JP3376653B2 - Energy conversion device and electrode - Google Patents

Energy conversion device and electrode

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JP3376653B2
JP3376653B2 JP28002893A JP28002893A JP3376653B2 JP 3376653 B2 JP3376653 B2 JP 3376653B2 JP 28002893 A JP28002893 A JP 28002893A JP 28002893 A JP28002893 A JP 28002893A JP 3376653 B2 JP3376653 B2 JP 3376653B2
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【０００１】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、エネルギ変換装置およ
び電極に関し、詳しくは物質の化学エネルギと電気エネ
ルギを直接変換するエネルギ変換装置および電極に関す
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an energy conversion device and an electrode, and more particularly to an energy conversion device and an electrode for directly converting chemical energy and electric energy of a substance.

【０００２】[0002]

【従来の技術】ここでいうエネルギ変換装置は、物質の
化学エネルギと電気エネルギとを変換する装置であり、
例えば、燃料としての水素と酸素とを反応させ、その化
学エネルギを電気エネルギに変換する燃料電池や、逆
に、電気エネルギを受けて水を電気分解して水素と酸素
とを発生する水素（酸素）発生装置などに代表される。2. Description of the Related Art The energy conversion device mentioned here is a device for converting chemical energy and electric energy of a substance,
For example, a fuel cell that reacts hydrogen as a fuel with oxygen and converts its chemical energy into electrical energy, or conversely, hydrogen that receives electrical energy and electrolyzes water to generate hydrogen and oxygen (oxygen ) Represented by a generator.

【０００３】これらのエネルギ変換装置の電極では、通
常、水を生成する反応か、この逆の水を分解する反応が
行なわれる。例えば、燃料電池の電極では、次式（１）
に示す水を生成する反応が一般的に行なわれ、水の電気
分解システムでは、次式（２）に示す水を分解する反応
が一般的に行なわれる。At the electrodes of these energy conversion devices, a reaction for producing water or a reverse reaction for decomposing water is usually carried out. For example, in a fuel cell electrode, the following formula (1)
The reaction for generating water shown in (1) is generally performed, and in the water electrolysis system, the reaction for decomposing water shown by the following formula (2) is generally performed.

【０００４】 式（１） カソード反応：２Ｈ＋＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ アノード反応：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ− 式（２） アノード反応：Ｈ２Ｏ→２Ｈ＋＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２ カソード反応：２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２[0004]   Formula (1)       Cathode reaction: 2H ++ 2e − + (1/2) O2 → H2O       Anode reaction: H2 → 2H ++ 2e−   Formula (2)       Anode reaction: H2O → 2H ++ 2e − + (1/2) O2       Cathode reaction: 2H ++ 2e- → H2

【０００５】これらの反応を連続的に行なうためには、
電極へ反応物質を連続的に供給すると共に、電極付近か
ら生成物質を取り除く必要がある。例えば、固体高分子
型燃料電池の場合、カソードでは、酸素を連続的に供給
すると共に生成物質である水を取り除く必要がある。生
成物質の水を取り除かないと、水が電極付近に滞留し、
運転効率を低下させ、場合によっては反応を停止させて
しまうからである。アノードでは、水素ガスを連続的に
供給すると共に水素イオンを電解質膜中にスムーズに拡
散させる必要がある。この水素イオンは電解質膜中の水
と結合して水和状態となって電解質膜中を移動するた
め、アノード付近の水が不足しないように、アノード付
近の電解質膜に外部から水を補給する必要がある。アノ
ード付近の水が不足すると、電解質膜中への水素イオン
の拡散が阻害され、電解質膜中の水素イオンが不足し、
カソードでの反応が妨げられるからである。In order to carry out these reactions continuously,
It is necessary to continuously supply the reactant to the electrode and remove the product from the vicinity of the electrode. For example, in the case of a polymer electrolyte fuel cell, it is necessary to continuously supply oxygen and remove water as a product at the cathode . If the product water is not removed, water will stay near the electrodes,
This is because the operating efficiency is reduced and the reaction is stopped in some cases. At the anode, it is necessary to continuously supply hydrogen gas and smoothly diffuse hydrogen ions into the electrolyte membrane. Since the hydrogen ions to move water bonded to the electrolyte membrane becomes hydrated state in the electrolyte membrane, such that water in the vicinity of the anode is not insufficient, from the outside to the anode with <br/> near the electrolyte membrane Need to replenish water. Ano
If the water near the battery is insufficient, the diffusion of hydrogen ions into the electrolyte membrane is hindered, and the hydrogen ions in the electrolyte membrane become insufficient,
This is because the reaction at the cathode is hindered.

【０００６】従来、電極付近の生成水の排除または補給
水の供給を行なうと共に、燃料ガスを電極に供給して、
エネルギ変換を効率よく連続的に行なう装置としては、
電極に親水部からなる凸部および撥水部からなる凹部を
設け、この凹凸で生成水の排除または補給水の供給を行
なうと共に燃料ガスを電極に供給する装置（例えば特開
平４−１２４６２）や、親水性の反応膜に複数の貫通部
を有する疎水性のガス拡散膜を接合して電極とし、貫通
部で生成水の排除または補給水の供給を行なうと共に疎
水性のガス拡散膜により燃料ガスを供給する装置（例え
ば特開平３−１８２０５２）が提案されている。Conventionally, generated water near the electrodes is removed or makeup water is supplied, and at the same time, fuel gas is supplied to the electrodes,
As a device for efficiently and continuously converting energy,
The electrode is provided with a convex portion made of a hydrophilic portion and a concave portion made of a water repellent portion, and the unevenness serves to remove generated water or supply makeup water and supply fuel gas to the electrode (for example, JP-A-4-12462). , Hydrophilic gas diffusion membrane with multiple penetrations is bonded to hydrophilic reaction membrane to form an electrode. Through the penetrations, generated water is removed or makeup water is supplied and the hydrophobic gas diffusion membrane is used for fuel gas. An apparatus (for example, Japanese Laid-Open Patent Publication No. 3-182052) for supplying the electricity has been proposed.

【０００７】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、電極に
凹凸を設ける装置では、その効果を上げるためには凹凸
の間隔を細かくする必要があり、凹凸の間隔を細かくす
ると、電極の加工が困難になると共に製造コストも上が
るという問題があった。また、いくら間隔を細かくして
も、機械加工では、微視的にみれば生成水の排除や補給
水の供給，ガスの供給が不均一となる。生成水の排除や
補給水の供給またはガスの供給が十分でないところで
は、電極反応は妨げられ、全体として運転効率は低下す
る。However, in an apparatus for providing irregularities on an electrode, it is necessary to make the intervals of the irregularities small in order to improve the effect. If the intervals of the irregularities are made small, it becomes difficult to process the electrodes. At the same time, there was a problem that the manufacturing cost increased. In addition, no matter how fine the intervals are, in machining, microscopically, the removal of generated water, the supply of makeup water, and the supply of gas become uneven. Where the generated water is not removed, the makeup water is not supplied, or the gas is not sufficiently supplied, the electrode reaction is hindered, and the operation efficiency is reduced as a whole.

【０００８】また、親水性の反応膜にガス拡散膜を接合
する装置では、複数の部材を精密加工し、それらを接合
して電極とし、さらに電解質とも接合しなければならな
い。これらの接合には、一般的に熱と圧力を同時に与え
て接合するホットプレス法が用いられるが、材料特性の
異なる複数の部材を接合するので、接合が極めて困難と
なるという問題があった。また、接合が可能でも、その
歩留りが低くなるという問題を生じる。Further, in an apparatus for bonding a gas diffusion film to a hydrophilic reaction film, it is necessary to precisely process a plurality of members, bond them to form an electrode, and further bond an electrolyte. A hot pressing method is generally used for joining these materials by applying heat and pressure at the same time. However, since a plurality of members having different material properties are joined, there is a problem that the joining becomes extremely difficult. Further, even if joining is possible, there arises a problem that the yield is low.

【０００９】これらの問題は、固体高分子型燃料電池に
限られず、例えばリン酸型燃料電池等の他の燃料電池や
いわゆる水の電気分解装置等の種々のエネルギ変換装置
にも言えることである。さらに、上述の生成水の排除や
補給水の供給とガスの供給や排除を同時に効率よく行な
うことができないという問題は、エネルギ変換装置に用
いられる電極に限られるものではない。These problems are not limited to the polymer electrolyte fuel cell, and can be applied to other fuel cells such as phosphoric acid fuel cells and various energy conversion devices such as so-called water electrolyzers. . Further, the above-mentioned problem that the generated water cannot be efficiently removed or the makeup water cannot be efficiently supplied and the gas cannot be efficiently supplied at the same time is not limited to the electrode used in the energy conversion device.

【００１０】本発明のエネルギ変換装置は、こうした問
題を解決し、効率よく連続的にエネルギを変換すること
を目的とし、本発明の電極は、親水性と撥水性とを同時
に満たすことを目的とし、次の構成を採った。The energy conversion device of the present invention aims to solve these problems and efficiently and continuously convert energy, and the electrode of the present invention aims to simultaneously satisfy hydrophilicity and water repellency. , Adopted the following configuration.

【００１１】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明の第１のエネルギ
変換装置は、カソードと、アノードと、電解質とを備
え、物質の化学エネルギと電気エネルギとを直接変換す
るエネルギ変換装置において、前記カソードまたはアノ
ードのうち少なくとも一方は、親水性を有する親水性炭
素繊維と、撥水性を有する撥水性炭素繊維とを混在させ
て形成してなることを特徴とする。A first energy conversion device of the present invention is an energy conversion device which comprises a cathode , an anode and an electrolyte, and which directly converts chemical energy and electric energy of a substance into the cathode. Or Ano
At least one of the cords is formed by mixing hydrophilic carbon fibers having hydrophilicity and water-repellent carbon fibers having water repellency.

【００１２】本発明の第２のエネルギ変換装置は、カソ
ードと、アノードと、該両極間に配置する電解質とを備
え、物質の化学エネルギと電気エネルギとを直接変換す
るエネルギ変換装置において、前記カソードは、親水性
を有する親水性炭素繊維と、撥水性を有する撥水性炭素
繊維とを該カソードにおける電気化学反応に基づく第１
の割合で混在させて形成し、前記アノードは、親水性を
有する親水性炭素繊維と、撥水性を有する撥水性炭素繊
維とを該アノードにおける電気化学反応に基づく第２の
割合で混在させて形成してなることを特徴とする。[0012] The second energy conversion device of the present invention, cathode
In an energy conversion device that includes a cathode , an anode, and an electrolyte disposed between the electrodes, and that directly converts chemical energy and electric energy of a substance, the cathode has hydrophilic carbon fibers having hydrophilicity and a hydrophobic carbon fiber. First, a water-repellent carbon fiber having water-based property is formed based on an electrochemical reaction in the cathode .
Formed are mixed at a ratio of, the anode is formed by a hydrophilic carbon fibers having a hydrophilic and a water-repellent carbon fiber having water repellency mix at a second rate that is based on the electrochemical reaction at the anode It is characterized by being done.

【００１３】こうしたエネルギ変換装置において、カソ
ードおよびアノードを、親水性を有する親水性炭素繊維
と撥水性を有する撥水性炭素繊維とを所定の割合とした
カーボンクロス、カーボンペーパーまたはカーボンフェ
ルトとして形成することができる。In such an energy conversion device,
Hydrophilic carbon fiber having a hydrophilic property
And the water-repellent carbon fiber having water repellency were set to a predetermined ratio.
Carbon cloth, carbon paper or carbon fiber
Can be formed as a belt .

【００１４】他方、このエネルギ変換装置に用いられる
電極は、親水性を有する親水性炭素繊維と撥水性を有す
る撥水性炭素繊維とを混在して形成することができる。
更に、前記親水性炭素繊維と前記撥水性炭素繊維とを所
定の割合で織り込んだカーボンクロスとして形成した構
成とすることもできる。また、前記電極において、前記
親水性炭素繊維と前記撥水性炭素繊維とを所定の割合で
混在させたカーボンペーパーまたはカーボンフェルトと
して形成した構成とすることもできる。 On the other hand, it is used in this energy conversion device.
The electrode has hydrophilic carbon fiber having hydrophilicity and water repellency
Water-repellent carbon fibers mixed with each other.
Further, the hydrophilic carbon fiber and the water-repellent carbon fiber may be woven in a predetermined ratio to form a carbon cloth. Further, the electrode may be formed as carbon paper or carbon felt in which the hydrophilic carbon fiber and the water-repellent carbon fiber are mixed in a predetermined ratio.

【００１５】[0015]

【作用】以上のように構成された本発明の第１のエネル
ギ変換装置は、親水性炭素繊維が生成水の排除または補
給水の供給を行ない、撥水性炭素繊維が撥水してガスの
供給または排除を行なう。このため、電極で効率よく連
続的に電気化学反応を行なうことを可能とする。In the first energy conversion system of the present invention configured as described above, the hydrophilic carbon fibers remove generated water or supply makeup water, and the water repellent carbon fibers repel water to supply gas. Or eliminate it. Therefore, it is possible to efficiently and continuously perform the electrochemical reaction at the electrodes.

【００１６】本発明の第２のエネルギ変換装置は、親水
性を有する親水性炭素繊維と、撥水性を有する撥水性炭
素繊維とをカソードにおける電気化学反応に基づく第１
の割合で混在させてカソードを形成したことにより、カ
ソードでの電気化学反応をスムーズにする。また、親水
性を有する親水性炭素繊維と、撥水性を有する撥水性炭
素繊維とをアノードにおける電気化学反応に基づく第２
の割合で混在させてアノードを形成したことによりアノ
ードでの電気化学反応をスムーズにする。A second energy conversion device of the present invention is a first energy conversion device based on an electrochemical reaction of hydrophilic carbon fibers having hydrophilicity and water-repellent carbon fibers having water repellency at a cathode .
Mix at a rate of by forming the cathode, Ca
Smooth the electrochemical reaction in the sword . In addition, a hydrophilic carbon fiber having hydrophilicity and a water-repellent carbon fiber having water repellency are formed on the anode based on an electrochemical reaction.
Ano by forming the anode mix in a ratio of
Smoothes the electrochemical reaction in the battery.

【００１７】本発明の電極は、親水性炭素繊維が親水性
を示し、撥水性炭素繊維が撥水性を示す。この結果、親
水性炭素繊維が生成水の排除または補給水の供給を行な
い、撥水性炭素繊維がガスの供給または排除を行なう。In the electrode of the present invention, the hydrophilic carbon fiber exhibits hydrophilicity and the water repellent carbon fiber exhibits water repellency. As a result, the hydrophilic carbon fibers remove generated water or supply makeup water, and the water-repellent carbon fibers supply or remove gas.

【００１８】ここで、前記電極において、親水性炭素繊
維と撥水性炭素繊維とを所定の割合で織り込んだカーボ
ンクロスとして形成した構成とすれば、親水性と撥水性
とを同時に示すカーボンクロスを得る。また、前記電極
において、親水性炭素繊維と撥水性炭素繊維とを所定の
割合で混在させたカーボンペーパーまたはカーボンフェ
ルトとして形成した構成とすれば、親水性と撥水性とを
同時に示すカーボンペーパーまたはカーボンフェルトを
得ると共に、電極を任意の形状に直接形成することを可
能とする。Here, if the electrode is formed as a carbon cloth in which hydrophilic carbon fibers and water-repellent carbon fibers are woven at a predetermined ratio, a carbon cloth exhibiting both hydrophilicity and water repellency can be obtained. . Further, when the electrode is formed as carbon paper or carbon felt in which hydrophilic carbon fibers and water-repellent carbon fibers are mixed in a predetermined ratio, carbon paper or carbon exhibiting hydrophilicity and water repellency at the same time. It is possible to obtain a felt and directly form an electrode in an arbitrary shape.

【００１９】[0019]

【実施例】以上説明した本発明の構成・作用を一層明ら
かにするために、以下本発明の好適な実施例について説
明する。図１は、本発明の一実施例である固体高分子型
燃料電池のセル構造の模式図である。図示するように、
セルは、電解質１０と、カソード２０およびアノード３
０と、カソード側燃料およびアノード側燃料の流路を形
成するガス流路構造体４０および５０と、各セルを仕切
るセパレータ６０とにより構成されている。Preferred embodiments of the present invention will be described below in order to further clarify the structure and operation of the present invention described above. FIG. 1 is a schematic diagram of a cell structure of a polymer electrolyte fuel cell which is an embodiment of the present invention. As shown,
The cell comprises an electrolyte 10, a cathode 20 and an anode 3
0, gas flow path structures 40 and 50 forming flow paths for the cathode- side fuel and the anode- side fuel, and a separator 60 for partitioning each cell.

【００２０】カソード２０およびアノード３０は、炭素
繊維を織り込んだカーボンクロスにより形成されてお
り、触媒として白金または白金と他の金属からなる合金
等がカーボン粉に担持され、そのカーボン粉がカーボン
クロスの隙間に練り込まれているか、或いは塗布されて
いる。さらに詳しくみると、カソード２０およびアノー
ド３０は、図２に示す構造となっている。図２は、カソ
ード２０またはアノード３０の一部を拡大した拡大図で
ある。図示するように、カソード２０およびアノード３
０は、親水性を有する親水性炭素繊維の束からなる縦糸
２２と、撥水性を有する撥水性炭素繊維の束からなる横
糸２４とをほぼ均等に織り込んで形成されている。した
がって、混在する親水性炭素繊維と撥水性炭素繊維との
割合はほぼ均等となる。ここで、親水性炭素繊維は、通
常の炭素繊維である。通常の炭素繊維は、何等加工を施
さないときは親水性を呈する。The cathode 20 and the anode 30 are made of carbon cloth woven with carbon fibers, and platinum or an alloy of platinum and another metal is supported on carbon powder as a catalyst, and the carbon powder is carbon cloth. Kneaded or applied in the gap. More specifically, the cathode 20 and the anode
The door 30 has the structure shown in FIG. FIG. 2 is a cathode
It is an enlarged view of a portion of the over de 20 or anode 30. As shown, cathode 20 and anode 3
No. 0 is formed by weaving the warp yarns 22 made of a bundle of hydrophilic carbon fibers having hydrophilicity and the weft yarns 24 made of a bundle of water-repellent carbon fibers having water repellency substantially evenly. Therefore, the proportions of the hydrophilic carbon fibers and the water-repellent carbon fibers that are mixed are substantially equal. Here, the hydrophilic carbon fiber is a normal carbon fiber. Normal carbon fiber exhibits hydrophilicity when it is not subjected to any processing.

【００２１】撥水性炭素繊維は、次のようにして得る。
まず、通常の炭素繊維をポリテトラフルオロエチレンの
ディスパージョン（例えばダイキン工業製ポリフロンＤ
−１）に浸漬させる。次に、空気中、室温でしばらくお
いて乾燥させた後、空気中、１００℃の温度で３０分な
いし１時間乾燥させて、ディスパージョンの水分を完全
に揮発させる。続いて、窒素雰囲気中、２５０℃ないし
３００℃で２時間ないし３時間加熱して、炭素繊維表面
にポリテトラフルオロエチレンを焼成して撥水性炭素繊
維を得る。こうして得た撥水性炭素繊維は、炭素繊維表
面に形成されたポリテトラフルオロエチレンにより撥水
性を呈する。The water repellent carbon fiber is obtained as follows.
First, an ordinary carbon fiber is dispersed in polytetrafluoroethylene (for example, Polyflon D manufactured by Daikin Industries, Ltd.).
-1). Next, after drying in air at room temperature for a while, it is dried in air at a temperature of 100 ° C. for 30 minutes to 1 hour to completely evaporate the water content of the dispersion. Then, in a nitrogen atmosphere, it is heated at 250 ° C. to 300 ° C. for 2 hours to 3 hours, and polytetrafluoroethylene is baked on the surface of the carbon fiber to obtain a water repellent carbon fiber. The water-repellent carbon fiber thus obtained exhibits water repellency due to the polytetrafluoroethylene formed on the surface of the carbon fiber.

【００２２】電解質１０は、高分子材料、例えばフッ素
系樹脂により形成されたイオン交換膜であり、湿潤状態
で良好な電気電導性を示す。ガス流路構造体４０および
５０は、多孔質でガス透過性を有するポーラスカーボン
により形成されており、気孔率が４０ないし８０％のも
のである。また、ガス流路構造体４０には、カソード燃
料である酸素含有ガスの流路であると共にカソード２０
で生成する水の集水路をなす流路４２が形成されてお
り、ガス流路構造体５０には、アノード燃料である水素
含有ガスと水蒸気との混合ガスの流路５２が形成されて
いる。セパレータ６０は、カーボンを圧縮してガス不透
過としたガス不透過カーボンにより形成されており、電
解質１０，電極２０，３０，ガス流路構造体４０および
５０により構成されるセルを積層する際の隔壁をなす。
なお、本実施例では、ガス流路構造体４０，５０および
セパレータ６０を別体として形成したが、ガス流路構造
体４０とセパレータ６０をガス不透過カーボンにより一
体として形成する構成やガス流路構造体５０とセパレー
タ６０をガス不透過カーボンにより一体として形成する
構成、ガス流路構造体４０，５０およびセパレータ６０
をガス不透過カーボンにより一体として形成する構成も
好適である。The electrolyte 10 is an ion exchange membrane formed of a polymer material, for example, a fluorine resin, and exhibits good electric conductivity in a wet state. The gas flow channel structures 40 and 50 are made of porous carbon having gas permeability and have a porosity of 40 to 80%. Further, the gas flow path structure 40 has a flow path for the oxygen-containing gas, which is the cathode fuel, and the cathode 20.
A flow path 42 that forms a water collection path for the water generated in 1. is formed, and a flow path 52 for a mixed gas of hydrogen-containing gas that is anode fuel and water vapor is formed in the gas flow path structure 50. The separator 60 is formed of gas-impermeable carbon that is made gas-impermeable by compressing carbon, and is used for stacking cells formed by the electrolyte 10, the electrodes 20, 30, and the gas flow path structures 40 and 50. Make a partition.
In this embodiment, the gas flow channel structures 40 and 50 and the separator 60 are formed separately, but the gas flow channel structure 40 and the separator 60 are integrally formed of gas impermeable carbon or the gas flow channel. Structure in which the structure 50 and the separator 60 are integrally formed by gas impermeable carbon, the gas flow path structures 40 and 50, and the separator 60
A configuration in which is integrally formed of gas impermeable carbon is also suitable.

【００２３】こうして構成された固体高分子型燃料電池
は、カソード２０およびアノード３０で上述した式
（１）に示す化学反応により水素と酸素とが反応し、そ
の反応エネルギ（化学エネルギ）を直接電気エネルギに
変換する。In the polymer electrolyte fuel cell thus constructed, hydrogen and oxygen react with each other in the cathode 20 and the anode 30 by the chemical reaction represented by the above-mentioned formula (1), and the reaction energy (chemical energy) is directly converted into electricity. Convert to energy.

【００２４】カソード２０に練り込まれ或いは塗布され
た触媒（白金等）表面では、上式の反応により水が生成
する。この水がカソード２０付近に滞留すると、上述の
反応は妨げられる。親水性炭素繊維の縦糸２２は、この
水をガス流路構造体４０とカソード２０とで形成する流
路４２に導いて、触媒付近から取り除く。一方、撥水性
炭素繊維の横糸２４は、繊維の周囲から水を撥いて、酸
素含有ガスをガス流路構造体４０とカソード２０との接
触面または流路４２から触媒表面へ導く。したがって、
カソード２０では、縦糸２２により発生した電子を伝達
すると共に生成する水が取り除かれ、横糸２４により電
子が供給されると共に酸素含有ガスが供給される。この
ことにより、カソード２０の触媒表面で上述の反応が効
率よく連続して行なわれる。On the surface of the catalyst (platinum or the like) kneaded or applied to the cathode 20, water is produced by the above reaction. When this water stays near the cathode 20, the above reaction is hindered. The hydrophilic carbon fiber warp yarns 22 guide this water to the flow passage 42 formed by the gas flow passage structure 40 and the cathode 20 and remove it from the vicinity of the catalyst. On the other hand, the weft thread 24 of the water-repellent carbon fiber repels water from the periphery of the fiber and guides the oxygen-containing gas to the catalyst surface from the contact surface between the gas flow channel structure 40 and the cathode 20 or the flow channel 42. Therefore,
In the cathode 20, the water generated by the warp yarns 22 is transferred and the generated water is removed, and the weft yarns 24 supply electrons and oxygen-containing gas. As a result, the above reaction is efficiently and continuously performed on the catalyst surface of the cathode 20.

【００２５】アノード３０の触媒表面では、水素ガス
（Ｈ２）が水素イオン（Ｈ＋）となる反応が行なわれ
る。この水素イオンは、触媒表面から電解質１０を通っ
てカソード２０に移動する際に水和状態で移動するた
め、触媒表面付近では水が不足する。アノード３０の親
水性炭素繊維からなる縦糸２２は、この不足する水を、
アノード３０の流路５２側表面に付着した水を触媒表面
付近に導くことにより補う。流路５２を流れる気体中に
は水蒸気が多く含まれているため、アノード３０の流路
５２側表面は、常に水が付着した状態となっている。ま
た、アノード３０の撥水性炭素繊維からなる横糸２４
は、ガス流路構造体５０とアノード３０との接触面また
は流路５２から水素ガスを触媒表面へ導く。したがっ
て、アノード３０では、縦糸２２が電子を受け取ると共
に不足する水を補い、横糸２４が電子を受け取ると共に
水素ガスを供給する。この結果、アノード３０の触媒表
面で上述の反応が効率よく連続して行なわれる。On the catalyst surface of the anode 30, a reaction in which hydrogen gas (H2) becomes hydrogen ions (H +) is performed. When the hydrogen ions move from the catalyst surface through the electrolyte 10 to the cathode 20 in a hydrated state, water is insufficient near the catalyst surface. The warp yarn 22 made of the hydrophilic carbon fiber of the anode 30 is capable of removing this deficient water.
Water adhering to the surface of the anode 30 on the side of the flow channel 52 is guided to near the surface of the catalyst to make up for it. Since a large amount of water vapor is contained in the gas flowing through the flow channel 52, water is always attached to the surface of the anode 30 on the flow channel 52 side. In addition, the weft yarn 24 made of the water-repellent carbon fiber of the anode 30
Guides hydrogen gas to the catalyst surface from the contact surface between the gas flow channel structure 50 and the anode 30 or the flow channel 52. Therefore, in the anode 30, the warp yarns 22 receive electrons and make up for the insufficient water, and the weft yarns 24 receive electrons and supply hydrogen gas. As a result, the above reaction is efficiently and continuously performed on the catalyst surface of the anode 30.

【００２６】以上説明した固体高分子型燃料電池では、
カソード２０およびアノード３０を親水性炭素繊維と撥
水性炭素繊維を用いて形成したので、カソード２０で
は、生成する水を滞留させることなく流路４２へ取り除
き、アノード３０では、不足する水を十分に補うことが
できると同時にカソード２０およびアノード３０での燃
料ガスの供給をスムーズに行なうことができる。この結
果、電極での電気化学的反応を連続的に安定して行なう
ことができる。したがって、運転効率を向上させること
ができ、安定した電力を得ることができる。In the polymer electrolyte fuel cell described above,
Since the cathode 20 and the anode 30 are formed by using the hydrophilic carbon fiber and the water-repellent carbon fiber, the produced water is removed to the flow channel 42 without being retained in the cathode 20, and the insufficient water is sufficiently produced in the anode 30. At the same time, the fuel gas can be supplied to the cathode 20 and the anode 30 smoothly. As a result, the electrochemical reaction at the electrode can be continuously and stably performed. Therefore, operating efficiency can be improved and stable electric power can be obtained.

【００２７】固体高分子型燃料電池は、一般に負荷電流
密度を大きくすることにより小型化することが可能であ
るが、負荷電流密度を急変させると、電解質１０の含水
率が変動し、内部抵抗が変動し易くなる。本実施例で
は、負荷電流密度を大きくしても生成水の排除および不
足水の補給をスムーズに行なうので、電解質１０の含水
率の変動を防止し、小型化することができる。したがっ
て、限られたスペースに設置する場合、例えば車両等に
搭載する場合等に有効である。The polymer electrolyte fuel cell can generally be miniaturized by increasing the load current density. However, when the load current density is suddenly changed, the water content of the electrolyte 10 is changed and the internal resistance is increased. It tends to fluctuate. In the present embodiment, the generated water is smoothly removed and the insufficient water is replenished even if the load current density is increased. Therefore, it is possible to prevent the fluctuation of the water content of the electrolyte 10 and reduce the size. Therefore, it is effective when it is installed in a limited space, for example, when it is installed in a vehicle or the like.

【００２８】さらに、親水性炭素繊維による糸と撥水性
炭素繊維による糸とを織り込むことにより電極を形成す
るので、電極に機械的加工を施したものに比して容易に
製造することができ、低コストで製造することができ
る。Furthermore, since the electrode is formed by weaving the thread made of the hydrophilic carbon fiber and the thread made of the water-repellent carbon fiber, the electrode can be manufactured more easily than the machined one. It can be manufactured at low cost.

【００２９】実施例では、親水性炭素繊維からなる縦糸
２２と撥水性炭素繊維からなる横糸２４とを均等に織り
込んで電極とすることにより親水性炭素繊維と撥水性炭
素繊維との割合をほぼ均等としたが、使用目的に合わせ
て種々の割合とすることができる。また、この割合は、
電池の種類や運転状態等により定めるのが望ましい。実
施例で説明した固体高分子型燃料電池の場合では、負荷
電流密度が小さい領域で運転すれば、単位時間当たりに
生成する水は少ないので、親水性炭素繊維の割合は小さ
くてもかまわないが、負荷電流密度が大きい領域で運転
すれば、単位時間当たりに生成する水は多くなるので、
効率よく運転するには、親水性炭素繊維の割合を多くす
るのが望ましい。また、負荷電流密度が時間と共に変化
する場合のように、運転状態が変動する場合には、どの
負荷電流密度による運転に着目するかを定め、親水性炭
素繊維の割合を定めるのが望ましい。なお、親水性炭素
繊維と撥水性炭素繊維との割合の変更は、縦糸２２また
は横糸２４の単位長さ当たりの糸の本数（織り密度）を
変えることにより行なうことができる。In the embodiment, the warp yarns 22 made of hydrophilic carbon fibers and the weft yarns 24 made of water-repellent carbon fibers are evenly woven to form an electrode so that the ratio of the hydrophilic carbon fibers to the water-repellent carbon fibers is substantially equal. However, various ratios can be used according to the purpose of use. Also, this ratio is
It is desirable to set it according to the type of battery and operating condition. In the case of the polymer electrolyte fuel cells described in the examples, if the load current density is operated in a small region, the amount of water produced per unit time is small, so the proportion of the hydrophilic carbon fibers may be small. If you operate in a region where the load current density is large, the amount of water produced per unit time will increase, so
For efficient operation, it is desirable to increase the proportion of hydrophilic carbon fibers. Further, when the operating state changes, such as when the load current density changes with time, it is desirable to determine which load current density should be focused on for operation and to determine the proportion of the hydrophilic carbon fibers. The ratio of the hydrophilic carbon fibers to the water-repellent carbon fibers can be changed by changing the number of yarns (weaving density) per unit length of the warp yarn 22 or the weft yarn 24.

【００３０】実施例では、親水性炭素繊維による縦糸２
２と撥水性炭素繊維による横糸２４とを織り込んで電極
としたが、図３に拡大して示した電極のように、親水性
炭素繊維による縦糸２２ａと撥水性炭素繊維による縦糸
２２ｂとを交互に配置した縦糸と、親水性炭素繊維によ
る横糸２４ａと撥水性炭素繊維による横糸２４ｂとを交
互に配置した横糸とを、織り込んで電極とする構成も好
適である。この場合、縦糸，横糸の一方または双方にお
ける親水性炭素繊維による糸と撥水性炭素繊維による糸
との配置を周期的あるいはランダムにするなど如何なる
配置であってもかまわない。この電極での親水性炭素繊
維と撥水性炭素繊維との割合の変更は、縦糸または横糸
における親水性炭素繊維からなる糸２２ａ，２４ａと撥
水性炭素繊維からなる糸２２ｂ，２４ｂとの割合を変更
して配置することにより行なうことができる。In the embodiment, the warp yarn 2 made of hydrophilic carbon fiber is used.
2 and the weft yarn 24 made of the water-repellent carbon fiber were woven to form an electrode. However, as in the electrode shown enlarged in FIG. 3, the warp yarn 22a made of the hydrophilic carbon fiber and the warp yarn 22b made of the water-repellent carbon fiber are alternately formed. It is also preferable that the arranged warp yarns and the weft yarns in which the weft yarns 24a made of hydrophilic carbon fibers and the weft yarns 24b made of water-repellent carbon fibers are alternately arranged are woven to form an electrode. In this case, the arrangement of the warp yarns, the weft yarns, or both of the hydrophilic carbon fibers and the water-repellent carbon fibers may be periodic or random. The ratio of the hydrophilic carbon fiber and the water repellent carbon fiber in this electrode is changed by changing the ratio of the yarns 22a and 24a made of the hydrophilic carbon fiber and the yarns 22b and 24b made of the water repellent carbon fiber in the warp or weft. It can be performed by arranging them.

【００３１】また、図４に拡大して示した電極のよう
に、親水性炭素繊維と撥水性炭素繊維とをほぼ均等に混
在させた縦糸２２ｃおよび横糸２４ｃを織り込んで電極
とする構成も好適である。この場合の電極を織り込む糸
は、糸の断面を拡大した図５に示すように、親水性炭素
繊維２３（ハッチのない断面の炭素繊維）と撥水性炭素
繊維２５（ハッチのある断面の炭素繊維）とをほぼ均等
になるよう混在させて得る。なお、電極を織り込む糸
は、通常数百ないし数千本の炭素繊維の束からなるもの
である。この電極の親水性炭素繊維と撥水性炭素繊維と
の割合の変更は、混在する親水性炭素繊維２３と撥水性
炭素繊維２５との割合を変更することにより行なうこと
ができる。Further, as in the electrode shown enlarged in FIG. 4, it is also preferable that the electrodes are formed by weaving warp yarns 22c and weft yarns 24c in which hydrophilic carbon fibers and water-repellent carbon fibers are mixed almost evenly. is there. In this case, the threads for weaving the electrodes are hydrophilic carbon fibers 23 (carbon fibers having a cross section without hatch) and water-repellent carbon fibers 25 (carbon fibers having a cross section with hatch) as shown in FIG. ) And are mixed so that they are almost even. The thread for weaving the electrode is usually composed of a bundle of hundreds to thousands of carbon fibers. The ratio of the hydrophilic carbon fiber and the water repellent carbon fiber of the electrode can be changed by changing the ratio of the hydrophilic carbon fiber 23 and the water repellent carbon fiber 25 which are mixed.

【００３２】さらに、図６に例示した糸のように、親水
性炭素繊維からなる糸２６と撥水性炭素繊維からなる糸
２７とを縒って縒り糸２８とし、縒り糸２８を縦糸およ
び横糸として織り込んで電極とする構成も好適である。
この場合、縒り糸２８は、２本縒りの他、３本以上の糸
で縒ってなる構成も好適である。この電極の親水性炭素
繊維と撥水性炭素繊維との割合の変更は、親水性炭素繊
維からなる糸２６の太さと撥水性炭素繊維からなる糸２
７の太さを変更することにより行なうことができる他、
縒る糸の本数を多くしてその割合を変えることによって
も行なうことができる。Further, like the thread illustrated in FIG. 6, a thread 26 made of a hydrophilic carbon fiber and a thread 27 made of a water-repellent carbon fiber are twisted into a twisted thread 28, and the twisted thread 28 is used as a warp thread and a weft thread. A configuration in which the electrodes are woven in is also suitable.
In this case, the twisted yarn 28 is preferably twisted with three or more yarns in addition to two twisted yarns. The ratio of the hydrophilic carbon fiber and the water repellent carbon fiber of the electrode is changed by changing the thickness of the thread 26 made of the hydrophilic carbon fiber and the thread 2 made of the water repellent carbon fiber.
It can be done by changing the thickness of 7,
This can also be done by increasing the number of twisted threads and changing the ratio.

【００３３】実施例では、縦糸２２と横糸２４とによる
２軸（縦軸と横軸）で織り込んだが、３軸以上で織り込
んだ構成も好適である。また、カソード２０およびアノ
ード３０の親水性炭素繊維と撥水性炭素繊維との割合を
平面的に均等としたが、均等でない構成も差し支えな
い。In the embodiment, the warp yarns 22 and the weft yarns 24 are woven in two axes (vertical axis and horizontal axis), but a configuration in which they are woven in three or more axes is also suitable. In addition, the cathode 20 and the anode
Although the ratio of the hydrophilic carbon fibers and the water-repellent carbon fibers of the cord 30 is made equal in plan view, a non-uniform constitution may also be acceptable.

【００３４】また、実施例では、カソード２０とアノー
ド３０とを同一の電極としたが、異なる電極による構
成、例えば、カソード２０またはアノード３０のいずれ
か一方のみが親水性炭素繊維と撥水性炭素繊維とにより
形成されており、他方は、他の材質による構成や、カソ
ード２０の親水性炭素繊維の撥水性炭素繊維に対する割
合とアノード３０のその割合が異なる構成も好適であ
る。運転条件によっては、カソード２０で発生する水が
アノード３０で不足する水より運転効率に影響を与える
場合もあり、この場合には、カソード２０における親水
性炭素繊維の割合をアノード３０におけるその割合より
も大きくすることが望ましい。Further, in the embodiment, the cathode 20 and the anode
Although the electrode 30 is the same electrode, a configuration with different electrodes, for example, only one of the cathode 20 and the anode 30 is formed of hydrophilic carbon fiber and water repellent carbon fiber, and the other is configuration in accordance with the material and, Caso
A configuration in which the ratio of the hydrophilic carbon fibers of the cord 20 to the water-repellent carbon fibers and the ratio of the anode 30 are different is also suitable. Depending on the operating conditions, the water generated at the cathode 20
In some cases, the water shortage in the anode 30 may affect the operating efficiency, and in this case, it is desirable that the proportion of the hydrophilic carbon fibers in the cathode 20 be larger than that in the anode 30.

【００３５】次に本発明の第２の実施例である固体高分
子型燃料電池について説明する。第２実施例の固体高分
子型燃料電池のセル構造は、第１実施例の固体高分子型
燃料電池のセル構造のうちカソード２０およびアノード
３０の構造を除いて同一である。第２実施例のカソード
２０ａおよびアノード３０ａは、図７に示したように、
長さ１ｍｍないし１０ｍｍの親水性炭素繊維と、同じく
長さ１ｍｍないし１０ｍｍの撥水性炭素繊維とをほぼ均
等の割合で不規則かつ任意方向に混在し、厚さαのカー
ボンペーパーまたはカーボンフェルトとしたものであ
る。この電極には、触媒として白金または白金と他の金
属からなる合金等がカーボン粉に担持され、そのカーボ
ン粉がカーボンクロスの隙間に練り込まれているか、或
いは塗布されている。なお、撥水性炭素繊維は、第１実
施例と同様の処理を施すことにより得ることができるの
で、その説明は省略する。Next, a polymer electrolyte fuel cell according to a second embodiment of the present invention will be described. The cell structure of the polymer electrolyte fuel cell of the second embodiment is the same as the cell structure of the polymer electrolyte fuel cell of the first embodiment except the structures of the cathode 20 and the anode 30. The cathode 20a and the anode 30a of the second embodiment are, as shown in FIG.
A hydrophilic carbon fiber having a length of 1 mm to 10 mm and a water-repellent carbon fiber having a length of 1 mm to 10 mm are mixed in an irregular and arbitrary direction at a substantially equal ratio to form a carbon paper or a carbon felt having a thickness α. It is a thing. In this electrode, carbon or an alloy of platinum and another metal is supported as a catalyst on carbon powder, and the carbon powder is kneaded or applied in the gap of the carbon cloth. Since the water-repellent carbon fiber can be obtained by performing the same treatment as that of the first embodiment, the description thereof will be omitted.

【００３６】こうして構成された第２実施例の固体高分
子型燃料電池のカソード２０ａおよびアノード３０ａで
も式（１）で示した化学反応により水素と酸素とが反応
し、その反応エネルギ（化学エネルギ）を直接電気エネ
ルギに変換する。Also in the cathode 20a and the anode 30a of the solid polymer electrolyte fuel cell of the second embodiment thus constituted, hydrogen and oxygen react with each other by the chemical reaction represented by the formula (1), and the reaction energy (chemical energy). Is directly converted into electric energy.

【００３７】カソード２０ａに混在した親水性炭素繊維
は、カソード２０ａの触媒（白金等）表面で生成した水
を流路４２に導いて触媒付近から取り除く。また、カソ
ード２０ａの撥水性炭素繊維は、繊維の周囲から水を撥
じいて、酸素含有ガスを触媒表面へ導く。一方、アノー
ド３０ａの親水性炭素繊維は、水素イオンが水和状態で
移動することによる水の不足分をアノード３０の流路５
２側表面から水を導いて補う。また、アノード３０ａの
撥水性炭素繊維は、水素ガスを触媒表面へ導く。これら
の作用により、カソード２０ｂおよびアノード３０ｂで
の反応は、効率よく連続して行なわれる。The hydrophilic carbon fiber mixed in the cathode 20a, the water produced in the catalyst (such as platinum) surface of the cathode 20a is guided to the flow path 42 removed from the vicinity of the catalyst. In addition, the cathode
Water repellent carbon fiber over de 20a is water from the surrounding fibers have Ji repellent directs oxygen-containing gas to the catalyst surface. On the other hand, Anoh
Hydrophilic carbon fibers de 30a is a flow path 5 of the anode 30 for the shortage of water due to the hydrogen ions move in a hydrated state
2 Guide water from the surface to make up for it. Further, the water-repellent carbon fiber of the anode 30a guides hydrogen gas to the catalyst surface. Due to these actions, the reactions at the cathode 20b and the anode 30b are efficiently and continuously performed.

【００３８】以上説明した第２実施例の固体高分子型燃
料電池では、カソード２０ａおよびアノード３０ａを親
水性炭素繊維と撥水性炭素繊維とにより形成されるカー
ボンペーパーまたはカーボンフェルトとしたので、電極
に機械加工を施したものと比較して一層製造を容易と
し、コストを低減することができる。特にカーボンペー
パーまたはカーボンフェルトを形成した後に切断して電
極とする場合、切断箇所がほつれないので、切断箇所に
処理を施す必要がなく、製造工程を簡易化することがで
きる。また、カーボンペーパーまたはカーボンフェルト
は、自由な形状に直接形成できるので、電極の形状に直
接形成すれば、二次加工の必要がない。In the polymer electrolyte fuel cell of the second embodiment described above, since the cathode 20a and the anode 30a are made of carbon paper or carbon felt formed of hydrophilic carbon fiber and water repellent carbon fiber, they are used as electrodes. The manufacturing can be further facilitated and the cost can be reduced as compared with the machined one. Particularly when the electrode is formed by cutting after forming carbon paper or carbon felt, the cut portion does not fray, so that the cut portion does not need to be treated, and the manufacturing process can be simplified. Further, since carbon paper or carbon felt can be directly formed into a free shape, if it is formed directly into the shape of the electrode, no secondary processing is required.

【００３９】もとより、カソード２０ａおよびアノード
３０ａを親水性炭素繊維と撥水性炭素繊維とにより形成
したので、カソード２０ａで生成する水を滞留させるこ
となく流路４２へ取り除き、アノード３０ａで不足する
水を十分に補い、かつ燃料ガスの供給をスムーズに行な
うことができる。この結果、常に触媒表面付近を良好な
状態とし、内部抵抗を減少させ、運転効率を向上させて
安定した電力を得ることができる。また、第１実施例と
同様に、負荷電流密度を急変させても生成水の排除およ
び不足水の補給をスムーズに行なうので、電解質１０の
含水率が安定し、負荷電流密を大きくして固体高分子型
燃料電池を小型化することができる。Since the cathode 20a and the anode 30a are formed of the hydrophilic carbon fiber and the water repellent carbon fiber, the water generated in the cathode 20a is removed to the flow channel 42 without staying, and the water lacking in the anode 30a is removed. The fuel gas can be sufficiently supplemented and the fuel gas can be smoothly supplied. As a result, it is possible to always keep the vicinity of the catalyst surface in a good state, reduce the internal resistance, improve the operation efficiency, and obtain stable power. Further, similarly to the first embodiment, even if the load current density is suddenly changed, the generated water is smoothly removed and the insufficient water is replenished, so that the water content of the electrolyte 10 is stable and the load current density is increased to increase the solid content. The polymer fuel cell can be miniaturized.

【００４０】第２実施例では、親水性炭素繊維と撥水性
炭素繊維との割合をほぼ均等としたが、この割合は、第
１実施例と同様に電池の種類や運転状態等により定めら
れるものであり、使用目的に合わせて種々の割合とする
ことができる。In the second embodiment, the ratio of the hydrophilic carbon fiber and the water repellent carbon fiber is set to be substantially equal, but this ratio is determined by the kind of the battery and the operating condition, as in the first embodiment. Therefore, various ratios can be used according to the purpose of use.

【００４１】次に本発明の第３の実施例である固体高分
子型燃料電池について説明する。第３実施例の固体高分
子型燃料電池のセル構造は、第２実施例の固体高分子型
燃料電池のセル構造のうちカソード２０ａおよびアノー
ド３０ａの構造を除いて同一である。第３実施例のカソ
ード２０ｂおよびアノード３０ｂは、長さα以下の親水
性炭素繊維と、長さ１ｍｍないし１０ｍｍの撥水性炭素
繊維とを１対１０ないし３対１０の割合で、厚さαのカ
ーボンペーパーまたはカーボンフェルトとしたものであ
る。この電極は、触媒として白金または白金と他の金属
からなる合金等がカーボン粉に担持され、そのカーボン
粉が炭素繊維の隙間に練り込まれているか、或いは塗布
されている。ここで、親水性炭素繊維の長さは、カソー
ド２０ｂおよびアノード３０ｂの厚さαより短いので、
親水性炭素繊維は、電極中、任意の方向に存在する。し
たがって、電極の厚さ方向にも存在することになる。な
お、撥水性炭素繊維は、第１実施例と同様の処理を施す
ことにより得ることができる。Next, a polymer electrolyte fuel cell according to a third embodiment of the present invention will be described. Cell structure of a polymer electrolyte fuel cell of the third embodiment, the cathode 20a and anode of the cell structure of a polymer electrolyte fuel cell of the second embodiment
They are identical except for the structure of the de 30a. Caso of the third embodiment
The cathode 20b and the anode 30b are made of hydrophilic carbon fibers having a length of α or less and water-repellent carbon fibers having a length of 1 mm to 10 mm at a ratio of 1:10 to 3:10 and a carbon paper or carbon having a thickness α. It is felt. In this electrode, platinum or an alloy of platinum and another metal is supported as a catalyst on carbon powder, and the carbon powder is kneaded or applied in the gap between the carbon fibers. Here, the length of the hydrophilic carbon fibers, cathode
Since shorter than the thickness of the de 20b and anode 30b α,
The hydrophilic carbon fibers are present in any direction in the electrode. Therefore, it also exists in the thickness direction of the electrode. The water-repellent carbon fiber can be obtained by performing the same treatment as in the first embodiment.

【００４２】こうして構成された第３実施例の固体高分
子型燃料電池のカソード２０ｂおよびアノード３０ｂで
も式（１）に示した化学反応式により水素と酸素とが反
応し、その反応エネルギ（化学エネルギ）を直接電気エ
ネルギに変換する。Also in the cathode 20b and the anode 30b of the solid polymer electrolyte fuel cell of the third embodiment thus constituted, hydrogen and oxygen react according to the chemical reaction formula shown in formula (1), and the reaction energy (chemical energy) ) Is directly converted into electric energy.

【００４３】カソード２０ｂに混在した親水性炭素繊維
は、カソード２０ｂの触媒（白金等）表面で生成した水
を流路４２に導いて触媒付近から取り除く。特にカソー
ド２０ｂの厚さ方向に位置する親水性炭素繊維は、水の
排除能力が大きい。また、カソード２０ｂの撥水性炭素
繊維は、繊維の周囲から水を撥じいて、酸素含有ガスを
触媒表面へ導く。一方、アノード３０ｂの親水性炭素繊
維は、水素イオンが水和状態で移動することによる水の
不足分をアノード３０ｂの流路５２側表面から水を導い
て補う。特にアノード３０ｂの厚さ方向に位置する親水
性炭素繊維は、水の補給能力が大きい。また、アノード
３０ｂの撥水性炭素繊維は、水素ガスを触媒表面へ導
く。これらの作用により、カソード２０ｂおよびアノー
ド３０ｂでの反応は、効率よく連続して行なわれる。The hydrophilic carbon fiber mixed in the cathode 20b is water produced in the catalyst (such as platinum) surface of the cathode 20b is guided to the flow path 42 removed from the vicinity of the catalyst. Especially caso
The hydrophilic carbon fibers located in the thickness direction of the cord 20b have a large water removal capacity. The water-repellent carbon fiber of the cathode 20b repels water from the periphery of the fiber and guides the oxygen-containing gas to the catalyst surface. On the other hand, the hydrophilic carbon fiber anode 30b is hydrogen ions shortfalls of water by moving in a hydrated state from the flow path 52 side surface of the anode 30b direct the water. In particular, the hydrophilic carbon fibers located in the thickness direction of the anode 30b have a large water supply capability. The water-repellent carbon fiber of the anode 30b guides hydrogen gas to the catalyst surface. By these actions, the cathode 20b and the anode
Reaction in de 30b is performed efficiently and continuously.

【００４４】以上説明した第３実施例の固体高分子型燃
料電池では、カソード２０ｂおよびアノード３０ｂを形
成する親水性炭素繊維の長さを電極の厚さより短くし、
厚さ方向にも炭素繊維が存在するようにしたので、電極
で生成する水の排除および不足する水の補給をよりスム
ーズに行なうことができる。この結果、常に触媒表面付
近を良好な状態とし、電解質１０の含水率が安定し、運
転効率を向上させて安定した電力を得ることができる。
また、電極の厚さよりも短い炭素繊維を混入させること
により、カーボンの密度が大きくなることで、電極の強
度が増すと共に電気伝導性も向上する。In the polymer electrolyte fuel cell of the third embodiment described above, the length of the hydrophilic carbon fiber forming the cathode 20b and the anode 30b is made shorter than the thickness of the electrode,
Since the carbon fibers also exist in the thickness direction, the water generated at the electrodes can be removed and the insufficient water can be replenished more smoothly. As a result, the vicinity of the catalyst surface is always kept in a good state, the water content of the electrolyte 10 is stabilized, the operating efficiency is improved, and stable power can be obtained.
Further, the carbon density is increased by mixing the carbon fiber shorter than the thickness of the electrode, so that the strength of the electrode is increased and the electrical conductivity is also improved.

【００４５】もとより、カソード２０ａおよびアノード
３０ａを撥水性炭素繊維を用いて形成したので、燃料ガ
スの供給をスムーズに行なうことができる。また、第１
実施例と同様に、負荷電流密度を急変させても生成水の
排除および不足水の補給をスムーズに行なうので、電解
質１０の含水率が安定し、負荷電流密を大きくして固体
高分子型燃料電池を小型化することができる。さらに、
カーボンペーパーまたはカーボンフェルトを切断して電
極としても、切断箇所がほつれないので、切断箇所に処
理を施す必要がなく、製造工程を簡易化することができ
る。Of course, since the cathode 20a and the anode 30a are formed by using the water-repellent carbon fiber, the fuel gas can be smoothly supplied. Also, the first
Similar to the example, even if the load current density is suddenly changed, the generated water is removed and the insufficient water is replenished smoothly, so that the water content of the electrolyte 10 becomes stable and the load current density is increased to increase the solid polymer fuel. The battery can be miniaturized. further,
Even if carbon paper or carbon felt is cut into an electrode, the cut portion does not fray, so that there is no need to treat the cut portion, and the manufacturing process can be simplified.

【００４６】第３実施例では、親水性炭素繊維と撥水性
炭素繊維との割合を１対１０ないし３対１０としたが、
この割合は、電池の種類や運転状態等により定められる
ものであり、使用目的に合わせて種々の割合とすること
ができる。また、第３実施例では、親水性炭素繊維を任
意の方向としてカソード２０ｂおよびアノード３０ｂを
形成したが、親水性炭素繊維の長手方向を電極の厚さ方
向に揃える構成も好適である。この場合、生成する水の
排除能力および不足する水の補給能力がさらに向上し、
高効率で運転することができる。In the third embodiment, the ratio of the hydrophilic carbon fiber and the water repellent carbon fiber is set to 1:10 to 3:10, but
This ratio is determined by the type of battery, operating condition, etc., and can be various ratios according to the purpose of use. Further, in the third embodiment, the cathode 20b and the anode 30b are formed with the hydrophilic carbon fiber in an arbitrary direction, but a configuration in which the longitudinal direction of the hydrophilic carbon fiber is aligned with the thickness direction of the electrode is also suitable. In this case, the ability to remove generated water and the ability to replenish insufficient water are further improved,
It can be operated with high efficiency.

【００４７】以上本発明の実施例の一例として固体高分
子型燃料電池およびこの電池に用いられる電極について
説明したが、りん酸型燃料電池やアルカリ型燃料電池等
の種々の電池およびこれらの電池に用いられる電極にも
実施し得る。また、燃料電池と同一の構成で、化学反応
が逆となる装置、例えば、実施例の固体高分子型燃料電
池と同一の構成で、化学反応が逆となるいわゆる水の電
気分解装置や水素発生装置等およびこれらの装置に用い
られる電極にも実施し得る。さらに、本発明の電極は、
エネルギ変換装置に用いられる他、エネルギ変換を目的
としない装置やエネルギ変換を行なわない装置等の電極
として用いることも可能である。Although the polymer electrolyte fuel cell and the electrodes used in this cell have been described as an example of the embodiments of the present invention, various batteries such as a phosphoric acid fuel cell and an alkaline fuel cell and these cells can be used. It can also be carried out on the electrodes used. In addition, a device having the same structure as the fuel cell but having a reverse chemical reaction, for example, a so-called water electrolyzer or hydrogen generating device having the same structure as the polymer electrolyte fuel cell of the embodiment but having a reverse chemical reaction It can also be implemented in devices and the like and the electrodes used in these devices. Further, the electrode of the present invention is
Besides being used as an energy conversion device, it can also be used as an electrode of a device not intended for energy conversion or a device not performing energy conversion.

【００４８】[0048]

【発明の効果】以上説明したように本発明の第１のエネ
ルギ変換装置では、電極を、親水性を有する親水性炭素
繊維と、撥水性を有する撥水性炭素繊維とを混在させて
形成したので、電極付近の生成水の排除または補給水の
供給、電極へのガスの供給または排除をスムーズに行な
うことができる。この結果、連続して安定したエネルギ
変換をすることができる。As described above, in the first energy conversion device of the present invention, the electrode is formed by mixing the hydrophilic carbon fiber having hydrophilicity and the water repellent carbon fiber having water repellency. It is possible to smoothly remove the generated water in the vicinity of the electrode or supply the makeup water, and supply or remove the gas to the electrode. As a result, continuous and stable energy conversion can be performed.

【００４９】本発明の第２のエネルギ変換装置では、カ
ソードおよびアノードにおける電気化学反応に基づいて
親水性を有する親水性炭素繊維と、撥水性を有する撥水
性炭素繊維との割合を定めて電極を形成したので、カソ
ードおよびアノードでスムーズに電気化学反応を行なう
ことができ、連続して安定したエネルギ変換をすること
ができる。[0049] In the second energy conversion device of the present invention, Ca
Hydrophilic carbon fibers having a hydrophilic based on electrochemical reaction at cathode and anode, so to form an electrode defining a ratio of the water-repellent carbon fiber having water repellency, Caso
The electrochemical reaction can be smoothly performed on the cathode and the anode , and continuous and stable energy conversion can be performed.

【００５０】本発明の電極では、親水性炭素繊維と撥水
性炭素繊維とを用いて電極を形成したので、電極は、同
時に親水性と撥水性を示すことができる。すなわち、親
水性炭素繊維により生成水の排除または補給水の供給を
容易にすることができ、撥水性炭素繊維によりガスの排
除または供給を容易にすることができる。また、成形後
に機械加工が必要ないので、製造が容易で、低コストと
することができる。さらに、親水性炭素繊維と撥水性炭
素繊維とを所定の割合で織り込んだカーボンクロスとし
て形成した構成とすれば、従来の製造工程と同様の行程
にて親水性と撥水性とを兼ね備えることができる。親水
性炭素繊維と撥水性炭素繊維とを所定の割合で混在させ
たカーボンペーパーまたはカーボンフェルトとして形成
した構成とすれば、親水性と撥水性とを兼ね備えること
ができると共に、自由な形状に直接形成することができ
る。In the electrode of the present invention, since the electrode is formed by using the hydrophilic carbon fiber and the water repellent carbon fiber, the electrode can exhibit hydrophilicity and water repellency at the same time. That is, the hydrophilic carbon fibers can facilitate the removal of generated water or the supply of makeup water, and the water-repellent carbon fibers can facilitate the exclusion or supply of gas. In addition, since machining is not required after molding, manufacturing is easy and the cost can be reduced. Further, when the carbon cloth in which the hydrophilic carbon fiber and the water repellent carbon fiber are woven in a predetermined ratio is formed, it is possible to have both hydrophilicity and water repellency in the same process as the conventional manufacturing process. . If hydrophilic carbon fibers and water-repellent carbon fibers are mixed in a predetermined ratio to form carbon paper or carbon felt, it is possible to have both hydrophilicity and water repellency and directly form a free shape. can do.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図１】本発明の一実施例である固体高分子型燃料電池
のセル構造の模式図である。FIG. 1 is a schematic view of a cell structure of a polymer electrolyte fuel cell which is an embodiment of the present invention.

【図２】カソード２０およびアノード３０の一部を拡大
した拡大説明図である。FIG. 2 is an enlarged explanatory view in which a part of a cathode 20 and an anode 30 is enlarged.

【図３】カソード２０およびアノード３０の変形例の一
部を拡大した拡大説明図である。FIG. 3 is an enlarged explanatory diagram in which a part of a modified example of the cathode 20 and the anode 30 is enlarged.

【図４】カソード２０およびアノード３０の変形例の一
部を拡大した拡大説明図である。FIG. 4 is an enlarged explanatory diagram in which a part of a modified example of the cathode 20 and the anode 30 is enlarged.

【図５】縦糸２２ｃおよび横糸２４ｃの構成を例示する
説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram illustrating the configuration of warp yarns 22c and weft yarns 24c.

【図６】縒り糸２８の構成を例示する説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram illustrating the configuration of the twisted yarn 28.

【図７】第２実施例のカソード２０ａおよびアノード３
０ａの外観を例示する説明図である。FIG. 7 is a cathode 20a and an anode 3 of the second embodiment.
It is explanatory drawing which illustrates the external appearance of 0a.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１０…電解質 ２０，２０ａ，２０ｂ…カソード ２２，２２ａ，２２ｂ，２２ｃ…縦糸 ２３…親水性炭素繊維 ２４，２４ａ，２４ｂ，２４ｃ…横糸 ２５…撥水性炭素繊維 ２８…縒り糸 ３０，３０ａ，３０ｂ…アノード ４０，５０…ガス流路構造体 ４２，５２…流路 ６０…セパレータ 10 ... Electrolyte 20, 20a, 20b ... Cathode 22, 22a, 22b, 22c ... Warp yarn 23 ... Hydrophilic carbon fiber 24, 24a, 24b, 24c ... weft 25 ... Water-repellent carbon fiber 28 ... twisted yarn 30, 30a, 30b ... Anode 40, 50 ... Gas flow channel structure 42, 52 ... flow path 60 ... Separator

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項１】 カソードと、アノードと、電解質とを備
え、物質の化学エネルギと電気エネルギとを直接変換す
るエネルギ変換装置において、 前記カソードまたはアノードのうち少なくとも一方は、
親水性を有する親水性炭素繊維と、撥水性を有する撥水
性炭素繊維とを混在させて形成してなることを特徴とす
るエネルギ変換装置。A cathode [1 claim], an anode, and an electrolyte, the energy conversion device that converts the chemical energy and electrical energy of a substance directly, at least one of the cathode or anode,
An energy conversion device comprising a mixture of hydrophilic carbon fibers having hydrophilicity and water-repellent carbon fibers having water repellency. 【請求項２】 カソードと、アノードと、該両極間に配
置する電解質とを備え、物質の化学エネルギと電気エネ
ルギとを直接変換するエネルギ変換装置において、 前記カソードは、親水性を有する親水性炭素繊維と、撥
水性を有する撥水性炭素繊維とを該カソードにおける電
気化学反応に基づく第１の割合で混在させて形成し、 前記アノードは、親水性を有する親水性炭素繊維と、撥
水性を有する撥水性炭素繊維とを該アノードにおける電
気化学反応に基づく第２の割合で混在させて形成してな
ることを特徴とするエネルギ変換装置。2. A cathode, an anode, and an electrolyte arranging between the both poles, the energy conversion device that converts the chemical energy and electrical energy of a substance directly, the cathode, hydrophilic carbon having a hydrophilic Fiber and water-repellent carbon fiber having water repellency are mixed and formed at a first ratio based on an electrochemical reaction in the cathode , and the anode has hydrophilic carbon fiber having hydrophilicity and water repellency. An energy conversion device characterized in that it is formed by mixing water-repellent carbon fibers in a second ratio based on an electrochemical reaction in the anode . 【請求項３】 請求項１または請求項２記載のエネルギ
変換装置であって、 前記カソードおよび前記アノードを、親水性を有する親
水性炭素繊維と撥水性を有する撥水性炭素繊維とを所定
の割合としたカーボンクロス、カーボンペーパーまたは
カーボンフェルトとして 形成してなることを特徴とする
エネルギ変換装置。3. The energy according to claim 1 or 2.
A conversion device, wherein the cathode and the anode have a hydrophilic parent.
Prescribes water-based carbon fibers and water-repellent carbon fibers
Of carbon cloth, carbon paper or
An energy conversion device characterized by being formed as carbon felt . 【請求項４】 物質の化学エネルギと電気エネルギとを
直接変換するエネルギ変換装置に用いる電極であって、親水性を有する 親水性炭素繊維と撥水性を有する撥水性
炭素繊維とを所定の割合で混在させて形成してなる電
極。4. Chemical energy and electric energy of a substance
An electrode used in an energy conversion device for direct conversion, the electrode being formed by mixing hydrophilic carbon fibers having hydrophilicity and water- repellent carbon fibers having water repellency in a predetermined ratio. 【請求項５】 請求項４記載の電極であって、 前記親水性炭素繊維と前記撥水性炭素繊維とを所定の割
合で混在させたカーボンクロス、カーボンペーパーまた
はカーボンフェルトとして形成した電極。5. The electrode according to claim 4 , wherein the hydrophilic carbon fiber and the water-repellent carbon fiber are mixed in a predetermined ratio to form a carbon cloth, carbon paper or carbon felt.
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