JP5665631B2

JP5665631B2 - Fuel cell

Info

Publication number: JP5665631B2
Application number: JP2011084919A
Authority: JP
Inventors: 和哉竹内; 方浩塩澤; 純史上田; 成孝浜田
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 2011-04-06
Filing date: 2011-04-06
Publication date: 2015-02-04
Anticipated expiration: 2031-04-06
Also published as: JP2012221667A

Description

本発明は、燃料電池の技術に関する。 The present invention relates to fuel cell technology.

一般的に燃料電池は、電解質膜と電解質膜の両側に配置されるアノード極及びカソード極とを備える膜電極接合体（ＭＥＡ：ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）、該膜電極接合体の両側に順に配置される細孔層（集電層、マイクロポーラスレイヤ（ＭＰＬ）等とも言う）、ガス拡散層、セパレータ、を備える。上記の燃料電池では、アノード極に燃料ガスが提供され、また、カソード極には酸化剤ガスが提供され、電気化学反応が行われる。 Generally, a fuel cell is arranged in order on a membrane electrode assembly (MEA) having an electrolyte membrane and anode and cathode electrodes arranged on both sides of the electrolyte membrane, and on both sides of the membrane electrode assembly. A pore layer (also referred to as a current collecting layer, a microporous layer (MPL) or the like), a gas diffusion layer, and a separator are provided. In the above fuel cell, the fuel gas is provided to the anode electrode, and the oxidant gas is provided to the cathode electrode to perform an electrochemical reaction.

近年、燃料電池の小型化、低コスト化、高性能化に応ずるべく、アノード極及びカソード極のいずれか一方に配置されるガス拡散層を廃したり、その膜厚を減少させたりする燃料電池構造が発案されている（例えば、特許文献１〜４参照）。しかし、アノード極側とカソード極側のいずれか一方のガス拡散層を廃すると、燃料電池内の水の排水性が悪くなることにより生じるフラッディングや燃料電池内の水の保持性が悪くなることにより生じるドライアップ（乾燥）が起こる。例えば、アノード極側のガス拡散層を廃したりその厚みを減少させたりすると、燃料電池内で起こる電気化学反応により、カソード極側で生成した水が、カソード極側から電解質膜を介してアノード極側への移動が少なくなり、カソード極側でフラッディングが発生する。また、例えば、カソード極側のガス拡散層を廃したりその厚みを減少させたりすると、カソード極側で生成した水が、カソード極側で留まることなく燃料電池外へ排出され易くなるため、カソード極側でドライアップが発生する。このように、燃料電池内でフラッディングやドライアップが発生すると、燃料電池の発電性能を安定に維持させることが困難となる。 In recent years, a fuel cell structure that eliminates the gas diffusion layer disposed on either the anode electrode or the cathode electrode or reduces the film thickness in order to meet the demands for miniaturization, cost reduction, and high performance of fuel cells. Has been proposed (see, for example, Patent Documents 1 to 4). However, if the gas diffusion layer on either the anode side or the cathode side is abolished, flooding caused by poor drainage of water in the fuel cell and poor water retention in the fuel cell The resulting dry up (drying) occurs. For example, if the gas diffusion layer on the anode electrode side is abolished or the thickness thereof is reduced, the water generated on the cathode electrode side from the cathode electrode side through the electrolyte membrane is caused by the electrochemical reaction that occurs in the fuel cell. The movement to the side decreases and flooding occurs on the cathode side. In addition, for example, if the gas diffusion layer on the cathode electrode side is eliminated or the thickness thereof is reduced, water generated on the cathode electrode side is likely to be discharged outside the fuel cell without remaining on the cathode electrode side. Dry up occurs on the side. Thus, when flooding or dry-up occurs in the fuel cell, it becomes difficult to stably maintain the power generation performance of the fuel cell.

特開２００６−１２５４６号公報JP 2006-12546 A 特開２０１０−１８２４８３号公報JP 2010-182383 A 特開２００９−６４６１５号公報JP 2009-64615 A 特開２００８−５３０６４号公報JP 2008-53064 A

そこで、本発明の目的は、燃料電池内で発生するフラッディングやドライアップを抑制することができる燃料電池を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell that can suppress flooding and dry-up that occur in the fuel cell.

本発明の燃料電池は、電解質膜と前記電解質膜の両側に配置されるアノード極及びカソード極とを備える膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両側に配置される細孔層と、前記アノード極側の細孔層の外側に配置されるガス拡散層とを備え、前記カソード極側の細孔層の外側にはガス拡散層が配置されずに多孔体流路層及びセパレータのうち少なくともいずれか一方が配置される燃料電池であって、前記アノード極側及びカソード極側の細孔層は、親水性を有する。 The fuel cell of the present invention comprises a membrane electrode assembly comprising an electrolyte membrane and anode and cathode electrodes disposed on both sides of the electrolyte membrane, a pore layer disposed on both sides of the membrane electrode assembly, A gas diffusion layer disposed outside the pore layer on the anode electrode side, and the gas diffusion layer is not disposed outside the pore layer on the cathode electrode side, and at least of the porous channel layer and the separator In any one of the fuel cells, the pore layer on the anode electrode side and the cathode electrode side has hydrophilicity.

また、前記燃料電池において、前記カソード極側の細孔層の外側及び前記ガス拡散層の外側には、多孔体流路層が配置されることが好ましい。 In the fuel cell, it is preferable that a porous flow path layer is disposed outside the pore layer on the cathode electrode side and outside the gas diffusion layer.

また、前記燃料電池において、前記ガス拡散層は撥水性を有することが好ましい。 In the fuel cell, the gas diffusion layer preferably has water repellency.

また、前記燃料電池において、燃料ガス供給における上流側から下流側に向って、前記アノード極側の細孔層全体に対して、１／１０以上〜９／１０以下の領域が撥水性を有することが好ましい。 Further, in the fuel cell, a region from 1/10 to 9/10 of the entire pore layer on the anode electrode side has water repellency from the upstream side to the downstream side in the fuel gas supply. Is preferred.

また、本発明の燃料電池は、電解質膜と前記電解質膜の両側に配置されるアノード極及びカソード極とを備える膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両側に配置される細孔層と、を備え、前記アノード極側及び前記カソード極側の細孔層の外側にはガス拡散層が配置されずに多孔体流路層及びセパレータのうち少なくともいずれか一方が配置される燃料電池であって、前記アノード極側の細孔層は撥水性を有し、前記カソード極側の細孔層は親水性を有する。 The fuel cell of the present invention includes a membrane electrode assembly including an electrolyte membrane and an anode electrode and a cathode electrode arranged on both sides of the electrolyte membrane, and a pore layer arranged on both sides of the membrane electrode assembly. And a gas diffusion layer is not disposed outside the pore layer on the anode electrode side and the cathode electrode side, and at least one of a porous channel layer and a separator is disposed on the fuel cell. The pore layer on the anode electrode side has water repellency, and the pore layer on the cathode electrode side has hydrophilicity.

また、前記燃料電池において、前記アノード極側及び前記カソード極側の細孔層の外側には、多孔体流路層が配置されることが好ましい。 In the fuel cell, it is preferable that a porous flow path layer is disposed outside the pore layer on the anode electrode side and the cathode electrode side.

また、前記燃料電池において、燃料ガス供給における上流側から下流側に向って、前記アノード極側の細孔層全体に対して、１／１０以上〜９／１０以下の領域が撥水性を有し、前記アノード極側の細孔層のうち前記領域以外の領域が親水性を有することが好ましい。 Further, in the fuel cell, from the upstream side in the fuel gas supply toward the downstream side, with respect to the total pore layer of the anode electrode side, not less than 1/10 to 9/10 or less regions have a water repellent , a region other than the region of the pore layer of the anode electrode side is preferable to have a hydrophilic property.

本発明によれば、電解質膜の乾燥を抑制し、安定した燃料電池の発電性能を維持することができる。 According to the present invention, drying of the electrolyte membrane can be suppressed and stable power generation performance of the fuel cell can be maintained.

本実施形態に係る燃料電池の構成の一例を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows an example of a structure of the fuel cell which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る燃料電池の構成の他の一例を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows another example of a structure of the fuel cell which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る燃料電池の構成の他の一例を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows another example of a structure of the fuel cell which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る燃料電池の構成の他の一例を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows another example of a structure of the fuel cell which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る燃料電池の構成の他の一例を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows another example of a structure of the fuel cell which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る燃料電池の構成の他の一例を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows another example of a structure of the fuel cell which concerns on this embodiment. 参考例１の燃料電池の構成の一例を示す模式断面図である。4 is a schematic cross-sectional view showing an example of a configuration of a fuel cell of Reference Example 1. FIG. 参考例２の燃料電池の構成の一例を示す模式断面図である。6 is a schematic cross-sectional view showing an example of a configuration of a fuel cell of Reference Example 2. FIG.

本発明の実施の形態について以下説明する。 Embodiments of the present invention will be described below.

図１は、本実施形態に係る燃料電池の構成の一例を示す模式断面図である。図１に示すように、燃料電池１は、電解質膜１０と電解質膜１０の両側に設けられるアノード極１２及びカソード極１４とを備える膜電極接合体１６、アノード極１２及びカソード極１４の外側に設けられる細孔層１８，２０、アノード極１２側の細孔層１８の外側に設けられるガス拡散層２２、アノード極１２側に設置されたガス拡散層２２の外側及びカソード極１４側の細孔層２０の外側に設けられるセパレータ２４，２６、を備えている。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the configuration of the fuel cell according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell 1 includes a membrane electrode assembly 16 including an electrolyte membrane 10 and an anode electrode 12 and a cathode electrode 14 provided on both sides of the electrolyte membrane 10, and outside the anode electrode 12 and the cathode electrode 14. The pore layers 18 and 20 provided, the gas diffusion layer 22 provided outside the pore layer 18 on the anode electrode 12 side, the outside of the gas diffusion layer 22 installed on the anode electrode 12 side, and the pores on the cathode electrode 14 side Separators 24 and 26 provided outside the layer 20 are provided.

図１に示すセパレータ２４，２６には、直線状もしくは蛇行状等のガス流路溝２８，３０が形成されている。このガス流路溝２８，３０は、電極に供給される反応ガスの流路となるものである。なお、不図示であるが、セパレータ２４，２６の外周には、燃料ガス入口及び出口、酸化剤ガス入口及び出口が形成され、アノード極１２側のセパレータ２４のガス流路溝２８は燃料ガス入口及び出口と連通し、カソード極１４側のセパレータ２６のガス流路溝３０は酸化剤ガス入口及び出口と連通している。 In the separators 24 and 26 shown in FIG. 1, gas flow path grooves 28 and 30 having a linear shape or a meandering shape are formed. The gas flow path grooves 28 and 30 serve as flow paths for the reaction gas supplied to the electrodes. Although not shown, fuel gas inlets and outlets, oxidant gas inlets and outlets are formed on the outer peripheries of the separators 24 and 26, and the gas passage groove 28 of the separator 24 on the anode electrode 12 side is a fuel gas inlet. The gas passage groove 30 of the separator 26 on the cathode electrode 14 side is in communication with the oxidant gas inlet and outlet.

セパレータの構造はこれに制限されるものではなく、ガス流路溝２８，３０が形成されていないフラットタイプ型のセパレータを用いてもよい。以下に、フラットタイプ型のセパレータを用いた燃料電池の構成を説明する。 The structure of the separator is not limited to this, and a flat type separator in which the gas flow channel grooves 28 and 30 are not formed may be used. The configuration of a fuel cell using a flat type separator will be described below.

図２は、本実施形態に係る燃料電池の構成の他の一例を示す模式断面図である。図２に示す燃料電池２において、図１に示す燃料電池１と同様の構成については同一の符号を付している。図２に示すように、燃料電池２は、電解質膜１０と電解質膜１０の両側に設けられるアノード極１２及びカソード極１４とを備える膜電極接合体１６、アノード極１２及びカソード極１４の外側に設けられる細孔層１８，２０、アノード極１２側の細孔層１８の外側に設けられるガス拡散層２２、アノード極１２側に設置されたガス拡散層２２の外側及びカソード極１４側の細孔層２０の外側に設けられる多孔体流路層３２，３４、多孔体流路層３２，３４の外側に設けられるセパレータ３６，３８、を備えている。 FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing another example of the configuration of the fuel cell according to the present embodiment. In the fuel cell 2 shown in FIG. 2, the same reference numerals are given to the same configurations as those of the fuel cell 1 shown in FIG. As shown in FIG. 2, the fuel cell 2 includes an electrolyte membrane 10, a membrane electrode assembly 16 including an anode electrode 12 and a cathode electrode 14 provided on both sides of the electrolyte membrane 10, and outside the anode electrode 12 and the cathode electrode 14. The pore layers 18 and 20 provided, the gas diffusion layer 22 provided outside the pore layer 18 on the anode electrode 12 side, the outside of the gas diffusion layer 22 installed on the anode electrode 12 side, and the pores on the cathode electrode 14 side The porous body flow path layers 32 and 34 provided in the outer side of the layer 20, and the separators 36 and 38 provided in the outer side of the porous body flow path layers 32 and 34 are provided.

多孔体流路層３２，３４は、導電性多孔体から構成されるものであり、多孔体流路層３２，３４に供給される反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）を電極の面全体に供給するガス流路として機能する。多孔体流路層３２，３４に供給される反応ガスは、主に部材の積層面方向に流動する。 The porous body flow path layers 32 and 34 are composed of a conductive porous body, and the reaction gas (fuel gas, oxidant gas) supplied to the porous body flow path layers 32 and 34 is applied to the entire surface of the electrode. It functions as a gas flow path to be supplied. The reaction gas supplied to the porous channel layers 32 and 34 mainly flows in the direction of the laminated surface of the members.

図２に示すセパレータ３６，３８は、平坦な導電性材料から構成されている（すなわち、ガス流路溝２８，３０が形成されていない）。なお、不図示であるが、セパレータ３６，３８の外周には、燃料ガス入口及び出口、酸化剤ガス入口及び出口が形成され、燃料ガス入口及び出口はアノード極１２側の多孔体流路層３２と連通し、酸化剤ガス入口及び出口はカソード極１４側の多孔体流路層３４と連通している。 The separators 36 and 38 shown in FIG. 2 are made of a flat conductive material (that is, the gas passage grooves 28 and 30 are not formed). Although not shown, fuel gas inlets and outlets, oxidant gas inlets and outlets are formed on the outer peripheries of the separators 36 and 38, and the fuel gas inlets and outlets are the porous channel layer 32 on the anode electrode 12 side. The oxidant gas inlet and outlet are in communication with the porous channel layer 34 on the cathode electrode 14 side.

本実施形態に用いられる細孔層１８，２０は、ガス透過性及び導電性を有する材料から構成され、集電層、マイクロポーラスレイヤー（ＭＰＬ）等とも言う。アノード極１２側に設けられる細孔層１８は、アノード極１２と電子の授受を行う機能を有するものであり、カソード極１４側に設けられる細孔層２０は、カソード極１４と電子の授受を行う機能を有するものである。また、本実施形態で用いられる細孔層１８，２０は親水性（親水作用）を有するものである。ここで、親水性を有するとは、液滴法を利用した接触角測定装置を用いて測定した水の接触角が７０度以下であることを言う。細孔層１８，２０の親水化処理については後述する。 The pore layers 18 and 20 used in the present embodiment are made of a material having gas permeability and conductivity, and are also referred to as a current collecting layer, a microporous layer (MPL), or the like. The pore layer 18 provided on the anode electrode 12 side has a function of exchanging electrons with the anode electrode 12, and the pore layer 20 provided on the cathode electrode 14 side exchanges electrons with the cathode electrode 14. It has a function to perform. Moreover, the pore layers 18 and 20 used in this embodiment have hydrophilicity (hydrophilic action). Here, having hydrophilicity means that the contact angle of water measured with a contact angle measuring device using a droplet method is 70 degrees or less. The hydrophilization treatment of the pore layers 18 and 20 will be described later.

本実施形態のアノード極１２側に配置されるガス拡散層２２は、ガス拡散性及び導電性を有する材料から構成される導電性多孔質基材であり、電極にガスを拡散させる機能を有する。ガス拡散層２２に供給される燃料ガスは、主に電極に向かって拡散する。 The gas diffusion layer 22 disposed on the anode electrode 12 side of the present embodiment is a conductive porous substrate made of a material having gas diffusibility and conductivity, and has a function of diffusing gas to the electrode. The fuel gas supplied to the gas diffusion layer 22 mainly diffuses toward the electrode.

本実施形態の膜電極接合体１６を構成する電解質膜１０は、プロトン電導性を有し、かつ電気的絶縁性を有する材料から構成されている。膜電極接合体１６を構成するアノード極１２は、燃料の酸化を促進する触媒を備え、該触媒上で燃料が酸化反応を起こすことにより、プロトンと電子を生成する。また、膜電極接合体１６を構成するカソード極１４は、酸化剤の還元を促進する触媒を備え、該触媒上で酸化剤がプロトンと電子を取り込み、還元反応が起きる。 The electrolyte membrane 10 constituting the membrane electrode assembly 16 of the present embodiment is made of a material having proton conductivity and electrical insulation. The anode electrode 12 constituting the membrane electrode assembly 16 includes a catalyst that promotes oxidation of fuel, and the fuel causes an oxidation reaction on the catalyst to generate protons and electrons. Further, the cathode electrode 14 constituting the membrane electrode assembly 16 includes a catalyst that promotes the reduction of the oxidant, and the oxidant takes in protons and electrons on the catalyst to cause a reduction reaction.

次に、燃料電池の動作を図２の燃料電池２を用いて説明する。 Next, the operation of the fuel cell will be described using the fuel cell 2 of FIG.

まず、水素ガス等の燃料ガスが、アノード極１２側のセパレータ３６の燃料ガス入口から多孔体流路層３２に供給される。燃料ガスは、多孔体流路層３２を流動しつつ、ガス拡散層２２に到達し、ガス拡散層２２およびアノード極１２側の細孔層１８を透過してアノード極１２に到達する。アノード極１２に到達した燃料ガス中の水素は、プロトンと電子とに分離される。プロトンは、電解質膜１０を伝導し、カソード極１４に到達する。電子は、アノード極１２側の細孔層１８により集められ、ガス拡散層２２、セパレータ３６へと伝達し、不図示の外部回路を通って、カソード極１４側のセパレータ３８、多孔体流路層３４、細孔層２０を介してカソード極１４へ到達する。 First, a fuel gas such as hydrogen gas is supplied from the fuel gas inlet of the separator 36 on the anode electrode 12 side to the porous body flow path layer 32. The fuel gas reaches the gas diffusion layer 22 while flowing through the porous flow path layer 32, passes through the gas diffusion layer 22 and the pore layer 18 on the anode electrode 12 side, and reaches the anode electrode 12. Hydrogen in the fuel gas that has reached the anode electrode 12 is separated into protons and electrons. The protons conduct through the electrolyte membrane 10 and reach the cathode electrode 14. The electrons are collected by the pore layer 18 on the anode electrode 12 side, transmitted to the gas diffusion layer 22 and the separator 36, and pass through an external circuit (not shown) to be separated on the cathode 38 side separator 38 and the porous channel layer. 34, and reaches the cathode electrode 14 through the pore layer 20.

一方、空気等の酸化剤ガスは、カソード極１４側のセパレータ３８の酸化剤ガス入口から多孔体流路層３４に供給される。酸化剤ガスは、多孔体流路層３４を流動しつつ、カソード極１４側の細孔層２０を透過してカソード極１４に到達する。カソード極１４においては、酸化剤ガス中の酸素とプロトンと電子とが反応して水が発生するとともに電力が発生する。以上の動作によって、燃料電池２は発電を行う。 On the other hand, an oxidant gas such as air is supplied to the porous flow path layer 34 from the oxidant gas inlet of the separator 38 on the cathode electrode 14 side. The oxidant gas passes through the pore layer 20 on the cathode electrode 14 side and reaches the cathode electrode 14 while flowing through the porous channel layer 34. In the cathode 14, oxygen, protons, and electrons in the oxidant gas react to generate water and generate electric power. Through the above operation, the fuel cell 2 generates power.

発電に伴ってカソード極１４で生成される生成水は、酸化剤排ガスと共に、細孔層２０、多孔体流路層３４を通って、主に、セパレータ３８の酸化剤ガス出口から排出される。また、発電に伴ってカソード極１４で生成される生成水は、電解質膜１０を透過してアノード極１２側に移動し、燃料排ガスと共に、細孔層１８、ガス拡散層２２、多孔体流路層３２を通って、主に、セパレータ３６の燃料ガス出口から排出される。 The produced water generated at the cathode electrode 14 along with the power generation is discharged from the oxidant gas outlet of the separator 38 through the pore layer 20 and the porous body flow path layer 34 together with the oxidant exhaust gas. The generated water generated at the cathode electrode 14 along with the power generation passes through the electrolyte membrane 10 and moves to the anode electrode 12 side, and along with the fuel exhaust gas, the pore layer 18, the gas diffusion layer 22, the porous body flow path. It passes through the layer 32 and is mainly discharged from the fuel gas outlet of the separator 36.

ここで、通常、燃料電池のカソード極側にガス拡散層が設置されていない場合（アノード極側にはガス拡散層が設置されている）、カソード極側の細孔層を流れる酸化剤ガスのガス流速は、ガス拡散層を設置した場合と比べて速くなる。そうすると、発電に伴ってカソード極で生成される生成水は、速い流速の酸化剤ガス（酸化剤排ガス）によって、カソード極から必要以上に持ち去られてしまう。特に、カソード極側の細孔層が撥水性の場合には、水を保持する能力が低くなるため、よりカソード極から水が持ち去られてしまう。その結果、カソード極側が乾燥（ドライアップ）してしまうため、電解質膜のイオン導電性等が低下し、燃料電池の発電性能の低下を引き起こすことになる。 Here, normally, when the gas diffusion layer is not installed on the cathode side of the fuel cell (the gas diffusion layer is installed on the anode side), the oxidant gas flowing through the pore layer on the cathode side The gas flow rate is faster than when a gas diffusion layer is installed. If it does so, the product water produced | generated by a cathode pole with an electric power generation will be carried away more than necessary from a cathode pole by the oxidizing agent gas (oxidant waste gas) of a high flow velocity. In particular, when the pore layer on the cathode electrode side is water-repellent, the ability to retain water is reduced, so water is taken away from the cathode electrode. As a result, the cathode electrode side is dried (dry-up), so that the ionic conductivity of the electrolyte membrane is lowered and the power generation performance of the fuel cell is lowered.

そこで、本実施形態では、前述した親水性を有する細孔層１８をアノード極１２側及び親水性を有する細孔層２０をカソード極１４側に配置することにより、細孔層１８，２０中に多くの水分を保持することができる。したがって、燃料電池２のカソード極１４側にガス拡散層２２を設置しなくても、発電に伴ってカソード極１４で生成される生成水が、速い流速の酸化剤ガス（酸化剤排ガス）によって、カソード極１４から必要以上に持ち去られることを抑制することができる。また、カソード極１４側のガス拡散層を廃しているため、燃料電池の小型化、低コスト化、高性能化が可能となる。 Therefore, in the present embodiment, the above-described hydrophilic pore layer 18 is disposed on the anode electrode 12 side and the hydrophilic pore layer 20 is disposed on the cathode electrode 14 side, whereby the pore layers 18 and 20 are disposed in the pore layers 18 and 20. A lot of moisture can be retained. Therefore, even if the gas diffusion layer 22 is not installed on the cathode electrode 14 side of the fuel cell 2, the generated water generated at the cathode electrode 14 during power generation is caused by the oxidant gas (oxidant exhaust gas) having a high flow rate. Unnecessary removal from the cathode electrode 14 can be suppressed. Further, since the gas diffusion layer on the cathode electrode 14 side is eliminated, the fuel cell can be reduced in size, cost, and performance.

また、一般的に、燃料電池の発電過程等では、電解質膜が膨潤し、体積が増加する。そして、燃料電池からガス拡散層を廃した場合、電解質膜の膨潤によって生じる体積増加をガス拡散層の弾性変形により吸収することができず、膜電極接合体に圧縮力が加わり、膜電極接合体が損傷する場合がある。しかし、本実施形態において、フラットタイプ型のセパレータを用いること、また、膜電力接合体の両外側に細孔層を配置することで、膜電極接合体に加わる圧縮力を抑制し、膜電極接合体の損傷を防ぐことが可能である。 In general, in the power generation process of a fuel cell, the electrolyte membrane swells and the volume increases. When the gas diffusion layer is discarded from the fuel cell, the volume increase caused by the swelling of the electrolyte membrane cannot be absorbed by the elastic deformation of the gas diffusion layer, and a compressive force is applied to the membrane electrode assembly. May be damaged. However, in this embodiment, by using a flat type separator, and by arranging a pore layer on both outer sides of the membrane power assembly, the compressive force applied to the membrane electrode assembly is suppressed, and the membrane electrode junction It is possible to prevent body damage.

次に、燃料電池１，２の各部材の詳細について説明する。 Next, details of each member of the fuel cells 1 and 2 will be described.

本実施形態の細孔層１８，２０は、例えば、導電性材料と、メタノール、エタノール等の分散溶媒と、を混合した溶液を多孔体流路層、拡散層又は触媒層等に塗布することにより形成される。塗布方法は、スプレー、スクリーン印刷、アプリケータ、インクジェット等がある。細孔層１８，２０を構成する導電性材料としては、例えば、カーボン材料、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の貴金属、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｕ等の金属、Ｓｉ、およびこれらの窒化物、炭化物、炭窒化物等、さらにステンレス、Ｃｕ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｔｉ−Ｐｔ等の合金等を挙げることができる。より好ましくは、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｗからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素を含む。かかる元素を含むことにより、細孔層１８，２０の比抵抗が小さくなるため、細孔層１８，２０の抵抗による電圧低下を軽減し、より高い発電特性を得ることが可能となる。Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ等の、酸性雰囲気下で耐腐食性に乏しい金属を用いる場合には、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の耐腐食性を有する貴金属および金属材質や、導電性高分子、導電性窒化物、導電性炭化物、導電性炭窒化物、導電性酸化物等を表面コーティングとして用いることができる。これにより、燃料電池の寿命を延ばすことができる。 The pore layers 18 and 20 of the present embodiment are obtained, for example, by applying a solution obtained by mixing a conductive material and a dispersion solvent such as methanol or ethanol to the porous channel layer, the diffusion layer, or the catalyst layer. It is formed. Application methods include spraying, screen printing, applicator, and ink jet. Examples of the conductive material constituting the pore layers 18 and 20 include carbon materials, noble metals such as Au, Pt, and Pd, Ti, Ta, W, Nb, Ni, Al, Cr, Ag, Cu, Zn, and Su. And metals such as Si, nitrides thereof, carbides, carbonitrides thereof, and alloys such as stainless steel, Cu—Cr, Ni—Cr, and Ti—Pt. More preferably, it contains at least one element selected from the group consisting of Pt, Ti, Au, Ag, Cu, Ni, and W. By including such an element, the specific resistance of the pore layers 18 and 20 is reduced, so that the voltage drop due to the resistance of the pore layers 18 and 20 can be reduced, and higher power generation characteristics can be obtained. In the case of using a metal having poor corrosion resistance in an acidic atmosphere such as Cu, Ag, Zn, etc., noble metals and metal materials having corrosion resistance such as Au, Pt, Pd, conductive polymers, conductive nitriding A material, a conductive carbide, a conductive carbonitride, a conductive oxide or the like can be used as the surface coating. Thereby, the lifetime of the fuel cell can be extended.

細孔層１８，２０を親水化処理する方法としては、例えば、プラズマ処理、オゾン処理、フレーム処理、レーザー処理、電子線による処理、イオン注入法による処理、イオンビームによる処理、イオン照射による処理、アルカリ水溶液等に浸漬させる溶剤処理等を採用することができる。好ましい親水化処理の方法としては、作業効率性等の点で、レーザー照射処理が望ましい。 As a method for hydrophilizing the pore layers 18 and 20, for example, plasma treatment, ozone treatment, flame treatment, laser treatment, electron beam treatment, ion implantation method, ion beam treatment, ion irradiation treatment, A solvent treatment or the like immersed in an alkaline aqueous solution can be employed. As a preferred hydrophilic treatment method, laser irradiation treatment is desirable in terms of work efficiency and the like.

本実施形態に用いられるガス拡散層２２としては、例えば、導電性無機物質を主とするものを挙げることができ、この導電性無機物質としては、ポリアクリロニトリルからの焼成体、ピッチからの焼成体、黒鉛及び膨張黒鉛等の炭素材やこれらのナノカーボン材料、ステンレススチール、モリブデン、チタン等を挙げることができる。また、ガス拡散層２２の導電性無機物質の形態は、ガスを拡散させることができる多孔質基材であれば特に限定されるものではなく、たとえば繊維状あるいは粒子状で用いられるが、ガス拡散性の点から無機導電性繊維であって、特に炭素繊維が好ましい。無機導電性繊維を用いたガス拡散層２２としては、織布あるいは不織布いずれの構造のものも使用することができ、カーボンペーパーやカーボンクロスなどを挙げることができる。織布としては、平織、紋織、綴織など、特に限定されるものではなく、不織布としては、抄紙法、ウォータージェットパンチ法によるものなどが挙げられる。 Examples of the gas diffusion layer 22 used in the present embodiment include those mainly composed of a conductive inorganic substance. Examples of the conductive inorganic substance include a fired body from polyacrylonitrile and a fired body from pitch. , Carbon materials such as graphite and expanded graphite, nanocarbon materials thereof, stainless steel, molybdenum, titanium, and the like. Further, the form of the conductive inorganic substance of the gas diffusion layer 22 is not particularly limited as long as it is a porous base material capable of diffusing gas. For example, it is used in the form of fibers or particles. From the viewpoint of properties, it is an inorganic conductive fiber, and carbon fiber is particularly preferable. As the gas diffusion layer 22 using an inorganic conductive fiber, a woven fabric or a nonwoven fabric can be used, and examples thereof include carbon paper and carbon cloth. The woven fabric is not particularly limited, such as plain weave, crest weave, and bound weave, and examples of the nonwoven fabric include those made by a papermaking method and a water jet punch method.

本実施形態のアノード極１２側に設置されるガス拡散層２２は、撥水性を有することが好ましい。これにより、細孔層１８からガス拡散層２２側へ水が流れることが抑制されるため、アノード極１２側の細孔層１８中に多くの水を保持させることができる。ガス拡散層２２を撥水化処理する方法としては、例えば、ガス拡散層２２に撥水剤を塗布する方法が挙げられる。撥水剤は、ポリテトラフルオロエチレン（以下、「ＰＴＦＥ」という。）、四フッ化エチレン−六フッ化プロピレン共重合体（ＦＥＰ）、四フッ化エチレン−パーフルオロビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）などのフッ素樹脂を用いることができる。 The gas diffusion layer 22 installed on the anode electrode 12 side in the present embodiment preferably has water repellency. Thereby, since it is suppressed that water flows from the pore layer 18 to the gas diffusion layer 22 side, much water can be held in the pore layer 18 on the anode electrode 12 side. Examples of the method for water repellency treatment of the gas diffusion layer 22 include a method of applying a water repellent to the gas diffusion layer 22. The water repellent is polytetrafluoroethylene (hereinafter referred to as “PTFE”), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluorovinyl ether copolymer (PFA), A fluororesin such as polyvinylidene fluoride (PVdF) can be used.

セパレータ２４，２６（及びセパレータ３６，３８）は、ガス不透過性であって、導電性を有する材料であれば特に限定されるものではないが、例えば、チタン合金、ステンレス鋼等に代表される金属、カーボン、導電性樹脂等が挙げられる。 The separators 24 and 26 (and the separators 36 and 38) are not particularly limited as long as they are gas-impermeable and conductive materials. For example, titanium alloys and stainless steel are representative. Metal, carbon, conductive resin, etc. are mentioned.

本実施形態に用いられる多孔体流路層３２，３４は、例えば、ステンレス鋼やチタン、或いはチタン合金などの発泡焼結金属や、金属メッシュなどの内部に多数の細孔を備えた多孔体によって形成される。多孔体流路層３２，３４は、反応ガスの圧力損失を抑える点で、比較的気孔率の大きい多孔体を使用することが好ましい。多孔体流路層３２，３４は、多孔体流路層３２，３４側へ移動してきた水を速やかにセパレータ３６，３８のガス出口から排出させることができる点で、親水性を有することが好ましい。 The porous body flow path layers 32 and 34 used in the present embodiment are made of, for example, a foam sintered metal such as stainless steel, titanium, or a titanium alloy, or a porous body having a large number of pores inside a metal mesh or the like. It is formed. The porous body flow path layers 32 and 34 are preferably made of a porous body having a relatively high porosity in order to suppress the pressure loss of the reaction gas. The porous flow path layers 32 and 34 are preferably hydrophilic in that water that has moved to the porous flow path layers 32 and 34 can be quickly discharged from the gas outlets of the separators 36 and 38. .

膜電極接合体１６を構成する電解質膜１０は、プロトン電導性を有し、かつ電気的絶縁性を有する材料であれば特に限定されないが、例えば、スルホン酸基やカルボニル基を持つフッ素系イオン交換膜、置換フェニレンオキサイドやスルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリアリールエーテルスルホン、スルホン化フェニレンスルファイドなどの非フッ素系のポリマーなどから形成される。 The electrolyte membrane 10 constituting the membrane electrode assembly 16 is not particularly limited as long as it is a material having proton conductivity and electrical insulation. For example, fluorine ion exchange having a sulfonic acid group or a carbonyl group is possible. The film is formed from a non-fluorine polymer such as a substituted phenylene oxide, a sulfonated polyaryletherketone, a sulfonated polyarylethersulfone, or a sulfonated phenylene sulfide.

また、アノード極１２及びカソード極１４は、例えば、触媒が担持された導電性担体（粒子状のカーボン担体など）と、電解質と、分散溶媒（有機溶媒）と、を混合して触媒溶液（触媒インク）を電解質膜１０等の基材に塗布することにより形成される。ここで、触媒溶液を形成する電解質は、プロトン伝導性ポリマーである、有機系の含フッ素高分子を骨格とするイオン交換樹脂、例えばパーフルオロカーボンスルフォン酸樹脂、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等のスルホン化プラスチック系電解質等を挙げることができる。なお、市販素材としては、ナフィオン（登録商標）（Ｎａｆｉｏｎ、デュポン社製）やフレミオン（登録商標）（Ｆｌｅｍｉｏｎ、旭硝子株式会社製）などを挙げることができる。また、分散溶媒としては、メタノール、エタノール等のアルコール類等の溶媒を挙げることができる。 The anode electrode 12 and the cathode electrode 14 are prepared by mixing, for example, a conductive carrier (particulate carbon carrier or the like) carrying a catalyst, an electrolyte, and a dispersion solvent (organic solvent) to form a catalyst solution (catalyst). Ink) is applied to a substrate such as the electrolyte membrane 10 or the like. Here, the electrolyte forming the catalyst solution is a proton conductive polymer, an ion exchange resin having a skeleton of an organic fluorine-containing polymer, such as a perfluorocarbon sulfonic acid resin, a sulfonated polyether ketone, a sulfonated polyether. Examples thereof include sulfonated plastic electrolytes such as sulfone, sulfonated polyetherethersulfone, sulfonated polysulfone, sulfonated polysulfide, and sulfonated polyphenylene. Examples of commercially available materials include Nafion (registered trademark) (Nafion, manufactured by DuPont) and Flemion (registered trademark) (Flemion, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.). In addition, examples of the dispersion solvent include solvents such as alcohols such as methanol and ethanol.

触媒が担持される導電性担体としては、例えば、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーなどの炭素材料、炭化ケイ素などに代表される炭素化合物などを挙げることができる。触媒（金属触媒）としては、例えば、白金や白金合金、パラジウム、ロジウム、金、銀、オスミウム、イリジウムなどを挙げることができ、白金または白金合金を使用するのが好ましい。 Examples of the conductive carrier on which the catalyst is supported include carbon materials such as carbon black, carbon nanotubes, and carbon nanofibers, and carbon compounds typified by silicon carbide. Examples of the catalyst (metal catalyst) include platinum, platinum alloy, palladium, rhodium, gold, silver, osmium, iridium and the like, and platinum or platinum alloy is preferably used.

図３は、本実施形態に係る燃料電池の構成の他の一例を示す模式断面図である。図３に示す燃料電池３において、図２に示す燃料電池２と同様の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。 FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing another example of the configuration of the fuel cell according to the present embodiment. In the fuel cell 3 shown in FIG. 3, the same components as those in the fuel cell 2 shown in FIG.

図３に示す燃料電池３において、アノード極１２側に設置される細孔層１８は、細孔層１８全体のうち燃料ガス供給における上流側１／１０以上〜９／１０以下の領域（上流側の領域１８ａ）が撥水性を有するものである。ここで、図３に示す燃料電池３では、アノード極１２側の細孔層１８の燃料ガス供給における上流側とカソード極１４側の細孔層２０の酸化剤ガス供給における下流側とが対向する燃料電池構造になっている。すなわち、図３に示すように、例えば、図の上方から燃料ガスが導入され、図の下方から燃料排ガスが排出されるのに対し、図の下方から酸化剤ガスが導入され、図の上方から酸化剤排ガスが排出されるガス流れとなっている。 In the fuel cell 3 shown in FIG. 3, the pore layer 18 installed on the anode electrode 12 side is a region (upstream side) of 1/10 to 9/10 upstream of the fuel gas supply in the entire pore layer 18. The region 18a) has water repellency. Here, in the fuel cell 3 shown in FIG. 3, the upstream side in the fuel gas supply of the pore layer 18 on the anode electrode 12 side faces the downstream side in the oxidant gas supply of the pore layer 20 on the cathode electrode 14 side. It has a fuel cell structure. That is, as shown in FIG. 3, for example, fuel gas is introduced from the top of the figure and fuel exhaust gas is discharged from the bottom of the figure, whereas oxidant gas is introduced from the bottom of the figure, and from the top of the figure. It is a gas flow from which oxidant exhaust gas is discharged.

このように、アノード極１２側の細孔層１８全体のうち燃料ガス供給における上流側の領域１８ａを撥水性にすることにより、アノード極１２側の細孔層１８の燃料ガス供給における上流側の領域１８ａは乾燥し易くなる。そうすると、その上流側の領域１８ａに対向するカソード極１４側の細孔層２０の酸化剤ガス供給における下流側の領域との水の濃度差が大きくなるため、酸化剤ガス供給における下流側のカソード極１４側から燃料ガス供給における上流側のアノード極１２側への水の移動が促進され、酸化剤ガス供給における下流側のカソード極１４から多くの水が排出され易くなる。また、アノード極１２側の細孔層１８全体のうち、燃料ガス供給における下流側の領域及びカソード極１４側の細孔層２０は親水性であるため、その下流側の領域に対向するカソード極１４側の細孔層２０の酸化剤ガス供給における上流側の領域との水の濃度差は小さくなる。したがって、酸化剤ガス供給における上流側のカソード極１４側から燃料ガス供給における下流側のアノード極１２側への水の移動が抑制され、酸化剤ガス供給における上流側のカソード極１４に水が溜まり易くなる。そして、燃料電池内の水分状態をこのような状態にすることにより、以下に説明するように、燃料電池３の高温運転性能を向上させることが可能となる。 Thus, by making the upstream region 18a in the fuel gas supply out of the entire pore layer 18 on the anode electrode 12 side, the upstream side in the fuel gas supply of the pore layer 18 on the anode electrode 12 side is made water-repellent. The region 18a is easily dried. Then, the difference in water concentration with the downstream region in the oxidant gas supply of the pore layer 20 on the cathode electrode 14 side facing the upstream region 18a becomes large, so the downstream cathode in the oxidant gas supply The movement of water from the electrode 14 side to the upstream anode electrode 12 side in the fuel gas supply is promoted, and a large amount of water is easily discharged from the downstream cathode electrode 14 in the oxidant gas supply. Further, in the entire pore layer 18 on the anode electrode 12 side, the downstream region in the fuel gas supply and the pore layer 20 on the cathode electrode 14 side are hydrophilic, and therefore the cathode electrode facing the downstream region. The difference in water concentration from the upstream region in the oxidant gas supply of the 14th pore layer 20 is reduced. Therefore, the movement of water from the upstream cathode electrode 14 side in the oxidant gas supply to the downstream anode electrode 12 side in the fuel gas supply is suppressed, and water accumulates in the upstream cathode electrode 14 in the oxidant gas supply. It becomes easy. Then, by setting the moisture state in the fuel cell to such a state, it becomes possible to improve the high-temperature operation performance of the fuel cell 3 as described below.

燃料電池の高温運転では、ガス流速及び生成水の増加から、酸化剤ガス供給における下流側のカソード極に水が滞留し易く、酸化剤ガス供給における上流側のカソード極が乾燥し易くなる。しかし、前述したように本実施形態では、酸化剤ガス供給における下流側のカソード極１４から多くの水が排出されるため、燃料電池３の高温運転時でも、酸化剤ガス供給における下流側のカソード極１４で多くの水が滞留することを抑制することができる。また、酸化剤ガス供給における上流側のカソード極１４側の水の移動が抑制されるため、燃料電池３の高温運転時でも、酸化剤ガス供給における上流側のカソード極１４の乾燥を抑制することができる。その結果、高温運転時でも燃料電池３を安定して発電させることが可能となる。 In the high-temperature operation of the fuel cell, water tends to stay at the downstream cathode electrode in the oxidant gas supply due to the increase in gas flow rate and generated water, and the upstream cathode electrode in the oxidant gas supply tends to dry. However, as described above, in the present embodiment, a large amount of water is discharged from the cathode electrode 14 on the downstream side in the oxidant gas supply, and therefore the cathode on the downstream side in the oxidant gas supply even during high temperature operation of the fuel cell 3. It can suppress that much water retains in the pole 14. Further, since the movement of water on the upstream cathode electrode 14 side in the oxidant gas supply is suppressed, drying of the upstream cathode electrode 14 in the oxidant gas supply is suppressed even during high temperature operation of the fuel cell 3. Can do. As a result, the fuel cell 3 can be stably generated even during high temperature operation.

図４は、本実施形態に係る燃料電池の構成の他の一例を示す模式断面図である。図４に示すように、燃料電池１００は、電解質膜１１０と電解質膜１１０の両側に設けられるアノード極１１２及びカソード極１１４とを備える膜電極接合体１１６、アノード極１１２及びカソード極１１４の外側に設けられる細孔層１１８，１２０、細孔層１１８，１２０の外側に設けられるセパレータ１２４，１２６、を備えている。そして、本実施形態の燃料電池１００は、電極にガスを拡散させる機能を有するガス拡散層を備えていない。 FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing another example of the configuration of the fuel cell according to the present embodiment. As shown in FIG. 4, the fuel cell 100 includes a membrane electrode assembly 116 including an electrolyte membrane 110 and an anode electrode 112 and a cathode electrode 114 provided on both sides of the electrolyte membrane 110, and outside the anode electrode 112 and the cathode electrode 114. Provided are pore layers 118 and 120 provided, and separators 124 and 126 provided outside the pore layers 118 and 120. And the fuel cell 100 of this embodiment is not provided with the gas diffusion layer which has the function to diffuse gas to an electrode.

図４に示すセパレータ１２４，１２６には、直線状もしくは蛇行状等のガス流路溝１２８，１３０が形成されている。このガス流路溝１２８，１３０は、電極に供給される反応ガスの流路となるものである。なお、不図示であるが、セパレータ１２４，１２６の外周には、燃料ガス入口及び出口、酸化剤ガス入口及び出口が形成され、アノード極１１２側のセパレータ１２４のガス流路溝１２８は燃料ガス入口及び出口と連通し、カソード極１１４側のセパレータ１２６のガス流路溝１３０は酸化剤ガス入口及び出口と連通している。 The separators 124 and 126 shown in FIG. 4 are formed with gas flow path grooves 128 and 130 having a linear shape or a meandering shape. The gas flow path grooves 128 and 130 serve as flow paths for the reaction gas supplied to the electrodes. Although not shown, fuel gas inlets and outlets, oxidant gas inlets and outlets are formed on the outer peripheries of the separators 124 and 126, and the gas flow path grooves 128 of the separator 124 on the anode electrode 112 side are fuel gas inlets. The gas flow path groove 130 of the separator 126 on the cathode electrode 114 side communicates with the oxidant gas inlet and outlet.

セパレータの構造はこれに制限されるものではなく、ガス流路溝１２８，１３０が形成されていないフラットタイプ型のセパレータを用いてもよい。以下に、フラットタイプ型のセパレータを用いた燃料電池の構成を説明する。 The structure of the separator is not limited to this, and a flat type separator in which the gas flow channel grooves 128 and 130 are not formed may be used. The configuration of a fuel cell using a flat type separator will be described below.

図５は、本実施形態に係る燃料電池の構成の他の一例を示す模式断面図である。図５に示すように、燃料電池１０２は、電解質膜１１０と電解質膜１１０の両側に設けられるアノード極１１２及びカソード極１１４とを備える膜電極接合体１１６、アノード極１１２及びカソード極１１４の外側に設けられる細孔層１１８，１２０、細孔層１１８，１２０の外側に設けられる多孔体流路層１３２，１３４、多孔体流路層１３２，１３４の外側に設けられるセパレータ１３６，１３８、を備えている。 FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing another example of the configuration of the fuel cell according to the present embodiment. As shown in FIG. 5, the fuel cell 102 has a membrane electrode assembly 116 including an electrolyte membrane 110 and an anode electrode 112 and a cathode electrode 114 provided on both sides of the electrolyte membrane 110, and outside the anode electrode 112 and the cathode electrode 114. Porous layers 118 and 120 provided, porous channel layers 132 and 134 provided outside the pore layers 118 and 120, and separators 136 and 138 provided outside the porous channel layers 132 and 134, respectively. Yes.

多孔体流路層１３２，１３４は、導電性多孔体から構成されるものであり、多孔体流路層１３２，１３４に供給される反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）を電極の面全体に供給するガス流路として機能する。多孔体流路層１３２，１３４に供給される反応ガスは、主に部材の積層面方向に流動する。 The porous body flow path layers 132 and 134 are made of a conductive porous body, and the reaction gas (fuel gas, oxidant gas) supplied to the porous flow path layers 132 and 134 is applied to the entire surface of the electrode. It functions as a gas flow path to be supplied. The reaction gas supplied to the porous flow path layers 132 and 134 mainly flows in the direction of the laminated surface of the members.

図５に示すセパレータ１３６，１３８は、平坦な導電性材料から構成されている（すなわち、ガス流路溝１２８，１３０が形成されていない）。なお、不図示であるが、セパレータ１３６，１３８の外周には、燃料ガス入口及び出口、酸化剤ガス入口及び出口が形成され、燃料ガス入口及び出口はアノード極１１２側の多孔体流路層１３２と連通し、酸化剤ガス入口及び出口はカソード極１１４側の多孔体流路層１３４と連通している。 The separators 136 and 138 shown in FIG. 5 are made of a flat conductive material (that is, the gas flow path grooves 128 and 130 are not formed). Although not shown, fuel gas inlets and outlets, oxidant gas inlets and outlets are formed on the outer peripheries of the separators 136 and 138, and the fuel gas inlets and outlets are the porous channel layer 132 on the anode electrode 112 side. The oxidant gas inlet and outlet are in communication with the porous channel layer 134 on the cathode electrode 114 side.

本実施形態に用いられる細孔層１１８，１２０は、ガス透過性及び導電性を有する材料から構成され、集電層、マイクロポーラスレイヤ（ＭＰＬ）等とも言う。アノード極１１２側に設けられる細孔層１１８は、アノード極１１２と電子の授受を行う機能を有するものであり、カソード極１１４側に設けられる細孔層１２０は、カソード極１１４と電子の授受を行う機能を有するものである。また、本実施形態で用いられるアノード極１１２側に設けられる細孔層１１８は、撥水性（撥水作用）を有するものであり、カソード極１１４側に設けられる細孔層１２０は、親水性（親水作用）を有するものである。ここで、親水性を有するとは、液滴法を利用した接触角測定装置を用いて測定した水の接触角が７０度以下であることを言う。また、撥水性を有するとは、液滴法を利用した接触角測定装置を用いて測定した水の接触角が７０度超であることを言う。細孔層１１８，１２０の撥水化処理及び親水化処理については後述する。 The pore layers 118 and 120 used in the present embodiment are made of a material having gas permeability and conductivity, and are also called a current collecting layer, a microporous layer (MPL), or the like. The pore layer 118 provided on the anode electrode 112 side has a function of exchanging electrons with the anode electrode 112, and the pore layer 120 provided on the cathode electrode 114 side exchanges electrons with the cathode electrode 114. It has a function to perform. Further, the pore layer 118 provided on the anode electrode 112 side used in the present embodiment has water repellency (water repellency), and the pore layer 120 provided on the cathode electrode 114 side is hydrophilic ( It has a hydrophilic action. Here, having hydrophilicity means that the contact angle of water measured with a contact angle measuring device using a droplet method is 70 degrees or less. Also, having water repellency means that the contact angle of water measured with a contact angle measuring device using a droplet method is more than 70 degrees. The water repellent treatment and hydrophilic treatment of the pore layers 118 and 120 will be described later.

本実施形態の膜電極接合体１１６を構成する電解質膜１１０は、プロトン電導性を有し、かつ電気的絶縁性を有する材料から構成されている。膜電極接合体１１６を構成するアノード極１１２は、燃料（例えば、水素ガス）の酸化を促進する触媒を備え、該触媒上で燃料が酸化反応を起こすことにより、プロトンと電子を生成する。また、膜電極接合体１１６を構成するカソード極１１４は、酸化剤（例えば、空気）の還元を促進する触媒を備え、該触媒上で酸化剤がプロトンと電子を取り込み、還元反応が起きる。 The electrolyte membrane 110 constituting the membrane electrode assembly 116 of the present embodiment is made of a material having proton conductivity and electrical insulation. The anode 112 constituting the membrane electrode assembly 116 includes a catalyst that promotes oxidation of fuel (for example, hydrogen gas), and the fuel causes an oxidation reaction on the catalyst to generate protons and electrons. Further, the cathode electrode 114 constituting the membrane electrode assembly 116 includes a catalyst that promotes reduction of an oxidant (for example, air), and the oxidant takes in protons and electrons on the catalyst to cause a reduction reaction.

次に、燃料電池の動作を図５の燃料電池１０２を用いて説明する。 Next, the operation of the fuel cell will be described using the fuel cell 102 of FIG.

まず、水素ガス等の燃料ガスが、アノード極１１２側のセパレータ１３６の燃料ガス入口から多孔体流路層１３２に供給される。燃料ガスは、多孔体流路層１３２を流動しつつ、アノード極１１２側の細孔層１１８を透過してアノード極１１２に到達する。アノード極１１２に到達した燃料ガス中の水素は、プロトンと電子とに分離される。プロトンは、電解質膜１１０を伝導し、カソード極１１４に到達する。電子は、アノード極１１２側の細孔層１１８により集められ、多孔体流路層１３２、セパレータ１３６へと伝達し、不図示の外部回路を通って、カソード極１１４側のセパレータ１３８、多孔体流路層１３４、細孔層１２０を介してカソード極１１４へ到達する。 First, a fuel gas such as hydrogen gas is supplied to the porous flow path layer 132 from the fuel gas inlet of the separator 136 on the anode electrode 112 side. The fuel gas passes through the pore layer 118 on the anode electrode 112 side and reaches the anode electrode 112 while flowing through the porous body flow path layer 132. The hydrogen in the fuel gas that has reached the anode 112 is separated into protons and electrons. Protons are conducted through the electrolyte membrane 110 and reach the cathode electrode 114. The electrons are collected by the pore layer 118 on the anode electrode 112 side, transmitted to the porous body flow path layer 132 and the separator 136, and passed through an external circuit (not shown) to be separated from the separator 138 on the cathode electrode 114 side and the porous body flow. The cathode layer 114 is reached via the path layer 134 and the pore layer 120.

一方、空気等の酸化剤ガスは、カソード極１１４側のセパレータ１３８の酸化剤ガス入口から多孔体流路層１３４に供給される。酸化剤ガスは、多孔体流路層１３４を流動しつつ、カソード極１１４側の細孔層１２０を透過してカソード極１１４に到達する。カソード極１１４においては、酸化剤ガス中の酸素とプロトンと電子とが反応して水が発生するとともに電力が発生する。以上の動作によって、燃料電池１０２は発電を行う。 On the other hand, an oxidant gas such as air is supplied to the porous channel layer 134 from the oxidant gas inlet of the separator 138 on the cathode electrode 114 side. The oxidant gas passes through the pore layer 120 on the cathode electrode 114 side and reaches the cathode electrode 114 while flowing through the porous channel layer 134. At the cathode electrode 114, oxygen, protons, and electrons in the oxidant gas react to generate water and power. With the above operation, the fuel cell 102 generates power.

発電に伴ってカソード極１１４で生成される生成水は、酸化剤排ガスと共に、細孔層１２０、多孔体流路層１３４を通って、主に、セパレータ１３８の酸化剤ガス出口から排出される。また、発電に伴ってカソード極１１４で生成される水は、電解質膜１１０を透過してアノード極１１２側に移動し、燃料排ガスと共に、細孔層１１８、多孔体流路層１３２を通って、主に、セパレータ１３６の燃料ガス出口から排出される。 The generated water generated at the cathode electrode 114 along with the power generation is discharged from the oxidant gas outlet of the separator 138 through the pore layer 120 and the porous channel layer 134 together with the oxidant exhaust gas. In addition, water generated at the cathode electrode 114 along with power generation passes through the electrolyte membrane 110 and moves to the anode electrode 112 side, passes through the pore layer 118 and the porous body channel layer 132 together with the fuel exhaust gas, It is mainly discharged from the fuel gas outlet of the separator 136.

また、燃料電池のアノード極側にガス拡散層が設置されていない場合（カソード極側にはガス拡散層が設置されている）、アノード極側のセパレータ付近で凝縮する液水が親水性のアノード極側の細孔層に侵入し、アノード極とカソード極との間の水分濃度勾配が小さくなるから、カソード極側で生成される水が、電解質膜を透過してアノード極側へ移動し難くなり、カソード極側でフラッディングが発生する。特に、アノード極側の細孔層を親水性にすると、アノード極側の細孔層で十分な水分が保持されるため、アノード極側とカソード極側とで水の濃度差が小さくなり、カソード極側からアノード極側への水の移動も小さくなる。その結果、カソード極側に多くの液水が滞留するため、フラッディングが発生し易くなる。フラッディングの発生によって、燃料電池の電圧低下等が起こり、燃料電池の発電性能の低下を引き起こすことになる。 In addition, when the gas diffusion layer is not installed on the anode side of the fuel cell (the gas diffusion layer is installed on the cathode side), the liquid water condensed near the anode side separator is a hydrophilic anode. Since it penetrates into the pore layer on the pole side and the moisture concentration gradient between the anode pole and the cathode pole becomes small, the water produced on the cathode pole side hardly permeates the electrolyte membrane and moves to the anode pole side. Thus, flooding occurs on the cathode side. In particular, if the pore layer on the anode pole side is made hydrophilic, sufficient moisture is retained in the pore layer on the anode pole side, so that the difference in water concentration between the anode pole side and the cathode pole side becomes small. The movement of water from the pole side to the anode side is also reduced. As a result, since a large amount of liquid water stays on the cathode electrode side, flooding is likely to occur. The occurrence of flooding causes a decrease in the voltage of the fuel cell and the like, leading to a decrease in the power generation performance of the fuel cell.

そして、燃料電池のアノード極側及びカソード極側にガス拡散層が設置されていない場合には、燃料電池の温度によって、カソード極側にガス拡散層が設置されていないことに起因するカソード極側の乾燥（ドライアップ）が発生したり、アノード極側にガス拡散層が設置されていないことに起因するカソード極側のフラッディングが発生したりする。 When the gas diffusion layer is not installed on the anode side and the cathode side of the fuel cell, the cathode side due to the fact that the gas diffusion layer is not installed on the cathode side depending on the temperature of the fuel cell. (Drying up) occurs, or flooding on the cathode electrode side due to the absence of the gas diffusion layer on the anode electrode side occurs.

そこで、本実施形態では、前述した撥水性を有する細孔層１１８をアノード極１１２側に配置し、親水性を有する細孔層１２０をカソード極１１４側に配置する燃料電池構成を採用した。上記構成を採用することにより、カソード極１１４側の乾燥（ドライアップ）が発生し易い状況でも、カソード極１１４側の細孔層１２０が親水性であるため、カソード極１１４内の水は十分に保持され、カソード極１１４側の乾燥は抑制される。また、カソード極１１４側のフラッディングは発生し易い状況でも、カソード極１１４側の細孔層１２０が親水性でアノード極１１２側の細孔層１１８が撥水性であるため、極間の水の濃度差は大きく、カソード極１１４側からアノード極１１２側への水の移動が起こり、カソード極１１４側のフラッディングの発生は抑制される。また、カソード極１１４側及びアノード極１１２側のガス拡散層を廃しているため、燃料電池の小型化、低コスト化、高性能化が可能となる。 Therefore, in the present embodiment, a fuel cell configuration in which the above-described pore layer 118 having water repellency is disposed on the anode electrode 112 side and the pore layer 120 having hydrophilicity is disposed on the cathode electrode 114 side is employed. By adopting the above-described configuration, the pore layer 120 on the cathode electrode 114 side is hydrophilic even in a situation where drying (dry-up) on the cathode electrode 114 side is likely to occur. It is held and drying on the cathode electrode 114 side is suppressed. Even in the situation where flooding on the cathode electrode 114 side is likely to occur, the pore layer 120 on the cathode electrode 114 side is hydrophilic and the pore layer 118 on the anode electrode 112 side is water repellent, so that the concentration of water between the electrodes The difference is large, and water moves from the cathode electrode 114 side to the anode electrode 112 side, and the occurrence of flooding on the cathode electrode 114 side is suppressed. Further, since the gas diffusion layers on the cathode electrode 114 side and the anode electrode 112 side are eliminated, the fuel cell can be reduced in size, cost, and performance.

次に、燃料電池１００，１０２の各部材の詳細について説明する。 Next, details of each member of the fuel cells 100 and 102 will be described.

本実施形態の細孔層１１８，１２０は、例えば、導電性材料と、メタノール、エタノール等の分散溶媒と、を混合した溶液を多孔体流路層又は触媒層等に塗布することにより形成される。塗布方法は、スプレー、スクリーン印刷、アプリケータ、インクジェットなどがある。細孔層１１８，１２０を構成する導電性材料としては、例えば、カーボン材料、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の貴金属、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｕ等の金属、Ｓｉ、およびこれらの窒化物、炭化物、炭窒化物等、さらにステンレス、Ｃｕ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｔｉ−Ｐｔ等の合金等を挙げることができる。より好ましくは、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｗからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素を含む。かかる元素を含むことにより、細孔層１１８，１２０の比抵抗が小さくなるため、細孔層１１８，１２０の抵抗による電圧低下を軽減し、より高い発電特性を得ることが可能となる。Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ等の、酸性雰囲気下で耐腐食性に乏しい金属を用いる場合には、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の耐腐食性を有する貴金属および金属材質や、導電性高分子、導電性窒化物、導電性炭化物、導電性炭窒化物、導電性酸化物等を表面コーティングとして用いることができる。これにより、燃料電池の寿命を延ばすことができる。 The pore layers 118 and 120 of the present embodiment are formed, for example, by applying a solution obtained by mixing a conductive material and a dispersion solvent such as methanol or ethanol to the porous channel layer or the catalyst layer. . Examples of the application method include spraying, screen printing, applicator, and inkjet. Examples of the conductive material constituting the pore layers 118 and 120 include carbon materials, noble metals such as Au, Pt, and Pd, Ti, Ta, W, Nb, Ni, Al, Cr, Ag, Cu, Zn, and Su. And metals such as Si, nitrides thereof, carbides, carbonitrides thereof, and alloys such as stainless steel, Cu—Cr, Ni—Cr, and Ti—Pt. More preferably, it contains at least one element selected from the group consisting of Pt, Ti, Au, Ag, Cu, Ni, and W. By including such an element, the specific resistance of the pore layers 118 and 120 is reduced, so that the voltage drop due to the resistance of the pore layers 118 and 120 can be reduced, and higher power generation characteristics can be obtained. In the case of using a metal having poor corrosion resistance in an acidic atmosphere such as Cu, Ag, Zn, etc., noble metals and metal materials having corrosion resistance such as Au, Pt, Pd, conductive polymers, conductive nitriding A material, a conductive carbide, a conductive carbonitride, a conductive oxide or the like can be used as the surface coating. Thereby, the lifetime of the fuel cell can be extended.

細孔層１１８，１２０を親水化処理する方法としては、例えば、プラズマ処理、オゾン処理、フレーム処理、レーザー処理、電子線による処理、イオン注入法による処理、イオンビームによる処理、イオン照射による処理、アルカリ水溶液等に浸漬させる溶剤処理等を採用することができる。好ましい親水化処理の方法としては、作業効率性等の点で、レーザー照射処理が望ましい。 As a method for hydrophilizing the pore layers 118 and 120, for example, plasma treatment, ozone treatment, flame treatment, laser treatment, electron beam treatment, ion implantation treatment, ion beam treatment, ion irradiation treatment, A solvent treatment or the like immersed in an alkaline aqueous solution can be employed. As a preferred hydrophilic treatment method, laser irradiation treatment is desirable in terms of work efficiency and the like.

セパレータ１２４，１２６（及びセパレータ１３６，１３８）は、ガス不透過性であって、導電性を有する材料であれば特に限定されるものではないが、例えば、チタン合金、ステンレス鋼等に代表される金属、カーボン、導電性樹脂等が挙げられる。 The separators 124 and 126 (and the separators 136 and 138) are not particularly limited as long as they are gas-impermeable and conductive materials. For example, titanium alloys and stainless steel are representative. Metal, carbon, conductive resin, etc. are mentioned.

本実施形態に用いられる多孔体流路層１３２，１３４は、例えば、ステンレス鋼やチタン、或いはチタン合金などの発泡焼結金属や、金属メッシュなどの内部に多数の細孔を備えた多孔体によって形成される。多孔体流路層１３２，１３４は、反応ガスの圧力損失を抑える点で、比較的気孔率の大きい多孔体を使用することが好ましい。多孔体流路層１３２，１３４は、多孔体流路層１３２，１３４側へ移動してきた水を速やかにセパレータ１３６，１３８のガス出口から排出させることができる点で、親水性を有することが好ましい。 The porous body flow path layers 132 and 134 used in the present embodiment are made of, for example, a foam sintered metal such as stainless steel, titanium, or a titanium alloy, or a porous body having a large number of pores inside a metal mesh or the like. It is formed. The porous body flow path layers 132 and 134 are preferably made of a porous body having a relatively high porosity in order to suppress the pressure loss of the reaction gas. The porous flow path layers 132 and 134 are preferably hydrophilic in that water that has moved to the porous flow path layers 132 and 134 can be quickly discharged from the gas outlets of the separators 136 and 138. .

膜電極接合体１１６を構成する電解質膜１１０は、プロトン電導性を有し、かつ電気的絶縁性を有する材料であれば特に限定されないが、例えば、スルホン酸基やカルボニル基を持つフッ素系イオン交換膜、置換フェニレンオキサイドやスルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリアリールエーテルスルホン、スルホン化フェニレンスルファイドなどの非フッ素系のポリマーなどから形成される。 The electrolyte membrane 110 constituting the membrane electrode assembly 116 is not particularly limited as long as it is a material having proton conductivity and electrical insulation. For example, a fluorine ion exchange having a sulfonic acid group or a carbonyl group is possible. The film is formed from a non-fluorine polymer such as a substituted phenylene oxide, a sulfonated polyaryletherketone, a sulfonated polyarylethersulfone, or a sulfonated phenylene sulfide.

また、アノード極１１２及びカソード極１１４は、触媒が担持された導電性担体（粒子状のカーボン担体など）と、電解質と、分散溶媒（有機溶媒）と、を混合して触媒溶液（触媒インク）を電解質膜１１０等の基材に塗布することにより形成される。ここで、触媒溶液を形成する電解質は、プロトン伝導性ポリマーである、有機系の含フッ素高分子を骨格とするイオン交換樹脂、例えばパーフルオロカーボンスルフォン酸樹脂、スルホン化ポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリスルフィド、スルホン化ポリフェニレン等のスルホン化プラスチック系電解質等を挙げることができる。なお、市販素材としては、ナフィオン（登録商標）（Ｎａｆｉｏｎ、デュポン社製）やフレミオン（登録商標）（Ｆｌｅｍｉｏｎ、旭硝子株式会社製）などを挙げることができる。また、分散溶媒としては、メタノール、エタノール等のアルコール類等の溶媒を挙げることができる。 The anode electrode 112 and the cathode electrode 114 are prepared by mixing a conductive carrier (particulate carbon carrier or the like) carrying a catalyst, an electrolyte, and a dispersion solvent (organic solvent) to form a catalyst solution (catalyst ink). Is applied to a base material such as the electrolyte membrane 110. Here, the electrolyte forming the catalyst solution is a proton conductive polymer, an ion exchange resin having a skeleton of an organic fluorine-containing polymer, such as a perfluorocarbon sulfonic acid resin, a sulfonated polyether ketone, a sulfonated polyether. Examples thereof include sulfonated plastic electrolytes such as sulfone, sulfonated polyetherethersulfone, sulfonated polysulfone, sulfonated polysulfide, and sulfonated polyphenylene. Examples of commercially available materials include Nafion (registered trademark) (Nafion, manufactured by DuPont) and Flemion (registered trademark) (Flemion, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.). In addition, examples of the dispersion solvent include solvents such as alcohols such as methanol and ethanol.

触媒が担持される導電性担体としては、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーなどの炭素材料、炭化ケイ素などに代表される炭素化合物などを挙げることができる。触媒（金属触媒）としては、たとえば、白金や白金合金、パラジウム、ロジウム、金、銀、オスミウム、イリジウムなどを挙げることができ、白金または白金合金を使用するのが好ましい。 Examples of the conductive carrier on which the catalyst is supported include carbon materials such as carbon black, carbon nanotubes, and carbon nanofibers, and carbon compounds typified by silicon carbide. Examples of the catalyst (metal catalyst) include platinum, platinum alloy, palladium, rhodium, gold, silver, osmium, iridium, and the like, and it is preferable to use platinum or a platinum alloy.

図６は、本実施形態に係る燃料電池の構成の他の一例を示す模式断面図である。図６に示す燃料電池１０３において、図５に示す燃料電池１０２と同様の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。 FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing another example of the configuration of the fuel cell according to the present embodiment. In the fuel cell 103 shown in FIG. 6, the same components as those of the fuel cell 102 shown in FIG.

図６に示す燃料電池１０３において、アノード極１１２側に設置される細孔層１１８は、細孔層１１８全体のうち燃料ガス供給における上流側１／１０以上〜９／１０以下の領域（上流側の領域１１８ａ）が撥水性を有し、細孔層１１８全体のうち燃料ガス供給における下流側の領域が親水性を有することが好ましい。ここで、図６に示す燃料電池１０３では、アノード極１１２側の細孔層１１８の燃料ガス供給における上流側とカソード極１１４側の細孔層１２０の酸化剤ガス供給における下流側とが対向する燃料電池構造になっている。すなわち、図６に示すように、例えば、図の上方から燃料ガスが導入され、図の下方から燃料排ガスが排出されるのに対し、図の下方から酸化剤ガスが導入され、図の上方から酸化剤排ガスが排出されるガス流れとなっている。 In the fuel cell 103 shown in FIG. 6, the pore layer 118 installed on the anode electrode 112 side is a region (upstream side) of 1/10 to 9/10 upstream of the fuel gas supply in the entire pore layer 118. It is preferable that the region 118a) has water repellency and the region on the downstream side in the fuel gas supply in the entire pore layer 118 has hydrophilicity. Here, in the fuel cell 103 shown in FIG. 6, the upstream side in the fuel gas supply of the pore layer 118 on the anode electrode 112 side faces the downstream side in the oxidant gas supply of the pore layer 120 on the cathode electrode 114 side. It has a fuel cell structure. That is, as shown in FIG. 6, for example, fuel gas is introduced from the top of the figure and fuel exhaust gas is discharged from the bottom of the figure, whereas oxidant gas is introduced from the bottom of the figure and from the top of the figure. It is a gas flow from which oxidant exhaust gas is discharged.

このように、アノード極１１２側の細孔層１１８全体のうち、燃料ガス供給における下流側の領域を親水性にすることにより、その下流側の領域に対向するカソード極１１４側の細孔層１２０の酸化剤ガス供給における上流側の領域との水の濃度差は小さくなる。したがって、酸化剤ガス供給における上流側のカソード極１１４側から燃料ガス供給における下流側のアノード極１１２側への水の移動が抑制され、酸化剤ガス供給における上流側のカソード極１１４に水が溜まり易くなる。また、アノード極１１２側の細孔層１１８全体のうち燃料ガス供給における上流側の領域１１８ａは撥水性であるため、その上流側の領域１１８ａに対向するカソード極１１４側の細孔層１２０の酸化剤ガス供給における下流側の領域との水の濃度差が大きくなる。したがって、酸化剤ガス供給における下流側のカソード極１１４側から燃料ガス供給における上流側のアノード極１１２側への水の移動が促進され、酸化剤ガス供給における下流側のカソード極１１４から多くの水が排出され易くなる。そして、燃料電池内の水分状態をこのような状態にすることにより、以下に説明するように、燃料電池１０３の高温運転性能を向上させることが可能となる。 In this way, by making the downstream region in the fuel gas supply hydrophilic in the entire pore layer 118 on the anode electrode 112 side, the pore layer 120 on the cathode electrode 114 side that faces the downstream region. The difference in water concentration with the upstream region in the oxidant gas supply becomes small. Accordingly, the movement of water from the upstream cathode electrode 114 side in the oxidant gas supply to the downstream anode electrode 112 side in the fuel gas supply is suppressed, and water accumulates in the upstream cathode electrode 114 in the oxidant gas supply. It becomes easy. In addition, since the upstream region 118a in the fuel gas supply in the entire pore layer 118 on the anode electrode 112 side is water-repellent, the oxidation of the pore layer 120 on the cathode electrode 114 side facing the upstream region 118a is performed. The difference in water concentration with the downstream region in the agent gas supply becomes large. Accordingly, the movement of water from the downstream cathode electrode 114 side in the oxidant gas supply to the upstream anode electrode 112 side in the fuel gas supply is promoted, and a large amount of water flows from the downstream cathode electrode 114 in the oxidant gas supply. Is easily discharged. Then, by setting the moisture state in the fuel cell to such a state, it is possible to improve the high temperature operation performance of the fuel cell 103 as described below.

燃料電池の高温運転では、ガス流速及び生成水の増加から、酸化剤ガス供給における上流側のカソード極が乾燥し易く、酸化剤ガス供給における下流側のカソード極に水が滞留し易くなる。しかし、前述したように本実施形態では、酸化剤ガス供給における上流側のカソード極１１４側の水の移動が抑制されるため、燃料電池１０３の高温運転時でも、酸化剤ガス供給における上流側のカソード極１１４の乾燥を抑制することができる。また、酸化剤ガス供給における下流側のカソード極１１４から多くの水が排出されるため、燃料電池１０３の高温運転時でも、酸化剤ガス供給における下流側のカソード極１１４で多くの水が滞留することを抑制することができる。その結果、高温運転時でも燃料電池１０３を安定して発電させることが可能となる。 In the high-temperature operation of the fuel cell, the upstream cathode electrode in the oxidant gas supply is easily dried and the water tends to stay in the downstream cathode electrode in the oxidant gas supply due to an increase in gas flow rate and generated water. However, as described above, in this embodiment, since the movement of the water on the upstream cathode electrode 114 side in the oxidant gas supply is suppressed, the upstream side in the oxidant gas supply even during the high temperature operation of the fuel cell 103 is suppressed. Drying of the cathode electrode 114 can be suppressed. Further, since a large amount of water is discharged from the downstream cathode electrode 114 in the oxidant gas supply, a large amount of water stays in the downstream cathode electrode 114 in the oxidant gas supply even when the fuel cell 103 is operated at a high temperature. This can be suppressed. As a result, the fuel cell 103 can be stably generated even during high temperature operation.

以下に、アノード極側にガス拡散層が設置されない燃料電池の構成を参考例として説明する。 A configuration of a fuel cell in which no gas diffusion layer is installed on the anode electrode side will be described below as a reference example.

図７は、参考例１の燃料電池の構成の一例を示す模式断面図である。図７の燃料電池２００は、電解質膜２１０と電解質膜２１０の両側に設けられるアノード極２１２及びカソード極２１４とを備える膜電極接合体２１６、アノード極２１２及びカソード極２１４の外側に設けられる細孔層２１８，２２０、カソード極２１４側の細孔層２２０の外側に設けられるガス拡散層２２２、カソード極２１４側のガス拡散層２２２及びアノード極２１２側の細孔層２１８の外側に設けられる多孔体流路層２３２，２３４、多孔体流路層２３２，２３４の外側に設けられるセパレータ２３６，２３８、を備えている。また、アノード極２１２側の細孔層２１８は撥水性である。また、ガス拡散層２２２は撥水性であり、多孔体流路層２３２，２３４は親水性である。 FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing an example of the configuration of the fuel cell of Reference Example 1. The fuel cell 200 of FIG. 7 includes a membrane electrode assembly 216 including an electrolyte membrane 210 and an anode electrode 212 and a cathode electrode 214 provided on both sides of the electrolyte membrane 210, and pores provided outside the anode electrode 212 and the cathode electrode 214. Layers 218, 220, a gas diffusion layer 222 provided outside the pore layer 220 on the cathode electrode 214 side, a gas diffusion layer 222 on the cathode electrode 214 side, and a porous body provided outside the pore layer 218 on the anode electrode 212 side There are provided flow path layers 232 and 234 and separators 236 and 238 provided outside the porous flow path layers 232 and 234. The pore layer 218 on the anode electrode 212 side is water repellent. The gas diffusion layer 222 is water repellent, and the porous flow path layers 232 and 234 are hydrophilic.

通常、燃料電池のアノード極側にガス拡散層が設置されていない場合（カソード極側にはガス拡散層が設置されている）、アノード極側のセパレータ付近で凝縮する液水が親水性のアノード極側の細孔層に侵入し、アノード極とカソード極との間の水分濃度勾配が小さくなるから、カソード極側で生成される水が、電解質膜を透過してアノード極側へ移動し難くなり、カソード極側でフラッディングが発生する。フラッディングの発生によって、燃料電池の電圧低下等が起こり、燃料電池の発電性能の低下を引き起こすことになる。しかし、参考例の燃料電池２００のように、アノード極２１２側の細孔層２１８を撥水性にすることにより、アノード極２１２側の細孔層２１８の水の保持性を低下させ、カソード極２１４側とアノード極２１２側との水の濃度差を大きくして、極間の水の移動を促進させることができる。その結果、カソード極２１４側で生成した水は、電解質膜２１０を介してアノード極２１２側へ移動し易くなり、カソード極２１４側のフラッディングを抑制することができる。 Normally, when the gas diffusion layer is not installed on the anode side of the fuel cell (the gas diffusion layer is installed on the cathode side), the liquid water condensed near the anode side separator is a hydrophilic anode. Since it penetrates into the pore layer on the pole side and the moisture concentration gradient between the anode pole and the cathode pole becomes small, the water produced on the cathode pole side hardly permeates the electrolyte membrane and moves to the anode pole side. Thus, flooding occurs on the cathode side. The occurrence of flooding causes a decrease in the voltage of the fuel cell and the like, leading to a decrease in the power generation performance of the fuel cell. However, as in the fuel cell 200 of the reference example, by making the pore layer 218 on the anode electrode 212 side water-repellent, the water retainability of the pore layer 218 on the anode electrode 212 side is reduced, and the cathode electrode 214 is reduced. The water concentration difference between the anode and the anode 212 can be increased to promote the movement of water between the electrodes. As a result, water generated on the cathode electrode 214 side easily moves to the anode electrode 212 side through the electrolyte membrane 210, and flooding on the cathode electrode 214 side can be suppressed.

図８は、参考例２の燃料電池の構成の一例を示す模式断面図である。図８の燃料電池２０２において、図７の燃料電池２００と同様の構成については同一の符号を付している。図８に示す燃料電池２０２において、アノード極２１２側に設置される細孔層２１８は、細孔層２１８全体のうち燃料ガス供給における上流側１／１０以上〜９／１０以下の領域（上流側の領域２１８ａ）が撥水性を有し、細孔層２１８全体のうち燃料ガス供給における下流側の領域を親水性にする。ここで、図８に示す燃料電池２０２では、アノード極２１２側の細孔層２１８の燃料ガス供給における上流側とカソード極２１４側の細孔層２２０の酸化剤ガス供給における下流側とが対向する燃料電池構造になっている。すなわち、図８に示すように、例えば、図の上方から燃料ガスが導入され、図の下方から燃料排ガスが排出されるのに対し、図の下方から酸化剤ガスが導入され、図の上方から酸化剤排ガスが排出されるガス流れとなっている。 FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing an example of the configuration of the fuel cell of Reference Example 2. In the fuel cell 202 of FIG. 8, the same reference numerals are given to the same components as those of the fuel cell 200 of FIG. In the fuel cell 202 shown in FIG. 8, the pore layer 218 installed on the anode electrode 212 side is a region (upstream side) of 1/10 to 9/10 upstream of the fuel gas supply in the entire pore layer 218. Region 218a) has water repellency, and makes the region on the downstream side in the fuel gas supply of the entire pore layer 218 hydrophilic. Here, in the fuel cell 202 shown in FIG. 8, the upstream side in the fuel gas supply of the pore layer 218 on the anode electrode 212 side and the downstream side in the oxidant gas supply of the pore layer 220 on the cathode electrode 214 side face each other. It has a fuel cell structure. That is, as shown in FIG. 8, for example, fuel gas is introduced from the top of the figure and fuel exhaust gas is discharged from the bottom of the figure, whereas oxidant gas is introduced from the bottom of the figure, and from the top of the figure. It is a gas flow from which oxidant exhaust gas is discharged.

アノード極２１２側の細孔層２１８全体のうち、燃料ガス供給における下流側の領域を親水性にすることにより、前述したように、酸化剤ガス供給における上流側のカソード極２１４に水が留まり易くなる。また、アノード極２１２側の細孔層２１８全体のうち燃料ガス供給における上流側の領域２１８ａは撥水性であるため、前述したように、酸化剤ガス供給における下流側のカソード極２１４側から多くの水が排出され易くなる。そして、燃料電池内の水分状態をこのような状態にすることにより、燃料電池２０２の高温運転性能を向上させることが可能となる。 By making the downstream region in the fuel gas supply hydrophilic in the entire pore layer 218 on the anode electrode 212 side, as described above, water easily stays on the cathode electrode 214 on the upstream side in the oxidant gas supply. Become. In addition, since the upstream region 218a in the fuel gas supply in the entire pore layer 218 on the anode electrode 212 side is water-repellent, as described above, a large amount from the downstream cathode electrode 214 side in the oxidant gas supply. Water is easily discharged. And it becomes possible to improve the high-temperature driving | running performance of the fuel cell 202 by making the moisture state in a fuel cell into such a state.

本実施形態の燃料電池は、例えば、携帯電話、携帯用パソコン等のモバイル機器用小型電源、自動車用電源、家庭用電源等として好適に使用することができるが、これらに制限されるものではない。 The fuel cell of the present embodiment can be suitably used as, for example, a small power source for mobile devices such as a mobile phone and a portable personal computer, a power source for automobiles, a household power source, etc., but is not limited thereto. .

１〜３，１００，１０２，１０３，２００，２０２燃料電池、１０，１１０，２１０電解質膜、１２，１１２，２１２アノード極、１４，１１４，２１４カソード極、１６，１１６，２１６膜電極接合体、１８，２０，１１８，１２０，２１８，２２０細孔層、１８ａ，１１８ａ，２１８ａ上流側の領域、２２，２２２ガス拡散層、２４，２６，３６，３８，１２４，１２６，１３６，１３８，２３６，２３８セパレータ、２８，３０，１２８，１３０ガス流路溝、３２，３４，１３２，１３４，２３２，２３４多孔体流路層。 1-3, 100, 102, 103, 200, 202 Fuel cell 10, 110, 210 electrolyte membrane, 12, 112, 212 Anode electrode, 14, 114, 214 Cathode electrode, 16, 116, 216 Membrane electrode assembly, 18, 20, 118, 120, 218, 220 pore layer, 18a, 118a, 218a upstream region, 22, 222 gas diffusion layer, 24, 26, 36, 38, 124, 126, 136, 138, 236, 238 Separator, 28, 30, 128, 130 Gas channel groove, 32, 34, 132, 134, 232, 234 porous body channel layer.

Claims

電解質膜と前記電解質膜の両側に配置されるアノード極及びカソード極とを備える膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両側に配置される細孔層と、前記アノード極側の細孔層の外側に配置されるガス拡散層とを備え、前記カソード極側の細孔層の外側にはガス拡散層が配置されずに多孔体流路層及びセパレータのうち少なくともいずれか一方が配置される燃料電池であって、
前記アノード極側及びカソード極側の細孔層は、親水性を有することを特徴とする燃料電池。 Membrane electrode assembly comprising an electrolyte membrane and anode and cathode electrodes disposed on both sides of the electrolyte membrane, a pore layer disposed on both sides of the membrane electrode assembly, and a pore layer on the anode electrode side A gas diffusion layer disposed on the outside of the cathode electrode, and at least one of the porous channel layer and the separator is disposed outside the pore layer on the cathode electrode side without the gas diffusion layer being disposed. A fuel cell,
The pore layer of the anode electrode side and the cathode side, the fuel cell according to claim Rukoto which have a hydrophilic.

燃料ガス供給における上流側から下流側に向って、前記アノード極側の細孔層全体に対して、１／１０以上〜９／１０以下の領域が撥水性を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池。 From the upstream side in the fuel gas supply toward the downstream side, according to claim 1, wherein for the whole pore layer of the anode electrode side, 1/10 or more to 9/10 following areas are characterized by having a water repellent serial mounting fuel cell.

電解質膜と前記電解質膜の両側に配置されるアノード極及びカソード極とを備える膜電極接合体と、前記膜電極接合体の両側に配置される細孔層と、を備え、前記アノード極側及び前記カソード極側の細孔層の外側にはガス拡散層が配置されずに多孔体流路層及びセパレータのうち少なくともいずれか一方が配置される燃料電池であって、
前記アノード極側の細孔層は撥水性を有し、前記カソード極側の細孔層は親水性を有することを特徴とする燃料電池。 A membrane electrode assembly comprising an electrolyte membrane and anode and cathode electrodes disposed on both sides of the electrolyte membrane; and a pore layer disposed on both sides of the membrane electrode assembly, the anode electrode side and wherein the outside of the cathode side pores layer of a fuel cell at least one is disposed within the porous passage layer and the separator without being disposed gas diffusion layer,
The anode cell side pore layer has water repellency, and the cathode electrode side pore layer has hydrophilicity.

燃料ガス供給における上流側から下流側に向って、前記アノード極側の細孔層全体に対して、１／１０以上〜９／１０以下の領域が撥水性を有し、前記アノード極側の細孔層のうち前記領域以外の領域が親水性を有することを特徴とする請求項３記載の燃料電池。 From the upstream side to the downstream side in the fuel gas supply, a region of 1/10 or more to 9/10 or less has water repellency with respect to the entire pore layer on the anode electrode side. The fuel cell according to claim 3, wherein a region other than the region in the pore layer has hydrophilicity.