JP2001057217A - Polymer electrolyte type fuel cell - Google Patents

Polymer electrolyte type fuel cell

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JP2001057217A
JP2001057217A JP2000170267A JP2000170267A JP2001057217A JP 2001057217 A JP2001057217 A JP 2001057217A JP 2000170267 A JP2000170267 A JP 2000170267A JP 2000170267 A JP2000170267 A JP 2000170267A JP 2001057217 A JP2001057217 A JP 2001057217A
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gas
water
polymer electrolyte
fuel cell
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JP2000170267A
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Hisaaki Gyoten
久朗 行天
Makoto Uchida
誠 内田
Eiichi Yasumoto
栄一 安本
Hiroki Kusakabe
弘樹 日下部
Yasushi Sugawara
靖 菅原
Yoshihiro Hori
堀  喜博
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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    • Y02E60/50Fuel cells

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  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To maintain high battery performance fairly independently to the humidification of supplied gas. SOLUTION: This fuel cell is provided with a polymer electrolyte membrane, a pair of electrodes with the polymer electrolyte membrane between them, an anode side separator having a gas passage for supplying fuel gas to one electrode, a cathode side separator having a gas passage for supplying oxidizer gas to the other electrode, catalyst layers 2 where the electrodes in contact with the polymer electrolyte membrane, electrode base materials 3 having gas permeability and electron conductivity, and water repellant layers 4 placed between the catalyst layers and the electrode base materials. The water repellant layers have multiple through-holes 5, and the catalyst layers and the electrode base materials are electrically connected through the through-holes.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、ポータブル電源、
分散型電源、コージェネレーションシステム等に使用さ
れる高分子電解質型燃料電池に関するもので、特にその
電極の改良に関する。
The present invention relates to a portable power supply,
The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell used for a distributed power source, a cogeneration system, and the like, and particularly to an improvement in an electrode thereof.

【0002】[0002]

【従来の技術】燃料電池は、一般に電解質、電解質の両
側に配置されたガス拡散機能と触媒機能とを併せ持つ一
対の電極、一方の電極に水素などの燃料を供給するガス
流路を有するアノード側導電性セパレータ、および他方
の電極に空気などの酸化剤ガスを供給するガス流路を有
するカソード側導電性セパレータからなる単位セルから
構成されている。そして、燃料と酸化剤を電気化学的に
反応させることにより、電気と熱とを同時に発生する。
電解質として水素イオンを伝導する高分子電解質膜を用
いた高分子電解質型燃料電池においては、電解質膜の両
面に、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分
とする触媒層を密着させる。さらに、触媒層の外面に
は、通気性と導電性を兼ね備えた一対の電極基材を密着
させる。この電極基材と触媒層とを合わせて電極とす
る。電極基材は通常、梳いた紙のように比較的弾力性が
高いカーボンペーパー、可撓性を有するカーボンクロス
やカーボンフェルトを用いる。
2. Description of the Related Art In general, a fuel cell is composed of an electrolyte, a pair of electrodes arranged on both sides of the electrolyte and having a gas diffusion function and a catalyst function, and an anode having a gas flow path for supplying a fuel such as hydrogen to one electrode. The unit cell includes a conductive separator and a cathode-side conductive separator having a gas flow path for supplying an oxidizing gas such as air to the other electrode. Then, by causing the fuel and the oxidant to react electrochemically, electricity and heat are simultaneously generated.
In a polymer electrolyte fuel cell using a polymer electrolyte membrane that conducts hydrogen ions as an electrolyte, a catalyst layer mainly composed of a carbon powder carrying a platinum group metal catalyst is adhered to both surfaces of the electrolyte membrane. Further, a pair of electrode base materials having both air permeability and conductivity are adhered to the outer surface of the catalyst layer. The electrode substrate and the catalyst layer are combined to form an electrode. As the electrode substrate, carbon paper having relatively high elasticity such as carded paper, flexible carbon cloth or carbon felt is usually used.

【0003】電極の外側には、電解質膜と電極との接合
体(MEA)を機械的に固定し、隣接するMEAを互い
に電気的に直列に接続するための、導電性セパレータ板
を配置する。通常、セパレータ板にはカーボン板を用い
る。セパレータ板と電極とが接触する部分には、電極内
に反応ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るた
めのガス流路を形成する。水素を供給する側の電極(ア
ノード)では、ガス流路から電極基材を経て触媒層へ供
給された水素が酸化されて水素イオンとなり、この水素
イオンは電解質膜により、空気が供給される側の電極
(カソード)へ運ばれる。カソードでは、触媒層で水素
イオンと酸素が反応し水が生成される。このとき発生す
る電子は、アノードから外部回路を通りカソードへ流れ
る。以上の反応を効率よく進行させるには、触媒層の反
応部に反応ガスを供給し、触媒反応により生成した水蒸
気などのドレインガスを効率よく除去するため、電極に
適当な気道を確保しなければならない。
[0003] Outside the electrodes, a conductive separator plate for mechanically fixing a joined body (MEA) of the electrolyte membrane and the electrodes and electrically connecting adjacent MEAs in series with each other is arranged. Usually, a carbon plate is used as the separator plate. In a portion where the separator plate and the electrode are in contact, a gas flow path for supplying a reaction gas into the electrode and carrying away generated gas and surplus gas is formed. At the electrode (anode) on the hydrogen supply side, the hydrogen supplied from the gas flow path to the catalyst layer via the electrode base material is oxidized to hydrogen ions, and the hydrogen ions are supplied to the air supply side by the electrolyte membrane. To the electrode (cathode). At the cathode, hydrogen ions and oxygen react in the catalyst layer to generate water. The electrons generated at this time flow from the anode to the cathode through an external circuit. In order for the above reaction to proceed efficiently, it is necessary to supply a reaction gas to the reaction part of the catalyst layer and efficiently remove drain gas such as water vapor generated by the catalyst reaction, so that an appropriate airway must be secured in the electrode. No.

【0004】従来、ポリテトラフルオロエチレン(PT
FE)などのフッ素系ポリマーを撥水剤として用い、こ
れを電極基材や、触媒層中に混合することにより、前述
の気道を確保していた。具体的には、電極基材を構成す
るカーボンペーパーに、フッ素系ポリマーのコロイド分
散液を含浸または塗布し、溶媒を乾燥により除去した
後、350〜450℃で熱処理することで、カーボンペ
ーパーにフッ素系ポリマーを固着させていた。また、触
媒層に撥水性を付与するためには、白金を担持するカー
ボン粉末とは別のカーボン粉末に、予めフッ素系ポリマ
ーの撥水剤を固着させ、これを、白金を担持したカーボ
ン粉末と均一に混合する方法をとっていた。フッ素系ポ
リマーとしては、PTFEの他にもパーフルオロメチル
基など種々の置換基を修飾して、ガラス転移点などの物
性を変えたものが用いられている。
Conventionally, polytetrafluoroethylene (PT)
The above-mentioned airway was secured by using a fluorine-based polymer such as FE) as a water-repellent agent and mixing it with the electrode substrate and the catalyst layer. Specifically, the carbon paper constituting the electrode substrate is impregnated or coated with a colloidal dispersion of a fluoropolymer, the solvent is removed by drying, and heat treatment is performed at 350 to 450 ° C., so that the carbon paper has a fluorine content. The system polymer was fixed. Further, in order to impart water repellency to the catalyst layer, a fluorine-based polymer water repellent is fixed in advance to carbon powder different from the carbon powder carrying platinum, and this is combined with the carbon powder carrying platinum. The method of mixing uniformly was adopted. As the fluorine-based polymer, those having modified properties such as a glass transition point by modifying various substituents such as a perfluoromethyl group in addition to PTFE are used.

【0005】近年、ガス透過性と電子導電性とを有する
電極基材のうち、触媒層に接する側に撥水処理を施し、
それ以外の部分にSiO2による親水処理を施すなど、
電極の構成部材の撥水性をコントロールし、生成した水
をより効果的に排出しようとする試みが行われている。
カーボン粒子やカーボン繊維などの、導電性を有する電
池構成部材の表面にPTFEなどのフッ素系ポリマーの
ディスパージョンを用いて撥水処理する方法では、電池
構成部材表面を全面的にフッ素系ポリマーでコーティン
グするのが困難である。そのため、微視的に見るとフッ
素系ポリマーで覆われていない部分があり、この部分が
時間とともに水に濡れていき、全体として撥水性が弱く
なっていく。撥水性を強めるため、フッ素系ポリマーの
量を増やすと、カーボン繊維やカーボン粒子間の電気的
接触性が損なわれ、電池性能が低下する。
In recent years, a water-repellent treatment has been performed on the side of the electrode substrate having gas permeability and electronic conductivity that is in contact with the catalyst layer,
Applying hydrophilic treatment with SiO 2 to other parts,
Attempts have been made to control the water repellency of the components of the electrode and to more effectively drain the generated water.
In the method in which the surface of a battery component having conductivity, such as carbon particles and carbon fibers, is subjected to a water-repellent treatment using a dispersion of a fluoropolymer such as PTFE, the entire surface of the battery component is coated with a fluoropolymer. Difficult to do. Therefore, when viewed microscopically, there is a portion that is not covered with the fluorine-based polymer, and this portion becomes wet with water over time, and the water repellency decreases as a whole. When the amount of the fluoropolymer is increased to enhance the water repellency, the electrical contact between carbon fibers and carbon particles is impaired, and the battery performance is reduced.

【0006】電極基材にSiO2などの親水処理剤を用
いて親水処理を施すと、親水処理剤の影響と考えられる
電池性能が低下することが指摘されている。このような
単なる親水処理を施したのでは、電極基材の保水性が低
く、電池性能が供給ガスの湿度の変動に大きい影響を受
ける。高分子電解質型燃料電池は、運転に伴って電極で
水が生成する。生成水は気化し、供給ガスに混じりドレ
インガスとして排出される。その結果、積層された単電
池のなかで、供給ガスの上流側のものと下流側のものと
で湿度が異なってくる。この傾向は、ガス利用率が高い
ほど顕著になる。電池の効率を高めるためには、供給ガ
スの湿度にあまり左右されない性能を有する電極が要求
される。
[0006] It has been pointed out that when a hydrophilic treatment such as SiO 2 is applied to an electrode base material, battery performance, which is considered to be affected by the hydrophilic treatment, is lowered. When such a mere hydrophilic treatment is performed, the water retention of the electrode substrate is low, and the battery performance is greatly affected by the fluctuation of the humidity of the supplied gas. In a polymer electrolyte fuel cell, water is generated at an electrode during operation. The generated water is vaporized, mixed with the supply gas, and discharged as a drain gas. As a result, among the stacked unit cells, the humidity differs between the upstream side and the downstream side of the supply gas. This tendency becomes more pronounced as the gas utilization rate increases. In order to increase the efficiency of the battery, an electrode having a performance that is not so affected by the humidity of the supplied gas is required.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上のよう
な不都合を解決して、電池性能を高く維持することがで
きる高分子電解質型燃料電池を提供することを目的とす
る。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell capable of solving the above-mentioned disadvantages and maintaining high cell performance.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明の高分子電解質型
燃料電池は、高分子電解質膜、前記高分子電解質膜を挟
んだ一対の電極、一方の電極に燃料ガスを供給するガス
流路を有するアノード側セパレータ、および他方の電極
に酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソード側セ
パレータを具備し、前記電極が、前記高分子電解質膜に
接する触媒層、ガス透過性と電子伝導性とを有する電極
基材、および前記触媒層と電極基材との間に介在する撥
水層からなり、前記撥水層が多数の貫通孔を有し、この
貫通孔をとおして前記触媒層と電極基材とが電気的に接
続されていることを特徴とする。前記貫通孔は、孔相互
間の平均間隔が前記セパレータのガス流路の幅より小さ
くなるように分布している。すなわち、そのような分布
状態にある貫通孔をとおして、触媒層と電極基材とが電
気的に接続されていることが好ましい。また、電極基材
は、表面積の増加処理を施された炭素繊維により構成さ
れていることが好ましい。
The polymer electrolyte fuel cell of the present invention comprises a polymer electrolyte membrane, a pair of electrodes sandwiching the polymer electrolyte membrane, and a gas flow path for supplying a fuel gas to one of the electrodes. An anode having a cathode separator having a gas flow path for supplying an oxidizing gas to the other electrode and the other electrode, wherein the electrode is a catalyst layer in contact with the polymer electrolyte membrane, gas permeability and electron conductivity. And a water-repellent layer interposed between the catalyst layer and the electrode substrate, wherein the water-repellent layer has a large number of through-holes, through which the catalyst layer and the electrode It is characterized by being electrically connected to the base material. The through holes are distributed such that the average distance between the holes is smaller than the width of the gas passage of the separator. That is, it is preferable that the catalyst layer and the electrode substrate be electrically connected through the through holes in such a distribution state. Further, it is preferable that the electrode base material is made of carbon fiber subjected to a surface area increasing treatment.

【0009】[0009]

【発明の実施の形態】本発明による高分子電解質型燃料
電池のMEAの要部の断面を図1に模式的に示した。高
分子電解質膜1に接して形成された触媒層2と、電極基
材3との間に、撥水材料で構成した貫通孔5を有する撥
水層4が設けられている。この貫通孔は、電極基材側か
ら触媒層側へ伸びている。このような構成によると、水
素や酸素などの反応ガスの触媒層への供給、および触媒
反応で生成した水蒸気の触媒層からの排出を、撥水層4
に部分的に設けた孔5を通じて、行うことができる。ま
た、ゴアテックス(GORETEX)の名で販売されているテ
フロン(登録商標)シートのような撥水性材料により撥
水層をつくると、その層の微孔をとおして、または同層
へのガスの拡散ないし溶解により、触媒層と電極基材と
の間でガスの交換が行われる。また、触媒層と電極基材
との間に撥水材料からなる層を設けることにより、電極
の撥水性を、従来の方法に比べて格段に高くし、経時的
な劣化をも低減することができる。その結果、触媒層で
生成した水は、触媒層内に閉じこめられ、そのため比較
的湿度の低い乾燥ガスを電極に供給した場合において
も、電解質膜や触媒層内の電解質の、乾燥による性能低
下が抑制される。一方、触媒層内から溢れた生成水は、
撥水層に設けた孔のうち、比較的大きな孔を通して、水
圧により電極基材中に押し出され、供給ガス中に気化
し、除去される。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 schematically shows a cross section of a main part of an MEA of a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention. A water-repellent layer 4 having a through-hole 5 made of a water-repellent material is provided between the catalyst layer 2 formed in contact with the polymer electrolyte membrane 1 and the electrode substrate 3. This through hole extends from the electrode substrate side to the catalyst layer side. According to such a configuration, the supply of the reaction gas such as hydrogen and oxygen to the catalyst layer and the discharge of the water vapor generated by the catalytic reaction from the catalyst layer are performed by the water-repellent layer 4.
Through a hole 5 provided partially in the hole. When a water-repellent layer is made of a water-repellent material such as Teflon (registered trademark) sheet sold under the name of GORE-TEX, the gas can be passed through the micropores of the layer or to the same layer. The gas is exchanged between the catalyst layer and the electrode substrate by diffusion or dissolution. In addition, by providing a layer made of a water-repellent material between the catalyst layer and the electrode substrate, the water repellency of the electrode can be significantly increased as compared with the conventional method, and deterioration over time can be reduced. it can. As a result, the water generated in the catalyst layer is confined in the catalyst layer, so that even when a relatively low-humidity dry gas is supplied to the electrodes, the performance of the electrolyte membrane and the electrolyte in the catalyst layer is reduced by drying. Is suppressed. On the other hand, the generated water overflowing from the catalyst layer is
Of the holes provided in the water-repellent layer, the holes are extruded into the electrode base material by water pressure through relatively large holes, are vaporized into a supply gas, and are removed.

【0010】本発明による上記撥水層を有する電極を製
造する好ましい方法は、電極基材の片面に撥水層を形成
する工程、および撥水層を形成した電極基材の前記撥水
層形成面に触媒層を塗工する工程からなる。撥水層を形
成する方法を以下に挙げる。 1)第1の方法は、撥水性のフッ素樹脂、特にPTFE
の水性ディスパージョンを霧化して95〜100℃に加
熱した電極基材の片面に噴霧する方法である。撥水層を
形成後、250〜380℃に加熱して、撥水層の電極基
材への付着性をよりよくするのが好ましい。 2)第2の方法は、フッ化ピッチの有機溶剤溶液または
スラリーを電極基材の片面に塗布し、乾燥して撥水層を
形成する方法である。 3)撥水性のフッ素樹脂、特にPTFEの薄いシート
(厚み5μm程度まで)をホットプレスにより電極基材
の片面に貼り付ける方法である。ここに用いるPTFE
のシートは、あらかじめ直径0.1μm〜1.0mmの
多数の孔を設けたものが好ましい。
[0010] A preferred method of manufacturing the above-mentioned electrode having a water-repellent layer according to the present invention is a step of forming a water-repellent layer on one surface of an electrode substrate, and forming the water-repellent layer on the electrode substrate having the water-repellent layer formed thereon. And a step of applying a catalyst layer to the surface. The method for forming the water-repellent layer is described below. 1) The first method is to use a water-repellent fluororesin, especially PTFE
Is sprayed on one side of an electrode substrate heated to 95 to 100 ° C. by atomizing the aqueous dispersion. After forming the water-repellent layer, it is preferable to heat the water-repellent layer to an electrode substrate by heating to 250 to 380 ° C. 2) The second method is a method in which an organic solvent solution or slurry of pitch fluoride is applied to one surface of an electrode substrate and dried to form a water-repellent layer. 3) A method in which a thin sheet (up to a thickness of about 5 μm) of a water-repellent fluororesin, particularly PTFE, is attached to one surface of an electrode substrate by hot pressing. PTFE used here
Is preferably provided with a large number of holes having a diameter of 0.1 μm to 1.0 mm in advance.

【0011】本発明の電極の撥水層は、厚みが1μm〜
50μmであり、直径0.1μm〜1.0mmの貫通孔
を単位面積あたり貫通孔の総面積が0.05〜0.5c
2/cm2程度に有することが好ましい。電極基材とし
て、水との接触角が90度以下である材料、すなわち親
水性の材料を用いると、電極基材中に押し出された生成
水が速やかに電極基材中に広がっていくことにより、気
化面積が拡大するので、水の気化が促進される。本発明
の好ましい実施の形態においては、電極基材の賦活処理
によって、あるいはカーボン粒子や有機バインダーの焼
成分解物などによって、電極基材の表面積を増加させて
いるので、気化面積がさらに拡大されるとともに、生成
水の保持効果も大きくなる。
The water-repellent layer of the electrode of the present invention has a thickness of 1 μm to
50 μm, and the total area of the through holes per unit area is 0.05 to 0.5 c.
It is preferable to have it on the order of m 2 / cm 2 . When a material whose contact angle with water is 90 degrees or less, that is, a hydrophilic material, is used as the electrode base material, the generated water extruded into the electrode base material quickly spreads in the electrode base material. Since the vaporization area increases, the vaporization of water is promoted. In a preferred embodiment of the present invention, the surface area of the electrode base material is increased by the activation treatment of the electrode base material or by the calcined decomposition product of the carbon particles or the organic binder, so that the vaporized area is further increased. At the same time, the effect of retaining the generated water also increases.

【0012】[0012]

【実施例】以下、本発明をその実施例により詳しく説明
する。本発明は、これら実施例に限定されるものではな
い。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below in detail with reference to embodiments. The present invention is not limited to these examples.

【0013】《実施例1》粒径が数ミクロン以下のカー
ボン粉末に塩化白金酸水溶液を含浸し、還元処理を行う
ことにより、カーボン粉末の表面に白金触媒を担持させ
た。これを触媒カーボン粉末とする。カーボンと担持し
た白金の重量比は、ほぼ2:1とした。次に、ポリテト
ラフルオロエチレン(PTFE)の水性ディスパージョ
ンにカーボン粉末を混合したスラリーを、強制的に撹拌
し、乾燥した後、熱処理した。これにより、カーボン粉
末にPTFEを付着した撥水性カーボン粉末を得た。前
記の触媒カーボン粉末と撥水性カーボン粉末とを重量比
約3:1の割合で均一に混合し、この混合物に酢酸ブチ
ルを加えて混練して、触媒層作製用のインクとした。つ
ぎに、電極基材となる厚さ500ミクロンのカーボンペ
ーパー(東レ製、多孔度50〜80%)を、赤外線照射
によって下面から加熱して、その表面温度を95℃〜1
00℃に保ちながら、スプレー装置によって、霧化した
PTFEの水性ディスパージョンを、カーボンペーパー
の上面に降り注いだ。霧化されたPTFE水性ディスパ
ージョンは、カーボンペーパー表面で水分が蒸発し、カ
ーボンペーパーの上面にはPTFEが堆積して撥水材料
層が形成された。カーボンペーパーの表面温度を110
℃以上にすると、PTFEの固形成分がカーボンペーパ
ー表面に付着せず、また温度が80℃以下では水性ディ
スパージョンがカーボンペーパー内部にしみ込んで、カ
ーボンペーパーの内部まで撥水処理した状態となった。
Example 1 A carbon powder having a particle diameter of several microns or less was impregnated with an aqueous solution of chloroplatinic acid and subjected to a reduction treatment, whereby a platinum catalyst was supported on the surface of the carbon powder. This is used as catalytic carbon powder. The weight ratio of carbon and supported platinum was approximately 2: 1. Next, the slurry obtained by mixing the carbon powder with the aqueous dispersion of polytetrafluoroethylene (PTFE) was forcibly stirred, dried, and then heat-treated. Thus, a water-repellent carbon powder in which PTFE was attached to the carbon powder was obtained. The catalyst carbon powder and the water-repellent carbon powder were uniformly mixed at a weight ratio of about 3: 1, and butyl acetate was added to the mixture and kneaded to obtain an ink for preparing a catalyst layer. Next, carbon paper (thickness: 50-80%, manufactured by Toray Co., Ltd.) having a thickness of 500 μm serving as an electrode substrate is heated from below by infrared irradiation, and its surface temperature is set to 95 ° C. to 1 ° C.
While maintaining the temperature at 00 ° C., an aqueous dispersion of atomized PTFE was dropped on the upper surface of the carbon paper by a spray device. In the atomized PTFE aqueous dispersion, moisture was evaporated on the surface of the carbon paper, and PTFE was deposited on the upper surface of the carbon paper to form a water-repellent material layer. Surface temperature of carbon paper is 110
When the temperature was higher than ℃, the solid component of PTFE did not adhere to the surface of the carbon paper, and when the temperature was lower than 80 ° C, the aqueous dispersion permeated the inside of the carbon paper, and the inside of the carbon paper was in a state of water repellency.

【0014】以上のようにして、カーボンペーパーへの
PTFE水性ディスパージョンの霧化堆積時間を調整す
ることにより、カーボンペーパー上に厚み約30μmの
撥水層を形成した。この撥水層を顕微鏡で観察すると、
撥水層には厚みにムラがあり、部分的にカーボンペーパ
ーが露出している孔があった。つぎに、カーボンペーパ
ーへの撥水層の付着性を改善する目的で、撥水層を形成
したカーボンペーパーを250〜380℃の雰囲気で短
時間、加熱した。加熱時間を長くすると、撥水層のカー
ボンペーパーが露出している孔が塞がったり、甚だしい
場合には軟化したPTFEがカーボンペーパー内部に侵
入したりした。また、撥水層自体が緻密な連続膜とな
り、ガスの透過性が失われた。
As described above, a water-repellent layer having a thickness of about 30 μm was formed on the carbon paper by adjusting the time for atomizing and depositing the aqueous PTFE dispersion on the carbon paper. When observing this water repellent layer with a microscope,
The water-repellent layer had unevenness in thickness and had holes in which carbon paper was partially exposed. Next, in order to improve the adhesion of the water-repellent layer to the carbon paper, the carbon paper on which the water-repellent layer was formed was heated in an atmosphere at 250 to 380 ° C for a short time. When the heating time was prolonged, the holes of the water-repellent layer where the carbon paper was exposed were closed, and in severe cases, softened PTFE penetrated into the carbon paper. In addition, the water-repellent layer itself became a dense continuous film, and gas permeability was lost.

【0015】このようにして、多孔質のPTFEからな
る撥水層を片面に形成したカーボンペーパーの前記撥水
層側に、上記の触媒層作製用のインクをスプレー塗工法
により塗布した。スクリーン印刷法を用いても塗布でき
たが、スプレー塗工法を用いた方が、塗工面の均一性が
高かった。触媒層の塗工量は、白金量に換算して0.5
mg/cm2とした。撥水層を形成する材料としては、
PTFEの他にもパーフルオロエチレンとパーフルオロ
プロピレンの共重合体などの撥水性の高い材料を用いる
こともできる。
The ink for preparing the catalyst layer was applied by a spray coating method to the side of the water-repellent layer of the carbon paper on which the water-repellent layer made of porous PTFE was formed on one side. Although the coating could be performed by using the screen printing method, the uniformity of the coated surface was higher by using the spray coating method. The coating amount of the catalyst layer is 0.5
mg / cm 2 . As a material for forming the water repellent layer,
In addition to PTFE, a highly water-repellent material such as a copolymer of perfluoroethylene and perfluoropropylene can also be used.

【0016】他の撥水層を形成するため、撥水性の高い
材料の1つであるフッ化ピッチ粉末を、アセトンをベー
スにした有機溶媒に添加してスラリーを調製した。この
スラリーを上記と同じカーボンペーパー上に塗布し、乾
燥して撥水層を形成した。フッ化ピッチは、石炭系ピッ
チにフッ素ガスを反応させて得たものを用いた。このフ
ッ化ピッチ粉末で構成した撥水層は、20μm程度の厚
みを有し、部分的にカーボンペーパーが露出していた。
このカーボンペーパーの前記撥水層形成面側に、上記と
同様にして、触媒層を白金量にして0.5mg/cm2
の厚みで塗工した。フッ化ピッチは、分子性結晶で、パ
ーフルオロベンゼンなどのフッ素系溶媒に溶解する。し
たがって、その溶液をスプレー装置によって霧化し、カ
ーボンペーパーの片面に塗着し、乾燥させる方法によっ
ても撥水層の形成は可能であった。
In order to form another water-repellent layer, a slurry was prepared by adding pitch fluoride powder, one of the materials having high water repellency, to an organic solvent based on acetone. This slurry was applied on the same carbon paper as above, and dried to form a water-repellent layer. The fluorinated pitch used was obtained by reacting a coal-based pitch with a fluorine gas. The water-repellent layer composed of the fluorinated pitch powder had a thickness of about 20 μm, and the carbon paper was partially exposed.
On the side of the water repellent layer forming side of the carbon paper, the catalyst layer was formed in an amount of platinum of 0.5 mg / cm 2 in the same manner as above.
Coating with a thickness of Pitch fluoride is a molecular crystal and is dissolved in a fluorine-based solvent such as perfluorobenzene. Therefore, a water-repellent layer could be formed also by a method in which the solution was atomized by a spray device, applied to one side of carbon paper, and dried.

【0017】別の撥水層の形成法として次の方法をとっ
た。PTFEシートを展伸して厚さ約35μmにし、こ
のシートを、カーボンペーパーの片面にホットプレスに
よって貼り付けた。ホットプレスの条件を変えることに
よって、撥水層を形成したカーボンペーパーのガス透過
性をコントロールすることができた。ホットプレスの圧
力と温度を高くすることによって、触媒層と電極基材と
が直接電気的に接触するための孔、すなわちカーボンペ
ーパーの露出部が増した。さらに他の撥水層の形成法と
して、展伸したPTFEシートに、カーボンペーパーに
接合する前に、直径0.5〜1.0mmの穴を多数打ち
抜いた。これによって、触媒層と電極基材が直接接触す
る孔を確実に形成した。PTFEシートに形成した穴の
間隔について、カーボン製セパレータ上に形成したガス
流路の幅(2mm)より小さいものから大きいものまで
(1〜3mm)のものを試作した。この手法では、展伸
したPTFEシートの他にも、シール材として用いる多
孔質PTFEシートや、微視的には撥水性の素材からな
る繊維が絡まって網目状構造を形成したようなシートの
適用が可能である。このように穴を打ち抜いた撥水材料
のシートをホットプレスにより接合したカーボンペーパ
ーに、触媒層を0.5mg/cm2の白金層で塗工し
た。
The following method was used as another method for forming a water-repellent layer. The PTFE sheet was stretched to a thickness of about 35 μm, and this sheet was attached to one surface of carbon paper by hot pressing. By changing the hot pressing conditions, the gas permeability of the carbon paper having the water-repellent layer formed thereon could be controlled. Increasing the pressure and temperature of the hot press increased the number of holes for direct electrical contact between the catalyst layer and the electrode substrate, that is, the exposed portion of the carbon paper. Further, as another method for forming a water-repellent layer, a number of holes having a diameter of 0.5 to 1.0 mm were punched out in an expanded PTFE sheet before joining to a carbon paper. As a result, a hole in which the catalyst layer and the electrode substrate were in direct contact was reliably formed. With respect to the intervals between the holes formed in the PTFE sheet, prototypes were prepared from the smaller (2 mm) to the larger (1 to 3 mm) gas passages formed on the carbon separator. In this method, in addition to the expanded PTFE sheet, a porous PTFE sheet used as a sealing material, or a sheet in which fibers made of a microscopically water-repellent material are entangled to form a network-like structure are applied. Is possible. A catalyst layer was coated with a 0.5 mg / cm 2 platinum layer on carbon paper to which a sheet of the water-repellent material punched out in this manner was joined by hot pressing.

【0018】以上の4種類の電極、すなわち、(a)P
TFEの水性ディスパージョンを噴霧して撥水層を形成
したもの、(b)フッ化ピッチ粉末から撥水層を形成し
たもの、(c)展伸したPTFEシートを接合して撥水
層としたもの、(d)展伸したPTFEシートに孔を開
けて接合して撥水層としたもの、について、各々水素イ
オン伝導性を有するパーフルオロカーボンスルホン酸の
高分子電解質膜(デュポン社製、ナフィオン膜、膜厚2
5μm)を挟み、温度125℃、圧力20kgf/cm
2でホットプレスして、電解質膜・電極接合体(ME
A)を作製した。電極面積は5cm×5cmとした。こ
れらのMEAを、カーボン製セパレータで挟み、MEA
の四囲にはシリコンゴム製のガスケットを配して燃料電
池を組み立てた。上記の電極a、b、c、およびdを用
いた電池をそれぞれA、B、C、およびDとする。
The above four types of electrodes, namely, (a) P
A water-repellent layer was formed by spraying an aqueous dispersion of TFE, (b) a water-repellent layer was formed from pitch fluoride powder, and (c) an expanded PTFE sheet was joined to form a water-repellent layer. And (d) perforated perforated carbon sulfonic acid polymer electrolyte membranes having a hydrogen ion conductivity (Nafion membrane, manufactured by DuPont) , Film thickness 2
5μm), temperature 125 ° C, pressure 20kgf / cm
2 and hot-press the electrolyte membrane-electrode assembly (ME
A) was prepared. The electrode area was 5 cm × 5 cm. These MEAs are sandwiched between carbon separators,
A fuel cell was assembled by arranging a silicone rubber gasket in the four areas. Batteries using the above electrodes a, b, c, and d are referred to as A, B, C, and D, respectively.

【0019】次に、これらの電池の性能試験を行った。
その結果を図2に示した。電池の試験条件は以下の通り
とした。燃料ガスには純水素、酸化剤ガスには空気を用
い、それぞれ水中にバブリングさせることにより加湿し
て電極に供給した。水素利用率を70%、空気利用率を
30%、電池温度を75℃、電流密度を0.7A/cm
2、アノード側の加湿に用いた水の温度(以下バブラー
温度という)を75℃とした。図2では、横軸にカソー
ド側のバブラー温度をとり、カソードへ供給する酸化剤
ガスの加湿条件が電池性能に与える影響を評価した。図
2から明らかなように、触媒層と電極基材とを直接接合
した従来の電極(e)を用いた電池Eと比べると、本発
明による電極(a)〜(d)を用いた電池A〜Dは、い
ずれもバブラー温度の低い条件、すなわち、より乾いた
空気の供給時に性能が改善されることがわかる。また、
電極(d)を用いた電池Dでは、展伸PTFEシートに
設けた穴の間隔がガス流路の幅より小さい方の性能が高
くなることがわかった。
Next, performance tests of these batteries were performed.
The result is shown in FIG. The test conditions of the battery were as follows. Pure hydrogen was used as the fuel gas, and air was used as the oxidant gas, and each was supplied to the electrode after being humidified by bubbling in water. 70% hydrogen utilization, 30% air utilization, 75 ° C battery temperature, 0.7 A / cm current density
2. The temperature of the water used for humidification on the anode side (hereinafter referred to as bubbler temperature) was set to 75 ° C. In FIG. 2, the bubbler temperature on the cathode side is plotted on the horizontal axis, and the influence of the humidification condition of the oxidizing gas supplied to the cathode on the battery performance was evaluated. As is clear from FIG. 2, the battery A using the electrodes (a) to (d) according to the present invention is compared with the battery E using the conventional electrode (e) in which the catalyst layer and the electrode substrate are directly joined. -D show that the performance is improved when the bubbler temperature is low, that is, when dry air is supplied. Also,
In the battery D using the electrode (d), it was found that the performance was higher when the interval between the holes provided in the expanded PTFE sheet was smaller than the width of the gas flow path.

【0020】《実施例2》実施例1では、触媒層と電極
基材との間に撥水層を配置することで、低加湿空気を用
いた場合に電池性能を改善できることを示した。そこで
本実施例では、高加湿空気を用いた場合における電池性
能を改善するため、電極基材の表面積を増やす処理を施
した。本実施例では、電極基材としてはポリアクリロニ
トリル系カーボン繊維からなるカーボンペーパーを用い
た。まず、カルボキシメチルセルロース(CMC)の5
重量%水溶液を、前記のカーボンペーパーに擦り込んで
乾燥した。窒素ガスを流しつつ、800℃で6時間の加
熱処理を行い、CMCを炭化した。この処理を3回繰り
返すことで、CMCの炭化物を電極基材であるカーボン
ペーパー中のカーボン繊維に付着させた。この表面処理
を施すと、カーボンペーパーの比表面積が3,500c
2/gとなり、未処理のカーボンペーパーでの値2,
300cm2/gと比べて、約1.5倍となった。CM
Cに代えてポリビニルブチラールのエチルアルコール溶
液を用いると、比表面積は3,700cm2/gとなっ
た。上記の熱処理時の雰囲気ガスを空気にすると、比表
面積は逆に低下した。上記の熱処理は、酸化性の低いガ
ス中で行うことが必要である。
Example 2 In Example 1, it was shown that by arranging a water-repellent layer between a catalyst layer and an electrode substrate, battery performance could be improved when low humidified air was used. Therefore, in this embodiment, in order to improve the battery performance when high humidified air is used, a process of increasing the surface area of the electrode substrate was performed. In this example, carbon paper made of polyacrylonitrile-based carbon fiber was used as the electrode substrate. First, 5 of carboxymethylcellulose (CMC)
A weight% aqueous solution was rubbed against the carbon paper and dried. Heat treatment was performed at 800 ° C. for 6 hours while flowing nitrogen gas to carbonize CMC. By repeating this process three times, the carbide of CMC was made to adhere to the carbon fibers in the carbon paper as the electrode substrate. When this surface treatment is performed, the specific surface area of the carbon paper becomes 3,500 c
m 2 / g, the value of untreated carbon paper 2,
It was about 1.5 times as large as 300 cm 2 / g. CM
When an ethyl alcohol solution of polyvinyl butyral was used in place of C, the specific surface area became 3,700 cm 2 / g. When the atmosphere gas during the above heat treatment was air, the specific surface area was conversely reduced. The above heat treatment needs to be performed in a gas having a low oxidizing property.

【0021】次に、比表面積をより大きくするため、高
比表面積のカーボン粉末を電極基材中に導入した。アセ
チレンブラック粉(比表面積60m2/g)にエタノー
ルを加えて混練したペーストを、カーボンペーパーに擦
り込んで乾燥した後、窒素気流中800℃で4時間焼成
した。この方法で得られたカーボンペーパーの比表面積
は2,400cm2/gであった。カーボン粉末のカー
ボン繊維への固着をより強固にするため、次の方法も試
みた。CMCの5重量%水溶液100gに、アセチレン
ブラック粉(比表面積60m2/g)1gを加え、混練
してペーストとした。このペーストをカーボンペーパー
に擦り込んで乾燥した後、焼成した結果、電極基材の比
表面積は約28,000cm2/gとなった。さらに、
比表面積を拡大する別の試みとして、カーボン繊維の賦
活処理を行った。賦活方法は、つぎの水蒸気賦活を採用
した。電気炉中に窒素を流しながら、1,000℃に加
熱したカーボンペーパーに水蒸気を導入した。30〜6
0秒の間、水蒸気を導入したのち冷却した。この処理を
施したものの比表面積は、約100〜200m2/gで
あった。
Next, in order to increase the specific surface area, carbon powder having a high specific surface area was introduced into the electrode substrate. A paste obtained by adding ethanol to acetylene black powder (specific surface area: 60 m 2 / g) and kneading the mixture was rubbed with carbon paper and dried, and then fired at 800 ° C. for 4 hours in a nitrogen stream. The specific surface area of the carbon paper obtained by this method was 2,400 cm 2 / g. The following method was also attempted in order to further firmly fix the carbon powder to the carbon fiber. 1 g of acetylene black powder (specific surface area: 60 m 2 / g) was added to 100 g of a 5% by weight aqueous solution of CMC and kneaded to form a paste. The paste was rubbed into carbon paper, dried, and fired. As a result, the specific surface area of the electrode substrate was about 28,000 cm 2 / g. further,
As another attempt to increase the specific surface area, a carbon fiber activation treatment was performed. As the activation method, the following steam activation was employed. While flowing nitrogen into the electric furnace, steam was introduced into the carbon paper heated to 1,000 ° C. 30-6
During 0 seconds, steam was introduced and then cooled. The specific surface area of the substrate subjected to this treatment was about 100 to 200 m 2 / g.

【0022】これらのカーボンペーパーに、実施例1と
同じ触媒層作製用のインクを0.5mg/cm2の白金
層で塗工した。こうして得た一対のカーボンペーパーで
電解質膜を挟み、ホットプレスしてMEAを作製した。
このMEAから組み立てた電池について、実施例1と同
じ条件で試験した。図3にその結果を示した。CMCの
炭化物を付着させた電極、カーボン粉末を導入した電
極、および賦活処理したカーボンペーパーを用いた電極
を備えた電池をそれぞれF、G、およびHとする。比表
面積の拡大処理を行っていないカーボンペーパーを用い
た従来の構成の電池Eは、供給される空気の加湿量が増
すと急激にその性能が低下した。これは、生成した水が
触媒層やカーボンペーパー中に停滞して、空気の供給が
阻害されたためである。これに比べて、比表面積の拡大
処理を行ったカーボンペーパーを用いた電池は、いずれ
も供給される空気の加湿量が高いところで性能が改善さ
れていた。
Onto these carbon papers, the same ink for preparing a catalyst layer as in Example 1 was applied with a platinum layer of 0.5 mg / cm 2 . An MEA was produced by sandwiching the electrolyte membrane between the pair of carbon papers thus obtained and hot pressing.
The battery assembled from this MEA was tested under the same conditions as in Example 1. FIG. 3 shows the result. Batteries provided with an electrode to which CMC carbide was attached, an electrode into which carbon powder had been introduced, and an electrode using activated carbon paper were designated F, G, and H, respectively. The performance of the battery E of the conventional configuration using the carbon paper not subjected to the process of increasing the specific surface area rapidly decreased as the supplied air humidified amount increased. This is because the generated water stagnates in the catalyst layer and the carbon paper, and the supply of air is hindered. On the other hand, in the case of batteries using carbon paper that has been subjected to a process of increasing the specific surface area, the performance of any of the batteries was improved where the amount of supplied air was high.

【0023】次に、空気側のバブラー温度を65℃に維
持したまま電池運転を続けた後、バブラー温度を40℃
に切り替え、電池電圧の変化を追跡した。図4に示した
ように、いずれの電池も10分後には0.3V以下に電
圧が低下した。電極基材に比表面積拡大処理を施してい
ない従来の電池は、バブラー温度の切り替え直後から急
速に電池性能が低下したのに対し、本発明による電池
は、バブラー温度の切り替え後数分間は性能を維持し
た。これはカーボンペーパーの水保持能力が、その比表
面積の拡大に伴い、高まったため、乾燥した空気が供給
されるようになっても、触媒層や電解質膜がすぐには乾
燥せず電池性能を維持できたことによる。実際の燃料電
池発電システムでは、システムの立ち上げ・立ち下げ
時、燃料改質器や加湿器との整合性が不調になったと
き、一時的に乾燥したガスが供給される状況が想定され
る。本発明による電池では、そのような場合において
も、短時間であればシステムダウンに陥ることがない。
Next, the battery operation was continued while maintaining the bubbler temperature on the air side at 65 ° C., and then the bubbler temperature was reduced to 40 ° C.
To change the battery voltage. As shown in FIG. 4, the voltage of each of the batteries dropped to 0.3 V or less after 10 minutes. Conventional batteries in which the specific surface area expansion treatment was not performed on the electrode substrate rapidly deteriorated in battery performance immediately after the bubbler temperature was switched, whereas the battery according to the present invention exhibited performance for several minutes after the bubbler temperature was switched. Maintained. This is because the water retention capacity of carbon paper has increased as its specific surface area has increased, and even if dry air is supplied, the catalyst layer and electrolyte membrane do not immediately dry and maintain battery performance. It depends on what you can do. In an actual fuel cell power generation system, a situation is assumed in which a dry gas is temporarily supplied when the system starts up or shuts down, or when the compatibility with the fuel reformer or humidifier becomes poor. . Even in such a case, the battery according to the present invention does not fall into the system down for a short time.

【0024】ここでは、PAN系カーボン繊維からなる
カーボンペーパーを電極基材として用いたが、ピッチ系
カーボン繊維、あるいは種々のカーボン粒子で構成した
カーボンクロス、カーボンフェルトについても、本発明
を適用し、その表面積を増加させることにより、電池性
能をガスの加湿条件に対して安定化させることができ
る。
Here, carbon paper made of PAN-based carbon fiber is used as the electrode base material. However, the present invention is also applied to pitch-based carbon fiber or carbon cloth and carbon felt composed of various carbon particles. By increasing the surface area, battery performance can be stabilized against gas humidification conditions.

【0025】《実施例3》高分子電解質型燃料電池は、
電極内部における供給ガスの上流側と下流側とで、湿度
が異なる。電極の全領域で電流密度をできるだけ均一に
保ち、高い電池性能を得るためには、ガス流路を流れる
供給ガスの湿度が変化しても性能が低下しないMEAの
構成が必要となる。そこで本実施例では、実施例2で示
した比表面積を拡大したカーボンペーパー上に、実施例
1で示した撥水層を形成したMEAを作製した。カーボ
ンペーパーの比表面積を拡大する手段は、前述の水蒸気
賦活処理を用い、撥水層は、前述の展伸したPTFEシ
ートのホットプレス法により形成した。その他の条件は
実施例1と同じにして燃料電池を組み立てた。図5に電
池の試験結果を示した。試験条件は、実施例1と同一と
した。従来構成の電池Eと比較すると、本実施例による
電池Iは、供給する空気が乾いた状態でも、性能を大幅
に改善することができた。
Embodiment 3 A polymer electrolyte fuel cell is
The humidity differs between the upstream side and the downstream side of the supply gas inside the electrode. In order to keep the current density as uniform as possible over the entire area of the electrode and obtain high battery performance, it is necessary to have an MEA configuration in which the performance does not decrease even when the humidity of the supply gas flowing through the gas flow path changes. Therefore, in this example, an MEA was formed in which the water-repellent layer shown in Example 1 was formed on the carbon paper having an increased specific surface area shown in Example 2. As a means for increasing the specific surface area of the carbon paper, the above-mentioned steam activation treatment was used, and the water-repellent layer was formed by the above-mentioned hot pressing method of the expanded PTFE sheet. The other conditions were the same as in Example 1 to assemble the fuel cell. FIG. 5 shows the test results of the battery. The test conditions were the same as in Example 1. Compared with the conventional battery E, the performance of the battery I according to the present embodiment was significantly improved even when the supplied air was dry.

【0026】つぎに、電極基材の表面積の増大処理と、
撥水層の導入を同時に行った構成の電池について、積層
電池を組んで試験を行った。厚み4mmの焼成カーボン
板を切削加工して、片面にガス流路を形成し、他方の面
に冷却水流路を形成した。このカーボン製セパレータ
と、電極面積100cm2のMEAとを交互に積層して
10セルが直列に接続された積層電池を構成した。積層
電池の両端にはステンレス鋼製の端板を当て、ボルトと
ナットにより両端板を20kgf/cm2の圧力で締結
した。その他の構成は実施例1と同じとした。実施例1
と同一条件で試験した結果、前記の電池は、単電池試験
と同様に、供給空気が乾いた状態でも十分な性能を有
し、さらに、各セルの出力バラツキも大幅に改善されて
いた。すなわち、従来電池では10セル積層すると、負
荷0.5A/cm2のとき、出力電圧のバラツキが±5
0mVであったのに対して、本実施例の電池では、出力
電圧のバラツキが±30mVであった。積層電池では、
各セルに並列にガスが供給されるが、各セルの流路構成
や電極の濡れ性の微妙なバラツキによって、ガス流量の
バラツキが起こる。ガス流量が少なくなったセルでは、
供給ガスの上流側と下流側とで加湿の差が著しく大きく
なることが性能バラツキの一因と考えられる。本発明の
積層電池では、これが改善されていることがわかった。
Next, a process for increasing the surface area of the electrode substrate,
For a battery having a configuration in which the water-repellent layer was simultaneously introduced, a test was conducted by assembling a laminated battery. A calcined carbon plate having a thickness of 4 mm was cut to form a gas flow path on one side and a cooling water flow path on the other side. This carbon separator and MEA having an electrode area of 100 cm 2 were alternately laminated to form a laminated battery in which 10 cells were connected in series. End plates made of stainless steel were applied to both ends of the laminated battery, and both end plates were fastened with bolts and nuts at a pressure of 20 kgf / cm 2 . Other configurations were the same as those of the first embodiment. Example 1
As a result of the test under the same conditions as in the above, as in the single cell test, the battery had sufficient performance even when the supply air was dry, and the output variation of each cell was significantly improved. That is, when 10 cells are stacked in the conventional battery, when the load is 0.5 A / cm 2 , the variation of the output voltage is ± 5.
In contrast to 0 mV, the battery of this example had a variation in output voltage of ± 30 mV. In a stacked battery,
The gas is supplied to each cell in parallel, but the flow rate of the gas varies due to subtle variations in the channel configuration of each cell and the wettability of the electrodes. For cells with low gas flow,
It is considered that a significant difference in humidification between the upstream side and the downstream side of the supply gas is one of the causes of the performance variation. This was found to be improved in the laminated battery of the present invention.

【0027】以上の実施例1、2および3では、カソー
ド側の加湿条件に対する電池性能の安定性に関する効果
を示した。しかし、アノード側においても単電池のガス
流路の途中で水素ガスが消費され、下流域では上流域に
比べて過加湿になりやすい。この傾向は利用率を高くな
るほど顕著であり、カソード側と同様に性能の改善には
本発明が有効であることは言うまでもない。
In the above Examples 1, 2 and 3, the effect on the stability of the battery performance under the humidifying condition on the cathode side was shown. However, even on the anode side, hydrogen gas is consumed in the middle of the gas flow path of the unit cell, and the downstream region is more likely to be over-humidified than the upstream region. This tendency is more remarkable as the utilization rate increases, and it goes without saying that the present invention is effective in improving the performance as in the case of the cathode side.

【0028】[0028]

【発明の効果】以上のように本発明によれば、供給ガス
に含まれる水蒸気の蒸気圧変化に係わらず、性能を高く
維持する高分子電解質型燃料電池を提供することができ
る。また、本発明は、燃料電池の運転条件の安定化やシ
ステム効率の改善などに寄与することができる。
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a polymer electrolyte fuel cell which maintains high performance regardless of a change in vapor pressure of water vapor contained in a supply gas. Further, the present invention can contribute to stabilization of operating conditions of the fuel cell, improvement of system efficiency, and the like.

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

【図1】本発明のMEAを模式的に示した断面図であ
る。
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an MEA of the present invention.

【図2】本発明の第1の実施例の高分子電解質型燃料電
池の性能を表した図である。
FIG. 2 is a diagram showing the performance of a polymer electrolyte fuel cell according to a first embodiment of the present invention.

【図3】本発明の第2の実施例の高分子電解質型燃料電
池の性能を表した図である。
FIG. 3 is a diagram showing the performance of a polymer electrolyte fuel cell according to a second embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第2の実施例の高分子電解質型燃料電
池の他の性能を表した図である。
FIG. 4 is a diagram illustrating another performance of the polymer electrolyte fuel cell according to the second embodiment of the present invention.

【図5】本発明の第3の実施例の高分子電解質型燃料電
池の性能を表した図である。
FIG. 5 is a diagram showing the performance of a polymer electrolyte fuel cell according to a third embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 高分子電解質膜 2 触媒層 3 電極基材 4 撥水層 5 貫通孔 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Polymer electrolyte membrane 2 Catalyst layer 3 Electrode substrate 4 Water-repellent layer 5 Through-hole

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 安本 栄一 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 日下部 弘樹 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 菅原 靖 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 堀 喜博 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Fターム(参考) 5H018 AA06 AS02 AS03 DD05 EE05 EE18 HH03 5H026 AA06 CX02 EE19 HH03  ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (72) Inventor Eiichi Yasumoto 1006 Kazuma Kadoma, Osaka Prefecture Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (72) Inventor Hiroki Kusakabe 1006 Kadoma Kazuma Kadoma City, Osaka Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (72) Inventor Yasushi Sugawara 1006 Kadoma, Kazuma, Osaka Pref. Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (72) Inventor Yoshihiro Hori 1006 Kadoma, Kazuma, Kadoma, Osaka Pref. Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. AS03 DD05 EE05 EE18 HH03 5H026 AA06 CX02 EE19 HH03

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 高分子電解質膜、前記高分子電解質膜を
挟んだ一対の電極、一方の電極に燃料ガスを供給するガ
ス流路を有するアノード側セパレータ、および他方の電
極に酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソード側
セパレータを具備し、前記電極が、前記高分子電解質膜
に接する触媒層、ガス透過性と電子伝導性とを有する電
極基材、および前記触媒層と電極基材との間に介在する
撥水層からなり、前記撥水層が複数の貫通孔を有し、こ
の貫通孔をとおして前記触媒層と電極基材とが電気的に
接続されている高分子電解質型燃料電池。
An oxidant gas is supplied to a polymer electrolyte membrane, a pair of electrodes sandwiching the polymer electrolyte membrane, an anode separator having a gas flow path for supplying a fuel gas to one electrode, and an other electrode. Comprising a cathode-side separator having a gas flow path, wherein the electrode is a catalyst layer in contact with the polymer electrolyte membrane, an electrode substrate having gas permeability and electron conductivity, and the catalyst layer and the electrode substrate A polymer electrolyte type comprising a water repellent layer interposed therebetween, wherein the water repellent layer has a plurality of through holes, and the catalyst layer and the electrode substrate are electrically connected through the through holes. Fuel cell.
【請求項2】 前記貫通孔が、孔相互間の平均間隔が前
記セパレータのガス流路の幅より小さくなるように分布
している請求項1記載の高分子電解質型燃料電池。
2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the through holes are distributed such that an average interval between the holes is smaller than a width of a gas passage of the separator.
【請求項3】 電極基材が、表面積の増加処理を施され
た炭素繊維により構成されている請求項1または2記載
の高分子電解質型燃料電池。
3. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the electrode substrate is made of carbon fiber subjected to a surface area increasing treatment.
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