを開口率の順番に重ね合わせ、数カ
所スポット溶接して一体化し、拡散層とした。(Example 1) Stainless steel mesh made of SUS304 having a wire diameter of 30 μm and an opening ratio of about 20%, 30% and 50% (opening diameters of 24 μm, 35 μm and 72 μm, respectively) is superposed in order of opening ratio. These were combined and spot welded at several places to integrate them to form a diffusion layer.
【００６１】また、開口率２０％のステンレスメッシュ
側に、カーボンブラック（Ｖｕｌｃａｎ ＸＣ−７２、
Ｃａｂｏｔ社製）と、ポリテトラフルオロエチレン（以
下、これを「ＰＴＦＥ」という）の混合物を塗布して撥
水化層を形成した。Further, carbon black (Vulcan XC-72, Vulcan XC-72,
A mixture of Cabot Corporation) and polytetrafluoroethylene (hereinafter, referred to as “PTFE”) was applied to form a water-repellent layer.
【００６２】次いで、撥水化層側に、重量比４０％のＰ
ｔが担持されたカーボンブラックと、パーフルオロスル
ホン酸ポリマーの電解質溶液との混合物を塗布し、電極
面積１ｃｍ２当たり０．３ｍｇのＰｔが含まれるように
触媒層を形成し、ガス拡散電極とした。得られたガス拡
散電極を電解質膜（ナフィオン１１２、デュポン社製）
の両面に接合し、さらにその両側を集電体で挟んで、試
験用単電池を作製した。Next, a 40% by weight P
A mixture of carbon black carrying t and an electrolyte solution of a perfluorosulfonic acid polymer was applied, and a catalyst layer was formed so that 0.3 mg of Pt was contained per 1 cm 2 of electrode area, thereby forming a gas diffusion electrode. . The obtained gas diffusion electrode is used as an electrolyte membrane (Nafion 112, manufactured by DuPont)
Were joined to both sides of the sample, and both sides were sandwiched between current collectors to produce a test cell.
【００６３】（比較例１）厚さ３００μｍ、平均孔径２
０μｍのカーボンクロスを拡散層に用いた以外は、実施
例１と同様の手順に従い、試験用単電池を作製した。(Comparative Example 1) Thickness 300 μm, average pore diameter 2
A test cell was produced in the same manner as in Example 1, except that a carbon cloth of 0 μm was used for the diffusion layer.
【００６４】実施例１及び比較例１で得られた各試験用
単電池について、それぞれ、空気と水素を１．５ａｔｍ
の圧力で供給し、電池温度８０℃の条件下で、電流−電
圧特性を測定した。なお、反応ガスへの加湿は、空気、
水素ともに、気流中に平均粒径約３０μｍの水のミスト
を混合することにより行った。結果を図４に示す。For each of the test cells obtained in Example 1 and Comparative Example 1, 1.5 atm.
, And the current-voltage characteristics were measured under the condition of a battery temperature of 80 ° C. The humidification of the reaction gas is performed by air,
This was carried out by mixing a mist of water having an average particle size of about 30 μm in an air stream together with hydrogen. FIG. 4 shows the results.
【００６５】図４より、平均孔径２０μｍのカーボンク
ロスを拡散層として用いた比較例１の場合、電流密度の
大きい領域での電圧低下が大きいのに対し、開口径の異
なるステンレスメッシュを積層した積層体を拡散層に用
いた実施例１では、電流密度の大きい領域での電圧低下
が少ないことがわかる。これは、拡散層の開口径を、集
電体側から触媒層側に向かって漸減するようにしている
ために、触媒層への反応ガスと電子の供給が効率よく行
われているためである。FIG. 4 shows that in Comparative Example 1 using carbon cloth having an average pore diameter of 20 μm as the diffusion layer, the voltage drop was large in the region where the current density was large, while the stainless steel mesh having different opening diameters was laminated. In Example 1 where the body was used for the diffusion layer, it was found that the voltage drop was small in the region where the current density was large. This is because the opening diameter of the diffusion layer is gradually reduced from the current collector side to the catalyst layer side, so that the reaction gas and the electrons are efficiently supplied to the catalyst layer.
【００６６】以上の結果から、開口率の異なるステンレ
スメッシュを積層した拡散層を用いると、高出力、高エ
ネルギー効率の燃料電池が得られることがわかった。From the above results, it was found that a fuel cell having high output and high energy efficiency can be obtained by using a diffusion layer in which stainless steel meshes having different aperture ratios were laminated.
【００６７】（実施例２）厚さ１００μｍ、平均孔径約
１００μｍのカーボンクロス（以下、これを「カーボン
クロス１００」という）と、カーボンクロス１００の織
り目に平均粒径約１０μｍのグラファイト粉末とＰＴＦ
Ｅ粉末の混合物を塗り込んで平均孔径を約１０μｍとし
たカーボンクロスと、カーボンクロス１００の織り目に
カーボンブラックとＰＴＦＥ粉末の混合物を塗り込んで
平均孔径を約１μｍとしたカーボンクロスとを、平均孔
径の順に積層して、厚さ３００μｍの拡散層とした。Example 2 A carbon cloth having a thickness of 100 μm and an average pore diameter of about 100 μm (hereinafter referred to as “carbon cloth 100”), a graphite powder having an average particle diameter of about 10 μm on the weave of the carbon cloth 100, and PTF
A carbon cloth having an average pore diameter of about 10 μm by applying a mixture of E powder and a carbon cloth having an average pore diameter of about 1 μm applied by weaving a mixture of carbon black and PTFE powder to the weave of the carbon cloth 100, In this order to form a diffusion layer having a thickness of 300 μm.
【００６８】次いで、平均孔径約１μｍのカーボンクロ
ス側に、重量比４０％のＰｔが担持されたカーボンブラ
ックと、パーフルオロスルホン酸ポリマーの電解質溶液
との混合物を塗布し、電極面積１ｃｍ２当たり０．３ｍ
ｇのＰｔが含まれるように触媒層を形成し、ガス拡散電
極とした。得られたガス拡散電極を電解質膜（ナフィオ
ン１１２、デュポン社製）の両面に接合し、さらにその
両側を集電体で挟んで、試験用単電池を作製した。Next, a mixture of carbon black carrying 40% by weight of Pt and an electrolyte solution of a perfluorosulfonic acid polymer was applied to the carbon cloth side having an average pore diameter of about 1 μm, and the mixture was coated with 0% per 1 cm 2 of electrode area. .3m
A catalyst layer was formed so as to contain g of Pt, and used as a gas diffusion electrode. The obtained gas diffusion electrode was joined to both sides of an electrolyte membrane (Nafion 112, manufactured by DuPont), and both sides were sandwiched between current collectors to produce a test cell.
【００６９】（比較例２）厚さ３００μｍ、平均孔径１
００μｍのカーボンクロスを拡散層として用いた以外
は、実施例２と同様の手順に従い、試験用単電池を作製
した。Comparative Example 2 A thickness of 300 μm and an average pore diameter of 1
A test cell was prepared in the same manner as in Example 2, except that a carbon cloth of 00 μm was used as the diffusion layer.
【００７０】（比較例３）厚さ３００μｍ、平均孔径１
００μｍのカーボンクロスの織り目に平均粒径約１０μ
ｍのグラファイト粉末とＰＴＦＥ粉末の混合物を塗り込
んで、平均孔径を約１０μｍとしたカーボンクロスを拡
散層として用いた以外は、実施例２と同様の手順に従
い、試験用単電池を作製した。Comparative Example 3 A thickness of 300 μm and an average pore diameter of 1
Average particle size of about 10μ on a 00μm carbon cloth weave
A test cell was prepared according to the same procedure as in Example 2 except that a mixture of graphite powder and PTFE powder of m was applied and carbon cloth having an average pore diameter of about 10 μm was used as a diffusion layer.
【００７１】（比較例４）厚さ３００μｍ、平均孔径１
００μｍのカーボンクロスの織り目にカーボンブラック
とＰＴＦＥ粉末の混合物を塗り込んで、平均孔径を約１
μｍとしたカーボンクロスを拡散層として用いた以外
は、実施例２と同様の手順に従い、試験用単電池を作製
した。Comparative Example 4 A thickness of 300 μm and an average pore diameter of 1
A mixture of carbon black and PTFE powder was applied to the weave of a 00 μm carbon cloth to reduce the average pore diameter to about 1 μm.
A test cell was prepared in the same manner as in Example 2, except that a carbon cloth having a thickness of μm was used as a diffusion layer.
【００７２】実施例２及び比較例２〜４で得られた各試
験用単電池について、それぞれ空気と水素を１．５ａｔ
ｍの圧力で供給し、電池温度８０℃の条件下で、電流−
電圧特性を測定した。なお、反応ガスへの加湿は、空
気、水素ともに、気流中に平均粒径３０μｍの水のミス
トを混合することにより行った。結果を図５に示す。With respect to each of the test cells obtained in Example 2 and Comparative Examples 2 to 4, 1.5 at
m at a pressure of 80 m.
The voltage characteristics were measured. The humidification of the reaction gas was carried out by mixing a mist of water having an average particle diameter of 30 μm in the air stream together with air and hydrogen. FIG. 5 shows the results.
【００７３】拡散層の平均孔径を１００μｍとした比較
例２では、全電流密度領域で電圧が低くなっている。こ
れは、触媒層に接する側の拡散層の開口径が大きいため
に、開口部の真下に位置する触媒層への電子の供給が不
十分となり、開口部の真下に位置する触媒が機能しない
ためである。In Comparative Example 2 in which the average pore diameter of the diffusion layer was 100 μm, the voltage was low in the entire current density region. This is because the diameter of the opening of the diffusion layer on the side in contact with the catalyst layer is large, so that the supply of electrons to the catalyst layer located immediately below the opening becomes insufficient, and the catalyst located immediately below the opening does not function. It is.
【００７４】また、拡散層の平均孔径を１μｍとした比
較例４では、電流密度の大きい領域での電圧低下が著し
い。これは、集電体側の開口径が、水のミストの粒径よ
り小さいために、拡散層表面にミストが付着し、拡散層
の細孔が集電体側で閉塞したためである。In Comparative Example 4 in which the average pore size of the diffusion layer was 1 μm, the voltage drop was remarkable in a region where the current density was large. This is because the mist attached to the surface of the diffusion layer and the pores of the diffusion layer were closed on the side of the current collector because the opening diameter on the side of the current collector was smaller than the particle diameter of the mist of water.
【００７５】拡散層の平均孔径を１０μｍとした比較例
３では、比較例３と比較例４の中間の特性を示し、低電
流密度領域では高い電圧を示したが、高電流密度領域で
は、電圧が大きく低下した。In Comparative Example 3 in which the average pore size of the diffusion layer was 10 μm, the characteristics were intermediate between those of Comparative Example 3 and Comparative Example 4. A high voltage was exhibited in the low current density region, but a high voltage was observed in the high current density region. Greatly decreased.
【００７６】これに対し、拡散層の開口径を集電体側か
ら触媒層側に向かって漸減するように傾斜を持たせた実
施例２では、低電流密度領域における電圧が高く、また
高電流密度領域での電圧低下も少なかった。これは、集
電体側の開口径を大きく、かつ触媒層側の開口径を小さ
くしているために、拡散層の細孔がミストにより集電体
側で閉塞することがなく、しかも、触媒層全体に反応ガ
スと電子が行き渡り、触媒層全体が有効に機能したため
である。On the other hand, in the second embodiment in which the opening diameter of the diffusion layer is gradually decreased from the current collector side toward the catalyst layer side, the voltage in the low current density region is high, and The voltage drop in the region was also small. This is because the opening diameter on the current collector side is large and the opening diameter on the catalyst layer side is small, so that the pores of the diffusion layer are not blocked by the mist on the current collector side, and the entire catalyst layer This is because the reaction gas and the electrons spread all over, and the entire catalyst layer functioned effectively.
【００７７】以上の結果から、カーボンクロスを拡散層
に用いる場合であっても、開口径が集電体側から触媒層
側に向かって減少するように、開口径の異なるカーボン
クロスを積層すれば、高出力、高エネルギー効率の燃料
電池が得られることがわかった。また、開口径に傾斜を
設けた拡散層を用いれば、出力の著しい低下を伴うこと
なく、電解質膜のミスト加湿が可能であることがわかっ
た。From the above results, even when carbon cloth is used for the diffusion layer, if carbon cloths having different opening diameters are laminated so that the opening diameter decreases from the current collector side toward the catalyst layer side, It was found that a fuel cell with high output and high energy efficiency could be obtained. In addition, it was found that mist humidification of the electrolyte membrane was possible without a significant decrease in output when a diffusion layer having an inclined opening diameter was used.
【００７８】（実施例３）厚さ１００μｍ、平均孔径約
５００μｍのカーボンクロスと、実施例２で用いたカー
ボンクロス１００と、カーボンクロス１００の織り目に
カーボンブラックとＰＴＦＥ粉末の混合物を塗り込んで
平均孔径約１μｍとしたカーボンクロスを、平均孔径の
順に積層して、厚さ３００μｍの拡散層とした。Example 3 A carbon cloth having a thickness of 100 μm and an average pore diameter of about 500 μm, the carbon cloth 100 used in Example 2, and a mixture of carbon black and PTFE powder applied to the weave of the carbon cloth 100 were averaged. Carbon cloth having a pore diameter of about 1 μm was laminated in the order of the average pore diameter to form a diffusion layer having a thickness of 300 μm.
【００７９】次いで、平均孔径約１μｍのカーボンクロ
ス側に、重量比４０％のＰｔが担持されたカーボンブラ
ックと、パーフルオロスルホン酸ポリマーの電解質溶液
との混合物を塗布し、電極面積１ｃｍ２当たり０．３ｍ
ｇのＰｔが含まれるように触媒層を形成し、ガス拡散電
極とした。得られたガス拡散電極を電解質膜（ナフィオ
ン１１２、デュポン社製）の両面に接合し、さらにその
両側を集電体で挟んで、試験用単電池を作製した。Then, a mixture of carbon black carrying 40% by weight of Pt and an electrolyte solution of a perfluorosulfonic acid polymer was applied to the carbon cloth side having an average pore diameter of about 1 μm, and the mixture was coated with 0% per 1 cm 2 of electrode area. .3m
A catalyst layer was formed so as to contain g of Pt, and used as a gas diffusion electrode. The obtained gas diffusion electrode was joined to both sides of an electrolyte membrane (Nafion 112, manufactured by DuPont), and both sides were sandwiched between current collectors to produce a test cell.
【００８０】（比較例５）カーボンクロス１００の織り
目に平均粒径約１０μｍのグラファイト粉末とＰＴＦＥ
粉末の混合物を塗り込んで平均孔径約１０μｍとしたカ
ーボンクロスと、カーボンクロス１００の織り目に平均
粒径約５μｍのグラファイト粉末とＰＴＦＥ粉末の混合
物を塗り込んで平均孔径約５μｍとしたカーボンクロス
と、カーボンクロス１００の織り目にカーボンブラック
とＰＴＦＥ粉末の混合物を塗り込んで平均孔径約１μｍ
としたカーボンクロスを、平均孔径の順に積層して、厚
さ３００μｍの拡散層とした以外は、実施例３と同様の
手順に従い、試験用単電池を作製した。Comparative Example 5 Graphite powder having an average particle size of about 10 μm and a PTFE
A carbon cloth coated with a mixture of powders and having an average pore diameter of about 10 μm; a carbon cloth coated with a mixture of graphite powder and average PTFE powder having an average particle diameter of about 5 μm on the weave of the carbon cloth 100 and having an average pore diameter of about 5 μm; A mixture of carbon black and PTFE powder is applied to the weave of the carbon cloth 100, and the average pore diameter is about 1 μm.
The test cell was prepared according to the same procedure as in Example 3 except that the carbon cloth thus prepared was laminated in the order of the average pore diameter to form a diffusion layer having a thickness of 300 μm.
【００８１】実施例３及び比較例５で得られた各試験用
単電池について、それぞれ空気と水素を１．５ａｔｍの
圧力で供給し、電池温度８０℃の条件下で、電流−電圧
特性を測定した。なお、反応ガスへの加湿は、水蒸気
（露点：空気７０℃、水素８５℃）あるいは平均粒径３
０μｍの水のミストにより行った。結果を図６に示す。
なお、図６には、実施例２で得られた試験用単電池の電
流−電圧特性も併せて示した。For each of the test cells obtained in Example 3 and Comparative Example 5, air and hydrogen were supplied at a pressure of 1.5 atm and the current-voltage characteristics were measured at a battery temperature of 80 ° C. did. The humidification of the reaction gas may be performed using water vapor (dew point: air 70 ° C, hydrogen 85 ° C) or an average particle diameter of 3
This was performed with a water mist of 0 μm. FIG. 6 shows the results.
FIG. 6 also shows the current-voltage characteristics of the test cell obtained in Example 2.
【００８２】集電体側から触媒層側に向かって開口径が
減少するように、拡散層の開口径に傾斜を持たせると共
に、集電体側の開口径を５００μｍとした実施例３で
は、水蒸気あるいはミストのいずれも加湿方法でも、集
電体側の開口径を１００μｍとした実施例２と同等の電
流−電圧特性が得られた。In the third embodiment in which the opening diameter of the diffusion layer is inclined so that the opening diameter decreases from the current collector side toward the catalyst layer side and the opening diameter on the current collector side is 500 μm, water vapor or The current-voltage characteristics equivalent to those of Example 2 in which the opening diameter on the current collector side was 100 μm were obtained by the humidifying method in each of the mist.
【００８３】一方、拡散層の集電体側の平均孔径を１０
μｍとした比較例５では、水蒸気加湿の場合は、実施例
３とほぼ同等の電流−電圧特性を示したが、ミスト加湿
の場合は、大電流密度領域での電圧低下が著しい。これ
は、拡散層の集電体側の平均孔径がミストの平均粒径よ
り小さいために、拡散層の細孔が集電体側で閉塞したた
めである。On the other hand, when the average pore size on the current collector side of the diffusion layer is 10
In Comparative Example 5 with μm, the current-voltage characteristics were almost the same as those of Example 3 in the case of steam humidification, but the voltage drop in the large current density region was remarkable in the case of mist humidification. This is because the pores of the diffusion layer were closed on the current collector side because the average pore size on the current collector side of the diffusion layer was smaller than the average particle size of the mist.
【００８４】以上の結果から、ミスト加湿を行う場合に
おいて、高電流密度領域での著しい電圧低下を防ぐに
は、拡散層の集電体側の開口径をミストの粒径より大き
くする必要があることがわかった。From the above results, when mist humidification is performed, it is necessary to make the opening diameter of the diffusion layer on the current collector side larger than the mist particle size in order to prevent a significant voltage drop in the high current density region. I understood.
【００８５】（実施例４）線径５０μｍ、目の開き１０
４μｍのステンレスメッシュ（以下、これを「ステンレ
スメッシュ１０４」という）と、線径３０μｍ、目の開
き３４μｍのステンレスメッシュ（以下、これを「ステ
ンレスメッシュ３４」という）と、ステンレスメッシュ
３４の織り目にカーボンブラックとＰＴＦＥ粉末の混合
物を塗り込んで、平均孔径約１μｍとしたステンレスメ
ッシュを、目の開き（平均孔径）の順に積層して、厚さ
２００μｍの拡散層とした。(Example 4) Wire diameter 50 μm, eye opening 10
A stainless steel mesh of 4 μm (hereinafter referred to as “stainless steel mesh 104”), a stainless steel mesh having a wire diameter of 30 μm and an opening of 34 μm (hereinafter referred to as “stainless steel mesh 34”), and a carbon mesh A mixture of black and PTFE powder was applied, and a stainless steel mesh having an average pore diameter of about 1 μm was laminated in the order of the openings (average pore diameter) to form a diffusion layer having a thickness of 200 μm.
【００８６】次いで、平均孔径約１μｍのステンレスメ
ッシュ側に、重量比４０％のＰｔが担持されたカーボン
ブラックと、パーフルオロスルホン酸ポリマーの電解質
溶液との混合物を塗布し、電極面積１ｃｍ２当たり０．
３ｍｇのＰｔが含まれるように触媒層を形成し、ガス拡
散電極とした。得られたガス拡散電極を電解質膜（ナフ
ィオン１１２、デュポン社製）の両面に接合し、さらに
その両側を集電体で挟んで、試験用単電池を作製した。Then, a mixture of carbon black carrying 40% by weight of Pt and an electrolyte solution of a perfluorosulfonic acid polymer was applied to the stainless steel mesh side having an average pore diameter of about 1 μm, and the mixture was applied at a rate of 0 per cm 2 of electrode area. .
A catalyst layer was formed so as to contain 3 mg of Pt, and used as a gas diffusion electrode. The obtained gas diffusion electrode was joined to both sides of an electrolyte membrane (Nafion 112, manufactured by DuPont), and both sides were sandwiched between current collectors to produce a test cell.
【００８７】（実施例５）ステンレスメッシュ１０４
と、ステンレスメッシュ３４と、ステンレスメッシュ３
４の織り目にカーボンブラックとＰＴＦＥ粉末の混合物
を塗り込んで平均孔径約０．１μｍとしたステンレスメ
ッシュを、目の開き（平均孔径）の順に積層して厚さ２
００μｍの拡散層とした以外は、実施例４と同様の手順
に従い、試験用単電池を作製した。(Example 5) Stainless steel mesh 104
And stainless mesh 34 and stainless mesh 3
A stainless steel mesh coated with a mixture of carbon black and PTFE powder on the weave of No. 4 and having an average pore diameter of about 0.1 μm was laminated in the order of the openings (average pore diameter) to obtain a thickness of 2
A test cell was produced in the same manner as in Example 4, except that the diffusion layer was made to be 00 μm.
【００８８】（比較例６）ステンレスメッシュ１０４
と、ステンレスメッシュ３４と、線径２０μｍ、目の開
き２０μｍのステンレスメッシュを、目の開きの順に積
層して厚さ１８０μｍの拡散層とした以外は、実施例４
と同様の手順に従い、試験用単電池を作製した。(Comparative Example 6) Stainless steel mesh 104
Example 4 except that a stainless steel mesh 34, a stainless steel mesh having a wire diameter of 20 μm, and an opening of 20 μm were laminated in the order of opening to form a diffusion layer having a thickness of 180 μm.
According to the same procedure as described above, a test cell was prepared.
【００８９】実施例４〜５及び比較例６で得られた各試
験用単電池について、それぞれ空気と水素を１．５ａｔ
ｍの圧力で供給し、電池温度８０℃の条件下で、電流−
電圧特性を測定した。なお、反応ガスへの加湿は、空
気、水素ともに、気流中に３０μｍの水のミストを混合
することにより行った。結果を図７に示す。なお、図７
には、実施例２で得られた試験用単電池の電流−電圧特
性も併せて示した。For each of the test cells obtained in Examples 4 to 5 and Comparative Example 6, 1.5 at
m at a battery temperature of 80 ° C.
The voltage characteristics were measured. The humidification of the reaction gas was performed by mixing a mist of 30 μm water in an air stream together with air and hydrogen. FIG. 7 shows the results. FIG.
5 also shows the current-voltage characteristics of the test cell obtained in Example 2.
【００９０】触媒層側の開口径が１μｍである厚さ２０
０μｍのステンレスメッシュ積層体を拡散層に用いた実
施例４及び触媒層側の開口径を０．１μｍとした実施例
５は、高電流密度領域における電圧低下が小さく、いず
れも、厚さ３００μｍのカーボンクロス積層体を拡散層
に用いた実施例２と同等の電流−電圧特性を示した。Thickness 20 having an opening diameter of 1 μm on the catalyst layer side
In Example 4 in which the stainless steel mesh laminate of 0 μm was used for the diffusion layer and Example 5 in which the opening diameter on the catalyst layer side was 0.1 μm, the voltage drop in the high current density region was small. It showed current-voltage characteristics equivalent to those of Example 2 in which the carbon cloth laminate was used for the diffusion layer.
【００９１】一方、触媒層側の平均孔径が２０μｍであ
るステンレスメッシュ積層体を拡散層に用いた比較例６
では、実施例２と比較して、全電流密度領域において電
圧が低下した。これは、触媒層側の開口径が大きすぎる
と、開口部の真下に位置する触媒層への電子の供給が不
十分となり、触媒が有効に利用されないためである。On the other hand, Comparative Example 6 using a stainless steel mesh laminate having an average pore diameter of 20 μm on the catalyst layer side as the diffusion layer.
As compared with Example 2, the voltage was lowered in the entire current density region. This is because if the opening diameter on the catalyst layer side is too large, the supply of electrons to the catalyst layer located immediately below the opening becomes insufficient, and the catalyst is not effectively used.
【００９２】以上の結果から、触媒層側の開口径が大き
すぎると、発電能力が低下することがわかった。また、
金属メッシュの積層体を拡散層として用いた場合、カー
ボンクロスの積層体からなる拡散層と比較して、その厚
さを約１００μｍ低減できることがわかった。From the above results, it was found that when the opening diameter on the catalyst layer side was too large, the power generation capacity was reduced. Also,
It was found that when the metal mesh laminate was used as the diffusion layer, the thickness could be reduced by about 100 μm as compared with the diffusion layer composed of the carbon cloth laminate.
【００９３】以上、本発明の実施の形態について詳細に
説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定される
ものではなく、本発明の要旨を逸脱しないで種々の改変
が可能である。Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
【００９４】例えば、拡散層として金属メッシュ又は金
属多孔体の積層体を用い、さらに、集電体として金属製
の集電体を用いた場合には、拡散層と集電体とをスポッ
ト溶接等の手段により接合しても良い。拡散層と集電体
を接合すると、拡散層と集電体との電気的接触が確実な
ものとなり、これにより触媒層への電子の供給が容易化
され、燃料電池の高出力化及び高エネルギー効率化が可
能となる。For example, when a metal mesh or a metal porous laminate is used as the diffusion layer and a metal current collector is used as the current collector, the diffusion layer and the current collector are spot-welded. May be joined by the above-mentioned means. When the diffusion layer and the current collector are joined, the electrical contact between the diffusion layer and the current collector is ensured, thereby facilitating the supply of electrons to the catalyst layer, increasing the output of the fuel cell and increasing the energy Efficiency can be improved.
【００９５】また、上記実施の形態では、目の開きの異
なるステンレスメッシュの積層体を拡散層として用いて
いるが、多孔率の異なる金属多孔体を多孔率の順に積層
したものを拡散層として用いても良く、これにより上記
実施の形態と同様の効果を得ることができる。In the above-described embodiment, a laminate of stainless steel meshes having different openings is used as the diffusion layer, but a stack of metal porous bodies having different porosity in order of porosity is used as the diffusion layer. Thus, the same effect as in the above embodiment can be obtained.
【００９６】[0096]
【発明の効果】本発明に係る燃料電池は、ガス拡散電極
に備えられる拡散層として、集電体から触媒層に向かっ
て開口径が減少するように、開口径の異なる多孔質層が
積層された積層体を用いているので、触媒層全体に反応
ガスや水等の物質、あるいは電子が効率よく供給され
る。そのため、触媒が有効に働き、燃料電池の出力及び
エネルギー効率が向上するという効果がある。In the fuel cell according to the present invention, as the diffusion layer provided in the gas diffusion electrode, a porous layer having a different opening diameter is laminated so that the opening diameter decreases from the current collector toward the catalyst layer. Since the stacked body is used, a substance such as a reaction gas or water or electrons is efficiently supplied to the entire catalyst layer. Therefore, there is an effect that the catalyst works effectively and the output and energy efficiency of the fuel cell are improved.
【００９７】また、このような構造を有する拡散層は、
開口径の異なる多孔質層を積層することにより容易に得
られるので、燃料電池の製造工程が簡略化されるという
効果がある。The diffusion layer having such a structure is
Since it is easily obtained by laminating porous layers having different opening diameters, there is an effect that the manufacturing process of the fuel cell is simplified.
【００９８】さらに、本発明に係る燃料電池は、拡散層
の触媒層側の開口径を反応物質及び電子が効率よく供給
される大きさに維持したまま、集電体側の開口径をミス
トの粒径より大きくすることができるので、出力及びエ
ネルギー効率の低下を伴うことなく、電解質膜のミスト
加湿が可能になるという効果がある。また、ミスト加湿
が可能になることにより、触媒層、電解質膜での局所的
な発熱が抑制されるという効果がある。Further, in the fuel cell according to the present invention, while maintaining the opening diameter of the diffusion layer on the catalyst layer side to a size at which the reactants and electrons can be efficiently supplied, the opening diameter on the current collector side can be reduced by the mist particles. Since the diameter can be made larger than the diameter, there is an effect that mist humidification of the electrolyte membrane becomes possible without a decrease in output and energy efficiency. Further, since mist humidification becomes possible, there is an effect that local heat generation in the catalyst layer and the electrolyte membrane is suppressed.
【００９９】以上のように、本発明によれば、高出力及
び高エネルギー効率が得られると同時に、電解質膜のミ
スト加湿が可能な燃料電池を簡便な方法により得ること
ができる。そのため、これを例えば自動車用の燃料電池
システムに応用すれば、自動車の高出力化、軽量化等が
可能となるものであり、産業上その効果の極めて大きい
発明である。As described above, according to the present invention, high output and high energy efficiency can be obtained, and at the same time, a fuel cell capable of mist humidification of the electrolyte membrane can be obtained by a simple method. Therefore, if this is applied to, for example, a fuel cell system for an automobile, it is possible to increase the output and reduce the weight of the automobile, and the invention is extremely effective in industry.
【図１】本発明に係る固体高分子型燃料電池の空気極側
の拡大断面図である。FIG. 1 is an enlarged cross-sectional view on the air electrode side of a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention.
【図２】拡散層として、均一な気孔径分布を有し、かつ
平均孔径の大きい多孔体を用いた固体高分子型燃料電池
の空気極側の拡大断面図である。FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view on the air electrode side of a polymer electrolyte fuel cell using a porous body having a uniform pore size distribution and a large average pore size as a diffusion layer.
【図３】拡散層として、均一な気孔径分布を有し、かつ
平均孔径の小さい多孔体を用いた固体高分子型燃料電池
の空気極側の拡大断面図である。FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view on the air electrode side of a polymer electrolyte fuel cell using a porous body having a uniform pore size distribution and a small average pore size as a diffusion layer.
【図４】拡散層として、目の開きの異なるステンレスメ
ッシュ積層体を用いた燃料電池と、均一な気孔径分布を
有するカーボンクロスを用いた燃料電池の電流−電圧特
性を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing current-voltage characteristics of a fuel cell using a stainless steel mesh laminate having different openings as a diffusion layer and a fuel cell using a carbon cloth having a uniform pore size distribution.
【図５】拡散層として、平均孔径の異なるカーボンクロ
ス積層体を用いた燃料電池と、均一な気孔径分布を有す
るカーボンクロスを用いた燃料電池の電流−電圧特性を
示す図である。FIG. 5 is a diagram showing current-voltage characteristics of a fuel cell using a carbon cloth laminate having different average pore diameters as a diffusion layer and a fuel cell using a carbon cloth having a uniform pore diameter distribution.
【図６】拡散層として、集電体側の開口径が異なるカー
ボンクロス積層体を用いた燃料電池の電流−電圧特性を
示す図である。FIG. 6 is a diagram showing current-voltage characteristics of a fuel cell using a carbon cloth laminate having different opening diameters on the current collector side as a diffusion layer.
【図７】拡散層として、触媒層側の開口径が異なるステ
ンレスメッシュ積層体を用いた燃料電池の電流−電圧特
性を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing current-voltage characteristics of a fuel cell using a stainless steel mesh laminate having different opening diameters on the catalyst layer side as a diffusion layer.
【図８】固体高分子型燃料電池の基本構造を示す分解斜
視図である。FIG. 8 is an exploded perspective view showing a basic structure of a polymer electrolyte fuel cell.
【図９】電極・電解質接合体の拡大断面図である。FIG. 9 is an enlarged sectional view of the electrode-electrolyte assembly.
【図１０】図８に示す固体高分子型燃料電池の空気極側
における、反応物質及び電子の移動状態を説明する図で
ある。FIG. 10 is a view for explaining a state of movement of reactants and electrons on the air electrode side of the polymer electrolyte fuel cell shown in FIG.
３０ 固体高分子型燃料電池 ３２ 電極・電解質接合体 ３４ 固体高分子電解質膜（電解質
膜） ３６ ガス拡散電極（空気極） ３６ａ 触媒層 ３６ｂ 拡散層 ３８ 集電体 ４１、４２、４３ 多孔質層 ４１ａ、４２ａ、４３ａ 開口部Reference Signs List 30 solid polymer fuel cell 32 electrode / electrolyte assembly 34 solid polymer electrolyte membrane (electrolyte membrane) 36 gas diffusion electrode (air electrode) 36a catalyst layer 36b diffusion layer 38 current collector 41, 42, 43 porous layer 41a , 42a, 43a Opening
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 青木 博史 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 志満津 孝 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 Ｆターム(参考） 5H018 AA06 AS02 AS03 CC06 HH04 5H026 AA06 CC03 HH04 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing from the front page (72) Inventor Hiroshi Aoki 41-cho, Yokomichi, Nagakute-cho, Aichi-gun, Aichi Prefecture Inside Toyota Central Research Laboratory Co., Ltd. No. 41, No. 41, Chuchu-ji Yokomichi F-term in Toyota Central R & D Laboratories Co., Ltd. (Reference)
Claims (1)
一対のガス拡散電極と、該ガス拡散電極が接合された前
記電解質を挟持する集電体とを備えた燃料電池におい
て、 前記ガス拡散電極は、前記電解質側に設けられた電極触
媒を含む触媒層と、 前記集電体側に設けられ、前記集電体側から前記触媒層
側に向かって開口径が減少するように、開口径の異なる
多孔質層が積層された拡散層とを備えていることを特徴
とする燃料電池。1. A fuel cell comprising: an electrolyte; a pair of gas diffusion electrodes joined to both surfaces of the electrolyte; and a current collector sandwiching the electrolyte to which the gas diffusion electrodes are joined. The electrode has a catalyst layer including an electrode catalyst provided on the electrolyte side, and is provided on the current collector side, and has different opening diameters so that the opening diameter decreases from the current collector side toward the catalyst layer side. A fuel cell, comprising: a diffusion layer in which a porous layer is stacked.
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