JP2006004709A - Solid polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

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真広 山本
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聡 市川
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid polymer electrolyte fuel cell preventing flooding caused by water produced in an oxidant electrode and providing stable and efficient power generation performance for a long time. <P>SOLUTION: The solid polymer electrolyte fuel cell is constituted with a unit cell 1 equipped with a membrane electrode assembly 5 having a hydrogen electrode 3 on one side and the oxidant electrode 4 on the other side of a solid polymer electrolyte membrane 2, a fuel electrode side gas diffusion layer 6 arranged on the surface of the fuel electrode 3 side of the membrane electrode assembly 5, an oxidant electrode side gas diffusion layer 9 arranged on the surface of the oxidant electrode 4 side of the membrane electrode assembly 5 and having carbon fibers 10 having a groove 11 formed on the surface, a fuel electrode side separator 8 arranged on the outside of the fuel electrode side gas diffusion layer 6, and an oxidant electrode side separator 9 arranged on the outside of the oxidant electrode gas diffusion layer 7. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、固体高分子電解質型燃料電池に関する。   The present invention relates to a solid polymer electrolyte fuel cell.

燃料電池は、反応ガスである水素含有ガス等の燃料ガスと、空気等の酸素含有ガスとを電気化学的に反応させて、燃料の持つ化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換する装置である。このように、燃料電池は化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換できるため、発電効率は火力発電などの他の発電システムに比べて高く、高効率の発電装置である。加えて、発電に伴う排気ガスが生じない等の利点を有するため、低公害または無公害の発電装置として、燃料電池は地球環境保護の観点からも注目されている。このように、現代社会のエネルギー問題や公害問題に対処できる「ポスト原子力」、「ポスト内燃機関」の発電装置として燃料電池は位置づけられており、その開発および実用化には大きな期待が寄せられている。そして、家庭用オンサイト発電装置、携帯型小型発電装置および宇宙船搭載型発電装置等すでに実用化されている分野もある。   A fuel cell is a device that directly converts a chemical energy of a fuel into electric energy by electrochemically reacting a fuel gas such as a hydrogen-containing gas, which is a reaction gas, and an oxygen-containing gas such as air. Thus, since the fuel cell can directly convert chemical energy into electrical energy, the power generation efficiency is higher than that of other power generation systems such as thermal power generation, and is a highly efficient power generation device. In addition, the fuel cell is attracting attention as a low-pollution or non-polluting power generation device from the viewpoint of protecting the global environment because it has an advantage that no exhaust gas is generated due to power generation. In this way, fuel cells are positioned as power generators for “post-nuclear power” and “post-internal combustion engines” that can deal with energy problems and pollution problems in modern society. Yes. There are also fields that have already been put into practical use, such as home on-site power generation devices, portable small power generation devices, and spacecraft-mounted power generation devices.

自動車業界においても同様に、内燃機関に代えて作動するモーター用の電源として燃料電池を利用する気運が急速に高まっており、燃料電池を利用した自動車の開発が進行している。自動車搭載用の燃料電池としては、特に小型で高出力な発電特性であることが必須の条件であるため、各種の燃料電池の中でもイオン交換膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池が注目されている。   Similarly, in the automobile industry, the use of fuel cells as a power source for motors that operate in place of internal combustion engines is rapidly increasing, and the development of automobiles using fuel cells is advancing. As a fuel cell for automobiles, since it is an essential condition that power generation characteristics are particularly small and high output, a solid polymer electrolyte fuel cell using an ion exchange membrane is attracting attention among various fuel cells. ing.

この固体高分子電解質型燃料電池は、分子中にプロトン(水素イオン)交換基を有する固体高分子電解質膜を燃料極及び酸化剤極で挟持した膜電極接合体の外面にそれぞれガス拡散層を配置し、さらにその外面にそれぞれ燃料極側セパレータと酸化剤極側セパレータとを配置した単位セル(単セル)を多数積層して構成する。ガス拡散層は、ガス拡散と電気伝導体としての役割を持つカーボン繊維により構成されたカーボンペーパやカーボン不織布から形成されている。各セパレータは、それぞれガス流路と冷却水流路とを備えている。   In this polymer electrolyte fuel cell, gas diffusion layers are arranged on the outer surface of a membrane electrode assembly in which a polymer electrolyte membrane having a proton (hydrogen ion) exchange group in the molecule is sandwiched between a fuel electrode and an oxidant electrode. Further, a large number of unit cells (single cells) each having a fuel electrode side separator and an oxidant electrode side separator disposed on the outer surface thereof are laminated. The gas diffusion layer is formed of carbon paper or carbon non-woven fabric composed of carbon fibers having the role of gas diffusion and electrical conductors. Each separator has a gas flow path and a cooling water flow path.

固体高分子電解質型燃料電池では、次式で示される反応が進行する。   In a solid polymer electrolyte fuel cell, a reaction represented by the following formula proceeds.

(化1)
燃料極:H2 →2H+ +2e- ・・・式(1)
酸化剤極:(1/2)O2+2H+ + 2e-→H2O+Q(反応熱) ・・・式(2)
電池全体:H2 +(1/2)O2→H2O+Q(反応熱) ・・・式(3)
燃料極では、水素を含有する燃料ガスが供給されて式(1)の反応が進行し、プロトンが発生する。プロトンは固体高分子電解質膜中に含まれる水分により、水和状態となって固体高分子電解質膜中のプロトン交換基を伝導して酸化剤極に移動する。酸化剤極では、移動したプロトンが酸化剤極に供給された酸化ガス中の酸素と反応して式(2)の反応が進行し、水が生成する。この際に、燃料極で生成した電子が外部回路を介して酸化剤極へ移動することにより起電力が得られ、外部負荷に対して電気的仕事がなされる。
(Chemical formula 1)
Fuel electrode: H 2 → 2H + + 2e Expression (1)
Oxidant electrode: (1/2) O 2 + 2H + + 2e → H 2 O + Q (heat of reaction) (2)
Entire battery: H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O + Q (heat of reaction) Formula (3)
At the fuel electrode, a fuel gas containing hydrogen is supplied, the reaction of the formula (1) proceeds, and protons are generated. Protons are hydrated by moisture contained in the solid polymer electrolyte membrane, and are transferred to the oxidant electrode through the proton exchange groups in the solid polymer electrolyte membrane. At the oxidant electrode, the transferred protons react with oxygen in the oxidant gas supplied to the oxidant electrode, and the reaction of Formula (2) proceeds to generate water. At this time, electrons generated at the fuel electrode move to the oxidant electrode via the external circuit, so that an electromotive force is obtained and electrical work is performed on the external load.

ここで、固体高分子電解質膜中のプロトン交換基は、飽和に含水させることにより比抵抗が小さくなり、プロトン導電性電解質として機能する。そして、プロトンは水和状態で固体高分子電解質膜を透過するため、固体高分子電解質膜が適度な湿潤状態にあれば良好な電気伝導性を発揮する。しかし、水分量が低下するとイオン導電性が低下して電解質として機能しなくなるため、場合によっては電極反応を停止させてしまう現象が起こる。このため、固体高分子電解質型燃料電池の発電性能を高く維持するためには、固体高分子電解質膜の含水状態を飽和に維持することが必要である。そして、通常、加湿装置等を用いて反応ガスの湿度を高めてから反応ガスを単位セルに供給することにより、固体高分子電解質膜の含水状態を維持する方法が採用されている。   Here, the proton exchange group in the solid polymer electrolyte membrane has a reduced specific resistance when saturated with water, and functions as a proton conductive electrolyte. Since protons permeate the solid polymer electrolyte membrane in a hydrated state, good electrical conductivity is exhibited if the solid polymer electrolyte membrane is in an appropriate wet state. However, since the ionic conductivity is reduced and the electrolyte does not function as the water content decreases, a phenomenon that stops the electrode reaction in some cases occurs. For this reason, in order to maintain high power generation performance of the solid polymer electrolyte fuel cell, it is necessary to maintain the water content of the solid polymer electrolyte membrane in saturation. In general, a method is employed in which the moisture content of the solid polymer electrolyte membrane is maintained by supplying the reaction gas to the unit cell after increasing the humidity of the reaction gas using a humidifier or the like.

しかしながら、固体高分子電解質型燃料電池では、上記式(2)に示すように、発電に際して酸化剤電極側で水が生成される。この生成水は酸化剤ガスと共に単位セル内で下流の方へと送られる。その結果、加湿用の水に加えてさらに発電による生成水が加わるため、単位セル内下流部では水分量が多量となり、反応ガス中の水素や酸素が消費された残りのガスが保持できる水分量を超えた過飽和となるため水蒸気の凝集により水滴が生じる。そして、この水滴がガス拡散層中の空孔を埋めるため、ガス拡散層における酸化剤ガスの拡散が妨げられ、燃料電池の発電性能が下がるフラッティングという現象が起こる。また、下流での水分量を減らすために酸化剤ガスの加湿量を減らした場合であっても、発電効率を高め、酸化剤ガスの利用率を高くすると生成水が増大し、フラッティングが起こる。しかし、供給する酸化剤ガスの加湿量を減らしすぎると、固体高分子電解質膜が乾燥気味となるため、結果として発電性能の低下をもたらすおそれがある。このため、フラッティングを防ぐためには、酸化剤ガスの加湿量を減らさずに、凝集により生成する水を排出させる必要がある。   However, in the solid polymer electrolyte fuel cell, as shown in the above formula (2), water is generated on the oxidant electrode side during power generation. This produced water is sent downstream in the unit cell together with the oxidant gas. As a result, water generated by power generation is added in addition to water for humidification, so that the amount of water is large in the downstream part in the unit cell, and the amount of water that can be retained by the remaining gas that has consumed hydrogen and oxygen in the reaction gas Therefore, water droplets are generated due to aggregation of water vapor. And since this water droplet fills the void | hole in a gas diffusion layer, the spreading | diffusion phenomenon that the spreading | diffusion of oxidant gas in a gas diffusion layer is prevented and the electric power generation performance of a fuel cell falls occurs. Even if the amount of humidification of the oxidant gas is reduced in order to reduce the amount of water downstream, if the power generation efficiency is increased and the utilization rate of the oxidant gas is increased, the generated water increases and flatting occurs. . However, if the humidification amount of the oxidant gas to be supplied is reduced too much, the solid polymer electrolyte membrane becomes dry, and as a result, the power generation performance may be lowered. For this reason, in order to prevent flatting, it is necessary to discharge water generated by aggregation without reducing the humidification amount of the oxidant gas.

そこで、例えば、ガス拡散層の表面に撥水性の膜を形成させる方法が提案されている(特許文献1参照。)。
特開2000−239704号公報(第2頁、第1図)
Thus, for example, a method of forming a water-repellent film on the surface of the gas diffusion layer has been proposed (see Patent Document 1).
JP 2000-239704 A (2nd page, FIG. 1)

しかしながら、ガス拡散層の表面に撥水処理を施すと、撥水処理剤によってガス拡散層の導電性が低下する場合がある。また、撥水処理剤がガス拡散層中の空孔を埋めるため、かえってガスの拡散性が低下する。   However, when the surface of the gas diffusion layer is subjected to water repellent treatment, the conductivity of the gas diffusion layer may be lowered by the water repellent treatment agent. Further, since the water repellent agent fills the pores in the gas diffusion layer, the gas diffusibility is lowered.

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の固体高分子電解質型燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方の面に燃料極、他方の面に酸化剤極を有する膜電極接合体と、膜電極接合体の燃料極側の面に配置された燃料極側ガス拡散層と、膜電極接合体の酸化剤極側の面に配置され、表面に溝が形成されたカーボン繊維を有する酸化剤極側ガス拡散層と、燃料極側ガス拡散層の外側に配置された燃料極側セパレータと、酸化剤極側ガス拡散層の外側に配置された酸化剤極側セパレータと、を備えたことを要旨とする。   The present invention has been made to solve the above problems, and the solid polymer electrolyte fuel cell of the present invention has a fuel electrode on one surface of the solid polymer electrolyte membrane and an oxidizer electrode on the other surface. The membrane electrode assembly, the fuel electrode side gas diffusion layer disposed on the fuel electrode side surface of the membrane electrode assembly, and the oxidant electrode side surface of the membrane electrode assembly were formed with grooves formed on the surface. An oxidant electrode side gas diffusion layer having carbon fibers, a fuel electrode side separator disposed outside the fuel electrode side gas diffusion layer, and an oxidant electrode side separator disposed outside the oxidant electrode side gas diffusion layer; The gist is that

本発明によれば、酸化剤電極で生成した水はカーボン繊維の毛細管現象によって吸水され、酸化剤極側セパレータ側へ移動して酸化剤ガス中に気化・拡散される。このため、フラッディングを防ぎ、長期に渡って安定して高効率な発電性能を得ることが可能となる。   According to the present invention, water generated by the oxidant electrode is absorbed by the capillary action of the carbon fiber, moves to the oxidant electrode side separator side, and is vaporized and diffused in the oxidant gas. For this reason, flooding can be prevented, and stable and highly efficient power generation performance can be obtained over a long period of time.

以下、本発明の実施の形態を図1〜図7を用いて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.

以下、図1〜3を用いて実施例1について説明する。   Hereinafter, Example 1 is demonstrated using FIGS. 1-3.

図1(a)は、本発明の実施例1に係る固体高分子電解質型燃料電池を構成する単位セルを示す断面図である。図1(b)は、酸化剤極側ガス拡散層を模式的に示す斜視図である。図1(c)は、図1(b)のIc部を模式的に示す説明図である。図1(d)は、カーボン繊維を模式的に示す説明図である。図1(e)は、図1(d)のId-Id線に沿って切断した断面図である。   FIG. 1A is a cross-sectional view showing a unit cell constituting a solid polymer electrolyte fuel cell according to Example 1 of the present invention. FIG. 1B is a perspective view schematically showing the oxidant electrode side gas diffusion layer. FIG.1 (c) is explanatory drawing which shows typically the Ic part of FIG.1 (b). FIG.1 (d) is explanatory drawing which shows a carbon fiber typically. FIG.1 (e) is sectional drawing cut | disconnected along the Id-Id line of FIG.1 (d).

図1(a)に示すように、本実施の形態に係る固体高分子電解質型燃料電池を構成する単位セル1は、固体高分子電解質膜2の一方の面に燃料極3、他方の面に酸化剤極4を有する膜電極接合体5と、この膜電極接合体5の燃料極3側の面に配置された燃料極側ガス拡散層6と、膜電極接合体5の酸化剤極4側の面に配置された酸化剤極側ガス拡散層7と、燃料極側ガス拡散層6の外側に配置された燃料極側セパレータ8と、酸化剤極側ガス拡散層7の外側に配置された酸化剤極側セパレータ9とを有している。この単位セル1は複数個積層されて固体高分子電解質型燃料電池を構成する。   As shown in FIG. 1A, a unit cell 1 constituting the solid polymer electrolyte fuel cell according to the present embodiment has a fuel electrode 3 on one surface of a solid polymer electrolyte membrane 2 and a fuel cell 3 on the other surface. The membrane electrode assembly 5 having the oxidant electrode 4, the fuel electrode side gas diffusion layer 6 disposed on the surface of the membrane electrode assembly 5 on the fuel electrode 3 side, and the oxidant electrode 4 side of the membrane electrode assembly 5 The oxidant electrode side gas diffusion layer 7 disposed on the surface, the fuel electrode side separator 8 disposed outside the fuel electrode side gas diffusion layer 6, and the oxidant electrode side gas diffusion layer 7 are disposed outside. And an oxidant electrode-side separator 9. A plurality of unit cells 1 are stacked to constitute a solid polymer electrolyte fuel cell.

単位セル1に用いる固体高分子電解質膜2としては、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体膜(商品名;ナフィオン1128(登録商標),デュポン株式会社)などを使用することができる。そして、固体高分子電解質膜2の一方の面に燃料極3、他方の面に酸化剤極4として白金触媒担持カーボンの触媒層がそれぞれ接合されて膜電極接合体5が形成されている。膜電極接合体5の厚さは約0.2[mm]であり、燃料極3及び酸化剤極4の厚さはそれぞれ約10[μm]、燃料極3及び酸化剤極4中に含まれる白金触媒は約0.1〜0.5[g/cm]である。 As the solid polymer electrolyte membrane 2 used in the unit cell 1, a perfluorocarbon polymer membrane having a sulfonic acid group (trade name; Nafion 1128 (registered trademark), DuPont Co., Ltd.) can be used. A membrane electrode assembly 5 is formed by joining a catalyst layer of platinum catalyst-carrying carbon as a fuel electrode 3 on one surface of the solid polymer electrolyte membrane 2 and an oxidizer electrode 4 on the other surface. The thickness of the membrane electrode assembly 5 is about 0.2 [mm], and the thicknesses of the fuel electrode 3 and the oxidant electrode 4 are about 10 [μm], respectively, and are included in the fuel electrode 3 and the oxidant electrode 4. The platinum catalyst is about 0.1 to 0.5 [g / cm 2 ].

燃料極3及び酸化剤極4の外側には、燃料極側ガス拡散層6と酸化剤極側ガス拡散層7がそれぞれ配置されている。燃料極側ガス拡散層6と酸化剤極側ガス拡散層7は、カーボン繊維を用いて形成されており、カーボンクロス、カーボンペーパ等と呼ばれている多孔質炭素膜である。この多孔質炭素膜は、直径10〜50[μm]程度の空孔を有しており、それぞれ反応ガス(水素を含有する燃料ガス、及び酸素を含有する酸化剤ガス。)の拡散を最適化し、触媒層との接触を容易にする。また、燃料極3ではプロトンの移動に必要な水分の補給を、酸化剤極4では生成した水の除去をコントロールする役割も果たす。   A fuel electrode side gas diffusion layer 6 and an oxidant electrode side gas diffusion layer 7 are disposed outside the fuel electrode 3 and the oxidant electrode 4, respectively. The fuel electrode side gas diffusion layer 6 and the oxidant electrode side gas diffusion layer 7 are formed of carbon fibers and are porous carbon films called carbon cloth, carbon paper, and the like. This porous carbon membrane has pores with a diameter of about 10 to 50 [μm], and optimizes the diffusion of reaction gas (fuel gas containing hydrogen and oxidant gas containing oxygen), respectively. To facilitate contact with the catalyst layer. The fuel electrode 3 also serves to replenish moisture necessary for proton transfer, and the oxidant electrode 4 controls the removal of the generated water.

燃料極側ガス拡散層6と酸化剤極側ガス拡散層7の外側には、それぞれ燃料極側セパレータ8及び酸化剤極側セパレータ9が設置されている。各セパレータ8、9は、プレート状に成形したカーボンや金属の表面にガス流路及び冷却水流路が形成されており、反応ガスの供給を行う。また、燃料極側セパレータ8では水分の補給通路として、酸化剤極側セパレータ9では生成した水の除去通路としても機能し、さらには、外部回路に電流を流す役割も果たす。   A fuel electrode side separator 8 and an oxidant electrode side separator 9 are installed outside the fuel electrode side gas diffusion layer 6 and the oxidant electrode side gas diffusion layer 7, respectively. Each of the separators 8 and 9 has a gas flow path and a cooling water flow path formed on a surface of carbon or metal formed into a plate shape, and supplies a reaction gas. In addition, the fuel electrode side separator 8 functions as a moisture replenishment passage, the oxidant electrode side separator 9 functions as a water removal passage, and further plays a role of supplying a current to an external circuit.

そして、図1(b)及び(c)に示すように、酸化剤極側ガス拡散層7では、カーボン繊維10が互いに絡み合っている。このカーボン繊維10には、図1(d)及び(e)に示すように、表面に溝11が形成されている。   As shown in FIGS. 1B and 1C, the carbon fibers 10 are entangled with each other in the oxidant electrode side gas diffusion layer 7. As shown in FIGS. 1D and 1E, a groove 11 is formed on the surface of the carbon fiber 10.

このような酸化剤極側ガス拡散層7は、例えば図2に示す工程により製造される。図2は、ガス拡散層の製造方法の概略的な工程を説明する工程フロー図である。まず、有機ヒドロぺルオキシド、レドックス系開始剤等を用いて乳化剤重合法によりアクリロニトリルモノマーを重合してポリアクリロニトリル(PAN)を合成する(工程20)。次に、PANを押し出し口金より射出し、製糸してアクリル繊維化する(工程21)。この際に、口金の形状を適宜選出し、アクリル繊維に所望の溝を形成する。次に、溝を形成したアクリル繊維を製品基材に編み込んだ後(工程22)、酸素を吹き込みながら200〜300[℃]の高温炉に通して耐炎化処理を施す(工程23)。この工程により、アクリル繊維を耐熱、耐火性に富んだ安定繊維に変化させる。その後、不活性雰囲気中1000〜1500[℃]の高温でさらに熱して炭素化処理を施すことによりカーボン繊維化する(工程24)。さらに表面処理等を施し、ガス拡散層とする(工程25)。   Such an oxidant electrode side gas diffusion layer 7 is manufactured, for example, by the process shown in FIG. FIG. 2 is a process flow diagram illustrating a schematic process of the method for manufacturing a gas diffusion layer. First, an acrylonitrile monomer is polymerized by an emulsifier polymerization method using an organic hydroperoxide, a redox initiator, or the like to synthesize polyacrylonitrile (PAN) (step 20). Next, PAN is injected from the extrusion die, and the yarn is made into acrylic fiber (step 21). At this time, the shape of the base is appropriately selected to form a desired groove in the acrylic fiber. Next, after knitting the acrylic fiber having the groove formed on the product substrate (step 22), it is passed through a high temperature furnace at 200 to 300 [° C.] while blowing oxygen to perform a flameproofing treatment (step 23). By this step, the acrylic fiber is changed to a stable fiber rich in heat resistance and fire resistance. Thereafter, the carbon fiber is formed by further heating at a high temperature of 1000 to 1500 [° C.] in an inert atmosphere to perform carbonization (step 24). Further, surface treatment or the like is performed to form a gas diffusion layer (step 25).

次に、上記構成による単位セル1における水の移動について説明する。   Next, the movement of water in the unit cell 1 having the above configuration will be described.

図1(a)に示す単位セル1の燃料ガス流路内を燃料ガスが通過し、酸化剤ガス流路内を酸化剤ガスが通過する。このとき、燃料極3では、上記した式(1)の反応が進行し、プロトンが生成する。プロトンは水和状態で固体高分子電解質膜2を移動して酸化剤極4に至る。酸化剤極4では、燃料極3から移動したプロトンが酸化剤極4に供給された酸化剤ガス中の酸素と反応して上記した式(2)の反応が進行して水が生成する。   The fuel gas passes through the fuel gas channel of the unit cell 1 shown in FIG. 1A, and the oxidant gas passes through the oxidant gas channel. At this time, in the fuel electrode 3, the reaction of the above formula (1) proceeds, and protons are generated. Protons move through the solid polymer electrolyte membrane 2 in a hydrated state and reach the oxidizer electrode 4. In the oxidant electrode 4, the proton moved from the fuel electrode 3 reacts with oxygen in the oxidant gas supplied to the oxidant electrode 4, and the reaction of the above formula (2) proceeds to generate water.

そして、酸化剤極4で生成された水は、酸化剤極側ガス拡散層7のカーボン繊維10の表面上に形成された溝11中を毛細管現象により吸い出され、より湿度環境の低い酸化剤極側セパレータ9側へ移動する。図3に、カーボン繊維10の溝11を水が伝わる様子を示す。カーボン繊維10は酸化剤極側ガス拡散層7において互いに絡み合っているため、一本のカーボン繊維の溝から他のカーボン繊維の溝へと水が移動する。さらに、水は酸化剤極側セパレータ9側へ移動し、最終的には酸化剤ガス中に気化・拡散されていく。この気化・拡散現象がドライビングフォースとなり、連続的に酸化剤極4の生成水の吸水・気化・拡散が進行する。   And the water produced | generated by the oxidant electrode 4 is sucked out by the capillary phenomenon in the groove | channel 11 formed on the surface of the carbon fiber 10 of the oxidant electrode side gas diffusion layer 7, and an oxidant with a lower humidity environment Move to the pole separator 9 side. FIG. 3 shows a state where water is transmitted through the groove 11 of the carbon fiber 10. Since the carbon fibers 10 are entangled with each other in the oxidant electrode side gas diffusion layer 7, water moves from one carbon fiber groove to another carbon fiber groove. Furthermore, water moves to the oxidant electrode side separator 9 side, and is finally vaporized and diffused in the oxidant gas. This vaporization / diffusion phenomenon becomes a driving force, and water absorption / vaporization / diffusion of the generated water of the oxidizer electrode 4 proceeds continuously.

このようにして、酸化剤極4で生成し、過剰となった水分がカーボン繊維毛細管現象により吸水・気化・拡散するため、酸化剤極4における水の滞留が防止される。そして、酸化剤ガスの拡散性を犠牲にすることなく酸化剤極側ガス拡散層7中での水の水滴化を防ぎ、酸化剤極4から酸化剤極側ガス拡散層7を含めた領域においてフラッディングを防ぐことができる。そして、長期に渡って安定して高効率な発電性能を得ることが可能となる。   In this way, excess water generated and oxidized at the oxidant electrode 4 is absorbed, vaporized, and diffused by the carbon fiber capillary phenomenon, so that water retention in the oxidant electrode 4 is prevented. Then, water is prevented from dropping in the oxidant electrode side gas diffusion layer 7 without sacrificing the diffusibility of the oxidant gas, and in the region including the oxidant electrode 4 to the oxidant electrode side gas diffusion layer 7. Flooding can be prevented. And it becomes possible to obtain the highly efficient power generation performance stably over a long period of time.

このように、本実施の形態に係る固体高分子電解質型燃料電池によれば、固体高分子電解質膜の一方の面に燃料極、他方の面に酸化剤極を有する膜電極接合体と、この膜電極接合体の燃料極側の面に配置された燃料極側ガス拡散層と、膜電極接合体の酸化剤極側の面に配置され、表面に溝が形成されたカーボン繊維を有する酸化剤極側ガス拡散層と、燃料極側ガス拡散層の外側に配置された燃料極側セパレータと、酸化剤極側ガス拡散層の外側に配置された酸化剤極側セパレータと、を備えたことにより、酸化剤電極で生成した水はカーボン繊維の毛細管現象によって吸水され、酸化剤極側セパレータ側へ移動して酸化剤ガス中に気化・拡散されるため、ガス拡散層の表面に撥水処理を施さなくてもフラッディングを防ぎ、長期に渡って安定して高効率な発電性能を得ることが可能となる。   Thus, according to the solid polymer electrolyte fuel cell according to the present embodiment, the membrane electrode assembly having the fuel electrode on one surface of the solid polymer electrolyte membrane and the oxidant electrode on the other surface, A fuel electrode side gas diffusion layer disposed on the fuel electrode side surface of the membrane electrode assembly, and an oxidant having carbon fibers disposed on the surface of the membrane electrode assembly on the oxidant electrode side and having grooves formed on the surface By providing the electrode side gas diffusion layer, the fuel electrode side separator disposed outside the fuel electrode side gas diffusion layer, and the oxidant electrode side separator disposed outside the oxidant electrode side gas diffusion layer. The water generated by the oxidant electrode is absorbed by the capillary action of the carbon fiber, moves to the oxidant electrode side separator side, and is vaporized and diffused in the oxidant gas. Prevents flooding even if not applied, stable for a long time It is possible to obtain a high-efficiency power generation performance Te.

なお、全てのカーボン繊維に溝を設ける必要はなく、溝が形成されたカーボン繊維と、溝のないカーボン繊維が混合されていても良い。また、溝の形状、本数は特に制限がなく、吸水に必要な溝容積を確保できるのであれば溝は何本形成されていても良い。   In addition, it is not necessary to provide a groove in all the carbon fibers, and the carbon fiber in which the groove is formed and the carbon fiber without the groove may be mixed. Further, the shape and number of the grooves are not particularly limited, and any number of grooves may be formed as long as the groove volume necessary for water absorption can be secured.

次に、図4を用いて実施例2について説明する。   Next, Example 2 will be described with reference to FIG.

図4(a)は、本発明の実施例2に係る固体高分子電解質型燃料電池の酸化剤極側ガス拡散層を模式的に示す斜視図である。図4(b)は、一溝カーボン繊維を示す説明図である。図4(c)は、二溝カーボン繊維を示す説明図である。図4(d)は、三溝カーボン繊維を示す説明図である。この実施例における固体高分子電解質型燃料電池では、酸化剤極側ガス拡散層を形成するカーボン繊維の溝の容積を、酸化剤極側から酸化剤極側セパレータにむかって増加させた点において実施例1とは異なっている。   FIG. 4A is a perspective view schematically showing an oxidant electrode side gas diffusion layer of a solid polymer electrolyte fuel cell according to Example 2 of the present invention. FIG.4 (b) is explanatory drawing which shows a one groove | channel carbon fiber. FIG.4 (c) is explanatory drawing which shows a double groove carbon fiber. FIG.4 (d) is explanatory drawing which shows a three-groove carbon fiber. The solid polymer electrolyte fuel cell in this example was implemented in that the volume of the carbon fiber groove forming the oxidant electrode side gas diffusion layer was increased from the oxidant electrode side to the oxidant electrode side separator. Different from Example 1.

図4(a)に示すように、実施例2における酸化剤極側ガス拡散層27は、膜電極接合体の酸化剤極側から酸化剤極側セパレータ側に向かって、図4(b)に示す一溝カーボン繊維30Aを有する一溝層27a、図4(c)に示す二溝カーボン繊維30Bを有する二溝層27b、及び図4(d)に示す三溝カーボン繊維30Cを有する三溝層27cの三層から構成されている。図4(b)に示すように、一溝カーボン繊維30Aには溝31Aが一本形成されている。また、図4(c)に示すように、二溝カーボン繊維30Bには溝31Bが二本形成されている。さらに、図4(d)に示すように、三溝カーボン繊維30Cには溝31Cが三本形成されている。各溝は、実施例1で説明したように、PANを製糸してアクリル繊維化する際の口金の形状により、溝の本数が決められる。   As shown in FIG. 4 (a), the oxidant electrode side gas diffusion layer 27 in Example 2 is shown in FIG. 4 (b) from the oxidant electrode side of the membrane electrode assembly toward the oxidant electrode side separator. One groove layer 27a having one groove carbon fiber 30A shown, two groove layer 27b having two groove carbon fibers 30B shown in FIG. 4 (c), and three groove layer 27c having three groove carbon fibers 30C shown in FIG. 4 (d). It consists of three layers. As shown in FIG. 4B, a single groove 31A is formed in the single groove carbon fiber 30A. In addition, as shown in FIG. 4C, two grooves 31B are formed in the two-groove carbon fiber 30B. Further, as shown in FIG. 4D, three grooves 31C are formed in the three-groove carbon fiber 30C. As described in the first embodiment, the number of grooves in each groove is determined by the shape of the die when the PAN is made into acrylic fibers.

このように、実施例2における酸化剤極側ガス拡散層27では、酸化剤極側から酸化剤極側セパレータ側に向かって酸化剤極側ガス拡散層27中のカーボン繊維の溝の容積が増加するように、溝本数の異なったカーボン繊維を混合した後、複層させて構成している。このため、実施例2における酸化剤極側ガス拡散層27では、酸化剤極側から酸化剤極側セパレータ側に向かって、段階的にカーボン繊維の溝による水を吸い上げる機能が高くなるようになっている。このため、一溝層27aで吸い上げられた水は、二溝層27b、三溝層27cと、湿度環境がより低い方に向かって次々と移動し、生成水の気化・拡散が促進される。このようにして、酸化剤極で生成し、過剰となった水分が毛細管現象により吸水・気化・拡散するため、酸化剤極における水の滞留が防止される。そして、酸化剤ガスの拡散性を犠牲にすることなく酸化剤極側ガス拡散層27中での水の水滴化を防ぎ、酸化剤極から酸化剤極側ガス拡散層を含めた領域においてフラッディング防止性能をより向上させることができ、長期に渡って安定して高効率な発電性能を得ることができる。   Thus, in the oxidant electrode side gas diffusion layer 27 in Example 2, the volume of the groove of the carbon fiber in the oxidant electrode side gas diffusion layer 27 increases from the oxidant electrode side to the oxidant electrode side separator side. As described above, the carbon fibers having different numbers of grooves are mixed and then laminated. For this reason, in the oxidant electrode side gas diffusion layer 27 in Example 2, the function of sucking up the water by the groove of the carbon fiber stepwise from the oxidant electrode side to the oxidant electrode side separator side becomes higher. ing. For this reason, the water sucked up by the one groove layer 27a moves to the two groove layer 27b and the three groove layer 27c one after another toward the lower humidity environment, and the vaporization / diffusion of the generated water is promoted. In this way, excess water generated and oxidized at the oxidant electrode is absorbed, vaporized, and diffused by capillary action, so water retention at the oxidant electrode is prevented. Further, water droplet formation in the oxidant electrode side gas diffusion layer 27 is prevented without sacrificing diffusibility of the oxidant gas, and flooding is prevented in the region including the oxidant electrode side gas diffusion layer from the oxidant electrode. The performance can be further improved, and a highly efficient power generation performance can be obtained stably over a long period of time.

以上により、本実施の形態に係る固体高分子電解質型燃料電池によれば、酸化剤極側ガス拡散層において、溝の容積を、酸化剤極側から酸化剤極側セパレータにむかって増加させた構成を採用したことにより、酸化剤電極の生成水の吸水量が増加し、酸化剤電極からガス拡散層を含めた領域でのフラッディング防止性能をより向上させることができ、長期に渡って安定して高効率な発電性能を得ることができる。   As described above, according to the solid polymer electrolyte fuel cell according to the present embodiment, in the oxidant electrode side gas diffusion layer, the volume of the groove is increased from the oxidant electrode side to the oxidant electrode side separator. By adopting the configuration, the amount of water generated by the oxidant electrode is increased, and the flooding prevention performance in the region including the gas diffusion layer from the oxidant electrode can be further improved. High-efficiency power generation performance.

なお、全てのカーボン繊維に溝を設ける必要はなく、溝が形成されたカーボン繊維と、溝のないカーボン繊維が混合されていても良い。また、溝の形状、本数は特に制限がなく、吸水に必要な溝容積を確保できるのであれば溝は何本形成されていても良い。さらに、酸化剤極側ガス拡散層は溝形状の異なるカーボン繊維を有する三層から構成されている必要はなく、段階的に溝の容積が増加するのであれば層の数は限定されない。   In addition, it is not necessary to provide a groove in all the carbon fibers, and the carbon fiber in which the groove is formed and the carbon fiber without the groove may be mixed. Further, the shape and number of the grooves are not particularly limited, and any number of grooves may be formed as long as the groove volume necessary for water absorption can be secured. Furthermore, the oxidant electrode side gas diffusion layer does not need to be composed of three layers having carbon fibers having different groove shapes, and the number of layers is not limited as long as the volume of the groove increases stepwise.

次に、図5を用いて実施例3について説明する。   Next, Example 3 will be described with reference to FIG.

図5(a)は、本発明の実施例3に係る固体高分子電解質型燃料電池の酸化剤極側ガス拡散層を模式的に示す斜視図である。図5(b)は、図5(a)のVb部を模式的に示す断面図である。この実施例における固体高分子電解質型燃料電池では、酸化剤極側ガス拡散層を形成する溝が形成されたカーボン繊維の割合を、酸化剤極側から酸化剤極側セパレータにむかって増加させた点において実施例1とは異なっている。   FIG. 5A is a perspective view schematically showing an oxidant electrode side gas diffusion layer of a solid polymer electrolyte fuel cell according to Example 3 of the present invention. FIG. 5B is a cross-sectional view schematically showing the Vb portion of FIG. In the solid polymer electrolyte fuel cell in this example, the ratio of carbon fibers in which grooves forming the oxidant electrode side gas diffusion layer were formed was increased from the oxidant electrode side to the oxidant electrode side separator. This is different from the first embodiment.

図5(a)に示すように、実施例3における酸化剤極側ガス拡散層37は、膜電極接合体の酸化剤極側から酸化剤極側セパレータ側に向かって、図5(b)に模式的に示すように、実線で表す溝が形成されていないカーボン繊維40Aの割合が高い層37a、溝が形成されていないカーボン繊維40Aと破線で表す溝が形成されているカーボン繊維40Bが同程度の割合で含まれている層37b、及び溝が形成されているカーボン繊維40Bの割合が高い層37cの三層から構成されている。なお、各層において、溝が形成されていないカーボン繊維40Aと、溝が形成されているカーボン繊維40Bの総本数は同じである。   As shown in FIG. 5 (a), the oxidant electrode side gas diffusion layer 37 in Example 3 is shown in FIG. 5 (b) from the oxidant electrode side of the membrane electrode assembly toward the oxidant electrode side separator. As schematically shown, the layer 37a having a high proportion of the carbon fibers 40A in which the grooves represented by the solid lines are not formed, the carbon fibers 40A in which the grooves are not formed, and the carbon fibers 40B in which the grooves represented by the broken lines are formed are the same. It is composed of three layers, a layer 37b included at a certain ratio and a layer 37c having a high ratio of carbon fibers 40B in which grooves are formed. In each layer, the total number of carbon fibers 40A in which no grooves are formed and the number of carbon fibers 40B in which grooves are formed are the same.

このように、実施例3における酸化剤極側ガス拡散層37では、酸化剤極側から酸化剤極側セパレータ側に向かって酸化剤極側ガス拡散層37中の溝が形成されたカーボン繊維の割合を増加させた点カーボン繊維の溝の容積が増加するように、溝が形成されていないカーボン繊維40Aと、溝が形成されているカーボン繊維40Bの混合比を変えて各カーボン繊維を混合した後、複層させて構成している。このため、実施例3における酸化剤極側ガス拡散層37では、実施例2と同様に酸化剤極側から酸化剤極側セパレータ側に向かって、段階的にカーボン繊維の溝による水を吸い上げる機能が高くなるようになっている。このため、層37aで吸い上げられた水は、層37b、層37cと、湿度環境がより低い方に向かって次々と移動し、生成水の気化・拡散が促進される。このようにして、酸化剤極で生成し、過剰となった水分がカーボン繊維の毛細管現象により吸水・気化・拡散するため、酸化剤極における水の滞留が防止される。そして、酸化剤ガスの拡散性を犠牲にすることなく酸化剤極側ガス拡散層37中での水の水滴化を防ぎ、酸化剤極から酸化剤極側ガス拡散層を含めた領域においてフラッディング防止性能をより向上させることができ、長期に渡って安定して高効率な発電性能を得ることができる。また、少なくとも、溝が形成されていないカーボン繊維と、溝が形成されているカーボン繊維の2種類のカーボン繊維を用いることにより実施例2と同様の効果が得られるため、ガス拡散層の製造が容易である。   Thus, in the oxidant electrode side gas diffusion layer 37 in Example 3, the carbon fiber in which the grooves in the oxidant electrode side gas diffusion layer 37 are formed from the oxidant electrode side toward the oxidant electrode side separator side. The carbon fiber 40A in which the groove is not formed and the carbon fiber 40B in which the groove is formed are mixed at different ratios so that the volume of the carbon fiber groove is increased. After that, it is composed of multiple layers. For this reason, in the oxidant electrode side gas diffusion layer 37 in Example 3, the function of sucking up water from the groove of the carbon fiber stepwise from the oxidant electrode side to the oxidant electrode side separator side as in Example 2. Is getting higher. For this reason, the water sucked up by the layer 37a moves one after another toward the layers 37b and 37c and the lower humidity environment, and the vaporization and diffusion of the generated water is promoted. In this way, excess water generated at the oxidant electrode absorbs, vaporizes, and diffuses due to the capillary action of the carbon fiber, so that water retention at the oxidant electrode is prevented. Further, water droplet formation in the oxidant electrode side gas diffusion layer 37 is prevented without sacrificing diffusibility of the oxidant gas, and flooding is prevented in a region including the oxidant electrode side gas diffusion layer from the oxidant electrode. The performance can be further improved, and a highly efficient power generation performance can be obtained stably over a long period of time. In addition, since the same effect as in Example 2 can be obtained by using at least two types of carbon fibers, that is, carbon fibers in which no grooves are formed and carbon fibers in which grooves are formed, the production of the gas diffusion layer is possible. Easy.

以上により、本実施の形態に係る固体高分子電解質型燃料電池によれば、酸化剤極側ガス拡散層において、溝が形成されたカーボン繊維の割合を、酸化剤極側から酸化剤極側セパレータにむかって増加させた構成を採用したことにより、酸化剤電極の生成水の吸水量が増加し、酸化剤電極からガス拡散層を含めた領域でのフラッディング防止性能をより向上させることができ、長期に渡って安定して高効率な発電性能を得ることができる。   As described above, according to the solid polymer electrolyte fuel cell according to the present embodiment, in the oxidant electrode side gas diffusion layer, the ratio of the carbon fiber in which the groove is formed is changed from the oxidant electrode side to the oxidant electrode side separator. By adopting an increased configuration, the amount of water generated by the oxidant electrode increases, and the flooding prevention performance in the region including the gas diffusion layer from the oxidant electrode can be further improved. A stable and highly efficient power generation performance can be obtained over a long period of time.

なお、カーボン繊維に形成する溝の本数は特に制限がなく、吸水に必要な溝容積を確保できるのであれば溝は何本形成されていても良い。また、酸化剤極側ガス拡散層は、溝が形成されていないカーボン繊維と、溝が形成されているカーボン繊維の2種類の混合比の異なる三層から構成されている必要はなく、段階的に溝の容積が増加するのであれば層の数は限定されない。   The number of grooves formed in the carbon fiber is not particularly limited, and any number of grooves may be formed as long as the groove volume necessary for water absorption can be secured. Further, the oxidant electrode side gas diffusion layer does not need to be composed of three layers having different mixing ratios of the carbon fiber in which the groove is formed and the carbon fiber in which the groove is formed. If the groove volume is increased, the number of layers is not limited.

次に、図6を用いて実施例4について説明する。   Next, Example 4 will be described with reference to FIG.

図6(a)は、本発明の実施例4に係る固体高分子電解質型燃料電池を構成する単位セルを示す断面図である。図6(b)は、図6(a)のVIb部を模式的に示す説明図である。   FIG. 6A is a cross-sectional view showing a unit cell constituting a solid polymer electrolyte fuel cell according to Example 4 of the present invention. FIG. 6B is an explanatory diagram schematically showing the VIb portion of FIG.

図6(a)に示すように、本実施の形態に係る固体高分子電解質型燃料電池を構成する単位セル41は、固体高分子電解質膜42の一方の面に燃料極43、他方の面に酸化剤極44を有する膜電極接合体45と、この膜電極接合体45の燃料極43側の面に配置された燃料極側ガス拡散層46と、膜電極接合体45の酸化剤極44側の面に配置された酸化剤極側ガス拡散層47と、燃料極側ガス拡散層46の外側に配置された燃料極側セパレータ48と、酸化剤極側ガス拡散層47の外側に配置された酸化剤極側セパレータ49とを有している。この単位セル41は複数個積層されて固体高分子電解質型燃料電池を構成する。そして、燃料極43と燃料極側ガス拡散層46との間にカーボン粒子層46aを備え、酸化剤極44と酸化剤極側ガス拡散層47との間に、カーボン粒子層47aを備えた点において実施例1とは異なっている。   As shown in FIG. 6A, the unit cell 41 constituting the solid polymer electrolyte fuel cell according to the present embodiment has a fuel electrode 43 on one surface of the solid polymer electrolyte membrane 42 and a unit cell 41 on the other surface. The membrane electrode assembly 45 having the oxidant electrode 44, the fuel electrode side gas diffusion layer 46 disposed on the surface of the membrane electrode assembly 45 on the fuel electrode 43 side, and the oxidant electrode 44 side of the membrane electrode assembly 45 An oxidant electrode side gas diffusion layer 47 disposed on the surface, a fuel electrode side separator 48 disposed outside the fuel electrode side gas diffusion layer 46, and an outer side of the oxidant electrode side gas diffusion layer 47. And an oxidant electrode-side separator 49. A plurality of unit cells 41 are stacked to constitute a solid polymer electrolyte fuel cell. A carbon particle layer 46 a is provided between the fuel electrode 43 and the fuel electrode side gas diffusion layer 46, and a carbon particle layer 47 a is provided between the oxidant electrode 44 and the oxidant electrode side gas diffusion layer 47. However, this is different from the first embodiment.

図6(b)に示すように、カーボン粒子層47aは、酸化剤極44とカーボン繊維50を有する酸化剤極側ガス拡散層47との間に配置されており、直径が約50[nm]の空孔52と、1次粒子径が0.1〜1.0[μm]カーボン粒子53を有している。なお、燃料極43と燃料極側ガス拡散層46との間にカーボン粒子層46aも同様の構成である。これらのカーボン粒子層46a、47aは、カーボン粒子のペーストを作製し、ガス拡散層に塗布後、乾燥および焼成処理を行うことにより形成する。   As shown in FIG. 6B, the carbon particle layer 47a is disposed between the oxidant electrode 44 and the oxidant electrode side gas diffusion layer 47 having the carbon fibers 50, and has a diameter of about 50 [nm]. , And carbon particles 53 having a primary particle diameter of 0.1 to 1.0 [μm]. The carbon particle layer 46 a has the same configuration between the fuel electrode 43 and the fuel electrode side gas diffusion layer 46. These carbon particle layers 46a and 47a are formed by preparing a paste of carbon particles, applying it to the gas diffusion layer, and performing drying and baking treatment.

カーボン粒子層47aは、酸化剤極側ガス拡散層47中の空孔より微小な空孔52を有しているため、酸化剤極側ガス拡散層47中のカーボン繊維50の溝と同様に毛細管現象を誘発する。また、ガス拡散層中の表面は、カーボン繊維や空孔により微少な凹凸が形成されているが、酸化剤極側ガス拡散層47と酸化剤極44との間にカーボン粒子層47aを形成することにより、酸化剤極側ガス拡散層47のカーボン繊維50とカーボン粒子53が接触面積が増えるため導電性が向上する。また、さらに、カーボン繊維の断面形状を容易に変更できるため、ガス拡散性を最適化する際の対応が容易で、製造方法も容易である。   Since the carbon particle layer 47 a has pores 52 that are smaller than the pores in the oxidant electrode side gas diffusion layer 47, the capillary tube is similar to the grooves of the carbon fibers 50 in the oxidant electrode side gas diffusion layer 47. Trigger the phenomenon. The surface of the gas diffusion layer has minute irregularities formed by carbon fibers and pores, but a carbon particle layer 47 a is formed between the oxidant electrode side gas diffusion layer 47 and the oxidant electrode 44. As a result, the contact area between the carbon fibers 50 and the carbon particles 53 of the oxidant electrode side gas diffusion layer 47 increases, so that the conductivity is improved. Furthermore, since the cross-sectional shape of the carbon fiber can be easily changed, it is easy to cope with optimizing the gas diffusibility, and the manufacturing method is also easy.

なお、カーボン粒子層は、撥水処理が施されていることがより好ましい。この場合には、カーボン粒子層は、カーボン粒子と、撥水剤としてPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)を20〜50[wt%]含有混合させたペーストを作製し、ガス拡散層に塗布後、乾燥および焼成処理を行うことにより形成する。   The carbon particle layer is more preferably subjected to water repellent treatment. In this case, the carbon particle layer is prepared by preparing a paste containing carbon particles and PTFE (polytetrafluoroethylene) 20 to 50 [wt%] as a water repellent, and is applied to the gas diffusion layer and then dried. And by performing a baking treatment.

カーボン粒子層に撥水処理が施されている場合には、カーボン粒子層中に撥水処理が施された空孔部を設けることができる。このため、ガスの通気部を増やすことができるため、さらにフラッディング防止性能を向上させることができ、長期に渡って安定して高効率な発電性能を得ることができる。また、ガス拡散層の表面に直接撥水処理を施すのではなく、カーボン粒子層に撥水処理を施しているため、撥水処理剤によってガス拡散層の導電性やガスの拡散性が低下することがない。   When the water repellent treatment is performed on the carbon particle layer, a hole portion subjected to the water repellent treatment can be provided in the carbon particle layer. For this reason, since the gas ventilation part can be increased, flooding prevention performance can be further improved, and stable and highly efficient power generation performance can be obtained over a long period of time. In addition, since the water repellent treatment is not performed directly on the surface of the gas diffusion layer but the carbon particle layer is subjected to the water repellent treatment, the water repellent treatment agent reduces the conductivity and gas diffusibility of the gas diffusion layer. There is nothing.

以上により、本実施の形態に係る固体高分子電解質型燃料電池によれば、酸化剤極と酸化剤極側ガス拡散層との間に、カーボン粒子層を備え、さらには、カーボン粒子層には撥水処理が施されていることにより、酸化剤極で生成された水の酸化剤極側ガス拡散層への拡散を促進するため、良好な生成水の排水特性が得られフラッディング防止性能をより向上させることができると共に、導電性が向上する。このため、長期に渡って安定して高効率な発電性能を得ることができる。   As described above, according to the solid polymer electrolyte fuel cell according to the present embodiment, the carbon particle layer is provided between the oxidant electrode and the oxidant electrode side gas diffusion layer. The water-repellent treatment promotes the diffusion of water generated at the oxidizer electrode to the gas diffusion layer on the oxidizer electrode side. It can be improved and the conductivity is improved. For this reason, stable and highly efficient power generation performance can be obtained over a long period of time.

なお、図6では燃料極43と燃料極側ガス拡散層46との間にも酸化剤極側と同様にカーボン粒子層46aが配置されているが、必ずしもカーボン粒子層を配置する必要はない。   In FIG. 6, the carbon particle layer 46a is also disposed between the fuel electrode 43 and the fuel electrode side gas diffusion layer 46 in the same manner as the oxidant electrode side, but the carbon particle layer is not necessarily disposed.

次に、図7を用いて実施例5について説明する。   Next, Example 5 will be described with reference to FIG.

図7(a)は、本発明の実施例5に係る固体高分子電解質型燃料電池の酸化剤極側ガス拡散層中のカーボン繊維を束ねた糸を模式的に示す説明図である。図7(b)は、図7(a)ののVIIb-VIIb線に沿って切断した断面図である。   FIG. 7 (a) is an explanatory view schematically showing a yarn bundled with carbon fibers in the oxidant electrode side gas diffusion layer of the solid polymer electrolyte fuel cell according to Example 5 of the present invention. FIG.7 (b) is sectional drawing cut | disconnected along the VIIb-VIIb line | wire of Fig.7 (a).

本実施の形態に係る固体高分子電解質型燃料電池を構成する酸化剤極側ガス拡散層は、図7(a)に示す糸60を有する。この糸60は、複数本の微小径のカーボン繊維61を束ねることにより形成されており、図7(b)に示すようにカーボン繊維61とカーボン繊維61の間に空隙62を有する。また、糸60の外面には、上記実施例で示したカーボン繊維の溝と同様の機能を有する溝63が形成される。そして、他の実施例と同様に酸化剤極側ガス拡散層を構成し、互いに絡み合っている。なお、糸60は、PANを押し出し口金より射出し、アクリル繊維化する際に複数を溶着または製糸化することにより形成される。   The oxidant electrode side gas diffusion layer constituting the solid polymer electrolyte fuel cell according to the present embodiment has a thread 60 shown in FIG. The yarn 60 is formed by bundling a plurality of carbon fibers 61 having a small diameter, and has a gap 62 between the carbon fibers 61 as shown in FIG. 7B. A groove 63 having the same function as the carbon fiber groove shown in the above embodiment is formed on the outer surface of the yarn 60. And the oxidant electrode side gas diffusion layer is comprised similarly to the other Example, and is mutually intertwined. The yarn 60 is formed by injecting PAN from an extrusion die and welding or forming a plurality of PANs to make acrylic fiber.

このように、実施例5におけるカーボン繊維では、複数本の微小径のカーボン繊維61を束ねて形成された空隙62及び溝63により、実施例1〜実施例4に示した溝を有するカーボン繊維と同様の排水性能を得る。このため、溝を有するカーボン繊維と同じ機能を有するカーボン繊維の製造が容易となり、酸化剤極側ガス拡散層の製造が容易となる。   Thus, in the carbon fiber in Example 5, the carbon fiber having the groove shown in Examples 1 to 4 is formed by the gap 62 and the groove 63 formed by bundling a plurality of carbon fibers 61 having a small diameter. Similar drainage performance is obtained. For this reason, the manufacture of the carbon fiber having the same function as the carbon fiber having the groove is facilitated, and the manufacture of the oxidant electrode side gas diffusion layer is facilitated.

以上により、本実施の形態に係る固体高分子電解質型燃料電池によれば、固体高分子電解質膜の一方の面に燃料極、他方の面に酸化剤極を有する膜電極接合体と、膜電極接合体の燃料極側の面に配置された燃料極側ガス拡散層と、膜電極接合体の酸化剤極側の面に配置され、カーボン繊維を束ねた糸を有する酸化剤極側ガス拡散層と、燃料極側ガス拡散層の外側に配置された燃料極側セパレータと、酸化剤極側ガス拡散層の外側に配置された酸化剤極側セパレータと、を備えたことにより、酸化剤電極で生成した水は糸の毛細管現象によって吸水され、酸化剤極側セパレータ側へ移動して酸化剤ガス中に気化・拡散されるため、ガス拡散層の表面に撥水処理を施さなくてもフラッディングを防ぎ、長期に渡って安定して高効率な発電性能を得ることが可能となる。   As described above, according to the solid polymer electrolyte fuel cell according to the present embodiment, the membrane electrode assembly having the fuel electrode on one surface of the solid polymer electrolyte membrane and the oxidant electrode on the other surface, and the membrane electrode A fuel electrode side gas diffusion layer disposed on the fuel electrode side surface of the assembly and an oxidant electrode side gas diffusion layer disposed on the surface of the membrane electrode assembly on the oxidant electrode side and having a thread bundled with carbon fibers A fuel electrode side separator disposed outside the fuel electrode side gas diffusion layer and an oxidant electrode side separator disposed outside the oxidant electrode side gas diffusion layer. The generated water is absorbed by the capillary action of the yarn, moves to the oxidant electrode side separator side, and is vaporized and diffused in the oxidant gas, so that flooding is performed even if the surface of the gas diffusion layer is not subjected to water repellent treatment. Prevents long-term stable and highly efficient power generation performance It becomes possible.

なお、全てのカーボン繊維が束ねられて糸を形成している必要はなく、束ねられたカーボン繊維と、束ねられていないカーボン繊維が混合されていても良い。この場合には、吸水に必要な空隙が確保できるのであればその混合比は限定されるものではない。   In addition, it is not necessary that all the carbon fibers are bundled to form a thread, and the bundled carbon fibers and the unbundled carbon fibers may be mixed. In this case, the mixing ratio is not limited as long as a gap necessary for water absorption can be secured.

(a)本発明の実施例1に係る固体高分子電解質型燃料電池を構成する単位セルを示す断面図である。(b)酸化剤極側ガス拡散層を模式的に示す斜視図である。(c)図1(b)のIc部を模式的に示す説明図である。(d)カーボン繊維を模式的に示す説明図である。である。(e)図1(d)のIe-Ie線に沿って切断した断面図である。(A) It is sectional drawing which shows the unit cell which comprises the solid polymer electrolyte fuel cell which concerns on Example 1 of this invention. (B) It is a perspective view which shows typically an oxidizing agent electrode side gas diffusion layer. (C) It is explanatory drawing which shows typically the Ic part of FIG.1 (b). (D) It is explanatory drawing which shows a carbon fiber typically. It is. (E) It is sectional drawing cut | disconnected along the Ie-Ie line | wire of FIG.1 (d). 実施例1に係るカーボン繊維の製造方法を説明する工程図である。FIG. 5 is a process diagram illustrating a carbon fiber manufacturing method according to Example 1. カーボン繊維の溝を水が伝わる様子を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows a mode that water is transmitted through the groove | channel of a carbon fiber. (a)本発明の実施例2に係る固体高分子電解質型燃料電池の酸化剤極側ガス拡散層を模式的に示す斜視図である。(b)一溝カーボン繊維を示す説明図である。(c)二溝カーボン繊維を示す説明図である。(d)三溝カーボン繊維を示す説明図である。(A) It is a perspective view which shows typically the oxidant electrode side gas diffusion layer of the solid polymer electrolyte fuel cell which concerns on Example 2 of this invention. (B) It is explanatory drawing which shows a one groove | channel carbon fiber. (C) It is explanatory drawing which shows a double groove carbon fiber. (D) It is explanatory drawing which shows a three-groove carbon fiber. (a)本発明の実施例3に係る固体高分子電解質型燃料電池の酸化剤極側ガス拡散層を模式的に示す斜視図である。(b)図5(a)のVb部を模式的に示す断面図である。(A) It is a perspective view which shows typically the oxidizing agent electrode side gas diffusion layer of the solid polymer electrolyte fuel cell which concerns on Example 3 of this invention. (B) It is sectional drawing which shows typically the Vb part of Fig.5 (a). (a)本発明の実施例4に係る固体高分子電解質型燃料電池を構成する単位セルの構成を示す断面図である。(b)図6(a)のVIb部を模式的に示す説明図である。(A) It is sectional drawing which shows the structure of the unit cell which comprises the solid polymer electrolyte fuel cell which concerns on Example 4 of this invention. (B) It is explanatory drawing which shows typically the VIb part of Fig.6 (a). (a)本発明の実施例5に係る固体高分子電解質型燃料電池の酸化剤極側ガス拡散層中のカーボン繊維を束ねた糸を模式的に示す説明図である。(b)図7(a)のVIIb-VIIb線に沿って切断した断面図である。(A) It is explanatory drawing which shows typically the thread | yarn which bundled the carbon fiber in the oxidizing agent electrode side gas diffusion layer of the solid polymer electrolyte fuel cell which concerns on Example 5 of this invention. (B) It is sectional drawing cut | disconnected along the VIIb-VIIb line | wire of Fig.7 (a).

符号の説明Explanation of symbols

1 単位セル
2 固体高分子電解質膜
3 燃料極
4 酸化剤極
5 膜電極接合体
6 燃料極側ガス拡散層
7 酸化剤極側ガス拡散層
8 燃料極側セパレータ
9 酸化剤極側セパレータ
10 カーボン繊維
11 溝
1 Unit Cell 2 Solid Polymer Electrolyte Membrane 3 Fuel Electrode 4 Oxidant Electrode 5 Membrane Electrode Assembly 6 Fuel Electrode Side Gas Diffusion Layer
7 Oxidant electrode side gas diffusion layer 8 Fuel electrode side separator 9 Oxidant electrode side separator 10 Carbon fiber 11 Groove

Claims (6)

固体高分子電解質膜の一方の面に燃料極、他方の面に酸化剤極を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の燃料極側の面に配置された燃料極側ガス拡散層と、
前記膜電極接合体の酸化剤極側の面に配置され、表面に溝が形成されたカーボン繊維を有する酸化剤極側ガス拡散層と、
前記燃料極側ガス拡散層の外側に配置された燃料極側セパレータと、
前記酸化剤極側ガス拡散層の外側に配置された酸化剤極側セパレータと、
を備えたことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。
A membrane electrode assembly having a fuel electrode on one side of the solid polymer electrolyte membrane and an oxidant electrode on the other side;
A fuel electrode side gas diffusion layer disposed on the fuel electrode side surface of the membrane electrode assembly;
An oxidant electrode side gas diffusion layer having carbon fibers disposed on the surface of the membrane electrode assembly on the oxidant electrode side and having grooves formed on the surface;
A fuel electrode side separator disposed outside the fuel electrode side gas diffusion layer;
An oxidant electrode side separator disposed outside the oxidant electrode side gas diffusion layer;
A solid polymer electrolyte fuel cell comprising:
前記酸化剤極側ガス拡散層において、前記溝の容積を、前記酸化剤極側から前記酸化剤極側セパレータにむかって増加させたことを特徴とする請求項1に記載の固体高分子電解質型燃料電池。   2. The solid polymer electrolyte type according to claim 1, wherein in the oxidant electrode side gas diffusion layer, the volume of the groove is increased from the oxidant electrode side toward the oxidant electrode side separator. Fuel cell. 前記酸化剤極側ガス拡散層において、前記溝が形成されたカーボン繊維の割合を、前記膜酸化剤極側から前記酸化剤極側セパレータにむかって増加させたことを特徴とする請求項1に記載の固体高分子電解質型燃料電池。   The ratio of the carbon fiber in which the groove is formed in the oxidant electrode side gas diffusion layer is increased from the film oxidant electrode side to the oxidant electrode side separator. The solid polymer electrolyte fuel cell described. 前記酸化剤極と前記酸化剤極側ガス拡散層との間に、カーボン粒子層を備えたことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載された固体高分子電解質型燃料電池。   4. The solid polymer electrolyte type according to claim 1, further comprising a carbon particle layer between the oxidant electrode and the gas diffusion layer on the oxidant electrode side. Fuel cell. 前記カーボン粒子層は、撥水処理が施されていることを特徴とする請求項4に記載の固体高分子電解質型燃料電池。   The solid polymer electrolyte fuel cell according to claim 4, wherein the carbon particle layer is subjected to water repellent treatment. 固体高分子電解質膜の一方の面に燃料極、他方の面に酸化剤極を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の燃料極側の面に配置された燃料極側ガス拡散層と、
前記膜電極接合体の酸化剤極側の面に配置され、カーボン繊維を束ねた糸を有する酸化剤極側ガス拡散層と、
前記燃料極側ガス拡散層の外側に配置された燃料極側セパレータと、
前記酸化剤極側ガス拡散層の外側に配置された酸化剤極側セパレータと、
を備えたことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。
A membrane electrode assembly having a fuel electrode on one side of the solid polymer electrolyte membrane and an oxidant electrode on the other side;
A fuel electrode side gas diffusion layer disposed on the fuel electrode side surface of the membrane electrode assembly;
An oxidant electrode side gas diffusion layer disposed on the surface of the membrane electrode assembly on the oxidant electrode side and having a thread bundled with carbon fibers;
A fuel electrode side separator disposed outside the fuel electrode side gas diffusion layer;
An oxidant electrode side separator disposed outside the oxidant electrode side gas diffusion layer;
A solid polymer electrolyte fuel cell comprising:
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2011181511A (en) * 2009-12-22 2011-09-15 Mitsubishi Rayon Co Ltd Porous electrode substrate for polymer electrolyte fuel cell
WO2019167283A1 (en) * 2018-03-02 2019-09-06 住友電気工業株式会社 Electrode for redox-flow batteries, redox-flow battery cell, and redox-flow battery

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