JP2003331850A - Electrode and fuel cell using it - Google Patents

Electrode and fuel cell using it

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JP2003331850A
JP2003331850A JP2002135644A JP2002135644A JP2003331850A JP 2003331850 A JP2003331850 A JP 2003331850A JP 2002135644 A JP2002135644 A JP 2002135644A JP 2002135644 A JP2002135644 A JP 2002135644A JP 2003331850 A JP2003331850 A JP 2003331850A
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JP
Japan
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gas diffusion
catalyst layer
layer
electrode catalyst
water
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JP2002135644A
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Japanese (ja)
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Hisatoshi Fukumoto
久敏 福本
Osamu Hiroi
治 廣井
Kenro Mitsuta
憲朗 光田
Hideo Maeda
秀雄 前田
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E60/50Fuel cells

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  • Inert Electrodes (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode capable of moderately retaining water in a catalyst layer and to provide a fuel cell using the electrode. <P>SOLUTION: An electrode-membrane assembly 50 is arranged so that a solid polymer electrolyte membrane 1 is interposed between a fuel electrode catalyst layer 2 and an air electrode catalyst layer 3, a gas diffusion layer 4 is closely in contact with the fuel electrode catalyst layer 2, and a gas diffusion layer 6 is closely contacted with the air electrode catalyst layer 3. The gas diffusion layer 6 is comprised of first and second gas diffusion layers 6a, 6b having different water repellency, and the first and second gas diffusion layers 6a, 6b are laminated so that the first gas diffusion layer 6a with higher water repellency is closely contacted with the air electrode catalyst layer 3. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

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、電気化学的な反
応を利用して発電する燃料電池あるいは種々の電気化学
的装置に適用される電極に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electrode applied to a fuel cell or various electrochemical devices that generate electricity by utilizing an electrochemical reaction.

【0002】[0002]

【従来の技術】燃料電池は、一対の電極が電解質を介し
て対向して配置されてなる単セルを備え、燃料が一方の
電極に供給され、酸化剤が他方の電極に供給されて、燃
料の酸化を電池セル内で電気化学的に反応させることに
より化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装
置である。燃料電池には、電解質の種類により種々の型
に分類されるが、近年高出力が得られる燃料電池とし
て、固体高分子電解質膜を電解質に用いた固体高分子型
燃料電池が注目されている。
2. Description of the Related Art A fuel cell comprises a unit cell in which a pair of electrodes are arranged so as to face each other with an electrolyte in between. A fuel is supplied to one electrode and an oxidant is supplied to the other electrode to form a fuel. It is a device for directly converting chemical energy into electric energy by electrochemically reacting the oxidation of the above in a battery cell. BACKGROUND ART Fuel cells are classified into various types depending on the type of electrolyte, and in recent years, solid polymer fuel cells using a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte have been attracting attention as fuel cells capable of obtaining high output.

【0003】図12は従来の固体高分子型燃料電池にお
ける電極・膜接合体の構造を説明する断面図である。図
12において、固体高分子電解質膜1は例えばパーフル
オロスルホン酸ポリマーから作製されている。そして、
燃料極触媒層2が固体高分子電解質膜1の一面に形成さ
れ、空気極触媒層2が固体高分子電解質膜1の他面に形
成されている。さらに、導電性、かつ、ガス透過性を有
するガス拡散層4、5が、燃料極触媒層2および空気極
触媒層3が形成された固体高分子電解質膜1を挟持する
ように配設されている。従来の固体高分子型燃料電池
は、このように構成された固体高分子電解質膜1、燃料
極触媒層2、空気極触媒層3およびガス拡散層4、5を
積層一体化してなる電極・膜接合体をガス流路が形成さ
れたセパレータを介して複数積層して構成されている。
FIG. 12 is a sectional view for explaining the structure of an electrode / membrane assembly in a conventional polymer electrolyte fuel cell. In FIG. 12, the solid polymer electrolyte membrane 1 is made of, for example, a perfluorosulfonic acid polymer. And
The fuel electrode catalyst layer 2 is formed on one surface of the solid polymer electrolyte membrane 1, and the air electrode catalyst layer 2 is formed on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane 1. Further, the gas diffusion layers 4 and 5 having conductivity and gas permeability are arranged so as to sandwich the solid polymer electrolyte membrane 1 on which the fuel electrode catalyst layer 2 and the air electrode catalyst layer 3 are formed. There is. A conventional solid polymer electrolyte fuel cell is an electrode / membrane formed by laminating the solid polymer electrolyte membrane 1, the fuel electrode catalyst layer 2, the air electrode catalyst layer 3 and the gas diffusion layers 4 and 5 configured as described above. It is configured by stacking a plurality of bonded bodies with a separator having a gas channel formed therebetween.

【0004】このように構成された従来の固体高分子型
燃料電池においては、水素ガス(燃料)がガス拡散層4
を介して燃料極触媒層2に供給され、酸素ガス(酸化
剤)がガス拡散層5を介して空気極触媒層3に供給され
る。なお、一般に、酸素ガスは空気として供給される。
そして、燃料極触媒層2において、水素が下記のアノー
ド反応により酸化され、プロトン(水素イオン)と電子
が生成される。また、空気極触媒層3において、固定高
分子電解質膜1中を移動して空気極触媒層3に到達した
プロトンと、ガス拡散層5を介して空気極触媒層3に供
給された酸素ガスと、外部回路を介して空気極触媒層3
に供給された電子とが下記のカソード反応により反応
し、水が生成される。そして、この化学反応で生成され
た電子を外部回路により電流として取り出すことにな
る。
In the conventional polymer electrolyte fuel cell having such a structure, hydrogen gas (fuel) is used as the gas diffusion layer 4
The oxygen gas (oxidant) is supplied to the fuel electrode catalyst layer 2 via the gas diffusion layer 5 and to the air electrode catalyst layer 3 via the gas diffusion layer 5. Note that oxygen gas is generally supplied as air.
Then, in the fuel electrode catalyst layer 2, hydrogen is oxidized by the following anode reaction to generate protons (hydrogen ions) and electrons. Further, in the air electrode catalyst layer 3, protons that have moved through the fixed polymer electrolyte membrane 1 and reached the air electrode catalyst layer 3, and oxygen gas supplied to the air electrode catalyst layer 3 via the gas diffusion layer 5. , The air electrode catalyst layer 3 through the external circuit
The electrons supplied to the above react with the following cathode reaction to generate water. Then, the electrons generated by this chemical reaction are taken out as a current by an external circuit.

【0005】アノード反応:H→2H+2e カソード反応:2H+2e+(1/2)O2→H
[0005] anode reaction: H 2 → 2H + + 2e - cathodic reaction: 2H + + 2e - + ( 1/2) O2 → H 2
O

【0006】ここで、プロトンが固体高分子電解膜1中
を移動(伝導)するには、固体高分子電解質膜1を十分
に加湿する必要がある。この理由は、固体高分子電解質
膜1中に存在するスルホン酸基のプロトンが水の存在に
より解離し、燃料極触媒層2で生成されるプロトンの良
伝導体として働くためである。固体高分子電解質膜1に
水を供給するには、供給ガスを加湿したり、空気極触媒
層3で生成された水を直接用いたりする。しかし、供給
ガスを加湿するには、電池の外部にバブラー等の加湿器
を必要とするため、空気極触媒層3で生成された水で効
率よく固体高分子電解質膜1を加湿することが望まし
い。そして、空気極触媒層3で生成された水のみで固体
高分子電解質膜1を十分に加湿できれば、外部の加湿器
が不要となる。
Here, in order for the protons to move (conduct) in the solid polymer electrolyte membrane 1, it is necessary to sufficiently humidify the solid polymer electrolyte membrane 1. The reason for this is that the protons of the sulfonic acid groups present in the solid polymer electrolyte membrane 1 dissociate due to the presence of water and act as good conductors of the protons generated in the fuel electrode catalyst layer 2. To supply water to the solid polymer electrolyte membrane 1, the supply gas is humidified or the water generated in the air electrode catalyst layer 3 is directly used. However, in order to humidify the supply gas, a humidifier such as a bubbler is required outside the battery. Therefore, it is desirable to efficiently humidify the solid polymer electrolyte membrane 1 with the water generated in the air electrode catalyst layer 3. . If the solid polymer electrolyte membrane 1 can be sufficiently humidified only with the water generated in the air electrode catalyst layer 3, an external humidifier will be unnecessary.

【0007】空気極触媒層3で生成された水を用いて固
定高分子電解質膜1を効率よく加湿するためには、生成
された水の全てが外部に放出されないように、その一部
を空気極触媒層3に滞留させ、その滞留された水により
固体高分子電解質膜1の湿度を適度に保つようにする必
要がある。しかし、空気極触媒層3に過度の水が滞留す
ると、ガス拡散層5を介して供給された酸素の空気極触
媒層3内への拡散が阻害されてしまい、電池性能が低下
してしまう。そこで、外部からの加湿を少なくして燃料
電池を運転するためには、酸素の空気極触媒層3内への
拡散を阻害しない程度に、適量の水を空気極触媒層3内
に滞留させる工夫が必要となる。
In order to efficiently humidify the fixed polymer electrolyte membrane 1 using the water generated in the air electrode catalyst layer 3, a part of the generated water is removed from the air so as not to be released to the outside. It is necessary that the solid polymer electrolyte membrane 1 be retained in the electrode catalyst layer 3 and that the retained water keep the humidity of the solid polymer electrolyte membrane 1 moderate. However, if excessive water stays in the air electrode catalyst layer 3, the diffusion of oxygen supplied through the gas diffusion layer 5 into the air electrode catalyst layer 3 is hindered, and the battery performance deteriorates. Therefore, in order to operate the fuel cell with less humidification from the outside, an appropriate amount of water is retained in the air electrode catalyst layer 3 to such an extent that the diffusion of oxygen into the air electrode catalyst layer 3 is not hindered. Is required.

【0008】従来の固体高分子型燃料電池においては、
ガス拡散層5として、PTFE(ポリテトラフルオロエ
チレン)等でカーボンペーパ等の多孔質カーボンを撥水
処理したものが用いられていた。しかし、空気極触媒層
3で生成された水は、このように構成されたガス拡散層
5より撥水性の低い空気極触媒層3に滞留しやすく、酸
素の空気極触媒層3内への拡散を阻害する、という問題
があった。また、ガス拡散層5にシリカ等の親水性物質
で処理したものを用い、空気極触媒層3で生成された水
を速やかに排出しようとする技術が提案されているが、
この技術においては、反応ガスの高加湿条件ではガス拡
散層5がフラッディングしやすくなり、一方低加湿条件
では空気極触媒層3が乾燥しやすくなる、という問題が
あった。
In the conventional polymer electrolyte fuel cell,
As the gas diffusion layer 5, a water repellent treatment of porous carbon such as carbon paper with PTFE (polytetrafluoroethylene) has been used. However, the water generated in the air electrode catalyst layer 3 is more likely to stay in the air electrode catalyst layer 3 having a lower water repellency than the gas diffusion layer 5 configured in this way, and oxygen diffuses into the air electrode catalyst layer 3. There was a problem that it hindered. Further, a technique has been proposed in which the gas diffusion layer 5 treated with a hydrophilic substance such as silica is used to promptly discharge the water generated in the air electrode catalyst layer 3.
This technique has a problem that the gas diffusion layer 5 is likely to be flooded under a high humidification condition of the reaction gas, while the air electrode catalyst layer 3 is easily dried under a low humidification condition.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】従来の固体高分子型燃
料電池においては、このように構成されているので、加
湿条件が一定しない運転条件で運転した場合、固体高分
子電解質膜1の加湿を適度に調整することは困難であ
り、運転条件により電池性能が大きく変化してしまうと
いう課題があった。特に、低加湿条件では、固定高分子
電解質膜1の乾燥に伴って内部抵抗が増大してしまい、
電池性能が大きく低下してしまう。そのため、外部に加
湿器を設けなければならない、という課題があった。
Since the conventional solid polymer electrolyte fuel cell is constructed as described above, the solid polymer electrolyte membrane 1 is humidified when it is operated under operating conditions where the humidification conditions are not constant. There is a problem that it is difficult to adjust appropriately and the battery performance greatly changes depending on operating conditions. In particular, under low humidification conditions, the internal resistance increases as the fixed polymer electrolyte membrane 1 dries,
Battery performance will drop significantly. Therefore, there is a problem that a humidifier must be provided outside.

【0010】この発明は、上記の課題を解消するために
なされたもので、水の接触角が異なる少なくとも2層以
上の分割ガス拡散層を積層してガス拡散層を構成し、か
つ、複数の分割ガス拡散層をその水の接触角が触媒層か
ら離反する方向に徐々に小さくなるように触媒層上に積
層して、水を適度に触媒層に滞留させることができるよ
うにした電極を得ることを目的とする。また、水の接触
角が異なる少なくとも2層以上の分割ガス拡散層を積層
してガス拡散層を構成し、かつ、複数の分割ガス拡散層
をその水の接触角が触媒層から離反する方向に徐々に小
さくなるように触媒層上に積層して構成された電極を用
い、低加湿条件において空気極触媒層で発生する水を効
率よく利用して固体高分子電解質膜を適度に加湿すると
ともに、高加湿条件において水が空気極触媒層に過度に
滞留することを抑えて触媒へのガス拡散の阻害を防止
し、高性能の燃料電池を得ることを目的とする。
The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and constitutes a gas diffusion layer by laminating at least two or more divided gas diffusion layers having different contact angles of water, and forming a plurality of gas diffusion layers. The divided gas diffusion layer is laminated on the catalyst layer so that the contact angle of the water becomes gradually smaller in the direction away from the catalyst layer to obtain an electrode capable of appropriately retaining water in the catalyst layer. The purpose is to Further, at least two or more divided gas diffusion layers having different contact angles of water are laminated to form a gas diffusion layer, and the plurality of divided gas diffusion layers are arranged in a direction in which the contact angles of water are separated from the catalyst layer. Using an electrode formed by laminating on the catalyst layer so as to be gradually smaller, while appropriately humidifying the solid polymer electrolyte membrane by efficiently utilizing the water generated in the air electrode catalyst layer under low humidification conditions, An object of the present invention is to obtain a high-performance fuel cell by preventing excessive retention of water in the air electrode catalyst layer under high humidification conditions to prevent gas diffusion to the catalyst.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】この発明に係る電極は、
触媒層と、導電性を有し、かつ、水の接触角が異なる複
数の分割ガス拡散層から構成されたガス拡散層とを備
え、上記複数の分割ガス拡散層が、その水の接触角が上
記触媒層から離反する方向に小さくなるように重ねられ
て上記触媒層上に積層一体化されているものである。
The electrode according to the present invention comprises:
The catalyst layer, and a gas diffusion layer having conductivity, and a plurality of divided gas diffusion layers having different water contact angles, the plurality of divided gas diffusion layers, the contact angle of water is The catalyst layer is laminated so as to be smaller in the direction away from the catalyst layer and is integrally laminated on the catalyst layer.

【0012】また、上記複数の分割ガス拡散層は、撥水
性が異なるように構成され、撥水性が上記触媒層から離
反する方向に低くなるように重ねられて上記触媒層上に
積層一体化されているものである。
Further, the plurality of divided gas diffusion layers are configured to have different water repellency, and are stacked so that the water repellency becomes lower in the direction of separating from the catalyst layer and laminated and integrated on the catalyst layer. It is what

【0013】また、上記複数の分割ガス拡散層は、平均
細孔径が異なるように構成され、平均細孔径が上記触媒
層から離反する方向に大きくなるように重ねられて上記
触媒層上に積層一体化されているものである。
The plurality of divided gas diffusion layers have different average pore diameters, and are stacked so that the average pore diameters become larger in the direction away from the catalyst layer. It has been made into.

【0014】また、上記複数の分割ガス拡散層がカーボ
ン材で作製されているものである。
The plurality of divided gas diffusion layers are made of a carbon material.

【0015】また、導電性微粒子からなる層が積層され
た上記複数の分割ガス拡散層の隣接する層間に介装され
ているものである。
Further, the plurality of divided gas diffusion layers in which layers of conductive fine particles are laminated are interposed between adjacent layers.

【0016】また、撥水性を有する物質および親水性を
有する物質の少なくとも一方が上記導電性微粒子からな
る層に混入されているものである。
Further, at least one of a substance having water repellency and a substance having hydrophilicity is mixed in the layer made of the conductive fine particles.

【0017】また、上記導電性微粒子からなる層が面方
向に複数の区画に分割され、隣接する分割ガス拡散層同
士が該導電性微粒子からなる層の該区画間で接触してい
るものである。
Further, the layer made of the conductive fine particles is divided into a plurality of sections in the surface direction, and the adjacent divided gas diffusion layers are in contact with each other between the sections of the layer made of the conductive fine particles. .

【0018】また、この発明に係る燃料電池は、燃料極
触媒層と空気極触媒層とが固体高分子電解質膜を挟持し
て配置され、燃料極側ガス拡散層が該燃料極触媒層に密
接して積層され、かつ、空気極側ガス拡散層が該空気極
触媒層に密接して積層されて構成された単セルがガス流
路を有するセパレータを介して複数積層されてなる燃料
電池において、上記燃料極側ガス拡散層と上記燃料極触
媒層との積層体、および、上記空気極側ガス拡散層と上
記空気極触媒層との積層体の少なくとも一方が、請求項
1乃至請求項7のいずれか1項に記載された電極により
構成されているものである。
Further, in the fuel cell according to the present invention, the fuel electrode catalyst layer and the air electrode catalyst layer are arranged so as to sandwich the solid polymer electrolyte membrane, and the fuel electrode side gas diffusion layer is in close contact with the fuel electrode catalyst layer. In a fuel cell in which a plurality of single cells constituted by stacking the air electrode side gas diffusion layers in intimate contact with the air electrode catalyst layer are stacked via a separator having a gas flow path, At least one of a laminated body of the fuel electrode side gas diffusion layer and the fuel electrode catalyst layer, and a laminated body of the air electrode side gas diffusion layer and the air electrode catalyst layer is at least one of claims 1 to 7. It is configured by the electrode described in any one of the items.

【0019】[0019]

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
について説明する。 実施の形態1.図1はこの発明の実施の形態1に係る固
体高分子型燃料電池の電極・膜接合体を示す断面図であ
る。なお、図1において、図12に示される従来の固体
高分子型燃料電池の電極・膜接合体と同一または相当部
分に同一符号を付し、その説明を省略する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Embodiment 1. 1 is a sectional view showing an electrode / membrane assembly of a polymer electrolyte fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 1, the same or corresponding parts as those of the electrode / membrane assembly of the conventional polymer electrolyte fuel cell shown in FIG. 12 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.

【0020】図1において、電極・膜接合体50は、燃
料極触媒層2が固体高分子電解質膜1の一面に一体に形
成され、空気極触媒層3が固体高分子電解質膜1の他面
に一体に形成され、導電性、かつ、ガス透過性を有する
ガス拡散層4、6が固体高分子電解質膜1を挟んで接合
一体化されて構成されている。そして、ガス拡散層6
は、撥水性の異なる第1および第2ガス拡散層6a、6
b(分割ガス拡散層)を積層して構成されている。ここ
で、空気極触媒層3に接する第1ガス拡散層6aの撥水
性が第2ガス拡散層6bおよび空気極触媒層3より高く
形成されている。即ち、第1ガス拡散層6aの水の接触
角が第2ガス拡散層6bおよび空気極触媒層3より大き
く形成されている。この固体高分子型燃料電池は、この
ように構成された電極・膜接合体50をガス流路が形成
されたセパレータを介して複数積層して構成されてい
る。
In FIG. 1, in the electrode / membrane assembly 50, the fuel electrode catalyst layer 2 is integrally formed on one surface of the solid polymer electrolyte membrane 1, and the air electrode catalyst layer 3 is formed on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane 1. The gas diffusion layers 4 and 6 which are formed integrally with each other and have conductivity and gas permeability are joined and integrated with the solid polymer electrolyte membrane 1 interposed therebetween. And the gas diffusion layer 6
Are the first and second gas diffusion layers 6a, 6 having different water repellency.
b (divided gas diffusion layer) is laminated. Here, the water repellency of the first gas diffusion layer 6a in contact with the air electrode catalyst layer 3 is formed to be higher than that of the second gas diffusion layer 6b and the air electrode catalyst layer 3. That is, the contact angle of water of the first gas diffusion layer 6a is formed larger than that of the second gas diffusion layer 6b and the air electrode catalyst layer 3. This polymer electrolyte fuel cell is configured by stacking a plurality of the electrode / membrane assembly 50 thus configured with a separator having a gas channel formed therebetween.

【0021】つぎに、電極・膜接合体50の製造方法に
ついて説明する。まず、カーボンブラックの表面に貴金
属の微粒子を付着させた電極触媒と、パーフルオロスル
ホン酸系の固体高分子電解質の溶液(ここでは、アルド
リッチ製のナフィオン溶液を用いた)とを混合して、触
媒層インクを作製する。なお、空気極側の電極触媒とし
て白金担持カーボンブラック(白金:50重量%)を用
い、燃料極側の電極触媒として白金−ルテニウム担持カ
ーボンブラック(白金−ルテニウム:50重量%)を用
いている。
Next, a method of manufacturing the electrode / membrane assembly 50 will be described. First, an electrode catalyst in which fine particles of noble metal are attached to the surface of carbon black and a solution of a perfluorosulfonic acid-based solid polymer electrolyte (here, a Nafion solution manufactured by Aldrich is used) are mixed to form a catalyst. Make layer ink. Platinum-supporting carbon black (platinum: 50% by weight) was used as the electrode catalyst on the air electrode side, and platinum-ruthenium-supporting carbon black (platinum-ruthenium: 50% by weight) was used as the electrode catalyst on the fuel electrode side.

【0022】ついで、水性のポリテトラフルオロエチレ
ン分散液にカーボンペーパ(ここでは、東レ製のTGP
−H−120を用いた)を浸し、乾燥後360℃で焼成
して撥水処理が施されたガス拡散層4を作製する。ま
た、水性のポリテトラフルオロエチレン分散液に100
μm厚のカーボンペーパ(ここでは、東レ製のTGP−
H−030を用いた)を浸し、乾燥後360℃で焼成し
て撥水処理が施された第1ガス拡散層6aを作製する。
同様に、水性のポリテトラフルオロエチレン分散液に2
00μm厚のカーボンペーパ(ここでは、東レ製のTG
P−H−060を用いた)を浸し、乾燥後360℃で焼
成して撥水処理が施された第2ガス拡散層6bを作製す
る。ここで、第1ガス拡散層6aの撥水処理の割合は3
0重量%、第2ガス拡散層6bの撥水処理の割合は5重
量%としている。
Then, the aqueous polytetrafluoroethylene dispersion was mixed with carbon paper (here, TGP manufactured by Toray).
(H-120) was soaked, dried, and then baked at 360 ° C. to form the gas diffusion layer 4 that has been subjected to the water repellent treatment. In addition, 100% in aqueous polytetrafluoroethylene dispersion
μm thick carbon paper (here, Toray TGP-
(H-030) was soaked, dried and then baked at 360 ° C. to prepare the first gas diffusion layer 6a which has been subjected to the water repellent treatment.
Similarly, in an aqueous polytetrafluoroethylene dispersion, 2
00μm thick carbon paper (here, Toray TG
(P-H-060 was used) is soaked, dried and baked at 360 ° C. to form the second gas diffusion layer 6b that has been subjected to the water repellent treatment. Here, the water-repellent treatment ratio of the first gas diffusion layer 6a is 3
The proportion of the water repellent treatment of the second gas diffusion layer 6b is 0% by weight and 5% by weight.

【0023】ついで、燃料極用の触媒層インクをガス拡
散層4の表面に、空気極用の触媒層インクを第1ガス拡
散層6aの表面にそれぞれスクリーン印刷により塗布す
る。そして、ガス拡散層4および第1ガス拡散層6aを
加熱して触媒層インクを乾燥し、ガス拡散層4および第
1ガス拡散層6aの表面にそれぞれ燃料極触媒層2およ
び空気極触媒層3を作製する。ついで、高分子電解質膜
1(ここでは、デュポン製のナフィオン112膜を用い
た)の両面にそれぞれ燃料極触媒層2および空気極触媒
層3が接するようにガス拡散層4および第1ガス拡散層
6aを重ね合わせ、固体高分子電解質膜1のガラス転移
点付近の温度でホットプレスし、燃料極触媒層2および
空気極触媒層3と固体高分子電解質膜1とを熱融着す
る。ついで、第2ガス拡散層6bを第1ガス拡散層6a
の背面に貼り付けて電極・膜接合体50が作製される。
Next, the catalyst electrode ink for the fuel electrode is applied to the surface of the gas diffusion layer 4 and the catalyst layer ink for the air electrode is applied to the surface of the first gas diffusion layer 6a by screen printing. Then, the gas diffusion layer 4 and the first gas diffusion layer 6a are heated to dry the catalyst layer ink, and the fuel electrode catalyst layer 2 and the air electrode catalyst layer 3 are respectively formed on the surfaces of the gas diffusion layer 4 and the first gas diffusion layer 6a. To make. Then, the gas diffusion layer 4 and the first gas diffusion layer 4 are arranged so that the fuel electrode catalyst layer 2 and the air electrode catalyst layer 3 are in contact with both surfaces of the polymer electrolyte membrane 1 (here, Nafion 112 membrane manufactured by DuPont is used). 6a are superposed and hot pressed at a temperature near the glass transition point of the solid polymer electrolyte membrane 1 to heat-bond the fuel electrode catalyst layer 2 and the air electrode catalyst layer 3 to the solid polymer electrolyte membrane 1. Then, the second gas diffusion layer 6b is replaced with the first gas diffusion layer 6a.
The electrode / membrane assembly 50 is manufactured by sticking it to the back surface of the electrode.

【0024】つぎに、この電極・膜接合体50の性能を
評価するために作製した単セルについて、図2乃至図4
を参照しつつ説明する。額縁状のPTFE製のガスケッ
ト10、11が電極・膜接合体50のガス拡散層4およ
び第1および第2ガス拡散層6a、6bの外側にそれぞ
れ貼り付けられている。そして、燃料流路14が形成さ
れたカーボン製のセパレータ12と、空気流路15が形
成されたカーボン製のセパレータ13とが、ガスケット
10、11と一体化された電極・膜構造体50を両側か
ら挟持するように配置されて、評価用の単セル70が構
成されている。このように構成された単セル70は、図
4に示されるように、外部負荷30に接続され、評価用
回路を構成している。
Next, a single cell prepared to evaluate the performance of the electrode / membrane assembly 50 will be described with reference to FIGS.
Will be described with reference to. Frame-shaped PTFE gaskets 10 and 11 are attached to the outside of the gas diffusion layer 4 and the first and second gas diffusion layers 6a and 6b of the electrode / membrane assembly 50, respectively. The carbon-made separator 12 having the fuel flow path 14 and the carbon-made separator 13 having the air flow path 15 both sides of the electrode / membrane structure 50 integrated with the gaskets 10, 11. The evaluation unit cells 70 are arranged so as to be sandwiched between them. As shown in FIG. 4, the single cell 70 thus configured is connected to the external load 30 and constitutes an evaluation circuit.

【0025】ここで、比較のために作製された単セル6
0について図5および図6を参照しつつ説明する。ま
ず、水性のポリテトラフルオロエチレン分散液にカーボ
ンペーパ(ここでは、東レ製のTGP−H−120を用
いた)を浸し、乾燥後360℃で焼成して撥水処理が施
されたガス拡散層4、5を作製する。そして、上述の電
極・膜構造体50と同様に作製された燃料極用および空
気極用の触媒層インクがガス拡散層4、5の表面にそれ
ぞれスクリーン印刷により塗布される。ついで、ガス拡
散層4、5を加熱して触媒層インクを乾燥し、ガス拡散
層4、5の表面にそれぞれ燃料極触媒層2および空気極
触媒層3を作製する。ついで、高分子電解質膜1(ここ
では、デュポン製のナフィオン112膜を用いた)の両
面にそれぞれ燃料極触媒層2および空気極触媒層3が接
するようにガス拡散層4、5を重ね合わせ、固体高分子
電解質膜1のガラス転移点付近の温度でホットプレス
し、燃料極触媒層2および空気極触媒層3と固体高分子
電解質膜1とを熱融着して、電極・膜接合体61が作製
される。
Here, a single cell 6 prepared for comparison
0 will be described with reference to FIGS. 5 and 6. First, carbon paper (here, TGP-H-120 manufactured by Toray) was dipped in an aqueous polytetrafluoroethylene dispersion, dried, and baked at 360 ° C. to obtain a water-repellent gas diffusion layer. Make 4 and 5. Then, the catalyst layer inks for the fuel electrode and the air electrode, which are produced in the same manner as the electrode / membrane structure 50 described above, are applied to the surfaces of the gas diffusion layers 4 and 5 by screen printing. Next, the gas diffusion layers 4 and 5 are heated to dry the catalyst layer ink, and the fuel electrode catalyst layer 2 and the air electrode catalyst layer 3 are formed on the surfaces of the gas diffusion layers 4 and 5, respectively. Then, the gas diffusion layers 4 and 5 are superposed so that the fuel electrode catalyst layer 2 and the air electrode catalyst layer 3 are in contact with both surfaces of the polymer electrolyte membrane 1 (here, Nafion 112 membrane manufactured by DuPont was used), The electrode / membrane assembly 61 is hot-pressed at a temperature near the glass transition point of the solid polymer electrolyte membrane 1 to thermally fuse the fuel electrode catalyst layer 2 and the air electrode catalyst layer 3 to the solid polymer electrolyte membrane 1. Is created.

【0026】ついで、額縁状のPTFE製のガスケット
10、11が電極・膜接合体61のガス拡散層4、5の
外側にそれぞれ貼り付けられる。そして、燃料流路14
が形成されたカーボン製のセパレータ12と、空気流路
15が形成されたカーボン製のセパレータ13とが、ガ
スケット10、11と一体化された電極・膜構造体61
を両側から挟持するように配置されて、比較用の単セル
60が構成されている。このように構成された単セル6
0は、図6に示されるように、外部負荷30に接続さ
れ、評価用回路を構成している。
Next, frame-shaped PTFE gaskets 10 and 11 are attached to the outsides of the gas diffusion layers 4 and 5 of the electrode / membrane assembly 61, respectively. Then, the fuel flow path 14
An electrode / membrane structure 61 in which the carbon-made separator 12 in which the gas is formed and the carbon-made separator 13 in which the air flow path 15 is formed are integrated with the gaskets 10 and 11.
Are arranged so as to be sandwiched from both sides, and a single cell 60 for comparison is configured. Single cell 6 configured in this way
As shown in FIG. 6, 0 is connected to the external load 30 and constitutes an evaluation circuit.

【0027】このように構成された評価用回路におい
て、単セル70、60を80℃に保温し、燃料流路14
と空気流路15とにそれぞれ75℃に保温したバブラー
(図示せず)で加湿した水素と空気とを供給して、常圧
で発電特性を測定したところ、電流密度0.5A/cm
において、本願による単セル70では0.63Vのセ
ル電圧が得られ、比較用の単セル60では0.62Vの
セル電圧が得られた。また、単セル70、60を80℃
に保温し、燃料流路14と空気流路15とにそれぞれ6
0℃に保温したバブラーで加湿した水素と空気とを供給
して、常圧で発電特性を測定したところ、電流密度0.
5A/cmにおいて、本願による単セル70では0.
55Vのセル電圧が得られ、比較用の単セル60では
0.52Vのセル電圧が得られた。
In the evaluation circuit thus constructed, the unit cells 70, 60 are kept warm at 80 ° C.
Hydrogen and air humidified by a bubbler (not shown) kept at 75 ° C. were supplied to the air flow path 15 and the air flow path 15, respectively, and the power generation characteristics were measured under normal pressure. The current density was 0.5 A / cm.
In No. 2 , in the single cell 70 according to the present application, a cell voltage of 0.63V was obtained, and in the single cell 60 for comparison, a cell voltage of 0.62V was obtained. In addition, the unit cells 70 and 60 are at 80 °
To keep the temperature of the fuel flow path 14 and the air flow path 15 6
Hydrogen and air humidified by a bubbler kept at 0 ° C. were supplied, and the power generation characteristics were measured at normal pressure.
At 5 A / cm 2 , in the single cell 70 according to the present application, it is 0.
A cell voltage of 55 V was obtained, and a cell voltage of 0.52 V was obtained in the single cell 60 for comparison.

【0028】このように、本電極・膜接合体50を用い
た単セル70は、従来の電極・膜接合体61を用いた比
較用の単セル60に比べて、高い電池性能が得られる。
特に、低加湿条件では、単セル70と単セル60との電
池性能の差が顕著となる。これは、空気極触媒層3で生
成された水の第1ガス拡散層6aを介しての第2ガス拡
散層6b側への排水が第1ガス拡散層6aの撥水作用に
よりブロックされる。これにより、空気極触媒層3で生
成された水が空気極触媒層3に滞留し、固体電解質膜1
の乾燥を防止するため、と推考される。また、高加湿状
態でも、高い電池性能を維持するのは、撥水性の高い第
1ガス拡散層6aから溢れた水が、撥水性の低い第2ガ
ス拡散層6bにスムーズに排出されるため、空気極触媒
層3に過度の水が滞留せず、空気極触媒層3内への酸素
の拡散が阻害されないため、と推考される。
As described above, the single cell 70 using the present electrode / membrane assembly 50 has higher battery performance than the comparative single cell 60 using the conventional electrode / membrane assembly 61.
In particular, under low humidification conditions, the difference in battery performance between the single cell 70 and the single cell 60 becomes significant. In this, drainage of water generated in the air electrode catalyst layer 3 to the second gas diffusion layer 6b side through the first gas diffusion layer 6a is blocked by the water repellent action of the first gas diffusion layer 6a. As a result, the water generated in the air electrode catalyst layer 3 stays in the air electrode catalyst layer 3 and the solid electrolyte membrane 1
It is presumed that this is to prevent the dryness of. Further, even in a highly humidified state, high battery performance is maintained because water overflowing from the first gas diffusion layer 6a having high water repellency is smoothly discharged to the second gas diffusion layer 6b having low water repellency. It is presumed that excessive water does not stay in the air electrode catalyst layer 3 and oxygen diffusion into the air electrode catalyst layer 3 is not hindered.

【0029】この実施の形態1による空気極側の電極
は、空気極触媒層3と、第1ガス拡散層6aと、第2ガ
ス拡散層6bとを積層して構成されている。そして、第
1ガス拡散層6aの撥水性が、第2ガス拡散層6bおよ
び空気極触媒層3の撥水性より高く構成されている。そ
こで、水が空気極触媒層3内に適度に滞留している場
合、空気極触媒層3から第1ガス拡散層6aを介して第
2ガス拡散層6bに移動する水の動きが撥水性の高い第
1ガス拡散層6aでブロックされ、空気極触媒層3内の
水の枯渇、即ち空気極触媒層3の乾燥が防止される。一
方、水が空気極触媒層3内に過度に滞留している場合、
過度の水が空気極触媒層3から第1ガス拡散層6aに移
動する。そして、第1ガス拡散層6a内に滞留する水
が、撥水性の低い第2ガス拡散層6bに速やかに移動し
て、外部に排水される。これにより、空気極触媒層3内
に過度の水の滞留が抑制される。つまり、この実施の形
態1による空気極側の電極は、水を適度に空気極触媒層
3に滞留させることができる。
The electrode on the air electrode side according to the first embodiment is formed by laminating the air electrode catalyst layer 3, the first gas diffusion layer 6a, and the second gas diffusion layer 6b. The water repellency of the first gas diffusion layer 6a is higher than that of the second gas diffusion layer 6b and the air electrode catalyst layer 3. Therefore, when the water is appropriately retained in the air electrode catalyst layer 3, the movement of the water moving from the air electrode catalyst layer 3 to the second gas diffusion layer 6b via the first gas diffusion layer 6a is water repellent. It is blocked by the high first gas diffusion layer 6a, and the depletion of water in the air electrode catalyst layer 3, that is, the drying of the air electrode catalyst layer 3 is prevented. On the other hand, when water is excessively retained in the air electrode catalyst layer 3,
Excessive water moves from the air electrode catalyst layer 3 to the first gas diffusion layer 6a. Then, the water retained in the first gas diffusion layer 6a quickly moves to the second gas diffusion layer 6b having low water repellency, and is drained to the outside. Thereby, excessive retention of water in the air electrode catalyst layer 3 is suppressed. That is, the electrode on the air electrode side according to the first embodiment can appropriately retain water in the air electrode catalyst layer 3.

【0030】また、このように構成された空気極側の電
極を用いた電極・膜接合体50を燃料流路14および空
気流路15が形成されたセパレータ12、13を介して
複数積層して構成された固体高分子型燃料電池において
は、低加湿条件では空気極触媒層3で生成された水が第
2ガス拡散層6bに排出されにくくなり、空気極触媒層
3の乾燥を防止でき、高加湿条件では第1ガス拡散層6
aから溢れ出た過剰な水が速やかに第2ガス絶縁層6b
に排出され、空気極触媒層3内の水の過度な滞留が阻止
される。これにより、固体高分子電解質膜1の乾燥によ
る内部抵抗の増大に起因する電池性能の低下が抑えら
れ、空気極触媒層3内の過度な水の滞留による空気極触
媒層3内での酸素の拡散の低下に起因する電池性能の低
下が抑えられ、高い電池性能の固体高分子型燃料電池が
得られる。さらに、低加湿条件での空気極触媒層3の乾
燥が防止されるので、外部の加湿器を小さくできる固体
高分子型燃料電池が得られる。そして、最終的には、加
湿器がなくとも動作可能な固体高分子型燃料電池を実現
することができる。
Further, a plurality of electrode / membrane assemblies 50 using the electrodes on the side of the air electrode thus constructed are laminated via the separators 12 and 13 in which the fuel channel 14 and the air channel 15 are formed. In the solid polymer electrolyte fuel cell thus configured, under low humidification conditions, the water produced in the air electrode catalyst layer 3 becomes difficult to be discharged to the second gas diffusion layer 6b, and the air electrode catalyst layer 3 can be prevented from drying. The first gas diffusion layer 6 under high humidification conditions
Excessive water overflowing from a promptly becomes the second gas insulating layer 6b.
And is excessively retained in the air electrode catalyst layer 3. As a result, the decrease in battery performance due to the increase in internal resistance due to the drying of the solid polymer electrolyte membrane 1 is suppressed, and the excessive retention of water in the air electrode catalyst layer 3 prevents the oxygen in the air electrode catalyst layer 3 from being accumulated. A decrease in cell performance due to a decrease in diffusion is suppressed, and a polymer electrolyte fuel cell having high cell performance can be obtained. Furthermore, since the air electrode catalyst layer 3 is prevented from drying under low humidification conditions, a polymer electrolyte fuel cell in which the external humidifier can be made small can be obtained. Finally, it is possible to realize a polymer electrolyte fuel cell that can operate without a humidifier.

【0031】なお、上記実施の形態1では、第1および
第2ガス拡散層6a、6bに撥水処理を施すものとして
説明しているが、空気極触媒層3に近接する第1ガス拡
散層6aの水の接触角が空気極触媒層3から離反する第
2ガス拡散層6bより大きくなっていればよく、例えば
第1ガス拡散層に撥水処理を施し、第2ガス拡散層に親
水処理を施してもよい。そして、親水処理としては、シ
リカ等の酸化物が好適である。
In the first embodiment described above, the first and second gas diffusion layers 6a and 6b are treated to be water repellent, but the first gas diffusion layer adjacent to the air electrode catalyst layer 3 is described. It suffices that the contact angle of water of 6a is larger than that of the second gas diffusion layer 6b which is separated from the air electrode catalyst layer 3. For example, the first gas diffusion layer is subjected to water repellent treatment and the second gas diffusion layer is subjected to hydrophilic treatment. May be given. Then, as the hydrophilic treatment, an oxide such as silica is suitable.

【0032】実施の形態2.図7はこの発明の実施の形
態2に係る固体高分子型燃料電池の電極・膜接合体を示
す断面図である。図7において、電極・膜接合体51
は、燃料極触媒層2が固体高分子電解質膜1の一面に一
体に形成され、空気極触媒層3が固体高分子電解質膜1
の他面に一体に形成され、導電性、かつ、ガス透過性を
有するガス拡散層6、7が固体高分子電解質膜1を挟ん
で接合一体化されて構成されている。そして、ガス拡散
層6は、撥水性の異なる第1および第2ガス拡散層6
a、6bを積層して構成され、ガス拡散層7は、撥水性
の異なる第1および第2ガス拡散層7a、7b(分割ガ
ス拡散層)を積層して構成されている。ここで、空気極
触媒層3に接する第1ガス拡散層6aの撥水性が第2ガ
ス拡散層6bおよび空気極触媒層3より高く形成され、
燃料極触媒層2に接する第1ガス拡散層7aの撥水性が
第2ガス拡散層7bおよび燃料極触媒層2より高く形成
されている。なお、この実施の形態2は、燃料極側のガ
ス拡散層7が第1および第2ガス拡散層7a、7bを積
層して構成されている点を除いて、上記実施の形態1と
同様に構成されている。
Embodiment 2. FIG. 7 is a sectional view showing an electrode / membrane assembly of a polymer electrolyte fuel cell according to Embodiment 2 of the present invention. In FIG. 7, the electrode / membrane assembly 51
The fuel electrode catalyst layer 2 is integrally formed on one surface of the solid polymer electrolyte membrane 1, and the air electrode catalyst layer 3 is formed on the solid polymer electrolyte membrane 1.
The gas diffusion layers 6 and 7 which are integrally formed on the other surface and have conductivity and gas permeability are joined and integrated with the solid polymer electrolyte membrane 1 interposed therebetween. The gas diffusion layer 6 is composed of the first and second gas diffusion layers 6 having different water repellency.
The gas diffusion layer 7 is formed by laminating first and second gas diffusion layers 7a and 7b (divided gas diffusion layers) having different water repellency. Here, the water repellency of the first gas diffusion layer 6a in contact with the air electrode catalyst layer 3 is higher than that of the second gas diffusion layer 6b and the air electrode catalyst layer 3,
The water repellency of the first gas diffusion layer 7a in contact with the fuel electrode catalyst layer 2 is higher than that of the second gas diffusion layer 7b and the fuel electrode catalyst layer 2. The second embodiment is similar to the first embodiment except that the gas diffusion layer 7 on the fuel electrode side is formed by stacking the first and second gas diffusion layers 7a and 7b. It is configured.

【0033】ここで、第1および第2ガス拡散層7a、
7bは、上記実施の形態1における第1および第2ガス
拡散層6a、6bと同様に作製される。そして、この電
極・膜接合体51をガス流路が形成されたセパレータを
介して複数積層して固体高分子型燃料電池が構成され
る。
Here, the first and second gas diffusion layers 7a,
7b is manufactured similarly to the first and second gas diffusion layers 6a and 6b in the first embodiment. Then, a plurality of the electrode / membrane assembly 51 are laminated with a separator having a gas channel formed therebetween to form a polymer electrolyte fuel cell.

【0034】この実施の形態2による燃料極側の電極
は、燃料極触媒層2と、第1ガス拡散層7aと、第2ガ
ス拡散層7bとを積層して構成されている。そして、第
1ガス拡散層7aの撥水性が、第2ガス拡散層7bおよ
び燃料極触媒層2の撥水性より高く構成されている。そ
こで、水が燃料極触媒層2内に適度に滞留している場
合、燃料極触媒層2から第1ガス拡散層7aを介して第
2ガス拡散層7bに移動する水の動きが撥水性の高い第
1ガス拡散層7aでブロックされ、燃料極触媒層2内の
水の枯渇、即ち燃料極触媒層2の乾燥が防止される。一
方、水が燃料極触媒層2内に過度に滞留している場合、
過度の水が燃料極触媒層2から第1ガス拡散層7aに移
動する。そして、第1ガス拡散層7a内に滞留する水
が、撥水性の低い第2ガス拡散層7bに速やかに移動し
て、外部に排水される。これにより、燃料極触媒層2内
に過度の水の滞留が抑制される。なお、空気極側の電極
は、上記実施の形態1と同様に構成され、同様に動作す
る。
The electrode on the fuel electrode side according to the second embodiment is formed by stacking the fuel electrode catalyst layer 2, the first gas diffusion layer 7a and the second gas diffusion layer 7b. The water repellency of the first gas diffusion layer 7a is higher than that of the second gas diffusion layer 7b and the fuel electrode catalyst layer 2. Therefore, when the water is appropriately retained in the fuel electrode catalyst layer 2, the movement of the water moving from the fuel electrode catalyst layer 2 to the second gas diffusion layer 7b via the first gas diffusion layer 7a is water repellent. It is blocked by the high first gas diffusion layer 7a, and the depletion of water in the fuel electrode catalyst layer 2, that is, the drying of the fuel electrode catalyst layer 2 is prevented. On the other hand, when water is excessively retained in the fuel electrode catalyst layer 2,
Excessive water moves from the fuel electrode catalyst layer 2 to the first gas diffusion layer 7a. Then, the water retained in the first gas diffusion layer 7a quickly moves to the second gas diffusion layer 7b having low water repellency, and is drained to the outside. As a result, excessive retention of water in the fuel electrode catalyst layer 2 is suppressed. The electrode on the air electrode side is configured and operates in the same manner as in the first embodiment.

【0035】この電極・膜接合体51を用いた固体高分
子型燃料電池においては、空気極触媒層3で生成された
水が固体高分子電解質膜1を介して燃料極触媒層2に移
動して、燃料極触媒層2に滞留される。そして、燃料極
触媒層2から第1ガス拡散層7aを介して第2ガス拡散
層7bに移動する水の動きが撥水性の高い第1ガス拡散
層7aでブロックされ、燃料極触媒層2内の水の枯渇、
即ち燃料極触媒層2の乾燥が防止される。一方、水が燃
料極触媒層2内に過度に滞留している場合、過度の水が
燃料極触媒層2から第1ガス拡散層7aに移動する。そ
して、第1ガス拡散層7a内に滞留する水が、撥水性の
低い第2ガス拡散層7bに速やかに移動して、外部に排
水される。これにより、燃料極触媒層2内に過度の水の
滞留が抑制され、燃料極触媒層2内への燃料の拡散が阻
害されない。なお、空気極側では、上記実施の形態1と
同様に動作する。
In the polymer electrolyte fuel cell using this electrode-membrane assembly 51, the water produced in the air electrode catalyst layer 3 moves to the fuel electrode catalyst layer 2 through the polymer electrolyte membrane 1. And stays in the fuel electrode catalyst layer 2. Then, the movement of water moving from the fuel electrode catalyst layer 2 to the second gas diffusion layer 7b via the first gas diffusion layer 7a is blocked by the first gas diffusion layer 7a having high water repellency, and the inside of the fuel electrode catalyst layer 2 is blocked. Depletion of water,
That is, the drying of the fuel electrode catalyst layer 2 is prevented. On the other hand, when water is excessively retained in the fuel electrode catalyst layer 2, excessive water moves from the fuel electrode catalyst layer 2 to the first gas diffusion layer 7a. Then, the water retained in the first gas diffusion layer 7a quickly moves to the second gas diffusion layer 7b having low water repellency, and is drained to the outside. As a result, excessive retention of water in the fuel electrode catalyst layer 2 is suppressed, and diffusion of fuel into the fuel electrode catalyst layer 2 is not hindered. It should be noted that on the air electrode side, the same operation as in the first embodiment is performed.

【0036】このように、この実施の形態2による固体
高分子型燃料電池においては、空気極側のガス拡散層6
に加えて、燃料極側のガス拡散層7が撥水性の異なる第
1および第2ガス拡散層7a、7bを積層して構成さ
れ、第1ガス拡散層7aの撥水性が第2ガス拡散層7b
および燃料極触媒層2の撥水性より高く構成されている
ので、燃料極側においても低加湿条件での水の排出が抑
えられ、低加湿条件における固体高分子電解質膜1の乾
燥を確実に防止できる。また、この実施の形態2による
固体高分子型燃料電池においても、上記実施の形態1と
同様に、高加湿条件における燃料極触媒層2および空気
極触媒層3での水の過度の滞留が抑制され、燃料極触媒
層2および空気極触媒層3内でのガス拡散性の低下が抑
えられる。また、この実施の形態2による燃料極側の電
極においても、空気極側の電極と同様に構成されてお
り、同様の効果を奏する。
As described above, in the polymer electrolyte fuel cell according to the second embodiment, the gas diffusion layer 6 on the air electrode side is formed.
In addition, the gas diffusion layer 7 on the fuel electrode side is configured by laminating first and second gas diffusion layers 7a and 7b having different water repellencies, and the water repellency of the first gas diffusion layer 7a is the second gas diffusion layer. 7b
Further, since the water repellency of the fuel electrode catalyst layer 2 is higher than that of the fuel electrode catalyst layer 2, water discharge under the low humidification condition is suppressed even on the fuel electrode side, and the solid polymer electrolyte membrane 1 is reliably prevented from drying under the low humidification condition. it can. Further, also in the polymer electrolyte fuel cell according to the second embodiment, as in the first embodiment, excessive retention of water in the fuel electrode catalyst layer 2 and the air electrode catalyst layer 3 under high humidification conditions is suppressed. As a result, deterioration of gas diffusivity in the fuel electrode catalyst layer 2 and the air electrode catalyst layer 3 is suppressed. Further, the fuel electrode side electrode according to the second embodiment is also configured similarly to the air electrode side electrode, and has the same effect.

【0037】なお、上記実施の形態2では、燃料極およ
び空気極側のガス拡散層6、7を撥水性の異なる第1お
よび第2ガス拡散層6a,6b、7a、7bを積層して
構成するものとしているが、空気極側のガス拡散層を1
層で構成し、燃料極側のガス拡散層のみを第1および第
2ガス拡散層を積層して構成するようにしても、同様の
効果を奏する。
In the second embodiment, the gas diffusion layers 6 and 7 on the fuel electrode and air electrode sides are formed by laminating the first and second gas diffusion layers 6a, 6b, 7a and 7b having different water repellency. The gas diffusion layer on the air electrode side is 1
The same effect can be obtained even if the gas diffusion layer on the fuel electrode side is constituted by laminating the first and second gas diffusion layers.

【0038】実施の形態3.上記実施の形態1では、第
1および第2ガス拡散層6a、6bの撥水性を異なるよ
うに構成して、第1および第2ガス拡散層6a、6bの
水の接触角を変えるものとしているが、この実施の形態
3では、図8に示されるように、第1および第2ガス拡
散層8a、8b(分割ガス拡散層)の平均細孔径を異な
るように構成して、第1および第2ガス拡散層8a、8
bの水の接触角を変えるものとしている。なお、平均細
孔径が大きいほど、水の接触角は小さくなる。即ち、平
均細孔径が大きくなるほど、単位面積当たりの表面自由
エネルギーが小さくなるので、水の接触角が小さくな
る。
Embodiment 3. In the first embodiment, the water repellency of the first and second gas diffusion layers 6a and 6b is made different, and the contact angle of water between the first and second gas diffusion layers 6a and 6b is changed. However, in the third embodiment, as shown in FIG. 8, the first and second gas diffusion layers 8a and 8b (divided gas diffusion layers) are configured to have different average pore diameters, and the first and second gas diffusion layers 8a and 8b are configured to have different average pore diameters. 2 gas diffusion layers 8a, 8
The contact angle of water in b is changed. The larger the average pore diameter, the smaller the contact angle of water. That is, the larger the average pore diameter, the smaller the surface free energy per unit area and the smaller the contact angle of water.

【0039】ここで、この実施の形態3による電極・膜
接合体52の製造方法の特徴部分について説明する。水
性のポリテトラフルオロエチレン(PTFE)分散液に
100μm厚のカーボンペーパ(ここでは、東レ製のT
GP−H−030を用いた)を浸し、乾燥後360℃で
焼成して撥水処理が施された第1ガス拡散層8a用カー
ボンペーパを作製する。同様に、水性のポリテトラフル
オロエチレン分散液に200μm厚のカーボンペーパ
(ここでは、東レ製のTGP−H−060を用いた)を
浸し、乾燥後360℃で焼成して撥水処理が施された第
2ガス拡散層8bを作製する。ここで、第1および第2
ガス拡散層8a、8bを構成する両カーボンペーパの平
均細孔率はほぼ同じであり、両カーボンペーパの撥水処
理(PTFE)の割合は15重量%としている。
Here, the characteristic part of the method of manufacturing the electrode / membrane assembly 52 according to the third embodiment will be described. Aqueous polytetrafluoroethylene (PTFE) dispersion was added to 100 μm thick carbon paper (here, Toray T
GP-H-030) was soaked, dried and baked at 360 ° C. to prepare a water repellent carbon paper for the first gas diffusion layer 8a. Similarly, 200 μm thick carbon paper (here, TGP-H-060 made by Toray was used) was dipped in an aqueous polytetrafluoroethylene dispersion, dried and baked at 360 ° C. for water repellent treatment. The second gas diffusion layer 8b is prepared. Where the first and second
Both carbon papers forming the gas diffusion layers 8a and 8b have substantially the same average porosity, and the water repellent treatment (PTFE) ratio of both carbon papers is 15% by weight.

【0040】ついで、カーボンブラック粉末にポリテト
ラフルオロエチレン分散液を加えて混練して作製したイ
ンクを、第1ガス拡散層8a用カーボンペーパの細孔に
含浸させ、110℃で乾燥した後、360℃で焼成し
た。これにより、平均細孔径が第2ガス拡散層8bの平
均細孔径の半分以下の第1ガス拡散層8aを作製した。
なお、含浸したカーボンブラックの撥水割合は、カーボ
ンペーパの撥水処理の割合と同じ15重量%としてい
る。
Next, an ink prepared by adding a polytetrafluoroethylene dispersion liquid to carbon black powder and kneading is impregnated into the pores of the carbon paper for the first gas diffusion layer 8a, dried at 110 ° C., and then 360. Baked at ° C. As a result, the first gas diffusion layer 8a having an average pore diameter of half or less of the average pore diameter of the second gas diffusion layer 8b was produced.
The water repellent rate of the impregnated carbon black is 15% by weight, which is the same as the rate of the water repellent treatment of carbon paper.

【0041】このように作製された第1ガス拡散層8a
に空気極用の触媒層インクを塗布し、触媒層インクを乾
燥して空気極触媒層3を作製する。また、ガス拡散層4
に燃料極用の触媒層インクを塗布し、触媒層インクを乾
燥して燃料極触媒層2を作製する。ついで、高分子電解
質膜1の両面にそれぞれ燃料極触媒層2および空気極触
媒層3が接するようにガス拡散層4および第1ガス拡散
層8aを重ね合わせ、固体高分子電解質膜1のガラス転
移点付近の温度でホットプレスし、燃料極触媒層2およ
び空気極触媒層3と固体高分子電解質膜1とを熱融着す
る。さらに、第2ガス拡散層8bを第1ガス拡散層7a
の背面に貼り付けて電極・膜接合体52が作製される。
The first gas diffusion layer 8a thus produced
The catalyst electrode ink for the air electrode is applied to and the catalyst layer ink is dried to form the air electrode catalyst layer 3. In addition, the gas diffusion layer 4
The catalyst electrode ink for the fuel electrode is applied to and the catalyst layer ink is dried to prepare the fuel electrode catalyst layer 2. Then, the gas diffusion layer 4 and the first gas diffusion layer 8a are superposed so that the fuel electrode catalyst layer 2 and the air electrode catalyst layer 3 are in contact with both surfaces of the polymer electrolyte membrane 1, respectively, and the glass transition of the solid polymer electrolyte membrane 1 is performed. By hot pressing at a temperature near the point, the fuel electrode catalyst layer 2 and the air electrode catalyst layer 3 and the solid polymer electrolyte membrane 1 are heat-sealed. Further, the second gas diffusion layer 8b is replaced with the first gas diffusion layer 7a.
The electrode / membrane assembly 52 is manufactured by attaching the electrode / membrane assembly 52 to the back surface of the.

【0042】このように構成された電極・膜接合体52
を用いて上記実施の形態1と同様に作製された単セルを
外部負荷30に接続した。そして、単セルを80℃に保
温し、燃料流路14と空気流路15とにそれぞれ75℃
に保温したバブラーで加湿した水素と空気とを供給し
て、常圧で発電特性を測定したところ、電流密度0.5
A/cmにおいて、0.63Vのセル電圧が得られ
た。また、単セルを80℃に保温し、燃料流路14と空
気流路15とにそれぞれ60℃に保温したバブラーで加
湿した水素と空気とを供給して、常圧で発電特性を測定
したところ、電流密度0.5A/cmにおいて、0.
56Vのセル電圧が得られた。
The electrode / membrane assembly 52 thus configured
The single cell manufactured in the same manner as in the first embodiment is connected to the external load 30 using. Then, the single cell is kept warm at 80 ° C., and the fuel flow passage 14 and the air flow passage 15 are each kept at 75 ° C.
Hydrogen and air humidified by a bubbler kept warm were supplied to the reactor, and the power generation characteristics were measured at normal pressure.
A cell voltage of 0.63 V was obtained at A / cm 2 . Further, the single cell was kept at 80 ° C., and hydrogen and air humidified by bubblers kept at 60 ° C. were supplied to the fuel flow passage 14 and the air flow passage 15, respectively, and the power generation characteristics were measured at normal pressure. , At a current density of 0.5 A / cm 2 , 0.
A cell voltage of 56V was obtained.

【0043】このように、この実施の形態3において
も、低加湿条件および高加湿条件で比較例に比べて高い
セル電圧が得られる。そして、低加湿条件での電池性能
の向上は、空気極触媒層3で生成された水の第1ガス拡
散層8aを介しての第2ガス拡散層8b側への排水が平
均細孔径の小さい第1ガス拡散層8aによりブロックさ
れる。これにより、空気極触媒層3で生成された水が空
気極触媒層3に滞留し、固体電解質膜1の乾燥を防止す
るため、と推考される。また、高加湿状態での電池性能
の向上は、平均細孔径の小さい第1ガス拡散層8aから
溢れた水が、平均細孔径の大きい第2ガス拡散層bbに
スムーズに排出されるため、空気極触媒層3に過度の水
が滞留せず、空気極触媒層3内への酸素の拡散が阻害さ
れないため、と推考される。従って、この実施の形態3
においても、上記実施の形態1と同様の効果が得られ
る。
As described above, also in the third embodiment, a cell voltage higher than that of the comparative example can be obtained under the low humidification condition and the high humidification condition. The improvement of the battery performance under the low humidification condition is that drainage of water generated in the air electrode catalyst layer 3 to the second gas diffusion layer 8b side through the first gas diffusion layer 8a has a small average pore diameter. It is blocked by the first gas diffusion layer 8a. It is presumed that this causes the water generated in the air electrode catalyst layer 3 to stay in the air electrode catalyst layer 3 and prevent the solid electrolyte membrane 1 from drying. In addition, the battery performance is improved in the high humidification state because water overflowing from the first gas diffusion layer 8a having a small average pore diameter is smoothly discharged to the second gas diffusion layer bb having a large average pore diameter. It is presumed that excessive water does not stay in the electrode catalyst layer 3 and oxygen diffusion into the air electrode catalyst layer 3 is not hindered. Therefore, the third embodiment
Also in the above, the same effect as that of the first embodiment can be obtained.

【0044】なお、上記実施の形態3では、平均細孔径
が同じカーボンペーパに撥水処理を施し、その後一方の
カーボンペーパに平均細孔径を小さくする処理を施すも
のとしているが、撥水処理を施すカーボンペーパ自体に
平均細孔径の異なるカーボンペーパを使用してもよい。
また、上記実施の形態3では、第1および第2ガス拡散
層8a、8bの撥水割合を同一にするものとしている
が、第1ガス拡散層8aの撥水割合を第2ガス拡散層8
bの撥水割合より高くするようにしてもよい。この場
合、第1ガス拡散層8aの平均細孔径を小さくすること
に加えて、撥水割合を高めているので、第1ガス拡散層
8aの撥水性がさらに高くなり(つまり、水の接触角が
さらに大きくなり)、空気極触媒層3で生成された水を
確実にブロックして空気極触媒層3に適用の水を滞留さ
せることができる。また、上記実施の形態3では、空気
極側のガス拡散層8を平均細孔径の異なる第1および第
2ガス拡散層8a、8bを積層して構成するものとして
いるが、上記実施の形態2と同様に、燃料極側のガス拡
散層を平均細孔径の異なる第1および第2ガス拡散層を
積層して構成するようにしてもよい。
In the third embodiment, the carbon paper having the same average pore diameter is subjected to the water repellent treatment, and then one carbon paper is subjected to the treatment for reducing the average pore diameter. Carbon paper having different average pore diameters may be used as the carbon paper itself.
In the third embodiment, the water repellent ratios of the first and second gas diffusion layers 8a and 8b are the same, but the water repellent ratio of the first gas diffusion layer 8a is the same as that of the second gas diffusion layer 8.
You may make it higher than the water repellent ratio of b. In this case, in addition to reducing the average pore diameter of the first gas diffusion layer 8a and increasing the water repellency ratio, the water repellency of the first gas diffusion layer 8a becomes even higher (that is, the contact angle of water). Is further increased), the water generated in the air electrode catalyst layer 3 can be reliably blocked, and the applied water can be retained in the air electrode catalyst layer 3. In the third embodiment, the gas diffusion layer 8 on the air electrode side is formed by laminating the first and second gas diffusion layers 8a and 8b having different average pore diameters. Similarly to the above, the gas diffusion layer on the fuel electrode side may be configured by laminating first and second gas diffusion layers having different average pore diameters.

【0045】実施の形態4.この実施の形態4による電
極・膜接合体53は、図9に示されるように、バインド
層9aが第1および第2ガス拡散層6a、6b間に介装
されている。なお、他の構成は、上記実施の形態1と同
様に構成されている。
Fourth Embodiment In the electrode / membrane assembly 53 according to the fourth embodiment, as shown in FIG. 9, a binding layer 9a is interposed between the first and second gas diffusion layers 6a and 6b. The other structure is the same as that of the first embodiment.

【0046】ここで、この電極・膜接合体53の特徴部
分であるバインド層の製造方法について説明する。ま
ず、カーボンブラック粉末にポリテトラフルオロエチレ
ン分散液を加え、ついで110℃で乾燥して水分を除去
し、その後360℃で焼成する。そして、この焼成体を
粉砕して粉末化する。この粉末をアルコール等の有機溶
媒に分散させた分散液を第2ガス拡散層6bの一面の全
面に塗布し、乾燥させてバインド層9aを作製する。
Now, a method of manufacturing the binding layer, which is a characteristic part of the electrode / membrane assembly 53, will be described. First, a polytetrafluoroethylene dispersion is added to carbon black powder, then dried at 110 ° C. to remove water, and then baked at 360 ° C. Then, the fired body is pulverized into powder. A dispersion in which this powder is dispersed in an organic solvent such as alcohol is applied to the entire one surface of the second gas diffusion layer 6b and dried to form the binding layer 9a.

【0047】そして、高分子電解質膜1の両面にそれぞ
れ燃料極触媒層2および空気極触媒層3が接するように
ガス拡散層4および第1ガス拡散層6aを重ね合わせ、
固体高分子電解質膜1のガラス転移点付近の温度でホッ
トプレスし、燃料極触媒層2および空気極触媒層3と固
体高分子電解質膜1とを熱融着する。さらに、第2ガス
拡散層6bがそのバインド層9aを挟み込むように第1
ガス拡散層7aの背面に貼り付けられて電極・膜接合体
53が作製される。
Then, the gas diffusion layer 4 and the first gas diffusion layer 6a are superposed so that the fuel electrode catalyst layer 2 and the air electrode catalyst layer 3 are in contact with both surfaces of the polymer electrolyte membrane 1, respectively.
Hot pressing is performed at a temperature near the glass transition point of the solid polymer electrolyte membrane 1 to thermally fuse the fuel electrode catalyst layer 2 and the air electrode catalyst layer 3 to the solid polymer electrolyte membrane 1. Further, the first gas diffusion layer 6b is formed so as to sandwich the binding layer 9a.
The electrode / membrane assembly 53 is produced by being attached to the back surface of the gas diffusion layer 7a.

【0048】このように構成された電極・膜接合体53
を用いて上記実施の形態1と同様に作製された単セルを
外部負荷30に接続した。そして、単セルを80℃に保
温し、燃料流路14と空気流路15とにそれぞれ75℃
に保温したバブラーで加湿した水素と空気とを供給し
て、常圧で発電特性を測定したところ、電流密度0.5
A/cmにおいて、0.65Vのセル電圧が得られ
た。また、単セルを80℃に保温し、燃料流路14と空
気流路15とにそれぞれ60℃に保温したバブラーで加
湿した水素と空気とを供給して、常圧で発電特性を測定
したところ、電流密度0.5A/cmにおいて、0.
57Vのセル電圧が得られた。
The electrode / membrane assembly 53 thus configured
The single cell manufactured in the same manner as in the first embodiment is connected to the external load 30 using. Then, the single cell is kept warm at 80 ° C., and the fuel flow passage 14 and the air flow passage 15 are each kept at 75 ° C.
Hydrogen and air humidified by a bubbler kept warm were supplied to the reactor, and the power generation characteristics were measured at normal pressure.
A cell voltage of 0.65 V was obtained at A / cm 2 . Further, the single cell was kept at 80 ° C., and hydrogen and air humidified by bubblers kept at 60 ° C. were supplied to the fuel flow passage 14 and the air flow passage 15, respectively, and the power generation characteristics were measured at normal pressure. , At a current density of 0.5 A / cm 2 , 0.
A cell voltage of 57V was obtained.

【0049】このように、この実施の形態4によれば、
上記実施の形態1に比べて、高い電池性能が得られた。
これは、カーボンブラックからなる導電性部粒子の層
(バインド層9a)を第1ガス拡散層6aと第2ガス拡
散層6bとの間に介装していることにより、第1ガス拡
散層6aと第2ガス拡散層6bとの間の接触抵抗が低下
したため、と推考される。さらに、バインド層9aの平
均細孔径が第1および第2ガス拡散層6a、6bより小
さく、第1および第2ガス拡散層6a、6bより撥水性
が高くなり、第1ガス拡散層6aから第2ガス拡散層6
bに移動する水をブロックする力が強いため、特に低加
湿条件での電池性能が向上したもの、と推考される。
As described above, according to the fourth embodiment,
Higher battery performance was obtained as compared with the first embodiment.
This is because the layer of the conductive part particles made of carbon black (the binding layer 9a) is interposed between the first gas diffusion layer 6a and the second gas diffusion layer 6b. It is considered that this is because the contact resistance between the second gas diffusion layer 6b and the second gas diffusion layer 6b was reduced. Furthermore, the average pore diameter of the binding layer 9a is smaller than that of the first and second gas diffusion layers 6a and 6b, and the water repellency is higher than that of the first and second gas diffusion layers 6a and 6b. 2 gas diffusion layer 6
It is presumed that the battery performance is improved, especially under low humidification conditions, because the water that moves to b is strongly blocked.

【0050】なお、上記実施の形態4では、バインド層
9aを空気極側のガス拡散層6を構成する第1および第
2ガス拡散層6a、6b間に介装するものとしている
が、上記実施の形態2と同様に、燃料極側のガス拡散層
を第1および第2ガス拡散層を積層して構成し、バイン
ド層9aを第1および第2ガス拡散層間に介装するよう
にしてもよい。
In the fourth embodiment, the binding layer 9a is interposed between the first and second gas diffusion layers 6a and 6b forming the gas diffusion layer 6 on the air electrode side. As in the second embodiment, the gas diffusion layer on the fuel electrode side may be formed by laminating the first and second gas diffusion layers, and the binding layer 9a may be interposed between the first and second gas diffusion layers. Good.

【0051】実施の形態5.この実施の形態5では、第
1および第2ガス拡散層6a、6b間に介装されている
バインド層が親水性を有しているものとしている。な
お、他の構成は上記実施の形態4と同様に構成されてい
る。
Embodiment 5. In the fifth embodiment, the binding layer interposed between the first and second gas diffusion layers 6a and 6b has hydrophilicity. The other structure is the same as that of the fourth embodiment.

【0052】この実施の形態5では、カーボンブラック
粉末と親水性のシリカ粉末との混合粉末をアルコール等
の有機溶媒に分散させ、その分散液に固体高分子電解質
膜と同成分の溶液(例えば、アルドリッチ製のナフィオ
ン液)を加えて混合する。この混合液を110℃で乾燥
して溶剤分を除去し、130℃で熱処理し、その後36
0℃で焼成する。そして、この焼成体を粉砕して粉末化
する。この粉末をアルコール等の有機溶媒に分散させた
分散液を第2ガス拡散層6bの一面に塗布し、乾燥させ
て親水性を有するバインド層を作製する。なお、固体高
分子電解質膜と同成分の溶液は、バインド層内の各粉末
のバインダとして機能する。
In the fifth embodiment, a mixed powder of carbon black powder and hydrophilic silica powder is dispersed in an organic solvent such as alcohol, and the dispersion contains the same component solution as the solid polymer electrolyte membrane (for example, Add Aldrich Nafion solution) and mix. The mixed solution is dried at 110 ° C. to remove the solvent component, heat-treated at 130 ° C., and then 36
Bake at 0 ° C. Then, the fired body is pulverized into powder. A dispersion in which this powder is dispersed in an organic solvent such as alcohol is applied to one surface of the second gas diffusion layer 6b and dried to form a hydrophilic bind layer. The solution having the same components as the solid polymer electrolyte membrane functions as a binder for each powder in the binding layer.

【0053】そして、高分子電解質膜1の両面にそれぞ
れ燃料極触媒層2および空気極触媒層3が接するように
ガス拡散層4および第1ガス拡散層6aを重ね合わせ、
固体高分子電解質膜1のガラス転移点付近の温度でホッ
トプレスし、燃料極触媒層2および空気極触媒層3と固
体高分子電解質膜1とを熱融着する。さらに、第2ガス
拡散層6bがそのバインド層を挟み込むように第1ガス
拡散層7aの背面に貼り付けられて電極・膜接合体が作
製される。
Then, the gas diffusion layer 4 and the first gas diffusion layer 6a are superposed so that the fuel electrode catalyst layer 2 and the air electrode catalyst layer 3 are in contact with the both surfaces of the polymer electrolyte membrane 1, respectively.
Hot pressing is performed at a temperature near the glass transition point of the solid polymer electrolyte membrane 1 to thermally fuse the fuel electrode catalyst layer 2 and the air electrode catalyst layer 3 to the solid polymer electrolyte membrane 1. Further, the second gas diffusion layer 6b is attached to the back surface of the first gas diffusion layer 7a so as to sandwich the binding layer, and the electrode / membrane assembly is produced.

【0054】このように構成された電極・膜接合体を用
いて上記実施の形態1と同様に作製された単セルを外部
負荷30に接続した。そして、単セルを80℃に保温
し、燃料流路14と空気流路15とにそれぞれ75℃に
保温したバブラーで加湿した水素と空気とを供給して、
常圧で発電特性を測定したところ、電流密度0.5A/
cmにおいて、0.65Vのセル電圧が得られた。ま
た、単セルを80℃に保温し、燃料流路14と空気流路
15とにそれぞれ60℃に保温したバブラーで加湿した
水素と空気とを供給して、常圧で発電特性を測定したと
ころ、電流密度0.5A/cmにおいて、0.55V
のセル電圧が得られた。
A single cell manufactured in the same manner as in the first embodiment using the electrode / membrane assembly thus constructed was connected to the external load 30. Then, the unit cell is kept warm at 80 ° C., and hydrogen and air humidified by bubblers kept at 75 ° C. are supplied to the fuel passage 14 and the air passage 15, respectively,
When the power generation characteristics were measured at normal pressure, the current density was 0.5 A /
A cell voltage of 0.65 V was obtained in cm 2 . Further, the single cell was kept at 80 ° C., and hydrogen and air humidified by bubblers kept at 60 ° C. were supplied to the fuel flow passage 14 and the air flow passage 15, respectively, and the power generation characteristics were measured at normal pressure. , 0.55 V at a current density of 0.5 A / cm 2 .
The cell voltage was obtained.

【0055】このように、この実施の形態5によれば、
上記実施の形態1に比べて、高い電池性能が得られた。
これは、カーボンブラックからなる導電性部粒子の層
(バインド層)を第1ガス拡散層6aと第2ガス拡散層
6bとの間に介装していることにより、第1ガス拡散層
6aと第2ガス拡散層6bとの間の接触抵抗が低下した
ため、と推考される。さらに、バインド層が親水性を有
しているので、バインド層が空気極触媒層3で生成され
る水を効率よく吸収し、外部へと円滑に排水することが
できる。その結果、空気が空気極触媒層3に滞りなく供
給され、高い性能が維持されたもの、と推考される。
As described above, according to the fifth embodiment,
Higher battery performance was obtained as compared with the first embodiment.
This is because the layer of the electrically conductive portion particles (binding layer) made of carbon black is interposed between the first gas diffusion layer 6a and the second gas diffusion layer 6b, and thus the first gas diffusion layer 6a is formed. It is considered that the contact resistance with the second gas diffusion layer 6b was reduced. Furthermore, since the binding layer has hydrophilicity, the binding layer can efficiently absorb the water generated in the air electrode catalyst layer 3 and smoothly drain it to the outside. As a result, it is presumed that air was supplied to the air electrode catalyst layer 3 without interruption, and high performance was maintained.

【0056】なお、上記実施の形態5では、親水性を有
するバインド層を空気極側のガス拡散層6を構成する第
1および第2ガス拡散層6a、6b間に介装するものと
しているが、上記実施の形態2と同様に、燃料極側のガ
ス拡散層を第1および第2ガス拡散層を積層して構成
し、親水性を有するバインド層を第1および第2ガス拡
散層間に介装するようにしてもよい。
In the above fifth embodiment, the hydrophilic binding layer is interposed between the first and second gas diffusion layers 6a and 6b forming the gas diffusion layer 6 on the air electrode side. Similarly to the second embodiment, the gas diffusion layer on the fuel electrode side is formed by stacking the first and second gas diffusion layers, and the hydrophilic binding layer is interposed between the first and second gas diffusion layers. You may wear it.

【0057】実施の形態6.この実施の形態6では、第
1および第2ガス拡散層6a、6b間に介装されている
バインド層が親水性および撥水性の両方の性質を有して
いるものとしている。なお、他の構成は上記実施の形態
4、5と同様に構成されている。
Sixth Embodiment In the sixth embodiment, the bind layer interposed between the first and second gas diffusion layers 6a and 6b has both hydrophilicity and water repellency. The rest of the configuration is the same as in the fourth and fifth embodiments.

【0058】この実施の形態6では、カーボンブラック
粉末にポリテトラフルオロエチレン分散液を加え、つい
で110℃で乾燥して水分を除去し、その後360℃で
焼成する。この焼成体を粉砕して粉末化し、撥水性を有
する粉末を作製する。また、カーボンブラック粉末と親
水性のシリカ粉末との混合粉末をアルコール等の有機溶
媒に分散させ、その分散液に固体高分子電解質膜と同成
分の溶液(例えば、アルドリッチ製のナフィオン液)を
加えて混合する。この混合液を110℃で乾燥して溶剤
分を除去し、130℃で熱処理し、その後360℃で焼
成する。この焼成体を粉砕して粉末化し、親水性を有す
る粉末を作製する。ついで、撥水性を有する粉末と、親
水性を有する粉末とを同量混合し、この混合粉末をアル
コール等の有機溶媒に分散させた分散液を第2ガス拡散
層6bの一面に塗布し、乾燥させて撥水性および親水性
を有するバインド層を作製する。
In the sixth embodiment, a polytetrafluoroethylene dispersion is added to carbon black powder, then dried at 110 ° C. to remove water, and then baked at 360 ° C. The fired body is pulverized to be powdered to prepare a powder having water repellency. Further, a mixed powder of carbon black powder and hydrophilic silica powder is dispersed in an organic solvent such as alcohol, and a solution having the same components as the solid polymer electrolyte membrane (for example, Nafion liquid manufactured by Aldrich) is added to the dispersion. And mix. This mixed solution is dried at 110 ° C. to remove the solvent component, heat-treated at 130 ° C., and then baked at 360 ° C. The fired body is pulverized and powdered to produce a hydrophilic powder. Next, the water-repellent powder and the hydrophilic powder are mixed in the same amount, and a dispersion liquid obtained by dispersing the mixed powder in an organic solvent such as alcohol is applied to one surface of the second gas diffusion layer 6b and dried. Then, a bind layer having water repellency and hydrophilicity is prepared.

【0059】そして、高分子電解質膜1の両面にそれぞ
れ燃料極触媒層2および空気極触媒層3が接するように
ガス拡散層4および第1ガス拡散層6aを重ね合わせ、
固体高分子電解質膜1のガラス転移点付近の温度でホッ
トプレスし、燃料極触媒層2および空気極触媒層3と固
体高分子電解質膜1とを熱融着する。さらに、第2ガス
拡散層6bがそのバインド層を挟み込むように第1ガス
拡散層7aの背面に貼り付けられて電極・膜接合体が作
製される。
Then, the gas diffusion layer 4 and the first gas diffusion layer 6a are superposed on both sides of the polymer electrolyte membrane 1 so that the fuel electrode catalyst layer 2 and the air electrode catalyst layer 3 are in contact with each other,
Hot pressing is performed at a temperature near the glass transition point of the solid polymer electrolyte membrane 1 to thermally fuse the fuel electrode catalyst layer 2 and the air electrode catalyst layer 3 to the solid polymer electrolyte membrane 1. Further, the second gas diffusion layer 6b is attached to the back surface of the first gas diffusion layer 7a so as to sandwich the binding layer, and the electrode / membrane assembly is produced.

【0060】このように構成された電極・膜接合体を用
いて上記実施の形態1と同様に作製された単セルを外部
負荷30に接続した。そして、単セルを80℃に保温
し、燃料流路14と空気流路15とにそれぞれ75℃に
保温したバブラーで加湿した水素と空気とを供給して、
常圧で発電特性を測定したところ、電流密度0.5A/
cmにおいて、0.65Vのセル電圧が得られた。ま
た、単セルを80℃に保温し、燃料流路14と空気流路
15とにそれぞれ60℃に保温したバブラーで加湿した
水素と空気とを供給して、常圧で発電特性を測定したと
ころ、電流密度0.5A/cmにおいて、0.56V
のセル電圧が得られた。
A single cell manufactured in the same manner as in Embodiment 1 was connected to the external load 30 using the electrode / membrane assembly thus constructed. Then, the unit cell is kept warm at 80 ° C., and hydrogen and air humidified by bubblers kept at 75 ° C. are supplied to the fuel passage 14 and the air passage 15, respectively,
When the power generation characteristics were measured at normal pressure, the current density was 0.5 A /
A cell voltage of 0.65 V was obtained in cm 2 . Further, the single cell was kept at 80 ° C., and hydrogen and air humidified by bubblers kept at 60 ° C. were supplied to the fuel flow passage 14 and the air flow passage 15, respectively, and the power generation characteristics were measured at normal pressure. , 0.56 V at a current density of 0.5 A / cm 2 .
The cell voltage was obtained.

【0061】このように、この実施の形態6によれば、
上記実施の形態1に比べて、高い電池性能が得られた。
これは、カーボンブラックからなる導電性部粒子の層
(バインド層)を第1ガス拡散層6aと第2ガス拡散層
6bとの間に介装していることにより、第1ガス拡散層
6aと第2ガス拡散層6bとの間の接触抵抗が低下した
ため、と推考される。さらに、バインド層が親水性およ
び撥水性を有しているので、バインド層の撥水性を有す
る部分が空気極触媒層3で生成された水をブロックし空
気極触媒層3に適用の水を滞留させるように機能し、バ
インド層の親水性を有する部分が空気極触媒層3で生成
される水を効率よく吸収し、外部へと円滑に排水するよ
うに機能する。これにより、両機能のバランスを採るこ
とにより、低加湿条件から高加湿条件までの幅広い運転
範囲で高い電池性能を維持することが可能となる。
Thus, according to the sixth embodiment,
Higher battery performance was obtained as compared with the first embodiment.
This is because the layer of the electrically conductive portion particles (binding layer) made of carbon black is interposed between the first gas diffusion layer 6a and the second gas diffusion layer 6b, and thus the first gas diffusion layer 6a is formed. It is considered that the contact resistance with the second gas diffusion layer 6b was reduced. Further, since the bind layer has hydrophilicity and water repellency, the water repellent portion of the bind layer blocks the water generated in the air electrode catalyst layer 3 and retains the applied water in the air electrode catalyst layer 3. The hydrophilic portion of the binding layer efficiently absorbs the water generated in the air electrode catalyst layer 3 and smoothly drains the water to the outside. Thus, by balancing both functions, it becomes possible to maintain high battery performance in a wide operating range from low humidification conditions to high humidification conditions.

【0062】なお、上記実施の形態6では、撥水性およ
び親水性を有するバインド層を空気極側のガス拡散層6
を構成する第1および第2ガス拡散層6a、6b間に介
装するものとしているが、上記実施の形態2と同様に、
燃料極側のガス拡散層を第1および第2ガス拡散層を積
層して構成し、撥水性および親水性を有するバインド層
を第1および第2ガス拡散層間に介装するようにしても
よい。
In the sixth embodiment, the binding layer having water repellency and hydrophilicity is used as the gas diffusion layer 6 on the air electrode side.
The first and second gas diffusion layers 6a and 6b constituting the above are interposed, but like the second embodiment,
The gas diffusion layer on the fuel electrode side may be formed by laminating the first and second gas diffusion layers, and the bind layer having water repellency and hydrophilicity may be interposed between the first and second gas diffusion layers. .

【0063】実施の形態7.この実施の形態7では、バ
インド層9bが、図10および図11に示されるよう
に、第1および第2ガス拡散層6a、6b間に複数のセ
グメント(区画)に分割されて介装されている。なお、
他の構成は上記実施の形態4と同様に構成されている。
Embodiment 7. In Embodiment 7, the binding layer 9b is divided into a plurality of segments (compartments) and interposed between the first and second gas diffusion layers 6a and 6b as shown in FIGS. There is. In addition,
The other structure is similar to that of the fourth embodiment.

【0064】この実施の形態7では、カーボンブラック
粉末にポリテトラフルオロエチレン分散液を加え、つい
で110℃で乾燥して水分を除去し、その後360℃で
焼成する。そして、この焼成体を粉砕して粉末化する。
この粉末をアルコール等の有機溶媒に分散させた分散液
を第2ガス拡散層6bの一面に複数のセグメントに分割
された状態に塗布し、乾燥させて撥水性を有するバイン
ド層9bを作製する。このバインド層9bは、図11に
示されるように、各セグメントが1辺を2mmとする正
六角形に形成され、各セグメント間の間隔が0.5mm
となっている。
In this Embodiment 7, a polytetrafluoroethylene dispersion is added to carbon black powder, and then dried at 110 ° C. to remove water, and then baked at 360 ° C. Then, the fired body is pulverized into powder.
A dispersion liquid obtained by dispersing the powder in an organic solvent such as alcohol is applied to one surface of the second gas diffusion layer 6b in a state of being divided into a plurality of segments, and dried to form a water-repellent bind layer 9b. As shown in FIG. 11, each of the binding layers 9b is formed into a regular hexagon with each side being 2 mm, and the interval between the segments is 0.5 mm.
Has become.

【0065】そして、高分子電解質膜1の両面にそれぞ
れ燃料極触媒層2および空気極触媒層3が接するように
ガス拡散層4および第1ガス拡散層6aを重ね合わせ、
固体高分子電解質膜1のガラス転移点付近の温度でホッ
トプレスし、燃料極触媒層2および空気極触媒層3と固
体高分子電解質膜1とを熱融着する。さらに、第2ガス
拡散層6bがそのバインド層9bを挟み込むように第1
ガス拡散層7aの背面に貼り付けられて図10に示され
る電極・膜接合体54が作製される。ここで、バインド
層9bのセグメント間の隙間では、第1および第2ガス
拡散層6a、6bが接触している。
Then, the gas diffusion layer 4 and the first gas diffusion layer 6a are superposed so that the fuel electrode catalyst layer 2 and the air electrode catalyst layer 3 are in contact with both surfaces of the polymer electrolyte membrane 1, respectively.
Hot pressing is performed at a temperature near the glass transition point of the solid polymer electrolyte membrane 1 to thermally fuse the fuel electrode catalyst layer 2 and the air electrode catalyst layer 3 to the solid polymer electrolyte membrane 1. Furthermore, the first gas diffusion layer 6b is formed so as to sandwich the binding layer 9b.
The electrode / membrane assembly 54 shown in FIG. 10 is produced by being attached to the back surface of the gas diffusion layer 7a. Here, the first and second gas diffusion layers 6a and 6b are in contact with each other in the gap between the segments of the binding layer 9b.

【0066】このように構成された電極・膜接合体54
を用いて上記実施の形態1と同様に作製された単セルを
外部負荷30に接続した。そして、単セルを80℃に保
温し、燃料流路14と空気流路15とにそれぞれ75℃
に保温したバブラーで加湿した水素と空気とを供給し
て、常圧で発電特性を測定したところ、電流密度0.5
A/cmにおいて、0.65Vのセル電圧が得られ
た。また、単セルを80℃に保温し、燃料流路14と空
気流路15とにそれぞれ60℃に保温したバブラーで加
湿した水素と空気とを供給して、常圧で発電特性を測定
したところ、電流密度0.5A/cmにおいて、0.
56Vのセル電圧が得られた。
The electrode / membrane assembly 54 thus configured
The single cell manufactured in the same manner as in the first embodiment is connected to the external load 30 using. Then, the single cell is kept warm at 80 ° C., and the fuel flow passage 14 and the air flow passage 15 are each kept at 75 ° C.
Hydrogen and air humidified by a bubbler kept warm were supplied to the reactor, and the power generation characteristics were measured at normal pressure.
A cell voltage of 0.65 V was obtained at A / cm 2 . Further, the single cell was kept at 80 ° C., and hydrogen and air humidified by bubblers kept at 60 ° C. were supplied to the fuel flow passage 14 and the air flow passage 15, respectively, and the power generation characteristics were measured at normal pressure. , At a current density of 0.5 A / cm 2 , 0.
A cell voltage of 56V was obtained.

【0067】このように、この実施の形態7によれば、
上記実施の形態1に比べて、高い電池性能が得られた。
これは、カーボンブラックからなる導電性部粒子の層
(バインド層9b)を第1ガス拡散層6aと第2ガス拡
散層6bとの間に介装していることにより、第1ガス拡
散層6aと第2ガス拡散層6bとの間の接触抵抗が低下
したため、と推考される。さらに、バインド層9bが撥
水性を有しているので、バインド層9bが空気極触媒層
3で生成された水をブロックし空気極触媒層3に適量の
水を滞留させるように機能する。また、バインド層9b
のセグメント間の隙間がガス拡散の通路として機能し、
隙間がない場合に比べて、ガス拡散性が円滑に行われる
ようになり、電池性能が向上したもの、と推考される。
As described above, according to the seventh embodiment,
Higher battery performance was obtained as compared with the first embodiment.
This is because the layer of the conductive part particles made of carbon black (the binding layer 9b) is interposed between the first gas diffusion layer 6a and the second gas diffusion layer 6b. It is considered that this is because the contact resistance between the second gas diffusion layer 6b and the second gas diffusion layer 6b was reduced. Further, since the binding layer 9b has water repellency, the binding layer 9b functions to block the water generated in the air electrode catalyst layer 3 and retain an appropriate amount of water in the air electrode catalyst layer 3. Also, the binding layer 9b
The gap between the segments of the
It is presumed that the gas diffusivity became smoother and the battery performance was improved as compared with the case where there were no gaps.

【0068】なお、上記実施の形態7では、バインド層
9bを複数の正六角形のセグメントで構成するものとし
ているが、セグメントの形状は正六角形に限定されるも
のではなく、例えば円形、三角形、四角形でもよい。ま
た、上記実施の形態7では、バインド層9bを空気極側
のガス拡散層6を構成する第1および第2ガス拡散層6
a、6b間に介装するものとしているが、上記実施の形
態2と同様に、燃料極側のガス拡散層を第1および第2
ガス拡散層を積層して構成し、バインド層9bを第1お
よび第2ガス拡散層間に介装するようにしてもよい。
In the seventh embodiment, the binding layer 9b is composed of a plurality of regular hexagonal segments, but the shape of the segments is not limited to regular hexagons, and may be, for example, a circle, a triangle, or a quadrangle. But it's okay. Further, in the above-described seventh embodiment, the binding layer 9b constitutes the first and second gas diffusion layers 6 constituting the gas diffusion layer 6 on the air electrode side.
It is assumed that the gas diffusion layers are provided between a and 6b, but the gas diffusion layers on the fuel electrode side are formed into the first and second gas diffusion layers as in the second embodiment.
The gas diffusion layers may be laminated and configured so that the binding layer 9b is interposed between the first and second gas diffusion layers.

【0069】なお、上記各実施の形態では、空気極側
(あるいは燃料極側)のガス拡散層を水の接触角の異な
る2枚の分割ガス拡散層を積層して構成するものとして
いるが、積層する分割ガス拡散層の枚数は2枚に限定さ
れるものではなく、3枚以上の分割ガス拡散層を積層し
て構成してもよい。この場合、積層される分割ガス拡散
層は、水の接触角が空気極触媒層3側から外側に向かっ
て徐々に小さくなるように積層されることになる。そし
て、製造工程の煩雑化、積層による接触抵抗の増大を考
慮すれば、その積層数は5枚以下が望ましく、構造の簡
素化を考慮すれば、3枚以下とすることが望ましい。
In each of the above embodiments, the gas diffusion layer on the air electrode side (or the fuel electrode side) is formed by laminating two divided gas diffusion layers having different contact angles of water. The number of divided gas diffusion layers to be laminated is not limited to two, and three or more divided gas diffusion layers may be laminated. In this case, the divided gas diffusion layers to be laminated are laminated so that the contact angle of water becomes gradually smaller from the air electrode catalyst layer 3 side toward the outside. Further, considering the complexity of the manufacturing process and the increase of contact resistance due to stacking, the number of stacked layers is preferably 5 or less, and considering the simplification of the structure, it is preferably 3 or less.

【0070】また、燃料極側および空気極側のガス拡散
層の厚みが0.03mmより薄くなると、固体高分子電
解質膜1の損傷事故が発生したり、セパレータ12、1
3の燃料流路14および空気流路15の畝部分に位置す
る燃料極触媒層2および空気極触媒層3の部分へのガス
拡散性が阻害されて、電池性能が低下するという不具合
が発生する。一方、燃料極側および空気極側のガス拡散
層の厚みが0.7mmより厚くなると、ガス拡散層の電
気抵抗の増大やガス拡散性の低下をもたらし、電池性能
が低下するという不具合が発生する。そこで、燃料極側
および空気極側のガス拡散層の厚み(t)は、0.03
mm≦t≦0.7mmと設定すればよく、望ましくは
0.05mm≦t≦0.5mmと設定すればよい。な
お、分割ガス拡散層の厚みは空気極側(もしくは燃料極
側の)ガス拡散層が所定厚みとなるようにそれぞれ設定
することになる。
If the thickness of the gas diffusion layers on the fuel electrode side and the air electrode side is less than 0.03 mm, the solid polymer electrolyte membrane 1 may be damaged or the separators 12, 1 may be damaged.
3, the gas diffusivity to the portions of the fuel electrode catalyst layer 2 and the air electrode catalyst layer 3 located in the ridge portions of the fuel flow passage 14 and the air flow passage 15 of No. 3 is hindered, which causes a problem that the cell performance is deteriorated. . On the other hand, when the thickness of the gas diffusion layer on the fuel electrode side and the air electrode side is thicker than 0.7 mm, the electrical resistance of the gas diffusion layer increases and the gas diffusivity decreases, which causes a problem that the cell performance decreases. . Therefore, the thickness (t) of the gas diffusion layers on the fuel electrode side and the air electrode side is 0.03.
mm ≦ t ≦ 0.7 mm, preferably 0.05 mm ≦ t ≦ 0.5 mm. The thickness of the divided gas diffusion layer is set so that the gas diffusion layer on the air electrode side (or the fuel electrode side) has a predetermined thickness.

【0071】また、上記各実施の形態では、燃料極側お
よび空気極側のガス拡散層としてカーボンペーパを用い
るものとしているが、ガス拡散層の材料はカーボンペー
パに限定されるものではなく、例えばカーボンクロス、
カーボンフェルト等の他のカーボン材料からなる多孔質
材料を用いることができる。また、腐食の問題を考慮す
れば、カーボン材料が好適であるが、金属等の他の導電
性を有する多孔質体を用いることも可能である。
In each of the above embodiments, carbon paper is used as the gas diffusion layer on the fuel electrode side and the air electrode side. However, the material of the gas diffusion layer is not limited to carbon paper, and for example, Carbon cloth,
Porous materials made of other carbon materials such as carbon felt can be used. Further, in consideration of the problem of corrosion, a carbon material is preferable, but it is also possible to use a porous body having other conductivity such as metal.

【0072】また、上記各実施の形態では、本発明によ
る電極を燃料電池に適用するものとして説明している
が、このように構成された電極は、燃料電池反応と逆反
応を利用する素子、例えば除湿器、オゾナイザ等の電極
としても利用できる。ここで、除湿器を例にとって説明
する。除湿器の除湿素子は、一般に、陽極触媒層(例え
ば、白金黒)および陰極触媒層(例えば、白金担持カー
ボンブラック)が固体高分子電解膜を挟持するように配
設され、陽極の集電体としての白金メッキチタンメッシ
ュが陽極触媒層の外側に密接して配設され、さらに陰極
の集電体としてのカーボン多孔体が陰極触媒層の外側に
密接して配設されて構成され、直流電圧が印加されて動
作する。そして、陽極側空間から陽極触媒層内に導入さ
れた水が電気分解されて、酸素と水素イオンと電子とが
生成される。陰極側では、陽極触媒層から固体高分子電
解質膜を通って陰極触媒層に移動してきた水素イオン
と、外部回路から供給される電子と、陰極側空間からカ
ーボン多孔体内を拡散して陰極触媒層に移動してきた酸
素とが反応し、水が生成される。これにより、陽極側空
間内の水が陰極側空間内に移動し、陽極側空間内が除湿
される。
In each of the above embodiments, the electrode according to the present invention has been described as being applied to a fuel cell. However, the electrode configured in this way is an element utilizing a fuel cell reaction and a reverse reaction, For example, it can be used as an electrode for a dehumidifier, an ozonizer, or the like. Here, the dehumidifier will be described as an example. The dehumidifying element of a dehumidifier is generally arranged such that an anode catalyst layer (for example, platinum black) and a cathode catalyst layer (for example, platinum-supporting carbon black) sandwich a solid polymer electrolyte membrane, and an anode current collector. The platinum-plated titanium mesh as is closely arranged on the outside of the anode catalyst layer, and the carbon porous body as the current collector of the cathode is closely arranged on the outside of the cathode catalyst layer. Is applied to operate. Then, the water introduced into the anode catalyst layer from the space on the anode side is electrolyzed to generate oxygen, hydrogen ions, and electrons. On the cathode side, the hydrogen ions that have moved from the anode catalyst layer through the solid polymer electrolyte membrane to the cathode catalyst layer, the electrons supplied from the external circuit, and the cathode catalyst layer by diffusing in the carbon porous body from the cathode side space The oxygen that has moved to reacts with water to produce water. As a result, the water in the anode side space moves into the cathode side space, and the inside of the anode side space is dehumidified.

【0073】この除湿素子においても、固体高分子電解
質膜中に存在するプロトンが水の存在により解離し、陽
極触媒層で生成されるプロトンの良伝導体として働くこ
とが必要となる。つまり、適度の水が固体高分子電解質
膜に滞留する必要がある。そして、水がカーボン多孔体
に過度に滞留すると、酸素の拡散性が低下し、水がカー
ボン多孔体から外部に排水されすぎると、固体高分子電
解質膜の乾燥をもたらし、除湿性能を悪化させることに
なる。従って、本電極構造を陰極触媒層と陰極集電体と
からなる陰極に採用することにより、つまり、陰極集電
体を水の接触角の異なる複数の集電体で分割構成し、集
電体の水の接触角が陰極触媒層側から外側に向かって小
さくなるように集電体を積層して陰極を構成することに
より、本願の電極構成の作用効果が発揮され、上記不具
合が解消され、除湿性能の向上を図ることができる。
Also in this dehumidifying element, it is necessary for the protons present in the solid polymer electrolyte membrane to dissociate due to the presence of water and to act as a good conductor of the protons produced in the anode catalyst layer. That is, an appropriate amount of water needs to stay in the solid polymer electrolyte membrane. And, if the water is excessively retained in the carbon porous body, the diffusivity of oxygen is reduced, and if the water is excessively drained from the carbon porous body to the outside, it causes the drying of the solid polymer electrolyte membrane and deteriorates the dehumidification performance. become. Therefore, by adopting the present electrode structure for the cathode composed of the cathode catalyst layer and the cathode current collector, that is, the cathode current collector is divided into a plurality of current collectors having different contact angles of water, By constituting the cathode by laminating the current collector so that the contact angle of water becomes smaller from the side of the cathode catalyst layer toward the outside, the function and effect of the electrode configuration of the present application are exerted, and the above-mentioned inconvenience is eliminated. The dehumidification performance can be improved.

【0074】[0074]

【発明の効果】この発明は、以上のように構成されてい
るので、以下に記載されているような効果を奏する。
Since the present invention is constituted as described above, it has the following effects.

【0075】この発明によれば、触媒層と、導電性を有
し、かつ、水の接触角が異なる複数の分割ガス拡散層か
ら構成されたガス拡散層とを備え、上記複数の分割ガス
拡散層が、その水の接触角が上記触媒層から離反する方
向に小さくなるように重ねられて上記触媒層上に積層一
体化されているので、水を適度に触媒層に滞留させるこ
とができるようにした電極を得ることができる。
According to the present invention, the catalyst layer and the gas diffusion layer composed of a plurality of divided gas diffusion layers having conductivity and different water contact angles are provided, and the plurality of divided gas diffusion layers are provided. The layers are laminated and integrated on the catalyst layer so that the contact angle of the water becomes smaller in the direction away from the catalyst layer, so that water can be retained appropriately in the catalyst layer. The electrode can be obtained.

【0076】また、上記複数の分割ガス拡散層は、撥水
性が異なるように構成され、撥水性が上記触媒層から離
反する方向に低くなるように重ねられて上記触媒層上に
積層一体化されているので、撥水処理により分割ガス拡
散層の水の接触角を容易に変えることができ、分割ガス
拡散層の製作性が向上される。
Further, the plurality of divided gas diffusion layers are configured to have different water repellency, and are stacked so that the water repellency becomes lower in the direction of separating from the catalyst layer and laminated and integrated on the catalyst layer. Therefore, the contact angle of water of the divided gas diffusion layer can be easily changed by the water repellent treatment, and the manufacturability of the divided gas diffusion layer is improved.

【0077】また、上記複数の分割ガス拡散層は、平均
細孔径が異なるように構成され、平均細孔径が上記触媒
層から離反する方向に大きくなるように重ねられて上記
触媒層上に積層一体化されているので、平均細孔径によ
り分割ガス拡散層の水の接触角を容易に変えることがで
き、分割ガス拡散層の製作性が向上される。
The plurality of divided gas diffusion layers are constructed so that the average pore diameters are different from each other, and the divided gas diffusion layers are stacked so that the average pore diameters become larger in the direction away from the catalyst layer, and are laminated and integrated on the catalyst layer. As a result, the contact angle of water in the divided gas diffusion layer can be easily changed depending on the average pore diameter, and the manufacturability of the divided gas diffusion layer is improved.

【0078】また、上記複数の分割ガス拡散層がカーボ
ン材で作製されているので、耐食性に優れ、安定な電極
が得られる。
Further, since the plurality of divided gas diffusion layers are made of a carbon material, a stable electrode having excellent corrosion resistance can be obtained.

【0079】また、導電性微粒子からなる層が積層され
た上記複数の分割ガス拡散層の隣接する層間に介装され
ているので、分割ガス拡散層同士の接触抵抗が低減され
る。
Further, since the layers composed of the conductive fine particles are interposed between adjacent layers of the plurality of divided gas diffusion layers, the contact resistance between the divided gas diffusion layers is reduced.

【0080】また、撥水性を有する物質および親水性を
有する物質の少なくとも一方が上記導電性微粒子からな
る層に混入されているので、導電性微粒子からなる層に
水をブロックする機能あるいは排出する機能を付与で
き、水を適度に触媒層に滞留させることができる。
Since at least one of the substance having water repellency and the substance having hydrophilicity is mixed in the layer made of the conductive fine particles, the function of blocking or discharging water in the layer made of the conductive fine particles. Can be imparted and water can be appropriately retained in the catalyst layer.

【0081】また、上記導電性微粒子からなる層が面方
向に複数の区画に分割され、隣接する分割ガス拡散層同
士が該導電性微粒子からなる層の該区画間で接触してい
るので、導電性微粒子からなる層に水をブロックする機
能と排出する機能とが付与され、低加湿から高加湿まで
幅広い範囲で水を適度に触媒層に滞留させることができ
る。
Since the layer composed of the conductive fine particles is divided into a plurality of compartments in the surface direction, and the adjacent divided gas diffusion layers are in contact with each other between the compartments of the layer composed of the conductive fine particles, The layer of water-soluble fine particles has a function of blocking water and a function of discharging water, and water can be appropriately retained in the catalyst layer in a wide range from low humidification to high humidification.

【0082】また、この発明によれば、燃料極触媒層と
空気極触媒層とが固体高分子電解質膜を挟持して配置さ
れ、燃料極側ガス拡散層が該燃料極触媒層に密接して積
層され、かつ、空気極側ガス拡散層が該空気極触媒層に
密接して積層されて構成された単セルがガス流路を有す
るセパレータを介して複数積層されてなる燃料電池にお
いて、上記燃料極側ガス拡散層と上記燃料極触媒層との
積層体、および、上記空気極側ガス拡散層と上記空気極
触媒層との積層体の少なくとも一方が、請求項1乃至請
求項7のいずれか1項に記載された電極により構成され
ているので、低加湿条件において空気極触媒層で発生す
る水を効率よく利用して固体高分子電解質膜を適度に加
湿するとともに、高加湿条件において水が空気極触媒層
に過度に滞留することを抑えて触媒へのガス拡散の阻害
を防止し、高性能の燃料電池を得ることができる。
Further, according to the present invention, the fuel electrode catalyst layer and the air electrode catalyst layer are arranged so as to sandwich the solid polymer electrolyte membrane, and the fuel electrode side gas diffusion layer is in close contact with the fuel electrode catalyst layer. A fuel cell comprising a plurality of single cells, which are laminated and in which the air electrode side gas diffusion layer is intimately laminated to the air electrode catalyst layer, are laminated with a separator having a gas flow path interposed therebetween. At least one of a laminated body of the electrode side gas diffusion layer and the fuel electrode catalyst layer and a laminated body of the air electrode side gas diffusion layer and the air electrode catalyst layer is at least one of claims 1 to 7. Since it is constituted by the electrode described in the item 1, the solid polymer electrolyte membrane is appropriately humidified by efficiently utilizing the water generated in the air electrode catalyst layer under the low humidification condition, Excessive retention in the cathode catalyst layer Suppressing the door to prevent the inhibition of gas diffusion into the catalyst, it is possible to obtain a fuel cell performance.

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

【図1】 この発明の実施の形態1に係る固体高分子型
燃料電池における電極・膜接合体の構成を示す断面図で
ある。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a structure of an electrode / membrane assembly in a polymer electrolyte fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention.

【図2】 この発明の実施の形態1に係る固体高分子型
燃料電池における電極・膜接合体を用いた単セルの構成
を説明する平面図である。
FIG. 2 is a plan view illustrating the configuration of a single cell using the electrode / membrane assembly in the polymer electrolyte fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention.

【図3】 この発明の実施の形態1に係る固体高分子型
燃料電池における電極・膜接合体を用いた単セルの構成
を説明する断面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating the configuration of a single cell using an electrode / membrane assembly in the polymer electrolyte fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention.

【図4】 この発明の実施の形態1に係る固体高分子型
燃料電池における電極・膜接合体を用いた単セルの電池
特性を評価するための評価回路図である。
FIG. 4 is an evaluation circuit diagram for evaluating cell characteristics of a single cell using the electrode / membrane assembly in the polymer electrolyte fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention.

【図5】 比較例の単セルの構成を説明する断面図であ
る。
FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a unit cell of a comparative example.

【図6】 比較例の単セルの電池特性を評価するための
評価回路図である。
FIG. 6 is an evaluation circuit diagram for evaluating battery characteristics of a single cell of a comparative example.

【図7】 この発明の実施の形態2に係る固体高分子型
燃料電池における電極・膜接合体の構成を示す断面図で
ある。
FIG. 7 is a sectional view showing a structure of an electrode / membrane assembly in a polymer electrolyte fuel cell according to Embodiment 2 of the present invention.

【図8】 この発明の実施の形態3に係る固体高分子型
燃料電池における電極・膜接合体の構成を示す断面図で
ある。
FIG. 8 is a sectional view showing a structure of an electrode / membrane assembly in a polymer electrolyte fuel cell according to a third embodiment of the present invention.

【図9】 この発明の実施の形態4に係る固体高分子型
燃料電池における電極・膜接合体の構成を示す断面図で
ある。
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a structure of an electrode / membrane assembly in a polymer electrolyte fuel cell according to a fourth embodiment of the present invention.

【図10】 この発明の実施の形態7に係る固体高分子
型燃料電池における電極・膜接合体の構成を示す断面図
である。
FIG. 10 is a sectional view showing a structure of an electrode / membrane assembly in a polymer electrolyte fuel cell according to a seventh embodiment of the present invention.

【図11】 この発明の実施の形態7に係る固体高分子
型燃料電池における電極・膜接合体の要部を示す平面図
である。
FIG. 11 is a plan view showing a main part of an electrode / membrane assembly in a polymer electrolyte fuel cell according to a seventh embodiment of the present invention.

【図12】 従来の固体高分子型燃料電池における電極
・膜接合体の構造を説明する断面図である。
FIG. 12 is a cross-sectional view illustrating the structure of an electrode / membrane assembly in a conventional polymer electrolyte fuel cell.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 固体高分子電解質膜、2 燃料極触媒層(電極)、
3 空気極触媒層(電極)、4 ガス拡散層(電極)、
6 ガス拡散層(電極)、6a 第1ガス拡散層(分割
ガス拡散層)、6b 第2ガス拡散層(分割ガス拡散
層)、7 ガス拡散層(電極)、7a 第1ガス拡散層
(分割ガス拡散層)、7b 第2ガス拡散層(分割ガス
拡散層)、8 ガス拡散層(電極)、8a 第1ガス拡
散層(分割ガス拡散層)、8b 第2ガス拡散層(分割
ガス拡散層)、9a、9b バインド層(導電性微粒子
からなる層)、50、51、52、53、54 電極・
膜接合体、70 単セル。
1 solid polymer electrolyte membrane, 2 fuel electrode catalyst layer (electrode),
3 air electrode catalyst layer (electrode), 4 gas diffusion layer (electrode),
6 gas diffusion layers (electrodes), 6a first gas diffusion layers (divided gas diffusion layers), 6b second gas diffusion layers (divided gas diffusion layers), 7 gas diffusion layers (electrodes), 7a first gas diffusion layers (division) Gas diffusion layer), 7b second gas diffusion layer (split gas diffusion layer), 8 gas diffusion layer (electrode), 8a first gas diffusion layer (split gas diffusion layer), 8b second gas diffusion layer (split gas diffusion layer) ), 9a, 9b Bind layer (layer made of conductive fine particles), 50, 51, 52, 53, 54 Electrode
Membrane assembly, 70 single cells.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 光田 憲朗 東京都千代田区丸の内二丁目2番3号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 前田 秀雄 東京都千代田区丸の内二丁目2番3号 三 菱電機株式会社内 Fターム(参考) 5H018 AA06 AS02 AS03 CC06 DD10 EE05 HH00 HH04 5H026 AA06 CC10 EE05 HH04    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (72) Inventor Norio Mitsuda             2-3 2-3 Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo             Inside Ryo Electric Co., Ltd. (72) Inventor Hideo Maeda             2-3 2-3 Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo             Inside Ryo Electric Co., Ltd. F-term (reference) 5H018 AA06 AS02 AS03 CC06 DD10                       EE05 HH00 HH04                 5H026 AA06 CC10 EE05 HH04

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 触媒層と、導電性を有し、かつ、水の接
触角が異なる複数の分割ガス拡散層から構成されたガス
拡散層とを備え、上記複数の分割ガス拡散層が、その水
の接触角が上記触媒層から離反する方向に小さくなるよ
うに重ねられて上記触媒層上に積層一体化されているこ
とを特徴とする電極。
1. A catalyst layer and a gas diffusion layer which is composed of a plurality of divided gas diffusion layers having conductivity and different water contact angles, wherein the plurality of divided gas diffusion layers are An electrode which is laminated and integrated on the catalyst layer so that the contact angle of water becomes smaller in the direction away from the catalyst layer.
【請求項2】 上記複数の分割ガス拡散層は、撥水性が
異なるように構成され、撥水性が上記触媒層から離反す
る方向に低くなるように重ねられて上記触媒層上に積層
一体化されていることを特徴とする請求項1記載の電
極。
2. The plurality of divided gas diffusion layers are configured so as to have different water repellency, and are stacked so that the water repellency becomes lower in a direction of separating from the catalyst layer and laminated and integrated on the catalyst layer. The electrode according to claim 1, wherein
【請求項3】 上記複数の分割ガス拡散層は、平均細孔
径が異なるように構成され、平均細孔径が上記触媒層か
ら離反する方向に大きくなるように重ねられて上記触媒
層上に積層一体化されていることを特徴とする請求項1
又は請求項2記載の電極。
3. The plurality of divided gas diffusion layers are configured to have different average pore diameters, and are stacked so that the average pore diameters become larger in the direction away from the catalyst layer and laminated integrally on the catalyst layer. Claim 1 characterized by being made into
Alternatively, the electrode according to claim 2.
【請求項4】 上記複数の分割ガス拡散層がカーボン材
で作製されていることを特徴とする請求項1乃至請求項
3のいずれか1項に記載の電極。
4. The electrode according to any one of claims 1 to 3, wherein the plurality of divided gas diffusion layers are made of a carbon material.
【請求項5】 導電性微粒子からなる層が積層された上
記複数の分割ガス拡散層の隣接する層間に介装されてい
ることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1
項に記載の電極。
5. The method according to claim 1, wherein a layer of conductive fine particles is interposed between adjacent layers of the plurality of divided gas diffusion layers.
The electrode according to the item.
【請求項6】 撥水性を有する物質および親水性を有す
る物質の少なくとも一方が上記導電性微粒子からなる層
に混入されていることを特徴とする請求項5記載の電
極。
6. The electrode according to claim 5, wherein at least one of a water-repellent substance and a hydrophilic substance is mixed in the layer made of the conductive fine particles.
【請求項7】 上記導電性微粒子からなる層が面方向に
複数の区画に分割され、隣接する分割ガス拡散層同士が
該導電性微粒子からなる層の該区画間で接触しているこ
とを特徴とする請求項5又は請求項6記載の電極。
7. The layer composed of the conductive fine particles is divided into a plurality of compartments in the plane direction, and adjacent divided gas diffusion layers are in contact with each other between the compartments of the layer composed of the conductive fine particles. The electrode according to claim 5 or claim 6.
【請求項8】 燃料極触媒層と空気極触媒層とが固体高
分子電解質膜を挟持して配置され、燃料極側ガス拡散層
が該燃料極触媒層に密接して積層され、かつ、空気極側
ガス拡散層が該空気極触媒層に密接して積層されて構成
された単セルがガス流路を有するセパレータを介して複
数積層されてなる燃料電池において、上記燃料極側ガス
拡散層と上記燃料極触媒層との積層体、および、上記空
気極側ガス拡散層と上記空気極触媒層との積層体の少な
くとも一方が、請求項1乃至請求項7のいずれか1項に
記載された電極により構成されていることを特徴とする
燃料電池。
8. A fuel electrode catalyst layer and an air electrode catalyst layer are arranged so as to sandwich a solid polymer electrolyte membrane, a fuel electrode side gas diffusion layer is laminated in close contact with the fuel electrode catalyst layer, and air In a fuel cell in which a plurality of single cells, each of which is formed by closely stacking an electrode side gas diffusion layer on the air electrode catalyst layer, are stacked via a separator having a gas flow path, At least one of a laminated body with the fuel electrode catalyst layer and a laminated body with the air electrode side gas diffusion layer and the air electrode catalyst layer is described in any one of claims 1 to 7. A fuel cell comprising electrodes.
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