JP2001307749A - Solid polymer fuel battery and stack of the same - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子型燃料
電池および単セルを複数枚積層して形成される固体高分
子型燃料電池に関するものである。The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell and a polymer electrolyte fuel cell formed by stacking a plurality of single cells.
【０００２】[0002]
【従来の技術】図１０は、従来の固体高分子型燃料電池
の単セルの基本構成を示す分解断面図である。固体高分
子電解質膜１の両側の主面にそれぞれ貴金属（主として
白金）を含むカソード側触媒層２およびアノード側触媒
層３を接合してセルが構成される。カソード側触媒層２
およびアノード側触媒層３と対向して、それぞれカソー
ド側ガス拡散層４およびアノード側ガス拡散層５が配置
される。これによりそれぞれカソード６およびアノード
７が構成される。これらのガス拡散層４および５は、そ
れぞれ酸化剤ガスおよび燃料ガスを通過させると同時
に、電流を外部に伝える働きをする。そして、セルに面
して反応ガス流通用のガス流路８を備え、相対する主面
に冷却水流通用の冷却水流路９を備えた導電性でかつガ
ス不透過性の材料よりなる一組のセパレータ１０により
挟持して単セル１１が構成される。2. Description of the Related Art FIG. 10 is an exploded sectional view showing a basic structure of a single cell of a conventional polymer electrolyte fuel cell. A cell is formed by joining a cathode-side catalyst layer 2 and an anode-side catalyst layer 3 each containing a noble metal (mainly platinum) to the main surfaces on both sides of the solid polymer electrolyte membrane 1 respectively. Cathode side catalyst layer 2
A cathode-side gas diffusion layer 4 and an anode-side gas diffusion layer 5 are arranged to face the anode-side catalyst layer 3, respectively. Thereby, a cathode 6 and an anode 7 are formed, respectively. These gas diffusion layers 4 and 5 serve to transmit an oxidizing gas and a fuel gas, respectively, and at the same time to transmit a current to the outside. A set of a conductive and gas-impermeable material having a gas flow path 8 for reactant gas flow facing the cell and a cooling water flow path 9 for cooling water flow on the opposite main surface. A single cell 11 is constituted by being sandwiched by the separators 10.
【０００３】図１１は、固体高分子型燃料電池スタック
の基本構成を示す断面図である。多数の単セル１１を積
層し、集電板１２、電気絶縁と熱絶縁を目的とする絶縁
板１３ならびに荷重を加えて積層状態を保持するための
締付板１４によって挟持し、ボルト１５とナット１７に
より締め付けられており、締め付け荷重は、皿バネ１６
により加えられている。FIG. 11 is a sectional view showing the basic structure of a polymer electrolyte fuel cell stack. A large number of single cells 11 are stacked and sandwiched by a current collector 12, an insulating plate 13 for electrical and thermal insulation, and a clamping plate 14 for applying a load to maintain a stacked state, and a bolt 15 and a nut 17 and the tightening load is
Has been added.
【０００４】図１２は、単セル１１を構成するセパレー
タ１０のガス流路８の構成例を示す平面図である。図１
２はセパレータ１０のセル側より見た平面図で、セルの
電極に面した発電領域１８に、多数の平行に配されたガ
ス流路８が形成されている。アノード７に面したセパレ
ータ１０に送られる燃料ガス、あるいはカソード６に面
したセパレータ１０に送られる酸化剤ガスは、ガス供給
口１９よりガス供給側マニホールド２０へと導入され、
多数のガス流路８に分流し、電極へ拡散して電気化学反
応に寄与する。未反応ガスは排出側マニホールド２１へ
と集められ、ガス排出口２２より排出される。なお、図
１２のガス供給連通孔２３とガス排出連通孔２４は、こ
のセパレータ１０と相対して配されるセパレータ１０に
流通するガスのガス供給口、ガス排出口に連通してお
り、相対する電極へのガスの供給に用いられるものであ
る。FIG. 12 is a plan view showing a configuration example of the gas flow path 8 of the separator 10 constituting the single cell 11. FIG.
Numeral 2 is a plan view of the separator 10 as viewed from the cell side. In the power generation region 18 facing the electrodes of the cell, a number of parallel gas flow paths 8 are formed. The fuel gas sent to the separator 10 facing the anode 7 or the oxidizing gas sent to the separator 10 facing the cathode 6 is introduced from the gas supply port 19 to the gas supply side manifold 20,
It is divided into a large number of gas channels 8 and diffuses into the electrodes to contribute to the electrochemical reaction. Unreacted gas is collected in the discharge side manifold 21 and discharged from the gas discharge port 22. In addition, the gas supply communication hole 23 and the gas discharge communication hole 24 in FIG. 12 communicate with the gas supply port and the gas discharge port of the gas flowing through the separator 10 that is disposed opposite to the separator 10. It is used for supplying gas to the electrodes.
【０００５】固体高分子電解質膜１としては、スルホン
酸基を持つポリスチレン系の陽イオン交換膜をカチオン
導電性膜としたもの、フロロカーボンスルホン酸とポリ
ビニリデンフロライドの混合膜、フロロカーボンマトリ
ックスにトリフロロエチレンをグラフト化したもの、及
びパーフロロカーボンスルホン酸膜（米国デュポン社
製、商品名ナフィオン膜）などが知られている。これら
の固体高分子電解質膜は分子中にプロトン交換基を有し
ており、含水量を飽和させると比抵抗が常温で２０Ωｃ
ｍ2 以下となり、プロトン導電性電解質として機能す
る。このように固体高分子電解質膜１は飽和に含水させ
ることによりプロトン導電性電解質として機能し、また
高温になると固体高分子電解質膜１が変態してプロトン
導電性が低くなるので、固体高分子型燃料電池において
は、運転温度を５０〜１００℃程度とし、反応ガスに水
蒸気を飽和に含ませて各単セル１１に供給して運転する
方法が採られている。As the solid polymer electrolyte membrane 1, a polystyrene-based cation exchange membrane having a sulfonic acid group is used as a cation conductive membrane, a mixed membrane of fluorocarbon sulfonic acid and polyvinylidene fluoride, and a trifluorocarbon matrix is used. Known are those obtained by grafting ethylene, and perfluorocarbon sulfonic acid membranes (manufactured by DuPont, USA, trade name: Nafion membrane). These solid polymer electrolyte membranes have a proton exchange group in the molecule, and when the water content is saturated, the specific resistance becomes 20Ωc at room temperature.
m 2 or less, and functions as a proton conductive electrolyte. As described above, the solid polymer electrolyte membrane 1 functions as a proton conductive electrolyte by being saturated with water, and when the temperature becomes high, the solid polymer electrolyte membrane 1 is transformed and the proton conductivity becomes low. In the fuel cell, a method is adopted in which the operating temperature is set to about 50 to 100 ° C., the reaction gas is saturated with water vapor and supplied to each unit cell 11 for operation.
【０００６】アノード７に水素を含む燃料ガス、カソー
ド６に酸素を含む酸化剤ガスを供給すると、アノード７
では、水素分子を水素イオンと電子に分解するアノード
反応、カソード６では、酸素と水素イオンと電子から水
を生成する以下の電気化学反応がそれぞれ行われ、アノ
ードからカソードに向かって外部回路を移動する電子に
より電力が負荷に供給されるとともに、カソード側に水
が生成されることとなる。When a fuel gas containing hydrogen is supplied to the anode 7 and an oxidizing gas containing oxygen is supplied to the cathode 6, the anode 7
In the anodic reaction, hydrogen molecules are decomposed into hydrogen ions and electrons. At the cathode 6, the following electrochemical reactions for generating water from oxygen, hydrogen ions, and electrons are performed, and the external circuit moves from the anode to the cathode. The generated electrons supply power to the load and generate water on the cathode side.
【０００７】 アノード；Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- （アノード反応） カソード；２Ｈ+ ＋ (１／２) Ｏ2 ＋２ｅ- →Ｈ2 Ｏ（カソード反応） 全体 ；Ｈ2 ＋ (１／２) Ｏ2 →Ｈ2 ＯAnode; H 2 → 2H + + 2e − (anode reaction) Cathode: 2H + + (1/2) O 2 + 2e − → H 2 O (cathode reaction) Overall; H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O
【０００８】このように、カソード６側では反応により
水が生成される上に、アノード７側からの水素イオンの
移動に伴ってカソード６側に移動する水も存在する。そ
して、これらの水の大部分が酸化剤ガス中に蒸発する結
果、酸化剤ガスの排出口付近での水蒸気分圧が供給口付
近に比べて高くなり、カソード触媒層中における水の蒸
発速度が低下する。このような状態になると、カソード
触媒層中には水が滞留してガスの拡散性が阻害され、セ
ル性能の低下を招く。また、この問題を防止するために
セルに供給する酸化剤ガスの水蒸気分圧を低くすると、
逆に酸化剤ガスの供給口に近い側の固体高分子電解質膜
が乾燥してしまうため、やはりセル性能の低下を招く。As described above, water is generated by the reaction on the cathode 6 side, and water that moves to the cathode 6 side along with the movement of hydrogen ions from the anode 7 side exists. As a result, most of the water evaporates into the oxidizing gas. As a result, the partial pressure of water vapor near the outlet of the oxidizing gas becomes higher than that near the supply port, and the evaporation rate of water in the cathode catalyst layer increases. descend. In such a state, water stays in the cathode catalyst layer and the gas diffusibility is hindered, which causes a decrease in cell performance. Also, if the water vapor partial pressure of the oxidizing gas supplied to the cell is reduced to prevent this problem,
Conversely, the solid polymer electrolyte membrane on the side close to the oxidant gas supply port is dried, which also causes a decrease in cell performance.
【０００９】この問題を改善するために、カソードのガ
ス拡散層および／またはアノードのガス拡散層のガス供
給口側に近い部分が、ガス排出口側に近い部分よりも、
小さい透過度を有するように構成した固体高分子電解質
型燃料電池の単セルが提案されている（特開平１１−１
５４５２３号公報）。この技術によれば図１３に示すよ
うに、例えば、カソード６のガス拡散層４のガス供給口
１９側に近い部分２５が、ガス排出口２２側に近い部分
２６よりも、小さいガス拡散性を有するようにしてい
る。２７は酸化剤ガス流れ、２８は燃料ガス流れを示
す。そして、ガス拡散性は、拡散層４の厚さ、気孔率を
変えることにより調整される。具体的には、ガス供給口
１９側に近い部分２５は、気孔率を小さくしたり、厚さ
を大きくしてガス拡散性を小さくし、ガス排出口２２側
に近い部分２６は、気孔率を大きくしたり、厚さを小さ
くしてガス拡散性を大きくしている。In order to solve this problem, a portion of the gas diffusion layer of the cathode and / or the gas diffusion layer of the anode closer to the gas supply port side is smaller than a portion closer to the gas discharge port side.
A single cell of a solid polymer electrolyte fuel cell configured to have a small transmittance has been proposed (JP-A-11-1).
No. 54523). According to this technique, for example, as shown in FIG. 13, a portion 25 of the gas diffusion layer 4 of the cathode 6 near the gas supply port 19 side has a smaller gas diffusivity than a portion 26 near the gas discharge port 22 side. I have it. 27 indicates an oxidant gas flow, and 28 indicates a fuel gas flow. The gas diffusivity is adjusted by changing the thickness and porosity of the diffusion layer 4. Specifically, a portion 25 near the gas supply port 19 side has a reduced porosity or a large thickness to reduce gas diffusivity, and a portion 26 near the gas discharge port 22 side has a reduced porosity. The gas diffusion is increased by increasing the thickness or reducing the thickness.
【００１０】[0010]
【発明が解決しようとする課題】前記技術によると、供
給ガスのガス供給口１９側に近い部分２５のガス拡散層
のガス拡散性が低いので、この部分２５に対応する固体
高分子電解質膜１の乾燥を抑えることはできるが、電極
反応において濃度分極が大きくなり、その結果、電池出
力が低下する問題があった。According to the above technology, the gas diffusion layer in the portion 25 near the gas supply port 19 side of the supply gas has low gas diffusivity. Can suppress the drying of the solution, but there is a problem that the concentration polarization increases in the electrode reaction, and as a result, the battery output decreases.
【００１１】本発明の目的は、ガスの供給口付近におけ
る高分子固体電解質膜の乾燥を防止するとともに、燃料
ガスや酸化剤ガスの排出口付近での水蒸気の凝縮に伴う
ガスの拡散阻害を防止し、安定して運転ができるととも
に、良好な出力特性が得られる固体高分子型燃料電池を
提供することである。An object of the present invention is to prevent drying of a polymer solid electrolyte membrane near a gas supply port and prevent gas diffusion inhibition due to condensation of water vapor near a fuel gas or oxidant gas discharge port. Another object of the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell that can operate stably and obtain good output characteristics.
【００１２】[0012]
【課題を解決するための手段】本発明者等は従来の問題
を解決するために鋭意研究した結果、燃料ガスや酸化剤
ガスの供給口付近と排出口付近とでは、反応の結果生じ
る水やアノード側からカソード側へ移行する水に起因す
る水蒸気の分圧が必ず異なるため、それぞれの場所に応
じた保水性を有する電極が必要となることを見いだし、
例えば、固体高分子電解質膜の両面にアノードおよびカ
ソードを配置した電極の前記カソードを触媒層、導電性
多孔材からなるガス拡散層およびこれらの間に配置され
るカーボン材料を主成分とする撥水性混合物層からなる
構成とするとともに、前記カソードの酸化剤ガス供給口
に近い部分における前記混合物層中のカーボン材料の比
表面積が、酸化剤ガス排出口に近い部分の前記混合物層
中のカーボン材料の比表面積より小さくすることによ
り、あるいは、例えば、前記カソードの酸化剤ガス供給
口に近い部分が、酸化剤ガス排出口に近い部分よりも高
い撥水性を有するようにすることにより、課題を解決で
きることを見いだし、本発明を成すに到った。Means for Solving the Problems The inventors of the present invention have conducted intensive studies to solve the conventional problems, and as a result, it has been found that water and water generated as a result of the reaction are located near the supply port and the discharge port of the fuel gas or the oxidizing gas. Since the partial pressure of water vapor caused by water moving from the anode side to the cathode side is always different, it was found that an electrode having a water retention capacity corresponding to each place was required,
For example, the cathode in which an anode and a cathode are arranged on both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane is used as a catalyst layer, a gas diffusion layer made of a conductive porous material, and a water repellent mainly composed of a carbon material interposed therebetween. With the configuration consisting of a mixture layer, the specific surface area of the carbon material in the mixture layer in the portion near the oxidant gas supply port of the cathode, the carbon material in the mixture layer in the portion near the oxidant gas discharge port The problem can be solved by making the specific surface area smaller than the specific surface area, or by, for example, making the portion near the oxidizing gas supply port of the cathode have higher water repellency than the portion near the oxidizing gas discharge port. The present invention has been found, and the present invention has been accomplished.
【００１３】本発明の請求項１の固体高分子型燃料電池
は、固体高分子電解質膜の両面にアノードおよびカソー
ドを配置し、前記カソードが固体高分子電解質膜側に設
けた触媒層、導電性多孔材からなるガス拡散層およびこ
れらの間に配置されるカーボン材料を主成分とする撥水
性混合物層からなる単セルを備えた固体高分子型燃料電
池において、前記カソードの酸化剤ガス供給口に近い部
分における前記混合物層中のカーボン材料の比表面積
が、酸化剤ガス排出口に近い部分の前記混合物層中のカ
ーボン材料の比表面積より小さいことを特徴とする。According to a first aspect of the present invention, there is provided a solid polymer electrolyte fuel cell having an anode and a cathode disposed on both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane, wherein the cathode is provided on a side of the solid polymer electrolyte membrane. In a polymer electrolyte fuel cell including a gas diffusion layer composed of a porous material and a single cell composed of a water-repellent mixture layer containing a carbon material as a main component disposed therebetween, the oxidant gas supply port of the cathode is provided. The specific surface area of the carbon material in the mixture layer in a portion close to the oxidizing gas outlet is smaller than the specific surface area of the carbon material in the mixture layer in a portion close to the oxidizing gas discharge port.
【００１４】本発明の請求項２の固体高分子型燃料電池
は、固体高分子電解質膜の両面にアノードおよびカソー
ドを配置し、前記カソードが固体高分子電解質膜側に設
けた触媒層、導電性多孔材からなるガス拡散層およびこ
れらの間に配置されるカーボン材料を主成分とする撥水
性混合物層からなる単セルを備えた固体高分子型燃料電
池において、前記混合物層の酸化剤ガス供給口に近い部
分が、酸化剤ガス排出口に近い部分よりも高い撥水性を
有することを特徴とする。According to a second aspect of the present invention, there is provided a solid polymer electrolyte fuel cell comprising an anode and a cathode disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, wherein the cathode is a catalyst layer provided on the solid polymer electrolyte membrane side; In a polymer electrolyte fuel cell including a gas diffusion layer made of a porous material and a single cell made of a water-repellent mixture layer containing a carbon material as a main component, an oxidizing gas supply port of the mixture layer Is characterized by having higher water repellency than the portion near the oxidant gas outlet.
【００１５】本発明の請求項３の固体高分子型燃料電池
は、固体高分子電解質膜の両面にアノードおよびカソー
ドを配置し、前記カソードが固体高分子電解質膜側に設
けた触媒層、導電性多孔材からなるガス拡散層およびこ
れらの間に配置されるカーボン材料を主成分とする撥水
性混合物層からなる単セルを備えた固体高分子型燃料電
池において、前記カソードの酸化剤ガス供給口に近い部
分における前記混合物層中のカーボン材料の比表面積
が、酸化剤ガス排出口に近い部分の前記混合物層中のカ
ーボン材料の比表面積より小さく、かつ比表面積が小さ
いカーボン材料を有する混合物層側の撥水性が、比表面
積が大きいカーボン材料を有する混合物層側の撥水性よ
りも高いことを特徴とする。According to a third aspect of the present invention, there is provided a solid polymer electrolyte fuel cell having an anode and a cathode disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, wherein the cathode has a catalyst layer provided on the solid polymer electrolyte membrane side. In a polymer electrolyte fuel cell including a gas diffusion layer composed of a porous material and a single cell composed of a water-repellent mixture layer containing a carbon material as a main component disposed therebetween, the oxidant gas supply port of the cathode is provided. The specific surface area of the carbon material in the mixture layer in the near portion is smaller than the specific surface area of the carbon material in the mixture layer in the portion near the oxidizing gas discharge port, and the specific surface area of the mixture layer side having the small carbon material is smaller. The water repellency is higher than the water repellency of the mixture layer side having the carbon material having a large specific surface area.
【００１６】本発明の請求項４の固体高分子型燃料電池
は、請求項２あるいは請求項３記載の固体高分子型燃料
電池において、前記混合物層中において最も撥水性が高
い部分の撥水材の含有量が６０質量％以下であることを
特徴とする。According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a polymer electrolyte fuel cell according to the second or third aspect, wherein the portion of the mixture layer having the highest water repellency is the water repellent material. Is not more than 60% by mass.
【００１７】本発明の請求項５の固体高分子型燃料電池
は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の固体高分
子型燃料電池において、前記カソードの酸化剤ガス供給
口に近い部分における前記混合物層中のカーボン材料の
比表面積が、カーボン担体に担持した触媒から形成され
るカソード触媒層の前記カーボン担体の比表面積より小
さいことを特徴とする。According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a polymer electrolyte fuel cell according to any one of the first to fourth aspects, wherein the portion of the cathode near the oxidant gas supply port is provided. Wherein the specific surface area of the carbon material in the mixture layer is smaller than the specific surface area of the carbon support of the cathode catalyst layer formed from the catalyst supported on the carbon support.
【００１８】本発明の請求項６の固体高分子型燃料電池
は、請求項１から請求項５のいずれかに記載の固体高分
子型燃料電池において、前記カソードの酸化剤ガス排出
口に近い部分における前記混合物層中のカーボン材料の
比表面積が、カーボン担体に担持した触媒から形成され
るカソード触媒層の前記カーボン担体の比表面積より大
きいことを特徴とする。According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a polymer electrolyte fuel cell according to any one of the first to fifth aspects, wherein a portion of the cathode near the oxidant gas outlet of the cathode is provided. Wherein the specific surface area of the carbon material in the mixture layer is larger than the specific surface area of the carbon support in the cathode catalyst layer formed from the catalyst supported on the carbon support.
【００１９】本発明の請求項７の固体高分子型燃料電池
は、請求項２から請求項６のいずれかに記載の固体高分
子型燃料電池において、前記カソードを構成する導電性
多孔材からなるガス拡散層の酸化剤ガス供給口に近い部
分が、酸化剤ガス排出口に近い部分よりも低い撥水性を
有することを特徴とする。A polymer electrolyte fuel cell according to a seventh aspect of the present invention is the polymer electrolyte fuel cell according to any one of the second to sixth aspects, comprising a conductive porous material constituting the cathode. A portion of the gas diffusion layer near the oxidant gas supply port has lower water repellency than a portion near the oxidant gas discharge port.
【００２０】本発明の請求項８の固体高分子型燃料電池
は、請求項７記載の固体高分子型燃料電池において、前
記ガス拡散層中において最も撥水性が高い部分の撥水材
の含有量が６０質量％以下であることを特徴とする。The solid polymer fuel cell according to claim 8 of the present invention is the solid polymer fuel cell according to claim 7, wherein the content of the water repellent material in the portion having the highest water repellency in the gas diffusion layer. Is not more than 60% by mass.
【００２１】本発明の請求項９の固体高分子型燃料電池
スタックは、請求項１から請求項３のいずれかに記載の
単セルを複数枚積層して形成される固体高分子型燃料電
池スタックであって、酸化剤ガス供給側がこのスタック
の冷却水供給側に位置することを特徴とする。According to a ninth aspect of the present invention, there is provided a polymer electrolyte fuel cell stack formed by stacking a plurality of single cells according to any one of the first to third aspects. Wherein the oxidant gas supply side is located on the cooling water supply side of the stack.
【００２２】[0022]
【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を図面を
用いて詳細に説明する。図１は、本発明の固体高分子型
燃料電池の単セルの基本構成を示す分解断面図である。
固体高分子電解質膜１の両側の主面にそれぞれ貴金属
（主として白金）を含むカソード側触媒層２およびアノ
ード側触媒層３を接合してセルが構成される。カソード
側触媒層２およびアノード側触媒層３と対向して、それ
ぞれ触媒層側から混合物層３０、ガス拡散層２９が配置
される。これによりそれぞれカソード６およびアノード
７が構成される。これらの混合物層３０、ガス拡散層２
９はそれぞれ酸化剤ガスおよび燃料ガスを通過させると
同時に、電流を外部に伝える働きをする。そして、セル
に面して反応ガス流通用のガス流路８を備え、相対する
主面に冷却水流通用の冷却水流路９を備えた導電性でか
つガス不透過性の材料よりなる一組のセパレータ１０に
より挟持して単セル１１が構成される。Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is an exploded sectional view showing the basic structure of a single cell of a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention.
A cell is formed by joining a cathode-side catalyst layer 2 and an anode-side catalyst layer 3 each containing a noble metal (mainly platinum) to the main surfaces on both sides of the solid polymer electrolyte membrane 1 respectively. A mixture layer 30 and a gas diffusion layer 29 are arranged from the catalyst layer side so as to face the cathode side catalyst layer 2 and the anode side catalyst layer 3, respectively. Thereby, a cathode 6 and an anode 7 are formed, respectively. These mixture layer 30, gas diffusion layer 2
Numeral 9 functions to pass the oxidizing gas and the fuel gas and transmit the electric current to the outside at the same time. A set of a conductive and gas-impermeable material having a gas flow path 8 for reactant gas flow facing the cell and a cooling water flow path 9 for cooling water flow on the opposite main surface. A single cell 11 is constituted by being sandwiched by the separators 10.
【００２３】そして、前記の図１１に示したように、多
数の単セル１１を積層し、集電板１２、電気絶縁と熱絶
縁を目的とする絶縁板１３ならびに荷重を加えて積層状
態を保持するための締付板１４によって挟持し、ボルト
１５とナット１７により締め付けられて本発明の固体高
分子型燃料電池スタックが形成される。締め付け荷重
は、皿バネ１６により加えられている。Then, as shown in FIG. 11, a large number of single cells 11 are stacked, a current collecting plate 12, an insulating plate 13 for electric and thermal insulation, and a load are applied to maintain the stacked state. The solid polymer type fuel cell stack of the present invention is formed by being clamped by the tightening plate 14 and tightened by the bolt 15 and the nut 17. The tightening load is applied by a disc spring 16.
【００２４】図２は、下記の方法により作製した単セル
へ供給される酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却水のフロ
ーを模式的に示す説明図であり、図３は、同単セルの酸
化剤ガス供給口に近い部分（カーボン粉末の比表面積が
小さい側）と酸化剤ガス排出口に近い部分（カーボン粉
末の比表面積が大きい側）を模式的に示す説明図であ
る。FIG. 2 is an explanatory view schematically showing flows of an oxidizing gas, a fuel gas and cooling water supplied to a single cell produced by the following method. FIG. It is explanatory drawing which shows typically the part near the gas supply port (the side where the specific surface area of carbon powder is small), and the part near the oxidant gas discharge port (the side where the specific surface area of carbon powder is large).
【００２５】（１）単セルの製造例（実施例１）： ガス拡散層２９として用いるカーボンペーパー（ＴＧ
Ｐ−Ｈ０６０、東レ社製）を所定寸法にカットする。 このカーボンペーパーを、水を混合して比重調整を行
ったＦＥＰデイスパージョンに浸漬し、その後、乾燥
し、３８０℃、１時間熱処理してガス拡散層２９を作製
する。 比表面積７００〜８００ｍ2 ／ｇのカーボンブラック
粉末１０ｇと６０質量％ポリテトラフルオロエチレン
（ＰＴＦＥ）デイスパージョン１６．７ｇを、数ｃｃの
界面活性剤を添加したテルピオネールを分散剤として混
合し、ペーストを作製する。 比表面積１００〜１５０ｍ2 ／ｇのカーボンブラック
粉末１０ｇと６０質量％ポリテトラフルオロエチレン
（ＰＴＦＥ）デイスパージョン１６．７ｇを、数ｃｃの
界面活性剤を添加したテルピオネールを分散剤として混
合し、ペーストを作製する。(1) Production Example of Single Cell (Example 1): Carbon paper (TG used as the gas diffusion layer 29)
(P-H060, manufactured by Toray Industries, Inc.) to a predetermined size. The carbon paper is immersed in an FEP dispersion whose specific gravity has been adjusted by mixing water, then dried and heat-treated at 380 ° C. for 1 hour to form a gas diffusion layer 29. 10 g of a carbon black powder having a specific surface area of 700 to 800 m 2 / g and 16.7 g of a 60% by mass polytetrafluoroethylene (PTFE) dispersion were mixed as a dispersant with terpionaire to which several cc of a surfactant was added, Make a paste. 10 g of carbon black powder having a specific surface area of 100 to 150 m 2 / g and 16.7 g of 60% by mass polytetrafluoroethylene (PTFE) dispersion are mixed as a dispersant with terpionaire to which several cc of a surfactant is added, Make a paste.
【００２６】上記で作製したカーボンペーパー上の
カソード６の酸化剤ガス供給口に近い部分２５に対応す
る部分に上記で作製したペーストを塗布し、次いで同
カーボンペーパー上の酸化剤ガス排出口に近い部分２６
に対応する部分に上記で作製したペーストを塗布す
る。 ペーストを塗布したカーボンペーパーを乾燥後、３６
０℃で１時間熱処理して混合物層３０を設けたカソード
６のカーボンペーパー（拡散層２９）を作製する。 上記で熱処理を終了したカーボンペーパーの混合物
層３０の上に白金担持カーボン（担体カーボンの比表面
積２００〜３００ｍ2 ／ｇ）と固体高分子からなる触媒
層２を形成してカソード６を完成させる。 同様の方法で作製したアノード７と上記で得たカソ
ード６を固体高分子電解質膜１（Ｎａｆｉｏｎ１１２）
の両面に配置し、ホットプレスすることにより電極／高
分子膜接合体を作製し、この電極／高分子膜接合体を一
組のセパレータ１０により挟持して単セル１１を作製す
る。The paste prepared above is applied to a portion corresponding to the portion 25 near the oxidizing gas supply port of the cathode 6 on the carbon paper prepared above, and then close to the oxidizing gas discharge port on the carbon paper. Part 26
Is applied to a portion corresponding to the above. After drying the carbon paper coated with the paste, 36
Heat treatment is performed at 0 ° C. for 1 hour to prepare carbon paper (diffusion layer 29) for cathode 6 provided with mixture layer 30. The catalyst layer 2 made of platinum-supported carbon (specific surface area of the support carbon: 200 to 300 m 2 / g) and a solid polymer is formed on the mixture layer 30 of the carbon paper on which the heat treatment has been completed, thereby completing the cathode 6. The anode 7 prepared in the same manner and the cathode 6 obtained above are connected to the solid polymer electrolyte membrane 1 (Nafion 112).
The electrode / polymer membrane assembly is manufactured by hot-pressing, and the electrode / polymer membrane assembly is sandwiched by a pair of separators 10 to manufacture a single cell 11.
【００２７】上記のようにして作製した単セル１１を４
セル積層して固体高分子型燃料電池スタックを作り、図
２に示すようなフローとなるように酸化剤ガス、燃料ガ
スおよび冷却水を供給し、運転試験を行った。縦軸に平
均セル電圧（ｍＶ）、横軸に電流密度（Ａｍｐ／ｃｍ
2 ）をとって試験結果を図４に示す。また、燃料電池ス
タックに供給する酸化剤ガスの加湿温度を変化させて、
運転試験を行った。縦軸に平均セル電圧（ｍＶ）、横軸
に空気加湿温度（℃）をとって試験結果を図５に示す。The unit cell 11 manufactured as described above is
The cells were stacked to form a polymer electrolyte fuel cell stack, and an operation test was performed by supplying an oxidizing gas, a fuel gas, and cooling water so as to have a flow as shown in FIG. The vertical axis represents the average cell voltage (mV), and the horizontal axis represents the current density (Amp / cm).
FIG. 4 shows the test results based on 2 ). Also, by changing the humidifying temperature of the oxidizing gas supplied to the fuel cell stack,
An operation test was performed. The test results are shown in FIG. 5 with the average cell voltage (mV) on the vertical axis and the air humidification temperature (° C.) on the horizontal axis.
【００２８】（２）単セルの製造例（実施例２）：上記
において６０質量％ポリテトラフルオロエチレン（Ｐ
ＴＦＥ）デイスパージョンを１６．７ｇ用いる替わりに
７．０ｇ用いてペーストを作製した以外は実施例１と同
様にして単セル１１を作製し、実施例１と同様にして運
転試験を行った試験結果を図４に示す。また、実施例１
と同様にして燃料電池スタックに供給する酸化剤ガスの
加湿温度を変化させて、運転試験を行った試験結果を図
５に示す。(2) Production Example of Single Cell (Example 2): 60% by mass of polytetrafluoroethylene (P
TFE) A test in which a single cell 11 was produced in the same manner as in Example 1 except that a paste was produced using 7.0 g instead of using 16.7 g of the dispersion, and an operation test was conducted in the same manner as in Example 1. FIG. 4 shows the results. Example 1
FIG. 5 shows test results obtained by performing an operation test by changing the humidification temperature of the oxidizing gas supplied to the fuel cell stack in the same manner as described above.
【００２９】（３）単セルの製造例（実施例３）：上記
において比表面積７００〜８００ｍ2 ／ｇのカーボン
ブラック粉末を用いる替わりに、比表面積２００〜３０
０ｍ2 ／ｇのカーボンブラック粉末を用いた以外は実施
例１と同様にして単セル１１を作製し、実施例１と同様
にして運転試験を行った試験結果を図４に示す。また、
実施例１と同様にして燃料電池スタックに供給する酸化
剤ガスの加湿温度を変化させて、運転試験を行った試験
結果を図５に示す。(3) Production Example of Single Cell (Example 3): Instead of using carbon black powder having a specific surface area of 700 to 800 m 2 / g in the above, a specific surface area of 200 to 30 was used.
A single cell 11 was prepared in the same manner as in Example 1 except that 0 m 2 / g of carbon black powder was used, and an operation test was performed in the same manner as in Example 1. FIG. Also,
FIG. 5 shows test results obtained by performing an operation test by changing the humidifying temperature of the oxidizing gas supplied to the fuel cell stack in the same manner as in Example 1.
【００３０】（４）単セルの製造例（実施例４）：上記
において比表面積１００〜１５０ｍ2 ／ｇのカーボン
ブラック粉末を用いる替わりに、比表面積２００〜３０
０ｍ2 ／ｇのカーボンブラック粉末を用いた以外は実施
例１と同様にして単セル１１を作製し、実施例１と同様
にして運転試験を行った試験結果を図４に示す。また、
実施例１と同様にして燃料電池スタックに供給する酸化
剤ガスの加湿温度を変化させて、運転試験を行った試験
結果を図５に示す。(4) Production Example of Single Cell (Example 4): Instead of using carbon black powder having a specific surface area of 100 to 150 m 2 / g in the above, a specific surface area of 200 to 30 was used.
A single cell 11 was prepared in the same manner as in Example 1 except that 0 m 2 / g of carbon black powder was used, and an operation test was performed in the same manner as in Example 1. FIG. Also,
FIG. 5 shows test results obtained by performing an operation test by changing the humidifying temperature of the oxidizing gas supplied to the fuel cell stack in the same manner as in Example 1.
【００３１】（５）単セルの製造例（比較例１）：上記
およびにおいていずれも比表面積２００〜３００ｍ
2 ／ｇのカーボンブラック粉末を用いた以外は実施例１
と同様にして単セル１１を作製し、実施例１と同様にし
て運転試験を行った試験結果を図４に示す。また、実施
例１と同様にして燃料電池スタックに供給する酸化剤ガ
スの加湿温度を変化させて、運転試験を行った試験結果
を図５に示す。(5) Production Example of Single Cell (Comparative Example 1): In each of the above and above, the specific surface area is 200 to 300 m.
Example 1 except that 2 / g of carbon black powder was used.
A single cell 11 was produced in the same manner as described above, and an operation test was conducted in the same manner as in Example 1. FIG. 4 shows test results. Further, FIG. 5 shows test results obtained by performing an operation test by changing the humidification temperature of the oxidizing gas supplied to the fuel cell stack in the same manner as in Example 1.
【００３２】図４から、実施例１〜４のいずれの場合
も、カソード６の混合物層３０中のカーボン材料が同一
組成である比較例１の場合に比べて、同一運転条件にお
いて、良好な出力特性が得られた。また、図５から、実
施例１〜４のいずれの場合も、酸化剤ガスの加湿温度の
変化に伴う出力特性の変化が僅かであるのに対し、比較
例１の場合、加湿温度を高くして湿度を高めた条件で
は、急激に出力特性が低下することがわかった。これら
の結果から、実施例１〜４の燃料電池スタックでは酸化
剤ガスの排出口付近においてガス拡散が阻害されること
を防止でき、同時に供給口付近における固体高分子電解
質膜の乾燥も抑制されたことから、セル内部抵抗が低減
され、その結果良好な出力特性が得られたものと考えら
れる。FIG. 4 shows that in any of Examples 1 to 4, a good output was obtained under the same operating conditions as compared with Comparative Example 1 in which the carbon material in the mixture layer 30 of the cathode 6 had the same composition. Characteristics were obtained. Further, from FIG. 5, in any of Examples 1 to 4, the change in the output characteristics with the change in the humidification temperature of the oxidizing gas was slight, whereas in Comparative Example 1, the humidification temperature was increased. It was found that the output characteristics suddenly deteriorated under the condition where the humidity was increased. From these results, in the fuel cell stacks of Examples 1 to 4, it was possible to prevent gas diffusion from being inhibited near the outlet of the oxidizing gas, and at the same time, to suppress drying of the solid polymer electrolyte membrane near the supply port. From this, it is considered that the cell internal resistance was reduced, and as a result, good output characteristics were obtained.
【００３３】実施例１〜４の中でも、酸化剤ガスの供給
口に近い部分２５におけるカソード６の混合物層３０中
のカーボン材料の比表面積が１００〜１５０ｍ2 ／ｇ
で、触媒層２を形成するカーボン担体の比表面積２００
〜３００ｍ2 ／ｇより小さく、酸化剤ガス排出口に近い
部分２６におけるカソード６の混合物層３０中のカーボ
ン材料の比表面積が７００〜８００ｍ2 ／ｇで、触媒層
２を形成するカーボン担体の比表面積２００〜３００ｍ
2 ／ｇより大きく、かつ、酸化剤ガスの供給口に近い部
分２５におけるカソード６の混合物層３０中の撥水材
（ＰＴＦＥ）の含有量を、酸化剤ガス排出口に近い部分
２６の混合物層３０中の撥水材（ＰＴＦＥ）の含有量よ
り大きくして、カソード６の酸化剤ガス供給口に近い部
分２５が、酸化剤ガス排出口に近い部分よりも高い撥水
性を有するようにした実施例２の場合に最も良好な結果
が得られた。In Examples 1 to 4, the specific surface area of the carbon material in the mixture layer 30 of the cathode 6 in the portion 25 near the oxidant gas supply port is 100 to 150 m 2 / g.
The specific surface area of the carbon carrier forming the catalyst layer 2 is 200
~300m 2 / g smaller than the ratio of a specific surface area of of 700-800m 2 / g of the carbon material in the mixture layer 30 of the cathode 6 in the portion 26 closer to the oxidant gas discharge port, the carbon support to form the catalyst layer 2 Surface area 200-300m
The content of the water-repellent material (PTFE) in the mixture layer 30 of the cathode 6 in the portion 25 which is larger than 2 / g and near the oxidant gas supply port is reduced by the mixture layer in the portion 26 near the oxidant gas discharge port. An embodiment in which the content 25 of the water repellent material (PTFE) in the cathode 30 is made larger so that the portion 25 of the cathode 6 near the oxidant gas supply port has higher water repellency than the portion near the oxidant gas discharge port. The best results were obtained with Example 2.
【００３４】酸化剤ガスの供給口に近い部分２５におけ
るカソード６の混合物層３０中のカーボン材料の比表面
積が小さくなると、カーボン材料粒子により形成される
細孔部の毛細管力による水吸収能力が低下する。このた
めカソード６での電極反応により生成される反応生成水
およびアノード７から移動する移動水が混合物層３０中
を移動しにくくなり、ガス流路８側へ放散されにくくな
る。この結果、酸化剤ガスの供給口付近における固体高
分子電解質膜１の乾燥が抑制され、出力特性を向上でき
るものと考えられる。When the specific surface area of the carbon material in the mixture layer 30 of the cathode 6 in the portion 25 near the oxidant gas supply port is reduced, the water absorption capacity of the pores formed by the carbon material particles due to the capillary force is reduced. I do. Therefore, the reaction water generated by the electrode reaction at the cathode 6 and the moving water moving from the anode 7 are less likely to move in the mixture layer 30 and are less likely to be diffused to the gas flow channel 8 side. As a result, it is considered that the drying of the solid polymer electrolyte membrane 1 near the supply port of the oxidizing gas is suppressed, and the output characteristics can be improved.
【００３５】また、酸化剤ガスの供給口に近い部分２５
の混合物層３０中の撥水材（ＰＴＦＥ）の含有量より大
きくして、撥水性を高くすると、反応生成水および移動
水の移動が混合物層３０でブロックされ、触媒層２の湿
潤状態が維持されるために、その結果として酸化剤ガス
の供給口付近における固体高分子電解質膜１の乾燥が抑
制され、出力特性を向上できたものと考えられる。The portion 25 near the oxidant gas supply port is also provided.
When the water repellency is increased by increasing the content of the water repellent material (PTFE) in the mixture layer 30, the movement of the reaction product water and the moving water is blocked by the mixture layer 30, and the wet state of the catalyst layer 2 is maintained. Therefore, it is considered that as a result, drying of the solid polymer electrolyte membrane 1 near the supply port of the oxidizing gas was suppressed, and the output characteristics were improved.
【００３６】また、酸化剤ガスの排出口に近い部分２６
においては、カソード６の混合物層３０中のカーボン材
料の比表面積を大きくすることにより、カーボン材料粒
子により形成される細孔部の毛細管力による水吸収能力
が増大する。このため反応生成水および移動水が混合物
層３０中を移動しやすくなり、酸化剤ガス中に放散され
やすくなるために、その結果として酸化剤ガスの排出口
付近に近い部分２６において触媒層２での過度の水滞留
によるガス拡散性低下を低減できたために、出力特性を
向上できるものと考えられる。Further, a portion 26 close to the outlet of the oxidizing gas
In the case of (2), by increasing the specific surface area of the carbon material in the mixture layer 30 of the cathode 6, the water absorbing ability of the pores formed by the carbon material particles by the capillary force is increased. For this reason, the reaction product water and the transfer water easily move in the mixture layer 30 and are easily diffused into the oxidizing gas. As a result, in the catalyst layer 2 at the portion 26 near the outlet of the oxidizing gas. It is considered that the output characteristics can be improved because the decrease in gas diffusivity due to excessive water retention was reduced.
【００３７】また、酸化剤ガスの排出口に近い部分２５
の混合物層３０中の撥水材（ＰＴＦＥ）の含有量をより
小さくして、撥水性を低くすると、反応生成水および移
動水が混合物層３０中を移動しやすくなり、酸化剤ガス
中に放散されやすくなるために、その結果として酸化剤
ガスの排出口付近に近い部分２６において触媒層２での
過度の水滞留によるガス拡散性低下を低減できたため
に、出力特性を向上できるものと考えられる。Further, a portion 25 close to the outlet of the oxidizing gas
When the content of the water repellent material (PTFE) in the mixture layer 30 is made smaller and the water repellency is lowered, the reaction product water and the moving water easily move in the mixture layer 30 and diffuse into the oxidizing gas. As a result, it is considered that the output characteristic can be improved because a decrease in gas diffusivity due to excessive water stagnation in the catalyst layer 2 can be reduced in the portion 26 near the outlet of the oxidizing gas as a result. .
【００３８】上記のように単セル１１を４セル積層して
作製した実施例１〜４の固体高分子型燃料電池スタック
は、図２に示すように酸化剤ガス供給側がこのスタック
の冷却水供給側に位置するようになっている。一般に固
体高分子型燃料電池スタックにおいては、電極反応によ
り発生した反応熱を電池外に搬出し、電池スタック温度
を一定に保つため冷却水を図２に示すように固体高分子
型燃料電池スタックに供給する。スタックの冷却水供給
では、冷却水温度が電池温度より低めに設定されるた
め、一つのスタック内では冷却水供給側の温度が最も低
くなる。このため、このスタックの冷却水供給側に酸化
剤ガス供給側が位置するように配置することにより、酸
化剤ガスの温度上昇を抑えることができ、酸化剤ガス中
へ水が放散されにくくなるために、酸化剤ガスの供給側
付近における高分子固体電解質膜１の乾燥が防止され、
出力特性を向上できる。As shown in FIG. 2, the polymer electrolyte fuel cell stacks of Examples 1 to 4 in which four single cells 11 were stacked as described above, the oxidizing gas supply side provided the cooling water supply of this stack. It is located on the side. Generally, in a polymer electrolyte fuel cell stack, the reaction heat generated by the electrode reaction is carried out of the cell, and cooling water is supplied to the polymer electrolyte fuel cell stack as shown in FIG. 2 in order to keep the cell stack temperature constant. Supply. In the supply of cooling water to the stack, the temperature of the cooling water is set lower than the battery temperature, so that the temperature of the cooling water supply side in one stack is the lowest. For this reason, by arranging the stack so that the oxidizing gas supply side is located on the cooling water supply side, the temperature rise of the oxidizing gas can be suppressed, and water is not easily diffused into the oxidizing gas. The drying of the solid polymer electrolyte membrane 1 near the supply side of the oxidizing gas is prevented,
Output characteristics can be improved.
【００３９】図６は、下記の方法により作製した単セル
へ供給される酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却水のフロ
ーを模式的に示す説明図であり、図７は、同単セルの酸
化剤ガス供給口に近い部分（撥水材の含有量が高い側）
と酸化剤ガス排出口に近い部分（撥水材の含有量が低い
側）を模式的に示す説明図である。FIG. 6 is an explanatory view schematically showing the flow of the oxidizing gas, the fuel gas and the cooling water supplied to the single cell produced by the following method. FIG. Portion close to gas supply port (side with high water-repellent material content)
FIG. 5 is an explanatory view schematically showing a portion near the oxidant gas discharge port (on the side where the content of the water-repellent material is low).
【００４０】（６）単セルの製造例（実施例５）： ガス拡散層２９として用いるカーボンペーパー（ＴＧ
Ｐ−Ｈ０６０、東レ社製）を所定寸法にカットする。 このカーボンペーパーを、水を混合して比重調整を行
ったＦＥＰデイスパージョンに浸漬し、その後、乾燥
し、３８０℃、１時間熱処理してガス拡散層２９を作製
する。 比表面積２００〜３００ｍ2 ／ｇのカーボンブラック
粉末１０ｇと６０質量％ポリテトラフルオロエチレン
（ＰＴＦＥ）デイスパージョン７．０ｇを、テルピネオ
ールを分散剤として混合し、数ｃｃの界面活性剤を添加
した後再度混合し、ペーストを作製する。 比表面積２００〜３００ｍ2 ／ｇのカーボンブラック
粉末１０ｇと６０質量％ポリテトラフルオロエチレン
（ＰＴＦＥ）デイスパージョン１６．７ｇを、テルピネ
オールを分散剤として混合し、数ｃｃの界面活性剤を添
加した後再度混合し、ペーストを作製する。(6) Production Example of Single Cell (Example 5): Carbon paper (TG used as the gas diffusion layer 29)
(P-H060, manufactured by Toray Industries, Inc.) to a predetermined size. The carbon paper is immersed in an FEP dispersion whose specific gravity has been adjusted by mixing water, then dried and heat-treated at 380 ° C. for 1 hour to form a gas diffusion layer 29. After mixing 10 g of carbon black powder having a specific surface area of 200 to 300 m 2 / g and 7.0 g of 60% by mass polytetrafluoroethylene (PTFE) dispersion with terpineol as a dispersant, and adding several cc of a surfactant, Mix again to make a paste. After mixing 10 g of carbon black powder having a specific surface area of 200 to 300 m 2 / g and 16.7 g of 60% by mass polytetrafluoroethylene (PTFE) dispersion with terpineol as a dispersant, and adding several cc of a surfactant, Mix again to make a paste.
【００４１】上記で作製したカーボンペーパー上の
カソード６の酸化剤ガス供給口に近い部分２５に対応す
る部分に上記で作製したペーストを塗布し、次いで同
カーボンペーパー上の酸化剤ガス排出口に近い部分２６
に対応する部分に上記で作製したペーストを塗布す
る。 ペーストを塗布したカーボンペーパーを乾燥後、３６
０℃で１時間熱処理して混合物層３０を設けたカソード
６のカーボンペーパー（拡散層２９）を作製する。 上記で熱処理を終了したカーボンペーパーの混合物
層３０の上に白金担持カーボン（担体カーボンの比表面
積２００〜３００ｍ2 ／ｇ）と固体高分子からなる触媒
層２を形成してカソード６を完成させる。 同様の方法で作製したアノード７と上記で得たカソ
ード６を固体高分子電解質膜１（Ｎａｆｉｏｎ１１２）
の両面に配置し、ホットプレスすることにより電極／高
分子膜接合体を作製し、この電極／高分子膜接合体を一
組のセパレータ１０により挟持して単セル１１を作製す
る。The paste prepared as described above is applied to a portion corresponding to a portion 25 of the cathode 6 near the oxidant gas supply port on the carbon paper prepared above, and then close to the oxidant gas discharge port on the carbon paper. Part 26
Is applied to a portion corresponding to the above. After drying the carbon paper coated with the paste, 36
Heat treatment is performed at 0 ° C. for 1 hour to prepare carbon paper (diffusion layer 29) for cathode 6 provided with mixture layer 30. The catalyst layer 2 made of platinum-supported carbon (specific surface area of the support carbon: 200 to 300 m 2 / g) and a solid polymer is formed on the mixture layer 30 of the carbon paper on which the heat treatment has been completed, thereby completing the cathode 6. The anode 7 prepared in the same manner and the cathode 6 obtained above are connected to the solid polymer electrolyte membrane 1 (Nafion 112).
The electrode / polymer membrane assembly is manufactured by hot-pressing, and the electrode / polymer membrane assembly is sandwiched by a pair of separators 10 to manufacture a single cell 11.
【００４２】上記のようにして作製した単セル１１を４
セル積層して固体高分子型燃料電池スタックを作り、図
６に示すようなフローとなるように酸化剤ガス、燃料ガ
スおよび冷却水を供給し、運転試験を行った。縦軸に平
均セル電圧（ｍＶ）、横軸に電流密度（Ａｍｐ／ｃｍ
2 ）をとって試験結果を図８に示す。また、燃料電池ス
タックに供給する酸化剤ガスの加湿温度を変化させて、
運転試験を行った。縦軸に平均セル電圧（ｍＶ）、横軸
に空気加湿温度（℃）をとって試験結果を図９に示す。The unit cell 11 manufactured as described above
The cells were stacked to form a polymer electrolyte fuel cell stack, and an oxidizing gas, a fuel gas, and cooling water were supplied so as to have a flow as shown in FIG. 6, and an operation test was performed. The vertical axis represents the average cell voltage (mV), and the horizontal axis represents the current density (Amp / cm).
FIG. 8 shows the test results based on 2 ). Also, by changing the humidifying temperature of the oxidizing gas supplied to the fuel cell stack,
An operation test was performed. The test results are shown in FIG. 9 with the average cell voltage (mV) on the vertical axis and the air humidification temperature (° C.) on the horizontal axis.
【００４３】（７）単セルの製造例（実施例６）：実施
例５のにおいて、実施例５ので作製したカーボンペ
ーパーを、水を混合して比重調整を行ったＦＥＰデイス
パージョンに浸漬し、その後、乾燥し、そして乾燥した
カーボンペーパー上のカソード６の酸化剤ガス排出口に
近い部分２６（全体の約５０％）だけを再度、ＦＥＰデ
イスパージョンに浸漬し、その後、乾燥した後、３８０
℃、１時間熱処理してガス拡散層２９を作製した。その
結果、得られたガス拡散層２９の酸化剤ガスの供給口に
近い部分２５におけるＦＥＰ含有量が２０質量％、酸化
剤ガス排出口に近い部分２６におけるＦＥＰ含有量が５
０質量％に調整されたガス拡散層２９が得られた。この
ようにして作製したガス拡散層２９を用いた以外は実施
例５と同様にして単セル１１を作製し、実施例５と同様
にして運転試験を行った試験結果を図８に示す。また、
実施例１と同様にして燃料電池スタックに供給する酸化
剤ガスの加湿温度を変化させて、運転試験を行った試験
結果を図９に示す。(7) Production Example of Single Cell (Example 6): In Example 5, the carbon paper produced in Example 5 was immersed in an FEP dispersion prepared by mixing water and adjusting the specific gravity. After that, only the portion 26 (about 50% of the total) near the oxidant gas outlet of the cathode 6 on the dried carbon paper is dipped again in the FEP dispersion and then dried, 380
The gas diffusion layer 29 was formed by performing heat treatment at 1 ° C. for 1 hour. As a result, the FEP content in the portion 25 near the oxidant gas supply port of the obtained gas diffusion layer 29 is 20% by mass, and the FEP content in the portion 26 near the oxidant gas discharge port is 5%.
The gas diffusion layer 29 adjusted to 0% by mass was obtained. A single cell 11 was manufactured in the same manner as in Example 5 except that the gas diffusion layer 29 manufactured in this manner was used, and an operation test was performed in the same manner as in Example 5. FIG. Also,
FIG. 9 shows test results obtained by performing an operation test by changing the humidifying temperature of the oxidizing gas supplied to the fuel cell stack in the same manner as in Example 1.
【００４４】図８から、実施例５〜６のいずれの場合
も、カソード６の混合物層３０中の撥水材の含有量が同
一で、カソード６の酸化剤ガス供給口に近い部分２５の
撥水性と、酸化剤ガス排出口に近い部分２６の撥水性と
が同一である比較例１の場合に比べて、同一運転条件に
おいて、良好な出力特性が得られた。また、図９から、
実施例５〜６のいずれの場合も、酸化剤ガスの加湿温度
の変化に伴う出力特性の変化が僅かであるのに対し、比
較例１の場合、加湿温度を高くして湿度を高めた条件で
は、急激に出力特性が低下することがわかった。これら
の結果から、実施例５〜６の燃料電池スタックでは酸化
剤ガスの排出口付近においてガス拡散が阻害されること
を抑制でき、同時に供給口付近における固体高分子電解
質膜の乾燥も抑制されたことから、セル内部抵抗が低減
され、その結果良好な出力特性が得られたものと考えら
れる。As shown in FIG. 8, in all of Examples 5 to 6, the content of the water repellent material in the mixture layer 30 of the cathode 6 is the same, and the repellency of the portion 25 close to the oxidizing gas supply port of the cathode 6 is obtained. Under the same operating conditions, better output characteristics were obtained than in Comparative Example 1 in which the water and the water repellency of the portion 26 near the oxidizing gas discharge port were the same. Also, from FIG.
In any of Examples 5 to 6, the change in the output characteristics due to the change in the humidification temperature of the oxidizing gas was slight, whereas in the case of Comparative Example 1, the humidification temperature was increased to increase the humidity. It was found that the output characteristics suddenly deteriorated. From these results, in the fuel cell stacks of Examples 5 to 6, it was possible to suppress gas diffusion from being inhibited near the outlet of the oxidizing gas, and at the same time, to suppress drying of the solid polymer electrolyte membrane near the supply port. From this, it is considered that the cell internal resistance was reduced, and as a result, good output characteristics were obtained.
【００４５】実施例５〜６の中でも、カソード６の混合
物層３０の酸化剤ガス供給口に近い部分２５の撥水性
を、酸化剤ガス排出口に近い部分２６の撥水性より高く
するとともに、カソード６のガス拡散層２９の酸化剤ガ
ス供給口に近い部分２５の撥水材の含有量を低くしてそ
の撥水性を、撥水材の含有量を高くした酸化剤ガス排出
口に近い部分２６の撥水性より低くした実施例６の場合
に最も良好な結果が得られた。In Examples 5 and 6, the water repellency of the portion 25 near the oxidizing gas supply port of the mixture layer 30 of the cathode 6 is made higher than the water repellency of the portion 26 near the oxidizing gas discharge port. In the gas diffusion layer 29, the portion 25 close to the oxidizing gas supply port is reduced in the water repellent content to reduce the water repellency, and the portion 26 close to the oxidizing gas outlet in which the content of the water repellent material is increased. In the case of Example 6 in which the water repellency was lower than that of Example 6, the best results were obtained.
【００４６】酸化剤ガスの供給口に近い部分２５におけ
るカソード６の混合物層３０中の撥水材（ＰＴＦＥ）の
含有量より増加させ、撥水性を高めると、反応生成水お
よび移動水の混合物層３０中での移動がブロックされ、
触媒層２の湿潤状態が維持されるために、その結果とし
て酸化剤ガスの供給口に近い部分における固体高分子電
解質膜１の乾燥が抑制され、出力特性を向上できるもの
と考えられる。When the content of the water repellent material (PTFE) in the mixture layer 30 of the cathode 6 in the portion 25 near the oxidant gas supply port is increased to increase the water repellency, a mixture layer of the reaction product water and the moving water is obtained. Movement within 30 is blocked,
It is considered that since the wet state of the catalyst layer 2 is maintained, as a result, the drying of the solid polymer electrolyte membrane 1 in a portion near the supply port of the oxidizing gas is suppressed, and the output characteristics can be improved.
【００４７】また、酸化剤ガスの排出口に近い部分２６
の混合物層３０中の撥水材（ＰＴＦＥ）の含有量より小
さくして、撥水性を低くすると、反応生成水および移動
水の混合物層３０中を移動しやすくなり、酸化剤ガス中
に放散されやすくなるため、その結果として酸化剤ガス
の排出口に近い部分２６において触媒層２での過度の水
滞留によるガス拡散性低下を低減できたために、出力特
性を向上できるものと考えられる。Further, a portion 26 close to the outlet of the oxidizing gas
When the water repellency is reduced by making the content of the water repellent material (PTFE) smaller than the content of the water repellent material (PTFE) in the mixture layer 30, the reaction product water and the moving water easily move in the mixture layer 30, and are diffused into the oxidizing gas. As a result, it is considered that a decrease in gas diffusivity due to excessive water stagnation in the catalyst layer 2 in the portion 26 close to the outlet of the oxidizing gas can be reduced, so that output characteristics can be improved.
【００４８】通常、前記酸化剤ガス供給口に近い部分２
５のガス拡散層２９を形成する導電性多孔材には、この
部分での水の滞留を防止しつつ適度なガス透過性を保持
させるために撥水性を有する材料あるいは母材に撥水処
理を付与したものが使用される。固体高分子電解質膜１
に設けた触媒層２、導電性多孔材からなるガス拡散層２
９およびこれらの間に配置されるカーボン材料を主成分
とする撥水性混合物層３０からなる単セル１１を備えた
本発明の固体高分子型燃料電池においては、カソード６
を構成するガス拡散層２９の導電性多孔材が水排出経路
となり、混合物層３０の保水量を制御する補助的役割を
果たす。そこで、本発明においてはガス拡散層２９の酸
化剤ガス供給口に近い部分２５の撥水性が、酸化剤ガス
排出口に近い部分２６の撥水性よりも低い撥水性を有す
るようにすることにより、混合物層３０に適度の水が保
水され、酸化剤ガスの排出口付近での混合物層３０に過
度の水が保水されることがなくなって水蒸気の凝縮に伴
うガスの透過阻害がより防止され、安定して運転でき、
良好な出力特性が得られる。Usually, the portion 2 close to the oxidizing gas supply port
In the conductive porous material forming the gas diffusion layer 29 of No. 5, a water-repellent material or a base material is subjected to a water-repellent treatment in order to maintain appropriate gas permeability while preventing water from staying in this portion. The one given is used. Solid polymer electrolyte membrane 1
Catalyst layer 2 provided on a gas diffusion layer 2 made of a conductive porous material
In the polymer electrolyte fuel cell of the present invention provided with a single cell 11 comprising a water-repellent mixture layer 30 mainly composed of a carbon material and a carbon material disposed therebetween, the cathode 6
The conductive porous material of the gas diffusion layer 29 that constitutes the above serves as a water discharge path, and plays an auxiliary role of controlling the amount of water retained in the mixture layer 30. Therefore, in the present invention, by making the water repellency of the portion 25 near the oxidant gas supply port of the gas diffusion layer 29 lower than the water repellency of the portion 26 near the oxidant gas discharge port, An appropriate amount of water is retained in the mixture layer 30, and excessive water is not retained in the mixture layer 30 near the outlet of the oxidizing gas. Can drive
Good output characteristics are obtained.
【００４９】また、上記のように単セル１１を４セル積
層して作製した実施例５〜６の固体高分子型燃料電池ス
タックは、図６に示すように酸化剤ガス供給口がこのス
タックの冷却水供給側に位置するようになっている。上
記のようにスタックの冷却水供給では、冷却水温度が電
池温度より低めに設定されるため、一つのスタック内で
は冷却水供給側の温度が最も低くなるため、このスタッ
クの冷却水供給側に酸化剤ガス供給側が位置するように
配置することにより、酸化剤ガスの温度上昇を抑えるこ
とができ、酸化剤ガス中へ水が放散されにくくなるため
に、酸化剤ガスの供給側付近における高分子固体電解質
膜１の乾燥が防止され、出力特性を向上できる。The polymer electrolyte fuel cell stacks of Examples 5 to 6 manufactured by stacking four single cells 11 as described above have an oxidizing gas supply port as shown in FIG. It is located on the cooling water supply side. In the cooling water supply of the stack as described above, since the cooling water temperature is set lower than the battery temperature, the temperature of the cooling water supply side in one stack becomes the lowest, so that the cooling water supply side of this stack is By arranging the oxidizing gas supply side so as to be located, it is possible to suppress a temperature rise of the oxidizing gas, and it is difficult for water to diffuse into the oxidizing gas. Drying of the solid electrolyte membrane 1 is prevented, and output characteristics can be improved.
【００５０】上記実施例の説明は、本発明を説明するた
めのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定
し、或は範囲を減縮するものではない。又、本発明の各
部構成は上記実施例に限らず、特許請求の範囲に記載の
技術的範囲内で種々の変形が可能である。The description of the above embodiments is for the purpose of illustrating the present invention, and is not intended to limit the scope of the invention described in the claims or to limit the scope of the invention. Further, the configuration of each part of the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made within the technical scope described in the claims.
【００５１】[0051]
【発明の効果】本発明の請求項１記載の固体高分子型燃
料電池は、固体高分子電解質膜の両面にアノードおよび
カソードを配置した電極の前記カソードを触媒層、導電
性多孔材からなるガス拡散層およびこれらの間に配置さ
れるカーボン材料を主成分とする撥水性混合物層からな
る構成とするとともに、前記カソードの酸化剤ガス供給
口に近い部分における前記混合物層中のカーボン材料の
比表面積が、酸化剤ガス排出口に近い部分の前記混合物
層中のカーボン材料の比表面積より小さくしたので、ガ
スの供給口付近における高分子固体電解質膜の乾燥が防
止されるとともに、酸化剤ガスの排出口付近での水蒸気
の凝縮に伴うガスの拡散阻害が防止され、安定して運転
でき、良好な出力特性が得られるという顕著な効果を奏
する。According to the first aspect of the present invention, there is provided a solid polymer electrolyte fuel cell comprising a solid polymer electrolyte membrane having an anode and a cathode disposed on both surfaces of the cathode, wherein the cathode is a catalyst layer and a gas comprising a conductive porous material. A diffusion layer and a water-repellent mixture layer containing a carbon material as a main component disposed therebetween; and a specific surface area of the carbon material in the mixture layer in a portion of the cathode near the oxidizing gas supply port. However, since the specific surface area of the carbon material in the mixture layer in the portion near the oxidant gas discharge port is made smaller, the drying of the polymer solid electrolyte membrane near the gas supply port is prevented and the discharge of the oxidant gas is prevented. This has the remarkable effect that gas diffusion inhibition due to condensation of water vapor near the outlet is prevented, stable operation can be performed, and good output characteristics can be obtained.
【００５２】本発明の請求項２記載の固体高分子型燃料
電池は、前記混合物層の酸化剤ガス供給口に近い部分
が、酸化剤ガス排出口に近い部分よりも高い撥水性を有
するようにしたので、ガスの供給口付近における高分子
固体電解質膜の乾燥が防止されるとともに、酸化剤ガス
の排出口付近での水蒸気の凝縮に伴うガスの拡散阻害が
防止され、安定して運転でき、良好な出力特性が得られ
るという顕著な効果を奏する。According to a second aspect of the present invention, in the polymer electrolyte fuel cell, a portion of the mixture layer near the oxidant gas supply port has higher water repellency than a portion near the oxidant gas discharge port. As a result, drying of the polymer solid electrolyte membrane near the gas supply port is prevented, and gas diffusion inhibition due to condensation of water vapor near the oxidant gas discharge port is prevented, enabling stable operation. It has a remarkable effect that good output characteristics can be obtained.
【００５３】本発明の請求項３記載の固体高分子型燃料
電池は、前記カソードの酸化剤ガス供給口に近い部分に
おける前記混合物層中のカーボン材料の比表面積が、酸
化剤ガス排出口に近い部分の前記混合物層中のカーボン
材料の比表面積より小さくするとともに、前記酸化剤ガ
ス供給口に近い部分が、酸化剤ガス排出口に近い部分よ
りも高い撥水性を有するようにしたので、ガスの供給口
付近における高分子固体電解質膜の乾燥が一層防止され
るとともに、酸化剤ガスの排出口付近での水蒸気の凝縮
に伴うガスの拡散阻害が一層防止され、より安定して運
転でき、良好な出力特性が得られるという顕著な効果を
奏する。According to a third aspect of the present invention, in the polymer electrolyte fuel cell, the specific surface area of the carbon material in the mixture layer in a portion of the cathode near the oxidant gas supply port is close to the oxidant gas discharge port. Because the specific surface area of the carbon material in the mixture layer of the portion was smaller than the portion near the oxidizing gas supply port, the portion near the oxidizing gas supply port had higher water repellency than the portion near the oxidizing gas discharge port. Drying of the polymer solid electrolyte membrane near the supply port is further prevented, and gas diffusion inhibition due to condensation of water vapor near the oxidant gas discharge port is further prevented. This has a remarkable effect that output characteristics can be obtained.
【００５４】本発明の請求項４記載の固体高分子型燃料
電池は、前記混合物層中において最も撥水性が高い部分
の撥水材の含有量を６０質量％以下としたので、混合物
層の電気伝導度を低下させることなく良好な出力特性が
得られるという顕著な効果を奏する。撥水材の含有量が
６０質量％を超えると混合物層の電気伝導度が低下して
電池の出力特性の低下を招く。In the polymer electrolyte fuel cell according to the fourth aspect of the present invention, the content of the water-repellent material in the portion having the highest water repellency in the mixture layer is set to 60% by mass or less. This has a remarkable effect that good output characteristics can be obtained without lowering the conductivity. When the content of the water-repellent material exceeds 60% by mass, the electric conductivity of the mixture layer is reduced, and the output characteristics of the battery are reduced.
【００５５】本発明の請求項５記載の固体高分子型燃料
電池は、前記カソードの酸化剤ガス供給口に近い部分に
おける前記混合物層中のカーボン材料の比表面積が、カ
ーボン担体に担持した触媒から形成されるカソード触媒
層の前記カーボン担体の比表面積より小さくしたので、
カソードでの電極反応により生成される反応生成水およ
びアノードから移動する移動水が混合物層中を移動しに
くくなり、ガス流路側へ放散されにくくなるため、酸化
剤ガスの供給口付近における固体高分子電解質膜の乾燥
が抑制され、出力特性を向上できるという顕著な効果を
奏する。According to a fifth aspect of the present invention, in the polymer electrolyte fuel cell, the specific surface area of the carbon material in the mixture layer in a portion of the cathode close to the oxidizing gas supply port is determined by a catalyst supported on a carbon carrier. Because it was smaller than the specific surface area of the carbon support of the formed cathode catalyst layer,
The reaction product water generated by the electrode reaction at the cathode and the migration water moving from the anode are less likely to move in the mixture layer and are less likely to dissipate to the gas flow path side. This has a remarkable effect that drying of the electrolyte membrane is suppressed and output characteristics can be improved.
【００５６】本発明の請求項６記載の固体高分子型燃料
電池は、前記カソードの酸化剤ガス排出口に近い部分に
おける前記混合物層中のカーボン材料の比表面積が、カ
ーボン担体に担持した触媒から形成されるカソード触媒
層の前記カーボン担体の比表面積より大きくしたので、
反応生成水および移動水が混合物層中を移動しやすくな
り、酸化剤ガス中に放散されやすくなるために、その結
果として酸化剤ガスの排出口付近に近い部分において触
媒層での過度の水滞留によるガス拡散性低下を低減でき
たために、出力特性を向上できるという顕著な効果を奏
する。According to a sixth aspect of the present invention, in the polymer electrolyte fuel cell, the specific surface area of the carbon material in the mixture layer in a portion of the cathode near the oxidant gas discharge port is determined by a catalyst supported on a carbon carrier. Since it was larger than the specific surface area of the carbon support of the formed cathode catalyst layer,
Excessive water retention in the catalyst layer at the portion near the oxidant gas outlet is caused because the reaction product water and the transfer water easily move in the mixture layer and are easily diffused into the oxidant gas. The reduction of the gas diffusivity due to the above can reduce the output characteristic, which is a remarkable effect.
【００５７】本発明の請求項７記載の固体高分子型燃料
電池は、前記カソードを構成する導電性多孔材からなる
ガス拡散層の酸化剤ガス供給口に近い部分が、酸化剤ガ
ス排出口に近い部分よりも低い撥水性を有するようにし
たので、酸化剤ガスの供給口に近い部分における固体高
分子電解質膜の乾燥が抑制されるとともに、酸化剤ガス
の排出口付近での混合物層に過度の水が保水されること
がなくなり、水蒸気の凝縮に伴うガスの拡散阻害がより
防止され、安定して運転でき、良好な出力特性が得られ
るという顕著な効果を奏する。In the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, the portion of the gas diffusion layer comprising the conductive porous material constituting the cathode, which is close to the oxidizing gas supply port, is connected to the oxidizing gas discharge port. Since it has a lower water repellency than the near portion, drying of the solid polymer electrolyte membrane in the portion near the oxidant gas supply port is suppressed, and excessive Water is no longer retained, the gas diffusion inhibition due to the condensation of water vapor is further prevented, stable operation can be achieved, and good output characteristics can be obtained.
【００５８】本発明の請求項８記載の固体高分子型燃料
電池は、前記ガス拡散層中において最も撥水性が高い部
分の撥水材の含有量を６０質量％以下としたので、ガス
拡散層の電気伝導度を低下させることなく良好な出力特
性が得られるという顕著な効果を奏する。撥水材の含有
量が６０質量％を超えるとガス拡散層の電気伝導度が低
下して電池の出力特性の低下を招く。In the polymer electrolyte fuel cell according to the eighth aspect of the present invention, the content of the water-repellent material in the portion having the highest water repellency in the gas diffusion layer is 60% by mass or less. This has a remarkable effect that good output characteristics can be obtained without lowering the electrical conductivity. If the content of the water-repellent material exceeds 60% by mass, the electric conductivity of the gas diffusion layer decreases, and the output characteristics of the battery deteriorate.
【００５９】本発明の請求項９記載の固体高分子型燃料
電池スタックは、酸化剤ガス供給側がこのスタックの冷
却水供給側に位置するようにしたので、酸化剤ガスの温
度上昇を抑えることができ、酸化剤ガス中へ水が放散さ
れにくくなるために、酸化剤ガスの供給側付近における
高分子固体電解質膜の乾燥が防止され、出力特性を向上
できるという顕著な効果を奏する。In the polymer electrolyte fuel cell stack according to the ninth aspect of the present invention, the oxidizing gas supply side is located on the cooling water supply side of the stack, so that the temperature rise of the oxidizing gas can be suppressed. As a result, since it is difficult for water to diffuse into the oxidizing gas, drying of the polymer solid electrolyte membrane near the supply side of the oxidizing gas is prevented, and a remarkable effect of improving output characteristics is obtained.
【図１】本発明の固体高分子型燃料電池の単セルの基本
構成を示す分解断面図である。FIG. 1 is an exploded sectional view showing a basic configuration of a single cell of a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention.
【図２】図１に示した単セルへ供給される酸化剤ガス、
燃料ガスおよび冷却水のフローを模式的に示す説明図で
ある。FIG. 2 shows an oxidizing gas supplied to the single cell shown in FIG. 1,
It is explanatory drawing which shows the flow of fuel gas and cooling water typically.
【図３】図２に示した単セルの酸化剤ガス供給口に近い
部分（カーボン粉末の比表面積が小さい側）と酸化剤ガ
ス排出口に近い部分（カーボン粉末の比表面積が大きい
側）を模式的に示す説明図である。FIG. 3 shows a portion near the oxidizing gas supply port (on the side where the specific surface area of the carbon powder is small) and a portion near the oxidizing gas discharge port (on the side where the specific surface area of the carbon powder is large) of the single cell shown in FIG. It is explanatory drawing which shows typically.
【図４】平均セル電圧（ｍＶ）と電流密度（Ａｍｐ／ｃ
ｍ2 ）の関係を示すグラフである。FIG. 4 shows average cell voltage (mV) and current density (Amp / c).
is a graph showing the relation between m 2).
【図５】平均セル電圧（ｍＶ）と空気加湿温度（℃）の
関係を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing a relationship between an average cell voltage (mV) and an air humidification temperature (° C.).
【図６】本発明の他の固体高分子型燃料電池の単セルへ
供給される酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却水のフロー
を模式的に示す説明図である。FIG. 6 is an explanatory view schematically showing flows of an oxidizing gas, a fuel gas, and cooling water supplied to a single cell of another polymer electrolyte fuel cell of the present invention.
【図７】図６に示した単セルの酸化剤ガス供給口に近い
部分（撥水材の含有量が高い側）と酸化剤ガス排出口に
近い部分（撥水材の含有量が低い側）を模式的に示す説
明図である。FIG. 7 shows a portion of the single cell shown in FIG. 6 near the oxidizing gas supply port (the side having a high water repellent content) and a portion near the oxidizing gas discharge port (the side having a low water repellent content). FIG.
【図８】平均セル電圧（ｍＶ）と電流密度（Ａｍｐ／ｃ
ｍ2 ）の関係を示すグラフである。FIG. 8 shows average cell voltage (mV) and current density (Amp / c).
is a graph showing the relation between m 2).
【図９】平均セル電圧（ｍＶ）と空気加湿温度（℃）の
関係を示すグラフである。FIG. 9 is a graph showing a relationship between an average cell voltage (mV) and an air humidification temperature (° C.).
【図１０】従来の固体高分子型燃料電池の単セルの基本
構成を示す分解断面図である。FIG. 10 is an exploded cross-sectional view showing a basic configuration of a single cell of a conventional polymer electrolyte fuel cell.
【図１１】図１０に示した単セルを複数積層した固体高
分子型燃料電池スタックの基本構成を示す断面図であ
る。11 is a cross-sectional view showing a basic configuration of a polymer electrolyte fuel cell stack in which a plurality of the single cells shown in FIG. 10 are stacked.
【図１２】図１０に示した単セルを構成するセパレータ
のガス流路の構成例を示す平面図である。FIG. 12 is a plan view showing a configuration example of a gas flow path of a separator constituting the single cell shown in FIG.
【図１３】図１０に示した単セルへ供給されるガスのフ
ローを模式的に示す説明図である。13 is an explanatory diagram schematically showing a flow of gas supplied to the single cell shown in FIG.
【符号の説明】 １ 固体高分子電解質膜 ２ カソード側触媒層 ３ アノード側触媒層 ４ カソード側ガス拡散層 ５ アノード側ガス拡散層 ６ カソード ７ アノード ８ ガス流路 ９ 冷却水流路 １０ セパレータ １１ 単セル １９ ガス供給口 ２０ ガス供給側マニホールド ２１ 排出側マニホールド ２２ ガス排出口 ２３ ガス供給連通口 ２４ ガス排出連通口 ２５ 酸化剤ガス供給口に近い部分 ２６ 酸化剤ガス排出口に近い部分 ２７ 酸化剤ガス流れ ２８ 燃料ガス流れ ２９ ガス拡散層 ３０ 混合物層[Description of Signs] 1 solid polymer electrolyte membrane 2 cathode side catalyst layer 3 anode side catalyst layer 4 cathode side gas diffusion layer 5 anode side gas diffusion layer 6 cathode 7 anode 8 gas flow path 9 cooling water flow path 10 separator 11 single cell DESCRIPTION OF SYMBOLS 19 Gas supply port 20 Gas supply side manifold 21 Discharge side manifold 22 Gas discharge port 23 Gas supply communication port 24 Gas discharge communication port 25 Portion near oxidant gas supply port 26 Portion near oxidant gas discharge port 27 Oxidant gas flow 28 Fuel gas flow 29 Gas diffusion layer 30 Mixture layer
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中藤 邦弘 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 Ｆターム(参考） 5H018 AA06 AS03 HH02 HH05 5H026 AA06 CC03 CC08 EE05 EE19 HH02 HH05 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continued on the front page (72) Kunihiro Nakato 2-5-5 Keihanhondori, Moriguchi-shi, Osaka F-term in Sanyo Electric Co., Ltd. (reference) 5H018 AA06 AS03 HH02 HH05 5H026 AA06 CC03 CC08 EE05 EE19 HH02 HH05
Claims (9)
よびカソードを配置し、前記カソードが固体高分子電解
質膜側に設けた触媒層、導電性多孔材からなるガス拡散
層およびこれらの間に配置されるカーボン材料を主成分
とする撥水性混合物層からなる単セルを備えた固体高分
子型燃料電池において、前記カソードの酸化剤ガス供給
口に近い部分における前記混合物層中のカーボン材料の
比表面積が、酸化剤ガス排出口に近い部分の前記混合物
層中のカーボン材料の比表面積より小さいことを特徴と
する固体高分子型燃料電池。An anode and a cathode are arranged on both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane, and the cathode is provided on a side of the solid polymer electrolyte membrane, a catalyst layer, a gas diffusion layer made of a conductive porous material, and an arrangement therebetween. Specific surface area of the carbon material in the mixture layer in a portion of the cathode close to the oxidizing gas supply port in a polymer electrolyte fuel cell having a single cell comprising a water-repellent mixture layer containing a carbon material as a main component Is smaller than the specific surface area of the carbon material in the mixture layer in a portion near the oxidant gas discharge port.
よびカソードを配置し、前記カソードが固体高分子電解
質膜側に設けた触媒層、導電性多孔材からなるガス拡散
層およびこれらの間に配置されるカーボン材料を主成分
とする撥水性混合物層からなる単セルを備えた固体高分
子型燃料電池において、前記混合物層の酸化剤ガス供給
口に近い部分が、酸化剤ガス排出口に近い部分よりも高
い撥水性を有することを特徴とする固体高分子型燃料電
池。2. An anode and a cathode are arranged on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, and the cathode is provided on the solid polymer electrolyte membrane side as a catalyst layer, a gas diffusion layer made of a conductive porous material, and arranged between them. In a polymer electrolyte fuel cell provided with a single cell comprising a water-repellent mixture layer containing a carbon material as a main component, a portion of the mixture layer close to an oxidant gas supply port is a portion close to an oxidant gas outlet. A polymer electrolyte fuel cell having higher water repellency than the above.
よびカソードを配置し、前記カソードが固体高分子電解
質膜側に設けた触媒層、導電性多孔材からなるガス拡散
層およびこれらの間に配置されるカーボン材料を主成分
とする撥水性混合物層からなる単セルを備えた固体高分
子型燃料電池において、前記カソードの酸化剤ガス供給
口に近い部分における前記混合物層中のカーボン材料の
比表面積が、酸化剤ガス排出口に近い部分の前記混合物
層中のカーボン材料の比表面積より小さく、かつ比表面
積が小さいカーボン材料を有する混合物層側の撥水性
が、比表面積が大きいカーボン材料を有する混合物層側
の撥水性よりも高いことを特徴とする固体高分子型燃料
電池。3. An anode and a cathode are disposed on both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane, and the cathode is provided on the solid polymer electrolyte membrane side as a catalyst layer, a gas diffusion layer made of a conductive porous material, and disposed between them. Specific surface area of the carbon material in the mixture layer in a portion of the cathode close to the oxidizing gas supply port in a polymer electrolyte fuel cell having a single cell comprising a water-repellent mixture layer containing a carbon material as a main component However, the water repellency of the mixture layer side having a carbon material having a small specific surface area is smaller than the specific surface area of the carbon material in the mixture layer in the portion near the oxidizing gas discharge port, and the mixture having a carbon material having a large specific surface area A polymer electrolyte fuel cell characterized by having higher water repellency on the layer side.
い部分の撥水材の含有量が６０質量％以下であることを
特徴とする請求項２あるいは請求項３記載の固体高分子
型燃料電池。4. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 2, wherein the content of the water repellent material in the portion having the highest water repellency in the mixture layer is 60% by mass or less. .
部分における前記混合物層中のカーボン材料の比表面積
が、カーボン担体に担持した触媒から形成されるカソー
ド触媒層の前記カーボン担体の比表面積より小さいこと
を特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の
固体高分子型燃料電池。5. The specific surface area of the carbon material in the mixture layer in a portion of the cathode close to the oxidant gas supply port is larger than the specific surface area of the carbon carrier in the cathode catalyst layer formed from the catalyst supported on the carbon carrier. The polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 4, which is small.
部分における前記混合物層中のカーボン材料の比表面積
が、カーボン担体に担持した触媒から形成されるカソー
ド触媒層の前記カーボン担体の比表面積より大きいこと
を特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の
固体高分子型燃料電池。6. The specific surface area of the carbon material in the mixture layer at a portion of the cathode close to the oxidant gas outlet is smaller than the specific surface area of the carbon carrier in the cathode catalyst layer formed from the catalyst supported on the carbon carrier. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell is large.
らなるガス拡散層の酸化剤ガス供給口に近い部分が、酸
化剤ガス排出口に近い部分よりも低い撥水性を有するこ
とを特徴とする請求項２から請求項６のいずれかに記載
の固体高分子型燃料電池。7. A gas diffusion layer comprising a conductive porous material constituting the cathode, wherein a portion near an oxidant gas supply port has lower water repellency than a portion near an oxidant gas discharge port. The polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 2 to 6.
高い部分の撥水材の含有量が６０質量％以下であること
を特徴とする請求項７記載の固体高分子型燃料電池。8. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 7, wherein the content of the water repellent material in the portion having the highest water repellency in the gas diffusion layer is 60% by mass or less.
の単セルを複数枚積層して形成される固体高分子型燃料
電池スタックであって、酸化剤ガス供給側がこのスタッ
クの冷却水供給側に位置することを特徴とする固体高分
子型燃料電池スタック。9. A polymer electrolyte fuel cell stack formed by laminating a plurality of single cells according to claim 1, wherein an oxidant gas supply side is a cooling water of the stack. A polymer electrolyte fuel cell stack, which is located on a supply side.
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