JP2005093243A - Fuel cell - Google Patents

Fuel cell

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JP2005093243A JP2003325054A JP2003325054A JP2005093243A JP 2005093243 A JP2005093243 A JP 2005093243A JP 2003325054 A JP2003325054 A JP 2003325054A JP 2003325054 A JP2003325054 A JP 2003325054A JP 2005093243 A JP2005093243 A JP 2005093243A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell with improved gas sealing property and water absorbing property. <P>SOLUTION: The fuel cell comprises a separator 5 comprising an electrode 2 having catalyst arranged at both sides of a polymer electrolyte film 1, a reaction gas flow passage 6 through which the reaction gas to be supplied to the electrode 2 flows, and a separation wall 7 collecting the current generated at the electrode 2 by chemical reaction; and a gas diffusion layer 3 arranged between the electrode 2 and the separator 5, diffusing the reaction gas flowing through the reaction gas flow passage 6 on a reaction surface of the electrode 2. A hydrophylic part 32 having higher hydrophylic property than that of an area E superposed on the electrode 2 is formed at least at an area D<SB>1</SB>laid on the neighboring area of an outlet of the reaction gas flow passage, out of the area located at the outer peripheral part of the area E superposed on the electrode 2 (A, C<SB>1</SB>, D<SB>1</SB>) of a lamination face of the gas diffusion layer 3. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料電池に関する。特に、固体高分子型燃料電池におけるガス拡散層の構成に関する。   The present invention relates to a fuel cell. In particular, the present invention relates to the structure of a gas diffusion layer in a polymer electrolyte fuel cell.

燃料電池を構成する燃料電池セルのセパレータに配流された燃料ガスおよび酸化剤ガスは、燃料極および酸化剤極において効果的に使用されることが望ましい。供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスを、燃料極および酸化剤極の近傍を通過して排出することにより、燃料極および酸化剤極の近傍の反応ガス濃度を高く維持でき、過電圧を抑えることができる。   It is desirable that the fuel gas and the oxidant gas distributed to the separator of the fuel cell constituting the fuel cell are effectively used at the fuel electrode and the oxidant electrode. By discharging the supplied fuel gas and oxidant gas through the vicinity of the fuel electrode and the oxidant electrode, the reaction gas concentration in the vicinity of the fuel electrode and the oxidant electrode can be maintained high, and the overvoltage can be suppressed. it can.

これに対して、燃料極や酸化剤極の近傍を通過せずに排出される原因の一つとして、燃料ガスや酸化剤ガスが燃料極や酸化剤極の領域外（外周）を通過して排出されるといった問題があった。そこで、ガス拡散層の外周部にゴム材を含浸することにより、ガス拡散層内の燃料極や酸化剤極の領域外（外周）を通過して、反応に寄与せずに排出される燃料ガスや酸化剤ガスの流量を抑制する燃料電池が提案されている（例えば、特許文献１、参照。）。   On the other hand, as one of the causes of being discharged without passing through the vicinity of the fuel electrode or the oxidant electrode, the fuel gas or the oxidant gas passes outside (outer circumference) the region of the fuel electrode or the oxidant electrode. There was a problem of being discharged. Therefore, by impregnating the outer periphery of the gas diffusion layer with a rubber material, the fuel gas that passes through the outside (outer periphery) of the fuel electrode or oxidant electrode in the gas diffusion layer and is discharged without contributing to the reaction. And a fuel cell that suppresses the flow rate of the oxidant gas has been proposed (see, for example, Patent Document 1).

また、燃料極あるいは酸化剤極の、水詰まりが生じた燃料ガス流路や酸化剤ガス流路に重なる領域には、十分な濃度の燃料ガスや酸化剤ガスを供給しつづけることができないという問題があった。そこで、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路の内部に存在する生成水や凝縮水を除去する方法として、セパレータを親水性多孔質材から構成し、酸化剤ガス流路中に存在する生成水や凝縮水を親水性多孔質材のセパレータを介して冷却水中に回収するものが提案されている（例えば、特許文献２、参照。）。
特開２０００−１３３２８８号公報 特開平６−２３１７９３号公報 In addition, it is not possible to continue supplying fuel gas or oxidant gas with sufficient concentration to the fuel gas channel or oxidant gas channel that overlaps the fuel gas channel or oxidant gas channel where water clogging has occurred. was there. Therefore, as a method for removing the generated water and condensed water present in the fuel gas channel and the oxidant gas channel, the separator is made of a hydrophilic porous material, and the generated water present in the oxidant gas channel. And a method for recovering condensed water in cooling water through a separator of a hydrophilic porous material has been proposed (for example, see Patent Document 2).
JP 2000-133288 A JP-A-6-231793

しかしながら、特開２０００−１３３２８８号公報に開示された燃料電池においては、ガスシール性は優れていたが、発電により生じる生成水やガスの消費により生じる凝縮水を吸収する機能は有していなかった。また、特開平６−２３２７９３号公報に開示された燃料電池においては、発電により生じる生成水やガスの消費により生じる凝縮水を吸収する機能は優れていたが、ガスシール性を維持する機能は有していなかった。   However, in the fuel cell disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-133288, the gas sealing property was excellent, but it did not have the function of absorbing the generated water generated by power generation and the condensed water generated by gas consumption. . In addition, the fuel cell disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 6-232793 has an excellent function of absorbing the generated water generated by power generation and condensed water generated by gas consumption, but has a function of maintaining gas sealing performance. I did not.

そこで本発明は、上記問題を鑑みて、ガスシール性および吸水性の両方の機能を向上させた燃料電池を提供することを目的とする。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a fuel cell in which both the functions of gas sealing and water absorption are improved.

本発明は、電解質膜の両側に配置した触媒を有する電極と、前記電極に供給する反応ガスを流通する反応ガス流路と、前記電極における電気化学反応により生じた電流を集電する隔壁と、を備えたセパレータと、前記電極と前記セパレータ間に配置され、前記反応ガス流路内を流通する反応ガスを前記電極の反応面に拡散するガス拡散層と、を備える。前記ガス拡散層には、積層面において、前記電極と重なる領域の外周部にあたる領域のうち、少なくとも前記反応ガス流路の出口近傍に重なる領域に、前記電極と重なる領域に比べて親水性が高い親水部を設ける。   The present invention includes an electrode having a catalyst disposed on both sides of an electrolyte membrane, a reaction gas flow path for flowing a reaction gas supplied to the electrode, a partition for collecting current generated by an electrochemical reaction in the electrode, And a gas diffusion layer that is disposed between the electrode and the separator and diffuses the reaction gas flowing through the reaction gas flow channel to the reaction surface of the electrode. The gas diffusion layer has a higher hydrophilicity than the region overlapping with the electrode in the region corresponding to the outer periphery of the region overlapping with the electrode, at least in the region overlapping with the vicinity of the outlet of the reaction gas channel, in the laminated surface. A hydrophilic part is provided.

ガス拡散層には、積層面において、電極と重なる領域の外周部にあたる領域のうち、少なくとも反応ガス流路の出口近傍に重なる領域に、電極と重なる領域に比べて親水性が高い親水部を設ける。これにより、燃料電池の発電中に生じた生成水や凝縮水を効率良く親水部に吸収することができ、反応面の外周に位置する親水部にガスが拡散する際の抵抗を増大することができる。その結果、ガスシール性や吸水性の両方の機能を向上することができる。   In the gas diffusion layer, a hydrophilic portion having a higher hydrophilicity than the region overlapping with the electrode is provided in at least the region overlapping with the vicinity of the outlet of the reaction gas channel in the region corresponding to the outer peripheral portion of the region overlapping with the electrode on the lamination surface. . As a result, the generated water and condensed water generated during power generation of the fuel cell can be efficiently absorbed into the hydrophilic portion, and the resistance when gas diffuses into the hydrophilic portion located on the outer periphery of the reaction surface can be increased. it can. As a result, it is possible to improve both functions of gas sealing properties and water absorption.

第１の実施形態に用いる燃料電池の単位セル１０を図１に示す。燃料電池としては、単位セル１０を用いてもよいし、複数の単位セル１０を積層することにより構成したスタックを用いてもよい。   A unit cell 10 of the fuel cell used in the first embodiment is shown in FIG. As the fuel cell, a unit cell 10 may be used, or a stack configured by stacking a plurality of unit cells 10 may be used.

膜電極接合体４をアノード側セパレータ５ａとカソード側セパレータ５ｃで狭持することにより、単位セル１０を構成する。膜電極接合体４を、高分子電解質膜１と、その両側に配置したアノード２ａとカソード２ｃ、さらにその外側に配置したアノードガス拡散層３ａとカソードガス拡散層３ｃから構成する。それぞれの積層面の面積は、高分子電解質膜１が最も大きく、ガス拡散層３、電極２の順に小さくなるように構成する。つまり、電極２は、高分子電解質膜１とガス拡散層３との間に完全に収まるように構成される。なお、この電極２の積層面が、単位セル１０における反応面となる。   The unit cell 10 is configured by sandwiching the membrane electrode assembly 4 between the anode side separator 5a and the cathode side separator 5c. The membrane electrode assembly 4 includes a polymer electrolyte membrane 1, an anode 2a and a cathode 2c arranged on both sides thereof, and an anode gas diffusion layer 3a and a cathode gas diffusion layer 3c arranged on the outside thereof. The area of each laminated surface is configured such that the polymer electrolyte membrane 1 is the largest, and the gas diffusion layer 3 and the electrode 2 become smaller in this order. That is, the electrode 2 is configured to be completely accommodated between the polymer electrolyte membrane 1 and the gas diffusion layer 3. Note that the laminated surface of the electrode 2 becomes a reaction surface in the unit cell 10.

また、セパレータ５の膜電極接合体４に接触する面、ここでは、ガス拡散層３に接触する面に、それぞれのガス拡散層３に反応ガスを供給する溝状のガス流路６を設ける。アノードガス拡散層３ａに接するアノード側セパレータ５ａの表面には、水素等のアノードガスを流通するアノードガス流路６ａを、カソードガス拡散層３ｃに接するカソード側セパレータ５ｃの表面には、空気等のカソードガスを流通するカソードガス流路６ｃを設ける。セパレータ５の積層面内には、それぞれ複数のガス流路６が設けられ、それらは互いに平行に、かつ、等間隔に構成される。積層面内で隣り合うガス流路６間には、流路を仕切る隔壁７が形成される。   Further, on the surface of the separator 5 that contacts the membrane electrode assembly 4, here, the surface that contacts the gas diffusion layer 3, a groove-like gas flow path 6 that supplies the reaction gas to each gas diffusion layer 3 is provided. On the surface of the anode separator 5a in contact with the anode gas diffusion layer 3a, there is an anode gas flow path 6a through which an anode gas such as hydrogen flows. On the surface of the cathode side separator 5c in contact with the cathode gas diffusion layer 3c, air or the like A cathode gas flow path 6c for flowing the cathode gas is provided. A plurality of gas flow paths 6 are provided in the laminated surface of the separator 5, and they are configured in parallel to each other and at equal intervals. A partition wall 7 that partitions the flow paths is formed between the gas flow paths 6 that are adjacent to each other in the stacking plane.

図２に、ガス流路６を設けたセパレータ５の平面図を示す。なお、図２に示した形状のセパレータ５は、カソード側セパレータ５ｃ、アノード側セパレータ５ａのどちらか一方に適用しても、または両方に適用してもよい。   In FIG. 2, the top view of the separator 5 which provided the gas flow path 6 is shown. Note that the separator 5 having the shape shown in FIG. 2 may be applied to either the cathode-side separator 5c or the anode-side separator 5a, or to both.

セパレータ５の積層面内に、複数の直線形状のガス流路６を平行に構成し、ガス流路６の入口領域Ｃ0と出口領域Ｄ0において、それぞれのガス流路６を連通する。なお、入口領域Ｃ0と出口領域Ｄ0は、それぞれセパレータ５の積層面の向かい合う辺に沿って設けられる。また、入口領域Ｃ0および出口領域Ｄ0は、セパレータ５の積層面の外部に設けた図示しない外部マニホールドに連通する。積層面内で隣り合うガス流路６間には、流路の仕切りとなる隔壁７が形成され、この隔壁７が図１に示すようにガス拡散層３に接触して集電機能を果たす。 A plurality of linear gas flow paths 6 are formed in parallel in the laminated surface of the separator 5, and the gas flow paths 6 communicate with each other in the inlet region C 0 and the outlet region D 0 of the gas flow path 6. In addition, the entrance region C 0 and the exit region D 0 are respectively provided along the opposite sides of the stacked surface of the separator 5. In addition, the inlet region C 0 and the outlet region D 0 communicate with an external manifold (not shown) provided outside the laminated surface of the separator 5. A partition wall 7 serving as a partition for the flow path is formed between the gas flow paths 6 adjacent in the laminated surface, and this partition wall 7 contacts the gas diffusion layer 3 as shown in FIG.

また、単位セル１０には、図１に示すように、ガス拡散層３の外周に沿ってガスケット８を備える。ガスケット８は、高分子電解質膜１と各セパレータ５に挟まれた空間を密封する手段であり、アノードガス拡散層３ａおよびアノード２ａを含む空間と、カソードガス拡散層３ｃおよびカソード２ｃを含む空間と、をそれぞれ密封する。つまり、ガスケット８によって、アノードガスとカソードガスが外部に漏れるのを抑制するとともに、アノードガスとカソードガスとが混合するのを防止する。   Further, as shown in FIG. 1, the unit cell 10 includes a gasket 8 along the outer periphery of the gas diffusion layer 3. The gasket 8 is a means for sealing the space between the polymer electrolyte membrane 1 and each separator 5, and includes a space including the anode gas diffusion layer 3a and the anode 2a, and a space including the cathode gas diffusion layer 3c and the cathode 2c. , Respectively. That is, the gasket 8 suppresses the anode gas and the cathode gas from leaking to the outside and prevents the anode gas and the cathode gas from mixing.

なお、図１には、アノード側セパレータ５ａとカソード側セパレータ５ｃとを用いた単位セル１０について示しているが、一つのセパレータ５において、一方の面にアノードガス流路６ａを、もう一方の面にカソードガス流路６ｃを設けても良い。また、アノード側セパレータ５ａ、カソード側セパレータ５ｃ間に、冷却液の循環する流路を備えた冷却板等を設けても良い。   FIG. 1 shows a unit cell 10 using an anode-side separator 5a and a cathode-side separator 5c. In one separator 5, an anode gas channel 6a is provided on one side, and the other side. The cathode gas flow path 6c may be provided on the front. Further, a cooling plate or the like having a flow path for circulating a coolant may be provided between the anode separator 5a and the cathode separator 5c.

このような構成の単位セル１０において、ガス流路６からガス拡散層３に拡散した反応ガス（アノードガス、カソードガス）が各電極２に到達し、電気化学反応を生じることにより起電力が生じる。このとき、上述したような構成のみであると、図３（ａ）に示すように、一部の反応ガスはガス拡散層３内を通って電極２に到達するが、一部の反応ガスは、ガス拡散層３内の電極２に重ならない領域Ａを通過したり、ガス拡散層３とガスケット８との隙間Ｂを通過したりする可能性がある。   In the unit cell 10 having such a configuration, the reaction gas (anode gas, cathode gas) diffused from the gas flow path 6 to the gas diffusion layer 3 reaches each electrode 2 and generates an electromotive force by causing an electrochemical reaction. . At this time, if only the configuration as described above is used, a part of the reaction gas reaches the electrode 2 through the gas diffusion layer 3 as shown in FIG. The gas diffusion layer 3 may pass through the region A that does not overlap the electrode 2 or may pass through the gap B between the gas diffusion layer 3 and the gasket 8.

図４に示すガス拡散層３において、電極２と重ならない領域、つまり反応面に重ならない領域は、ガス拡散層３の積層面内の外周に沿った領域となる。ここでは、この電極２に重ならない領域を、セパレータ５に形成したガス流路６の入口領域Ｃ0に重なる領域を領域Ｃ1と、出口領域Ｄ0に重なる領域を領域Ｄ1と、ガス流路６の両脇の流路軸に沿って形成される領域を領域Ａと、から成るものとする。このとき、単位セル１０に供給された反応ガスの一部が、ガス流路６から領域Ｃ1に拡散し、領域Ａを通過して領域Ｄ1からガス流路６に再び回収されると、この反応ガスは電極２の近傍に供給されることなく排出されることになる。また、これに限らず、領域Ａや前述した隙間Ｂに反応ガスが流通することにより、電極２近傍の反応ガス濃度が低減されるので、発電効率が低下する。 In the gas diffusion layer 3 shown in FIG. 4, a region that does not overlap the electrode 2, that is, a region that does not overlap the reaction surface, is a region along the outer periphery in the laminated surface of the gas diffusion layer 3. Here, the region which does not overlap to the electrode 2, and the area C 1 of the region overlapping the entrance region C 0 of the gas flow passage 6 formed in the separator 5, the region D 1 a region overlapping the exit region D 0, the gas stream A region formed along the flow path axis on both sides of the path 6 is composed of a region A. At this time, when a part of the reaction gas supplied to the unit cell 10 diffuses from the gas flow path 6 to the area C 1 , passes through the area A and is recovered again from the area D 1 to the gas flow path 6, This reaction gas is discharged without being supplied to the vicinity of the electrode 2. In addition, the reaction gas concentration in the vicinity of the electrode 2 is reduced when the reaction gas flows through the region A and the gap B described above, and thus the power generation efficiency is lowered.

また、単位セル１０内には、高分子電解質膜１を湿潤するための純水や、発電反応に伴う生成水が存在する。この水分が液水の状態で存在すると、ガス流路６が閉塞され、反応ガスの供給が妨げられる可能性がある。   In the unit cell 10, pure water for wetting the polymer electrolyte membrane 1 and product water accompanying the power generation reaction are present. If this moisture exists in the state of liquid water, the gas flow path 6 may be blocked and supply of the reaction gas may be hindered.

そこで、以下のようにガス拡散層３を構成することにより、電極２の近傍を通過しない反応ガスを低減するとともに、ガス流路６の水詰まりを抑制する。   Therefore, by configuring the gas diffusion layer 3 as follows, the reaction gas that does not pass through the vicinity of the electrode 2 is reduced, and the clogging of the gas flow path 6 is suppressed.

図４にガス拡散層３の平面図を示す。なお、ガス拡散層３とセパレータ５を積層した際に形成されるガス流路６の位置を点線で示す。   FIG. 4 shows a plan view of the gas diffusion layer 3. In addition, the position of the gas flow path 6 formed when the gas diffusion layer 3 and the separator 5 are laminated is indicated by a dotted line.

ガス拡散層３に、撥水部３１ａと、親水部３２ａを設ける。撥水部３１ａを、ガス拡散層３の平面内の中央部に設ける。撥水部３１ａは、少なくとも、ガス拡散層３内で水詰まりが生じることにより発電効率が低下する可能性がある電極２に重なる領域Ｅを含む。ここでは撥水部３１ａを領域Ｅとしたがこの限りではない。撥水部３１ａに、ＰＴＦＥ（polytetrafluoroethylene）等を含ませることにより、撥水性を付与する。   The gas diffusion layer 3 is provided with a water repellent part 31a and a hydrophilic part 32a. The water repellent part 31 a is provided in the central part in the plane of the gas diffusion layer 3. The water repellent portion 31 a includes at least a region E that overlaps the electrode 2 where the power generation efficiency may be reduced due to water clogging in the gas diffusion layer 3. Here, the water-repellent portion 31a is the region E, but this is not restrictive. Water repellency is imparted by including PTFE (polytetrafluoroethylene) or the like in the water repellent part 31a.

一方、親水部３２ａを、ガス拡散層３の積層面内の電極２に重ならない領域のうち、少なくとも反応ガス流路６の出口領域Ｄ0に重なる領域Ｄ1に設ける。ここでは、反応面に重なる領域Ｅ以外のガス拡散層３の外周全体（領域Ａ、Ｃ1、Ｄ1）に沿って親水部３２ａを設ける。親水部３２ａに、酸化すずなどの酸化金属やＰＡＮ（polyacrylonitrile）などの親水性樹脂を含有させることにより親水性を付与する。 On the other hand, the hydrophilic portion 32 a is provided in a region D 1 that overlaps at least the outlet region D 0 of the reaction gas channel 6 among the regions that do not overlap the electrode 2 in the stacking surface of the gas diffusion layer 3. Here, the hydrophilic portion 32a is provided along the entire outer periphery (regions A, C 1 , D 1 ) of the gas diffusion layer 3 other than the region E overlapping the reaction surface. Hydrophilicity is imparted to the hydrophilic portion 32a by containing a metal oxide such as tin oxide or a hydrophilic resin such as PAN (polyacrylonitrile).

なお、撥水部３１ａの撥水性を図るための材料はＰＴＦＥに限るものではない。また、親水部３２ａの親水性を図るための材料は、酸化すずなどの酸化金属やＰＡＮに限るものではない。   The material for achieving water repellency of the water repellent portion 31a is not limited to PTFE. The material for achieving hydrophilicity of the hydrophilic portion 32a is not limited to metal oxide such as tin oxide or PAN.

次に、上述したような単位セル１０を用いた燃料電池の発電中の状態を説明する。   Next, a state during power generation of the fuel cell using the unit cell 10 as described above will be described.

発電中に生じた生成水や凝縮水が、ガス拡散層３の親水部３２ａに含有される。このとき、撥水部３１ａ近傍で生じた生成水も親水部３２ａに移動するため、反応面に存在する液水を除去することができ、ガス流路６が液水により閉塞されるのを防ぐことができる。親水部３２ａに液水が保持されることによりガスの流通する際に受ける抵抗が増大するので、親水部３２ａへのガスの拡散が抑制される。つまり、図３（ｂ）に示すように、ガス拡散層３内で、親水部３２ａに水が含まれることにより、反応面の外周（例えば、図３（ａ）に示した領域Ａ、隙間Ｂ）を反応ガスが通過するのを抑制することができる。   Generated water and condensed water generated during power generation are contained in the hydrophilic portion 32 a of the gas diffusion layer 3. At this time, the generated water generated in the vicinity of the water repellent part 31a also moves to the hydrophilic part 32a, so that the liquid water present on the reaction surface can be removed and the gas channel 6 is prevented from being blocked by the liquid water. be able to. Since liquid water is held in the hydrophilic portion 32a, the resistance received when the gas flows is increased, so that the diffusion of gas to the hydrophilic portion 32a is suppressed. That is, as shown in FIG. 3B, the water is contained in the hydrophilic portion 32a in the gas diffusion layer 3, so that the outer periphery of the reaction surface (for example, the region A and the gap B shown in FIG. 3A). ) Can be prevented from passing through.

また、水の濃度差並びに毛細管現象により親水部３２ａ内を水が比較的乾燥した領域に移動し、この水が蒸発することにより反応ガスの加湿が行われる。例えば、液水の生じ易いガス流路６の出口領域Ｄ0に重なる領域Ｄ1に設けた親水部３２ａに吸収された水が、乾燥し易いガス流路６の入口領域Ｃ0に重なる領域Ｃ1に設けた親水部３２ａに向かって、親水部３２ａ内を移動する。供給される反応ガスの含水量が不足するような場合にも、親水部内３２ａ内を領域Ｃ１に移動した水が蒸発することにより、反応ガスの加湿不足を補うことができるので、高分子電解質膜１の乾燥による発電効率の低下を抑制することができる。 Further, the water is moved to a relatively dry area in the hydrophilic portion 32a due to the difference in water concentration and capillary action, and the water is evaporated to humidify the reaction gas. For example, region C water absorbed in the hydrophilic portion 32a provided in a region D 1 that overlaps the exit region D 0 of easy gas flow path 6 caused the liquid water, which overlaps the inlet region C 0 dry prone gas channel 6 It moves in the hydrophilic part 32a toward the hydrophilic part 32a provided in 1 . Even when the water content of the reaction gas to be supplied is insufficient, the water moved to the region C1 in the hydrophilic portion 32a evaporates to compensate for insufficient humidification of the reaction gas, so that the polymer electrolyte membrane It is possible to suppress a decrease in power generation efficiency due to drying of 1.

次に、本実施形態の効果について説明する。   Next, the effect of this embodiment will be described.

高分子電解質膜１の両側に配置した触媒を有する電極２と、電極２に供給する反応ガスを流通するガス流路６と、電極２における電気化学反応により生じた電流を集電する隔壁７と、を備えたセパレータ５と、電極２とセパレータ５間に配置され、ガス流路６内を流通する反応ガスを電極２の反応面に拡散するガス拡散層３を備える。ガス拡散層３は、積層面において、電極２と重なる領域Ｅの外周部にあたる領域（Ａ、Ｃ1、Ｄ1）のうち、少なくとも前記反応ガス流路の出口近傍に重なる領域Ｄ1に、電極２と重なる領域Ｅに比べて親水性が高い親水部３２ａを設ける。これにより燃料電池の発電中に生じた生成水や凝縮水が親水部３２ａに吸収されるので、液水の生じ易い出口領域Ｄ0近傍の水詰まりを抑制することができる。このとき、水のウェットシール作用により、親水部３２ａを反応ガスが通過しにくくすることができるので、発電に関与しない領域に反応ガスが拡散するのを抑制することができる。 An electrode 2 having a catalyst disposed on both sides of the polymer electrolyte membrane 1, a gas flow path 6 for flowing a reaction gas supplied to the electrode 2, and a partition wall 7 for collecting current generated by an electrochemical reaction in the electrode 2; , And a gas diffusion layer 3 that is disposed between the electrode 2 and the separator 5 and diffuses the reaction gas flowing through the gas flow path 6 to the reaction surface of the electrode 2. The gas diffusion layer 3 has an electrode in a region D 1 that overlaps at least the vicinity of the outlet of the reaction gas channel among the regions (A, C 1 , D 1 ) that correspond to the outer periphery of the region E that overlaps the electrode 2 on the lamination surface. A hydrophilic portion 32 a having a higher hydrophilicity than the region E overlapping 2 is provided. As a result, generated water and condensed water generated during power generation of the fuel cell are absorbed by the hydrophilic portion 32a, so that clogging in the vicinity of the outlet region D 0 where liquid water is likely to occur can be suppressed. At this time, since the reactive gas can hardly pass through the hydrophilic portion 32a by the wet seal action of water, the reactive gas can be prevented from diffusing into a region not involved in power generation.

ここでは、親水部３２ａを、ガス流路６の出口領域Ｄ0近傍に重なる領域Ｄ1と入口領域Ｃ0近傍に重なる領域Ｃ1を含む、電極２と重なる領域Ｅの外周部に沿って構成する。これにより、親水部３２ａにおいて生成水や凝縮水を吸収できると共に、親水部３２ａにおける水の濃度差並びに毛細管力により親水部３２ａ内で水が移動する。このとき、乾燥雰囲気にある親水部３２ａに移動した水により反応ガスを加湿することができる。 Configuration Here, a hydrophilic portion 32a, includes a region C 1 which overlaps the region D 1 and the inlet region C 0 near the exit region D 0 overlaps in the vicinity of the gas passage 6, along the outer periphery of the area E overlapping the electrode 2 To do. Thereby, while water and condensed water can be absorbed in the hydrophilic part 32a, water moves in the hydrophilic part 32a by the difference in water concentration and the capillary force in the hydrophilic part 32a. At this time, the reaction gas can be humidified by the water moved to the hydrophilic portion 32a in the dry atmosphere.

次に、第２の実施形態について説明する。図５に、本実施形態に用いる燃料電池の単位セル１０の構成図を、図６にガス拡散層３の平面図を示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。   Next, a second embodiment will be described. FIG. 5 is a configuration diagram of the unit cell 10 of the fuel cell used in the present embodiment, and FIG. 6 is a plan view of the gas diffusion layer 3. Hereinafter, a description will be given centering on differences from the first embodiment.

図６に示すように、ガス拡散層３の外縁に沿って、シール部１１を設ける。ガス拡散層３に、第１の実施形態と同様に外周部に沿って親水部３２ｂを構成し、この親水部３２ｂ内のさらに外周部分にゴムを含浸させることによりシール部１１を構成する。つまり、ガス拡散層３の積層面には、中心から撥水部３１ｂ、親水部３２ｂ、シール部１１が形成される。シール部１１は、第１の実施形態に用いたガスケット８の役割を果たし、ガス拡散層３からの反応ガスの漏洩を抑制する。なお、シール部１１は、例えば特開２０００−１３３２８８号公報に記載されたように、ガス拡散層３内部に液状のゴムを含浸させることにより構成する。   As shown in FIG. 6, a seal portion 11 is provided along the outer edge of the gas diffusion layer 3. Similarly to the first embodiment, the gas diffusion layer 3 is formed with a hydrophilic portion 32b along the outer peripheral portion, and the outer peripheral portion in the hydrophilic portion 32b is further impregnated with rubber to form the seal portion 11. That is, the water repellent part 31b, the hydrophilic part 32b, and the seal part 11 are formed on the laminated surface of the gas diffusion layer 3 from the center. The seal portion 11 serves as the gasket 8 used in the first embodiment, and suppresses leakage of the reaction gas from the gas diffusion layer 3. The seal portion 11 is configured by impregnating a liquid rubber into the gas diffusion layer 3 as described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-133288.

このようなガス拡散層３を用いた場合、図５に示すように、第１の実施形態において形成されたガス拡散層３とガスケット８との隙間Ｂに相当する領域が省略される。その結果、反応ガスが隙間Ｂを通過することにより、反応に寄与せずに排出されるのを完全に防止することができる。   When such a gas diffusion layer 3 is used, a region corresponding to the gap B between the gas diffusion layer 3 and the gasket 8 formed in the first embodiment is omitted as shown in FIG. As a result, when the reaction gas passes through the gap B, it can be completely prevented from being discharged without contributing to the reaction.

また、セパレータ５のシール部１１に対峙する部分に溝１２を構成する。シール部１１を構成する際には、この溝１２に嵌合するように、積層面に対してセパレータ５側に突出して構成する。これにより、ガス拡散層３からの反応ガスの漏洩をさらに確実に抑制することができる。   Further, a groove 12 is formed in a portion of the separator 5 that faces the seal portion 11. When the seal portion 11 is configured, the seal portion 11 is configured to protrude toward the separator 5 with respect to the laminated surface so as to be fitted into the groove 12. Thereby, the leakage of the reaction gas from the gas diffusion layer 3 can be further reliably suppressed.

次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。   Next, the effect of this embodiment will be described. Only the effects different from those of the first embodiment will be described below.

ガス拡散層３の外周部に液状のゴムを含浸させることにより、シール部１１を設ける。これにより、反応に用いられない反応ガスの通過領域を低減することができるので、電極２近傍の反応ガス濃度を増大することができる。その結果、燃料電池の発電効率を向上することができる。   The seal part 11 is provided by impregnating the outer periphery of the gas diffusion layer 3 with liquid rubber. Thereby, since the passage region of the reactive gas that is not used for the reaction can be reduced, the concentration of the reactive gas in the vicinity of the electrode 2 can be increased. As a result, the power generation efficiency of the fuel cell can be improved.

次に、第３の実施形態について説明する。単位セル１０の構成を第１の実施形態と同様に図１に示す。また、ガス拡散層３の構成を図７に示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。   Next, a third embodiment will be described. The configuration of the unit cell 10 is shown in FIG. 1 as in the first embodiment. The configuration of the gas diffusion layer 3 is shown in FIG. Hereinafter, a description will be given centering on differences from the first embodiment.

図７に示すように、ガス拡散層３に撥水部３１ｃと親水部３２ｃを設ける。撥水部３１ｃを、第１の実施形態と同様に、電極２と重なる領域Ｅとする。一方、親水部３２ｃを、ガス拡散層３の積層面の電極２に重ならない領域のうち、領域Ｃ1、Ｄ1に設ける。親水部３２ｃ1を、ガス流路６の入口領域Ｃ0に重なる領域Ｃ1とし、親水部３２ｃ2を、ガス流路６の出口領域Ｄ0に重なる領域Ｄ1とする。つまり、親水部３２ｃは、ガス拡散層３のうち、全てのガス流路６の入口および出口に重なる領域となる。領域Ａについては、特に処理を施さない。つまり、撥水部３１ｃ（領域Ｅ）、領域Ａ、親水部３２ｃ（領域Ｃ1、Ｄ1）の順で、親水性が強くなるように構成する。 As shown in FIG. 7, the gas diffusion layer 3 is provided with a water repellent part 31 c and a hydrophilic part 32 c. The water repellent part 31c is defined as a region E overlapping with the electrode 2 as in the first embodiment. On the other hand, the hydrophilic portion 32 c is provided in the regions C 1 and D 1 among the regions that do not overlap the electrode 2 on the laminated surface of the gas diffusion layer 3. The hydrophilic portion 32c 1 is defined as a region C 1 that overlaps the inlet region C 0 of the gas flow path 6, and the hydrophilic portion 32c 2 is defined as a region D 1 that overlaps the outlet region D 0 of the gas flow path 6. That is, the hydrophilic portion 32 c is a region that overlaps the inlets and outlets of all the gas flow paths 6 in the gas diffusion layer 3. The region A is not particularly processed. That is, the hydrophilicity is increased in the order of the water repellent portion 31c (region E), the region A, and the hydrophilic portion 32c (regions C 1 and D 1 ).

親水部３２ｃには、酸化すずなどの酸化金属やポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）などを含む。これに加えて、親水部３２ｃには、バルカン等のカーボン粉末を含浸し、その気孔率を撥水部３１ｃより小さく構成する。なお、親水化を図るための材料は、これに限るものではない。   The hydrophilic portion 32c includes a metal oxide such as tin oxide, polyacrylonitrile (PAN), or the like. In addition, the hydrophilic portion 32c is impregnated with carbon powder such as vulcan, and the porosity is made smaller than that of the water repellent portion 31c. In addition, the material for achieving hydrophilicity is not limited to this.

次に、上述したようなガス拡散層３を用いた場合の、発電時の状態について説明する。   Next, the state at the time of power generation when the gas diffusion layer 3 as described above is used will be described.

発電に伴い、特に出口領域Ｄ0において生成水や凝縮水が生じる。この液水を領域Ｄ1に設けた親水部３２ｃ2が吸収することによりシール性が増大するので、反応ガスが拡散するのを妨げられる。その結果、例えば反応領域外である領域Ａを通過した反応ガスについても、ガス流路６の出口近傍で一度反応面に重なる撥水部３１ｃに移動してからガス流路６に回収される。ガス流路６の出口近傍では反応ガスの濃度が低くなっているため、この新たに撥水部３１ｃに移動した反応ガスは、電極２における発電反応に用いられ易い。このように、ガス拡散層３内に拡散した全ての反応ガスが、発電反応の生じる電極２近傍を拡散するように構成されるため、発電効率を向上することができる。また、ガス流路６の出口領域Ｄ0には、フラッディングが生じる可能性があるが、領域Ｄ1を親水部３２ｃ2とすることで、積極的に液水を反応面から除去することができる。 Accompanying the power generation, produced water and condensed water are generated particularly in the exit region D 0 . Since the hydrophilicity 32c 2 provided in the region D 1 absorbs this liquid water, the sealing performance is increased, so that the reaction gas is prevented from diffusing. As a result, for example, the reaction gas that has passed through the region A outside the reaction region also moves to the water-repellent part 31 c that once overlaps the reaction surface in the vicinity of the outlet of the gas channel 6 and is then collected in the gas channel 6. Since the concentration of the reaction gas is low in the vicinity of the outlet of the gas flow path 6, the reaction gas newly moved to the water repellent portion 31 c is easily used for the power generation reaction in the electrode 2. Thus, since all the reaction gases diffused in the gas diffusion layer 3 are configured to diffuse in the vicinity of the electrode 2 where the power generation reaction occurs, the power generation efficiency can be improved. Further, although flooding may occur in the outlet region D 0 of the gas flow path 6, liquid water can be positively removed from the reaction surface by setting the region D 1 as the hydrophilic portion 32 c 2. .

一方、ガス流路６の入口領域Ｃ0近傍には、生成水や凝縮水が生じ難いが、領域Ｃ1を親水部３２ｃ1とすることで、反応領域に重なる撥水部３１ｃで生じた生成水、凝縮水を積極的に領域Ｃ1に移動させることができる。また、発電が進むに従って、領域Ｄ1内の水保持量が許容限界近傍になった際には、撥水処理を施していない領域Ａ内を毛細管現象により水が移動し、領域Ｃ1に到達する。領域Ｃ1に水を保持することにより、反応面に供給される以前の反応ガスの含有水量が不足するような場合にも、この領域Ｃ1から蒸発して反応ガスを加湿することができるので、乾燥による発電効率の低下を抑制することができる。 On the other hand, generated water and condensed water are unlikely to be generated in the vicinity of the inlet region C 0 of the gas flow path 6, but by generating the region C 1 as the hydrophilic portion 32 c 1 , the generated water repellent portion 31 c overlapping the reaction region is generated. water, actively can be moved to the area C 1 of the condensed water. Further, when the water retention amount in the region D 1 becomes close to the allowable limit as the power generation progresses, the water moves by the capillary phenomenon in the region A where the water repellent treatment is not performed, and reaches the region C 1 . To do. By holding water in the region C 1, even when the water content of the reaction gas before being supplied to the reaction surface is insufficient, the reaction gas can be evaporated and humidified from this region C 1 . The reduction in power generation efficiency due to drying can be suppressed.

また、領域Ｃ1が水を含んでシールされるので、ガス流路６に供給された反応ガスは、ガス拡散層３内に拡散される際に、少なくとも一時的に撥水部３１ｃに拡散される。つまり、全ての反応ガスが電極２に達する可能性があり、これにより反応効率の低下を抑制することができる。 In addition, since the region C 1 is sealed with water, the reaction gas supplied to the gas flow path 6 is diffused at least temporarily into the water repellent portion 31 c when being diffused into the gas diffusion layer 3. The That is, there is a possibility that all the reaction gases reach the electrode 2, thereby suppressing a decrease in reaction efficiency.

なお、ここでは親水部３２ｃを領域Ｃ1、Ｄ1に設けたが、第１の実施形態と同様に領域Ａ、Ｃ1、Ｄ1に設け、さらに、親水部３２の気孔率を小さくするような処理を行ってもよい。また、第２の実施形態と同様に、シール部１１を用いても良い。 Although the hydrophilic portion 32c is provided in the regions C 1 and D 1 here, it is provided in the regions A, C 1 and D 1 as in the first embodiment, and the porosity of the hydrophilic portion 32 is further reduced. May be performed. Moreover, you may use the seal | sticker part 11 similarly to 2nd Embodiment.

次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。   Next, the effect of this embodiment will be described. Only the effects different from those of the first embodiment will be described below.

ガス拡散層３は、積層面において、反応ガス流路６の出口領域Ｄ0近傍に重なる領域Ｄ1に、電極２と重なる領域Ｅに比べて親水性が高い親水部３２ｃを設ける。これにより、反応に関与しない領域Ｃ1、Ａを通過した反応ガスを含め全ての反応ガスが、ガス流路６の出口近傍で必ず反応面に重なる領域Ｅに拡散される。発電反応に伴う反応ガスの消費により、ガス流路６の出口近傍では反応ガス濃度が小さくなるが、反応に関与しない領域Ｃ1、Ａを通過した反応ガスが拡散することにより電極２近傍の反応ガス濃度を増大することができる。 In the gas diffusion layer 3, a hydrophilic portion 32 c having a higher hydrophilicity than the region E overlapping the electrode 2 is provided in a region D 1 overlapping the vicinity of the outlet region D 0 of the reaction gas channel 6 on the stacking surface. As a result, all the reaction gases including the reaction gas that has passed through the regions C 1 and A that are not involved in the reaction are always diffused to the region E that overlaps the reaction surface in the vicinity of the outlet of the gas flow path 6. The reaction gas concentration in the vicinity of the outlet of the gas flow path 6 is reduced due to the consumption of the reaction gas accompanying the power generation reaction, but the reaction in the vicinity of the electrode 2 is caused by diffusion of the reaction gas that has passed through the regions C 1 and A not involved in the reaction. The gas concentration can be increased.

また、ガス拡散層３は、積層面において、反応ガス流路６の入口領域Ｃ0近傍に重なる領域Ｃ1に、電極２と重なる領域Ｅに比べて親水性が高い親水部３２ｃを設ける。領域Ｃ1に水が含有されることで、ガス流路６の入口部分における反応ガスの乾燥を抑制することができるため、発電効率の低下を抑制することができる。 Further, the gas diffusion layer 3 is provided with a hydrophilic portion 32 c having a higher hydrophilicity than the region E overlapping the electrode 2 in the region C 1 overlapping in the vicinity of the inlet region C 0 of the reaction gas channel 6 on the lamination surface. By containing water in the region C 1 , it is possible to suppress the drying of the reaction gas at the inlet portion of the gas flow path 6, and thus it is possible to suppress a decrease in power generation efficiency.

また、親水部３２ｃの気孔率を、ガス拡散層３のうち電極２と重なる領域Ｅの気孔率に比べて小さくなるように構成する。これにより、親水部３２ｃの水のウェットシール作用を強化して、親水部３２ｃ内をガスが通過するのを抑制することができる。   Further, the porosity of the hydrophilic portion 32 c is configured to be smaller than the porosity of the region E that overlaps the electrode 2 in the gas diffusion layer 3. Thereby, the wet seal effect | action of the water of the hydrophilic part 32c can be strengthened, and it can suppress that gas passes through the hydrophilic part 32c.

次に、第４の実施形態について説明する。単位セル１０の構成を第１の実施形態と同様に図１に示す。なお、ガスケット８の替わりに、シール部１１を用いても良い。ガス拡散層３の構成を図８に示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。   Next, a fourth embodiment will be described. The configuration of the unit cell 10 is shown in FIG. 1 as in the first embodiment. In place of the gasket 8, the seal portion 11 may be used. The configuration of the gas diffusion layer 3 is shown in FIG. Hereinafter, a description will be given centering on differences from the first embodiment.

第１の実施形態と同様に、ガス拡散層３の中央部の、少なくとも電極２と重なる範囲に撥水部３１ｄを設ける。また、積層面の外周に沿って親水部３２ｄを設ける。親水部３２ｄには、水の移動を促進する手段を備える。ここでは、親水部３２に沿って、深さ５０μｍ程度の筋よりなるウィック１３を設けることにより、水移動促進手段を構成する。ウィック１３は、積層面の外周に沿って形成され、ひいては、反応面を囲むように形成される。   Similar to the first embodiment, the water repellent portion 31 d is provided in the central portion of the gas diffusion layer 3 in a range overlapping at least the electrode 2. Further, the hydrophilic portion 32d is provided along the outer periphery of the laminated surface. The hydrophilic part 32d is provided with means for promoting the movement of water. Here, the water movement promoting means is configured by providing the wick 13 made of streaks having a depth of about 50 μm along the hydrophilic portion 32. The wick 13 is formed along the outer periphery of the laminated surface, and as a result, is formed so as to surround the reaction surface.

なお、ウィック１３をガス拡散層３の表面に形成したが、ガス拡散層３の内部に形成してもよい。また、水移動促進手段としては、ウィック１３に限らず、例えば親水性の部材や糸などを用いても良い。さらに、ウィック１３を反応面を囲むように形成したがこの限りではなく、ガス流路６の出口領域Ｄ0に重なる領域Ｄ1と入口領域Ｃ0に重なる領域Ｃ1を連通するようにウィック１３を設けても良い。例えば、第３の実施形態において、親水部３２ｃ2と親水部３２ｃ1とをウィック１３により連通する。これにより、親水部３２ｃ2から親水部３２ｃ1への水の移動が円滑になるとともに、水を含有する領域が狭いため、親水部３２ｃ1から蒸発して反応ガスを加湿するための水を確保し易い構成となる。 Although the wick 13 is formed on the surface of the gas diffusion layer 3, it may be formed inside the gas diffusion layer 3. Further, the water movement promoting means is not limited to the wick 13, and for example, a hydrophilic member or a thread may be used. Further, the wick 13 is formed so as to surround the reaction surface. However, the wick 13 is not limited to this, and the wick 13 is connected so that the region D 1 overlapping the outlet region D 0 of the gas flow path 6 and the region C 1 overlapping the inlet region C 0 communicate with each other. May be provided. For example, in the third embodiment, the hydrophilic portion 32 c 2 and the hydrophilic portion 32 c 1 are communicated by the wick 13. This facilitates the movement of water from the hydrophilic portion 32c 2 to the hydrophilic portion 32c 1, and the water-containing region is narrow, so that water for evaporating from the hydrophilic portion 32c 1 and humidifying the reaction gas is secured. It becomes the structure which is easy to do.

また、ガス流路６内を反応ガスが鉛直方向下から上に向かって流通するように構成する。つまり、入口領域Ｃ0に重なる領域Ｃ1が下方に、出口領域Ｄ0に重なる領域Ｄ1が上方に位置するように構成する。 Further, the reaction gas is configured to circulate in the gas flow path 6 from the bottom in the vertical direction to the top. That is, the region C 1 which overlaps the inlet region C 0 is downward, configured to region D 1 overlapping the exit region D 0 is located above.

このように構成すると、領域Ｄ1近傍で生じた生成水や凝縮水が領域Ａを通って領域Ｃ1に移動する際の動力として、毛細管現象、濃度差に加えて重力を用いることができるので、水分の移動が促進される。これにより、ガス流路６の出口領域Ｄ0近傍のフラッディングを抑制するとともに、入口領域Ｃ0における反応ガスの加湿を適切に行うことができる。 With this configuration, gravity can be used in addition to capillarity and concentration difference as power when generated water or condensed water generated in the vicinity of the region D 1 moves to the region C 1 through the region A. , Moisture movement is promoted. As a result, flooding in the vicinity of the outlet region D 0 of the gas flow path 6 can be suppressed, and the reaction gas can be appropriately humidified in the inlet region C 0 .

次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態とは異なる効果のみを説明する。   Next, the effect of this embodiment will be described. Only the effects different from those of the first embodiment will be described below.

親水部３２ｄの表面または内部の少なくとも一部に、水の流通路となる筋状の水移動促進手段を設ける。ここでは水移動促進手段としてウィック１３を設ける。これにより、親水部３２ｄにおける水の移動を促進することができるので、局所的に含有する水分が多量となって吸水性能が低下したり、反応ガスの加湿に用いられる水分が不足したりするのを抑制することができる。   On at least a part of the surface or inside of the hydrophilic portion 32d, streak-like water movement promoting means serving as a water flow path is provided. Here, a wick 13 is provided as a water movement promoting means. As a result, the movement of water in the hydrophilic portion 32d can be promoted, so that the amount of water locally contained becomes large and the water absorption performance is lowered, or the water used for humidifying the reaction gas is insufficient. Can be suppressed.

水移動促進手段を、反応ガス流路６の出口領域Ｄ0に重なる領域Ｄ1と入口領域Ｃ0に重なる領域Ｃ1とを連通するように構成する。これにより、液水の生じ易い領域Ｄ1から、ガス拡散層３中の水分が反応ガスの加湿に用いられ易い領域Ｃ1へ、水を効果的に移動させることができる。その結果、吸水機能の低下や、反応ガスの加湿不足による発電効率の低下を抑制することができる。 The water movement promoting means is configured to communicate the region D 1 that overlaps the outlet region D 0 of the reaction gas channel 6 and the region C 1 that overlaps the inlet region C 0 . Thereby, the water can be effectively moved from the region D 1 where the liquid water is easily generated to the region C 1 where the water in the gas diffusion layer 3 is easily used for humidifying the reaction gas. As a result, it is possible to suppress a decrease in water absorption function and a decrease in power generation efficiency due to insufficient humidification of the reaction gas.

さらに、領域Ｄ1を鉛直方向上方に、領域Ｃ1を下方に配置する。これにより、水を移動させる動力として、水濃度差、毛細管現象に加えて重力も用いることができる。特に、筋状のウィック１３等を用いた場合には、この重力により水の移動を速やかに行うことができ、吸水性能の低下や、水不足による発電効率の低下を抑制することができる。 Further, the region D 1 is arranged vertically upward and the region C 1 is arranged downward. Thereby, gravity can be used as the power for moving water in addition to the difference in water concentration and capillary action. In particular, when the streak-like wick 13 or the like is used, the water can be quickly moved by this gravity, and a decrease in water absorption performance and a decrease in power generation efficiency due to water shortage can be suppressed.

次に、第５の実施形態について説明する。単位セル１０の構成を第１の実施形態と同様に図１に示す。なお、ガスケット８の替わりに、シール部１１を用いても良い。また、セパレータ５の平面図を図９に、ガス拡散層３の構成を図１０に示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。   Next, a fifth embodiment will be described. The configuration of the unit cell 10 is shown in FIG. 1 as in the first embodiment. In place of the gasket 8, the seal portion 11 may be used. Further, a plan view of the separator 5 is shown in FIG. 9, and a configuration of the gas diffusion layer 3 is shown in FIG. Hereinafter, a description will be given centering on differences from the first embodiment.

まず、セパレータ５に構成するガス流路６の形状について図９を用いて説明する。ここではガス流路６を蛇行形状に構成する。   First, the shape of the gas flow path 6 which comprises the separator 5 is demonstrated using FIG. Here, the gas flow path 6 is formed in a meandering shape.

セパレータ５の積層面内に、燃料電池を積層方向、ここでは紙面に垂直な方向に貫通する出口マニホールド１４、入口マニホールド１５を備える。出口マニホールド１４を鉛直上方に、入口マニホールド１５を鉛直下方に設ける。また、積層面内に、蛇行形状の複数のガス流路６を、互いに平行となるように構成する。ガス流路６は、一端が入口マニホールド１５に、もう一端が出口マニホールド１４に連通し、その間を蛇行しながら全体的には下から上に向かって流れるように構成する。ここでは、入口マニホールド１５から供給された反応ガスは、折り返し部１６ａ、１６ｂ、１６ｃにおいて方向を転換しながら下方から上方に向かって流れ、出口マニホールド１４から排出される。   An outlet manifold 14 and an inlet manifold 15 are provided in the stacking surface of the separator 5 so as to penetrate the fuel cell in the stacking direction, here, in a direction perpendicular to the paper surface. The outlet manifold 14 is provided vertically upward and the inlet manifold 15 is provided vertically downward. Further, the plurality of meandering gas flow paths 6 are configured to be parallel to each other in the laminated surface. The gas flow path 6 is configured such that one end communicates with the inlet manifold 15 and the other end communicates with the outlet manifold 14 and generally flows from the bottom to the top while meandering between them. Here, the reaction gas supplied from the inlet manifold 15 flows from the lower side to the upper side while changing the direction at the turn-back portions 16 a, 16 b, and 16 c, and is discharged from the outlet manifold 14.

次に、ガス拡散層３の構成を、図１０を用いて説明する。   Next, the configuration of the gas diffusion layer 3 will be described with reference to FIG.

ガス拡散層３の積層面において、セパレータ５の出口マニホールド１４、入口マニホールド１５、折り返し部１６に重なる領域Ｄ2、Ｃ2、Ｆに親水部３２ｅを設ける。ここでは、図１０に示すように、積層面の外周において、鉛直方向の向かい合った辺に沿って親水部３２ｅを設ける。その他の領域を撥水部３１ｅとする。なお、撥水部３１は、第１の実施形態と同様に、電極２に重なる領域Ｅのみとしてもよい。 In the laminated surface of the gas diffusion layer 3, hydrophilic portions 32 e are provided in regions D 2 , C 2 , and F that overlap the outlet manifold 14, the inlet manifold 15, and the folded portion 16 of the separator 5. Here, as shown in FIG. 10, the hydrophilic portion 32e is provided along the opposite sides in the vertical direction on the outer periphery of the laminated surface. The other region is a water repellent part 31e. In addition, the water repellent part 31 is good also as only the area | region E which overlaps with the electrode 2 similarly to 1st Embodiment.

また、親水部３２ｅに沿ってウィック１３を設ける。特に、出口マニホールド１５近傍に重なる領域Ｄ2と入口マニホールド１４近傍に重なる領域Ｃ2を連通するように構成する。また、ウィック１３を、折り返し部１６それぞれに重なる領域Ｆ上に構成する。 Further, the wick 13 is provided along the hydrophilic portion 32e. In particular, the region D 2 overlapping in the vicinity of the outlet manifold 15 and the region C 2 overlapping in the vicinity of the inlet manifold 14 are configured to communicate with each other. Further, the wick 13 is configured on a region F that overlaps with each of the folded portions 16.

蛇行形状のガス流路６の折り返し部１６には水が溜まり易く、水詰まりを生じ易い。このため、ガス拡散層３の折り返し部１６に重なる領域Ｆに、親水部３２ｅを設けることにより、効果的に水を除去して、水詰まりを解消することができる。このとき、親水部３２ｅに沿ってウィック１３を設けることで、局所的な乾燥を防ぐとともに、局所的に水を含むことにより親水部３２ｅの吸収性能が低下するのを抑制する。   Water tends to accumulate in the folded portion 16 of the meandering gas flow path 6 and water clogging is likely to occur. For this reason, by providing the hydrophilic part 32e in the area | region F which overlaps the folding | turning part 16 of the gas diffusion layer 3, water can be removed effectively and clogging can be eliminated. At this time, by providing the wick 13 along the hydrophilic portion 32e, local drying is prevented and a decrease in the absorption performance of the hydrophilic portion 32e by containing water locally is suppressed.

次に本実施形態の効果について説明する。ここでは、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。   Next, the effect of this embodiment will be described. Here, only effects different from those of the first embodiment will be described.

ガス流路６を蛇行形状に形成し、ガス拡散層３において、ガス流路６の折り返し部分１６に重なる領域Ｆに、親水部３２ｅを設ける。これにより、生成水や凝縮水が溜まり易い蛇行形状のガス流路６の折り返し部１６において、親水部３２ｅにより、余分な水を吸収することができる。   The gas flow path 6 is formed in a meandering shape, and a hydrophilic portion 32 e is provided in a region F overlapping the folded portion 16 of the gas flow path 6 in the gas diffusion layer 3. As a result, excess water can be absorbed by the hydrophilic portion 32e in the folded portion 16 of the meandering gas flow path 6 where product water and condensed water are likely to accumulate.

次に、第６の実施形態について説明する。単位セル１０の構成を第１の実施形態と同様に図１に示す。なお、ガスケット８の替わりに、シール部１１を用いても良い。また、セパレータ５の平面を図１１に、ガス拡散層３の構成を図１２に示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。   Next, a sixth embodiment will be described. The configuration of the unit cell 10 is shown in FIG. 1 as in the first embodiment. In place of the gasket 8, the seal portion 11 may be used. Moreover, the plane of the separator 5 is shown in FIG. 11, and the configuration of the gas diffusion layer 3 is shown in FIG. Hereinafter, a description will be given centering on differences from the first embodiment.

まず、セパレータ５に構成するガス流路６の形状について、図１１を用いて説明する。ここでは、ガス流路６を櫛型形状に構成する。   First, the shape of the gas flow path 6 which comprises the separator 5 is demonstrated using FIG. Here, the gas flow path 6 is formed in a comb shape.

セパレータ５に、入口マニホールド１５と出口マニホールド１４を構成する。また、一端が入口マニホールド１５に連通し、もう一端が行き止まり１７ｉに構成された供給側ガス流路６ｉと、供給側ガス流路６ｉの間に形成され、一端が出口マニホールド１４に連通し、もう一端が行き止まり１７ｏに構成された排出側ガス流路６ｏを備える。供給側ガス流路６ｉと、排出側ガス流路６ｏとの間には、流路を隔てる隔壁７が形成される。   An inlet manifold 15 and an outlet manifold 14 are formed in the separator 5. One end communicates with the inlet manifold 15, the other end forms a dead end 17i formed between the supply side gas flow path 6i and the supply side gas flow path 6i, and one end communicates with the outlet manifold 14. One end has a dead end 17o and is provided with a discharge side gas passage 6o. A partition wall 7 is formed between the supply side gas flow path 6i and the discharge side gas flow path 6o.

反応ガスは、入口マニホールド１５から供給側ガス流路６ｉに供給され、ガス流路６に隣接するガス拡散層３に拡散する。ガス拡散層３内で、一部の反応ガスは電極２に達して発電反応に用いられる。反応に用いられなかった反応ガスは、ガス拡散層３を介して、隣接する排出側ガス流路６ｏに排出され、出口マニホールド１４に回収される。   The reaction gas is supplied from the inlet manifold 15 to the supply side gas flow path 6 i and diffuses to the gas diffusion layer 3 adjacent to the gas flow path 6. In the gas diffusion layer 3, a part of the reaction gas reaches the electrode 2 and is used for the power generation reaction. The reaction gas that has not been used for the reaction is discharged to the adjacent discharge-side gas flow path 6o through the gas diffusion layer 3 and collected in the outlet manifold 14.

次に、ガス拡散層３の構成を、図１２を用いて説明する。   Next, the configuration of the gas diffusion layer 3 will be described with reference to FIG.

ガス拡散層３の積層面の中央部分を撥水部３１ｆとする。ここで、撥水部３１ｆは、少なくとも電極２と重なる領域を含む。また、積層面の外周に沿って、撥水部３１ｆを囲むように親水部３２ｆを構成する。このとき、親水部３２ｆを、少なくとも入口マニホールド１５近傍に重なる領域Ｃ3、出口間にホールド１４近傍に重なる領域Ｄ3、行き止まり１７に重なる領域Ｇを含むように設ける。 A central portion of the laminated surface of the gas diffusion layer 3 is a water repellent portion 31f. Here, the water repellent portion 31 f includes at least a region overlapping with the electrode 2. Moreover, the hydrophilic part 32f is comprised so that the water repellent part 31f may be enclosed along the outer periphery of a laminated surface. At this time, the hydrophilic portion 32 f is provided so as to include at least a region C 3 overlapping the vicinity of the inlet manifold 15, a region D 3 overlapping near the hold 14 between the outlets, and a region G overlapping the dead end 17.

櫛型形状のガス流路６においては、行き止まり１７に水が溜まり易く、水詰まりを生じ易い。このため、ガス拡散層３の行き止まり１７に重なる領域Ｇに、親水部３２ｆを設けることにより、効果的に水を除去して、水詰まりを解消することができる。   In the comb-shaped gas flow path 6, water tends to accumulate in the dead end 17 and water clogging is likely to occur. For this reason, by providing the hydrophilic portion 32f in the region G that overlaps the dead end 17 of the gas diffusion layer 3, water can be effectively removed and clogging can be eliminated.

次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。   Next, the effect of this embodiment will be described. Only the effects different from those of the first embodiment will be described below.

ガス流路６を、一端がマニホールド１４、１５に連通し他端が行き止まり１７に形成された、供給側流路６ｉおよび排出側流路６ｏを交互に形成する櫛型形状に形成する。ガス拡散層３において、反応ガス流路６の行き止まり１７に重なる領域Ｇに、親水部３２ｆを設ける。これにより、生成水や凝縮水が溜まり易い櫛型交互流路の行き止まり１７において、余分な水を除去することができる。   The gas flow path 6 is formed in a comb shape in which one end communicates with the manifolds 14 and 15 and the other end forms a dead end 17 so as to alternately form the supply-side flow path 6i and the discharge-side flow path 6o. In the gas diffusion layer 3, a hydrophilic portion 32 f is provided in a region G that overlaps the dead end 17 of the reaction gas flow path 6. Thereby, excess water can be removed at the dead end 17 of the comb-shaped alternating flow path where the generated water and the condensed water are likely to accumulate.

ここでは、親水部３２ｆを積層面の外周に沿って形成したが、この限りではなく、例えば領域Ｃ3、Ｄ3、Ｇが形成される辺に沿ってのみ設けても良い。また、ウィック１３等の水移動促進手段を備えてもよい。 Here, the hydrophilic portion 32f is formed along the outer periphery of the laminated surface. However, the present invention is not limited to this. For example, the hydrophilic portion 32f may be provided only along the side where the regions C 3 , D 3 , and G are formed. Moreover, you may provide water movement promotion means, such as a wick 13.

なお、本実施形態で説明したガス拡散層３は、アノードガス拡散層３ａにもカソードガス拡散層３ｃにも適用することができる。特にカソードガス拡散層３ｃでは、生成水による水詰まりを抑制することができ、また、生成水によるガスシール機能を適用することができる。   The gas diffusion layer 3 described in this embodiment can be applied to both the anode gas diffusion layer 3a and the cathode gas diffusion layer 3c. In particular, in the cathode gas diffusion layer 3c, clogging due to the generated water can be suppressed, and a gas seal function based on the generated water can be applied.

本発明は、上記発明を実施するための最良の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で様々な変更が為し得ることは言うまでもない。   The present invention is not limited to the best mode for carrying out the invention, and it goes without saying that various modifications can be made within the scope of the technical idea described in the claims.

本発明は、反応面についての水除去性、および、反応領域についてのガスシール性が望まれる、例えば固体高分子型燃料電池に用いるガス拡散層に適用することができる。   The present invention can be applied to, for example, a gas diffusion layer used for a polymer electrolyte fuel cell in which water removal property on the reaction surface and gas sealing property on the reaction region are desired.

第１の実施形態に用いる燃料電池の単位セルの構成図である。It is a block diagram of the unit cell of the fuel cell used for 1st Embodiment. 第１の実施形態に用いるセパレータの平面図である。It is a top view of the separator used for a 1st embodiment. （ａ）従来の反応ガスの流れを示す図である。（ｂ）第１の実施形態の反応ガスの流れを示す図である。(A) It is a figure which shows the flow of the conventional reactive gas. (B) It is a figure which shows the flow of the reactive gas of 1st Embodiment. 第１の実施形態に用いるガス拡散層の平面図である。It is a top view of the gas diffusion layer used for 1st Embodiment. 第２の実施形態に用いる燃料電池の単位セルの構成図である。It is a block diagram of the unit cell of the fuel cell used for 2nd Embodiment. 第２の実施形態に用いるガス拡散層の平面図である。It is a top view of the gas diffusion layer used for 2nd Embodiment. 第３の実施形態に用いるガス拡散層の平面図である。It is a top view of the gas diffusion layer used for 3rd Embodiment. 第４の実施形態に用いるガス拡散層の平面図である。It is a top view of the gas diffusion layer used for 4th Embodiment. 第５の実施形態に用いるセパレータの平面図である。It is a top view of the separator used for a 5th embodiment. 第５の実施形態に用いるガス拡散層の平面図である。It is a top view of the gas diffusion layer used for a 5th embodiment. 第６の実施形態に用いるセパレータの平面図である。It is a top view of the separator used for a 6th embodiment. 第５の実施形態に用いるガス拡散層の平面図である。It is a top view of the gas diffusion layer used for a 5th embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

１ 高分子電解質膜（電解質膜）
２ 電極
３ ガス拡散層
５ セパレータ
６ ガス流路
７ 隔壁
１４ 出口マニホールド
１５ 入口マニホールド
１６ 折り返し部
１７ 行き止まり
３１ 撥水部
３２ 親水部
Ｅ 電極と重なる領域
Ｃ1 ガス流路入口近傍と重なる領域（電極と重ならない領域）
Ｄ1 ガス流路出口近傍と重なる領域（電極と重ならない領域）
Ａ 電極と重ならない領域
Ｆ 折り返し部に重なる領域
Ｇ 行き止まりに重なる領域 1 Polymer electrolyte membrane (electrolyte membrane)
2 Electrode 3 Gas diffusion layer 5 Separator 6 Gas flow path 7 Bulkhead 14 Outlet manifold 15 Inlet manifold 16 Folding part 17 Dead end 31 Water repellent part 32 Hydrophilic part E Area overlapping with the electrode C 1 Area overlapping with the gas flow path inlet (with the electrode) Non-overlapping area)
D 1 Area that overlaps the vicinity of the gas flow path outlet (area that does not overlap the electrode)
A Area that does not overlap the electrode F Area that overlaps the folded part G Area that overlaps the dead end

Claims (7)

電解質膜の両側に配置した触媒を有する電極と、
前記電極に供給する反応ガスを流通する反応ガス流路と、前記電極における電気化学反応により生じた電流を集電する隔壁と、を備えたセパレータと、
前記電極と前記セパレータ間に配置され、前記反応ガス流路内を流通する反応ガスを前記電極の反応面に拡散するガス拡散層と、を備え、
前記ガス拡散層には、積層面において前記電極と重なる領域の外周部にあたる領域のうち、少なくとも前記反応ガス流路の出口近傍に重なる領域に、前記電極と重なる領域に比べて親水性が高い親水部を設けることを特徴とする燃料電池。 An electrode having a catalyst disposed on both sides of the electrolyte membrane;
A separator comprising: a reaction gas flow path for flowing a reaction gas supplied to the electrode; and a partition for collecting current generated by an electrochemical reaction in the electrode;
A gas diffusion layer disposed between the electrode and the separator and diffusing a reaction gas flowing in the reaction gas flow channel to the reaction surface of the electrode;
The gas diffusion layer has a hydrophilic property that is higher in hydrophilicity than the region overlapping the electrode in the region corresponding to the outer periphery of the region overlapping the electrode on the lamination surface, at least in the region overlapping the outlet of the reaction gas channel. A fuel cell characterized in that a portion is provided. 前記親水部を、前記反応ガス流路の出口近傍に重なる領域と入口近傍に重なる領域とを含む、前記電極と重なる領域の外周部に沿って構成する請求項１に記載の燃料電池。   2. The fuel cell according to claim 1, wherein the hydrophilic portion is configured along an outer peripheral portion of a region overlapping the electrode, including a region overlapping the vicinity of the outlet of the reaction gas flow channel and a region overlapping the vicinity of the inlet. 前記親水部の気孔率を、前記ガス拡散層のうち前記電極と重なる領域の気孔率に比べて小さくなるように構成する請求項１に記載の燃料電池。   2. The fuel cell according to claim 1, wherein a porosity of the hydrophilic portion is configured to be smaller than a porosity of a region of the gas diffusion layer overlapping the electrode. 前記親水部の表面または内部の少なくとも一部に、水の流通路となる筋状の水移動促進手段を設ける請求項１または２に記載の燃料電池。   3. The fuel cell according to claim 1, wherein a streaky water movement promoting means serving as a water flow path is provided on at least a part of the surface or inside of the hydrophilic portion. 前記水移動促進手段を、前記反応ガス流路の出口近傍に重なる領域と入口近傍に重なる領域とを連通するように構成する請求項４に記載の燃料電池。   5. The fuel cell according to claim 4, wherein the water movement promoting means is configured to communicate a region overlapping in the vicinity of the outlet of the reactive gas flow channel and a region overlapping in the vicinity of the inlet. 前記ガス流路を蛇行形状に形成し、
前記ガス拡散層において、前記ガス流路の折り返し部分に重なる領域に、前記親水部を設ける請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池。 Forming the gas flow path in a meandering shape;
6. The fuel cell according to claim 1, wherein in the gas diffusion layer, the hydrophilic portion is provided in a region overlapping a folded portion of the gas flow path. 前記ガス流路を、一端がマニホールドに連通し他端が行き止まりに形成された、供給側流路および排出側流路を交互に形成する櫛型形状に形成し、
前記ガス拡散層において、前記反応ガス流路の行き止まりに重なる領域に、前記親水部を設ける請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池。 The gas flow path is formed in a comb shape that alternately forms a supply-side flow path and a discharge-side flow path, with one end communicating with the manifold and the other end being a dead end,
6. The fuel cell according to claim 1, wherein in the gas diffusion layer, the hydrophilic portion is provided in a region overlapping a dead end of the reaction gas flow path.
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