JP2006228501A - Polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

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Koji Kobayashi
広司 小林
Osamu Yamashita
修 山下
Kunihiko Shimizu
邦彦 清水
Shinako Kaneko
志奈子 金子
Masayuki Sasaki
正幸 佐々木
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NEC Tokin Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polymer electrolyte fuel cell suppressing flooding caused by water in a cathode and continuously stably generating electric power. <P>SOLUTION: The polymer electrolyte fuel cell has a solid polymer electrolyte membrane, an anode arranged on one surface of the solid polymer electrolyte membrane, and the cathode arranged on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane, and a water repellent-hydrophilic pattern comprising a water repellent part and a hydrophilic part is installed in the cathode. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

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

固体高分子型燃料電池は、次世代のエネルギーデバイスとして盛んに研究が行われている。その中でもダイレクトメタノール型燃料電池(以下DMFCとする)は、燃料から直接水素イオンを取り出せるため、改質器や水素ボンベなどを必要とせず、小型化が可能なため携帯機器用電源として期待されている。   Solid polymer fuel cells are actively studied as next-generation energy devices. Among them, direct methanol fuel cells (hereinafter referred to as DMFC) are expected to be used as power sources for portable equipment because they can take out hydrogen ions directly from the fuel and do not require a reformer or hydrogen cylinder. Yes.

DMFCにおいては、発電に伴う反応により酸素極で水が発生し、また、プロトン伝導は水を介して行われるため、燃料極側に供給された水が水素イオンと共にプロトン交換膜を透過して酸素極側に到達する。DMFCは、80℃以下の低温で運転できることが特徴の1つであるが、このために、フラッディングと呼ばれる、酸素極で発生した水または燃料極から到達した水が酸素極上で凝縮し酸素極への酸素の供給を妨げる現象が起こる。フラッディングによる酸素供給不足に伴う出力低下は連続運転時や高出力運転時には特に顕著に現れる。   In the DMFC, water is generated at the oxygen electrode due to a reaction accompanying power generation, and proton conduction is performed through the water. Therefore, water supplied to the fuel electrode side passes through the proton exchange membrane together with hydrogen ions and passes through the proton exchange membrane. Reach the pole side. One feature of the DMFC is that it can be operated at a low temperature of 80 ° C. or lower. For this reason, the water generated at the oxygen electrode or the water that arrives from the fuel electrode, which is called flooding, is condensed on the oxygen electrode to the oxygen electrode. A phenomenon that hinders the supply of oxygen occurs. The decrease in output due to insufficient oxygen supply due to flooding is particularly noticeable during continuous operation and high output operation.

この問題を解決するために、酸素極上全面に親水部をもうけ、その外周に水溶液の吸収剤を配置する方法(特開2004−296175号公報:特許文献1)や、酸素極上から外部にかけて水の排出部材としてセル内に吸水性シートを配置する方法(特開2004−165002号公報:特許文献2)などが提案されている。   In order to solve this problem, there is a method in which a hydrophilic portion is provided on the entire surface of the oxygen electrode and an absorbent of an aqueous solution is disposed on the outer periphery thereof (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-296175: Patent Document 1), or water from the oxygen electrode to the outside. A method of disposing a water-absorbent sheet in a cell as a discharge member (Japanese Patent Laid-Open No. 2004-165002: Patent Document 2) has been proposed.

しかしながら、特許文献1に記載のように、親水部を酸素極全面に設けると、親水部そのものによるガス流路の閉塞、もしくは親水部が水で覆われた場合、その水によるガス流路の閉塞の可能性があるため、酸素極への酸素供給が滞る可能性がある。さらに、吸収剤を用いると、室温での使用では吸収剤から水分が蒸発し難いため、連続で使用するためにはヒーターなどの吸収剤再生のための装置が必要であり、エネルギー密度の点で不利となる。また、このような吸収剤は水分の吸収に伴い大きな体積変化を生じるため、ガス流路の閉塞やセルの破壊の可能性がある。また、特許文献2に記載されているように、セル内に排水部材として吸水性シートを配置する場合は、電極の構造が複雑となるため生産性が問題となる。
特開2004−296175号公報 特開2004−165002号公報
However, as described in Patent Document 1, when the hydrophilic part is provided on the entire surface of the oxygen electrode, the gas channel is blocked by the hydrophilic part itself, or when the hydrophilic part is covered with water, the gas channel is blocked by the water. Therefore, there is a possibility that oxygen supply to the oxygen electrode is delayed. Furthermore, when an absorbent is used, it is difficult for water to evaporate from the absorbent when used at room temperature. Therefore, in order to use it continuously, an apparatus for regenerating the absorbent such as a heater is necessary. Disadvantageous. Moreover, since such an absorbent produces a large volume change with moisture absorption, there is a possibility that the gas flow path is blocked or the cell is destroyed. In addition, as described in Patent Document 2, when a water-absorbent sheet is disposed as a drainage member in a cell, the structure of the electrode becomes complicated, and productivity becomes a problem.
JP 2004-296175 A JP 2004-165002 A

本発明の目的は、上記課題に鑑み、簡単な構造でありながら、カソードにおける水によるフラッディングが抑えられ、連続して安定した発電が可能な固体高分子型燃料電池を提供することにある。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell that has a simple structure and that can suppress flooding due to water in the cathode and can continuously generate power stably.

本発明は、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の一方の面に設けられたアノードと、前記固体高分子電解質膜の他方の面に設けられたカソードを有する固体高分子型燃料電池において、前記カソードに、撥水部と親水部からなる撥水−親水パターンが設けられていることを特徴とする固体高分子型燃料電池に関する。   The present invention relates to a solid polymer fuel having a solid polymer electrolyte membrane, an anode provided on one surface of the solid polymer electrolyte membrane, and a cathode provided on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane. The present invention relates to a solid polymer fuel cell, wherein the cathode is provided with a water repellent-hydrophilic pattern comprising a water repellent part and a hydrophilic part.

本発明によれば、簡単な構造でありながら、カソードにおける水によるフラッディングが抑えられ、連続して安定した発電が可能な固体高分子型燃料電池を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a polymer electrolyte fuel cell that has a simple structure and is capable of suppressing flooding due to water in the cathode and continuously generating power stably.

本発明の主な特徴は、固体高分子電解質膜と、この固体高分子電解質膜の一方の面に設けられたアノード(燃料極)と、この固体高分子電解質膜の他方の面に設けられたカソード(酸素極)を有する燃料電池構造において、カソードに、撥水部と親水部からなる撥水−親水パターンを有することにある。   The main features of the present invention are a solid polymer electrolyte membrane, an anode (fuel electrode) provided on one surface of the solid polymer electrolyte membrane, and the other surface of the solid polymer electrolyte membrane. In a fuel cell structure having a cathode (oxygen electrode), the cathode has a water repellent-hydrophilic pattern composed of a water repellent part and a hydrophilic part.

この撥水−親水パターンは、カソードにおけるフラッディングを十分に抑制する点から、カソードの電解質膜側とは反対側の面、すなわちカソードの外気側(酸化剤ガス供給側)の最外面に形成されていることが好ましい。   This water-repellent-hydrophilic pattern is formed on the surface of the cathode opposite to the electrolyte membrane side, that is, on the outermost surface of the cathode on the outside air side (oxidant gas supply side) from the viewpoint of sufficiently suppressing flooding at the cathode. Preferably it is.

このように、カソードに、撥水部と親水部からなる撥水−親水パターンを設けることにより、カソード(酸素極)で発生した水もしくはアノード(燃料極)からカソードに到達した水は、親水部に集められ、撥水部には水が留まりにくいため、水がカソードの全面を覆いにくくなる。そのため、ガス流路が十分に確保され、酸化剤ガスをカソードへ十分に供給することができる。   Thus, by providing the cathode with a water-repellent-hydrophilic pattern comprising a water-repellent part and a hydrophilic part, water generated at the cathode (oxygen electrode) or water that reaches the cathode from the anode (fuel electrode) Since the water repellent part does not stay in the water repellent part, it is difficult for the water to cover the entire surface of the cathode. Therefore, a sufficient gas flow path is ensured, and the oxidant gas can be sufficiently supplied to the cathode.

この撥水−親水パターンの親水部は、一定方向に向けてカソード端部まで連続して設けられていることが好ましい。例えば、一定方向に向けてカソードの一端部から他端部まで連続するライン状の親水部を複数有し、これら親水部間のスペースに撥水部が配置されているパターンを好適に用いることができる。   It is preferable that the hydrophilic portion of the water repellent / hydrophilic pattern is continuously provided to the cathode end portion in a certain direction. For example, it is preferable to use a pattern in which a plurality of linear hydrophilic portions continuous from one end portion to the other end portion of the cathode in a certain direction and a water repellent portion is disposed in a space between these hydrophilic portions. it can.

この親水部は、ガス流動方向や重力方向に向けて連続して配置することができるため、親水部に集められた水は、親水部の形成領域、例えばライン状の親水パターン部に従ってカソード端部へ誘導され、外部へと放出されやすくなる。   Since this hydrophilic portion can be continuously arranged in the gas flow direction and the gravity direction, the water collected in the hydrophilic portion is the cathode end portion according to the formation region of the hydrophilic portion, for example, a line-shaped hydrophilic pattern portion. It is easy to be released to the outside.

カソードが、固体電解質膜側に設けられた触媒を含有する触媒層と、この触媒層上に設けられたガス透過性の集電体層(拡散層)を有する構造においては、この集電体層に撥水−親水パターンを設けることが好ましい。カソードへ供給された酸化剤ガスは、主に撥水部から集電体層内へと拡散するため、たとえ親水部の全体が水で覆われたとしても、触媒層へ十分に酸化剤ガスを供給することができる。   In a structure in which the cathode has a catalyst layer containing a catalyst provided on the solid electrolyte membrane side and a gas-permeable current collector layer (diffusion layer) provided on the catalyst layer, the current collector layer It is preferable to provide a water repellent-hydrophilic pattern. Since the oxidant gas supplied to the cathode mainly diffuses from the water repellent part into the current collector layer, even if the entire hydrophilic part is covered with water, the oxidant gas is sufficiently supplied to the catalyst layer. Can be supplied.

本発明における撥水−親水パターンを形成するための撥水剤および親水剤は、特に限定されるものではなく、従来、知られている種々の材料を用いることができる。撥水剤としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデンなどのフッ素系高分子、フルオロアルキルシランなどのフッ素系シランカップリング剤、トリメチルクロロシラン、メチルトリエトキシシラン、ビニルトリエトキシシランなどの有機系シランカップリング剤、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの親水性官能基を持たない有機高分子などが挙げられる。親水剤としては、例えば、SiO2、TiO2、Al23、ZrO2、ZnO等の無機酸化物、ポリビニルアルコールなどの親水性高分子が挙げられ、これらの1種あるいは複数の混合物を用いることができる。この撥水剤および親水剤は、電極表面のみに塗布し、カソード内部への酸化剤ガスの拡散を妨げるものではない。 The water repellent and the hydrophilic agent for forming the water repellent-hydrophilic pattern in the present invention are not particularly limited, and various conventionally known materials can be used. Examples of water repellents include fluorine-based polymers such as polytetrafluoroethylene (PTFE) and polyvinylidene fluoride, fluorine-based silane coupling agents such as fluoroalkylsilane, trimethylchlorosilane, methyltriethoxysilane, and vinyltriethoxysilane. And organic silane coupling agents such as polyethylene and polypropylene, and organic polymers having no hydrophilic functional group. Examples of the hydrophilic agent include inorganic oxides such as SiO 2 , TiO 2 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , and ZnO, and hydrophilic polymers such as polyvinyl alcohol, and one or a mixture of these is used. be able to. The water repellent and hydrophilic agent are applied only to the electrode surface and do not hinder the diffusion of the oxidizing gas into the cathode.

本発明における撥水−親水パターンは、ガスの流動方向もしくは重力方向に従って、水をカソード端部へ誘導できる形状であれば特に限定されるものではない。親水部は、一定方向に向けてカソード端部まで連続して設けられていることが好ましく、このようなパターン形状により、水をカソード端部へ効果的に誘導することができる。例えば、撥水−親水パターンとして、一定方向に向けてカソードの一端部から他端部まで連続するライン状の親水部を複数有し、これら親水部間のスペースに撥水部が配置されているパターンが挙げられる。このようなパターンは、水の排水性に優れるとともに、その形成が容易である点で好ましい。具体的には、カソードの外気側最外面に、ライン状親水パターン部とライン状疎水パターン部が交互に配置された交互パターンを形成することができる。また、カソードの外気側最外面の全体に撥水部が形成され、この撥水部上に親水パターン部が形成された形態をとることもできる。その他、親水パターン部として、カソード上の任意の一部から端部に向けて、例えば端部に向けて幅が広がっていくテーパー状パターン、カソード上の任意の複数部分から中央部ライン状パターンに向かって合流する葉脈状のパターン等が挙げられる。   The water repellent-hydrophilic pattern in the present invention is not particularly limited as long as it is a shape capable of guiding water to the cathode end according to the gas flow direction or the gravity direction. The hydrophilic portion is preferably provided continuously to the cathode end portion in a certain direction, and such a pattern shape can effectively induce water to the cathode end portion. For example, as a water repellent-hydrophilic pattern, there are a plurality of line-shaped hydrophilic portions continuous from one end to the other end of the cathode in a certain direction, and the water repellent portions are arranged in the space between these hydrophilic portions. Patterns. Such a pattern is preferable in that it has excellent water drainage and is easy to form. Specifically, an alternating pattern in which line-shaped hydrophilic pattern portions and line-shaped hydrophobic pattern portions are alternately arranged can be formed on the outermost surface on the outside air side of the cathode. Further, a water repellent portion may be formed on the entire outside air side outermost surface of the cathode, and a hydrophilic pattern portion may be formed on the water repellent portion. In addition, as a hydrophilic pattern part, a taper-like pattern in which the width increases from any part on the cathode toward the end part, for example, toward the end part, and from a plurality of arbitrary parts on the cathode to a central line-like pattern For example, a vein-shaped pattern that merges toward the surface.

この撥水−親水パターンは、カソードの外気側(酸化剤ガス供給側)の最外面に形成されていることが好ましい。カソードが前述の触媒層と集電体層を有する場合は、集電体層の外気側最外面に形成されていることが好ましい。この撥水−親水パターンは、カソードの外気(空気や酸素)との接触平面付近において、特定のパターン形状を持つ撥水性領域と親水性領域を有していればよい。   The water repellent / hydrophilic pattern is preferably formed on the outermost surface of the cathode on the outside air side (oxidant gas supply side). When the cathode has the above-described catalyst layer and current collector layer, the cathode is preferably formed on the outermost side of the current collector layer. This water-repellent-hydrophilic pattern only needs to have a water-repellent region and a hydrophilic region having a specific pattern shape in the vicinity of a contact plane with the outside air (air or oxygen) of the cathode.

撥水−親水パターンの撥水部と親水部の形成は、例えば、塗り分け、すなわち一方の部材を塗布した後、塗布されていない領域に他方の部材を塗布することができる。あるいは、撥水部材を塗布した後、その塗布領域上に親水部材を部分的に塗布してもよい。撥水部と親水部の形成に際しては、カソード内部への酸化剤ガスの拡散を妨げないような塗布量とすることが望ましい。十分な撥水性と親水性を得る点から、塗膜の厚みは、例えば10nm〜0.1mm、好ましくは100nm〜0.01mmの範囲に設定することができる。   The formation of the water repellent part and the hydrophilic part of the water repellent-hydrophilic pattern can be performed, for example, by coating, that is, after applying one member, the other member can be applied to an unapplied region. Alternatively, after applying the water repellent member, the hydrophilic member may be partially applied on the application region. In the formation of the water repellent part and the hydrophilic part, it is desirable that the coating amount be such as not to prevent the diffusion of the oxidant gas into the cathode. From the viewpoint of obtaining sufficient water repellency and hydrophilicity, the thickness of the coating film can be set in the range of, for example, 10 nm to 0.1 mm, preferably 100 nm to 0.01 mm.

上述の固体高分子型燃料電池は、その撥水−親水パターンの親水部の端部に排水手段を設けることができる。この排水手段として、親水部の端部と接触し、燃料電池外部へ露出するように延在する排水部材を設けることができる。このような排水手段は、親水部に集められた水分を吸収し、その水分を蒸散により外部へ排出することができる。これにより、より効率的にカソード上の水分を排出することが可能になる。   The polymer electrolyte fuel cell described above can be provided with a drainage means at the end of the hydrophilic portion of the water repellent / hydrophilic pattern. As this drainage means, a drainage member that is in contact with the end of the hydrophilic portion and extends so as to be exposed to the outside of the fuel cell can be provided. Such drainage means can absorb the moisture collected in the hydrophilic portion and discharge the moisture to the outside by transpiration. Thereby, it becomes possible to discharge the moisture on the cathode more efficiently.

この排水部材は、水透過性を有するものであれば特に限定されるものではなく、従来、知られている吸水性部材や、多孔性部材を用いることができる。例えば、毛管力により液体を吸い上げることのできる吸水性不織布または多孔質フィルムを好適に用いることができる。   The drainage member is not particularly limited as long as it has water permeability, and conventionally known water-absorbing members and porous members can be used. For example, a water-absorbing nonwoven fabric or a porous film that can suck up liquid by capillary force can be suitably used.

本発明における固体電解質膜は、アノードとカソードとを電気的に隔てるとともに、両者の間でプロトン(水素イオン)を移動させる役割を有する。このため、固体電解質膜は、プロトンの伝導性が高い膜であることが好ましい。また、使用する燃料や酸化剤に対して化学的に安定であって、かつ機械的強度が高いことが好ましい。このような固体電解質膜を構成する材料としては、例えば、スルホン酸基、スルホアルキル基、リン酸基、ホスホン基、ホスフィン基、カルボキシル基、スルホンイミド基等のプロトン酸基を有する高分子を用いることができる。なかでも、イオン交換基としてスルホン酸基を有する有機高分子を好適に用いることができる。   The solid electrolyte membrane in the present invention has a role of electrically separating the anode and the cathode and moving protons (hydrogen ions) between the two. For this reason, the solid electrolyte membrane is preferably a membrane having high proton conductivity. Further, it is preferably chemically stable with respect to the fuel and oxidant used and has high mechanical strength. As a material constituting such a solid electrolyte membrane, for example, a polymer having a proton acid group such as a sulfonic acid group, a sulfoalkyl group, a phosphoric acid group, a phosphone group, a phosphine group, a carboxyl group, or a sulfonimide group is used. be able to. Especially, the organic polymer which has a sulfonic acid group as an ion exchange group can be used suitably.

アノード及びカソードは、従来の固体高分子型燃料電池に採用されている電極構造を用いることができる。例えば、ガス透過性の集電体層(拡散層)と触媒層の積層構造をとることができる。   As the anode and the cathode, an electrode structure employed in a conventional polymer electrolyte fuel cell can be used. For example, a laminated structure of a gas permeable current collector layer (diffusion layer) and a catalyst layer can be employed.

触媒層は、例えば触媒とプロトン伝導性材料、必要によりポリテトラフルオロエチレン等の撥水剤、カーボン等の導電性付与剤を混合した溶液を集電体層上に塗布することにより形成することができる。   The catalyst layer can be formed, for example, by applying a solution mixed with a catalyst and a proton conductive material, and if necessary, a water repellent such as polytetrafluoroethylene, and a conductivity imparting agent such as carbon, on the current collector layer. it can.

アノードおよびカソードの触媒としては、白金や、白金−ルテニウム合金等の白金を主成分とする合金(以下「白金系合金」)を好適に用いることができる。その他の白金系合金としては、レニウム、ロジウム、パラジウム、イリジウム、ルテニウム、金、銀などとの合金が挙げられる。アノードおよびカソードの触媒は、同じものを用いても異なるものを用いてもよい。この触媒は、触媒粒子がカーボンブラックといったカーボン材料に担持されたものを好適に用いることができる。   As the anode and cathode catalyst, platinum or an alloy containing platinum as a main component (hereinafter, “platinum-based alloy”) such as platinum-ruthenium alloy can be preferably used. Examples of other platinum alloys include alloys with rhenium, rhodium, palladium, iridium, ruthenium, gold, silver and the like. The anode and cathode catalysts may be the same or different. As this catalyst, catalyst particles supported on a carbon material such as carbon black can be suitably used.

プロトン伝導性材料としては、耐水性を有し、触媒層中でプロトンが速やかに伝導するものであれば特に制限はなく、前述の固体電解質膜として用いられる高分子を用いることができる。   The proton conductive material is not particularly limited as long as it has water resistance and protons are rapidly conducted in the catalyst layer, and the polymer used as the above-mentioned solid electrolyte membrane can be used.

集電体層(拡散層)としては、カーボンペーパー、カーボン成形体、カーボン焼結体、焼結金属、発泡金属などの導電性の多孔性基材を用いることができる。これらの集電体層は適宜、撥水性または親水性処理、導電付与処理を行うことができる。   As the current collector layer (diffusion layer), a conductive porous substrate such as carbon paper, carbon molded body, carbon sintered body, sintered metal, and foam metal can be used. These current collector layers can be appropriately subjected to water repellency or hydrophilic treatment or conductivity imparting treatment.

燃料としては、メタノール等のアルコール、ジメチルエーテル等のエーテル、水素ガス、炭化水素改質ガスを挙げることができ、中でもメタノール等のアルコール、特にアルコール水溶液を好適に用いることができる。一方、酸化剤ガスとしては、空気あるいは酸素を用いることができる。   Examples of the fuel include alcohols such as methanol, ethers such as dimethyl ether, hydrogen gas, and hydrocarbon reformed gas. Among these, alcohols such as methanol, particularly aqueous alcohol solutions can be preferably used. On the other hand, air or oxygen can be used as the oxidant gas.

実施例により本発明を詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   Examples The present invention will be described in detail by examples, but the present invention is not limited to these examples.

〔実施例1〕
図1に本実施例におけるダイレクトメタノール型燃料電池(単セル)の模式的断面構造を示す。図中の101は電解質膜、102は酸素極(カソード)、103は燃料極(アノード)、104は集電体、105は撥水−親水パターン、106は空気流路、107は燃料流路、111は絶縁部材を示す。
[Example 1]
FIG. 1 shows a schematic cross-sectional structure of a direct methanol fuel cell (single cell) in this example. In the figure, 101 is an electrolyte membrane, 102 is an oxygen electrode (cathode), 103 is a fuel electrode (anode), 104 is a current collector, 105 is a water repellent-hydrophilic pattern, 106 is an air flow path, 107 is a fuel flow path, Reference numeral 111 denotes an insulating member.

まず、この燃料電池セルに使用した膜電極接合体(MEA)の作製条件について説明する。Pt30wt%とRu20wt%を担持したカーボンをNafion溶液(デュポン社製)で分散しスラリーを調製し、このスラリーを集電体104となるステンレス製の多孔質マットに塗布、乾燥し、これを燃料極103(アノード)とした。一方、Pt40wt%を担持したカーボンをNafion溶液(デュポン社製)で分散しスラリーを調製し、これを集電体104となるステンレス製の多孔質マットに塗布、乾燥し、これを酸素極102(カソード)とした。塗布量は、燃料極はPtが8〜10mg/cm2、酸素極はPtが10〜15mg/cm2となるように調整した。 First, conditions for producing a membrane electrode assembly (MEA) used in the fuel cell will be described. Carbon carrying Pt 30 wt% and Ru 20 wt% was dispersed with a Nafion solution (manufactured by DuPont) to prepare a slurry, and this slurry was applied to a stainless steel porous mat serving as a current collector 104 and dried. 103 (anode). On the other hand, carbon carrying Pt 40 wt% is dispersed in a Nafion solution (manufactured by DuPont) to prepare a slurry, which is applied to a stainless steel porous mat serving as a current collector 104 and dried, and this is dried with an oxygen electrode 102 ( Cathode). The coating amount, the fuel electrode Pt is 8-10 mg / cm 2, oxygen electrode was adjusted to Pt becomes 10 to 15 mg / cm 2.

次に、酸素極側のステンレス製マットの触媒未塗布面(触媒塗布面の反対側の面)に、図2に示す撥水−親水パターン105を形成した。この撥水−親水パターン105は、撥水パターン部108が5mm幅、親水パターン部109が2mm幅となるように撥水部材と親水部材を交互に塗布することにより形成した。撥水パターン部108にはPTFEディスパージョンを使用し、親水パターン部109には10wt%のポリビニルアルコールをバインダとして含むTiO2ディスパージョンを使用した。この撥水−親水パターン105は、図2に示すように矢印で示す空気の流れ方向に沿ってパターンの長手方向が配置されるように設けた。 Next, the water repellent / hydrophilic pattern 105 shown in FIG. 2 was formed on the non-catalyst-coated surface (surface opposite to the catalyst-coated surface) of the stainless steel mat on the oxygen electrode side. The water repellent-hydrophilic pattern 105 was formed by alternately applying a water repellent member and a hydrophilic member so that the water repellent pattern portion 108 had a width of 5 mm and the hydrophilic pattern portion 109 had a width of 2 mm. A PTFE dispersion was used for the water repellent pattern portion 108, and a TiO 2 dispersion containing 10 wt% polyvinyl alcohol as a binder was used for the hydrophilic pattern portion 109. The water repellent / hydrophilic pattern 105 is provided so that the longitudinal direction of the pattern is arranged along the air flow direction indicated by an arrow as shown in FIG.

これら燃料極103と酸素極102とで、厚さ180μmの電解質膜101(商品名:Nafion117、デュポン社製)を挟んで、10MPa、130℃、1分間プレスし、MEAを得た。   The fuel electrode 103 and the oxygen electrode 102 sandwiched an electrolyte membrane 101 (trade name: Nafion 117, manufactured by DuPont) with a thickness of 180 μm and pressed at 10 MPa, 130 ° C. for 1 minute to obtain an MEA.

このMEAを用いて図1に示すダイレクトメタノール型燃料電池(DMFC)を作製した。   Using this MEA, a direct methanol fuel cell (DMFC) shown in FIG. 1 was produced.

〔実施例2〕
図3に本実施例のDMFC(単セル)の模式的断面構造を示す。セル内の撥水−親水パターン105の一端に、排水部材110としてセルロース製不織布を配置した以外は実施例1と同様に作製した。
[Example 2]
FIG. 3 shows a schematic cross-sectional structure of the DMFC (single cell) of this example. It was produced in the same manner as in Example 1 except that a cellulose nonwoven fabric was disposed as the drainage member 110 at one end of the water repellent / hydrophilic pattern 105 in the cell.

〔比較例〕
図5に本比較例のDMFC(単セル)の模式的断面構造を示す。酸素極(カソード)側のステンレス製マットの触媒未塗布面に撥水−親水パターンを設けなかった以外は実施例1と同様に作製した。
[Comparative Example]
FIG. 5 shows a schematic cross-sectional structure of a DMFC (single cell) of this comparative example. It was produced in the same manner as in Example 1 except that the water repellent / hydrophilic pattern was not provided on the catalyst-uncoated surface of the stainless steel mat on the oxygen electrode (cathode) side.

実施例1、2および比較例で作製した単セルの定電流発電試験を行った。燃料極(アノード)には8vol.%メタノール水溶液を循環させ、酸素極(カソード)にはファンにて空気を供給した。電流密度は62.5mA/cm2とした。その結果を図4に示す。 A constant current power generation test was performed on the single cells produced in Examples 1 and 2 and the comparative example. The fuel electrode (anode) is 8 vol. A% methanol aqueous solution was circulated, and air was supplied to the oxygen electrode (cathode) with a fan. The current density was 62.5 mA / cm 2 . The result is shown in FIG.

この結果から、比較例では発生した水によりフラッディングが起こり、酸素が遮断されたために出力が大きく低下しているが、電極部に撥水−親水パターンを形成している実施例1では、発生した水が撥水パターン部から親水パターン部へ移動し、外部へと排出されるために電圧の低下が十分に抑制されていることが明らかとなった。また、排水部材を設けた実施例2では、撥水パターン部から親水パターン部へ移動した水が排水部材により、より効率的に外部へと排出されるために、ほとんど電圧低下が起こらないことが明らかとなった。   From this result, in the comparative example, flooding occurred due to the generated water, and the output was greatly reduced because oxygen was cut off, but in Example 1 where the water repellent-hydrophilic pattern was formed in the electrode part, it occurred. It has been clarified that the voltage drop is sufficiently suppressed because water moves from the water repellent pattern portion to the hydrophilic pattern portion and is discharged to the outside. Moreover, in Example 2 provided with the drainage member, since the water moved from the water repellent pattern portion to the hydrophilic pattern portion is more efficiently discharged to the outside by the drainage member, there is almost no voltage drop. It became clear.

このように、酸素極(カソード)に撥水−親水パターンを形成することにより、酸素極で発生した水もしくは燃料極から酸素に到達した水が、酸素極の全面を覆うことなく、撥水パターン部から親水パターン部に集められ、親水パターン部を通って外部へと排出されるためにフラッディングが起こらず、連続して安定した発電が行える。親水パターン部が水で覆われたとしても、ガスは撥水パターン部から集電体内部へと拡散し、ガス流路が閉塞することはない。また、親水パターン部の端面に排水部材を設けることにより、より効率的に、発生した水を外部へと排出することができる。   Thus, by forming a water-repellent-hydrophilic pattern on the oxygen electrode (cathode), water generated at the oxygen electrode or water reaching the oxygen from the fuel electrode does not cover the entire surface of the oxygen electrode. Since they are collected from the portion into the hydrophilic pattern portion and discharged to the outside through the hydrophilic pattern portion, flooding does not occur and stable power generation can be performed continuously. Even if the hydrophilic pattern portion is covered with water, the gas diffuses from the water repellent pattern portion into the current collector, and the gas flow path is not blocked. Moreover, by providing a drainage member on the end face of the hydrophilic pattern portion, the generated water can be discharged to the outside more efficiently.

本発明における実施例1の固体高分子型燃料電池を示す模式的断面図Schematic sectional view showing a polymer electrolyte fuel cell of Example 1 in the present invention 本発明における酸素極上の撥水−親水パターンを示す図The figure which shows the water-repellent-hydrophilic pattern on the oxygen pole in this invention 本発明における実施例2の固体高分子型燃料電池を示す模式的断面図Typical sectional drawing which shows the polymer electrolyte fuel cell of Example 2 in this invention 燃料電池の定電流発電試験結果を示す図Diagram showing results of constant current power generation test of fuel cell 従来技術による比較例の固体高分子型燃料電池を示す模式的断面図Schematic sectional view showing a polymer electrolyte fuel cell of a comparative example according to the prior art

符号の説明Explanation of symbols

101:電解質膜
102:酸素極(カソード)
103:燃料極(アノード)
104:集電体
105:撥水−親水パターン
106:空気流路
107:燃料流路
108:撥水パターン部
109:親水パターン部
110:排水手段
111:絶縁部材
101: Electrolyte membrane 102: Oxygen electrode (cathode)
103: Fuel electrode (anode)
104: current collector 105: water repellent-hydrophilic pattern 106: air flow path 107: fuel flow path 108: water repellent pattern part 109: hydrophilic pattern part 110: drainage means 111: insulating member

Claims (6)

固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の一方の面に設けられたアノードと、前記固体高分子電解質膜の他方の面に設けられたカソードを有する固体高分子型燃料電池において、前記カソードに、撥水部と親水部からなる撥水−親水パターンが設けられていることを特徴とする固体高分子型燃料電池。   In the solid polymer electrolyte fuel cell having a solid polymer electrolyte membrane, an anode provided on one surface of the solid polymer electrolyte membrane, and a cathode provided on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane, A solid polymer fuel cell, wherein a water repellent-hydrophilic pattern comprising a water repellent part and a hydrophilic part is provided on a cathode. 前記撥水−親水パターンの親水部は、一定方向に向けてカソード端部まで連続して設けられている請求項1に記載の固体高分子型燃料電池。   2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the hydrophilic portion of the water-repellent-hydrophilic pattern is continuously provided to a cathode end portion in a certain direction. 前記撥水−親水パターンは、一定方向に向けてカソードの一端部から他端部まで連続するライン状の親水部を複数有し、これら親水部間のスペースに撥水部が配置されている請求項1に記載の固体高分子型燃料電池。   The water repellent-hydrophilic pattern has a plurality of line-shaped hydrophilic portions that are continuous from one end portion to the other end portion of the cathode in a certain direction, and the water repellent portions are arranged in a space between these hydrophilic portions. Item 8. The polymer electrolyte fuel cell according to Item 1. 前記カソードは、前記固体電解質膜側に設けられた触媒を含有する触媒層と、この触媒層上に設けられたガス透過性の集電体層を有し、この集電体層の外気側最外面に前記撥水−親水パターンが設けられている請求項1、2又は3に記載の固体高分子型燃料電池。   The cathode has a catalyst layer containing a catalyst provided on the solid electrolyte membrane side and a gas-permeable current collector layer provided on the catalyst layer. 4. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the water repellent / hydrophilic pattern is provided on an outer surface. 前記撥水−親水パターンの親水部の端部に排水手段が設けられている請求項1〜4のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池。   The polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein a drainage means is provided at an end of the hydrophilic portion of the water repellent-hydrophilic pattern. 前記排水手段として、前記親水部の端部と接触し、当該燃料電池の外部まで延在する排水部材を有する請求項5に記載の固体高分子型燃料電池。   The polymer electrolyte fuel cell according to claim 5, wherein the drainage means has a drainage member that contacts an end of the hydrophilic portion and extends to the outside of the fuel cell.
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Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008243705A (en) * 2007-03-28 2008-10-09 Sanyo Electric Co Ltd Fuel cell
WO2008123486A1 (en) 2007-03-27 2008-10-16 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Electrode catalyst layer for fuel cell and method for producing the same
JP2009064587A (en) * 2007-09-04 2009-03-26 Toyota Motor Corp Membrane electrode conjugant and fuel cell
JP2009245924A (en) * 2008-03-11 2009-10-22 Canon Inc Fuel cell stack
JP2009272238A (en) * 2008-05-09 2009-11-19 Panasonic Corp Direct oxidation fuel cell
WO2010053084A1 (en) * 2008-11-07 2010-05-14 ソニー株式会社 Fuel cell, oxygen electrode used in fuel cell, and electronic device
JP2010153349A (en) * 2008-11-30 2010-07-08 Equos Research Co Ltd Fuel cell
US20130177827A1 (en) * 2010-09-16 2013-07-11 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Separator for fuel cell, fuel cell and method of manufacturing fuel cell

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008123486A1 (en) 2007-03-27 2008-10-16 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Electrode catalyst layer for fuel cell and method for producing the same
JP2008243705A (en) * 2007-03-28 2008-10-09 Sanyo Electric Co Ltd Fuel cell
JP2009064587A (en) * 2007-09-04 2009-03-26 Toyota Motor Corp Membrane electrode conjugant and fuel cell
JP2009245924A (en) * 2008-03-11 2009-10-22 Canon Inc Fuel cell stack
JP2009272238A (en) * 2008-05-09 2009-11-19 Panasonic Corp Direct oxidation fuel cell
WO2010053084A1 (en) * 2008-11-07 2010-05-14 ソニー株式会社 Fuel cell, oxygen electrode used in fuel cell, and electronic device
JP2010153349A (en) * 2008-11-30 2010-07-08 Equos Research Co Ltd Fuel cell
US20130177827A1 (en) * 2010-09-16 2013-07-11 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Separator for fuel cell, fuel cell and method of manufacturing fuel cell
US10340532B2 (en) 2010-09-16 2019-07-02 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Separator for fuel cell, fuel cell and method of manufacturing fuel cell

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