JP4736936B2 - Fuel cell assembly - Google Patents

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Description

この発明は燃料電池用接合体及び製造方法に係り、特に車両への搭載に適した燃料電池及び製造方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell assembly and a manufacturing method, and more particularly to a fuel cell suitable for mounting in a vehicle and a manufacturing method.

従来、例えば特開２００５−１７４７６８号公報に開示されるように、拡散層に親水性物質を含有する燃料電池が開示されている。燃料電池は、通常、電解質膜を備え、電解質膜を挟持するように、アノード極とカソード極とを備えている。アノード極とカソード極はそれぞれ、電解質膜から離反する形で、触媒層と、拡散層と、セパレータとを備えている。燃料電池の動作の際には、アノード側のセパレータと拡散層の間に水素ガスが供給され、カソード側のセパレータと拡散層の間に空気（酸素）ガスが供給される。供給されたガスは、拡散層を透過し、触媒層付近に到達する。そして、発電動作に伴って、カソード側の触媒層付近で水が生成される。   Conventionally, as disclosed in, for example, JP-A-2005-174768, a fuel cell containing a hydrophilic substance in a diffusion layer has been disclosed. A fuel cell usually includes an electrolyte membrane, and includes an anode electrode and a cathode electrode so as to sandwich the electrolyte membrane. Each of the anode and cathode is separated from the electrolyte membrane, and includes a catalyst layer, a diffusion layer, and a separator. During the operation of the fuel cell, hydrogen gas is supplied between the anode-side separator and the diffusion layer, and air (oxygen) gas is supplied between the cathode-side separator and the diffusion layer. The supplied gas passes through the diffusion layer and reaches the vicinity of the catalyst layer. Then, with the power generation operation, water is generated in the vicinity of the catalyst layer on the cathode side.

良好な電池性能を得るためには、電解質膜を十分に保湿することが重要である。一方、過度の水が電池内部に滞留していると、ガス拡散性が阻害され、電池性能が低下してしまう。カソード側の触媒層付近で水が生成することから、触媒層から拡散層方向への水の排出能力を向上させる必要がある。そこで、上記従来装置は、拡散層において排水を行うため、拡散層に親水性物質を含有していた。
特開２００５−１７４７６８号公報 In order to obtain good battery performance, it is important that the electrolyte membrane is sufficiently moisturized. On the other hand, if excessive water stays inside the battery, gas diffusibility is hindered and battery performance is degraded. Since water is generated in the vicinity of the catalyst layer on the cathode side, it is necessary to improve the water discharge capability from the catalyst layer toward the diffusion layer. Therefore, in the conventional apparatus, since the drainage is performed in the diffusion layer, the diffusion layer contains a hydrophilic substance.
JP 2005-174768 A

ところで、カソード側の触媒層付近で水が生成されるため、カソード側の拡散層では主に排水力が求められる。一方、アノード側の拡散層では、電解質膜の保湿のために、主に保湿力が求められる。上記従来の公報には、親水性物質を含有する拡散層の製造方法が開示されている。この方法では、細孔材と親水性物質を含む溶液はペースト状に混合される。そして、作成したペーストを乾燥することより拡散層を製造している。しかし、従来の製造方法では、親水性物質が細孔材の細孔に入り込み、膜状に形成され、細孔を塞いでしまう可能性があった。このため、ガス拡散性を阻害し、電池性能を低下してしまう恐れがあった。   By the way, since water is generated in the vicinity of the catalyst layer on the cathode side, drainage power is mainly required in the diffusion layer on the cathode side. On the other hand, the anode-side diffusion layer is mainly required to have a moisturizing power in order to keep the electrolyte membrane moist. The above conventional publication discloses a method for producing a diffusion layer containing a hydrophilic substance. In this method, the solution containing the pore material and the hydrophilic substance is mixed in a paste form. And the diffusion layer is manufactured by drying the created paste. However, in the conventional manufacturing method, there is a possibility that the hydrophilic substance enters the pores of the pore material and is formed in a film shape to block the pores. For this reason, there existed a possibility that gas diffusibility may be inhibited and battery performance may fall.

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ガス拡散性を確保し、かつ、適度に排水または保湿を行う燃料電池用接合体を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell assembly that ensures gas diffusibility and appropriately drains or retains moisture.

第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池用接合体であって、電解質膜と、前記電解質膜に接し、燃料ガスの反応を促進させる触媒層と、前記触媒層に接し、前記燃料ガスを拡散させる拡散層と、を備え、前記拡散層には、前記触媒層から離反する方向へ空隙率が小さくなる領域と、前記触媒層から離反する方向へ細孔径が大きくなる領域とを備えることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the first invention is a fuel cell assembly, which is in contact with an electrolyte membrane, a catalyst layer in contact with the electrolyte membrane and promoting a reaction of fuel gas, and the catalyst layer. A diffusion layer for diffusing the fuel gas , wherein the diffusion layer has a region where the porosity decreases in a direction away from the catalyst layer, and a region where the pore diameter increases in a direction away from the catalyst layer. It is characterized by providing.

第２の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池用接合体であって、電解質膜と、前記電解質膜に接し、燃料ガスの反応を促進させる触媒層と、前記触媒層に接し、前記燃料ガスを拡散させる拡散層と、を備え、前記拡散層には、前記触媒層から離反する方向へ空隙率が小さくなり、かつ細孔径が大きくなる領域を備えることを特徴とする。 In order to achieve the above object , the second invention is a fuel cell assembly comprising an electrolyte membrane, a catalyst layer in contact with the electrolyte membrane and promoting a reaction of fuel gas, and in contact with the catalyst layer. A diffusion layer for diffusing the fuel gas, wherein the diffusion layer has a region in which the porosity decreases and the pore diameter increases in a direction away from the catalyst layer.

第３の発明は、第１の発明もしくは第２の発明のいずれか１つに記載の燃料電池用接合体であって、前記拡散層には、局所的に親水性物質が設けられていることを特徴とする。 A third invention is the assembly for a fuel cell according to any one of the first invention or the second invention, wherein the diffusion layer is locally provided with a hydrophilic substance. It is characterized by.

第４の発明は、第３の発明記載の燃料電池用接合体であって、前記親水性物質は、球形で粒状の親水性物質であることを特徴とする。   A fourth invention is a fuel cell assembly according to the third invention, wherein the hydrophilic substance is a spherical and granular hydrophilic substance.

第５の発明は、第１の発明−第４の発明のいずれか１つに記載の燃料電池用接合体であって、前記拡散層はカソード側の拡散層であることを特徴とする。 A fifth invention is the fuel cell assembly according to any one of the first invention to the fourth invention , wherein the diffusion layer is a diffusion layer on the cathode side .

第１の発明によれば、触媒層から離反する方向へ空隙率が小さくなるような領域を備える。ガスは、空隙率が小さい方向に透過しにくい性質を持つ。よって、本発明によれば、ガスによる水蒸気の排出はされ難いため、その排出を抑制できる。このため、本発明によれば、優れた保湿力を有する。また、第１の発明によれば、触媒層から離反する方向へ細孔径が大きくなるような領域を備える。主にPTFEやPVDFといった撥水性の材料から構成される拡散層の場合、液体水は細孔径の大きい方向に透過しやすい性質を持つ。よって、本発明によれば、高い排水力を有する。 According to 1st invention, the area | region where a porosity becomes small in the direction away from a catalyst layer is provided. Gas has a property of being difficult to permeate in a direction where the porosity is small. Therefore, according to the present invention, since it is difficult to discharge water vapor by gas, the discharge can be suppressed. For this reason, according to this invention, it has the outstanding moisturizing power. In addition, according to the first invention, the region is provided in which the pore diameter increases in the direction away from the catalyst layer. In the case of a diffusion layer composed mainly of a water-repellent material such as PTFE or PVDF, liquid water tends to permeate in the direction of larger pore diameter. Therefore, according to this invention, it has high drainage power.

第２の発明によれば、触媒層から離反する方向へ空隙率が小さくなり、かつ細孔径が大きくなる領域を備える。よって、本発明によれば、水蒸気の排出抑制と液体水の移動促進との両立が可能となる。 According to the second aspect of the invention, there is provided a region where the porosity decreases in the direction away from the catalyst layer and the pore diameter increases. Therefore, according to the present invention, it is possible to suppress both the discharge of water vapor and promote the movement of liquid water.

第３の発明によれば、親水性物質を局所的に含有しているため、ガスの透過する細孔を確保しながら水を吸収できるので、ガス拡散性と排水性とを確保できる。 According to the third invention, since the hydrophilic substance is locally contained, water can be absorbed while ensuring the pores through which the gas permeates, so that it is possible to ensure gas diffusibility and drainage.

第４の発明によれば、拡散層に球形で粒状の親水性物質を含有することより、ガスの通過する細孔を特に確保しやすい。このため、本発明によれば、良好なガス拡散性を有することができる。また、粒形で球状の親水性物質は水分の蒸発を抑制する。よって、本発明によれば、保湿性が得られる。 According to the fourth invention, since the diffusion layer contains a spherical and granular hydrophilic substance, it is particularly easy to secure pores through which gas passes. For this reason, according to this invention, it can have favorable gas diffusibility. Moreover, the spherical and spherical hydrophilic substance suppresses evaporation of moisture. Therefore, according to the present invention, moisture retention can be obtained.

第５の発明によれば、カソード側の触媒層付近に存在する水は、親水性物質に吸収される。本発明によれば、カソード側の触媒層付近で生成された水は拡散層方向へ排出されやすい。その結果、拡散層内にガスの通路が確保されやすい。このため、本発明によれば、カソード側において良好なガス拡散性が得られる。 According to the fifth invention, water present in the vicinity of the catalyst layer on the cathode side is absorbed by the hydrophilic substance. According to the present invention, the water generated in the vicinity of the catalyst layer on the cathode side is easily discharged toward the diffusion layer. As a result, a gas passage is easily secured in the diffusion layer. Therefore, according to the present invention, good gas diffusibility can be obtained on the cathode side.

実施の形態１．
[実施の形態１の構成]
図１は、本発明の実施の形態１の燃料電池１０の構成を説明するための図である。本実施の形態１の燃料電池１０は、電解質膜１２を備えている。電解質膜１２は、水素イオンを選択的に透過させる固体高分子膜などにて構成される。電解質膜１２には、例えば、バーフルオロスルホン酸系イオン交換膜などを用いる。電解質膜１２を挟んで、アノードとカソードが形成されている。 Embodiment 1 FIG.
[Configuration of Embodiment 1]
FIG. 1 is a diagram for explaining the configuration of a fuel cell 10 according to Embodiment 1 of the present invention. The fuel cell 10 according to the first embodiment includes an electrolyte membrane 12. The electrolyte membrane 12 is composed of a solid polymer membrane that selectively permeates hydrogen ions. For example, a bar fluorosulfonic acid ion exchange membrane is used for the electrolyte membrane 12. An anode and a cathode are formed across the electrolyte membrane 12.

電解質膜１２の双方の面全体に、アノード側には触媒層１４が、カソード側には触媒層１６が形成されている。触媒層１４、１６は、電解質膜表面に貼付されている層であり、電解質膜１２の表面全体に白金を担持させたカーボンと電解質とを塗布して、形成されている。   On both surfaces of the electrolyte membrane 12, a catalyst layer 14 is formed on the anode side, and a catalyst layer 16 is formed on the cathode side. The catalyst layers 14 and 16 are layers attached to the surface of the electrolyte membrane, and are formed by applying carbon carrying platinum on the entire surface of the electrolyte membrane 12 and an electrolyte.

アノード側には触媒層１４の上に拡散層１８が、カソード側には触媒層１６の上に拡散層２０が形成されている。アノード側には拡散層１８の上にセパレータ２２が、カソード側には拡散層２０の上にセパレータ２４が、配置される。アノード側には水素ガスが流れ込み、カソード側には空気（酸素）ガスが流れ込む。それぞれの側に供給されたガスが、拡散層１８，２０を通して、触媒層１４，１６に到達するように、セパレータ２２，２４と、拡散層１８，２０は備えられている。   A diffusion layer 18 is formed on the catalyst layer 14 on the anode side, and a diffusion layer 20 is formed on the catalyst layer 16 on the cathode side. A separator 22 is disposed on the diffusion layer 18 on the anode side, and a separator 24 is disposed on the diffusion layer 20 on the cathode side. Hydrogen gas flows into the anode side, and air (oxygen) gas flows into the cathode side. The separators 22 and 24 and the diffusion layers 18 and 20 are provided so that the gas supplied to each side reaches the catalyst layers 14 and 16 through the diffusion layers 18 and 20.

拡散層１８、２０とセパレータ２２、２４との間に、燃料として、アノード側に水素ガスと、カソード側に空気（酸素）ガスとが供給される。供給された水素ガスは、拡散層１８を通してアノード側の触媒層１４に到達する。そして、アノード側の触媒層１４付近で、以下の反応により水素イオンH+と電子e-を生成する。 Between the diffusion layers 18 and 20 and the separators 22 and 24, hydrogen gas is supplied to the anode side and air (oxygen) gas is supplied to the cathode side as fuel. The supplied hydrogen gas reaches the catalyst layer 14 on the anode side through the diffusion layer 18. In the vicinity of the catalyst layer 14 on the anode side, hydrogen ions H + and electrons e − are generated by the following reaction.

アノード側反応: H2→2H++2e- ・・・（１） Anode side reaction: H 2 → 2H + + 2e − (1)

上記の反応により生成された電子e-は、図に明示しない導電通路を介して、カソード側に伝播される。一方、電子e-と共に生成された水素イオンは、電解質膜１２を通り、カソードの触媒層１６付近に到達する。また、アノードから伝播された電子e-と、カソードに供給された空気ガスとが、カソードの触媒層１６付近に到達する。その結果、カソード側の触媒層１６では、以下の反応が生じる。 Electrons e − generated by the above reaction are propagated to the cathode side through conductive paths not shown in the figure. On the other hand, the hydrogen ions generated together with the electrons e − pass through the electrolyte membrane 12 and reach the vicinity of the catalyst layer 16 of the cathode. Further, the electrons e − propagated from the anode and the air gas supplied to the cathode reach the vicinity of the catalyst layer 16 of the cathode. As a result, the following reaction occurs in the catalyst layer 16 on the cathode side.

カソード側反応: 2H++2e-+(1/2)O2→H20 ・・・（２） The cathode reaction: 2H + + 2e - + ( 1/2) O 2 → H 2 0 ··· (2)

燃料電池１０は、上記反応（１）及び上記反応（２）を生じさせることにより、水を生成しながら電気エネルギーを発生する。反応（２）により、カソード側の触媒層１６付近で水を生成する。   The fuel cell 10 generates electric energy while generating water by causing the reaction (1) and the reaction (2). By the reaction (2), water is generated in the vicinity of the catalyst layer 16 on the cathode side.

図２は、カソード側の拡散層２０を拡大して表した図である。図２に示すように、拡散層２０は、空気の供給される側から触媒層側へ、基材層２６と、撥水層２８と、水マネジメント層３０とを積層して構成されている。   FIG. 2 is an enlarged view of the diffusion layer 20 on the cathode side. As shown in FIG. 2, the diffusion layer 20 is configured by laminating a base material layer 26, a water repellent layer 28, and a water management layer 30 from the air supply side to the catalyst layer side.

基材層２６は、カーボンペーパ３２と、撥水材（図示略）とで、構成されている。ここで、撥水材としてポリテトラフルオロチレン（以下PTFEと称す）を用いている。カーボンペーパ３２は、カーボンを材料として用い、多孔質の薄板で構成したものである。カーボンペーパ３２は、カーボンを用いていることから導電性を有し、更に多孔質であるためガスを拡散することができる。また、カーボンペーパ３２は、生成水を排出する役割も果たす。   The base material layer 26 is composed of carbon paper 32 and a water repellent material (not shown). Here, polytetrafluoroethylene (hereinafter referred to as PTFE) is used as the water repellent material. The carbon paper 32 is made of a porous thin plate using carbon as a material. Since the carbon paper 32 uses carbon, the carbon paper 32 has conductivity and is porous, so that the gas can diffuse. The carbon paper 32 also serves to discharge generated water.

撥水層２８は、アセチレンブラック３４と撥水材とで構成されている。ここで、アセチレンブラックは１次粒径４０μmのものを用い、撥水材はPTFE３６を用いている。PTFEはアセチレンブラック粒を支持するように接着されている。アセチレンブラックとPTFEの存在しない部分には、空隙が存在している。この空隙を通して、空気（酸素）ガスが通過できるようになっている。   The water repellent layer 28 is composed of acetylene black 34 and a water repellent material. Here, acetylene black having a primary particle size of 40 μm is used, and PTFE 36 is used as the water repellent material. PTFE is bonded to support the acetylene black grains. There are voids in the portions where acetylene black and PTFE are not present. Air (oxygen) gas can pass through the gap.

水マネジメント層３０は、粒状のパーフルオロスルホン酸ポリマー３８と、アセチレンブラック４０と、撥水材とで構成されている。ここで、パーフルオロスルホン酸ポリマー３８は粒径１０μmのものを用い、撥水材はPVDF４２を用いている。ここで、アセチレンブラック４０は1次粒径４０μmのものを用いる。粒状のパーフルオロスルホン酸ポリマー３８とアセチレンブラック４０を支持するようにPVDF４２が混合されている。粒状のパーフルオロスルホン酸ポリマー３８の存在しない部分には、空気（酸素）ガスの通過する空隙が確保されている。   The water management layer 30 is composed of granular perfluorosulfonic acid polymer 38, acetylene black 40, and a water repellent material. Here, a perfluorosulfonic acid polymer 38 having a particle diameter of 10 μm is used, and PVDF 42 is used as the water repellent material. Here, acetylene black 40 having a primary particle size of 40 μm is used. PVDF 42 is mixed so as to support the granular perfluorosulfonic acid polymer 38 and acetylene black 40. In a portion where the granular perfluorosulfonic acid polymer 38 does not exist, a space through which air (oxygen) gas passes is secured.

水マネジメント層３０に含有されるパーフルオロスルホン酸ポリマー３８は、球形の粒状である。同じ体積の物質と比べて、球形に近づくほど、比表面積は小さくなる。このため、パーフルオロスルホン酸ポリマー３８の比表面積は、十分に小さいものとなっている。   The perfluorosulfonic acid polymer 38 contained in the water management layer 30 has a spherical granular shape. The closer to a sphere, the smaller the specific surface area compared to a material with the same volume. For this reason, the specific surface area of the perfluorosulfonic acid polymer 38 is sufficiently small.

[実施の形態１の作用]
上述のとおり、燃料電池の動作の際には、拡散層２０とセパレータ２４との間に、空気（酸素）ガスが供給される。供給されたガスは、水マネジメント層３０内の細孔を通過し、触媒層１６付近に到達する。また、排出されるガスは、水マネジメント層３０内の細孔を通過し、基材層２６方向へ排出される。 [Operation of the first embodiment]
As described above, air (oxygen) gas is supplied between the diffusion layer 20 and the separator 24 during the operation of the fuel cell. The supplied gas passes through the pores in the water management layer 30 and reaches the vicinity of the catalyst layer 16. Further, the discharged gas passes through the pores in the water management layer 30 and is discharged toward the base material layer 26.

上述のとおり、燃料電池１０の動作時、カソード側の触媒層１６付近で水が生成する。生成された水の一部は、触媒層１６から水マネジメント層３０のパーフルオロスルホン酸ポリマー３８に吸収される。パーフルオロスルホン酸ポリマー３８に吸収された水、及び、水マネジメント層３０の空隙等に存在する水の一部は、排出される気体に含まれる形で、水マネジメント層３０内の空隙を通り、基材層２６方向へと排出される。また、生成された水の一部は、電解質膜１２に吸収され、電解質膜１２を保湿する。さらに、電解質に吸収された水の一部は、電解質膜１２を透過し、アノード側の拡散層２０に到達する。   As described above, during the operation of the fuel cell 10, water is generated in the vicinity of the catalyst layer 16 on the cathode side. Part of the generated water is absorbed by the perfluorosulfonic acid polymer 38 of the water management layer 30 from the catalyst layer 16. The water absorbed in the perfluorosulfonic acid polymer 38 and a part of the water present in the voids of the water management layer 30 are included in the discharged gas and pass through the voids in the water management layer 30. It is discharged in the direction of the base material layer 26. Further, a part of the generated water is absorbed by the electrolyte membrane 12 and keeps the electrolyte membrane 12 moisturized. Further, part of the water absorbed by the electrolyte passes through the electrolyte membrane 12 and reaches the diffusion layer 20 on the anode side.

上述のとおり、水マネジメント層３０に含有されるパーフルオロスルホン酸ポリマー３８は、球形の粒状であり、比表面積が十分に小さい形状とされている。パーフルオロスルホン酸ポリマーの体積が大きければ、水の吸収力は上昇する。また、パーフルオロスルホン酸ポリマーの表面積が小さければ、ポリマー内部の水は蒸発しにくくなる。よって、球形で粒状のパーフルオロスルホン酸ポリマーは、水の吸収力の高く、且つ、蒸発を抑制できることから、保湿性に優れている。   As described above, the perfluorosulfonic acid polymer 38 contained in the water management layer 30 is spherical and has a sufficiently small specific surface area. If the volume of the perfluorosulfonic acid polymer is large, the water absorption capacity increases. Further, if the surface area of the perfluorosulfonic acid polymer is small, the water inside the polymer is difficult to evaporate. Therefore, the spherical and granular perfluorosulfonic acid polymer has high water absorbency and can suppress evaporation, and thus has excellent moisture retention.

[実施の形態１の効果]
図３は、本発明の実施の形態１と、比例１と比較例２とを、評価した結果を表す図である。アノード側及びカソード側を加湿することなく燃料電池を動作させた際の、電圧と冷却水の出口温度とを、あらわす。縦軸は電圧、横軸は温度である。図３において、それぞれ、黒丸は実施の形態１を、白丸は比較例１を、斜線された白丸は比較例２を、あらわす。 [Effect of Embodiment 1]
FIG. 3 is a diagram showing the results of evaluation of Embodiment 1, proportional 1 and comparative example 2 of the present invention. The voltage and the outlet temperature of the cooling water when the fuel cell is operated without humidifying the anode side and the cathode side are shown. The vertical axis is voltage, and the horizontal axis is temperature. In FIG. 3, black circles represent the first embodiment, white circles represent Comparative Example 1, and hatched white circles represent Comparative Example 2.

ここで、比較例１は、実施の形態１の構成と比較して、水マネジメント層を設けない燃料電池である。すなわち、比較例１の拡散層は、空気の供給される側から触媒層側へ、基材層と撥水層とを積層して形成されている。   Here, the comparative example 1 is a fuel cell in which the water management layer is not provided as compared with the configuration of the first embodiment. That is, the diffusion layer of Comparative Example 1 is formed by laminating the base material layer and the water repellent layer from the air supply side to the catalyst layer side.

ここで、比較例２は、実施の形態１の構成と比較して、水マネジメント層の構成の異なる燃料電池である。比較例２の水マネジメント層は、膜状のパーフルオロスルホン酸ポリマーと、アセチレンブラックとで構成されている。特に、ここでは、膜状のパーフルオロスルホン酸ポリマーが、ガスの通過する細孔を、一部塞ぐように構成されている。比較例２は、後述の比較例２の製造方法により製造される。   Here, the comparative example 2 is a fuel cell in which the configuration of the water management layer is different from the configuration of the first embodiment. The water management layer of Comparative Example 2 is composed of a film-like perfluorosulfonic acid polymer and acetylene black. In particular, here, the membrane-like perfluorosulfonic acid polymer is configured to partially block the pores through which the gas passes. The comparative example 2 is manufactured by the manufacturing method of the comparative example 2 mentioned later.

図３の低温時における、実施の形態１と、比較例１及び比較例２との比較結果について説明する。低温時では、電池内部の水は、主に液体として存在している場合が多い。液体の水が拡散層の細孔に入り込むことより、ガス拡散性が阻害され、電池性能が低下する恐れがある。   A comparison result between Embodiment 1 and Comparative Example 1 and Comparative Example 2 at the time of low temperature in FIG. 3 will be described. When the temperature is low, the water inside the battery often exists mainly as a liquid. Since liquid water enters the pores of the diffusion layer, gas diffusibility is hindered and battery performance may be reduced.

低温時、実施の形態１は、比較例１と比べて、著しく電圧が高くなっている。比較例１では、生成した水の一部が拡散層の細孔に入り込み、ガス拡散性を阻害し、電池性能が低下していると考えられる。一方、実施の形態１では、触媒層付近で生成した水が、水マネジメント層に含有された粒状のパーフルオロスルホン酸ポリマー３８に吸収され、基材層方向へと排出されることから、ガス拡散性が維持されたと考えられる。   At a low temperature, the voltage in Embodiment 1 is significantly higher than that in Comparative Example 1. In Comparative Example 1, it is considered that part of the generated water enters the pores of the diffusion layer, hinders gas diffusibility, and battery performance is degraded. On the other hand, in the first embodiment, the water generated in the vicinity of the catalyst layer is absorbed by the granular perfluorosulfonic acid polymer 38 contained in the water management layer and discharged in the direction of the base material layer. It is thought that sex was maintained.

実施の形態１は、比較例２と比べて、著しく電圧が高くなっている。比較例２では、パーフルオロスルホン酸ポリマーが膜状になっているため、ガス拡散性が阻害されやすい。特に低温時、比較例２では、わずかに生成した水により、拡散層の細孔が塞がれやすく、ガス拡散性が低下しやすい。一方、実施の形態１は、パーフルオロスルホン酸ポリマー３８が局所的にあるため、ガスの透過する細孔を十分に備えている。よって、実施の形態１は、高いガス拡散性と良好な排水性を確保しているといえる。   The voltage in Embodiment 1 is significantly higher than that in Comparative Example 2. In Comparative Example 2, since the perfluorosulfonic acid polymer is in the form of a film, gas diffusibility is likely to be hindered. In particular, at a low temperature, in Comparative Example 2, the pores of the diffusion layer are likely to be blocked by slightly generated water, and the gas diffusibility tends to decrease. On the other hand, since the perfluorosulfonic acid polymer 38 is locally present in the first embodiment, the gas-permeable fine pores are sufficiently provided. Therefore, Embodiment 1 can be said to ensure high gas diffusibility and good drainage.

図３の高温時での、実施の形態１と、比較例１及び比較例２との、比較結果について説明する。高温時、電池内部の水は、主に気体として存在している場合が多い。そして、高温時、電池内部は乾燥した状態である場合が多い。良好な電池性能を確保するためには、電解質膜の保湿が重要である。   Comparison results between Embodiment 1 and Comparative Examples 1 and 2 at a high temperature in FIG. 3 will be described. When the temperature is high, the water inside the battery often exists mainly as a gas. In many cases, the inside of the battery is in a dry state at a high temperature. In order to ensure good battery performance, moisture retention of the electrolyte membrane is important.

高温時、実施の形態１は、比較例１と比べて、著しく電圧が高くなっている。比較例１では親水性物質を含まないため、電解質膜が乾燥しやすい。電池性能の低下は、この電解質膜の乾燥に起因すると考えられる。一方、実施の形態１では、触媒層１６付近で発生した水は、パーフルオロスルホン酸ポリマー３８に吸収されて、電池内部に留まることができる。よって、電解質膜の乾燥を防ぐことができる。したがって、実施の形態１は、保湿性を有していると考えられる。   The voltage in Embodiment 1 is significantly higher than that in Comparative Example 1 at high temperatures. In Comparative Example 1, since the hydrophilic substance is not included, the electrolyte membrane is easily dried. The decrease in battery performance is considered to result from the drying of the electrolyte membrane. On the other hand, in the first embodiment, the water generated in the vicinity of the catalyst layer 16 can be absorbed by the perfluorosulfonic acid polymer 38 and remain inside the battery. Therefore, drying of the electrolyte membrane can be prevented. Therefore, Embodiment 1 is considered to have moisture retention.

高温時に、実施の形態１が比較例２より良好な電池性能が得られている。この理由のひとつとして、パーフルオロスルホン酸ポリマー３８が球形の粒状であることが挙げられる。上述のとおり、球形で粒状のパーフルオロスルホン酸ポリマー３８は、水の吸収力の高く、且つ、水の蒸発を抑制でき、保湿性に優れている。よって、実施の形態１は、特に高温時における急激な水分の蒸発を、抑制することができると考えられる。   The battery performance of Embodiment 1 better than that of Comparative Example 2 is obtained at high temperatures. One reason for this is that the perfluorosulfonic acid polymer 38 has a spherical granular shape. As described above, the spherical and granular perfluorosulfonic acid polymer 38 has high water absorbability, can suppress water evaporation, and is excellent in moisture retention. Therefore, it is considered that Embodiment 1 can suppress rapid evaporation of moisture particularly at high temperatures.

したがって、本発明の実施の形態１は、ガス拡散を阻害することなく、電池内部の水を適切に管理することのできる燃料電池である。   Therefore, Embodiment 1 of the present invention is a fuel cell that can appropriately manage the water inside the cell without inhibiting gas diffusion.

また、パーフルオロスルホン酸ポリマーは氷点下時に凍結せずに水を蓄積できる特性を持っている。よって、パーフルオロスルホン酸ポリマー３８に吸収された水は、氷点下時に、氷結せずに存在できる。したがって、拡散層２０付近の氷結による過度な負荷を抑制することができる。   In addition, perfluorosulfonic acid polymer has the property of being able to accumulate water without freezing when it is below freezing. Therefore, the water absorbed by the perfluorosulfonic acid polymer 38 can exist without freezing when it is below freezing. Therefore, an excessive load due to freezing near the diffusion layer 20 can be suppressed.

なお、本実施の形態では、水素ガスと空気（酸素）ガスを燃料とする燃料電池を説明したが、燃料電池はこれに限られるものではない。例えば、メタノール直接型燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell）の場合は、燃料として、メタノール溶液と酸素ガスを用いる。なお、本実施の形態では、燃料電池１０は、電解質膜１２と触媒層１４、１６と拡散層１８，２０とセパレータ２２，２４を積層した構造であるが、これに限られるものではなく、一般的に用いられる燃料電池であればよい。例えば、電解質膜、触媒層もしくは拡散層が多角型である燃料電池でもよい。   In the present embodiment, the fuel cell using hydrogen gas and air (oxygen) gas as fuel has been described, but the fuel cell is not limited to this. For example, in the case of a direct methanol fuel cell, a methanol solution and oxygen gas are used as fuel. In the present embodiment, the fuel cell 10 has a structure in which the electrolyte membrane 12, the catalyst layers 14 and 16, the diffusion layers 18 and 20, and the separators 22 and 24 are stacked. However, the present invention is not limited to this. Any fuel cell may be used. For example, a fuel cell in which the electrolyte membrane, the catalyst layer, or the diffusion layer is polygonal may be used.

なお、本実施の形態では、親水性物質は、パーフルオロスルホン酸ポリマー３８を用いている。この具体例として、デュポン社製Nafion、旭化成製Aciplex、旭硝子製Flemion、ジャパンゴアテック社製Gore-Selectに代表されるパーフルオロスルホン酸樹脂が挙げられる。さらに、これらのパーフルオロスルホン酸樹脂に、テトラフルオロエチレンを導入したもの等を用いてもよい。   In the present embodiment, perfluorosulfonic acid polymer 38 is used as the hydrophilic substance. Specific examples thereof include perfluorosulfonic acid resins typified by DuPont Nafion, Asahi Kasei Aciplex, Asahi Glass Flemion, and Japan Gore-Tech Gore-Select. Furthermore, those obtained by introducing tetrafluoroethylene into these perfluorosulfonic acid resins may be used.

なお、本実施の形態では、親水性物質は、パーフルオロスルホン酸ポリマー３８を用いたが、これに限られるものではない。例えば、スルホン化ポリエーテルケトン樹脂、スルホン化ポリエーテルサルホン樹脂をはじめとした炭化水素系電解質であってもよい。例えば、保湿性高分子であってもよい。   In the present embodiment, the perfluorosulfonic acid polymer 38 is used as the hydrophilic substance, but the present invention is not limited to this. For example, hydrocarbon electrolytes such as sulfonated polyetherketone resin and sulfonated polyethersulfone resin may be used. For example, a moisturizing polymer may be used.

なお、本実施の形態では、パーフルオロスルホン酸ポリマー３８の粒径は、１０μｍのものを用いたが、１μｍ―２００μｍが望ましい。パーフルオロスルホン酸ポリマーの粒径が大きければ、高い保湿性が得られる。   In this embodiment, the particle diameter of the perfluorosulfonic acid polymer 38 is 10 μm, but 1 μm-200 μm is desirable. If the particle size of the perfluorosulfonic acid polymer is large, high moisture retention can be obtained.

なお、本実施の形態では、パーフルオロスルホン酸ポリマー３８は、球形の粒状であるが、これに限られるものではない。例えば、円柱形でもよい。例えば、星型でもよい。例えば、楕円形でもよい。例えば、凹型でもよい。なお、本実施の形態では、水マネジメント層３０には、パーフルオロスルホン酸ポリマー３８は点在しているが、これに限定されるものでない。パーフルオロスルホン酸ポリマーが局在していればよい。   In the present embodiment, the perfluorosulfonic acid polymer 38 has a spherical granular shape, but is not limited thereto. For example, a cylindrical shape may be used. For example, a star shape may be used. For example, it may be oval. For example, it may be concave. In the present embodiment, the perfluorosulfonic acid polymer 38 is interspersed in the water management layer 30, but the present invention is not limited to this. It is only necessary that the perfluorosulfonic acid polymer is localized.

なお、本実施の形態では、撥水層２８と水マネジメント層３０では、細孔材は、アセチレンブラックを用いたが、特にこれに限定されるものではない。燃料電池の拡散層に一般的に用いられる細孔材を使用することができる。一例として、チャネルブラック、サーマブラック、カーボンブラック等を使用してもよい。   In the present embodiment, acetylene black is used as the pore material in the water repellent layer 28 and the water management layer 30, but the present invention is not particularly limited thereto. The pore material generally used for the diffusion layer of the fuel cell can be used. As an example, channel black, therma black, carbon black or the like may be used.

なお、本実施の形態では、基材層２６と撥水層２８と水マネジメント層３０では、撥水材は、PTFE及びPVDFを用いているが、これらに限定されるものではない。例えば、フッ素樹脂をコートしたものでもよい。フッ素樹脂としては、例えば、PFA（テトラフルオロエチレンパーフルオロアルキルビニルエーテルコポリマー）、ETFE（エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体）、FEP（フッ化エチレンポリプロピレンコポリマー）等を用いてもよい。例えば、撥水処理として、カーボン多孔質にフッ素原子を被覆したもので行ってもよい。   In the present embodiment, the base material layer 26, the water repellent layer 28, and the water management layer 30 use PTFE and PVDF as the water repellent material, but are not limited thereto. For example, it may be coated with a fluororesin. As the fluororesin, for example, PFA (tetrafluoroethylene perfluoroalkyl vinyl ether copolymer), ETFE (ethylene-tetrafluoroethylene copolymer), FEP (fluorinated ethylene polypropylene copolymer) or the like may be used. For example, the water-repellent treatment may be performed using a carbon porous material coated with fluorine atoms.

なお、本実施の形態では、水マネジメント層３０において、撥水材は、PVDFを用いたが、特にこれに限定されるものではない。好適なものとしては、熱を加えずに固形化できる撥水材が望ましい。   In the present embodiment, PVDF is used as the water repellent material in the water management layer 30, but it is not particularly limited to this. A water repellent material that can be solidified without applying heat is desirable.

なお、本実施の形態では、拡散層２０は、基材層２６と撥水層２８と水マネジメント層３０とに分割された構造となっているが、これに限定されるものではない。例えば、拡散層２０は、基材層２６を省略してもよい。例えば、撥水層２８を省略してもよい。例えば、基材層２６と撥水層２８とを、省略してもよい。   In the present embodiment, the diffusion layer 20 has a structure that is divided into the base material layer 26, the water repellent layer 28, and the water management layer 30, but is not limited thereto. For example, the diffusion layer 20 may omit the base material layer 26. For example, the water repellent layer 28 may be omitted. For example, the base material layer 26 and the water repellent layer 28 may be omitted.

なお、本実施の形態では、水マネジメント層３０が親水性物質を含有しているが、これに限定されるものではない。例えば、水マネジメント層３０に加えて撥水層２８が、親水性物質を含有してもよい。例えば、拡散層全体に親水性物質を含有してもよい。すなわち、一例として、水マネジメント層３０と撥水層２８と基材層２６とが、親水性物質を含有してもよい。   In addition, in this Embodiment, although the water management layer 30 contains the hydrophilic substance, it is not limited to this. For example, in addition to the water management layer 30, the water repellent layer 28 may contain a hydrophilic substance. For example, the entire diffusion layer may contain a hydrophilic substance. That is, as an example, the water management layer 30, the water repellent layer 28, and the base material layer 26 may contain a hydrophilic substance.

なお、本実施の形態では、カソード側の拡散層２０が親水性物質を含有しているが、これに限られるものではない。例えば、カソード側の拡散層２０に加えてカソード側の触媒層１６が親水性物質を含有してもよい。   In the present embodiment, the cathode-side diffusion layer 20 contains a hydrophilic substance, but the present invention is not limited to this. For example, in addition to the diffusion layer 20 on the cathode side, the catalyst layer 16 on the cathode side may contain a hydrophilic substance.

なお、本実施の形態では、カソード側の拡散層２０は、触媒を備えていないが、これに限定されるものではない。カソード側の拡散層２０が触媒を備えてもよい。   In the present embodiment, the cathode-side diffusion layer 20 does not include a catalyst, but is not limited thereto. The cathode-side diffusion layer 20 may include a catalyst.

なお、本実施の形態では、水マネジメント層３０は、球形で粒状の親水性物質を有する構造であるが、これに限られるものではない。水マネジメント層３０は、カソード側での排水を行う層である。   In addition, in this Embodiment, although the water management layer 30 is a structure which has a spherical and granular hydrophilic substance, it is not restricted to this. The water management layer 30 is a layer that performs drainage on the cathode side.

なお、本実施の形態では、カソード側の拡散層２０が親水性物質を含有しているが、これに限られるものではない。カソード側に加えて/もしくは、アノード側の拡散層１８が、親水性物質を含有してもよい。これらの場合の構成も、同様の実施例で説明できる。以下の実施の形態においても、特に明記しない限り、カソード側の拡散層２０の場合を説明するが、アノード側とカソード側の少なくとも一方の拡散層の場合も含む。なお、アノード側の拡散層１８が親水性物質を備える場合、水マネジメント層は、アノード側での保水を行う層である。   In the present embodiment, the cathode-side diffusion layer 20 contains a hydrophilic substance, but the present invention is not limited to this. The diffusion layer 18 on the anode side may contain a hydrophilic substance in addition to the cathode side. The configuration in these cases can also be described in the same embodiment. Also in the following embodiments, unless otherwise specified, the case of the diffusion layer 20 on the cathode side will be described, but the case of at least one diffusion layer on the anode side and the cathode side is also included. When the anode-side diffusion layer 18 includes a hydrophilic substance, the water management layer is a layer that retains water on the anode side.

なお、実施の形態において、電解質膜１２と触媒層１６とカソード側の拡散層２０とを、接燃料電池用接合体と称す。燃料電池用接合体は、電解質膜１２と触媒層１４とアノード側の拡散層１８でもよい。燃料電池用接合体は、電解質膜１２と触媒層１４，１６と拡散層１８，２０でもよい。   In the embodiment, the electrolyte membrane 12, the catalyst layer 16, and the diffusion layer 20 on the cathode side are referred to as a fuel-cell assembly. The fuel cell assembly may be the electrolyte membrane 12, the catalyst layer 14, and the diffusion layer 18 on the anode side. The fuel cell assembly may be the electrolyte membrane 12, the catalyst layers 14 and 16, and the diffusion layers 18 and 20.

[実施の形態１の製造方法]
実施の形態１の製造方法について説明する。以下に説明する製造方法は、一例であり、これに限定されるものではない。図４は、実施の形態１の製造方法を説明するためのフロー図である。まず、基材層を製造する（ステップ１１０）。カーボンペーパと、PTFE分散液とを用意する。ここで、カーボンペーパは厚さ約１５０ｍｍのものを用いる。このカーボンペーパに、撥水処理として、PTFE分散液を含浸させる。含浸の比率は、カーボンペーパに対してPTFEを固形比率で５％とする。PTFEを含浸させたカーボンペーパを、常温で乾燥させる。以上の工程により、基材層を製造する。 [Production Method of Embodiment 1]
The manufacturing method of Embodiment 1 is demonstrated. The manufacturing method described below is an example, and the present invention is not limited to this. FIG. 4 is a flowchart for explaining the manufacturing method according to the first embodiment. First, a base material layer is manufactured (step 110). Prepare carbon paper and PTFE dispersion. Here, carbon paper having a thickness of about 150 mm is used. This carbon paper is impregnated with a PTFE dispersion as a water repellent treatment. The impregnation ratio is 5% in terms of solid content of PTFE with respect to carbon paper. Carbon paper impregnated with PTFE is dried at room temperature. A base material layer is manufactured by the above process.

次に、撥水層を製造する。ここでは、まず、アセチレンブラックと、PTFE分散液と、分散助剤とを用意する。アセチレンブラックは１次粒径約４０ｍｍである。まず、アセチレンブラックとPTFE分散液を固形比率１：１で配合する。そして、分散助剤を加え、ペースト状とする（ステップ１０２）。このペーストを、ダイコータを用いて、基材層の一方の表面全体に塗布する。そして、常温で乾燥し、N２雰囲気で約３５０℃で焼成する。以上の工程により、撥水層を製造する（ステップ１０４）。   Next, a water repellent layer is manufactured. Here, first, acetylene black, a PTFE dispersion, and a dispersion aid are prepared. Acetylene black has a primary particle size of about 40 mm. First, acetylene black and PTFE dispersion are blended at a solid ratio of 1: 1. Then, a dispersion aid is added to form a paste (step 102). This paste is applied to the entire one surface of the base material layer using a die coater. Then, it is dried at room temperature and fired at about 350 ° C. in an N 2 atmosphere. A water repellent layer is manufactured by the above process (step 104).

続いて、水マネジメント層を製造する。まず、このパーフルオロスルホン酸ポリマー溶液を加熱し、パーフルオロスルホン酸ポリマーの粉末を作成する（ステップ１０６）。ここで、作成した粉末は平均粒径１０μｍである。次に、アセチレンブラックと、PVDFとを用意する。パーフルオロスルホン酸ポリマー粉末と、アセチレンブラックと、PVDFを、固形比率１：４：２で配合する（ステップ１０８）。ここで、アセチレンブラックは１次粒径４０ｍｍのものを用いる。そして、配合した物質に、溶媒としてNMPを添加し、混合し、インク状の分散液を作成する（ステップ１１０）。ここで、NMP溶媒は、PVDFを溶解するが、パーフルオロスルホン酸ポリマーを溶解しない。したがって、パーフルオロスルホン酸ポリマーは粒状を保っている。作成した分散液を、撥水層の表面（基材層の反対側）全体にスプレーにより塗布し、乾燥する。以上の工程により、水マネジメント層を製造する（ステップ１１２）。以上のステップ１１０−１１２より、基材層と、撥水層と、水マネジメント層とを積層した拡散層を製造する。   Subsequently, the water management layer is manufactured. First, the perfluorosulfonic acid polymer solution is heated to prepare a perfluorosulfonic acid polymer powder (step 106). Here, the prepared powder has an average particle diameter of 10 μm. Next, acetylene black and PVDF are prepared. Perfluorosulfonic acid polymer powder, acetylene black, and PVDF are blended at a solid ratio of 1: 4: 2 (step 108). Here, acetylene black having a primary particle size of 40 mm is used. Then, NMP is added as a solvent to the blended substance and mixed to create an ink-like dispersion (step 110). Here, the NMP solvent dissolves PVDF, but does not dissolve the perfluorosulfonic acid polymer. Therefore, the perfluorosulfonic acid polymer remains granular. The prepared dispersion is applied to the entire surface of the water-repellent layer (opposite side of the base material layer) by spraying and dried. A water management layer is manufactured by the above process (step 112). From the above steps 110 to 112, a diffusion layer in which the base material layer, the water repellent layer, and the water management layer are laminated is manufactured.

さらに、固体電解質の両方の表面全体に触媒を塗布し、膜・電極接合体（Membrane Electrode Assembly:以下MEAと称す）を製造する（ステップ１１４）。固体電解質膜と、触媒とを用意する。固体電解質膜としてNR１１２を用い、触媒として白金を用いる。ここで、白金の塗布の割合は０．５ｍｇ/ｃｍ２である。 Further, a catalyst is applied to both surfaces of the solid electrolyte to produce a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as MEA) (step 114). A solid electrolyte membrane and a catalyst are prepared. NR112 is used as the solid electrolyte membrane and platinum is used as the catalyst. Here, the rate of application of platinum is 0.5 mg / cm 2 .

最後に、燃料電池を作成する（ステップ１１６）。上記拡散層と、上記MEAと、セパレータを用意する。MEAの両側に、アノード側とカソード側の拡散層を、それぞれ、ホットプレスにより接合する。そして、拡散層を矜持する形で、拡散層のMEAより反対側にアノード側とカソード側のセパレータをそれぞれ接合する。以上の工程により、燃料電池を製造する。   Finally, a fuel cell is created (step 116). The diffusion layer, the MEA, and a separator are prepared. The diffusion layers on the anode side and the cathode side are bonded to both sides of the MEA by hot pressing. Then, the anode-side and cathode-side separators are bonded to the opposite sides of the diffusion layer from the MEA so as to hold the diffusion layer. The fuel cell is manufactured through the above steps.

なお、本実施の形態での製造方法では、ステップ１０８において、パーフルオロスルホン酸ポリマー粉末５−２０％、アセチレンブラック４０−９０％、PVDF５−２０％の範囲で配合する。また、ステップ１１０において、NMP溶媒は、ステップ１０８で配合した物質が２−１０％の範囲となるように配合する。   In the manufacturing method according to the present embodiment, in Step 108, blending is performed in the range of 5-20% perfluorosulfonic acid polymer powder, 40-90% acetylene black, and 5-20% PVDF. In Step 110, the NMP solvent is blended so that the material blended in Step 108 is in the range of 2-10%.

なお、実施の形態１の製造方法では、溶媒はNMPを用いたが、これに限定されるものではない。特に、溶媒は、親水性物質を溶かさない溶媒であることが望ましい。
なお、実施の形態１の製造方法では、パーフルオロスルホン酸ポリマー溶液を加熱し、球形で粒状の親水性物質を作成したが、これに限られるものではない。例えば、膜状のパーフルオロスルホン酸ポリマーを裁断し、粒状の親水性物質を作成してもよい。 In the manufacturing method of Embodiment 1, NMP is used as the solvent, but the present invention is not limited to this. In particular, the solvent is preferably a solvent that does not dissolve the hydrophilic substance.
In the manufacturing method of the first embodiment, the perfluorosulfonic acid polymer solution is heated to produce a spherical and granular hydrophilic substance. However, the present invention is not limited to this. For example, a membrane-like perfluorosulfonic acid polymer may be cut to produce a granular hydrophilic substance.

実施の形態２．
[実施の形態２の構成]
実施の形態２は、水マネジメント層３１の構成が相違している点を除いて、実施の形態１と同様である。同様な部分は、同じ符号を用いており、詳細な説明を省略する。 Embodiment 2. FIG.
[Configuration of Embodiment 2]
The second embodiment is the same as the first embodiment except that the configuration of the water management layer 31 is different. Similar parts are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

図５は、実施の形態２をあらわす図であり、カソード側の拡散層２１を拡大した図である。水マネジメント層３１は、パーフルオロスルホン酸ポリマー４４と、アセチレンブラック４０と、PVDF４２より構成されている。パーフルオロスルホン酸ポリマー４４は円柱に近い形状をしている。パーフルオロスルホン酸ポリマー４４の存在しない部分には、アセチレンブラック４０とPVDF４２が相互に支持し、一部に空隙が存在している。   FIG. 5 is a diagram showing the second embodiment, and is an enlarged view of the diffusion layer 21 on the cathode side. The water management layer 31 is composed of a perfluorosulfonic acid polymer 44, acetylene black 40, and PVDF 42. The perfluorosulfonic acid polymer 44 has a shape close to a cylinder. In the part where the perfluorosulfonic acid polymer 44 does not exist, acetylene black 40 and PVDF 42 support each other, and there are voids in part.

実施の形態２は、拡散層２１内に十分な空隙を確保しており、実施の形態１と同様に、良好なガス拡散性を示す。また、触媒層１６付近で生成した水が、水マネジメント層に含有されたパーフルオロスルホン酸ポリマー４４に吸収され、基材層２６方向へと排出されるため、実施の形態２は、実施の形態１と同様に、良好な排水性を示す。また、電池内部の水が、パーフルオロスルホン酸ポリマー４４内部に留まり、電解質膜の乾燥を防ぐため、実施の形態２は、十分な保水性を示す。   The second embodiment secures a sufficient gap in the diffusion layer 21 and exhibits good gas diffusivity as in the first embodiment. Further, since the water generated in the vicinity of the catalyst layer 16 is absorbed by the perfluorosulfonic acid polymer 44 contained in the water management layer and discharged toward the base material layer 26, the second embodiment is the same as the second embodiment. Similar to 1, it exhibits good drainage. Further, since water inside the battery stays inside the perfluorosulfonic acid polymer 44 and prevents the electrolyte membrane from being dried, the second embodiment shows sufficient water retention.

[実施の形態２の製造方法]
実施の形態２の製造方法について説明する。以下に説明する製造方法は、一例であり、これに限定されるものではない。図６は、実施の形態２の製造方法を説明するためのフロー図である。実施の形態２の製造方法は、ステップ１０６がステップ１１８に置換されている点を除いて、実施の形態１の製造方法と同様である。同様である部分は、同じステップ番号を用いている。 [Manufacturing Method of Embodiment 2]
A manufacturing method according to the second embodiment will be described. The manufacturing method described below is an example, and the present invention is not limited to this. FIG. 6 is a flowchart for explaining the manufacturing method according to the second embodiment. The manufacturing method of the second embodiment is the same as the manufacturing method of the first embodiment except that step 106 is replaced with step 118. Similar parts use the same step numbers.

基材層と撥水層の作成（ステップ１００−１０４）に続いて、水マネジメント層を製造する。まず、円柱状のパーフルオロスルホン酸ポリマーを作成する（ステップ１１８）。ここでは、例えば、あらかじめ膜状に形成されたパーフルオロスルホン酸ポリマーを裁断することで、円柱状のパーフルオロスルホン酸ポリマーを作成する。以下続いて、この円柱状のパーフルオロスルホン酸ポリマーを用いて、水マネジメント層を作成（ステップ１０８−１１２）し、燃料電池を製造する（ステップ１１４−１１６）。   Following the creation of the substrate layer and the water repellent layer (steps 100-104), a water management layer is manufactured. First, a cylindrical perfluorosulfonic acid polymer is prepared (step 118). Here, for example, a columnar perfluorosulfonic acid polymer is prepared by cutting a perfluorosulfonic acid polymer formed in a film shape in advance. Subsequently, using this columnar perfluorosulfonic acid polymer, a water management layer is created (steps 108-112), and a fuel cell is manufactured (steps 114-116).

[実施の形態２の製造方法の変形例]
実施の形態２の製造方法の変形例について説明する。実施の形態２の製造方法の変形例は、ステップ１０６−１１２を除いて、実施の形態１の製造方法と同様である。 [Modification of Manufacturing Method of Embodiment 2]
A modification of the manufacturing method of the second embodiment will be described. A modification of the manufacturing method of the second embodiment is the same as the manufacturing method of the first embodiment except for steps 106-112.

基材層と撥水層の作成（ステップ１００−１０４）に続いて、水マネジメント層を製造する。作成した撥水層の表面に、レーザーで円柱状の穴を作成する。この穴は、直径１−２００μｍ、深さ５０−１００μｍである。そして、作成した穴に、パーフルオロスルホン酸ポリマーの溶液を浸す。ここで、パーフルオロスルホン酸ポリマーの溶液中の濃度は、５％−２０％の範囲のものを用いる。穴内で、パーフルオロスルホン酸ポリマーの溶液は成形され、円柱状のパーフルオロスルホン酸ポリマーが作成される。以上により、水マネジメント層を作成する。以下続いて、燃料電池を製造する（ステップ１１４−１１６）。   Following the creation of the substrate layer and the water repellent layer (steps 100-104), a water management layer is manufactured. A cylindrical hole is created with a laser on the surface of the water-repellent layer. The hole has a diameter of 1 to 200 μm and a depth of 50 to 100 μm. Then, the perfluorosulfonic acid polymer solution is immersed in the created hole. Here, the concentration of the perfluorosulfonic acid polymer in the solution is in the range of 5% -20%. Within the hole, the perfluorosulfonic acid polymer solution is molded to create a cylindrical perfluorosulfonic acid polymer. The water management layer is created as described above. Subsequently, a fuel cell is manufactured (steps 114 to 116).

実施の形態３．
[実施の形態３の構成]
実施の形態３は、実施の形態１と比較して、拡散層４５が相違している。実施の形態３の拡散層４５以外の部分は、実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。 Embodiment 3 FIG.
[Configuration of Embodiment 3]
The third embodiment is different from the first embodiment in the diffusion layer 45. Since portions other than the diffusion layer 45 of the third embodiment are the same as those of the first embodiment, the description thereof is omitted.

図７は、実施の形態３をあらわす図であり、カソード側の拡散層４５を拡大した図である。拡散層４５は、空気（酸素）ガスの供給される側から触媒層１６側の方向へ、基材層２６と、中間層４６と、コンタクト層４８とを積層して形成されている。基材層２６は、実施の形態１と同様の構成であり、説明を省略する。   FIG. 7 is a diagram showing the third embodiment, and is an enlarged view of the diffusion layer 45 on the cathode side. The diffusion layer 45 is formed by laminating the base material layer 26, the intermediate layer 46, and the contact layer 48 in the direction from the air (oxygen) gas supply side to the catalyst layer 16 side. The base material layer 26 has the same configuration as that of the first embodiment, and a description thereof will be omitted.

コンタクト層４８は、微小炭素繊維５４と撥水材とを備えている。ここで、撥水材はPTFE５２を用いている。微小炭素繊維５４を繋ぐようにPTFE５２が備えられている。微小炭素繊維５４とPTFE５２の存在しない部分には、空隙が存在している。なお、コンタクト層４８に存在する細孔の径（以下、細孔径と称す）は、０．５−１．０μｍの範囲に分布ピークを有している。また、コンタクト層４８の空隙率は、６０−９０％であり、十分に大きくなっている。   The contact layer 48 includes minute carbon fibers 54 and a water repellent material. Here, PTFE 52 is used as the water repellent material. A PTFE 52 is provided so as to connect the minute carbon fibers 54. There are voids in the portions where the minute carbon fibers 54 and PTFE 52 do not exist. The diameter of the pores present in the contact layer 48 (hereinafter referred to as the pore diameter) has a distribution peak in the range of 0.5 to 1.0 μm. The porosity of the contact layer 48 is 60-90%, which is sufficiently large.

中間層４６は、粒状黒鉛５０と撥水材とを備えている。ここで、撥水材はPTFE５２を用いている。粒状黒鉛５０を支持するようにPTFE５２が配置されている。粒状黒鉛５０とPTFE５２の存在しない部分に、適度な空隙が確保されている。中間層４６の細孔径は、十分に大きいものとなっている。具体的には、中間層４６に存在する細孔径は、１μｍ以上に分布ピークを有している。さらに、中間層４６での細孔径の分布ピークは、コンタクト層４８での細孔径の分布ピークより、大きくなっている。また、中間層４６の空隙率は、４０−６０％である。中間層４６の空隙率は、コンタクト層４８の空隙率より、小さくなっている。   The intermediate layer 46 includes granular graphite 50 and a water repellent material. Here, PTFE 52 is used as the water repellent material. PTFE 52 is arranged to support granular graphite 50. Appropriate voids are secured in portions where the granular graphite 50 and PTFE 52 do not exist. The pore diameter of the intermediate layer 46 is sufficiently large. Specifically, the pore diameter present in the intermediate layer 46 has a distribution peak at 1 μm or more. Further, the pore size distribution peak in the intermediate layer 46 is larger than the pore size distribution peak in the contact layer 48. The porosity of the intermediate layer 46 is 40-60%. The porosity of the intermediate layer 46 is smaller than the porosity of the contact layer 48.

[実施の形態３の作用]
上述のとおり、燃料電池１０の動作の際に、カソード側の触媒層１６付近で水が生成する。コンタクト層は、空隙率が大きいことから、水の吸収力が高い。よって、生成された水の一部は、コンタクト層４８に速やかに吸収されて触媒層１６付近から除去される。 [Operation of Embodiment 3]
As described above, during the operation of the fuel cell 10, water is generated in the vicinity of the catalyst layer 16 on the cathode side. Since the contact layer has a large porosity, the water absorption capacity is high. Therefore, part of the generated water is quickly absorbed by the contact layer 48 and removed from the vicinity of the catalyst layer 16.

コンタクト層４８の細孔径に対して、中間層４６の細孔径の方が大きくなっている。ここで、液体は、細孔径の大きい方向に透過しやすい特性がある。よって、コンタクト層４８に含まれる液状の水は、中間層４６へ速やかに移動しやすい。   The pore diameter of the intermediate layer 46 is larger than the pore diameter of the contact layer 48. Here, the liquid has a characteristic that it easily permeates in the direction in which the pore diameter is large. Therefore, the liquid water contained in the contact layer 48 tends to move quickly to the intermediate layer 46.

中間層４６の細孔径は十分に大きい。液体は、細孔径が大きいと、透過しやすい性質がある。よって、液状の水は、中間層４６を透過し、基材層２６方向へ排出されやすい。従って、液水の水が多量に存在する状況下では、本実施の形態３の構造は高い排水力を示す。   The pore diameter of the intermediate layer 46 is sufficiently large. If the liquid has a large pore diameter, it has a property of being easily transmitted. Therefore, liquid water easily passes through the intermediate layer 46 and is discharged toward the base material layer 26. Therefore, under the situation where a large amount of liquid water exists, the structure of the third embodiment shows a high drainage power.

コンタクト層４８の空隙率に対して中間層４６の空隙率の方が、適度に小さくなっている。ガスは、空隙率が小さい方向に透過しにくい特性を持つ。ここで、中間層４６に含まれる水の一部は、排出されるガスに含まれる形で、基材層２６方向へ移動する。中間層４６に含まれる水は、ガスの透過が小さい方向に排出されにくい。よって、空気（酸素）ガスの流動による、コンタクト層４８から中間層４６方向への水の排出は適度に抑制される。例えば高温時には、液体の水が少なくなる。このとき、水の排出は、ガスによる割合が大きくなる。本実施の形態は、ガスによる排出がされ難いため、この様な状況下では小さな排水力を示す。したがって、本実施の形態の構造によれば、生成される水の量が少ない状況下では、優れた保湿性が得られる。   The porosity of the intermediate layer 46 is appropriately smaller than the porosity of the contact layer 48. Gas has a characteristic that it is difficult to permeate in a direction in which the porosity is small. Here, a part of the water contained in the intermediate layer 46 moves toward the base material layer 26 in a form contained in the discharged gas. The water contained in the intermediate layer 46 is difficult to be discharged in the direction in which the gas permeation is small. Therefore, the discharge of water from the contact layer 48 toward the intermediate layer 46 due to the flow of air (oxygen) gas is moderately suppressed. For example, liquid water is reduced at high temperatures. At this time, the rate of water discharge is increased by the gas. In this embodiment, since it is difficult for gas to be discharged, under such circumstances, a small drainage power is shown. Therefore, according to the structure of the present embodiment, excellent moisture retention can be obtained under a situation where the amount of generated water is small.

以上により、本実施の形態３は、高い排水性と優れた保湿性を持つ。また、本実施の形態３は、拡散層４５内部に十分な細孔を確保しているため、十分なガス拡散性を示す。   As described above, the third embodiment has high drainage and excellent moisture retention. In addition, the third embodiment shows sufficient gas diffusibility because sufficient pores are secured inside the diffusion layer 45.

[実施の形態３の効果]
図８は、実施の形態３と比較例３とを評価した結果をあらわす図である。アノードとカソードを加湿することなく燃料電池を動作させた際の、電圧と冷却水出口温度とを示す。ここで、縦軸は電圧をあらわし、横軸は温度をあらわす。図８において、黒丸は実施の形態３を、白丸は比較例３をあらわす。 [Effect of Embodiment 3]
FIG. 8 is a diagram showing the results of evaluating Embodiment 3 and Comparative Example 3. The voltage and cooling water outlet temperature when the fuel cell is operated without humidifying the anode and the cathode are shown. Here, the vertical axis represents voltage, and the horizontal axis represents temperature. In FIG. 8, black circles indicate the third embodiment, and white circles indicate the third comparative example.

ここで、比較例３は、実施の形態３と比較して、中間層を設けず、さらに、コンタクト層の微小炭素繊維はアセチレンブラックである、燃料電池である。   Here, the comparative example 3 is a fuel cell in which no intermediate layer is provided and the fine carbon fiber of the contact layer is acetylene black as compared with the third embodiment.

図８の低温時における、実施の形態３と比較例３との比較結果について説明する。低温時、実施の形態３は、比較例３より、十分に電圧が高くなっている。低温時、電池内部では、水は過多状態にある。このとき、水は液状で存在している場合が多い。比較例３では、触媒層１６付近で生成した水の一部が、拡散層の空隙を塞ぎ、ガス拡散性を阻害し、電池性能が低下していると考えられる。一方、実施の形態３では、低温時、触媒層１６付近で生成した水の一部は、コンタクト層４８に吸収され、中間層４６に移動し、基材層２６方向へ排出されると考えられる。よって、本実施の形態３は高い排出力と十分なガス拡散性を示すと考えられる。   A comparison result between the third embodiment and the comparative example 3 at the low temperature in FIG. 8 will be described. At a low temperature, the voltage in Embodiment 3 is sufficiently higher than that in Comparative Example 3. At low temperatures, water is in excess in the battery. At this time, water often exists in a liquid state. In Comparative Example 3, it is considered that part of the water generated in the vicinity of the catalyst layer 16 blocks the gaps in the diffusion layer, hinders gas diffusibility, and battery performance is degraded. On the other hand, in the third embodiment, at a low temperature, a part of the water generated near the catalyst layer 16 is absorbed by the contact layer 48, moves to the intermediate layer 46, and is discharged toward the base material layer 26. . Therefore, this Embodiment 3 is considered to show high discharge power and sufficient gas diffusibility.

図８の高温時における、実施の形態３と比較例３との比較結果について説明する。高温時、実施の形態３は、比較例３より十分に電圧が高くなっている。高温時、電池内部では、水は不足気味である。このとき、電解質膜が乾燥しやすい環境である。比較例３では、中間層が存在せず、電池内部の水の過度の排出が生じ、電解質膜が乾燥し、電池性能が低下していると考えられる。一方、実施の形態３では、中間層４６があり、コンタクト層４８及び中間層４６に含まれる水は排出されにくいと考えられる。よって、実施の形態３は、水の過度の排出を抑制でき、保水力を持つと考えられる。   A comparison result between the third embodiment and the comparative example 3 at the time of high temperature in FIG. 8 will be described. The voltage in Embodiment 3 is sufficiently higher than that in Comparative Example 3 at high temperatures. At high temperatures, water is scarce inside the battery. At this time, the electrolyte membrane is easily dried. In Comparative Example 3, it is considered that there is no intermediate layer, excessive discharge of water inside the battery occurs, the electrolyte membrane is dried, and the battery performance is degraded. On the other hand, in the third embodiment, the intermediate layer 46 is provided, and it is considered that water contained in the contact layer 48 and the intermediate layer 46 is difficult to be discharged. Therefore, Embodiment 3 can suppress excessive discharge of water and is considered to have water retention.

また、氷結の際の実施の形態３の効果について説明する。氷は、結晶となる際、細孔径の大きい方へ成長する性質を持つ。実施の形態３では、細孔径は、コンタクト層４８より中間層４６の方が大きくなっている。実施の形態３では、コンタクト層４８から中間層４６へと、氷は結晶成長する。ここで、触媒層１６付近で水が生じることから、触媒層１６付近、及び、触媒層１６と拡散層４５の接合面付近などで、氷が生じやすい。これらの部位は、燃料電池１０の内部で最も強度の小さい部位に相当する。これらに対して、拡散層４５は比較的強固に形成されている。したがって、実施の形態３は、拡散層２０内部で氷の結晶成長が起こることから、触媒層１６付近、及び、触媒層１６と拡散層４５の接合面付近に氷結によって不当な圧力が加わるのを防ぐことができる。   The effect of the third embodiment at the time of freezing will be described. When ice becomes a crystal, it has the property of growing toward the larger pore size. In the third embodiment, the pore diameter of the intermediate layer 46 is larger than that of the contact layer 48. In the third embodiment, ice grows from the contact layer 48 to the intermediate layer 46. Here, since water is generated in the vicinity of the catalyst layer 16, ice is likely to be generated in the vicinity of the catalyst layer 16 and in the vicinity of the joint surface between the catalyst layer 16 and the diffusion layer 45. These parts correspond to parts having the lowest strength inside the fuel cell 10. On the other hand, the diffusion layer 45 is formed relatively firmly. Therefore, in the third embodiment, since ice crystal growth occurs inside the diffusion layer 20, an unreasonable pressure is applied to the vicinity of the catalyst layer 16 and the joint surface between the catalyst layer 16 and the diffusion layer 45 due to freezing. Can be prevented.

なお、本実施の形態では、拡散層４５は、コンタクト層４８と中間層４６と基材層２６を積層に備えているが、これに限定されるものではない。例えば、基材層を省略してもよい。   In the present embodiment, the diffusion layer 45 includes the contact layer 48, the intermediate layer 46, and the base material layer 26, but the present invention is not limited to this. For example, the base material layer may be omitted.

なお、本実施の形態では、拡散層４５は、親水性物質を含んでいないが、局所的に親水性物質を含んでもよい。より具体的には、球形で粒状の親水性物質を含んでもよい。また、コンタクト層４８、中間層４６、基材層２６の少なくとも１つが局所的に親水性物質を含んでよい。   In the present embodiment, the diffusion layer 45 does not include a hydrophilic substance, but may locally include a hydrophilic substance. More specifically, a spherical and granular hydrophilic substance may be included. Further, at least one of the contact layer 48, the intermediate layer 46, and the base material layer 26 may locally contain a hydrophilic substance.

なお、本実施の形態では、触媒層１６に接するコンタクト層４８の細孔径に対して中間層４６の細孔径の方が大きくなっているが、これに限られるものではない。拡散層４５に細孔径の大きくなる領域を備えていればよい。例えば、中間層４６の細孔径に対して基材層２６の細孔径が大きくなっていてもよい。   In the present embodiment, the pore diameter of the intermediate layer 46 is larger than the pore diameter of the contact layer 48 in contact with the catalyst layer 16, but the present invention is not limited to this. The diffusion layer 45 may be provided with a region where the pore diameter is increased. For example, the pore diameter of the base material layer 26 may be larger than the pore diameter of the intermediate layer 46.

なお、本実施の形態では、触媒層１６に接するコンタクト層４８の空隙率に対して中間層４６の空隙率の方が小さくなっているが、これに限られるものではない。拡散層４５に空隙率の小さくなる領域を備えていればよい。例えば、中間層４６の空隙率に対して基材層２６の空隙率が小さくなっていてもよい。   In the present embodiment, the porosity of the intermediate layer 46 is smaller than the porosity of the contact layer 48 in contact with the catalyst layer 16, but is not limited to this. What is necessary is just to provide the area | region where the porosity becomes small in the diffused layer 45. FIG. For example, the porosity of the base material layer 26 may be smaller than the porosity of the intermediate layer 46.

なお、細孔径とは、細孔の径をあらわす。また、空隙率とは、総体積に対する空隙部分の比率をあらわす。空隙率は、孔隙率もしくは多孔度でもよい。   The pore diameter represents the pore diameter. The porosity indicates the ratio of the void portion to the total volume. The porosity may be porosity or porosity.

[実施の形態３の製造方法]
実施の形態３の製造方法について説明する。以下に説明する製造方法は、一例であり、これに限定されるものではない。図９は、実施の形態３の製造方法を説明するためのフロー図である。実施の形態３の製造方法は、ステップ１０２−１１２がステップ１２０−１２８に置換されている点を除いて、実施の形態１の製造方法と同様である。同様である部分は、同じステップ番号を用いており、詳細な説明は省略する。 [Manufacturing Method of Embodiment 3]
A manufacturing method according to the third embodiment will be described. The manufacturing method described below is an example, and the present invention is not limited to this. FIG. 9 is a flowchart for explaining the manufacturing method according to the third embodiment. The manufacturing method of the third embodiment is the same as the manufacturing method of the first embodiment except that steps 102-112 are replaced by steps 120-128. The same step numbers are used for the same parts, and detailed description is omitted.

基材層の作成に続いて、中間層を作成する。ここではまず。球状黒鉛とPTFE分散液とを用意する。ここで、球状黒鉛は、平均粒径約１０μｍのものを用いる。球状黒鉛とPTFE分散液とを固形分比率で１：１となるように配合する。さらに、分散助剤を加え、ペースト状とする（ステップ１２０）。作成したペーストを、ダイコータを用いて、基材層の一方の面に塗布した後、常温で乾燥する。以上の工程により、中間層を作成する（ステップ１２２）。   Subsequent to the production of the base material layer, an intermediate layer is produced. First here. Prepare spherical graphite and PTFE dispersion. Here, spherical graphite having an average particle diameter of about 10 μm is used. Spherical graphite and PTFE dispersion are blended so that the solid content ratio is 1: 1. Further, a dispersion aid is added to form a paste (step 120). The prepared paste is applied to one surface of the base material layer using a die coater and then dried at room temperature. The intermediate layer is created by the above process (step 122).

そして、コンタクト層を製造する。まず、微小炭素繊維とPTFE分散液とを用意する。ここで、微小炭素繊維は気相成長法により形成され、繊維径０．１５μｍ、繊維長１０−２０μｍのものを用いる。微小炭素繊維とPTFE分散液とを固形分比率で１：１となるように配合する。さらに、分散助剤を加え、ペースト状とする（ステップ１２４）。作成したペーストを、ダイコータを用いて中間層の一面（基材層と反対側）に塗布した後、常温で乾燥する。以上の工程により、コンタクト層を作成する（ステップ１２６）。   Then, a contact layer is manufactured. First, a fine carbon fiber and a PTFE dispersion are prepared. Here, the fine carbon fiber is formed by vapor phase growth, and has a fiber diameter of 0.15 μm and a fiber length of 10-20 μm. Fine carbon fibers and PTFE dispersion are blended so that the solid content ratio is 1: 1. Further, a dispersion aid is added to form a paste (step 124). The prepared paste is applied to one side of the intermediate layer (the side opposite to the base material layer) using a die coater, and then dried at room temperature. A contact layer is formed by the above process (step 126).

続いて、基材層と中間層とコンタクト層との積層構造を、N2雰囲気で３５０℃で焼成し、拡散層を作成する（ステップ１２８）。これに続き、MEAと燃料電池とを作成する。   Subsequently, the laminated structure of the base material layer, the intermediate layer, and the contact layer is baked at 350 ° C. in an N 2 atmosphere to create a diffusion layer (step 128). Following this, the MEA and fuel cell will be created.

図１は、実施の形態１の構成をあらわす図である。FIG. 1 is a diagram showing the configuration of the first embodiment. 図２は、カソード側の拡散層を拡大して表した図である。FIG. 2 is an enlarged view of the diffusion layer on the cathode side. 図３は、本発明の実施の形態１と、比較例１と比較例２とを、評価した結果を表す図である。FIG. 3 is a diagram showing a result of evaluating Embodiment 1, and Comparative Examples 1 and 2 of the present invention. 図４は、実施の形態１の製造方法を説明するためのフロー図である。FIG. 4 is a flowchart for explaining the manufacturing method according to the first embodiment. 図５は、実施の形態２をあらわす図であり、カソード側の拡散層を拡大した図である。FIG. 5 shows the second embodiment, and is an enlarged view of the diffusion layer on the cathode side. 図６は、実施の形態２の製造方法を説明するためのフロー図である。FIG. 6 is a flowchart for explaining the manufacturing method according to the second embodiment. 図７は、本実施の形態３をあらわす図であり、カソード側の拡散層を拡大した図である。FIG. 7 shows the third embodiment, and is an enlarged view of the diffusion layer on the cathode side. 図８は、実施の形態３と比較例３を、評価した結果をあらわす図である。FIG. 8 is a diagram showing the results of evaluating Embodiment 3 and Comparative Example 3. 図９は、実施の形態３の製造方法を説明するためのフロー図である。FIG. 9 is a flowchart for explaining the manufacturing method according to the third embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

１０ 燃料電池
１２ 電解質膜
１４ アノード側触媒層
１６ カソード側触媒層
１８ アノード側拡散層
２０ カソード側拡散層
２１ カソード側拡散層
２６ 基材層
２８ 撥水層
３０ 水マネジメント層
３１ 水マネジメント層
３８ パーフルオロスルホン酸ポリマー
４４ パーフルオロスルホン酸ポリマー
４５ カソード側拡散層
４６ 中間層
４８ コンタクト層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell 12 Electrolyte membrane 14 Anode side catalyst layer 16 Cathode side catalyst layer 18 Anode side diffusion layer 20 Cathode side diffusion layer 21 Cathode side diffusion layer 26 Base material layer 28 Water repellent layer 30 Water management layer 31 Water management layer 38 Perfluoro Sulfonic acid polymer 44 Perfluorosulfonic acid polymer 45 Cathode side diffusion layer 46 Intermediate layer 48 Contact layer

Claims (5)

電解質膜と、
前記電解質膜に接し、燃料ガスの反応を促進させる触媒層と、
前記触媒層に接し、前記燃料ガスを拡散させる拡散層と、
を備え、
前記拡散層には、前記触媒層から離反する方向へ空隙率が小さくなる領域と、前記触媒層から離反する方向へ細孔径が大きくなる領域とを備えることを特徴とする燃料電池用接合体。 An electrolyte membrane;
A catalyst layer that contacts the electrolyte membrane and promotes the reaction of the fuel gas;
A diffusion layer in contact with the catalyst layer and diffusing the fuel gas ;
With
The fuel cell assembly according to claim 1, wherein the diffusion layer includes a region where the porosity decreases in a direction away from the catalyst layer, and a region where the pore diameter increases in a direction away from the catalyst layer . 電解質膜と、
前記電解質膜に接し、燃料ガスの反応を促進させる触媒層と、
前記触媒層に接し、前記燃料ガスを拡散させる拡散層と、
を備え、
前記拡散層には、前記触媒層から離反する方向へ空隙率が小さくなり、かつ細孔径が大きくなる領域を備えることを特徴とする燃料電池用接合体。 An electrolyte membrane;
A catalyst layer that contacts the electrolyte membrane and promotes the reaction of the fuel gas;
A diffusion layer in contact with the catalyst layer and diffusing the fuel gas;
With
The fuel cell assembly according to claim 1, wherein the diffusion layer includes a region in which the porosity decreases and the pore diameter increases in a direction away from the catalyst layer . 請求項１もしくは２のいずれか１項記載の燃料電池用接合体であって、
前記拡散層には、局所的に親水性物質が設けられていることを特徴とする燃料電池用接合体。 A fuel cell assembly according to any one of claims 1 and 2,
A fuel cell assembly, wherein a hydrophilic substance is locally provided in the diffusion layer . 請求項３記載の燃料電池用接合体であって、
前記親水性物質は、球形で粒状の親水性物質であることを特徴とする燃料電池用接合体。 A fuel cell assembly according to claim 3, wherein
The fuel cell assembly according to claim 1, wherein the hydrophilic substance is a spherical and granular hydrophilic substance. 請求項１−４のいずれか１項記載の燃料電池用接合体であって、
前記拡散層はカソード側の拡散層であることを特徴とする燃料電池用接合体。 A fuel cell assembly according to any one of claims 1-4 ,
The fuel cell assembly according to claim 1, wherein the diffusion layer is a diffusion layer on the cathode side .
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5287557B2 (en) * 2008-11-27 2013-09-11 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell simulation model creation device
JP5704094B2 (en) * 2012-02-29 2015-04-22 トヨタ自動車株式会社 Fuel cell, gas diffusion layer for fuel cell, and production method thereof
JP6009252B2 (en) * 2012-07-13 2016-10-19 日本バイリーン株式会社 Moisture management sheet, gas diffusion sheet, membrane-electrode assembly, and polymer electrolyte fuel cell

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001338655A (en) * 2000-05-30 2001-12-07 Sanyo Electric Co Ltd Fuel cell

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3331706B2 (en) * 1993-11-08 2002-10-07 株式会社豊田中央研究所 Fuel cell
JP2005228755A (en) * 1999-09-21 2005-08-25 Matsushita Electric Ind Co Ltd Polymer electrolyte fuel cell

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001338655A (en) * 2000-05-30 2001-12-07 Sanyo Electric Co Ltd Fuel cell

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