JP2007305532A - Fuel cell - Google Patents

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Kentaro Nagai
健太郎 長井
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    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell enhancing drainage efficiency, efficiently supplying fuel or an oxidant, and enhancing power generation efficiency. <P>SOLUTION: The fuel cell has passages for supplying fuel or an oxidant on both sides of an electrolyte membrane, a diffusion member made of a porous medium is installed in at least one part in the passage, the diffusion member made of the porous medium has a water repellent tendency in which a contact angle to water is larger than 90°, and when the positions of the diffusion member at two points where the distances in the direction parallel to the electrolyte membrane form the inlet of the passage are different are represented by x1 and x2, and porosities of the diffusion members in x1 and x2 by p(x1) and p(x2), and the relation of porosities at two points where the distances from the inlet are different is x1<x2, relation of p(x1)>p(x2) is satisfied. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は燃料電池に関し、特に燃料及び酸化剤を供給する際の流路におけるガス拡散を改良した燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a fuel cell having improved gas diffusion in a flow path when fuel and an oxidant are supplied.

固体高分子型燃料電池の断面形状の典型を図10に示す。固体高分子型燃料電池は固体高分子の電解質膜5を中央部に有する。その片側の面に燃料が供給されアノードとなる燃料極と、もう片側の面に酸化剤が供給されカソードとなる酸化極を有しており、これらの構成はまとめて一般にMEA(Membrane Electrode Assembiy)と呼ばれる。さらにそれぞれの極には、電解質膜5の外側に燃料もしくは酸化剤を拡散し、かつ発電した電力を集電する為の拡散層3,6を有し、さらにその外側に燃料もしくは酸化剤を供給する為の流路2,7を有している。1はカソード側のセパレータ、4はシール、8はアノード側のセパレータ、9は水素の漏れを防ぐためのシール、10は酸化剤である酸素を含む空気の取り入れ口、11は水素の供給口を表す。   A typical cross-sectional shape of a polymer electrolyte fuel cell is shown in FIG. The solid polymer fuel cell has a solid polymer electrolyte membrane 5 in the center. The fuel electrode is supplied to one side of the fuel and serves as an anode, and the other side is provided with an oxidant electrode that is supplied with an oxidant and serves as a cathode. These configurations are generally collectively MEA (Mebrane Electrode Assembly). Called. Furthermore, each electrode has diffusion layers 3 and 6 for diffusing fuel or oxidant outside the electrolyte membrane 5 and collecting generated electric power, and further supplying fuel or oxidant outside thereof. There are flow paths 2 and 7 for this purpose. 1 is a separator on the cathode side, 4 is a seal, 8 is a separator on the anode side, 9 is a seal to prevent leakage of hydrogen, 10 is an inlet for oxygen containing oxygen as an oxidizing agent, and 11 is a supply port for hydrogen. To express.

前記拡散層3もしくは6は一般的に導電性のある多孔質媒体として例えばカーボンクロスなどが用いられる。また流路2もしくは7の部分にも支持部材として空孔率の高い多孔質媒体を用いる場合がある。   The diffusion layer 3 or 6 is generally made of, for example, carbon cloth as a conductive porous medium. In addition, a porous medium having a high porosity may be used as a support member in the flow path 2 or 7 as well.

燃料もしくは酸化剤は、流路2,7の中を例えば圧力勾配などを利用して強制的に供給され、拡散層3,6を通して拡散し、それぞれアノードもしくはカソードに到達する。
アノードでは到達した燃料がアノードの触媒による酸化作用により酸化されプロトンとなり、高分子電解質膜中をカソードに向けて移動する。この燃料としては水素などの気体やメタノール・エタノール等の液体が使用される。
The fuel or the oxidant is forcibly supplied in the flow paths 2 and 7 using, for example, a pressure gradient, diffuses through the diffusion layers 3 and 6, and reaches the anode or the cathode, respectively.
At the anode, the fuel that has reached is oxidized by the oxidizing action of the catalyst of the anode to become protons, and moves in the polymer electrolyte membrane toward the cathode. As this fuel, a gas such as hydrogen or a liquid such as methanol or ethanol is used.

カソードでは酸化剤流路より拡散層を通じて到達した酸化剤、例えば酸素と、電解質膜を移動してきたプロトンが酸化剤と反応して水が生成される。そしてこの一連の化学反応によりエネルギーの一部が電気エネルギーとして取り出される。   At the cathode, the oxidant, for example, oxygen that has reached through the diffusion layer from the oxidant flow path, and the proton that has moved through the electrolyte membrane react with the oxidant to generate water. A part of the energy is extracted as electric energy by this series of chemical reactions.

前述の通り、カソードでは発電反応によって水が生成される。この水は、通常水蒸気もしくは水分液滴となって酸化剤の拡散層から流路に移動し、排出される。また、MEAを透過してアノード側から排出される場合もある。この際、燃料もしくは酸化剤の供給を、圧力勾配を用いて行う場合には、そのまま燃料もしくは酸化剤と一緒に水も移動し、排出口より排出される。   As described above, water is generated by the power generation reaction at the cathode. This water usually becomes steam or water droplets, moves from the oxidant diffusion layer to the flow path, and is discharged. In some cases, the MEA may pass through and be discharged from the anode side. At this time, when the fuel or oxidant is supplied using a pressure gradient, water is also moved together with the fuel or oxidant and discharged from the discharge port.

一般に燃料電池は単体では十分な電力を得られないため、図12に示す様に、上記のような構造(セル)12をいくつか直列に積層したスタックの構造を有する。このような形式の燃料電池は主にガソリンに替わる自動車の動力源や業務用もしくは家庭用のコジェネレーション用途として注目を浴びている。   In general, since a single fuel cell cannot obtain sufficient power, it has a stack structure in which several of the above-described structures (cells) 12 are stacked in series as shown in FIG. This type of fuel cell is attracting attention mainly as a power source for automobiles that replace gasoline, and as a cogeneration application for business use or home use.

さらに、近年ではノートパソコンや、PDA(Personal Digital Assistant)等の携帯用電子機器のバッテリーとしてもその用途が期待され、開発が進められている。この場合、燃料電池そのものは極端に小型化しなくてはならず、そのため、圧力勾配を利用した燃料もしくは酸化剤の供給装置などの制御機構が利用できない場合もある。このような場合には燃料及び酸化剤を拡散や自然対流によって供給せざるを得ない。   Furthermore, in recent years, it is expected to be used as a battery for portable electronic devices such as notebook computers and PDAs (Personal Digital Assistants), and the development is being promoted. In this case, the fuel cell itself must be extremely miniaturized, and therefore a control mechanism such as a fuel or oxidizer supply device using a pressure gradient may not be used. In such a case, the fuel and oxidant must be supplied by diffusion or natural convection.

例えば、特許文献1には、酸化剤である酸素を自然拡散によって供給するパッシブ型燃料電池の技術が開示されている。特許文献1中の図4はそのセル構造を示した図であり、酸化剤である酸素は拡散セルユニット39を拡散しMEA55に到達する。また、燃料である水素は58から供給されMEA55に到達する。   For example, Patent Document 1 discloses a technology of a passive fuel cell that supplies oxygen as an oxidizing agent by natural diffusion. FIG. 4 in Patent Document 1 is a diagram showing the cell structure. Oxygen as an oxidant diffuses through the diffusion cell unit 39 and reaches the MEA 55. Further, hydrogen as a fuel is supplied from 58 and reaches the MEA 55.

このようなパッシブ型燃料電池の特徴としては、酸素は酸化剤入口から濃度勾配を利用して供給され、同時に同じ場所から濃度勾配によって水蒸気が排出する必要がある。一般的には酸化剤として空気中の酸素を利用するため、この部分を大気に開放させる。このようなパッシブ型燃料電池の場合、その他の流路入口と出口が明確に定義できる燃料電池とは異なる設計思想を要する。   As a feature of such a passive fuel cell, oxygen is supplied from the oxidant inlet using a concentration gradient, and at the same time, water vapor needs to be discharged from the same place by the concentration gradient. In general, since oxygen in the air is used as an oxidizing agent, this portion is opened to the atmosphere. In the case of such a passive fuel cell, a design philosophy different from that of a fuel cell in which other flow path inlets and outlets can be clearly defined is required.

特にパッシブ型燃料電池においては、水分の排出機構においては能動的に反応できなかった燃料気体及び反応によって生成された水分を移動させて排出する制御機構がない。そのため、前述の通り燃料及び酸化剤を自然拡散によって供給するだけではなく、排水も自然に行われるような機構をもたなくてはならない。   In particular, in the passive fuel cell, there is no control mechanism for moving and discharging the fuel gas that could not be reacted actively in the moisture discharge mechanism and the moisture generated by the reaction. Therefore, as described above, not only the fuel and the oxidant are supplied by natural diffusion, but also a mechanism for draining naturally must be provided.

また、強制的な循環機構がある場合は、燃料もしくは酸化剤を供給する供給口と、水や水蒸気を排出する排出口が明確に分かれるが、パッシブ型の燃料電池の場合、それらが同一の場合もありうる。例えば特許文献1の場合、酸化剤である酸素を供給する供給口と反応によって発生した水分を排出する排出口は同一である。   In addition, when there is a forced circulation mechanism, the supply port for supplying fuel or oxidant and the discharge port for discharging water or water vapor are clearly separated, but in the case of passive fuel cells, they are the same There is also a possibility. For example, in Patent Document 1, the supply port for supplying oxygen as an oxidizing agent and the discharge port for discharging moisture generated by the reaction are the same.

このような場合、燃料電池の小型化のためには酸化剤である酸素を効率よく供給し、かつ、水分を効率よく排出する機構が必要となる。水分を効率よく排出するための例としては特許文献2が挙げられる。この特許文献2では拡散層の下流領域の拡散率を上流領域の拡散率に比べて大きくする構成を用いることで水分の排出を容易にする。しかし、この方法は燃料もしくは酸化剤を強制的に循環させるシステムが必須であり、パッシブ型の燃料電池にはそのまま適用できない。
米国特許第6,423,437号明細書 特開2004−273392号公報
In such a case, in order to reduce the size of the fuel cell, a mechanism for efficiently supplying oxygen as an oxidant and efficiently discharging moisture is required. Patent document 2 is mentioned as an example for discharging | emitting a water | moisture content efficiently. In Patent Document 2, moisture is easily discharged by using a configuration in which the diffusivity in the downstream region of the diffusion layer is made larger than that in the upstream region. However, this method requires a system that forcibly circulates fuel or oxidant, and cannot be applied to a passive fuel cell as it is.
US Pat. No. 6,423,437 JP 2004-273392 A

本発明は、燃料もしくは酸化剤を主に自然拡散によって供給するパッシブ型燃料電池において、流路に空孔率が異なる多孔質媒体からなる拡散用部材を設置することにより、排水効率が向上し、燃料もしくは酸化剤の効率的供給が可能な、発電効率のよい燃料電池を提供する。   In the passive fuel cell in which the fuel or oxidant is mainly supplied by natural diffusion, the present invention improves drainage efficiency by installing a diffusion member made of a porous medium having a different porosity in the flow path, A fuel cell capable of efficiently supplying fuel or an oxidant and having high power generation efficiency is provided.

上記課題を解決するための第一の燃料電池は、電解質膜の両面にアノードとカソードが形成され、アノード側に燃料を供給し、カソード側に酸化剤を供給し燃料と酸化剤をそれぞれ反応させることにより電力を発生させる燃料電池において、
前記燃料電池は電解質膜の両側に燃料もしくは酸化剤を供給するための流路を有し、該流路内の少なくとも一箇所以上に多孔質媒体からなる拡散用部材が連続して設置されており、
前記多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が90度より大きく撥水傾向であり、かつ二種類以上の拡散用部材が電解質膜に対して平行方向に連続して設置されており、かつ流路の入口からの電解質膜に対して平行方向のそれぞれの拡散用部材の空孔率は、流路の入口に近い位置に配置された拡散用部材の空孔率が、該拡散用部材よりも相対的に遠い位置に配置された拡散用部材の空孔率よりも大きいことを特徴とする。
In a first fuel cell for solving the above problems, an anode and a cathode are formed on both surfaces of an electrolyte membrane, fuel is supplied to the anode side, an oxidant is supplied to the cathode side, and the fuel and the oxidant are reacted. In a fuel cell that generates electric power by
The fuel cell has a flow path for supplying fuel or oxidant on both sides of the electrolyte membrane, and a diffusion member made of a porous medium is continuously installed in at least one place in the flow path. ,
The contact angle with respect to water of the diffusion member made of the porous medium is greater than 90 degrees and tends to be water repellent, and two or more types of diffusion members are continuously installed in a direction parallel to the electrolyte membrane, In addition, the porosity of each diffusion member in the direction parallel to the electrolyte membrane from the inlet of the flow path is the porosity of the diffusion member disposed at a position close to the inlet of the flow path. It is characterized by being larger than the porosity of the diffusing member disposed at a relatively far position.

上記課題を解決するための第二の燃料電池は、電解質膜の両面にアノードとカソードが形成され、アノード側に燃料を供給し、カソード側に酸化剤を供給し燃料と酸化剤をそれぞれ反応させることにより電力を発生させる燃料電池において、
前記燃料電池は電解質膜の両側に燃料もしくは酸化剤を供給するための流路を有し、該流路内の少なくとも一箇所以上に多孔質媒体からなる拡散用部材が設置されており、
前記多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が90度より大きく撥水傾向であり、かつ流路の入口からの電解質膜に対して平行方向の距離が異なる2つの点における拡散用部材の位置をx1およびx2とし、x1およびx2における拡散用部材の空孔率をp(x1)およびp(x2)とすると、入口からの距離が異なる2つの点における空孔率の関係が、x1<x2であるとき、p(x1)>p(x2)の関係を満足することを特徴とする。
In a second fuel cell for solving the above problems, an anode and a cathode are formed on both surfaces of an electrolyte membrane, fuel is supplied to the anode side, an oxidant is supplied to the cathode side, and the fuel and the oxidant are reacted. In a fuel cell that generates electric power by
The fuel cell has a flow path for supplying fuel or an oxidant on both sides of the electrolyte membrane, and a diffusion member made of a porous medium is installed in at least one place in the flow path,
The diffusing member at two points where the contact angle with respect to water of the diffusing member made of the porous medium is greater than 90 degrees and has a water repellent tendency, and the distance in the parallel direction from the inlet of the flow path is different. Are x1 and x2, and the porosity of the diffusion member at x1 and x2 is p (x1) and p (x2), the relationship between the porosity at two points with different distances from the inlet is x1. When <x2, the relationship p (x1)> p (x2) is satisfied.

上記課題を解決するための第三の燃料電池は、電解質膜の両面にアノードとカソードが形成され、アノード側に燃料を供給し、カソード側に酸化剤を供給し燃料と酸化剤をそれぞれ反応させることにより電力を発生させる燃料電池において、
前記燃料電池は電解質膜の両側に燃料もしくは酸化剤を供給するための流路を有し、該流路内の少なくとも一箇所以上に多孔質媒体からなる拡散用部材が連続して設置されており、
前記多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が90度より大きく撥水傾向であり、かつ二種類以上の拡散用部材が電解質膜に対して垂直方向に連続して設置されており、かつ流路の電解質膜に対して垂直方向に設置されたそれぞれの拡散用部材の空孔率は、電解質膜に近い位置に配置された拡散用部材の空孔率が、該拡散用部材よりも相対的に遠い位置に配置された拡散用部材の空孔率よりも小さいことを特徴とする。
In a third fuel cell for solving the above problem, an anode and a cathode are formed on both surfaces of an electrolyte membrane, fuel is supplied to the anode side, an oxidant is supplied to the cathode side, and the fuel and the oxidant are reacted. In a fuel cell that generates electric power by
The fuel cell has a flow path for supplying fuel or oxidant on both sides of the electrolyte membrane, and a diffusion member made of a porous medium is continuously installed in at least one place in the flow path. ,
The contact angle with respect to water of the diffusion member made of the porous medium is greater than 90 degrees and tends to be water-repellent, and two or more types of diffusion members are continuously installed in a direction perpendicular to the electrolyte membrane, In addition, the porosity of each diffusion member installed in the direction perpendicular to the electrolyte membrane in the flow path is such that the porosity of the diffusion member disposed at a position close to the electrolyte membrane is higher than that of the diffusion member. It is characterized by being smaller than the porosity of the diffusion member disposed at a relatively distant position.

上記課題を解決するための第四の燃料電池は、電解質膜の両面にアノードとカソードが形成され、アノード側に燃料を供給し、カソード側に酸化剤を供給し燃料と酸化剤をそれぞれ反応させることにより電力を発生させる燃料電池において、
前記燃料電池は電解質膜の両側に燃料もしくは酸化剤を供給するための流路を有し、該流路内の少なくとも一箇所以上に多孔質媒体からなる拡散用部材が設置されており、
前記多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が90度より大きく撥水傾向であり、かつ流路の電解質膜に対して垂直方向の距離が異なる2つの点における拡散用部材の位置をy1およびy2とし、y1およびy2における拡散用部材の空孔率をp(y1)およびp(y2)とすると、電解質膜からの距離が異なる2つの点における空孔率の関係が、y1>y2であるとき、p(y1)>p(y2)の関係を満足することを特徴とする。
In a fourth fuel cell for solving the above problem, an anode and a cathode are formed on both surfaces of the electrolyte membrane, fuel is supplied to the anode side, an oxidant is supplied to the cathode side, and the fuel and the oxidant are reacted. In a fuel cell that generates electric power by
The fuel cell has a flow path for supplying fuel or an oxidant on both sides of the electrolyte membrane, and a diffusion member made of a porous medium is installed in at least one place in the flow path,
The position of the diffusing member at two points where the contact angle with respect to the water of the diffusing member made of the porous medium is greater than 90 degrees and tends to be water repellent and the distance in the vertical direction to the electrolyte membrane of the flow path is different. When y1 and y2 are y and the porosity of the diffusion member in y1 and y2 is p (y1) and p (y2), the relationship between the porosity at two points with different distances from the electrolyte membrane is y1> y2 In this case, the relationship p (y1)> p (y2) is satisfied.

上記課題を解決するための第五の燃料電池は、電解質膜の両面にアノードとカソードが形成され、アノード側に燃料を供給し、カソード側に酸化剤を供給し燃料と酸化剤をそれぞれ反応させることにより電力を発生させる燃料電池において、
前記燃料電池は電解質膜の両側に燃料もしくは酸化剤を供給するための流路を有し、該流路内の少なくとも一箇所以上に多孔質媒体からなる拡散用部材が連続して設置されており、
前記多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が90度より小さく親水傾向であり、かつ二種類以上の拡散用部材が電解質膜に対して平行方向に連続して設置されており、かつ流路の入口からの電解質膜に対して平行方向のそれぞれの拡散用部材の空孔率は、流路の入口に近い位置に配置された拡散用部材の空孔率が、該拡散用部材よりも相対的に遠い位置に配置された拡散用部材の空孔率よりも小さいことを特徴とする燃料電池。
In a fifth fuel cell for solving the above problems, an anode and a cathode are formed on both surfaces of an electrolyte membrane, fuel is supplied to the anode side, an oxidant is supplied to the cathode side, and the fuel and the oxidant are reacted. In a fuel cell that generates electric power by
The fuel cell has a flow path for supplying fuel or oxidant on both sides of the electrolyte membrane, and a diffusion member made of a porous medium is continuously installed in at least one place in the flow path. ,
The contact angle with respect to water of the diffusion member made of the porous medium is less than 90 degrees and tends to be hydrophilic, and two or more types of diffusion members are continuously installed in a direction parallel to the electrolyte membrane, and The porosity of each diffusing member in the direction parallel to the electrolyte membrane from the inlet of the flow path is such that the porosity of the diffusing member disposed near the inlet of the flow path is more than that of the diffusing member. A fuel cell characterized by being smaller than the porosity of a diffusion member disposed at a relatively far position.

上記課題を解決するための第六の燃料電池は、電解質膜の両面にアノードとカソードが形成され、アノード側に燃料を供給し、カソード側に酸化剤を供給し燃料と酸化剤をそれぞれ反応させることにより電力を発生させる燃料電池において、
前記燃料電池は電解質膜の両側に燃料もしくは酸化剤を供給するための流路を有し、該流路内の少なくとも一箇所以上に多孔質媒体からなる拡散用部材が設置されており、
前記多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が90度より小さく親水傾向であり、かつ流路の入口からの電解質膜に対して平行方向の距離が異なる2つの点における拡散用部材の位置をx11およびx21とし、x11およびx21における拡散用部材の空孔率をp(x11)およびp(x21)とすると、入口からの距離が異なる2つの点における空孔率の関係が、x11<x21であるとき、p(x11)<p(x21)の関係を満足することを特徴とする。
In a sixth fuel cell for solving the above problems, an anode and a cathode are formed on both surfaces of an electrolyte membrane, fuel is supplied to the anode side, an oxidant is supplied to the cathode side, and the fuel and the oxidant are reacted. In a fuel cell that generates electric power by
The fuel cell has a flow path for supplying fuel or an oxidant on both sides of the electrolyte membrane, and a diffusion member made of a porous medium is installed in at least one place in the flow path,
The diffusion member made of the porous medium has a contact angle with water of less than 90 degrees and tends to be hydrophilic, and the diffusion member has two different distances from the inlet of the flow path in the parallel direction. Assuming that the positions are x11 and x21, and the porosity of the diffusion member at x11 and x21 is p (x11) and p (x21), the relationship between the porosity at two points with different distances from the inlet is x11 < When x21, the relationship of p (x11) <p (x21) is satisfied.

上記課題を解決するための第七の燃料電池は、電解質膜の両面にアノードとカソードが形成され、アノード側に燃料を供給し、カソード側に酸化剤を供給し燃料と酸化剤をそれぞれ反応させることにより電力を発生させる燃料電池において、
前記燃料電池は電解質膜の両側に燃料もしくは酸化剤を供給するための流路を有し、該流路内の少なくとも一箇所以上に多孔質媒体からなる拡散用部材が連続して設置されており、
前記多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が90度より小さく親水傾向であり、かつ二種類以上の拡散用部材が電解質膜に対して垂直方向に連続して設置されており、かつ流路の電解質膜に対して垂直方向に設置されたそれぞれの拡散用部材の空孔率は、電解質膜に近い位置に配置された拡散用部材の空孔率が、該拡散用部材よりも相対的に遠い位置に配置された拡散用部材の空孔率よりも大きいことを特徴とする。
In a seventh fuel cell for solving the above problems, an anode and a cathode are formed on both surfaces of an electrolyte membrane, fuel is supplied to the anode side, an oxidant is supplied to the cathode side, and the fuel and the oxidant are reacted. In a fuel cell that generates electric power by
The fuel cell has a flow path for supplying fuel or oxidant on both sides of the electrolyte membrane, and a diffusion member made of a porous medium is continuously installed in at least one place in the flow path. ,
The contact angle with respect to water of the diffusion member made of the porous medium is less than 90 degrees and tends to be hydrophilic, and two or more types of diffusion members are continuously installed in a direction perpendicular to the electrolyte membrane, and The porosity of each diffusion member installed in the direction perpendicular to the electrolyte membrane in the flow path is such that the porosity of the diffusion member disposed at a position close to the electrolyte membrane is relatively higher than that of the diffusion member. It is characterized by being larger than the porosity of the diffusion member disposed at a far position.

上記課題を解決するための第八の燃料電池は、電解質膜の両面にアノードとカソードが形成され、アノード側に燃料を供給し、カソード側に酸化剤を供給し燃料と酸化剤をそれぞれ反応させることにより電力を発生させる燃料電池において、
前記燃料電池は電解質膜の両側に燃料もしくは酸化剤を供給するための流路を有し、該流路内の少なくとも一箇所以上に多孔質媒体からなる拡散用部材が設置されており、
前記多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が90度より小さく親水傾向であり、かつ流路の電解質膜に対して垂直方向の距離が異なる2つの点における拡散用部材の位置をy11およびy21とし、y11およびy21における拡散用部材の空孔率をp(y11)およびp(y21)とすると、電解質膜からの距離が異なる2つの点における空孔率の関係が、y11>y21であるとき、p(y11)<p(y21)の関係を満足することを特徴とする。
In an eighth fuel cell for solving the above problem, an anode and a cathode are formed on both surfaces of an electrolyte membrane, fuel is supplied to the anode side, an oxidant is supplied to the cathode side, and the fuel and the oxidant are reacted. In a fuel cell that generates electric power by
The fuel cell has a flow path for supplying fuel or an oxidant on both sides of the electrolyte membrane, and a diffusion member made of a porous medium is installed in at least one place in the flow path,
The position of the diffusing member at two points where the contact angle with respect to the water of the diffusing member made of the porous medium is less than 90 degrees and tends to be hydrophilic and the distance in the direction perpendicular to the electrolyte membrane of the flow path is different is y11. And y21, and the porosity of the diffusion member at y11 and y21 is p (y11) and p (y21), the relationship between the porosity at two points with different distances from the electrolyte membrane is y11> y21 In some cases, the relationship p (y11) <p (y21) is satisfied.

本発明は、パッシブ型燃料電池において、流路に空孔率の異なる多孔質媒体からなる拡散用部材を設置することにより、排水効率が向上し、燃料もしくは酸化剤の効率的供給が可能な、発電効率のよい燃料電池を提供できる。   In the passive fuel cell according to the present invention, by installing a diffusion member made of a porous medium having a different porosity in the flow path, drainage efficiency is improved, and fuel or oxidant can be efficiently supplied. A fuel cell with good power generation efficiency can be provided.

以下、本発明を説明する。
本発明は、燃料もしくは酸化剤を主に自然拡散によって供給するパッシブ型燃料電池において、発電によって発生した水、特に液化した水を排出することによって、燃料もしくは酸化剤を効率的に触媒層に供給する。
The present invention will be described below.
The present invention efficiently supplies fuel or oxidant to a catalyst layer by discharging water generated by power generation, particularly liquefied water, in a passive fuel cell that mainly supplies fuel or oxidant by natural diffusion. To do.

具体的には、燃料電池の発電によって発生した水が液化する個所において、流路に空孔率が異なる多孔質媒体からなる拡散用部材を設置し、その空孔率の変化により、液滴に対するドライビングフォース(駆動力)を生じさせ、液滴を排出する。   Specifically, a diffusion member made of a porous medium having a different porosity is installed in the flow path at a location where water generated by the power generation of the fuel cell is liquefied, and the change in the porosity causes the droplet to A driving force (driving force) is generated, and the droplets are discharged.

具体的には、(1)多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が90度より大きく撥水傾向の場合、拡散用部材の空孔率を固体電解質膜に対して水平な方向に対しては燃料もしくは酸化剤の入口から遠くなるほど小さくし、固体電解質膜に対して垂直な方向に対しては電解質膜から遠くなるほど大きくするのが好ましい。また、(2)多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が90度より小さく親水傾向の場合、拡散用部材の空孔率を固体電解質膜に対して水平な方向に対しては燃料もしくは酸化剤の入口から遠くなるほど大きくし、固体電解質膜に対して垂直な方向に対しては電解質膜から遠くなるほど小さくするのが好ましい。   Specifically, (1) When the contact angle of the diffusion member made of a porous medium with respect to water is greater than 90 degrees and tends to be water-repellent, the porosity of the diffusion member is set in a horizontal direction with respect to the solid electrolyte membrane. On the other hand, it is preferable to decrease the distance from the fuel or oxidant inlet and to increase the distance from the electrolyte membrane in the direction perpendicular to the solid electrolyte membrane. (2) When the contact angle with respect to water of the diffusion member made of a porous medium is less than 90 degrees and tends to be hydrophilic, the porosity of the diffusion member is a fuel in a direction parallel to the solid electrolyte membrane. Alternatively, it is preferable to increase the distance from the inlet of the oxidant and to decrease the distance from the electrolyte membrane in the direction perpendicular to the solid electrolyte membrane.

次に、本発明の実施の形態について説明する。
パッシブ型の小型燃料電池のモデルとして、図1に示したような直方体形状の燃料電池セルの断面構造を示す。アノード側は縦方向に水素が供給され、カソード側で横方向に酸化剤である酸素を含む空気が供給される。アノード側では水素が酸化反応を起こしプロトンとなってカソード側へ移動する、カソード側ではプロトンと酸素が反応して水が生成する。このエネルギーの差分が電力となって燃料電池に接続された機器に供給される。
Next, an embodiment of the present invention will be described.
A cross-sectional structure of a rectangular parallelepiped fuel cell as shown in FIG. 1 is shown as a model of a passive small fuel cell. Hydrogen is supplied in the vertical direction on the anode side, and air containing oxygen as an oxidant is supplied in the horizontal direction on the cathode side. On the anode side, hydrogen undergoes an oxidation reaction and becomes protons and moves to the cathode side. On the cathode side, protons and oxygen react to produce water. This difference in energy becomes electric power and is supplied to the device connected to the fuel cell.

発生した水は水蒸気となり酸素が通ってきた経路をさかのぼり拡散によって外へと排出される。しかし、一部の水蒸気は液化しセル内に滞留する。この滞留した水は最終的に燃料もしくは酸化剤の供給を阻害し燃料電池を機能しなくする(フラッディング現象)。そのためにこの液滴をセル外に排出する機構は別に必要となる。   The generated water becomes water vapor and is discharged outside through the path through which oxygen has passed. However, some water vapor liquefies and stays in the cell. This staying water eventually obstructs the supply of fuel or oxidant and makes the fuel cell not function (flooding phenomenon). Therefore, a separate mechanism for discharging the droplets out of the cell is necessary.

強制的に燃料ないし酸化剤を循環させるシステムを有する燃料電池の場合、この液滴は圧力勾配によって流路内の液滴を強制的に排除することも可能である。しかしながら、パッシブ型の燃料電池の場合、液体に対するドライビングフォースは無いために液滴が気化して拡散によって排出されるのを期待するしかない。また、そのため入口より遠い箇所で発生した液滴を取り除くことは難しいという問題があった。   In the case of a fuel cell having a system for forcibly circulating fuel or oxidant, it is possible to forcibly exclude the droplets in the flow path by a pressure gradient. However, in the case of a passive type fuel cell, since there is no driving force for liquid, there is no choice but to expect droplets to vaporize and be discharged by diffusion. For this reason, there is a problem that it is difficult to remove droplets generated at a location far from the entrance.

そこで、能動的に水を排出するための機構として、流路内に配置された多孔質媒体の空孔率を変化させ、ドライビングフォースを与える方法ががある。
多孔質媒体中における液体の移動は、多孔質媒体の接触角や空孔率等の勾配に依存する。一般に多孔質媒体中の液体のキャピラリープレッシャー(Capillary Pressure/毛細管圧)Pcは、特に疎水傾向にある場合、空孔率が小さいほど高くなり、親水傾向にある場合は空孔率が大きいほど高くなる。(C.Y.Wang,P.Cheng,“Adv. Heat Transfer”,30(1997年)p.93)。
Therefore, as a mechanism for actively discharging water, there is a method of changing the porosity of a porous medium disposed in a flow path to give a driving force.
The movement of the liquid in the porous medium depends on a gradient such as a contact angle and a porosity of the porous medium. In general, the capillary pressure (capillary pressure / capillary pressure) Pc of a liquid in a porous medium increases as the porosity decreases, particularly when it tends to be hydrophobic, and increases as the porosity increases when it tends to be hydrophilic. . (C. Y. Wang, P. Cheng, “Adv. Heat Transfer”, 30 (1997) p. 93).

このキャピラリープレッシャーPcの勾配を、液滴を移動させるドライビングフォースに利用することにより、液滴を排出する機構を作ることが可能となる。
具体的な本発明における構成は大きく分けて2つに分けられる。一つは液滴を排出孔に誘導するための固体電解質面に水平な方向に対する構成と、もう一つは液滴をフラッディングから防止するため、固体電解質面から液滴を遠ざける、固体電解質面に対して垂直な方向に対する構成である。
By utilizing the gradient of the capillary pressure Pc for the driving force that moves the droplet, a mechanism for discharging the droplet can be created.
The specific configuration in the present invention is roughly divided into two. One is a configuration in the direction parallel to the solid electrolyte surface for guiding the droplets to the discharge hole, and the other is to keep the droplets away from the solid electrolyte surface to prevent the droplets from flooding. The configuration is perpendicular to the direction.

以下、実施例を示し本発明をさらに具体的に説明する。
実施例1
固体電解質面に対して水平な方向に液滴を移動する構成について述べる。この場合、前述の通り水が効率良く外に誘導されることが重要である。そのためには、拡散用部材の空孔率を入口近くの空孔率ほど大きく取ることが望ましい。
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples.
Example 1
A configuration for moving droplets in a direction horizontal to the solid electrolyte surface will be described. In this case, it is important that water is efficiently guided outside as described above. For this purpose, it is desirable that the porosity of the diffusion member is as large as the porosity near the entrance.

以下の実施例ではすべてカソードについて述べるが、同様の構成はアノードにおける水の排水時にも有効である。
図2は本発明の燃料電池の一実施例を示す概略図である。図2は、多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が90度より大きく撥水傾向の場合である。図2は図1の構成のうち、カソードの流路内に、多孔質媒体からなる空孔率が異なる二種類以上の拡散用部材が電解質膜に対して平行方向に連続して設置された場合である。
In the following examples, the cathode is all described, but the same configuration is also effective when draining water at the anode.
FIG. 2 is a schematic view showing an embodiment of the fuel cell of the present invention. FIG. 2 shows a case where the contact angle of the diffusion member made of a porous medium with respect to water is larger than 90 degrees and tends to be water repellent. FIG. 2 shows a case in which two or more types of diffusion members made of a porous medium and having different porosity are continuously installed in the direction parallel to the electrolyte membrane in the cathode flow path in the configuration of FIG. It is.

通常、流路内には何も配置しないか、空孔率の大きい多孔質媒体を使用するが、本実施例では、流路内に疎水処理をした多孔質部材を使用した。また、また、この多孔部材の空孔率が入口付近で最大になるようにグラデーションをかけた。   Usually, nothing is arranged in the flow path or a porous medium having a high porosity is used, but in this example, a porous member subjected to hydrophobic treatment was used in the flow path. In addition, gradation was applied so that the porosity of the porous member was maximized near the entrance.

この場合、多孔質媒体内の水滴は疎水性の影響により、キャピラリープレッシャーによるドライビングフォースをうける。ドライビングフォースをうけ、流路の入口の方向へと誘導される。強い疎水処理をほどこし、空孔率の差を大きく取ることによりドライビングフォースは増大し、より効率的に液体を排出することができる。   In this case, the water droplets in the porous medium are subjected to a driving force by capillary pressure due to the influence of hydrophobicity. It receives driving force and is directed toward the inlet of the flow path. By applying a strong hydrophobic treatment and taking a large difference in porosity, the driving force increases and the liquid can be discharged more efficiently.

また、同様の構成はガス拡散層に対しても適用可能である。
実施例2
効率的な液体の排出を実現するためには、実施例1で説明したような拡散用部材の多孔質媒体に撥水性にグラデーションをつけることが最も望ましいが、そのような構成をとることができない場合、空孔率が異なる多孔質媒体をいくつかつなぎ合わせる方法がある。
The same configuration can also be applied to the gas diffusion layer.
Example 2
In order to achieve efficient liquid discharge, it is most desirable to provide gradation to the water repellency of the porous medium of the diffusion member as described in the first embodiment, but such a configuration cannot be adopted. In some cases, there are methods of joining several porous media having different porosity.

図3は本発明の燃料電池の一実施例を示す概略図である。図3は、多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が90度より大きく撥水傾向の場合である。図3は図1の構成のうち、カソードの流路内に、多孔質媒体からなる空孔率が異なる二種類の拡散用部材が電解質膜に対して平行方向に設置された場合である。   FIG. 3 is a schematic view showing an embodiment of the fuel cell of the present invention. FIG. 3 shows a case where the contact angle of the diffusion member made of a porous medium with respect to water is larger than 90 degrees and tends to be water repellent. FIG. 3 shows a case where two types of diffusion members made of a porous medium and having different porosity are installed in a direction parallel to the electrolyte membrane in the cathode flow path in the configuration of FIG.

流路の入口に近い位置x1における拡散用部材1の空孔率をp(x1))と、遠い位置x2の拡散用部材2の空孔率(p(x2))を変え、入口に近い拡散用部材1の空孔率を、遠い拡散用部材2の空孔率より大きくなるように、p(x1)>p(x2)の関係を満足することにより、二つの拡散用部材の界面でドライビングフォースが発生する。液滴が少しでもより入口に近い個所へ誘導されることにより、排水効率は実施例1に比べると劣るものの向上する。   Diffusion near the inlet by changing the porosity of the diffusion member 1 at the position x1 close to the inlet of the flow path p (x1)) and the porosity of the diffusion member 2 at the far position x2 (p (x2)) Driving at the interface between the two diffusion members by satisfying the relationship of p (x1)> p (x2) so that the porosity of the member 1 is larger than the porosity of the distant diffusion member 2 Force is generated. As a result of the liquid droplets being guided even closer to the inlet, the drainage efficiency is improved compared with the first embodiment, although it is inferior.

すなわち、本発明の最低限の構成要因としては、流路ないしガス拡散層内の多孔質媒体からなる拡散用部材において、かつ拡散用部材が撥水性である場合において、入口からxの距離にある個所の空孔率がP(x)である場合に、2つの位置がx1<x2であるならばp(x1)>p(x2)であるような構成が少なくとも一箇所に存在することである。   That is, the minimum constituent factor of the present invention is the distance x from the inlet when the diffusion member is a porous medium in the flow path or gas diffusion layer and the diffusion member is water repellent. When the porosity of a part is P (x), if two positions are x1 <x2, there is a configuration in which p (x1)> p (x2) exists at least in one place. .

実施例3
一般的にガス拡散層には撥水性の部材を用いる。これは、水分を効率的に排出する意図がある。しかし、さらに効率的に水分を排出するためにガス拡散層に隣接する流路部に親水性の多孔質部材を設置する方法もある。
Example 3
In general, a water-repellent member is used for the gas diffusion layer. This is intended to efficiently drain moisture. However, there is also a method in which a hydrophilic porous member is installed in the flow path portion adjacent to the gas diffusion layer in order to discharge moisture more efficiently.

このように親水性の部材を設置する場合は、空孔率のグラデーションとドライビングフォースの向きの関係が逆になる。すなわち液体は空孔率の低いほうへと誘導される。この場合、排水性をあげるためには空気取り入れ口における空効率が、その奥に比べて相対的に小さいほうがよい。   Thus, when installing a hydrophilic member, the relationship between the gradation of porosity and the direction of the driving force is reversed. That is, the liquid is guided toward the lower porosity. In this case, in order to improve drainage, it is better that the air efficiency at the air intake port is relatively smaller than the depth.

図4は本発明の燃料電池の一実施例を示す概略図である。図4は、多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が90度より小さい親水傾向の場合である。図4は図1の構成のうち、カソードの流路内に、多孔質媒体からなる空孔率が異なる二種類以上の拡散用部材が電解質膜に対して平行方向に連続して設置された場合である。   FIG. 4 is a schematic view showing an embodiment of the fuel cell of the present invention. FIG. 4 shows a case where the diffusing member made of a porous medium has a hydrophilic tendency that the contact angle with respect to water is smaller than 90 degrees. FIG. 4 shows a case where two or more types of diffusion members made of a porous medium and having different porosity are continuously installed in a direction parallel to the electrolyte membrane in the cathode flow path in the configuration of FIG. It is.

図4において、2つの親水性部材を流路内に組み合わせて連続して配置する場合には、入口から遠い位置の拡散用部材の空孔率を大きくする。
実施例4
効率的な液体の排出を実現するためには、実施例3で説明したような拡散用部材の多孔質媒体に親水性にグラデーションをつけることが最も望ましいが、そのような構成をとることができない場合、空孔率が異なる多孔質媒体をいくつかつなぎ合わせる方法がある。
In FIG. 4, when two hydrophilic members are combined and continuously arranged in the flow path, the porosity of the diffusion member at a position far from the inlet is increased.
Example 4
In order to achieve efficient liquid discharge, it is most desirable to impart gradation to the hydrophilicity of the porous medium of the diffusion member as described in Example 3, but such a configuration cannot be adopted. In some cases, there are methods of joining several porous media having different porosity.

図5は本発明の燃料電池の一実施例を示す概略図である。図5は、多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が90度より小さい親水傾向の場合である。図5は図1の構成のうち、カソードの流路内に、多孔質媒体からなる空孔率が異なる二種類の拡散用部材が電解質膜に対して平行方向に設置された場合である。   FIG. 5 is a schematic view showing an embodiment of the fuel cell of the present invention. FIG. 5 shows a case where the diffusing member made of the porous medium has a hydrophilic tendency that the contact angle with respect to water is smaller than 90 degrees. FIG. 5 shows a case where two types of diffusion members made of a porous medium and having different porosity are installed in a direction parallel to the electrolyte membrane in the cathode flow path in the configuration of FIG.

流路の入口に近い位置x11における拡散用部材1の空孔率をp(x11))と、遠い位置x21の拡散用部材2の空孔率(p(x21))を変え、入口に近い拡散用部材11の空孔率を、遠い拡散用部材21の空孔率より小さくなるように、p(x11)<p(x21)の関係を満足することにより、二つの拡散用部材の界面でドライビングフォースが発生する。液滴が少しでもより入口に近い個所へ誘導されることにより、排水効率は実施例3に比べると劣るものの向上する。   Diffusion near the inlet by changing the porosity of the diffusion member 1 at the position x11 close to the inlet of the flow path to p (x11)) and the porosity of the diffusion member 2 at the far position x21 (p (x21)) Driving at the interface between the two diffusion members by satisfying the relationship of p (x11) <p (x21) so that the porosity of the diffusion member 11 is smaller than the porosity of the distant diffusion member 21. Force is generated. Although the liquid droplets are guided to a position closer to the inlet as much as possible, the drainage efficiency is improved although it is inferior to that of the third embodiment.

すなわち、本発明の最低限の構成要因としては、流路ないしガス拡散層内の多孔質媒体からなる拡散用部材において、かつ拡散用部材が親水性である場合において、入口からxの距離にある個所の空孔率がP(x)である場合に、2つの位置がx11<x21であるならばp(x11)<p(x21)であるような構成が少なくとも一箇所に存在することである。   That is, the minimum constituent factor of the present invention is the distance x from the inlet when the diffusion member is made of a porous medium in the flow path or gas diffusion layer and the diffusion member is hydrophilic. In the case where the porosity of the location is P (x), if the two positions are x11 <x21, there is a configuration where p (x11) <p (x21) exists in at least one location. .

実施例5
実施例1から4は、多孔質媒体からなる空孔率が異なる拡散用部材が電解質膜に対して平行方向に設置された場合であるが、本実施例は多孔質媒体からなる空孔率が異なる拡散用部材が電解質膜に対して垂直方向に設置された場合である。
Example 5
Examples 1 to 4 are cases in which diffusion members made of a porous medium and having different porosity are installed in a direction parallel to the electrolyte membrane. In this example, the porosity of the porous medium is low. This is a case where different diffusion members are installed in a direction perpendicular to the electrolyte membrane.

この場合、重要な事は触媒で発生し液化した水分が速やかに触媒層から遠ざかるようドライビングフォースをかける構成にすることである。このような例としてはいくつか先行例がある。例えば特開2003−173789号公報では電極触媒層中に過剰な水分が滞留しないようガス拡散層の気孔率を触媒層と反対側で大きくした技術を開示している。しかし、この文献はガス拡散層に対する技術であり、流路に排出された水についてまでは言及していない。   In this case, the important thing is to apply a driving force so that moisture generated and liquefied by the catalyst is quickly moved away from the catalyst layer. There are several previous examples of such examples. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-173789 discloses a technique in which the porosity of the gas diffusion layer is increased on the side opposite to the catalyst layer so that excessive moisture does not stay in the electrode catalyst layer. However, this document is a technique for the gas diffusion layer, and does not mention water discharged to the flow path.

しかし、小型燃料電池の場合、流路内においても同様の構成があるほうが望ましい。その理由は、ガス拡散層から輩出された水分が触媒層と反対側の表面に滞留してしまうと、結果として「フラッディング現象」が生じるからである。   However, in the case of a small fuel cell, it is desirable to have a similar configuration in the flow path. The reason is that if the moisture produced from the gas diffusion layer stays on the surface opposite to the catalyst layer, a “flooding phenomenon” occurs as a result.

図6は本発明の燃料電池の一実施例を示す概略図である。図6は、多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が90度より大きく撥水傾向の場合である。図6は図1の構成のうち、カソードの流路内に、多孔質媒体からなる空孔率が異なる二種類以上の拡散用部材が電解質膜に対して垂直方向に連続して設置された場合である。   FIG. 6 is a schematic view showing an embodiment of the fuel cell of the present invention. FIG. 6 shows a case where the contact angle of the diffusion member made of a porous medium with respect to water is greater than 90 degrees and tends to be water repellent. FIG. 6 shows a case where two or more types of diffusion members made of a porous medium and having different porosity are continuously installed in the cathode flow path in the configuration of FIG. 1 in a direction perpendicular to the electrolyte membrane. It is.

そのために図6に示す通り、拡散用部材の空孔率をMEAの電解質膜に近い位置で小さくとり、かつ電解質膜から遠い位置で大きくなるようなグラデーションを持つ構造とする。すなわち、MEAに近い側で拡散用部材の空孔率が小さく、遠くなるに従って空孔率が大きくなるような処理を施した拡散用部材を用いる。   For this purpose, as shown in FIG. 6, the diffusion member has a gradation in which the porosity is small at a position close to the electrolyte membrane of the MEA and large at a position far from the electrolyte membrane. That is, a diffusion member that has been processed so that the porosity of the diffusion member is small on the side close to the MEA and the porosity increases as the distance increases.

これによって液滴に対して電解質膜から流路へのドライビングフォースが生じ、液滴が流路へと誘導され、フラッディングが回避される。
実施例6
図7のように、流路内に二種類以上の拡散用部材を設ける方法である。
As a result, a driving force from the electrolyte membrane to the flow path is generated for the liquid droplet, the liquid droplet is guided to the flow path, and flooding is avoided.
Example 6
FIG. 7 shows a method of providing two or more types of diffusion members in the flow path.

図7は本発明の燃料電池の他の実施例を示す概略図である。図7は、多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が90度より大きく撥水傾向の場合である。図7は、カソードの流路内に、多孔質媒体からなる空孔率が異なる二種類の拡散用部材が電解質膜に対して垂直方向に設置された場合である。   FIG. 7 is a schematic view showing another embodiment of the fuel cell of the present invention. FIG. 7 shows a case where the contact angle of the diffusion member made of a porous medium with respect to water is larger than 90 degrees and tends to be water repellent. FIG. 7 shows a case where two types of diffusion members made of a porous medium and having different porosity are installed in a direction perpendicular to the electrolyte membrane in the flow path of the cathode.

二種類の拡散用部材の空孔率をMEAの電解質膜に近い位置で小さくとり、かつ電解質膜から遠い位置で大きくなるような構造とする。
電解質膜に近い位置y2における拡散用部材2の空孔率(p(y2))と、遠い位置y1の拡散用部材1の空孔率(p(y1))を変え(y1>y2)、遠い位置の拡散用部材の水に対する接触角がより小さくなるように、p(y1)>p(y2)の関係を満足することにより、二つの部材の界面でドライビングフォースが発生する。
The porosity of the two types of diffusion members is set to be small at a position close to the MEA electrolyte membrane and large at a position far from the electrolyte membrane.
The porosity (p (y2)) of the diffusing member 2 at the position y2 close to the electrolyte membrane and the porosity (p (y1)) of the diffusing member 1 at the far position y1 are changed (y1> y2). Driving force is generated at the interface between the two members by satisfying the relationship of p (y1)> p (y2) so that the contact angle of the diffusing member with respect to water becomes smaller.

すなわち、本発明の最低限の構成要因としては、流路ないしガス拡散層内の多孔質媒体からなる拡散用部材において、かつ拡散用部材が撥水性である場合において、拡散用部材が電解質膜に対して垂直方向にyの距離にある個所の空孔率がP(y)である場合に、2つの位置がy1>y2であるならばp(y1)>p(y2)であるような構成が少なくとも一箇所に存在することである。   That is, as a minimum constituent factor of the present invention, in the diffusion member made of a porous medium in the flow path or the gas diffusion layer, and when the diffusion member is water repellent, the diffusion member becomes the electrolyte membrane. On the other hand, in the case where the porosity at a position at a distance of y in the vertical direction is P (y), if two positions are y1> y2, then p (y1)> p (y2) Exists in at least one place.

実施例7
一般的にガス拡散層には撥水性の部材を用いる。これは、水分を効率的に排出する意図がある。しかし、さらに効率的に水分を排出するためにガス拡散層に隣接する流路部に親水性の多孔質部材を設置する方法もある。
Example 7
In general, a water-repellent member is used for the gas diffusion layer. This is intended to efficiently drain moisture. However, there is also a method in which a hydrophilic porous member is installed in the flow path portion adjacent to the gas diffusion layer in order to discharge moisture more efficiently.

このように親水性の部材を設置する場合は、空孔率のグラデーションとドライビングフォースの向きの関係が逆になる。すなわち液体は空孔率の低いほうへと誘導される。この場合、排水性をあげるためには空気取り入れ口における空効率が、その奥に比べて相対的に小さいほうがよい。   Thus, when installing a hydrophilic member, the relationship between the gradation of porosity and the direction of the driving force is reversed. That is, the liquid is guided toward the lower porosity. In this case, in order to improve drainage, it is better that the air efficiency at the air intake port is relatively smaller than the depth.

図8は本発明の燃料電池の一実施例を示す概略図である。図8は、多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が90度より小さい親水傾向の場合である。図8は図1の構成のうち、カソードの流路内に、多孔質媒体からなる空孔率が異なる二種類以上の拡散用部材が電解質膜に対して垂直方向に連続して設置された場合である。   FIG. 8 is a schematic view showing one embodiment of the fuel cell of the present invention. FIG. 8 shows a case where the diffusing member made of a porous medium has a hydrophilic tendency that the contact angle with respect to water is smaller than 90 degrees. FIG. 8 shows a case where two or more kinds of diffusion members made of a porous medium and having different porosity are continuously installed in a direction perpendicular to the electrolyte membrane in the cathode flow path in the configuration of FIG. It is.

図8において、2つの親水性部材を流路内に組み合わせて連続して配置する場合には、電解質膜から遠い位置の拡散用部材の空孔率を小さくする。
実施例8
効率的な液体の排出を実現するためには、実施例7で説明したような拡散用部材の多孔質媒体に親水性にグラデーションをつけることが最も望ましいが、そのような構成をとることができない場合、空孔率が異なる多孔質媒体をいくつかつなぎ合わせる方法がある。
In FIG. 8, when two hydrophilic members are combined and continuously arranged in the flow path, the porosity of the diffusion member at a position far from the electrolyte membrane is reduced.
Example 8
In order to achieve efficient liquid discharge, it is most desirable to impart gradation to the hydrophilicity of the porous medium of the diffusing member as described in Example 7, but such a configuration cannot be adopted. In some cases, there are methods of joining several porous media having different porosity.

図9は本発明の燃料電池の一実施例を示す概略図である。図9は、多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が90度より小さい親水傾向の場合である。図9は図1の構成のうち、カソードの流路内に、多孔質媒体からなる空孔率が異なる二種類の拡散用部材が電解質膜に対して垂直方向に設置された場合である。   FIG. 9 is a schematic view showing one embodiment of the fuel cell of the present invention. FIG. 9 shows a case where the diffusing member made of a porous medium has a hydrophilic tendency where the contact angle with respect to water is smaller than 90 degrees. FIG. 9 shows a case where two types of diffusion members made of a porous medium and having different porosity are installed in the cathode channel in the direction perpendicular to the electrolyte membrane.

電解質膜に近い位置y21における拡散用部材21の空孔率(p(y21))と、遠い位置y11の拡散用部材11の空孔率(p(y11))を変え(y11>y21)、遠い位置の拡散用部材の水に対する接触角がより小さくなるように、p(y11)<p(y21)の関係を満足することにより、二つの部材の界面でドライビングフォースが発生する。   The porosity (p (y21)) of the diffusing member 21 at the position y21 close to the electrolyte membrane and the porosity (p (y11)) of the diffusing member 11 at the distant position y11 are changed (y11> y21) to be far Driving force is generated at the interface between the two members by satisfying the relationship of p (y11) <p (y21) so that the contact angle of the diffusion member at the position with respect to water becomes smaller.

すなわち、本発明の最低限の構成要因としては、流路ないしガス拡散層内の多孔質媒体からなる拡散用部材において、かつ拡散用部材が親水性である場合において、拡散用部材が電解質膜に対して垂直方向にyの距離にある個所の空孔率がP(y)である場合に、2つの位置がy11>y21であるならばp(y11)<p(y21)であるような構成が少なくとも一箇所に存在することである。   That is, as a minimum constituent factor of the present invention, in the diffusion member made of a porous medium in the flow path or the gas diffusion layer, and when the diffusion member is hydrophilic, the diffusion member becomes the electrolyte membrane. On the other hand, in the case where the porosity at a position at a distance of y in the vertical direction is P (y), if the two positions are y11> y21, then p (y11) <p (y21). Exists in at least one place.

本発明は、流路に空孔率が異なる撥水性または親水性の多孔質媒体からなる拡散用部材を設置することにより、排水効率が向上し、燃料もしくは酸化剤の効率的供給が可能なために、発電効率のよいパッシブ型燃料電池に利用することができる。   According to the present invention, by installing a diffusion member made of a water-repellent or hydrophilic porous medium having different porosity in the flow path, drainage efficiency is improved and fuel or oxidant can be efficiently supplied. Furthermore, it can be used for a passive fuel cell with good power generation efficiency.

直方体形状の燃料電池セルの断面構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the cross-section of a rectangular parallelepiped fuel cell. 本発明の燃料電池の一実施例を示す概略図である。It is the schematic which shows one Example of the fuel cell of this invention. 本発明の燃料電池の他の実施例を示す概略図である。It is the schematic which shows the other Example of the fuel cell of this invention. 本発明の燃料電池の他の実施例を示す概略図である。It is the schematic which shows the other Example of the fuel cell of this invention. 本発明の燃料電池の他の実施例を示す概略図である。It is the schematic which shows the other Example of the fuel cell of this invention. 本発明の燃料電池の他の実施例を示す概略図である。It is the schematic which shows the other Example of the fuel cell of this invention. 本発明の燃料電池の他の実施例を示す概略図である。It is the schematic which shows the other Example of the fuel cell of this invention. 本発明の燃料電池の他の実施例を示す概略図である。It is the schematic which shows the other Example of the fuel cell of this invention. 本発明の燃料電池の他の実施例を示す概略図である。It is the schematic which shows the other Example of the fuel cell of this invention. 従来の固体高分子型燃料電池の断面形状の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the cross-sectional shape of the conventional polymer electrolyte fuel cell. 燃料電池セルを直列に積層した構造を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure which laminated | stacked the fuel battery cell in series.

符号の説明Explanation of symbols

1 セパレータ
2 流路
3 拡散層
4 シール部材
5 電解質膜
6 拡散層
7 流路
8 セパレータ
9 シール部材
10 空気の取り入れ口
11 水素の供給口
12 セル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Separator 2 Flow path 3 Diffusion layer 4 Seal member 5 Electrolyte membrane 6 Diffusion layer 7 Flow path 8 Separator 9 Seal member 10 Air intake 11 Hydrogen supply port 12 Cell

Claims (8)

電解質膜の両面にアノードとカソードが形成され、アノード側に燃料を供給し、カソード側に酸化剤を供給し燃料と酸化剤をそれぞれ反応させることにより電力を発生させる燃料電池において、
前記燃料電池は電解質膜の両側に燃料もしくは酸化剤を供給するための流路を有し、該流路内の少なくとも一箇所以上に多孔質媒体からなる拡散用部材が連続して設置されており、
前記多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が90度より大きく撥水傾向であり、かつ二種類以上の拡散用部材が電解質膜に対して平行方向に連続して設置されており、かつ流路の入口からの電解質膜に対して平行方向のそれぞれの拡散用部材の空孔率は、流路の入口に近い位置に配置された拡散用部材の空孔率が、該拡散用部材よりも相対的に遠い位置に配置された拡散用部材の空孔率よりも大きいことを特徴とする燃料電池。
In the fuel cell in which the anode and the cathode are formed on both surfaces of the electrolyte membrane, the fuel is supplied to the anode side, the oxidant is supplied to the cathode side, and the fuel and the oxidant are respectively reacted to generate electric power.
The fuel cell has a flow path for supplying fuel or oxidant on both sides of the electrolyte membrane, and a diffusion member made of a porous medium is continuously installed in at least one place in the flow path. ,
The contact angle with respect to water of the diffusion member made of the porous medium is greater than 90 degrees and tends to be water repellent, and two or more types of diffusion members are continuously installed in a direction parallel to the electrolyte membrane, In addition, the porosity of each diffusion member in the direction parallel to the electrolyte membrane from the inlet of the flow path is the porosity of the diffusion member disposed at a position close to the inlet of the flow path. A fuel cell characterized by being larger than the porosity of a diffusion member disposed at a relatively far position.
電解質膜の両面にアノードとカソードが形成され、アノード側に燃料を供給し、カソード側に酸化剤を供給し燃料と酸化剤をそれぞれ反応させることにより電力を発生させる燃料電池において、
前記燃料電池は電解質膜の両側に燃料もしくは酸化剤を供給するための流路を有し、該流路内の少なくとも一箇所以上に多孔質媒体からなる拡散用部材が設置されており、
前記多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が90度より大きく撥水傾向であり、かつ流路の入口からの電解質膜に対して平行方向の距離が異なる2つの点における拡散用部材の位置をx1およびx2とし、x1およびx2における拡散用部材の空孔率をp(x1)およびp(x2)とすると、入口からの距離が異なる2つの点における空孔率の関係が、x1<x2であるとき、p(x1)>p(x2)の関係を満足することを特徴とする燃料電池。
In the fuel cell in which the anode and the cathode are formed on both surfaces of the electrolyte membrane, the fuel is supplied to the anode side, the oxidant is supplied to the cathode side, and the fuel and the oxidant are respectively reacted to generate electric power.
The fuel cell has a flow path for supplying fuel or an oxidant on both sides of the electrolyte membrane, and a diffusion member made of a porous medium is installed in at least one place in the flow path,
The diffusing member at two points where the contact angle with respect to water of the diffusing member made of the porous medium is greater than 90 degrees and has a water repellent tendency, and the distance in the parallel direction from the inlet of the flow path is different. Are x1 and x2, and the porosity of the diffusion member at x1 and x2 is p (x1) and p (x2), the relationship between the porosity at two points with different distances from the inlet is x1. A fuel cell characterized by satisfying a relationship of p (x1)> p (x2) when <x2.
電解質膜の両面にアノードとカソードが形成され、アノード側に燃料を供給し、カソード側に酸化剤を供給し燃料と酸化剤をそれぞれ反応させることにより電力を発生させる燃料電池において、
前記燃料電池は電解質膜の両側に燃料もしくは酸化剤を供給するための流路を有し、該流路内の少なくとも一箇所以上に多孔質媒体からなる拡散用部材が連続して設置されており、
前記多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が90度より大きく撥水傾向であり、かつ二種類以上の拡散用部材が電解質膜に対して垂直方向に連続して設置されており、かつ流路の電解質膜に対して垂直方向に設置されたそれぞれの拡散用部材の空孔率は、電解質膜に近い位置に配置された拡散用部材の空孔率が、該拡散用部材よりも相対的に遠い位置に配置された拡散用部材の空孔率よりも小さいことを特徴とする燃料電池。
In the fuel cell in which the anode and the cathode are formed on both surfaces of the electrolyte membrane, the fuel is supplied to the anode side, the oxidant is supplied to the cathode side, and the fuel and the oxidant are respectively reacted to generate electric power.
The fuel cell has a flow path for supplying fuel or oxidant on both sides of the electrolyte membrane, and a diffusion member made of a porous medium is continuously installed in at least one place in the flow path. ,
The contact angle with respect to water of the diffusion member made of the porous medium is greater than 90 degrees and tends to be water-repellent, and two or more types of diffusion members are continuously installed in a direction perpendicular to the electrolyte membrane, In addition, the porosity of each diffusion member installed in the direction perpendicular to the electrolyte membrane in the flow path is such that the porosity of the diffusion member disposed at a position close to the electrolyte membrane is higher than that of the diffusion member. A fuel cell characterized by being smaller than the porosity of a diffusion member disposed at a relatively distant position.
電解質膜の両面にアノードとカソードが形成され、アノード側に燃料を供給し、カソード側に酸化剤を供給し燃料と酸化剤をそれぞれ反応させることにより電力を発生させる燃料電池において、
前記燃料電池は電解質膜の両側に燃料もしくは酸化剤を供給するための流路を有し、該流路内の少なくとも一箇所以上に多孔質媒体からなる拡散用部材が設置されており、
前記多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が90度より大きく撥水傾向であり、かつ流路の電解質膜に対して垂直方向の距離が異なる2つの点における拡散用部材の位置をy1およびy2とし、y1およびy2における拡散用部材の空孔率をp(y1)およびp(y2)とすると、電解質膜からの距離が異なる2つの点における空孔率の関係が、y1>y2であるとき、p(y1)>p(y2)の関係を満足することを特徴とする燃料電池。
In the fuel cell in which the anode and the cathode are formed on both surfaces of the electrolyte membrane, the fuel is supplied to the anode side, the oxidant is supplied to the cathode side, and the fuel and the oxidant are respectively reacted to generate electric power.
The fuel cell has a flow path for supplying fuel or an oxidant on both sides of the electrolyte membrane, and a diffusion member made of a porous medium is installed in at least one place in the flow path,
The position of the diffusing member at two points where the contact angle with respect to the water of the diffusing member made of the porous medium is greater than 90 degrees and tends to be water repellent and the distance in the vertical direction to the electrolyte membrane of the flow path is different. When y1 and y2 are y and the porosity of the diffusion member in y1 and y2 is p (y1) and p (y2), the relationship between the porosity at two points with different distances from the electrolyte membrane is y1> y2 And satisfying the relationship of p (y1)> p (y2).
電解質膜の両面にアノードとカソードが形成され、アノード側に燃料を供給し、カソード側に酸化剤を供給し燃料と酸化剤をそれぞれ反応させることにより電力を発生させる燃料電池において、
前記燃料電池は電解質膜の両側に燃料もしくは酸化剤を供給するための流路を有し、該流路内の少なくとも一箇所以上に多孔質媒体からなる拡散用部材が連続して設置されており、
前記多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が90度より小さく親水傾向であり、かつ二種類以上の拡散用部材が電解質膜に対して平行方向に連続して設置されており、かつ流路の入口からの電解質膜に対して平行方向のそれぞれの拡散用部材の空孔率は、流路の入口に近い位置に配置された拡散用部材の空孔率が、該拡散用部材よりも相対的に遠い位置に配置された拡散用部材の空孔率よりも小さいことを特徴とする燃料電池。
In the fuel cell in which the anode and the cathode are formed on both surfaces of the electrolyte membrane, the fuel is supplied to the anode side, the oxidant is supplied to the cathode side, and the fuel and the oxidant are respectively reacted to generate electric power.
The fuel cell has a flow path for supplying fuel or oxidant on both sides of the electrolyte membrane, and a diffusion member made of a porous medium is continuously installed in at least one place in the flow path. ,
The contact angle with respect to water of the diffusion member made of the porous medium is less than 90 degrees and tends to be hydrophilic, and two or more types of diffusion members are continuously installed in a direction parallel to the electrolyte membrane, and The porosity of each diffusing member in the direction parallel to the electrolyte membrane from the inlet of the flow path is such that the porosity of the diffusing member disposed near the inlet of the flow path is more than that of the diffusing member. A fuel cell characterized by being smaller than the porosity of a diffusion member disposed at a relatively far position.
電解質膜の両面にアノードとカソードが形成され、アノード側に燃料を供給し、カソード側に酸化剤を供給し燃料と酸化剤をそれぞれ反応させることにより電力を発生させる燃料電池において、
前記燃料電池は電解質膜の両側に燃料もしくは酸化剤を供給するための流路を有し、該流路内の少なくとも一箇所以上に多孔質媒体からなる拡散用部材が設置されており、
前記多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が90度より小さく親水傾向であり、かつ流路の入口からの電解質膜に対して平行方向の距離が異なる2つの点における拡散用部材の位置をx11およびx21とし、x11およびx21における拡散用部材の空孔率をp(x11)およびp(x21)とすると、入口からの距離が異なる2つの点における空孔率の関係が、x11<x21であるとき、p(x11)<p(x21)の関係を満足することを特徴とする燃料電池。
In the fuel cell in which the anode and the cathode are formed on both surfaces of the electrolyte membrane, the fuel is supplied to the anode side, the oxidant is supplied to the cathode side, and the fuel and the oxidant are respectively reacted to generate electric power.
The fuel cell has a flow path for supplying fuel or an oxidant on both sides of the electrolyte membrane, and a diffusion member made of a porous medium is installed in at least one place in the flow path,
The diffusion member made of the porous medium has a contact angle with water of less than 90 degrees and tends to be hydrophilic, and the diffusion member has two different distances from the inlet of the flow path in the parallel direction. Assuming that the positions are x11 and x21, and the porosity of the diffusion member at x11 and x21 is p (x11) and p (x21), the relationship between the porosity at two points with different distances from the inlet is x11 < When x21, the fuel cell satisfies the relationship of p (x11) <p (x21).
電解質膜の両面にアノードとカソードが形成され、アノード側に燃料を供給し、カソード側に酸化剤を供給し燃料と酸化剤をそれぞれ反応させることにより電力を発生させる燃料電池において、
前記燃料電池は電解質膜の両側に燃料もしくは酸化剤を供給するための流路を有し、該流路内の少なくとも一箇所以上に多孔質媒体からなる拡散用部材が連続して設置されており、
前記多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が90度より小さく親水傾向であり、かつ二種類以上の拡散用部材が電解質膜に対して垂直方向に連続して設置されており、かつ流路の電解質膜に対して垂直方向に設置されたそれぞれの拡散用部材の空孔率は、電解質膜に近い位置に配置された拡散用部材の空孔率が、該拡散用部材よりも相対的に遠い位置に配置された拡散用部材の空孔率よりも大きいことを特徴とする燃料電池。
In the fuel cell in which the anode and the cathode are formed on both surfaces of the electrolyte membrane, the fuel is supplied to the anode side, the oxidant is supplied to the cathode side, and the fuel and the oxidant are respectively reacted to generate electric power.
The fuel cell has a flow path for supplying fuel or oxidant on both sides of the electrolyte membrane, and a diffusion member made of a porous medium is continuously installed in at least one place in the flow path. ,
The contact angle with respect to water of the diffusion member made of the porous medium is less than 90 degrees and tends to be hydrophilic, and two or more types of diffusion members are continuously installed in a direction perpendicular to the electrolyte membrane, and The porosity of each diffusion member installed in the direction perpendicular to the electrolyte membrane in the flow path is such that the porosity of the diffusion member disposed at a position close to the electrolyte membrane is relatively higher than that of the diffusion member. A fuel cell characterized by being larger than the porosity of a diffusion member arranged at a far position.
電解質膜の両面にアノードとカソードが形成され、アノード側に燃料を供給し、カソード側に酸化剤を供給し燃料と酸化剤をそれぞれ反応させることにより電力を発生させる燃料電池において、
前記燃料電池は電解質膜の両側に燃料もしくは酸化剤を供給するための流路を有し、該流路内の少なくとも一箇所以上に多孔質媒体からなる拡散用部材が設置されており、
前記多孔質媒体からなる拡散用部材の水に対する接触角が90度より小さく親水傾向であり、かつ流路の電解質膜に対して垂直方向の距離が異なる2つの点における拡散用部材の位置をy11およびy21とし、y11およびy21における拡散用部材の空孔率をp(y11)およびp(y21)とすると、電解質膜からの距離が異なる2つの点における空孔率の関係が、y11>y21であるとき、p(y11)<p(y21)の関係を満足することを特徴とする燃料電池。
In the fuel cell in which the anode and the cathode are formed on both surfaces of the electrolyte membrane, the fuel is supplied to the anode side, the oxidant is supplied to the cathode side, and the fuel and the oxidant are respectively reacted to generate electric power.
The fuel cell has a flow path for supplying fuel or an oxidant on both sides of the electrolyte membrane, and a diffusion member made of a porous medium is installed in at least one place in the flow path,
The position of the diffusing member at two points where the contact angle with respect to the water of the diffusing member made of the porous medium is less than 90 degrees and tends to be hydrophilic and the distance in the direction perpendicular to the electrolyte membrane of the flow path is different is y11. And y21, and the porosity of the diffusion member at y11 and y21 is p (y11) and p (y21), the relationship between the porosity at two points with different distances from the electrolyte membrane is y11> y21 In some cases, the fuel cell satisfies the relationship of p (y11) <p (y21).
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