JP2007242417A - Fuel cell - Google Patents

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Yutaka Tazaki
豊 田崎
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell in which water retentivity of an electrolyte film, gas diffusibility of a gas diffusion layer, and water drain performance are improved. <P>SOLUTION: A cathode gas diffusion layer 13 of a unit cell 1 is constituted of water repellent part 20a and hydrophilic part 20b, and the hydrophilic part 20b is arranged and installed between neighboring water repellent parts 20a. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell.

固体高分子型燃料電池（以下、燃料電池とする）は、固体高分子電解質膜（以下、電解質膜とする）と、電解質膜を挟んで設けた一対の電極触媒層と、電極触媒層の外側に設けた一対のガス拡散層とから構成される。燃料電池の発電反応によりカソードにおいて水が生成されるが、生成された水によってカソードにおいては酸化剤ガスの拡散性が阻害されるフラッディングが生じるおそれがある。   A polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as a fuel cell) includes a solid polymer electrolyte membrane (hereinafter referred to as an electrolyte membrane), a pair of electrode catalyst layers sandwiched between the electrolyte membranes, and an outer side of the electrode catalyst layer. And a pair of gas diffusion layers. Although water is generated at the cathode by the power generation reaction of the fuel cell, the generated water may cause flooding that inhibits the diffusibility of the oxidant gas at the cathode.

そこで従来、電極触媒層に水の排出性を高めるために造孔材を添加し、電極触媒層とガス拡散層との間に保水層を設け、フラッディングを防止し、かつ電解質膜の保水性を確保したものが、特許文献１に開示されている。
特開２００４−１５８３８７公報 Therefore, conventionally, a pore former is added to the electrode catalyst layer in order to enhance the water discharge property, and a water retention layer is provided between the electrode catalyst layer and the gas diffusion layer to prevent flooding and to maintain the water retention of the electrolyte membrane. What is ensured is disclosed in Patent Document 1.
JP 2004-158387 A

しかし、上記の発明では、造孔材を設けた電極触媒層と保水層とを積層するだけであるので、電解質膜の保水性を維持し、ガス拡散層におけるガス拡散性と水の排水性を高いレベルで両立させることが困難である、といった問題点がある。   However, in the above invention, since the electrode catalyst layer provided with the pore former and the water retention layer are merely laminated, the water retention of the electrolyte membrane is maintained, and the gas diffusibility and water drainage in the gas diffusion layer are maintained. There is a problem that it is difficult to achieve both at a high level.

本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、電解質膜の保水性を維持し、ガス拡散層におけるガス拡散性と水の排水性を高いレベルで維持することを目的とする。   The present invention was invented to solve such problems, and aims to maintain the water retention of the electrolyte membrane and maintain the gas diffusibility and water drainage in the gas diffusion layer at a high level. To do.

本発明では、電解質膜と、電解質膜を挟持し、電解質膜と接する面に触媒層を有する電極と、電極の外側に設けた多孔性のガス拡散層と、電極へガスを供給するガス流路を有するセパレータと、を積層して構成する燃料電池において、ガス拡散層は、同一平面内に配設する撥水性の複数の第１のガス拡散層と、隣り合う第１のガス拡散層間に配設し、第１のガス拡散層よりも親水性が高い第２のガス拡散層と、を備える。   In the present invention, an electrolyte membrane, an electrode sandwiching the electrolyte membrane and having a catalyst layer on the surface in contact with the electrolyte membrane, a porous gas diffusion layer provided outside the electrode, and a gas flow path for supplying gas to the electrode The gas diffusion layer is disposed between a plurality of water-repellent first gas diffusion layers disposed in the same plane and the adjacent first gas diffusion layers. And a second gas diffusion layer having higher hydrophilicity than the first gas diffusion layer.

本発明によると、燃料電池の発電反応によって生じた水を撥水性の第１のガス拡散層からガス流路へ排出してガス拡散性を良くし、第１のガス拡散層よりも親水性の高い第２のガス拡散層に水の一部を吸水させることで、電極、電解質膜の保水性を維持することができる。   According to the present invention, water generated by the power generation reaction of the fuel cell is discharged from the water-repellent first gas diffusion layer to the gas flow path to improve gas diffusibility, and is more hydrophilic than the first gas diffusion layer. The water retention of the electrode and the electrolyte membrane can be maintained by causing the high second gas diffusion layer to absorb a part of the water.

本発明の第１実施形態の構成を図１の概略構成図を用いて説明する。図１は燃料電池の単位セル１の概略構成図である。燃料電池は単位セル１を例えば１００枚から２００枚程度積層して構成する。   The configuration of the first embodiment of the present invention will be described with reference to the schematic configuration diagram of FIG. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a unit cell 1 of a fuel cell. The fuel cell is configured by stacking, for example, about 100 to 200 unit cells 1.

単位セル１は、電解質膜２と、電解質膜２を挟持するアノード３とカソード（電極）４と、アノード３の外側にアノードセパレータ５と、カソード４の外側にカソードセパレータ（セパレータ）６と、を備える。   The unit cell 1 includes an electrolyte membrane 2, an anode 3 and a cathode (electrode) 4 sandwiching the electrolyte membrane 2, an anode separator 5 outside the anode 3, and a cathode separator (separator) 6 outside the cathode 4. Prepare.

アノード３は、電解質膜２に当接するアノード触媒層７と、アノード触媒層７の外側に設けたアノードガス拡散層（ガス拡散層）８と、を備える。   The anode 3 includes an anode catalyst layer 7 in contact with the electrolyte membrane 2 and an anode gas diffusion layer (gas diffusion layer) 8 provided outside the anode catalyst layer 7.

アノードセパレータ５は、アノード３に燃料ガスを供給する燃料ガス流路１０を備える。   The anode separator 5 includes a fuel gas passage 10 that supplies fuel gas to the anode 3.

カソード４は、電解質膜２に当接するカソード触媒層（触媒層）１１と、カソード触媒層１１の外側に設けたカソードマイクロ層（撥水層）１２と、カソードマイクロ層１２のさらに外側に設けたカソードガス拡散層（ガス拡散層）１３と、を備える。   The cathode 4 is provided on the cathode catalyst layer (catalyst layer) 11 in contact with the electrolyte membrane 2, the cathode micro layer (water repellent layer) 12 provided outside the cathode catalyst layer 11, and the cathode micro layer 12 further outside. A cathode gas diffusion layer (gas diffusion layer) 13.

カソードセパレータ６は、カソード４に酸化剤ガスを供給するカソードガス流路１４を備える。   The cathode separator 6 includes a cathode gas channel 14 that supplies an oxidant gas to the cathode 4.

ここでカソード４について図２〜図４を用いて詳しく説明する。図２はカソード４の一部をカソードセパレータ６と当接する面から見た正面図である。図３は図２におけるＡ−Ａ断面の一部を示す図である。図４は図２におけるＢ−Ｂ断面の一部を示す図である。なお、図２において親水部２３を破線で示す。   Here, the cathode 4 will be described in detail with reference to FIGS. FIG. 2 is a front view of a part of the cathode 4 as seen from the surface in contact with the cathode separator 6. FIG. 3 is a view showing a part of the AA cross section in FIG. FIG. 4 is a view showing a part of the BB cross section in FIG. In FIG. 2, the hydrophilic portion 23 is indicated by a broken line.

カソードガス拡散層１３は、撥水処理を施した撥水部（第１のガス拡散層）２０ａと、親水処理を施した親水部（第２のガス拡散層）２０ｂと、を備え、隣り合う撥水部２０ａの間に親水部２０ｂを設ける。親水部２０ｂは例えば格子形状であり、親水部２０ｂの格子間に撥水部２０ａ設けてカソードガス拡散層１３を構成する。撥水部２０ａの側面と親水部２０ｂの側面との間に疎水部２１ａを備える。また親水部２０ｂとカソードセパレータ６との間に疎水部（疎水部材）２１ｂを備え、疎水部２１ｂの一部には貫通孔２２を備え、貫通孔２２によって親水部２０ｂとカソードセパレータ６のカソードガス流路１４とを連通する。なお、撥水部２０ａとカソードガス流路１４との間には、疎水部２１ｂは設けておらず、撥水部２０ａはカソードセパレータ６に当接する。   The cathode gas diffusion layer 13 includes a water-repellent part (first gas diffusion layer) 20a subjected to water-repellent treatment and a hydrophilic part (second gas diffusion layer) 20b subjected to hydrophilic treatment, and are adjacent to each other. A hydrophilic portion 20b is provided between the water repellent portions 20a. The hydrophilic portion 20b has, for example, a lattice shape, and the cathode gas diffusion layer 13 is configured by providing a water repellent portion 20a between the lattices of the hydrophilic portion 20b. A hydrophobic portion 21a is provided between the side surface of the water repellent portion 20a and the side surface of the hydrophilic portion 20b. Further, a hydrophobic portion (hydrophobic member) 21 b is provided between the hydrophilic portion 20 b and the cathode separator 6, a part of the hydrophobic portion 21 b is provided with a through hole 22, and the cathode gas of the hydrophilic portion 20 b and the cathode separator 6 is formed by the through hole 22. It communicates with the flow path 14. Note that the hydrophobic portion 21 b is not provided between the water repellent portion 20 a and the cathode gas flow path 14, and the water repellent portion 20 a contacts the cathode separator 6.

貫通孔２２は、単位セル１の発電状態に応じて、間隔、または貫通孔２２の孔径などを設定することが望ましく、これによって貫通孔２２から吸水する水量を調整することができ、湿潤状態を変更することができる。   The through-holes 22 are preferably set to have an interval or a hole diameter of the through-holes 22 according to the power generation state of the unit cell 1, thereby adjusting the amount of water absorbed from the through-holes 22, Can be changed.

撥水部２０ａは多孔体の導電性部材であり、この実施形態ではカーボンペーパを使用する。撥水部２０ａには撥水処理を施しており、単位セル１の発電反応によって生じた水蒸気、または水蒸気が凝縮した凝縮水をカソードガス流路１４へ排出する。なお、撥水部２０ａの細孔の径は数μｍから数百μｍである。   The water repellent part 20a is a porous conductive member, and carbon paper is used in this embodiment. The water repellent portion 20 a is subjected to water repellent treatment, and water vapor generated by the power generation reaction of the unit cell 1 or condensed water condensed with water vapor is discharged to the cathode gas channel 14. The pore diameter of the water repellent part 20a is several μm to several hundred μm.

親水部２０ｂは多孔体の導電性部材であり、この実施形態ではカーボンペーパを使用する。親水部２０ｂには親水処理を施しており、貫通孔２２を介してカソードガス流路１４から取り込まれた水の一部を吸水する。なお、親水部２０ｂの細孔の径は数ｎｍから数百ｎｍである。   The hydrophilic portion 20b is a porous conductive member, and in this embodiment, carbon paper is used. The hydrophilic portion 20 b is subjected to a hydrophilic treatment, and absorbs a part of the water taken in from the cathode gas channel 14 through the through hole 22. In addition, the diameter of the pores of the hydrophilic portion 20b is several nm to several hundred nm.

疎水部２１ａ、２１ｂはそれぞれ分割して形成し、拡散接合によってアッセンブリしてもよい。   The hydrophobic portions 21a and 21b may be formed separately and assembled by diffusion bonding.

カソードマイクロ層１２は、撥水処理が施されており、単位セル１の発電反応によって生じた水蒸気をカソード触媒層１１から主に撥水部２０ａへ排出する。また、親水部２０ｂの直下に位置するカソードマイクロ層１２は、親水部２０ｂとカソード触媒層１１とを連通させる貫通孔２４を有しており、貫通孔２４に親水部２０ｂとカソード触媒層１１とに当接する親水部（親水部材）２３を配設する。   The cathode microlayer 12 is subjected to water repellent treatment, and discharges water vapor generated by the power generation reaction of the unit cell 1 from the cathode catalyst layer 11 mainly to the water repellent portion 20a. Further, the cathode microlayer 12 located immediately below the hydrophilic portion 20b has a through hole 24 that allows the hydrophilic portion 20b and the cathode catalyst layer 11 to communicate with each other. The hydrophilic portion 20b and the cathode catalyst layer 11 are formed in the through hole 24. A hydrophilic portion (hydrophilic member) 23 is disposed to abut on the surface.

親水部２３は多孔体の導電性部材であり、この実施形態ではカーボンペーパを使用する。親水部２３には親水処理を施しており、またカソードマイクロ層１２の貫通孔２４と接する部分に撥水処理を施している。親水部１２ｂの細孔の径は数百ｎｍから数十μｍである。   The hydrophilic portion 23 is a porous conductive member, and carbon paper is used in this embodiment. The hydrophilic portion 23 is subjected to a hydrophilic treatment, and a water repellent treatment is applied to a portion in contact with the through hole 24 of the cathode microlayer 12. The pore diameter of the hydrophilic portion 12b is several hundred nm to several tens of μm.

この実施形態では親水部２０ｂ、２３にカーボンペーパを用いたが、これに代えてカーボンナノチューブ、カーボンナノフレーク、カーボンナノウォールを用いてもよい。これらの素材は細孔の径がナノオーダーであり、毛管現象により親水処理を施さずに親水部２０ｂ、２３に使用することができる。そのため少ない工程で単位セル１を製造することができ、コストを削減することができる。   In this embodiment, carbon paper is used for the hydrophilic portions 20b and 23, but carbon nanotubes, carbon nanoflakes, and carbon nanowalls may be used instead. These materials have a pore size in the nano order, and can be used for the hydrophilic portions 20b and 23 without being subjected to hydrophilic treatment by capillary action. Therefore, the unit cell 1 can be manufactured with few processes, and cost can be reduced.

撥水部２０ａと親水部２０ｂと疎水部２１ａとは例えば一枚のカーボンペーパをエッチングによって形成する。さらに親水部２３はエッチングによって形成する。その後カソードマイクロ層１２の貫通孔２４に親水部２３を充填し、カソードマイクロ層１２と、撥水部２０ａと親水部２０ｂと疎水部２１ａと、疎水部２１ｂと、を拡散接合によってアッセンブリして、カソード４を形成する。これによって精度良くバラツキの少ないカソード４を形成することができる。   The water repellent part 20a, the hydrophilic part 20b and the hydrophobic part 21a are formed, for example, by etching a single piece of carbon paper. Further, the hydrophilic portion 23 is formed by etching. Thereafter, the through hole 24 of the cathode microlayer 12 is filled with the hydrophilic portion 23, and the cathode microlayer 12, the water repellent portion 20a, the hydrophilic portion 20b, the hydrophobic portion 21a, and the hydrophobic portion 21b are assembled by diffusion bonding, The cathode 4 is formed. This makes it possible to form the cathode 4 with high accuracy and little variation.

なお、撥水部２０ａ、親水部２０ｂ、疎水部２１ａをそれぞれ分割して形成し、拡散接合によってアッセンブリしてもよい。   The water repellent part 20a, the hydrophilic part 20b, and the hydrophobic part 21a may be separately formed and assembled by diffusion bonding.

単位セルにおける高電流密度、つまり単位セルから取り出す電力が大きい場合の単位セルの電圧特性は、ガス拡散層の２つの特性によって大きな影響を受けることが知られている。１つは液水飽和度と水の排出特性との関係、もう一つはガス拡散層の液水飽和度とガスの拡散係数の関係である。   It is known that the voltage characteristics of the unit cell when the high current density in the unit cell, that is, the power extracted from the unit cell is large, are greatly influenced by two characteristics of the gas diffusion layer. One is the relationship between the liquid water saturation and water discharge characteristics, and the other is the relationship between the liquid water saturation of the gas diffusion layer and the gas diffusion coefficient.

例えば単位セルの電流密度が同じ場合には、単位セルで生成される水の量が一定であるが、ガス拡散層の排水性によって液水飽和度は異なり、単位セルの電圧特性は図５に示すような特性を示す。図５において、排水性の高いガス拡散層ａに関する特性を破線で示し、排水性の低いガス拡散層ｂに関する特性を実線で示す。単位セルの発電反応によって生成された水の水量が一定の場合、排水性の高いガス拡散層ａの液水飽和度が、排水性の低いガス拡散層ｂの液水飽和度よりも小さくなる。次にその液水飽和度におけるガス拡散層のガスの供給量は、ガス拡散層のガスの拡散係数に影響され、その結果、単位セルで生成される水、つまり単位セルの電流密度に対する単位セルの電圧が決定され、単位セルの発電特性が決定される。   For example, when the unit cell has the same current density, the amount of water generated in the unit cell is constant, but the liquid water saturation differs depending on the drainage of the gas diffusion layer, and the voltage characteristics of the unit cell are shown in FIG. It shows the characteristics as shown. In FIG. 5, the characteristic regarding the gas diffusion layer a with high drainage property is shown with a broken line, and the characteristic with respect to the gas diffusion layer b with low drainage property is shown with a solid line. When the amount of water generated by the power generation reaction of the unit cell is constant, the liquid water saturation of the gas diffusion layer a having high drainage is smaller than the liquid water saturation of the gas diffusion layer b having low drainage. Next, the gas supply amount of the gas diffusion layer at the liquid water saturation is affected by the gas diffusion coefficient of the gas diffusion layer, and as a result, the water generated in the unit cell, that is, the unit cell with respect to the current density of the unit cell. And the power generation characteristics of the unit cell are determined.

以上のように、ガス拡散層の２つの特性によって、単位セルの電圧特性は影響を受け、特に高電流密度の場合、つまり単位セルで生成される水が多い場合に影響が大きくなる。   As described above, the voltage characteristics of the unit cell are affected by the two characteristics of the gas diffusion layer, and particularly when the current density is high, that is, when the amount of water generated in the unit cell is large.

この実施形態では、単位セル１における発電反応によって、生成された水蒸気の一部は、カソードマイクロ層１２、または撥水部２０ａで凝縮し、水蒸気または凝縮水はカソードガス流路１４に排出される。カソードマイクロ層１２、撥水部２０ａでは撥水処理が施されており、これによって水蒸気、または凝縮水をカソードガス流路１４へスムーズに排出することができる。これによって、撥水部２０ａ、カソードマイクロ層１２において、例えば空気などの酸化剤ガスを効率良く拡散することができる。   In this embodiment, a part of the water vapor generated by the power generation reaction in the unit cell 1 is condensed in the cathode microlayer 12 or the water repellent part 20 a, and the water vapor or condensed water is discharged to the cathode gas flow path 14. . The cathode microlayer 12 and the water repellent part 20a are subjected to water repellent treatment, whereby water vapor or condensed water can be smoothly discharged to the cathode gas flow path 14. As a result, an oxidant gas such as air can be efficiently diffused in the water repellent part 20a and the cathode microlayer 12.

カソードガス流路１４へ排出された凝縮水などの水は、その一部が貫通孔２２を介して親水部２０ｂに取り込まれる。貫通孔２２によって取り込まれて水は、親水部２０ｂによって吸水され、親水処理を施した親水部２０ｂの内部をより液水飽和度が小さい部分へ運ばれる。親水部２０ｂでは水は、毛管現象によって内径がより小さい親水部２３へ導かれるので、親水部２０ｂを介して、カソードガス拡散層１３の湿潤状態、さらにはカソード触媒層１１、電解質膜２の湿潤状態を均一にすることができ、電解質膜１の保水性を維持することができ、単位セル１の発電効率良くすることができる。また単位セル１の酸化剤ガスの流れ方向における発電反応を均一にすることで、酸化剤ガスの流れ方向における電位差を小さくすることができ、単位セル１の発電効率を良くすることができ、単位セル１の劣化を抑制することができる。   A portion of the water such as condensed water discharged to the cathode gas flow path 14 is taken into the hydrophilic portion 20 b through the through hole 22. Water taken in through the through-hole 22 is absorbed by the hydrophilic portion 20b, and is transported through the hydrophilic portion 20b subjected to the hydrophilic treatment to a portion having a lower liquid water saturation. In the hydrophilic portion 20b, water is guided to the hydrophilic portion 23 having a smaller inner diameter by capillary action, so that the wet state of the cathode gas diffusion layer 13 and further the wetness of the cathode catalyst layer 11 and the electrolyte membrane 2 are obtained via the hydrophilic portion 20b. The state can be made uniform, the water retention of the electrolyte membrane 1 can be maintained, and the power generation efficiency of the unit cell 1 can be improved. Further, by making the power generation reaction in the flow direction of the oxidant gas in the unit cell 1 uniform, the potential difference in the flow direction of the oxidant gas can be reduced, and the power generation efficiency of the unit cell 1 can be improved. The deterioration of the cell 1 can be suppressed.

なお、アノード３についても、カソード４と同様の構成としても良い。   The anode 3 may have the same configuration as the cathode 4.

また、親水部２３の一方の端部をカソード触媒層１１へ内挿してもよい。これによって、カソード触媒層１１の内部へ水を導くことができ、カソード触媒層１１、電解質膜２の保水性を維持することができる。   Further, one end of the hydrophilic portion 23 may be inserted into the cathode catalyst layer 11. As a result, water can be guided to the inside of the cathode catalyst layer 11, and the water retention of the cathode catalyst layer 11 and the electrolyte membrane 2 can be maintained.

本発明の第１実施形態の効果について説明する。   The effect of 1st Embodiment of this invention is demonstrated.

カソード４のカソードガス拡散層１３を撥水部２０ａと親水部２０ｂとによって構成する。これにより単位セル１の発電反応によって生じた水蒸気を撥水部２０ａによってカソードガス流路１４へ排水し、酸化剤ガスなどのガス拡散性を良くすることができ、単位セル１の発電効率を良くすることができる。また、カソードガス流路１４の水の一部を親水部２０ｂによって吸水させることで、カソード触媒層１１の保水性を保つことができ、単位セル１の発電効率を良くすることができる。   The cathode gas diffusion layer 13 of the cathode 4 is constituted by a water repellent part 20a and a hydrophilic part 20b. As a result, water vapor generated by the power generation reaction of the unit cell 1 can be drained to the cathode gas flow path 14 by the water repellent portion 20a, and gas diffusibility such as oxidant gas can be improved, and power generation efficiency of the unit cell 1 can be improved. can do. Further, by absorbing a part of the water in the cathode gas channel 14 by the hydrophilic portion 20b, the water retention of the cathode catalyst layer 11 can be maintained, and the power generation efficiency of the unit cell 1 can be improved.

親水部２０ｂの直下に親水部２０ｂとカソード触媒層１１とに接する親水部２３を設けることで、親水部２０ｂから水をカソード触媒層１１に導くことができ、カソード触媒層１１、電解質膜２の保水性を保つことができ、単位セル１の発電効率を良くすることができる。   By providing the hydrophilic portion 23 in contact with the hydrophilic portion 20b and the cathode catalyst layer 11 immediately below the hydrophilic portion 20b, water can be guided from the hydrophilic portion 20b to the cathode catalyst layer 11, and the cathode catalyst layer 11 and the electrolyte membrane 2 Water retention can be maintained, and the power generation efficiency of the unit cell 1 can be improved.

親水部２０ｂとカソードセパレータ６との間に疎水部２１ｂを設け、さらに疎水部２１ｂに貫通孔２２を設けることで、貫通孔２２から親水部２０ｂへ水を取り込むことができ、カソード触媒層１１、電解質膜２の湿潤状態を均一にすることができ、単位セル１の酸化剤ガスの流れ方向、つまり単位セル１の同一平面での発電反応を均一にすることができる。これにより単位セル１の同一平面での電位差を小さくすることができ、単位セル１の発電効率を良くすることができ、単位セル１の劣化を抑制することができる。   By providing the hydrophobic portion 21b between the hydrophilic portion 20b and the cathode separator 6, and further providing the through hole 22 in the hydrophobic portion 21b, water can be taken into the hydrophilic portion 20b from the through hole 22, and the cathode catalyst layer 11, The wet state of the electrolyte membrane 2 can be made uniform, and the oxidant gas flow direction of the unit cell 1, that is, the power generation reaction in the same plane of the unit cell 1 can be made uniform. Thereby, the potential difference in the same plane of the unit cell 1 can be reduced, the power generation efficiency of the unit cell 1 can be improved, and deterioration of the unit cell 1 can be suppressed.

次に本発明の第２実形態について図６、図７を用いて説明する。第２実施形態については第１実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態は第１実施形態におけるカソード４の構成が異なるものであり、この実施形態のカソード３０について図６、図７を用いて説明する。図６はカソード３０をカソードセパレータ６から見た正面図であり、図７は図６のＡ−Ａ断面の一部を示す図である。なお、この実施形態で、第１実施形態と同じ構成ものについては同じ符号を付して説明する。   Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The second embodiment will be described with respect to differences from the first embodiment. This embodiment is different in the configuration of the cathode 4 in the first embodiment, and the cathode 30 of this embodiment will be described with reference to FIGS. 6 is a front view of the cathode 30 as viewed from the cathode separator 6, and FIG. 7 is a view showing a part of the AA cross section of FIG. In this embodiment, the same components as those in the first embodiment will be described with the same reference numerals.

カソード３０のカソードガス拡散層３１は、隣り合う撥水部２０ａの間に設けた親水部３２をカソードセパレータ６に当接する。   In the cathode gas diffusion layer 31 of the cathode 30, a hydrophilic portion 32 provided between adjacent water repellent portions 20 a is brought into contact with the cathode separator 6.

これにより、撥水部２０ａから排出される水蒸気、または凝縮水などの水の一部を親水部３２によって取り込むことができる。   Thereby, a part of water, such as water vapor | steam discharged from the water repellent part 20a, or condensed water, can be taken in by the hydrophilic part 32. FIG.

その他の構成、作用については第１実施形態と同じであるので、ここでの説明は省略する。   Since other configurations and operations are the same as those in the first embodiment, description thereof is omitted here.

本発明の第２実施形態の効果について説明する。   The effect of 2nd Embodiment of this invention is demonstrated.

簡易な構成によって、カソード４の排水性を良くし、カソード触媒層１１の保水性を良くすることができ、発電効率を良くすることができる。   With a simple configuration, the drainage of the cathode 4 can be improved, the water retention of the cathode catalyst layer 11 can be improved, and the power generation efficiency can be improved.

また、燃料電池の製造を容易にし、コストを削減することができる。   In addition, the manufacturing of the fuel cell can be facilitated and the cost can be reduced.

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。   It goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modifications and improvements that can be made within the scope of the technical idea.

本発明の第１実施形態の単位セルの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the unit cell of 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１実施形態のカソードをカソードセパレータから見た正面図である。It is the front view which looked at the cathode of a 1st embodiment of the present invention from the cathode separator. 図２のＡ−Ａ断面の一部を示す図である。It is a figure which shows a part of AA cross section of FIG. 図２のＢ−Ｂ断面の一部を示す図である。It is a figure which shows a part of BB cross section of FIG. ガス拡散層の排出性と、電流密度、液水飽和度、ガス拡散係数、単位セルの電圧との関係を示すマップである。It is a map which shows the relationship between the discharge property of a gas diffusion layer, current density, liquid water saturation, a gas diffusion coefficient, and the voltage of a unit cell. 本発明の第２実施形態のカソードをカソードセパレータから見た正面図である。It is the front view which looked at the cathode of a 2nd embodiment of the present invention from the cathode separator. 図６のＡ−Ａ断面の一部を示す図である。It is a figure which shows a part of AA cross section of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

１ 単位セル
２ 固体高分子電解質膜（電解質膜）
３ アノード
４ カソード（電極）
５ アノードセパレータ
６ カソードセパレータ（セパレータ）
７ アノード触媒層
１１ カソード触媒層（触媒層）
１２ カソードマイクロ層（撥水層）
１３ カソードガス拡散層（ガス拡散層）
１４ カソードガス流路（ガス流路）
２０ａ 撥水部（第１のガス拡散層）
２０ｂ 親水部（第２のガス拡散層）
２１ｂ 疎水部（疎水部材）
２２ 貫通孔
２３ 親水部（親水部材） 1 unit cell 2 polymer electrolyte membrane (electrolyte membrane)
3 Anode 4 Cathode (electrode)
5 Anode separator 6 Cathode separator (separator)
7 Anode catalyst layer 11 Cathode catalyst layer (catalyst layer)
12 Cathode micro layer (water repellent layer)
13 Cathode gas diffusion layer (gas diffusion layer)
14 Cathode gas flow path (gas flow path)
20a Water repellent part (first gas diffusion layer)
20b Hydrophilic part (second gas diffusion layer)
21b Hydrophobic part (hydrophobic member)
22 Through hole 23 Hydrophilic part (hydrophilic member)

Claims (7)

電解質膜と、
前記電解質膜を挟持し、前記電解質膜と接する面に触媒層を有する電極と、
前記電極の外側に設けた多孔性のガス拡散層と、
前記電極へガスを供給するガス流路を有するセパレータと、を積層して構成する燃料電池において、
前記ガス拡散層は、
同一平面内に配設する撥水性の複数の第１のガス拡散層と、
隣り合う前記第１のガス拡散層間に配設し、前記第１のガス拡散層よりも親水性が高い第２のガス拡散層と、を備えたことを特徴とする燃料電池。 An electrolyte membrane;
An electrode sandwiching the electrolyte membrane and having a catalyst layer on a surface in contact with the electrolyte membrane;
A porous gas diffusion layer provided outside the electrode;
In a fuel cell configured by laminating a separator having a gas flow path for supplying gas to the electrode,
The gas diffusion layer is
A plurality of water-repellent first gas diffusion layers disposed in the same plane;
A fuel cell comprising: a second gas diffusion layer disposed between adjacent first gas diffusion layers and having higher hydrophilicity than the first gas diffusion layer. 前記電極と前記ガス拡散層との間に積層する撥水層と、
前記第２のガス拡散層の直下に、前記撥水層を貫通し、前記第２のガス拡散層と前記触媒とに接する多孔性の親水部材と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。 A water repellent layer laminated between the electrode and the gas diffusion layer;
2. A porous hydrophilic member that passes through the water-repellent layer and is in contact with the second gas diffusion layer and the catalyst immediately below the second gas diffusion layer. A fuel cell according to claim 1. 前記親水部材は、前記撥水層と接する面に疎水部を有することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 2, wherein the hydrophilic member has a hydrophobic portion on a surface in contact with the water repellent layer. 前記親水部材の一方の端部を前記触媒層へ内挿することを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池。   4. The fuel cell according to claim 2, wherein one end of the hydrophilic member is inserted into the catalyst layer. 前記第２のガス拡散層と前記セパレータとの間に配設し、前記第２のガス拡散層と前記セパレータとを連通する複数の貫通孔を有する疎水部材を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池。   2. A hydrophobic member disposed between the second gas diffusion layer and the separator, and having a plurality of through-holes communicating the second gas diffusion layer and the separator. To 4. The fuel cell according to any one of 1 to 4. 前記第１のガス拡散層と前記第２のガス拡散層と、前記セパレータと、が当接することを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池。   5. The fuel cell according to claim 1, wherein the first gas diffusion layer, the second gas diffusion layer, and the separator are in contact with each other. 前記第２のガス拡散層、または前記親水部材の少なくともどちらか一方は、カーボンナノチューブ、カーボンフレークおよびカーボンウォールであることを特徴とする請求項２から６のいずれか一つに記載の燃料電池。   7. The fuel cell according to claim 2, wherein at least one of the second gas diffusion layer and the hydrophilic member is a carbon nanotube, a carbon flake, and a carbon wall.
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