JP2003068330A - Solid polymer fuel cell - Google Patents

Solid polymer fuel cell

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JP2003068330A JP2001258020A JP2001258020A JP2003068330A JP 2003068330 A JP2003068330 A JP 2003068330A JP 2001258020 A JP2001258020 A JP 2001258020A JP 2001258020 A JP2001258020 A JP 2001258020A JP 2003068330 A JP2003068330 A JP 2003068330A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell of high efficiency in generation of electrical power by removing surplus water which exists in a electrode and a solid polymer electrolyte layer and promoting diffusion of gas into the electrode. SOLUTION: The solid polymer fuel cell in which a fuel electrode and an oxidant electrode are disposed respectively on both sides of the solid polymer electrolyte layer, a fuel passage is provided on the side which faces the fuel electrode and an oxidant passage is provided on the side which faces the oxidant electrode, and a water retention layer which is formed from a conductive material and a water retention resin and has plural through holes, is provided on the fuel electrode and/or the oxidant electrode, solves the problem.

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】この発明は、発電効率のよい
固体高分子型燃料電池に関し、さらに詳しくは、電極お
よび固体高分子電解質層に存在する過剰な水を除去しな
がら燃料電池の電極への燃料および酸化剤の供給が効率
よく行われる固体高分子型燃料電池に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solid polymer type fuel cell having good power generation efficiency, and more specifically, to removing excess water existing in the electrode and the solid polymer electrolyte layer to the electrode of the fuel cell. The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell in which fuel and an oxidant are efficiently supplied.

【0002】[0002]

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】従来
の固体高分子型燃料電池の単位セルの断面図を図2に示
す。固体高分子電解質膜101は、燃料極102および
酸化剤極103の2つの電極で両面から挾持されてお
り、両電極には触媒が担持されている。前記燃料極10
2には燃料ガス(水素)が供給され、前記酸化剤極10
3には酸化剤ガス(酸素)が供給される。さらに、一対
の集電体104が燃料極102と酸化剤極103を両側
から挾持する形に配置され、集電体104と燃料極10
2、集電体104と酸化剤極103の間の空間が、それ
ぞれ燃料流路105および酸化剤流路106となる。こ
のようにして構成された単位セルの出力電圧は1V以下
と低いため、単位セルを複数積層して所望の出力電圧の
固体高分子型燃料電池スタックが形成される。
2. Description of the Related Art A cross-sectional view of a unit cell of a conventional polymer electrolyte fuel cell is shown in FIG. The solid polymer electrolyte membrane 101 is sandwiched by two electrodes of a fuel electrode 102 and an oxidant electrode 103 from both sides, and a catalyst is supported on both electrodes. The fuel electrode 10
Fuel gas (hydrogen) is supplied to 2 and the oxidizer electrode 10
Oxidizer gas (oxygen) is supplied to 3. Further, a pair of current collectors 104 are arranged so as to sandwich the fuel electrode 102 and the oxidizer electrode 103 from both sides, and the current collector 104 and the fuel electrode 10 are arranged.
2. The space between the current collector 104 and the oxidant electrode 103 serves as the fuel channel 105 and the oxidant channel 106, respectively. Since the output voltage of the unit cell thus configured is as low as 1 V or less, a plurality of unit cells are stacked to form a polymer electrolyte fuel cell stack having a desired output voltage.

【0003】燃料極102および酸化剤極103は、触
媒活性物質を含む触媒層が、導電性を有する多孔質の電
極基材で支持された構造であり、複数の並列な溝からな
る燃料流路105から電極基材を透過して燃料極102
に供給される燃料としての水素と、酸化剤流路106か
ら酸化剤極103に供給される酸化剤としての酸素が、
それぞれの触媒層上で固体高分子電解質/触媒/反応ガ
スの三相界面を形成し、以下の反応式で示されるような
反応が進行する。
Each of the fuel electrode 102 and the oxidant electrode 103 has a structure in which a catalyst layer containing a catalytically active substance is supported by a porous electrode base material having conductivity, and a fuel flow path composed of a plurality of parallel grooves. Fuel electrode 102 through the electrode base material 105
Hydrogen as a fuel supplied to the oxidant and oxygen as an oxidant supplied from the oxidant channel 106 to the oxidant electrode 103,
A solid polymer electrolyte / catalyst / reaction gas three-phase interface is formed on each catalyst layer, and the reaction shown by the following reaction formula proceeds.

【0004】 燃料極:H2→2H++2e- (式1) 酸化剤極:2H++2e-+1/2O2→H2O (式2) すなわち、燃料極102側では、式1に示すように、水
素分子を水素イオンと電子に分解する電気化学反応が、
酸化剤極103側では、式2に示すように水素イオンと
電子と酸素から水を生成する電気化学反応が、それぞれ
行われる。燃料極102側で式1の反応により生成した
水素イオンは、水分子との水和状態で固体高分子電解質
膜101を透過し、酸化剤極103側で式2の反応に供
される。
Fuel electrode: H 2 → 2H + + 2e (Equation 1) Oxidizer electrode: 2H + + 2e + 1 / 2O 2 → H 2 O (Equation 2) That is, as shown in Equation 1 on the fuel electrode 102 side. In addition, an electrochemical reaction that decomposes hydrogen molecules into hydrogen ions and electrons
On the side of the oxidant electrode 103, an electrochemical reaction for producing water from hydrogen ions, electrons, and oxygen is performed as shown in Formula 2. Hydrogen ions generated by the reaction of the formula 1 on the fuel electrode 102 side permeate the solid polymer electrolyte membrane 101 in a hydrated state with water molecules, and are provided for the reaction of the formula 2 on the oxidant electrode 103 side.

【0005】これらの反応を効率よく連続的に行うため
には、燃料極102および酸化剤極103へ燃料および
酸化剤を連続的に供給すると共に、電極付近から生成物
質を速やかに取り除く必要がある。具体的には、酸化剤
極103では、酸化剤である酸素を連続的に供給すると
共に生成物質である水を取り除く必要がある。水分の除
去が速やかに行われなければ、電極付近に形成された水
膜により、酸化剤極103へ酸素が供給されにくくなり
電極反応が停止する。
In order to carry out these reactions efficiently and continuously, it is necessary to continuously supply the fuel and the oxidant to the fuel electrode 102 and the oxidant electrode 103, and to quickly remove the produced substances from the vicinity of the electrodes. . Specifically, at the oxidizer electrode 103, it is necessary to continuously supply oxygen as an oxidizer and remove water as a product. Unless water is removed promptly, the water film formed near the electrodes makes it difficult to supply oxygen to the oxidizer electrode 103, and the electrode reaction is stopped.

【0006】一方、燃料極102と酸化剤極103に挾
持された固体高分子電解質膜101の内部で電荷担体と
なるのは水和状態の水素イオンである。固体高分子電解
質膜内で水素イオンが燃料極から酸化剤極へ移動するの
は、固体高分子電解質膜が水和状態の水素イオンを選択
的に拡散させる性質を有するからである。したがって、
電池反応全体をスムーズに進行させて発電効率を向上さ
せるためには、常に固体高分子電解質を湿潤状態に保っ
て飽和に含水させておく必要がある。
On the other hand, it is hydrated hydrogen ions that serve as charge carriers inside the solid polymer electrolyte membrane 101 held between the fuel electrode 102 and the oxidant electrode 103. The reason why hydrogen ions move from the fuel electrode to the oxidizer electrode in the solid polymer electrolyte membrane is that the solid polymer electrolyte membrane has a property of selectively diffusing hydrated hydrogen ions. Therefore,
In order to smoothly progress the entire battery reaction and improve the power generation efficiency, it is necessary to always keep the solid polymer electrolyte in a wet state so that it is saturated with water.

【0007】すなわち、固体高分子電解質膜101を適
度な湿潤状態に保つとともに、燃料極102および酸化
剤極103では、燃料および酸化剤のガス透過を妨げる
水膜形成を抑制するという相反する要求を満たすこと
が、燃料電池の高効率化のために必要とされている。
That is, there are conflicting requirements that the solid polymer electrolyte membrane 101 be kept in an appropriate wet state, and that the fuel electrode 102 and the oxidant electrode 103 suppress the formation of a water film that prevents gas permeation of the fuel and the oxidant. Satisfaction is required for high efficiency of the fuel cell.

【0008】上記課題を解決するために、特開平7−3
26361号公報では、カーボン短繊維のプレス成形体
を基材とする電極内に、吸水性材料の微細粒子を分散さ
せた燃料電池が開示されている。この構成の燃料電池内
では、前述の式2の反応により酸化剤極に生成した水分
を、酸化剤極内の吸水性材料が積極的に吸収して、電極
の過剰水分を除去する。従って、酸化剤極における水膜
形成を抑制し、燃料電池の効率が向上することが見出さ
れている。
In order to solve the above problems, Japanese Patent Laid-Open No. 7-3
Japanese Patent No. 26361 discloses a fuel cell in which fine particles of a water-absorbing material are dispersed in an electrode having a press-formed body of short carbon fibers as a base material. In the fuel cell having this structure, the water-absorbing material in the oxidant electrode positively absorbs the water generated in the oxidant electrode by the reaction of the above-described equation 2, and the excess water in the electrode is removed. Therefore, it has been found that the formation of a water film at the oxidizer electrode is suppressed and the efficiency of the fuel cell is improved.

【0009】しかし該公報において吸水性材料として用
いている架橋ポリアクリル酸塩等は導電性を有さないた
め、電極の吸水能力を向上させるために電極における該
吸水性材料の配合比率を多くすると、電極の導電性が低
下し、ひいては内部抵抗増加によるエネルギー損失増大
を招く。つまり、エネルギー損失を小さく抑えるために
は、混合できる吸水性材料の含有比率は上限(該公報に
おいて、吸水性材料は電極中10容量%程度含有)が存
在し、その結果、電極の吸水能力の限界も低く抑えられ
る。従って、負荷の急増などに伴い生成水量が増加して
も、電極の吸水能力を超えた過剰な水分は、電極では吸
水されず、電極表面で水膜を形成して電極へのガスの供
給を妨げる。
However, since the crosslinked polyacrylic acid salt or the like used as the water absorbing material in the publication does not have conductivity, increasing the blending ratio of the water absorbing material in the electrode in order to improve the water absorbing ability of the electrode. However, the conductivity of the electrode is lowered, which leads to an increase in energy loss due to an increase in internal resistance. That is, in order to suppress the energy loss to a small level, the content ratio of the water-absorbing material that can be mixed has an upper limit (in the publication, the water-absorbing material is contained in the electrode in an amount of about 10% by volume). The limit can be kept low. Therefore, even if the amount of generated water increases due to a sudden increase in load, excess water exceeding the water absorption capacity of the electrode is not absorbed by the electrode, and a water film is formed on the electrode surface to supply gas to the electrode. Hinder.

【0010】一方、特許公報第3022528号には、
燃料電池セルを両側から挾持してガス流路を構成するリ
ブ(溝)付きプレートを備え、プレートの燃料極側のリ
ブに、保水性樹脂とカーボンからなる多孔質性の保水層
を備えることにより、固体高分子層全体を湿潤状態に維
持する方法が提案されている。この構成の燃料電池で
は、燃料供給用のガス流路に保水層が備えられるため、
該ガス流路内の湿度が上昇し、その結果、固体高分子層
が湿潤される。しかし、該公報における保水層を備えた
リブ付きプレートは、燃料極側からの固体高分子電解質
層への加湿を主目的としているため、酸化剤側において
生成する過剰水分の除去は達成されていない。
On the other hand, Japanese Patent No. 3022528 discloses that
By providing a plate with ribs (grooves) that sandwich the fuel cell from both sides to form a gas flow path, and by providing the rib on the fuel electrode side of the plate with a porous water retention layer composed of a water retention resin and carbon , A method of maintaining the entire solid polymer layer in a wet state has been proposed. In the fuel cell with this configuration, since the water retention layer is provided in the gas flow path for fuel supply,
The humidity in the gas flow channel rises, and as a result, the solid polymer layer is wet. However, since the ribbed plate provided with the water retaining layer in the publication is mainly intended to humidify the solid polymer electrolyte layer from the fuel electrode side, removal of excess water generated on the oxidizer side has not been achieved. .

【0011】以上述べたように、上記の従来技術ではい
ずれも高負荷運転時に電極において生成する過剰水分を
除去する能力が十分とはいえない。従って、本発明の解
決すべき課題は、電極および固体高分子電解質層に存在
する過剰な水を除去して、電極内へのガスの拡散を促進
させ、発電効率の高い燃料電池を供給することである。
As described above, none of the above-mentioned prior arts has sufficient ability to remove excess water generated in the electrode during high load operation. Therefore, the problem to be solved by the present invention is to remove excess water existing in the electrode and the solid polymer electrolyte layer to promote the diffusion of gas into the electrode and to supply a fuel cell with high power generation efficiency. Is.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】本発明によれば、固体高
分子電解質層の両側に燃料極および酸化剤極が対設さ
れ、燃料極を臨む側に燃料流路を、酸化剤極を臨む側に
酸化剤流路を備えた燃料電池セルであって、燃料極およ
び/または酸化剤極上に、導電性材料と保水性樹脂とか
ら形成され、複数の貫通孔を有する保水層が、燃料流路
側および/または酸素流路側に備えられる固体高分子型
燃料電池を提供し、上記課題を解決する。
According to the present invention, a fuel electrode and an oxidant electrode are provided on opposite sides of a solid polymer electrolyte layer, and a fuel channel and an oxidant electrode are exposed on the side facing the fuel electrode. A fuel cell having an oxidant flow path on its side, wherein a water retention layer formed of a conductive material and a water retention resin and having a plurality of through holes is formed on the fuel electrode and / or the oxidant electrode, A polymer electrolyte fuel cell provided on the road side and / or the oxygen flow path side is provided to solve the above problems.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】本発明において、電極とは燃料極
または酸化剤極を意味し、ガスとは燃料ガスまたは酸化
剤ガスを意味し、ガス流路とは燃料流路または酸化剤流
路を意味し、水分とは水を主体とした液体および/また
は霧状体を意味する。本発明の燃料電池は、固体高分子
電解質層、電極、ガス流路および保水層から主として構
成されることを特徴とする。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION In the present invention, an electrode means a fuel electrode or an oxidant electrode, a gas means a fuel gas or an oxidant gas, and a gas passage means a fuel passage or an oxidant passage. Means water, and means a liquid and / or atomized body mainly composed of water. The fuel cell of the present invention is characterized in that it is mainly composed of a solid polymer electrolyte layer, an electrode, a gas channel and a water retention layer.

【0014】固体高分子電解質層としては、水素イオン
に対するイオン交換基としてスルホン基を有する陽イオ
ン交換膜を用いることができる。具体的には、パーフル
オロカーボンスルホン酸樹脂、PSSA−PVA(ポリ
スチレンスルホン酸ポリビニルアルコール共重合体)
や、PSSA−EVOH(ポリスチレンスルホン酸エチ
レンビニルアルコール共重合体)等からなるものが挙げ
られる。なかでも、パーフルオロカーボンスルホン酸樹
脂からなるものが好ましく、具体的には、米国デュポン
社製のナフィオン膜、旭硝子社製のフレミオン膜、旭化
成社製のアシプレックス膜が用いられる。
As the solid polymer electrolyte layer, a cation exchange membrane having a sulfone group as an ion exchange group for hydrogen ions can be used. Specifically, perfluorocarbon sulfonic acid resin, PSSA-PVA (polystyrene sulfonate polyvinyl alcohol copolymer)
And PSSA-EVOH (polyethylene sulfonic acid ethylene vinyl alcohol copolymer) and the like. Of these, those made of perfluorocarbon sulfonic acid resin are preferable, and specifically, Nafion membrane manufactured by DuPont, USA, Flemion membrane manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., and Aciplex membrane manufactured by Asahi Kasei Corporation are used.

【0015】燃料電池における電気化学反応は、電極と
電解質の界面で起こるため、電解質膜の電気化学的特性
は燃料電池の電流−電圧特性に大きく影響を与える。特
に薄膜化により直列抵抗が減少するため、電流−電圧特
性は向上する。前記樹脂の場合は、膜厚が20〜200
μm程度になるように作製するのが好ましい。イオン導
電率は25℃で5×10-2〜1×10-1(Ω・cm)-1
程度であるので、前記膜厚の場合、単位面積あたりの抵
抗は0.05〜0.4Ω程度となる。
Since the electrochemical reaction in the fuel cell occurs at the interface between the electrode and the electrolyte, the electrochemical characteristics of the electrolyte membrane greatly affect the current-voltage characteristics of the fuel cell. In particular, since the series resistance is reduced by thinning the film, the current-voltage characteristic is improved. In the case of the resin, the film thickness is 20 to 200.
It is preferable to manufacture it to have a thickness of about μm. The ionic conductivity is 5 × 10 -2 to 1 × 10 -1 (Ωcm) -1 at 25 ° C.
Therefore, the resistance per unit area is about 0.05 to 0.4Ω in the case of the above film thickness.

【0016】固体高分子電解質膜は、樹脂の前駆体を熱
プレス成型、ロール成形、押出し成形等の公知の方法で
膜状に成形し、加水分解、酸型化処理することにより得
られる。また、フッ素系陽イオン交換樹脂をアルコール
等の溶媒に溶解させた溶液から、溶媒キャスト法により
得ることもできる。
The solid polymer electrolyte membrane is obtained by forming a resin precursor into a membrane by a known method such as hot press molding, roll molding, extrusion molding, and subjecting it to hydrolysis and acidification treatment. It can also be obtained by a solvent casting method from a solution in which a fluorine-based cation exchange resin is dissolved in a solvent such as alcohol.

【0017】本発明で用いる電極は、カーボン、カーボ
ンペーパー、カーボンの成型体、カーボンの焼結体、焼
結金属、発泡金属、金属繊維集合体などの多孔性基体を
撥水処理したものを用いることができる。気体燃料を利
用する燃料電池の電極は、燃料極および酸化剤極の両方
とも、電極が気体の拡散を律速しないように、既知な透
過性のよい多孔質構造(比表面積:50〜100m2
g)を持つグラファイトを電極材料として用いるのが好
ましい。
For the electrode used in the present invention, a porous substrate such as carbon, carbon paper, carbon molded body, carbon sintered body, sintered metal, foamed metal or metal fiber aggregate, which is subjected to water repellent treatment, is used. be able to. An electrode of a fuel cell that uses a gaseous fuel has a known porous structure (specific surface area: 50 to 100 m 2 /) for both the fuel electrode and the oxidizer electrode so that the electrode does not rate the diffusion of gas.
Preference is given to using graphite with g) as electrode material.

【0018】液体燃料を利用する燃料電池の電極は、液
体が浸透しやすく、燃料供給の圧損が小さいグラファイ
ト電極を用いるのが好ましい。特に、毛管現象による電
極内部への液体燃料の拡散を有効に利用するために、燃
料極の多孔質孔径が300μm以下のものが好ましい。
300μmより大きい孔径では、毛管力による拡散の効
果が得られない。
As the electrode of a fuel cell using a liquid fuel, it is preferable to use a graphite electrode in which liquid easily permeates and the pressure loss of fuel supply is small. In particular, in order to effectively utilize the diffusion of the liquid fuel into the electrode due to the capillary phenomenon, it is preferable that the fuel electrode has a porous pore diameter of 300 μm or less.
If the pore size is larger than 300 μm, the effect of diffusion due to the capillary force cannot be obtained.

【0019】これら電極には更に、触媒層を付与して使
用してもよい。触媒層には、白金、鉄、ニッケル、コバ
ルト、ルテニウムなどの遷移金属と白金の合金あるいは
それらの酸化物の微粒子を触媒として含む炭素材料を用
いることができる。燃料が純水素の場合は白金、炭化水
素を含む場合には白金−ルテニウム合金が好ましい。触
媒の量としては電極に対して約5〜約50重量%、好ま
しくは約10〜約30重量%である。
A catalyst layer may be further applied to these electrodes for use. For the catalyst layer, a carbon material containing an alloy of a transition metal such as platinum, iron, nickel, cobalt, ruthenium and platinum or fine particles of an oxide thereof as a catalyst can be used. Platinum is preferable when the fuel is pure hydrogen, and platinum-ruthenium alloy is preferable when the fuel contains hydrocarbons. The amount of catalyst is about 5 to about 50% by weight, preferably about 10 to about 30% by weight, based on the electrode.

【0020】触媒層は、以下の方法で電極に取りつける
ことができる。例えば、白金とルテニウムの金属微粉末
の混合物をそのまま、あるいは表面積の大きいカーボン
上に担持させ、結着剤および撥水剤として働くポリテト
ラフルオロエチレンや固体高分子電解質を含むアルコー
ル溶液と混合し、カーボンペーパーなどの多孔性電極上
に吹き付け、ホットプレスなどによって固体高分子電解
質と接合する方法(米国特許第5,599,638号)
や、白金とルテニウムあるいはその酸化物の微粉末の混
合物を固体高分子電解質を含むアルコール溶液と混合し
て、この触媒混合溶液をポリテトラフルオロエチレン板
上に塗布し、乾燥後ポリテトラフルオロエチレン板から
引き剥がして、カーボンペーパーなどの多孔性電極上に
転写し、ホットプレスなどによって固体高分子電解質と
接合する方法(X.Renら、J.Electroch
em.Soc.,143,L12(1996))などが
ある。
The catalyst layer can be attached to the electrode by the following method. For example, a mixture of platinum and ruthenium fine metal powder as it is, or supported on carbon having a large surface area, mixed with an alcohol solution containing polytetrafluoroethylene or a solid polymer electrolyte acting as a binder and a water repellent, A method of spraying onto a porous electrode such as carbon paper and joining with a solid polymer electrolyte by hot pressing or the like (US Pat. No. 5,599,638)
Alternatively, a mixture of platinum and fine powder of ruthenium or its oxide is mixed with an alcohol solution containing a solid polymer electrolyte, the catalyst mixed solution is applied on a polytetrafluoroethylene plate, and after drying, a polytetrafluoroethylene plate is obtained. Peeled off, transferred onto a porous electrode such as carbon paper, and joined with a solid polymer electrolyte by hot pressing or the like (X. Ren et al., J. Electroch.
em. Soc. , 143, L12 (1996)) and the like.

【0021】電極は、電解質/触媒/反応ガスの三相界
面を十分に確保する必要があるので、固体高分子電解質
膜と密着して一体に形成されるのが好ましい。一体にす
るには、加圧下に100〜200℃でホットプレスして
燃料極と酸化剤極の電極で固体高分子電解質膜を接合、
一体化して積層することができる。
Since it is necessary to sufficiently secure the three-phase interface of electrolyte / catalyst / reaction gas, the electrode is preferably formed integrally with the solid polymer electrolyte membrane in close contact with it. In order to make them integral, hot press at 100 to 200 ° C. under pressure to join the solid polymer electrolyte membrane with the electrodes of the fuel electrode and the oxidizer electrode,
It can be integrated and laminated.

【0022】ガス流路は、それぞれの電極に臨む側に備
えられる。例えば、電極に臨む側に、流路を備えた、後
述する集電体やセパレータを積層させることによりガス
流路は備えることができる。
Gas passages are provided on the side facing the respective electrodes. For example, the gas flow path can be provided by stacking a current collector or a separator having a flow path, which will be described later, on the side facing the electrode.

【0023】保水層は、導電性材料および保水性樹脂を
原料として、酸素流路側および/または燃料流路に作製
することができる。酸素流路側に作製される際には、保
水層は酸化剤極で生成する過剰な水分を除去し、燃料流
路側に作製される際には、固体高分子電解質膜を湿潤に
保つために、固体高分子電解質膜へ水分を補給する。
The water retention layer can be formed on the oxygen flow channel side and / or the fuel flow channel using a conductive material and a water retention resin as raw materials. When formed on the oxygen channel side, the water retention layer removes excess water generated at the oxidizer electrode, and when formed on the fuel channel side, in order to keep the solid polymer electrolyte membrane wet, Water is supplied to the solid polymer electrolyte membrane.

【0024】保水性樹脂の保水効果としては、樹脂の多
孔質化により増加する毛管力を利用した物理的吸着と、
親水基と水分子の間に働く吸引力による化学的吸着があ
るが、物理的吸着の場合、多孔質の含水により体積膨張
が生じるため、長期サイクル使用により、電極と保水層
の密着性が弱くなるおそれがある。この場合、電極表面
から余剰水分を除去するという保水層本来の機能を果せ
なくなる。また、前記の体積膨張により、保水層に形成
された貫通孔が圧迫されて孔が密閉された場合、貫通孔
を通じたガス供給は、ほとんど行うことができなくな
る。これらの要因を考慮すると、樹脂の多孔質化による
物理的吸着を主体とした保水より、化学的吸着を主体と
した保水を利用するのが望ましい。
The water-retaining effect of the water-retaining resin is as follows: physical adsorption utilizing the capillary force increased by making the resin porous;
There is chemical adsorption due to the suction force that acts between hydrophilic groups and water molecules, but in the case of physical adsorption, the volume expansion occurs due to the porous water content, and the adhesion between the electrode and the water retention layer becomes weak due to long-term use. May be. In this case, the original function of the water retention layer to remove excess water from the electrode surface cannot be achieved. Further, when the through hole formed in the water retention layer is pressed by the volume expansion and the hole is sealed, gas supply through the through hole can hardly be performed. Considering these factors, it is desirable to use water retention mainly based on chemical adsorption rather than water retention based on physical adsorption due to the porosity of the resin.

【0025】保水性樹脂は、親水性基であるカルボキシ
ル基、ヒドロキシ基、4級アミノ基およびスルホン酸基
からなる群から選択される1またはそれ以上の基を保有
する樹脂が好ましく、酸、塩基等の影響が少ないヒドロ
キシ基を有する樹脂が特に好ましい。
The water-retaining resin is preferably a resin having one or more groups selected from the group consisting of a hydrophilic group such as a carboxyl group, a hydroxy group, a quaternary amino group and a sulfonic acid group, and an acid or a base. A resin having a hydroxy group that is less affected by the above is particularly preferable.

【0026】保水性樹脂の水酸化度が2より小さい場
合、十分な保水性が得られず、逆に50を超えると、保
水層全体の膨潤が無視できなくなり、貫通孔を圧迫する
おそれがあるため、保水性樹脂成分の水酸化度は2〜5
0の範囲が好ましい。
When the degree of hydroxylation of the water-retaining resin is less than 2, sufficient water retention cannot be obtained. On the contrary, when it exceeds 50, the swelling of the entire water-retaining layer cannot be ignored and the through holes may be pressed. Therefore, the water retention resin component has a degree of hydroxylation of 2 to 5
A range of 0 is preferred.

【0027】具体的には、保水性樹脂は、セルロース樹
脂、フェノール樹脂およびヒドロキシスチレン樹脂から
なる群から選択される1またはそれ以上の樹脂が好まし
い。
Specifically, the water-retaining resin is preferably one or more resins selected from the group consisting of cellulose resins, phenol resins and hydroxystyrene resins.

【0028】セルロース樹脂としては、セルロースの3
個のヒドロキシ基の一部または全部をハロゲン化アルキ
ル、ハロゲン化アリール、ハロゲン化ベンジル、酸化プ
ロピレン、ハロゲン化アルコール等によってエーテル化
して得られるものとして、アルキルセルロース(メチル
セルロース、エチルセルロース、プロピルセルロース、
ベンジルセルロース等)、ヒドロキシエチルセルロー
ス、アルキルヒドロキシアルキルセルロース(エチルヒ
ドロキシエチルセルロース、エチルヒドロキシプロピル
セルロース等)等が挙げられる。
As the cellulose resin, cellulose 3
Alkyl cellulose (methyl cellulose, ethyl cellulose, propyl cellulose, as a product obtained by etherifying a part or all of individual hydroxy groups with alkyl halide, aryl halide, benzyl halide, propylene oxide, halogenated alcohol, etc.
Benzyl cellulose, etc.), hydroxyethyl cellulose, alkyl hydroxyalkyl cellulose (ethyl hydroxyethyl cellulose, ethyl hydroxypropyl cellulose, etc.) and the like.

【0029】また同様に、セルロースの水酸基をモノク
ロロ酢酸またはそのアルカリ塩によってエーテル化して
得られるものとして、カルボキシメチルセルロース(C
MC)、セルロースのヒドロキシ基を酢酸等の酸または
酸無水物によってエステル化して得られるものとして酢
酸セルロース(セルロースアセテート)、プロピオン酸
セルロース、酪酸セルロース、酢酸酪酸セルロースおよ
びこれらセルロース誘導体の混合物、共重合体等が挙げ
られる。
Similarly, as a product obtained by etherifying hydroxyl groups of cellulose with monochloroacetic acid or its alkali salt, carboxymethyl cellulose (C
MC), cellulose acetate (cellulose acetate), cellulose propionate, cellulose butyrate, cellulose acetate butyrate, and mixtures of these cellulose derivatives, and copolymers obtained by esterifying the hydroxy group of cellulose with an acid such as acetic acid or an acid anhydride. Examples include coalescence.

【0030】特に、低級アルキル基(例えばメチル、エ
チル、プロピル基等)および芳香環で置換された低級ア
ルキル基(例えばベンジル基等)でエーテル化(アルコ
キシ化およびアラルコキシ化)されたアルキルセルロー
スは、光や水分の影響が少なく、熱的特性にも優れ(軟
化点120℃以上)、また逆に低温時でも柔軟性があ
り、機械的な強靭性もあるので、好ましい。ただし、ア
ルキルセルロース樹脂は、エーテル化度が95%以上で
は保水性が著しく悪くなり、40%以下では樹脂の柔軟
性が高すぎてのり状となり、形状維持自体が困難になる
ため、40%〜95%のエーテル化度が好ましい。ま
た、ハロゲン化アルキルアルコールとハロゲン化アルキ
ルを用いてセルロースの水酸化度を調整しながらエーテ
ル化させることにより、アルキルヒドロキシアルキルセ
ルロース等の樹脂を作製することも可能である。この場
合、ヒドロキシ基は、ハロゲン化アルキルアルコールか
らのヒドロキシ基と、セルロース本体のヒドロキシ基の
合計となる。
In particular, alkyl cellulose which is etherified (alkoxylated and aralkoxylated) with a lower alkyl group (eg, methyl, ethyl, propyl group, etc.) and a lower alkyl group substituted with an aromatic ring (eg, benzyl group) is It is preferable because it is less affected by light and moisture, has excellent thermal characteristics (softening point of 120 ° C. or higher), and is conversely flexible even at low temperatures and has mechanical toughness. However, when the degree of etherification of the alkyl cellulose resin is 95% or more, the water retaining property is remarkably deteriorated, and when it is 40% or less, the flexibility of the resin is too high to form a paste and it becomes difficult to maintain the shape itself. A degree of etherification of 95% is preferred. It is also possible to produce a resin such as an alkyl hydroxyalkyl cellulose by etherifying a cellulose with a halogenated alkyl alcohol and an alkyl halide while adjusting the degree of hydroxylation of the cellulose. In this case, the hydroxy groups are the sum of the hydroxy groups from the halogenated alkyl alcohol and the hydroxy groups of the cellulose body.

【0031】フェノール樹脂の原料としては、特殊なも
のはなく、フェノールおよびフェノールの低級アルキ
ル、アルコキシ置換体等、一般的に広く使用されるもの
でよい。また、フェノール樹脂は製造法(フェノール/
ホルマリンの比率、触媒の種類)の違いにより、ノボラ
ック樹脂とレゾール樹脂の2種類に大別される。特に、
前者は、付加反応−縮合反応を交互に繰り返し、下式の
脱水反応を経て、下式右の構造式のように組成の安定し
た構造となる。ノボラック樹脂は、熱的安定性(寸法安
定性)および機械的強度が非常に高い。したがって、フ
ェノール樹脂としては、ノボラック樹脂が好ましい。
There are no special starting materials for the phenol resin, and generally widely used materials such as phenol and lower alkyl and alkoxy substitution products of phenol may be used. In addition, the phenol resin is manufactured by
Depending on the difference in the ratio of formalin and the type of catalyst), it is roughly classified into two types: novolac resin and resol resin. In particular,
The former repeats addition reaction-condensation reaction alternately and undergoes a dehydration reaction of the following formula, resulting in a structure with a stable composition as shown in the structural formula on the right side of the formula below. Novolac resins have very high thermal stability (dimensional stability) and mechanical strength. Therefore, the novolac resin is preferable as the phenol resin.

【0032】さらに、硬化剤としてヘキサメチレンテト
ラミン等を約1〜20%程度添加して重合させると、架
橋により硬化樹脂を形成し、寸法安定性がさらに向上す
る。
Further, when about 1 to 20% of hexamethylenetetramine or the like is added as a curing agent and polymerized, a cured resin is formed by crosslinking and the dimensional stability is further improved.

【0033】[0033]

【化1】 [Chemical 1]

【0034】ヒドロキシスチレン樹脂としては、近年L
SI用フォトレジストとして多く用いられているものを
使用することができる。なかでも、ヒドロキシスチレン
樹脂としては、ヒドロキシスチレンとブタジエンとの共
重合体が好ましい。ヒドロキシスチレン樹脂は、ヒドロ
キシスチレンと、ブタジエン、アクリロニトリル、ブチ
ルメタクリレート等と共重合させることにより、さらに
膜強度を高めることができる。中でもヒドロキシスチレ
ンと、ブタジエンおよびアクリロニトリルとの共重合体
が特に好ましい。前記共重合体のヒドロキシスチレン樹
脂に対する割合は、保水率を考慮すると50%モル以下
が好ましい。
Recently, as a hydroxystyrene resin, L
It is possible to use a photoresist that is widely used as a photoresist for SI. Among them, the hydroxystyrene resin is preferably a copolymer of hydroxystyrene and butadiene. The hydroxystyrene resin can further increase the film strength by copolymerizing hydroxystyrene with butadiene, acrylonitrile, butyl methacrylate or the like. Among them, a copolymer of hydroxystyrene, butadiene and acrylonitrile is particularly preferable. The ratio of the copolymer to the hydroxystyrene resin is preferably 50% mol or less in consideration of the water retention rate.

【0035】セルロース樹脂、フェノール樹脂およびヒ
ドロキシスチレン樹脂は、固体高分子型燃料電池のセル
作動温度60〜90℃程度の環境下においても加水分解
し難い特性を持つ。さらに、該樹脂の保水体構造が熱や
水分などの外的要因によって劣化することを防ぐと同時
に、形状をより安定化させるためには、架橋されて保水
性樹脂が三次元架橋樹脂であるのが好ましい。
Cellulose resin, phenol resin and hydroxystyrene resin have the property that they are difficult to hydrolyze even in the environment of the cell operating temperature of the polymer electrolyte fuel cell of about 60 to 90 ° C. Furthermore, in order to prevent the water retention structure of the resin from deteriorating due to external factors such as heat and moisture, and at the same time, to stabilize the shape, the water retention resin is crosslinked and the water retention resin is a three-dimensional crosslinked resin. Is preferred.

【0036】三次元架橋樹脂としては、熱硬化性樹脂お
よび熱可塑性樹脂のいずれでもよいが、長期使用後にお
ける膜の保水性の維持および温度変化の繰り返しに対す
る安定性等を考慮すると、熱硬化性樹脂が好ましい。
The three-dimensional cross-linking resin may be either a thermosetting resin or a thermoplastic resin, but in view of maintaining the water retention of the film after long-term use and stability against repeated temperature changes, the thermosetting resin Resins are preferred.

【0037】架橋方法としては、例えばアルキルセルロ
ースを合成する際に、ハロゲン化アルキル化合物の一部
を2価のハロゲン化アルキル化合物(例えばジクロロエ
タン)に替えてオートクレーブ中で反応させる方法があ
る。また、前記アルキルセルロース樹脂へのジイソシア
ネート化合物の添加による方法や、オルガノニュム化合
物の添加による方法もある。該オルガノニュム化合物は
ヒドロキシ基との反応性が高く、かつ架橋による保水性
の低下も少ないので、架橋剤として好ましい。該架橋剤
としては、ヘキサメチレンジイソシアネート、p−フェ
ニレンジイソシアネート、ヘキサメチレンテトラミンな
どを用いることができる。架橋反応は、保水性樹脂中の
全ヒドロキシ基の数に対して5〜50%が架橋されるの
が好ましい。したがって、架橋剤の樹脂に対する添加
は、上記の架橋割合が得られるような量で添加されるの
が好ましい。
As a cross-linking method, for example, when synthesizing an alkyl cellulose, a part of the alkyl halide compound is replaced with a divalent alkyl halide compound (for example, dichloroethane) and the reaction is carried out in an autoclave. There is also a method of adding a diisocyanate compound to the above-mentioned alkyl cellulose resin and a method of adding an organo compound. The organo compound is preferable as a cross-linking agent because it has a high reactivity with a hydroxy group and a decrease in water retention due to cross-linking is small. As the cross-linking agent, hexamethylene diisocyanate, p-phenylene diisocyanate, hexamethylene tetramine and the like can be used. In the crosslinking reaction, it is preferable that 5 to 50% of the total number of hydroxy groups in the water retentive resin is crosslinked. Therefore, it is preferable to add the crosslinking agent to the resin in such an amount that the above-mentioned crosslinking ratio is obtained.

【0038】保水層は電極に直接接しており、本発明の
燃料電池が集電体を備えるときには保水層は集電体に接
しているのが好ましい。この際、保水層を介して電極か
ら集電体へと電荷が移動することで外部回路に電流を取
り出すことができる。したがって、保水層における内部
抵抗を低減する必要があるので、導電性材料を主成分と
して配合することにより導電性の向上が達成できる。こ
れにより、燃料電池出力電圧の低下を最小限に抑えて、
燃料電池の発電効率を向上させることができる。
The water retaining layer is in direct contact with the electrode, and when the fuel cell of the present invention has a current collector, the water retaining layer is preferably in contact with the current collector. At this time, an electric current can be taken out to an external circuit by moving the electric charge from the electrode to the current collector through the water retention layer. Therefore, since it is necessary to reduce the internal resistance in the water retention layer, it is possible to improve the conductivity by blending the conductive material as the main component. This minimizes the drop in fuel cell output voltage,
The power generation efficiency of the fuel cell can be improved.

【0039】導電性材料としては、導電性カーボンブラ
ック、黒鉛(グラファイト)、活性炭、各種金属などを
用いることができる。そのうち、導電性カーボンブラッ
クを用いるのが好ましい。導電性カーボンブラックとし
ては、アセチレンブラック等が上げられ、通常市販され
ているカーボンブラックを用いることができるが、特に
導電性の良好なソフトカーボン系のカーボンブラックが
好ましい。カーボンブラックの導電性の判断基準とし
て、カーボンブラックのヨウ素吸着量を用いることがで
きる。このヨウ素吸着量はJIS:K−1469−84
の測定法で測定され、導電性カーボンブラックは100
以上のヨウ素吸着量を有するのが好ましい。黒鉛の中で
も、ポーラス型黒鉛、近年軸受け合金用等に開発された
コロイド型黒鉛(粒径:約0.8μm)は、特に導電性
が高いので好ましい。
As the conductive material, conductive carbon black, graphite, activated carbon, various metals and the like can be used. Of these, conductive carbon black is preferably used. As the conductive carbon black, acetylene black and the like can be used, and carbon black that is usually commercially available can be used, but soft carbon carbon black having particularly good conductivity is particularly preferable. The iodine adsorption amount of carbon black can be used as a criterion for determining the conductivity of carbon black. This iodine adsorption amount is JIS: K-1469-84.
Conductive carbon black is 100
It is preferable to have the above iodine adsorption amount. Among graphite, porous graphite and colloidal graphite (particle size: about 0.8 μm) recently developed for bearing alloys and the like are particularly preferable because they have high conductivity.

【0040】導電性材料は、保水層全体に対して約50
〜95重量%の割合で含有されるのが好ましい。この割
合で導電性材料が含有されると、形態的に安定であり、
保水性を損なわず、かつ導電性の高い保水層を作製する
ことができる。導電性材料の重量比率が50%以下にな
ると、保水層の比抵抗が急激に増加するため、電極−集
電体間の内部抵抗損失の増大により出力電圧が低下して
しまう。また、重量比率が95%を超えると保水層成形
の際に欠けや巣が発生し、膜形態の維持および加工が困
難となる。したがって、この重量割合で導電性材料を含
有することで、電極から集電体への電流の流れを保水層
が阻害することなく、内部電圧降下の小さい燃料電池を
構成することができる。
The conductive material is about 50 for the entire water retention layer.
It is preferably contained in a proportion of ˜95% by weight. When the conductive material is contained in this proportion, it is morphologically stable,
It is possible to produce a water retaining layer having high conductivity without impairing water retaining ability. When the weight ratio of the conductive material is 50% or less, the specific resistance of the water retaining layer rapidly increases, and the internal resistance loss between the electrode and the current collector increases, so that the output voltage decreases. On the other hand, if the weight ratio exceeds 95%, chips or cavities occur during the formation of the water retention layer, making it difficult to maintain and process the film form. Therefore, by containing the conductive material in this weight ratio, the fuel cell having a small internal voltage drop can be configured without the water retaining layer hindering the current flow from the electrode to the current collector.

【0041】セルロース樹脂およびヒドロキシスチレン
樹脂のような熱可塑性樹脂を用いる場合、保水層は、約
5〜50重量%の保水性樹脂と、任意に架橋剤とを、適
当な有機溶媒(例えばメタノールやエタノールのような
アルコール、酢酸エチル、N−メチルピロリドン、テト
ラヒドロフラン等)に溶解させ、その溶液中に約95〜
50重量%のカーボンブラックのような導電性材料を分
散させ、その分散液をアプリケーター方式やスプレー方
式等で保水層を作製する側の電極の上に一様に塗布し、
約100〜200℃の温度で約10分〜2時間加熱乾燥
して作製される。
When a thermoplastic resin such as a cellulose resin and a hydroxystyrene resin is used, the water-retaining layer contains about 5 to 50% by weight of the water-retaining resin and optionally a cross-linking agent, and a suitable organic solvent (for example, methanol or Alcohol such as ethanol, ethyl acetate, N-methylpyrrolidone, tetrahydrofuran, etc.) and dissolved in the solution to about 95-
A conductive material such as 50% by weight of carbon black is dispersed, and the dispersion is uniformly applied onto the electrode on the side where the water retaining layer is formed by an applicator method or a spray method,
It is prepared by heating and drying at a temperature of about 100 to 200 ° C. for about 10 minutes to 2 hours.

【0042】フェノール樹脂のような熱硬化性樹脂の場
合も、前記と同様の方法で得た樹脂ペーストを電極上に
塗布・乾燥して作製される。作製された保水層は、約5
〜500μm、好ましくは約100〜300μmの厚さ
を有する薄膜である。
Also in the case of a thermosetting resin such as a phenol resin, a resin paste obtained by the same method as described above is applied and dried on the electrode. The created water retention layer is about 5
A thin film having a thickness of ˜500 μm, preferably about 100-300 μm.

【0043】保水層は、全て塗布、乾燥(架橋)など比
較的単純で低コストなプロセスを用いて電極上に作製可
能であるため、電極に保水層を追加することによる燃料
電池セル製造コストの増加を最小限に抑えることができ
る。なお、電極面と保水層の接合は、保水層に含まれる
保水性樹脂の持っている化学的な特性(吸着基の保持)
による接合と、電極の表面状態による機械的接合のいず
れか、または両方によってもよい。
Since the water retention layer can be produced on the electrode by a relatively simple and low-cost process such as coating and drying (crosslinking), the production cost of the fuel battery cell can be reduced by adding the water retention layer to the electrode. The increase can be minimized. The bonding between the electrode surface and the water retention layer is the chemical property of the water retention resin contained in the water retention layer (retention of adsorption groups).
It is also possible to use either or both of the joining by the method and the mechanical joining depending on the surface condition of the electrode.

【0044】保水層には、酸化剤流路から酸化剤極ま
で、および/または燃料流路から燃料極までガスが導通
できるような貫通孔を有する。例えば酸化剤流路から酸
化剤極まで貫通孔が作製されている際、貫通孔は酸化剤
流路から供給されるガスを保水層を通過して、スムーズ
に燃料電池反応の生じている固体電解質膜側に送りだす
機能を有する。
The water-retaining layer has through-holes through which gas can be conducted from the oxidant channel to the oxidant electrode and / or from the fuel channel to the fuel electrode. For example, when a through-hole is formed from the oxidant channel to the oxidant electrode, the through-hole allows the gas supplied from the oxidant channel to pass through the water retention layer to smoothly cause the solid electrolyte in the fuel cell reaction. It has the function of sending it to the membrane side.

【0045】貫通孔の孔径が小さければ小さいほど、撥
水性処理された貫通孔内に水分が侵入し難くなりガス透
過性が改善されるが、貫通孔を作製するためのレーザー
アブレーション法において用いるフッ化アルゴンエキシ
マレーザーやフッ化クリプトンエキシマレーザーの使用
可能な最小口径(ピーク点強度の1/e2までの範囲)
は0.01mmであるため、貫通孔を形成する時に用い
るレーザー口径は0.01mmより大きい必要がある。
したがって、貫通孔の孔径は、約0.01mmよりも大
きいのが好ましい。
The smaller the diameter of the through holes, the more difficult it is for moisture to enter the through holes that have been subjected to the water repellent treatment, and the gas permeability is improved. However, the fluorine ablation method used for producing the through holes is improved. Argon Excimer Laser and Krypton Fluoride Excimer Laser can be used with the smallest aperture (range up to 1 / e 2 of peak intensity)
Is 0.01 mm, the laser aperture used when forming the through hole must be larger than 0.01 mm.
Therefore, the hole diameter of the through hole is preferably larger than about 0.01 mm.

【0046】一方、燃料電池セルの出力電流が大きく、
酸化剤極で生成する水量が多く貫通孔内部に水が滞留す
る場合がある。水滴の接する表面の撥水性の度合いを示
す後退接触角が180°に近い超撥水性表面において
は、水滴の最大直径は1.8〜2.2mmであることが
知られている。したがって、2mm以上の孔径の貫通孔
を形成した場合、全ての水滴が貫通孔内に侵入できるの
で、貫通孔内に水滴が滞留してしまい、貫通孔をガスが
透過し難くなる。よって、貫通孔の孔径は、約2mmよ
り小さいのが好ましい。貫通孔の孔径は、したがって約
0.01mmより大きく、約2mmより小さく、より好
ましくは約0.1〜1mm、さらに好ましくは約0.4
〜0.6mmである。
On the other hand, the output current of the fuel cell is large,
A large amount of water is generated at the oxidizer electrode, and water may stay inside the through holes. It is known that the maximum diameter of a water drop is 1.8 to 2.2 mm on a super water-repellent surface having a receding contact angle close to 180 °, which indicates the degree of water repellency of the surface in contact with the water drop. Therefore, when a through hole having a hole diameter of 2 mm or more is formed, all water droplets can enter the through hole, so that the water droplet stays in the through hole, and it becomes difficult for gas to pass through the through hole. Therefore, the diameter of the through hole is preferably smaller than about 2 mm. The diameter of the through-holes is therefore greater than about 0.01 mm, less than about 2 mm, more preferably about 0.1-1 mm, even more preferably about 0.4 mm.
~ 0.6 mm.

【0047】貫通孔の形成には、レーザーアブレーショ
ン法を用いることができる。レーザーアブレーション法
によれば、保水層の材料と下地の酸化剤極の材料の、レ
ーザービームの吸収係数の差を利用して、レーザー光で
保水層をエッチングすることにより、酸化剤極の上に保
水層が積層された状態でも、保水層のみに選択的に孔を
形成することができる。したがって、下地の酸化剤極が
損傷を受けることがなく、レーザー照射により短時間に
保水層のみを貫通する孔を作製できる。
A laser ablation method can be used to form the through holes. According to the laser ablation method, by utilizing the difference in the absorption coefficient of the laser beam between the material of the water retention layer and the material of the underlying oxidant electrode, the water retention layer is etched by the laser beam, and Even when the water retaining layer is laminated, the holes can be selectively formed only in the water retaining layer. Therefore, the underlying oxidant electrode is not damaged, and the holes that penetrate only the water retention layer can be formed in a short time by laser irradiation.

【0048】レーザーアブレーション法において、レー
ザー光源としてはフッ化アルゴンエキシマレーザー(波
長193nm)やフッ化クリプトンエキシマレーザー
(波長248nm)を用いる。レーザービームは、スフ
ェリカル(球状)レンズまたはシリンドリカル(円柱
状)レンズを用いて0.01〜2mm程度の焦点口径
で、前記保水層に照射する。保水層(電解質膜および電
極と一体化したもの)は、ステージに固定されており、
ステージ側を0.6〜3mmの範囲の所定のステップで
移動させてレーザーを照射し、多数の貫通孔を保水層に
形成する。スフェリカルレンズを用いると円形に近い形
状の孔が形成されるが、シリンドリカルレンズを用いれ
ば、スリット状もしくは任意の矩形状の孔を作製するこ
とも可能である。
In the laser ablation method, an argon fluoride excimer laser (wavelength 193 nm) or a krypton fluoride excimer laser (wavelength 248 nm) is used as a laser light source. The laser beam is applied to the water retaining layer with a focal aperture of about 0.01 to 2 mm using a spherical (spherical) lens or a cylindrical (cylindrical) lens. The water retention layer (which is integrated with the electrolyte membrane and the electrode) is fixed to the stage,
The stage side is moved in a predetermined step within the range of 0.6 to 3 mm and laser irradiation is performed to form a large number of through holes in the water retention layer. If a spherical lens is used, a hole having a shape close to a circle is formed, but if a cylindrical lens is used, it is possible to make a slit-shaped or arbitrary rectangular hole.

【0049】燃料電池運転時には、酸化剤極においては
水が生成するため、水分が過剰となると保水層の貫通孔
が水で塞がれて、ガスの通り道が遮断されるおそれがあ
る。これを防ぐために、保水層の貫通孔の内部表面が、
撥水性処理されているのが好ましい。撥水性処理として
は、撥水性樹脂の被膜を施すことが挙げられる。貫通孔
の内部に撥水性樹脂の被膜を施すと、貫通孔の内部表面
が濡れにくくなる。したがって、撥水性表面上では貫通
孔内の水分は水滴を形成し、重力にしたがってガス流路
へ容易に排出されるため、ガスがスムーズに貫通孔を通
過できるようになる。
Since water is produced at the oxidizer electrode during operation of the fuel cell, if the water content becomes excessive, the through holes of the water retaining layer may be clogged with water and the gas passage may be blocked. In order to prevent this, the inner surface of the through hole of the water retention layer
It is preferably water repellent. Examples of the water repellent treatment include applying a coating of a water repellent resin. When the coating of the water-repellent resin is applied to the inside of the through hole, the inner surface of the through hole becomes difficult to wet. Therefore, on the water-repellent surface, the water in the through holes forms water droplets and is easily discharged to the gas flow path according to gravity, so that the gas can smoothly pass through the through holes.

【0050】代表的な撥水性樹脂としては、エチレンの
水素の少なくとも1つがフッ素に置換された単量体(フ
ルオロエチレン)から構成されたポリエチレンが挙げら
れる。具体的には、フッ化ビニリデン、フッ化ビニレン
等の単独重合体および、これらとエチレン、プロピレ
ン、塩化ビニリデン等との共重合体が挙げられる。中で
もフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンの共重
合体が好ましい。用いる撥水性樹脂は、1種類またはそ
れ以上の共重合体の混合物であってもよい。
As a typical water-repellent resin, there may be mentioned polyethylene composed of a monomer (fluoroethylene) in which at least one hydrogen of ethylene is replaced by fluorine. Specific examples thereof include homopolymers such as vinylidene fluoride and vinylene fluoride, and copolymers thereof with ethylene, propylene, vinylidene chloride and the like. Of these, a copolymer of vinylidene fluoride and hexafluoropropylene is preferable. The water-repellent resin used may be a mixture of one or more copolymers.

【0051】撥水性樹脂の被膜を形成するためには、撥
水性樹脂の溶液を塗布しその後樹脂を安定化させる方法
を用いることができる。この方法のためには、ジメチル
ホルミアミド(DMF)、ジメチルアセトアミド、ジエ
チレングリコールのような有機溶媒に溶解しやすく、そ
の溶液を調製しやすい共重合体を撥水性樹脂として用い
るのが好ましい。
In order to form the coating film of the water-repellent resin, a method of applying a solution of the water-repellent resin and then stabilizing the resin can be used. For this method, it is preferable to use a copolymer as the water-repellent resin, which is easily dissolved in an organic solvent such as dimethylformamide (DMF), dimethylacetamide, or diethylene glycol and whose solution is easily prepared.

【0052】貫通孔内部への撥水性樹脂を塗布する方法
としては、注射針の先端にウレタン発泡体を備えた特殊
な注射器を用いて、貫通孔内に直接撥水性樹脂の溶液を
注入する方法を用いることができる。詳細には、この方
法により、貫通孔に挿入した注射針から樹脂の溶液を射
出することによりウレタン発泡体を溶液で含浸させ、そ
のウレタン発泡体を介して樹脂の溶液を貫通孔内部壁面
に塗布する。この方法によると、貫通孔以外の箇所に撥
水性樹脂の被膜が形成されないので、保水層の全体に撥
水性樹脂の被膜が形成されて水分を全く透過しなくなる
おそれはない。
As a method of applying the water-repellent resin to the inside of the through-hole, a method of directly injecting the solution of the water-repellent resin into the through-hole using a special syringe having a urethane foam at the tip of an injection needle. Can be used. Specifically, by this method, a urethane solution is impregnated with the solution by injecting a resin solution from an injection needle inserted into the through hole, and the resin solution is applied to the inner wall surface of the through hole through the urethane foam. To do. According to this method, since the water-repellent resin film is not formed on the portions other than the through holes, there is no possibility that the water-repellent resin film is formed on the entire water-retaining layer and water is not transmitted at all.

【0053】貫通孔内部に塗布された撥水性樹脂を安定
化させるには、紫外線または熱等で樹脂を架橋させる方
法を用いることができる。撥水性樹脂の被膜は、前記の
DMF等の有機溶媒中に撥水性樹脂を溶液濃度5〜20
重量%で溶解させたものを、貫通孔内部へ上記のように
して塗布し、約50〜200℃で約1〜5時間加熱乾燥
して作製する。
In order to stabilize the water-repellent resin applied inside the through-hole, a method of crosslinking the resin with ultraviolet rays or heat can be used. The coating film of the water-repellent resin has a solution concentration of 5 to 20 in the organic solvent such as DMF.
What was melt | dissolved by weight% is apply | coated to the inside of a through-hole as mentioned above, and it heat-drys at about 50-200 degreeC for about 1-5 hours, and is produced.

【0054】上記工程の後に保水層の貫通孔に形成され
た撥水性樹脂の被膜の形態を、図5(a)に示す。保水
層7の貫通孔8には撥水性樹脂の被膜11が形成され、
貫通孔8の孔径は狭くなるか、または孔が封鎖される。
したがって再度レーザー光で貫通孔内部をエッチングし
撥水性樹脂の被膜の一部を除去して、図5(b)に示す
ように撥水性樹脂の被膜で被覆された貫通孔を得る。
The form of the water-repellent resin film formed in the through holes of the water retaining layer after the above steps is shown in FIG. 5 (a). A water-repellent resin film 11 is formed in the through hole 8 of the water retention layer 7,
The diameter of the through hole 8 is narrowed or the hole is blocked.
Therefore, the inside of the through hole is again etched with laser light to remove a part of the water-repellent resin coating film, thereby obtaining the through-hole covered with the water repellent resin coating film as shown in FIG. 5B.

【0055】再度レーザー光で貫通孔内部をエッチング
するのは、狭くなったり塞がれた貫通孔を広げ、一定の
貫通孔の孔径を確保するためである。再度のエッチング
により、作製した撥水性樹脂の被膜を貫通孔内部壁面に
残しながら貫通孔の孔径を広げるためには、エッチング
の際に用いるレーザ光のレーザー口径を、最初に貫通孔
を形成した時に用いたものより小さくする必要がある。
The reason why the inside of the through hole is etched again with laser light is to widen the narrowed or blocked through hole and secure a constant diameter of the through hole. In order to increase the hole diameter of the through hole while leaving the produced water-repellent resin coating on the inner wall surface of the through hole by etching again, the laser diameter of the laser beam used during etching is set to the value when the through hole is first formed. It should be smaller than the one used.

【0056】再度貫通孔内部をエッチングした後に得ら
れる保水層の孔径は、好ましくは約0.01〜2mm、
より好ましくは約0.1〜1mm、さらに好ましくは約
0.4〜0.6mmである。
The pore diameter of the water retaining layer obtained after etching the inside of the through hole again is preferably about 0.01 to 2 mm,
It is more preferably about 0.1 to 1 mm, and even more preferably about 0.4 to 0.6 mm.

【0057】ガス透過性に関すれば、貫通孔の保水層全
体に占める体積割合が大きいほど望ましいが、該体積割
合が50%を超えると、電極と保水層との密着性が低下
すると共に、保水層自体の形状維持が困難となる。ま
た、該体積割合が10%未満になると、ガス流路から電
極側を臨む見かけのガス透過可能遮断面積が減少するこ
とによるガス透過度の低下の寄与が、保水層の吸水効果
を用いた電極表面からの水分除去によるガス透過度向上
の寄与を相殺する。したがって、該割合が10%未満に
なると、電極上に保水層を設置しない場合よりも、逆に
ガス透過度が低下する。したがって、該割合は10%以
上50%以下が好ましい。
In terms of gas permeability, it is desirable that the volume ratio of the through holes to the entire water retention layer is larger, but if the volume ratio exceeds 50%, the adhesion between the electrode and the water retention layer is reduced, and It becomes difficult to maintain the shape of the water retention layer itself. Further, when the volume ratio is less than 10%, the apparent gas-permeable blockage area facing the electrode side from the gas flow channel is reduced, which contributes to the reduction in gas permeability, which contributes to the reduction in gas permeability of the electrode. This offsets the contribution of improving the gas permeability by removing water from the surface. Therefore, when the ratio is less than 10%, the gas permeability is lower than that in the case where the water retention layer is not provided on the electrode. Therefore, the ratio is preferably 10% or more and 50% or less.

【0058】保水層の貫通孔は、燃料流路側の孔径が燃
料極側の孔径よりも大きい、および/または酸化剤流路
側の孔径が酸化剤極側の孔径よりも大きいすり鉢形であ
ることが好ましい。これは、燃料流路側の孔径と燃料極
側の孔径が同じ、および/または酸化剤流路側の孔径と
酸化剤極側の孔径が同じ場合、すなわち貫通孔が円筒形
である場合には、水滴の表面張力のため貫通孔内に水分
が滞留しやすいからである。
The through-holes of the water retention layer may be mortar-shaped with the hole diameter on the fuel flow path side larger than the hole diameter on the fuel electrode side and / or the hole diameter on the oxidant flow path side larger than the hole diameter on the oxidant electrode side. preferable. This is because if the hole diameter on the fuel channel side and the hole diameter on the fuel electrode side are the same, and / or the hole diameter on the oxidant channel side and the hole diameter on the oxidant electrode side are the same, that is, if the through holes are cylindrical, This is because water is likely to stay in the through holes due to the surface tension of.

【0059】具体的には図4を用いて説明する。図4
中、1は固体高分子電解質膜、3は酸化剤極、7は保水
層、8は貫通孔および10は水分を示す。毛管力Fは、
その毛管の孔径rに反比例する。したがって、図4
(a)に示すような円筒形貫通孔の場合、孔径rが一定
のため貫通孔内の毛管力Fは一様である。一方、図4
(b)に示すようなすり鉢形貫通孔の場合、酸化剤流路
側に向かうにつれて孔径rは大きくなるため、毛管力F
は減少し、貫通孔内壁への水分付着が減る。したがっ
て、貫通孔をすり鉢形にすることにより、孔の毛管力F
を低減し、孔内への水分滞留を減らすことができる。ま
た、貫通孔内に水分が滞留していない場合には、酸化剤
流路側の孔径を大きくしてあるので、貫通孔8内に酸化
剤ガスが滞留し難く、新鮮な酸化剤ガスがスムーズに貫
通孔8内に侵入し、酸化剤極3に供給されるため、電極
へのガス供給状態がさらに改善されるという効果も得ら
れる。
The details will be described with reference to FIG. Figure 4
Inside, 1 is a solid polymer electrolyte membrane, 3 is an oxidizer electrode, 7 is a water retention layer, 8 is a through hole, and 10 is water. Capillary force F is
It is inversely proportional to the pore diameter r of the capillary. Therefore, FIG.
In the case of the cylindrical through hole as shown in (a), since the hole diameter r is constant, the capillary force F in the through hole is uniform. On the other hand, FIG.
In the case of the mortar-shaped through hole as shown in (b), since the hole diameter r increases toward the oxidant flow path side, the capillary force F
Is reduced, and moisture adhesion to the inner wall of the through hole is reduced. Therefore, by forming the through hole into a mortar shape, the capillary force F of the hole is increased.
And the retention of water in the pores can be reduced. Further, when the water does not stay in the through hole, the hole diameter on the oxidant channel side is made large, so that the oxidant gas does not easily stay in the through hole 8 and the fresh oxidant gas smoothly flows. Since it penetrates into the through holes 8 and is supplied to the oxidizer electrode 3, there is also an effect that the gas supply state to the electrodes is further improved.

【0060】また、保水層が過剰水分の除去を効率よく
行うためには、電極との密着性が重要であるが、すり鉢
形の貫通孔は、電極側孔径が小さいので、保水層と電極
との接触面積を大きくとれる。したがって、過剰水分の
除去能力が改善されるとともに、保水層が電極から剥離
し難くなり長期耐久性が向上する。
Further, in order for the water retaining layer to remove excess water efficiently, the adhesion to the electrode is important, but since the mortar-shaped through hole has a small electrode side hole diameter, The contact area can be increased. Therefore, the ability to remove excess water is improved, and the water retention layer is less likely to be peeled off from the electrode, improving long-term durability.

【0061】保水層に貫通孔を形成する別の方法として
は、貫通孔を有する保水層を別途作製した後、任意に貫
通孔の内部表面を上述のように撥水処理し、その保水層
を電極上に載せることにより上記と同様の構造を有する
燃料電池を作製することもできる。この方式では、保水
層の吸水効果による電極表面の水分の除去を効果的に行
うために、電極と保水層を密着させる必要がある。電極
と保水層を密着させるためには、電極上に保水層を載
せ、保水層の上にさらに不織布を重ねて保水層と電極を
不織布で挟みこむ方法が使用できる。
As another method of forming the through-holes in the water-retaining layer, a water-retaining layer having the through-holes is separately prepared, and then the inner surface of the through-hole is optionally subjected to the water repellent treatment as described above to form the water-retaining layer. A fuel cell having the same structure as the above can also be manufactured by placing it on the electrode. In this method, in order to effectively remove the water on the electrode surface by the water absorption effect of the water retaining layer, it is necessary to bring the electrode and the water retaining layer into close contact with each other. In order to bring the electrode and the water retaining layer into close contact with each other, a method of placing a water retaining layer on the electrode, stacking a nonwoven fabric on the water retaining layer, and sandwiching the water retaining layer and the electrode with the nonwoven fabric can be used.

【0062】燃料極、電解質層、酸化剤極および保水層
を積層してなる燃料電池は、さらにその積層の上面と下
面の両方から集電体により挾持されてもよい。集電体
は、ポーラスカ−ボン等、多孔質でガス透過性を有する
材料から形成される。燃料側の集電体には、燃料流路が
形成されて、酸化剤極側の集電体には、酸化剤流路であ
ると共に酸化剤極で生成する水分を集める流路である酸
化剤流路が形成されていると、別個に燃料流路や酸化剤
流路を形成する必要がないので、燃料電池を薄層化する
ことができ、好ましい。
A fuel cell in which a fuel electrode, an electrolyte layer, an oxidizer electrode and a water retaining layer are laminated may be held by a current collector from both the upper surface and the lower surface of the lamination. The current collector is made of a porous material having gas permeability, such as porous carbon. A fuel flow path is formed in the current collector on the fuel side, and an oxidizer that is a flow path for collecting water generated at the oxidizer electrode is formed in the current collector on the oxidizer electrode side. When the flow channel is formed, it is not necessary to separately form the fuel flow channel and the oxidant flow channel, and therefore the fuel cell can be thinned, which is preferable.

【0063】本発明の燃料電池は、さらにセパレータを
備える。セパレータは金属板またはグラファイトなど、
燃料および酸化剤ガスが通過しないものであればよい。
ステンレスなどの金属からなるセパレータは加工しやす
いため好ましい。一方、燃料が容易に金属を脆弱化させ
る気体であるとき、比較的容易に溝加工を行えて、脆化
されにくいグラッシーカーボンなどからなるセパレータ
が好ましい。
The fuel cell of the present invention further comprises a separator. The separator is a metal plate or graphite,
It is sufficient if the fuel and the oxidant gas do not pass through.
A separator made of a metal such as stainless steel is preferable because it is easy to process. On the other hand, when the fuel is a gas that easily weakens the metal, it is preferable to use a separator made of glassy carbon or the like, which can be grooved relatively easily and is not easily embrittled.

【0064】燃料極に供給される燃料としては、燃料電
池のタイプにより気体燃料と液体燃料に分けられる。一
般的に、気体燃料としては水素ガス、液体燃料としては
メタノールが使用される。
The fuel supplied to the fuel electrode is classified into gaseous fuel and liquid fuel depending on the type of fuel cell. Generally, hydrogen gas is used as the gaseous fuel and methanol is used as the liquid fuel.

【実施例】以下、本発明を詳細に説明する。なお、以下
の実施例は一般的なものであり、本発明はこれに限るも
のではない。実施例1 2枚のグラファイト電極シート(膜厚400μm)で、
固体高分子電解質膜(米国デュポン社製、商品名ナフィ
オン(Nafion)117、膜厚170μm)1を挟み、2
00kg/cm2程度の加圧下、150℃で60秒間ホ
ットプレスして、燃料極2および酸化剤極3と、固体高
分子電解質膜1とを接合および一体化して積層膜を得
た。保水層材料として、45重量%のベンジルセルロー
スと55重量%のアセチレンブラックおよび極微量のヘ
キサメチレンジイソシアネートをn−メチルピロリドン
に溶かし(固形分10重量%残存)、前記の工程により
得られた積層膜の酸化剤極面側に一様に塗布しその後乾
燥(乾燥温度:150℃、30分)させ、膜厚100μ
mの保水層7を作製した。
The present invention will be described in detail below. The following examples are general ones, and the present invention is not limited to these. Example 1 Two graphite electrode sheets (film thickness 400 μm)
Solid polymer electrolyte membrane (DuPont, USA, Nafion 117, film thickness 170 μm) 1 sandwiched between 2
Hot pressing was performed at 150 ° C. for 60 seconds under a pressure of about 00 kg / cm 2 to join and integrate the fuel electrode 2 and the oxidizer electrode 3 with the solid polymer electrolyte membrane 1 to obtain a laminated membrane. As a water retention layer material, 45% by weight of benzyl cellulose, 55% by weight of acetylene black, and an extremely small amount of hexamethylene diisocyanate were dissolved in n-methylpyrrolidone (solid content 10% by weight remained), and the laminated film obtained by the above process Of the oxidizer on the electrode surface side and then dried (drying temperature: 150 ° C., 30 minutes) to obtain a film thickness of 100 μm.
m water retaining layer 7 was prepared.

【0065】次いで、保水層面上に、1.5mm間隔で
フッ化アルゴンエキシマレーザーを照射して貫通孔8を
作製した。レーザービームはスフェリカルレンズを用い
て口径0.5mmの円形の焦点として照射し、内径0.
4〜0.6mm程度の孔を保水層7に作製した。ここで
は、保水層を含む燃料電池セルは、ステージ上に固定さ
れており、マイクロメーターを用いて一定の間隔でステ
ージを動かすことにより複数の貫通孔を形成した。
Then, through holes 8 were formed on the surface of the water retaining layer by irradiating an argon fluoride excimer laser at intervals of 1.5 mm. The laser beam is emitted as a circular focus with a diameter of 0.5 mm by using a spherical lens, and the inner diameter is set to 0.
A hole having a size of about 4 to 0.6 mm was formed in the water retention layer 7. Here, the fuel cell unit including the water retention layer was fixed on the stage, and the plurality of through holes were formed by moving the stage at regular intervals using a micrometer.

【0066】実施例2〜7 表1に示す保水性樹脂、導電性材料およびその比率なら
びに架橋剤を用いた以外は、実施例1と同様に処理して
保水層を作製した。
Examples 2 to 7 A water retention layer was prepared in the same manner as in Example 1 except that the water retention resin, the conductive material and its ratio shown in Table 1 and the crosslinking agent were used.

【表1】 注:1)上記カーボンブラックのヨウ素吸着量(mg/
g)は、いずれも100を超えていた。 2)吸油量(cm3/100g)は、JIS K6221
−82吸油量B法を用いて測定した。
[Table 1] Note: 1) Iodine adsorption amount of the above carbon black (mg /
All of g) exceeded 100. 2) Oil absorption (cm 3 / 100g) is JIS K6221
-82 Oil absorption amount Measured using the B method.

【0067】このようにして得られたグラファイト電極
と保水層7との接合は、保水性樹脂の持っている化学的
な特性(吸着基の保持)による接合と、酸化剤極の表面
状態による機械的接合との複合型の接着性を示した。電
極および電解質一体型保水層に対して、室温(20℃、
湿度40%)の状態および高温多湿(80℃、湿度90
%)の環境に24時間曝した後、酸化剤ガス(O2)の
透過度を測定し、実施例1で保水層を作製しない電極お
よび電解質膜の一体型積層膜(比較例)と比較した。こ
れらの測定結果を、空孔率、膜厚とともに表2に示す。
ただし、ガス透過度は、保水層表面酸素を0.5atm
で導入し、通過したガス流量を石鹸膜流量計にて測定し
た。また、空孔率は、水銀ポロシメーターを用いて測定
し、膜厚は段差膜厚計を用いて測定した。各実施例の保
水層に水滴を乗せて接触角計で測定した後退接触角は、
実施例1〜7のいずれも20〜40°の範囲内であっ
た。
The graphite electrode thus obtained and the water-retaining layer 7 are joined to each other by the chemical properties of the water-retaining resin (holding of the adsorbing group) and the mechanical properties depending on the surface condition of the oxidizer electrode. It showed a composite type adhesiveness with dynamic bonding. Room temperature (20 ° C,
Humidity 40% and high temperature and humidity (80 ° C, humidity 90)
%), The permeability of the oxidant gas (O 2 ) was measured, and the result was compared with that of Example 1 in which the water retention layer was not formed and the integrated laminated membrane of the electrolyte membrane (Comparative Example). . The results of these measurements are shown in Table 2 together with the porosity and the film thickness.
However, the gas permeability is 0.5 atm for oxygen on the surface of the water retention layer.
The flow rate of the gas that was introduced and passed through was measured with a soap film flow meter. The porosity was measured using a mercury porosimeter, and the film thickness was measured using a step thickness meter. The receding contact angle measured by a contact angle meter with water drops placed on the water retention layer of each example is
All of Examples 1 to 7 were within the range of 20 to 40 °.

【0068】[0068]

【表2】 [Table 2]

【0069】表2の結果より、電極および電解質一体型
保水層のガス透過度を保水層を有さない比較例と比較す
ると、実施例1〜7の電極および電解質一体型保水層は
電極表面が保水層で覆われているため、20℃でのガス
透過度は比較例に比べて低いが、80℃では比較例に比
べてガス透過度が高い。すなわち、温度条件が変化して
も保水層を備えた電極および電解質一体型積層はガス透
過度があまり低下しない。これは、保水層の吸水効果に
より、保水層下地の電極における水滴滞留が低減された
ことにより、ガス透過性が改善されたことを示してい
る。
From the results shown in Table 2, comparing the gas permeability of the electrode- and electrolyte-integrated water retention layer with that of the comparative example having no water-retention layer, the electrode and electrolyte-integrated water retention layers of Examples 1 to 7 were Since it is covered with the water retention layer, the gas permeability at 20 ° C. is lower than that of the comparative example, but at 80 ° C., the gas permeability is higher than that of the comparative example. That is, even if the temperature condition changes, the gas permeability of the electrode and electrolyte-integrated laminate provided with the water retention layer does not decrease so much. This indicates that the water absorption effect of the water retention layer reduced the retention of water droplets at the electrode underlying the water retention layer, thus improving the gas permeability.

【0070】また、保水層膜厚が100μmより薄い場
合(実施例5)、80℃での透過度は20℃での値の5
6%に相当するが、100μmより厚い場合には(実施
例5以外)、80℃での透過度は20℃での値の70%
以上に相当する。したがって、100μm以上の膜厚を
有する保水層であれば、高温多湿状態における保水層の
ガス透過度低下を抑制することができる。
When the water retention layer film thickness is thinner than 100 μm (Example 5), the transmittance at 80 ° C. is 5 which is the value at 20 ° C.
6%, but when thicker than 100 μm (other than Example 5), the transmittance at 80 ° C. is 70% of the value at 20 ° C.
It corresponds to the above. Therefore, if the water retention layer has a film thickness of 100 μm or more, it is possible to suppress a decrease in gas permeability of the water retention layer in a high temperature and high humidity state.

【0071】また、実施例1〜7について、電極および
電解質一体型保水層のガス透過度と空孔率を比較する
と、20℃から80℃への温度変化によるガス透過度の
減少割合は、空孔率の減少割合とほぼ同程度であり、ガ
ス透過度の低下は空孔率の低下が主に寄与していると考
えられる。したがって、ガス透過度をより改善するため
には、貫通孔の空孔率向上、貫通孔内への水滴滞留を低
減することが重要である。これについては実施例9およ
び10において詳述する。
Further, when comparing the gas permeability and the porosity of the electrode and the electrolyte-integrated water retaining layer in Examples 1 to 7, the decrease rate of the gas permeability due to the temperature change from 20 ° C. to 80 ° C. It is almost the same as the reduction rate of porosity, and it is considered that the reduction of gas permeability is mainly due to the reduction of porosity. Therefore, in order to further improve the gas permeability, it is important to improve the porosity of the through holes and reduce the retention of water droplets in the through holes. This is detailed in Examples 9 and 10.

【0072】上記実施例2の電極および電解質一体型保
水層を、ガス流路を備えた集電体で挾持して備えた燃料
電池(図1参照)と、保水層なしの電極および電解質一
体型積層膜を、ガス流路を備えた集電体で挾持して備え
た燃料電池(図2参照)とに、0.5Mメタノール水溶
液を燃料として供給し、動作温度70℃の条件でセル特
性を測定した。保水層なしの燃料電池は限界電流密度1
00mA/cm2であるのに対し、保水層を備えた燃料
電池は110mA/cm2が得られた。したがって、保
水層形成により電極へのガス供給不足に起因する濃度分
極が減少して、出力電流密度の向上を図れることが確認
できた。
A fuel cell (see FIG. 1) in which the electrode and electrolyte-integrated water retention layer of Example 2 was sandwiched by a current collector having a gas flow path, and an electrode and electrolyte-integrated electrolyte without water retention layer A 0.5 M aqueous methanol solution was supplied as a fuel to a fuel cell (see FIG. 2) in which the laminated film was sandwiched by a current collector having a gas flow path, and the cell characteristics were changed under the operating temperature of 70 ° C. It was measured. Fuel cell without water retention layer has a limiting current density of 1
While it was 00 mA / cm 2 , the fuel cell provided with the water retention layer obtained 110 mA / cm 2 . Therefore, it was confirmed that the formation of the water retention layer reduces the concentration polarization due to the insufficient gas supply to the electrodes, and the output current density can be improved.

【0073】実施例8 実施例2で使用した導電性材料(B)の黒鉛(ポーラス
型)の保水層全体に対する重量比(B/(A+B))を
40〜100%まで変化させて保水層を作製し、前記比
率と比抵抗の関係を測定した。その結果を図3に示す。
ただし、黒鉛(ポーラス型)のヨウ素吸着量は125の
ものを用いた。なお、膜の比抵抗は、4探針法により測
定し、得られた抵抗値(Ω)を体積平均の比抵抗(Ω・
cm)に換算して表示した(SRIS−2301)。ま
た、測定は温度20℃、湿度40%の条件下で行った。
Example 8 The water retention layer was formed by changing the weight ratio (B / (A + B)) of the graphite (porous type) of the conductive material (B) used in Example 2 to 40 to 100%. It was produced and the relationship between the ratio and the specific resistance was measured. The result is shown in FIG.
However, graphite (porous type) having an iodine adsorption amount of 125 was used. The specific resistance of the film is measured by the 4-probe method, and the obtained resistance value (Ω) is calculated as the volume average specific resistance (Ω ·
It was converted to cm and displayed (SRIS-2301). The measurement was performed under the conditions of a temperature of 20 ° C. and a humidity of 40%.

【0074】図3より、重量比B/(A+B)が減少す
るにつれて保水層の抵抗が増加することが示された。ま
た、特に重量比50%以下の領域において比抵抗の急激
な増加が見られるため、保水層の導電性を考慮すると5
0%以上の導電性材料の配合が必要である。また、実際
の保水層の作製では、導電性材料の重量比が95%を超
えると層形成自体が難しい。したがって、重量比の範囲
は、50%〜95%の範囲が好ましい。
FIG. 3 shows that the resistance of the water retaining layer increases as the weight ratio B / (A + B) decreases. In addition, a drastic increase in resistivity is observed especially in the region where the weight ratio is 50% or less.
It is necessary to add 0% or more of a conductive material. Further, in the actual production of the water retention layer, if the weight ratio of the conductive material exceeds 95%, the layer formation itself is difficult. Therefore, the range of the weight ratio is preferably 50% to 95%.

【0075】実施例9 実施例1の電極および電解質一体型保水層の孔内部に、
針の先端をポリウレタン性発泡体で覆った注射器を用
い、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンの共
重合体を有機溶媒(DMF)に10重量%溶解させた溶
液を注入し、120℃で5時間程度加熱乾燥を行った。
再度貫通孔8に対して、焦点径が0.2〜0.3mmと
なるように調整したフッ化アルゴンエキシマレーザービ
ームを照射して、内径0.3〜0.4mm程度の孔を保
水層7に作製した。このとき、レーザービームの焦点位
置は貫通孔8と一致させる必要があるので、実施例1〜
7において貫通孔8を作製したときと同様に、スレージ
上の同じ位置に保水層7を含む燃料電池セルを固定し
て、ステージについているマイクロメータで位置合わせ
を行った。
Example 9 Inside the pores of the electrode and electrolyte-integrated water retaining layer of Example 1,
Using a syringe in which the tip of the needle is covered with polyurethane foam, inject a solution of a copolymer of vinylidene fluoride and hexafluoropropylene dissolved in an organic solvent (DMF) in an amount of 10% by weight, and at 120 ° C for about 5 hours. It was dried by heating.
The through-hole 8 is again irradiated with an argon fluoride excimer laser beam adjusted so that the focal diameter is 0.2 to 0.3 mm, and a hole having an inner diameter of 0.3 to 0.4 mm is formed in the water retention layer 7. It was made. At this time, the focus position of the laser beam needs to be aligned with the through hole 8, so that
In the same manner as when the through hole 8 was formed in No. 7, the fuel battery cell including the water retention layer 7 was fixed at the same position on the sledge, and the micrometer attached to the stage was used for alignment.

【0076】得られた保水層について、実施例1〜7と
同様にガス透過度および空孔率を測定した。ただし、雰
囲気は条件1(気温20℃、湿度40%)、条件2(気
温40℃、湿度85%)および条件3(気温80℃、湿
度95%)の3通りで測定を行った。これらの結果を表
3に示す。また、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプ
ロピレンの共重合体からなる撥水性被覆の後退接触角は
135°であった。
The gas permeability and the porosity of the obtained water retaining layer were measured in the same manner as in Examples 1-7. However, the atmosphere was measured under three conditions: condition 1 (temperature 20 ° C, humidity 40%), condition 2 (temperature 40 ° C, humidity 85%) and condition 3 (temperature 80 ° C, humidity 95%). The results are shown in Table 3. The receding contact angle of the water-repellent coating made of a copolymer of vinylidene fluoride and hexafluoropropylene was 135 °.

【0077】実施例10 実施例1の電極および電解質一体型保水層の代わりに実
施例2の電極および電解質一体型保水層を用いて、実施
例9と同様にして撥水性樹脂の被膜を作製した。得られ
た電極および電解質一体型保水層について、実施例9と
同様にガス透過度および空孔率を測定し、その結果を表
3に示した。なお、撥水性樹脂の被膜の後退接触角は、
実施例9と同様に135°であった。
Example 10 A film of a water-repellent resin was prepared in the same manner as in Example 9 except that the electrode and electrolyte-integrated water retention layer of Example 2 were used instead of the electrode and electrolyte-integrated water retention layer of Example 1. . With respect to the obtained electrode and electrolyte-integrated water retention layer, the gas permeability and the porosity were measured in the same manner as in Example 9, and the results are shown in Table 3. The receding contact angle of the water-repellent resin coating is
As in Example 9, it was 135 °.

【0078】[0078]

【表3】 [Table 3]

【0079】貫通孔8内部を撥水性樹脂の被膜11で覆
うことにより孔径が狭まったため、実施例9および10
の結果を撥水性処理前の実施例1および2のものと比較
すると、条件1では空孔率が60%弱低下している。そ
れにしたがって、ガス透過度も若干低くなっているが、
貫通孔8内部の撥水性は向上しているので(後退接触角
は撥水性処理前は約30°であったが、処理後は135
°)、条件2および3のような高温多湿条件になっても
空孔率があまり低下していないことがわかる。すなわ
ち、撥水性樹脂の被膜11形成により貫通孔径が狭まっ
たが、撥水性向上により貫通孔内の水滴滞留が減ったた
め、実質的には高温多湿条件でのガス透過度は撥水性処
理前より向上する。また、実際の酸化剤極3における水
分生成量および雰囲気条件は燃料電池運転状態に依存し
て変化するが、特に燃料電池セル内温度が上昇し、水分
生成量の多い高負荷運転時においても適度なガス透過度
を確保できるので、電極へのガスの供給が安定しガス不
足による濃度分極を低減することができる。したがっ
て、雰囲気に関わらず安定したガス透過度が得られるた
め、高負荷運転時での発電効率が向上する。
By covering the inside of the through hole 8 with the coating 11 of the water-repellent resin, the hole diameter was narrowed.
Comparing these results with those of Examples 1 and 2 before the water repellent treatment, under the condition 1, the porosity decreased by slightly less than 60%. Accordingly, the gas permeability is slightly lower,
Since the water repellency inside the through hole 8 is improved (the receding contact angle was about 30 ° before the water repellency treatment, but 135 after the treatment).
It is understood that the porosity does not decrease so much even under the high temperature and high humidity conditions such as the conditions 2 and 3. That is, although the through-hole diameter was narrowed by forming the water-repellent resin film 11, the water repellency was improved and the retention of water droplets in the through-hole was reduced. Therefore, the gas permeability under high temperature and high humidity conditions is substantially higher than that before the water-repellent treatment. To do. In addition, the actual amount of water produced in the oxidizer electrode 3 and the atmospheric conditions change depending on the operating state of the fuel cell, but in particular, the temperature inside the fuel cell rises and is appropriate even during high-load operation with a large amount of water produced. Since a sufficient gas permeability can be ensured, the gas supply to the electrode is stable and the concentration polarization due to the gas shortage can be reduced. Therefore, a stable gas permeability can be obtained regardless of the atmosphere, and the power generation efficiency during high load operation is improved.

【0080】実施例10の撥水性樹脂の被膜を備えた電
極および電解質一体型保水層を、ガス流路を備えた集電
体で挾持して備えた燃料電池に0.5Mのメタノール水
溶液を燃料として供給し、動作温度70℃の条件でセル
特性を測定して、実施例2の撥水性樹脂の被膜を備えな
い電極および電解質一体型保水層を、ガス流路を備えた
集電体で挾持して備えた燃料電池と比較した。限界電流
密度は、実施例10の電極および電解質一体型保水層か
らなる燃料電池については115mA/cm2が得ら
れ、実施例2の電極および電解質一体型保水層からなる
燃料電池と比較して出力電流密度が約5%向上した。す
なわち、ガス濃度分極の低減により限界電流密度を改善
し、発電効率を向上させることができた。
A 0.5 M aqueous solution of methanol was used as a fuel in a fuel cell in which the electrode having the water-repellent resin coating of Example 10 and the electrolyte-integrated water retaining layer were sandwiched by a current collector having a gas flow path. As a result, the cell characteristics were measured under the condition of an operating temperature of 70 ° C., and the electrode not having the water-repellent resin coating of Example 2 and the electrolyte-integrated water retention layer were held by a current collector having a gas flow path. It was compared with the fuel cell prepared. The limiting current density was 115 mA / cm 2 for the fuel cell including the electrode and the electrolyte-integrated water retaining layer of Example 10, and the output was higher than that of the fuel cell including the electrode and the electrolyte-integrated water retaining layer of Example 2. The current density improved by about 5%. That is, it was possible to improve the limiting current density by reducing the gas concentration polarization and improve the power generation efficiency.

【0081】[0081]

【発明の効果】以上のように本発明によれば、燃料電池
の電極に発生する水分を保水層により吸収し、かつ該保
水層の貫通孔を介して電極へガスを供給できるため、燃
料電池のガス濃度分極の発生を低減し、発電効率を向上
することができる。また、前記保水層は、保水性樹脂を
溶剤に溶かしたのち塗布、加熱乾燥等のプロセスで容易
に形成できるため、製造コスト増加を低く抑えることが
できる。
As described above, according to the present invention, the water generated in the electrode of the fuel cell can be absorbed by the water retaining layer and the gas can be supplied to the electrode through the through hole of the water retaining layer. It is possible to reduce the occurrence of the gas concentration polarization and improve the power generation efficiency. Further, since the water retention layer can be easily formed by a process of dissolving the water retention resin in a solvent and then applying it, heating and drying, an increase in manufacturing cost can be suppressed.

【0082】また、前記貫通孔内部に撥水性処理を施す
ことにより、高温多湿時における保水層を介したガス透
過性が向上するため、燃料電池の運転状態に依存せず電
極表面に安定したガス供給が行えるため、運転効率をよ
り向上させることができる。
Further, by subjecting the inside of the through-hole to the water-repellent treatment, the gas permeability through the water retention layer at high temperature and high humidity is improved, so that a stable gas is formed on the electrode surface irrespective of the operating state of the fuel cell. Since it can be supplied, the operation efficiency can be further improved.

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

【図1】本発明の一つの形態における固体高分子型燃料
電池のセル構造の模式図である。
FIG. 1 is a schematic diagram of a cell structure of a polymer electrolyte fuel cell according to one embodiment of the present invention.

【図2】従来の固体高分子型燃料電池のセル構造の模式
図である。
FIG. 2 is a schematic diagram of a cell structure of a conventional polymer electrolyte fuel cell.

【図3】本発明の固体高分子型燃料電池における、保水
層に含有される導電性材料の重量比と、比抵抗との関係
を示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the weight ratio of the conductive material contained in the water retention layer and the specific resistance in the polymer electrolyte fuel cell of the present invention.

【図4】本発明の保水層に形成した貫通孔の形状を示す
模式図である。
FIG. 4 is a schematic view showing the shape of a through hole formed in the water retention layer of the present invention.

【図5】本発明の貫通孔に撥水性樹脂の被膜を作製する
工程を示す模式図である。
FIG. 5 is a schematic view showing a step of forming a water-repellent resin film on the through hole of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 固体高分子電解質膜 2 燃料極 3 酸化剤極 4 集電体 5 燃料流路 6 酸化剤流路 7 保水層 8 貫通孔 9 燃料電池セル 10 水分 11 撥水性樹脂の被膜 101 固体高分子電解質膜 102 燃料極 103 酸化剤極 104 集電体 105 燃料流路 106 酸化剤流路 1 Solid polymer electrolyte membrane 2 fuel pole 3 oxidizer pole 4 Current collector 5 Fuel flow path 6 Oxidant channel 7 water retention layer 8 through holes 9 Fuel cells 10 moisture 11 Water-repellent resin coating 101 solid polymer electrolyte membrane 102 fuel pole 103 Oxidizer pole 104 Current collector 105 Fuel flow path 106 Oxidant channel

Claims (16)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 固体高分子電解質層の両側に燃料極およ
び酸化剤極が対設され、燃料極を臨む側に燃料流路を、
酸化剤極を臨む側に酸化剤流路を備えた燃料電池セルで
あって、燃料極および/または酸化剤極上に、導電性材
料と保水性樹脂とから形成され、複数の貫通孔を有する
保水層が備えられる固体高分子型燃料電池。
1. A fuel electrode and an oxidant electrode are provided opposite to each other on both sides of the solid polymer electrolyte layer, and a fuel channel is provided on the side facing the fuel electrode.
A fuel cell having an oxidant flow path on the side facing the oxidant electrode, wherein the fuel electrode and / or the oxidant electrode is formed of a conductive material and a water retentive resin, and has a plurality of through holes. A polymer electrolyte fuel cell provided with a layer.
【請求項2】 導電性材料が、保水層全体に対して50
〜95重量%の割合で含有されることを特徴とする請求
項1に記載の固体高分子型燃料電池。
2. The conductive material is 50 for the entire water retention layer.
The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the solid polymer fuel cell is contained in a proportion of ˜95 wt%.
【請求項3】 導電性材料が、導電性カーボンブラック
である請求項1または2に記載の固体高分子型燃料電
池。
3. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the conductive material is conductive carbon black.
【請求項4】 保水性樹脂が、カルボキシル基、ヒドロ
キシ基、4級アミノ基およびスルホン酸基からなる群か
ら選択される1またはそれ以上の基を保有する樹脂であ
ることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載
の固体高分子型燃料電池。
4. The water-retaining resin is a resin having one or more groups selected from the group consisting of a carboxyl group, a hydroxy group, a quaternary amino group and a sulfonic acid group. The polymer electrolyte fuel cell according to any one of 1 to 3.
【請求項5】 保水性樹脂が、ヒドロキシ基を保有する
樹脂であり、その水酸化度が、2〜50の範囲であるこ
とを特徴とする請求項4に記載の固体高分子型燃料電
池。
5. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 4, wherein the water-retaining resin is a resin having a hydroxy group, and the degree of hydroxylation thereof is in the range of 2 to 50.
【請求項6】 保水性樹脂が、セルロース樹脂、フェノ
ール樹脂またはヒドロキシスチレン樹脂であることを特
徴とする請求項1〜5のいずれか一つに記載の固体高分
子型燃料電池。
6. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the water retention resin is a cellulose resin, a phenol resin or a hydroxystyrene resin.
【請求項7】 セルロース樹脂が、アルキルセルロース
樹脂であることを特徴とする請求項6に記載の固体高分
子型燃料電池。
7. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 6, wherein the cellulose resin is an alkyl cellulose resin.
【請求項8】 フェノール樹脂が、ノボラック樹脂であ
ることを特徴とする請求項6に記載の固体高分子型燃料
電池。
8. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 6, wherein the phenol resin is a novolac resin.
【請求項9】 ヒドロキシスチレン樹脂が、ヒドロキシ
スチレンとブタジエンとの共重合体またはヒドロキシス
チレンと、ブタジエンおよびアクリロニトリルとの共重
合体であることを特徴とする請求項6に記載の固体高分
子型燃料電池。
9. The solid polymer fuel according to claim 6, wherein the hydroxystyrene resin is a copolymer of hydroxystyrene and butadiene or a copolymer of hydroxystyrene and butadiene and acrylonitrile. battery.
【請求項10】 保水性樹脂が、三次元架橋樹脂であ
ることを特徴とする請求項1〜9のいずれか一つに記載
の固体高分子型燃料電池。
10. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the water retention resin is a three-dimensional crosslinked resin.
【請求項11】 三次元架橋樹脂が、オルガノニュム化
合物を架橋剤として用いることにより得られることを特
徴とする請求項10に記載の固体高分子型燃料電池。
11. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 10, wherein the three-dimensional crosslinked resin is obtained by using an organo compound as a crosslinker.
【請求項12】 保水層の厚さが、約5〜500μmで
あることを特徴とする請求項1〜11のいずれか一つに
記載の固体高分子型燃料電池。
12. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the water retention layer has a thickness of about 5 to 500 μm.
【請求項13】 保水層の貫通孔の内部表面が、撥水性
処理されていることを特徴とする請求項1〜12のいず
れか一つに記載の固体高分子型燃料電池。
13. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the inner surface of the through hole of the water retaining layer is treated to be water repellent.
【請求項14】 保水層の貫通孔の孔径が、約0.01
mmより大きく、約2mm未満であることを特徴とする
請求項1〜13のいずれか一つに記載の固体高分子型燃
料電池。
14. The diameter of the through holes of the water retention layer is about 0.01.
The polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 13, wherein the polymer electrolyte fuel cell is larger than mm and less than about 2 mm.
【請求項15】 保水層の貫通孔が、保水層に対して1
0〜50容量%で備えられることを特徴とする請求項1
〜14のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料電池。
15. The water-retaining layer has one through-hole for the water-retaining layer.
It is provided by 0 to 50% by volume.
15. The polymer electrolyte fuel cell according to any one of 14 to 14.
【請求項16】 保水層の貫通孔が、保水層が燃料極上
に備えられるときには、燃料流路側の保水層の貫通孔の
孔径が燃料極側の貫通孔の孔径よりも大きい、および/
または保水層が酸化剤極上に備えられるときには、酸化
剤流路側の保水層の貫通孔の孔径が酸化剤極側の貫通孔
の孔径よりも大きいすり鉢形であることを特徴とする請
求項1〜15のいずれか一つに記載の固体高分子型燃料
電池。
16. The through hole of the water retaining layer, when the water retaining layer is provided on the fuel electrode, the hole diameter of the through hole of the water retaining layer on the fuel flow path side is larger than the hole diameter of the through hole on the fuel electrode side, and / or
Alternatively, when the water retention layer is provided on the oxidant electrode, the hole diameter of the through hole of the water retention layer on the oxidant channel side is a mortar shape larger than the hole diameter of the through hole on the oxidant electrode side. 15. The polymer electrolyte fuel cell according to any one of 15.
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