JP2009038014A - Fuel cell and manufacturing method of fuel cell - Google Patents

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Akiko Fujisawa
晶子 藤澤
Takashi Chigusa
尚 千草
Katsumi Ichikawa
勝美 市川
Hitoshi Koda
仁 甲田
Shinichi Onodera
小野寺  真一
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell maintaining high and continuous output power generation. <P>SOLUTION: The fuel cell includes cathodes 13, 14, anodes 11, 12, and an electrolyte membrane 15 pinched by the cathodes 13, 14 and the anodes 11, 12. The cathodes 13, 14 include a cathode catalyst layer 13 arranged in opposition to one face of the electrolyte membrane 15, and a cathode gas diffusion layer 14 arranged in opposition to the cathode catalyst layer 13. The anodes 11, 12 include an anode catalyst layer 11 arranged in opposition to the other face of the electrolyte membrane 15, and an anode gas diffusion layer 13 arranged in opposition to the anode catalyst layer 11. At least either the cathode gas diffusion layer 14 or the anode gas diffusion layer 13 has a predetermined hydrophobicity. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池および燃料電池の製造方法に関し、特に液体燃料直接供給型の燃料電池およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell and a fuel cell manufacturing method, and more particularly to a liquid fuel direct supply type fuel cell and a manufacturing method thereof.

近年、電子技術の進歩により、電子機器の小型化、高性能化、ポータブル化が進んでおり、携帯用電子機器においては、使用される電池の高エネルギー密度化の要求が高まっている。このため、軽量、小型でありながら大容量な電池が要求されており、リチウムイオン電池などが開発されてきた。   2. Description of the Related Art In recent years, electronic devices have been reduced in size, performance, and portability due to advances in electronic technology. In portable electronic devices, there is an increasing demand for higher energy density of batteries used. For this reason, a battery having a large capacity while being lightweight and small is required, and a lithium ion battery or the like has been developed.

しかし、携帯用電子機器のオペレーション時間がさらに増加する傾向にあり、リチウムイオン電池では、材料および構造の観点からエネルギー密度の向上は限界にきており、さらなる要求に対応できなくなりつつある。   However, the operation time of portable electronic devices tends to increase further, and in the lithium ion battery, the improvement in energy density is reaching the limit from the viewpoint of material and structure, and it is becoming impossible to meet further demands.

上記のような状況から、リチウムイオン電池に代わって、小型燃料電池が注目を集めている。特に、メタノールを燃料として使用するダイレクトメタノール型燃料電池(DMFC)は、水素ガスを使用する燃料電池に比べ、水素ガスの取り扱いの困難さ、または有機燃料から水素ガスに改質する装置等がないことから、小型化に優れている。   In view of the above situation, small fuel cells are attracting attention instead of lithium ion batteries. In particular, a direct methanol fuel cell (DMFC) that uses methanol as a fuel has less difficulty in handling hydrogen gas or a device that reforms organic fuel into hydrogen gas compared to a fuel cell that uses hydrogen gas. Therefore, it is excellent in miniaturization.

DMFCは、燃料極でメタノールが酸化分解されて二酸化炭素、プロトン、および電子が生成される一方で、空気極で空気から得られる酸素、燃料極から電解質膜を得て供給されるプロトン、および燃料極から外部回路を通じて供給される電子によって水が生成され、この外部回路を通る電子によって電力を供給する。   DMFC oxidizes and decomposes methanol at the fuel electrode to produce carbon dioxide, protons, and electrons, while oxygen is obtained from the air at the air electrode, protons that are supplied by obtaining an electrolyte membrane from the fuel electrode, and fuel Water is generated by electrons supplied from the poles through an external circuit, and power is supplied by electrons passing through the external circuit.

DMFCは上記のような構成で発電するため、メタノールを供給するポンプや空気を送り込むブロワが補記として備えられ、システムとして複雑な形態を成したDMFCが開発されてきた。よって、燃料電池の小型化を図ることは難しかった。   Since the DMFC generates electricity with the above-described configuration, a pump for supplying methanol and a blower for feeding air are provided as supplementary notes, and a DMFC having a complicated form as a system has been developed. Therefore, it has been difficult to reduce the size of the fuel cell.

メタノールをポンプで供給する代わりに、メタノール収容室を発電素子の近傍に設け、メタノール収容室と発電素子との間に設けた気液分離膜を透過してメタノールを供給することで、小型化が進められた。また、空気の取り入れについては、ブロワの代わりに、発電素子に吸気口を直接設置することで、小型DMFCが提案されている(特許文献1参照)。
特開2004−164903号公報
Instead of supplying methanol with a pump, a methanol storage chamber is provided in the vicinity of the power generation element, and methanol is supplied through the gas-liquid separation membrane provided between the methanol storage chamber and the power generation element, thereby reducing the size. It was advanced. For intake of air, a compact DMFC has been proposed by directly installing an air inlet in a power generation element instead of a blower (see Patent Document 1).
JP 2004-164903 A

しかし、上記のような小型DMFCは、機構が簡略化された代わりに、発電により生成された水が発電素子の内部に滞留し、カソード触媒層への空気の取り込みが不十分になるため、連続して発電すると出力が低下する問題があった。   However, in the small DMFC as described above, since the mechanism is simplified, water generated by power generation stays inside the power generation element, and air intake into the cathode catalyst layer becomes insufficient. When power is generated, there is a problem that the output decreases.

本発明は、上記の問題点に鑑みて成されたものであって、発電素子の内部で生成された水を滞留させることなく発電素子の外部へ放出することにより、カソード触媒層に空気を取り込むことができ、連続で高出力な発電を維持する燃料電池および燃料電池の製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and takes air into the cathode catalyst layer by discharging water generated inside the power generation element to the outside of the power generation element without stagnation. An object of the present invention is to provide a fuel cell and a fuel cell manufacturing method capable of maintaining continuous and high-output power generation.

本発明の第1態様による燃料電池は、カソード、アノード、および前記カソードと前記アノードとに挟持された電解質膜を備え、前記カソードは、前記電解質膜の一方の面に対向して配置されたカソード触媒層と、前記カソード触媒層と対向して配置されたカソードガス拡散層と、を有し、前記アノードは、前記電解質膜の他方の面に対向して配置されたアノード触媒層と、前記アノード触媒層と対向した配置されたアノードガス拡散層と、を有し、前記カソードガス拡散層およびアノードガス拡散層の少なくともいずれか一方は、所定の疎水性を有している。   The fuel cell according to the first aspect of the present invention includes a cathode, an anode, and an electrolyte membrane sandwiched between the cathode and the anode, and the cathode is disposed to face one surface of the electrolyte membrane. A cathode gas diffusion layer disposed opposite to the cathode catalyst layer, the anode comprising an anode catalyst layer disposed opposite to the other surface of the electrolyte membrane; and the anode An anode gas diffusion layer disposed opposite to the catalyst layer, and at least one of the cathode gas diffusion layer and the anode gas diffusion layer has a predetermined hydrophobicity.

本発明の第2態様による燃料電池の製造方法は、カソードを形成する工程と、アノードを形成する工程と、前記カソードと前記アノードとに挟持される電解質膜を形成する工程と、を備え、前記カソードを形成する工程は、カソードガス拡散層を形成する工程と、カソード触媒層を形成する工程と、を有し、前記カソードガス拡散層を形成する工程は、カソードガス拡散層が所定の疎水性を有するように疎水処理を施す工程を有する。   A method of manufacturing a fuel cell according to a second aspect of the present invention includes a step of forming a cathode, a step of forming an anode, and a step of forming an electrolyte membrane sandwiched between the cathode and the anode, The step of forming a cathode includes a step of forming a cathode gas diffusion layer and a step of forming a cathode catalyst layer, and the step of forming the cathode gas diffusion layer includes a step in which the cathode gas diffusion layer has a predetermined hydrophobicity. A step of performing a hydrophobic treatment so as to have

また、本発明の他の燃料電池の製造方法は、カソードを形成する工程と、アノードを形成する工程と、前記カソードと前記アノードとに挟持される電解質膜を形成する工程と、を備え、前記アノードを形成する工程は、アノードガス拡散層を形成する工程と、アノード触媒層を形成する工程と、を有し、前記アノードガス拡散層を形成する工程は、アノードガス拡散層が所定の疎水性を有するように疎水処理を施す工程を有する。   Further, another fuel cell manufacturing method of the present invention includes a step of forming a cathode, a step of forming an anode, and a step of forming an electrolyte membrane sandwiched between the cathode and the anode, The step of forming an anode includes a step of forming an anode gas diffusion layer and a step of forming an anode catalyst layer, and the step of forming the anode gas diffusion layer is such that the anode gas diffusion layer has a predetermined hydrophobicity. A step of performing a hydrophobic treatment so as to have

本発明によれば、発電素子の内部で生成された水を滞留させることなく発電素子の外部へ放出することにより、カソード触媒層に空気を取り込むことができ、連続で高出力な発電を維持する燃料電池および燃料電池の製造方法を提供することが出来る。   According to the present invention, the water generated inside the power generation element is discharged to the outside of the power generation element without stagnation, so that air can be taken into the cathode catalyst layer, and continuous high power generation is maintained. A fuel cell and a method for manufacturing the fuel cell can be provided.

以下、本発明の一実施形態に係る燃料電池について図を参照して説明する。図1は、本発明に係る一実施形態に係る直接メタノール型の燃料電池10の断面を模式的に示した図である。   Hereinafter, a fuel cell according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram schematically showing a cross section of a direct methanol fuel cell 10 according to an embodiment of the present invention.

図1に示すように、燃料電池10は、アノード触媒層11およびアノードガス拡散層12からなるアノードと、カソード触媒層13およびカソードガス拡散層14からなるカソードと、アノード触媒層11とカソード触媒層13との間に挟持されたプロトン(水素イオン)伝導性の電解質膜15とから構成される膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)16を起電部として備えている。   As shown in FIG. 1, the fuel cell 10 includes an anode composed of an anode catalyst layer 11 and an anode gas diffusion layer 12, a cathode composed of a cathode catalyst layer 13 and a cathode gas diffusion layer 14, an anode catalyst layer 11 and a cathode catalyst layer. A membrane electrode assembly (MEA: Membrane Electrode Assembly) 16 composed of a proton (hydrogen ion) conductive electrolyte membrane 15 sandwiched therebetween is provided as an electromotive unit.

アノード触媒層11およびカソード触媒層13に含有される触媒としては、例えば、白金族元素である、Pt、Ru、Rh、Ir、Os、Pd等の単体金属、白金族元素を含有する合金などを挙げることができる。   Examples of the catalyst contained in the anode catalyst layer 11 and the cathode catalyst layer 13 include platinum group elements such as single metals such as Pt, Ru, Rh, Ir, Os, and Pd, alloys containing platinum group elements, and the like. Can be mentioned.

具体的には、アノード触媒層11として、メタノールや一酸化炭素に対して強い耐性を有するPt−RuやPt−Moなど、カソード触媒層13として、白金やPt−Niなどを用いることが好ましいが、これらに限定されるものではない。また、炭素材料のような導電性担持体を使用する担持触媒、あるいは無担持触媒を使用してもよい。   Specifically, it is preferable to use Pt—Ru or Pt—Mo having strong resistance to methanol or carbon monoxide as the anode catalyst layer 11 and platinum or Pt—Ni as the cathode catalyst layer 13. However, it is not limited to these. Further, a supported catalyst using a conductive support such as a carbon material or an unsupported catalyst may be used.

電解質膜15を構成するプロトン伝導性材料としては、例えば、スルホン酸基を有する、例えば、パーフルオロスルホン酸重合体等のフッ素系樹脂(ナフィオン(商品名、デュポン社製)、フレミオン(商品名、旭硝子社製)等)、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂、タングステン酸やリンタングステン酸などの無機物等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。   Examples of the proton conductive material that constitutes the electrolyte membrane 15 include fluorinated resins having a sulfonic acid group, such as perfluorosulfonic acid polymer (Nafion (trade name, manufactured by DuPont), Flemion (trade name, Asahi Glass Co., Ltd.)), sulfonic acid group-containing hydrocarbon resins, and inorganic substances such as tungstic acid and phosphotungstic acid, but are not limited thereto.

アノード触媒層11に積層されたアノードガス拡散層12は、アノード触媒層11に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、アノード触媒層11の集電体も兼ねている。一方、カソード触媒層13に積層されたカソードガス拡散層14は、カソード触媒層13に酸化剤を均一に供給する役割を果たすと同時に、カソード触媒層13の集電体も兼ねている。   The anode gas diffusion layer 12 laminated on the anode catalyst layer 11 serves to uniformly supply fuel to the anode catalyst layer 11 and also serves as a current collector for the anode catalyst layer 11. On the other hand, the cathode gas diffusion layer 14 stacked on the cathode catalyst layer 13 serves to uniformly supply the oxidant to the cathode catalyst layer 13 and also serves as a current collector for the cathode catalyst layer 13.

アノードガス拡散層12およびカソードガス拡散層14は、ガスを通過させるため、多孔質体からなる公知の導電性材料で構成される。また、カソードガス拡散層14およびアノードガス拡散層12の少なくともいずれか一方は所定の疎水性を有して構成されている。カソードガス拡散層14およびアノードガス拡散層12の少なくともいずれか一方が所定の疎水性を有することによって、カソードで生成された水が液化することなく燃料電池10の外部に放出され、カソード触媒層13に空気を取り込むことが出来る。その結果、本実施形態に係る燃料電池10では、カソード触媒層13における還元反応が促進され、連続で高出力な発電を維持することが可能となる。   The anode gas diffusion layer 12 and the cathode gas diffusion layer 14 are made of a known conductive material made of a porous material so that gas can pass therethrough. Further, at least one of the cathode gas diffusion layer 14 and the anode gas diffusion layer 12 is configured to have a predetermined hydrophobicity. Since at least one of the cathode gas diffusion layer 14 and the anode gas diffusion layer 12 has a predetermined hydrophobicity, the water generated at the cathode is discharged to the outside of the fuel cell 10 without being liquefied, and the cathode catalyst layer 13 You can take in air. As a result, in the fuel cell 10 according to the present embodiment, the reduction reaction in the cathode catalyst layer 13 is promoted, and it is possible to maintain continuous and high power generation.

ここで、カソードガス拡散層14の所定の疎水性あるいはアノードガス拡散層12の所定の疎水性とは、具体的には、カソードガス拡散層14の疎水性あるいはアノードガス拡散層12の疎水性は、水からなる液滴による接触角θで表した場合、接触角θが100度以上130度以下となる疎水性である。なお、接触角θのばらつきは、複数のカソードガス拡散層14で測定するとともに、カソードガス拡散層14の複数の位置で測定することにより生じるものである。   Here, the predetermined hydrophobicity of the cathode gas diffusion layer 14 or the predetermined hydrophobicity of the anode gas diffusion layer 12 is specifically the hydrophobicity of the cathode gas diffusion layer 14 or the hydrophobicity of the anode gas diffusion layer 12. When the contact angle θ is expressed by a water droplet, the contact angle θ is hydrophobic with a contact angle θ of 100 degrees or more and 130 degrees or less. The variation in the contact angle θ is caused by measuring at a plurality of cathode gas diffusion layers 14 and measuring at a plurality of positions of the cathode gas diffusion layers 14.

カソードガス拡散層14およびアノードガス拡散層12の少なくともいずれか一方の疎水性を上記のような接触角θの範囲に設定することによって、カソード触媒層13への空気の取り込み量が十分となり、カソード触媒層13における還元反応が促進される。   By setting the hydrophobicity of at least one of the cathode gas diffusion layer 14 and the anode gas diffusion layer 12 in the range of the contact angle θ as described above, the amount of air taken into the cathode catalyst layer 13 becomes sufficient, and the cathode The reduction reaction in the catalyst layer 13 is promoted.

ここで、カソードガス拡散層14およびアノードガス拡散層12の少なくともいずれか一方に対する水からなる液滴による接触角θは、図2Dに示すように、液滴とカソードガス拡散層14とが接触する点Pにおける液滴の表面カーブに対する接線とカソードガス拡散層14の表面とが成す角である。   Here, the contact angle θ of water droplets with respect to at least one of the cathode gas diffusion layer 14 and the anode gas diffusion layer 12 is such that the droplets and the cathode gas diffusion layer 14 are in contact as shown in FIG. 2D. This is the angle formed by the tangent to the surface curve of the droplet at the point P and the surface of the cathode gas diffusion layer 14.

この接触角θは以下のように測定する。測定装置は、協和界面科学株式会社製の、接触角計(DropMaster 100)、固液界面解析装置(DropMaster 500)、測定解析統合システムソフトウェア(FAMAS:2004/7)のものを使用した。   This contact angle θ is measured as follows. The measuring device used was a contact angle meter (DropMaster 100), a solid-liquid interface analyzer (DropMaster 500), and a measurement / analysis integrated system software (FAMAS: 2004/7) manufactured by Kyowa Interface Science Co., Ltd.

最初に、図2Aに示すように、マイクロシリンジM(テフロン(登録商標)コート針 28G(φ0.1mm))で、純水の液滴DRを形成する。本実施形態に係る燃料電池の場合、液滴DRは約0.5マイクロリットルである。   First, as shown in FIG. 2A, pure water droplets DR are formed with a microsyringe M (Teflon (registered trademark) coated needle 28G (φ0.1 mm)). In the case of the fuel cell according to the present embodiment, the droplet DR is about 0.5 microliter.

次に、図2Bに示すように、液滴DRの底を測定対象CP(カーボンペーパー)に付ける。そして、マイクロシリンジMを測定対象CPから離すと、測定対象CPの表面に図2Cに示すように水滴DRが付着する。この状態で、3000ms後に、水滴DRの高さhと、水滴DRの半径rを測定する。   Next, as shown in FIG. 2B, the bottom of the droplet DR is attached to the measurement object CP (carbon paper). Then, when the microsyringe M is separated from the measurement target CP, the water droplet DR adheres to the surface of the measurement target CP as shown in FIG. 2C. In this state, after 3000 ms, the height h of the water droplet DR and the radius r of the water droplet DR are measured.

接触角θは、図2Dに示すθ1(=arctan(r/h))の2倍に等しいことから、測定された水滴DRの高さhおよび半径rから、下記の式(A)を用いて接触角θの値が算出される。   Since the contact angle θ is equal to twice the angle θ1 (= arctan (r / h)) shown in FIG. 2D, the following equation (A) is used from the height h and radius r of the measured water droplet DR. The value of the contact angle θ is calculated.

θ= 2 arctan(r/h) ・・・式(A)
上記のように算出された接触角θは、その値が大きいほど、測定対象CPの疎水性が高いことを示し、その値が小さいほど測定対象CPの疎水性が低いことを示している。
θ = 2 arctan (r / h) Expression (A)
The contact angle θ calculated as described above indicates that the larger the value, the higher the hydrophobicity of the measurement target CP, and the smaller the value, the lower the hydrophobicity of the measurement target CP.

アノードガス拡散層12には、アノード導電層17が積層され、カソードガス拡散層14には、カソード導電層18が積層されている。アノード導電層17およびカソード導電層18は、例えば、金などの導電金属材料からなるメッシュなどの多孔質層で構成される。なお、アノード導電層17およびカソード導電層18は、それらの周縁から燃料や酸化剤が漏れないように構成されている。   An anode conductive layer 17 is stacked on the anode gas diffusion layer 12, and a cathode conductive layer 18 is stacked on the cathode gas diffusion layer 14. The anode conductive layer 17 and the cathode conductive layer 18 are composed of a porous layer such as a mesh made of a conductive metal material such as gold. The anode conductive layer 17 and the cathode conductive layer 18 are configured so that fuel and oxidant do not leak from their peripheral edges.

アノード導電層17と電解質膜15との間には、矩形枠状を有するアノードシール材19が配置されている。アノードシール材19は、アノード触媒層11およびアノードガス拡散層12の周囲を囲むように配置されている。   Between the anode conductive layer 17 and the electrolyte membrane 15, an anode sealing material 19 having a rectangular frame shape is disposed. The anode sealing material 19 is disposed so as to surround the anode catalyst layer 11 and the anode gas diffusion layer 12.

一方、カソード導電層18と電解質膜15との間には、矩形枠状を有するカソードシール材20が配置されている。カソードシール材20は、カソード触媒層13およびカソードガス拡散層14の周囲を囲むように配置されている。   On the other hand, a cathode sealing material 20 having a rectangular frame shape is disposed between the cathode conductive layer 18 and the electrolyte membrane 15. The cathode sealing material 20 is disposed so as to surround the cathode catalyst layer 13 and the cathode gas diffusion layer 14.

アノードシール材19およびカソードシール材20は、例えば、ゴム製のOリングなどで構成され、膜電極接合体16からの燃料漏れおよび酸化剤漏れを防止している。なお、アノードシール材19およびカソードシール材20の形状は、矩形枠状に限られず、燃料電池10の外縁形に対応するように適宜に構成される。   The anode sealing material 19 and the cathode sealing material 20 are made of, for example, a rubber O-ring, and prevent fuel leakage and oxidant leakage from the membrane electrode assembly 16. The shapes of the anode sealing material 19 and the cathode sealing material 20 are not limited to a rectangular frame shape, and are appropriately configured to correspond to the outer edge shape of the fuel cell 10.

図1に示すように、液体燃料Fを収容する液体燃料収容室21の開口部を覆うように、気液分離膜22が配設されている。この気液分離膜22上には、燃料電池10の外縁形に対応した形状で構成されたフレーム23(ここでは矩形のフレーム)が配置されている。   As shown in FIG. 1, a gas-liquid separation membrane 22 is disposed so as to cover an opening of a liquid fuel storage chamber 21 that stores liquid fuel F. On the gas-liquid separation membrane 22, a frame 23 (here, a rectangular frame) configured in a shape corresponding to the outer edge shape of the fuel cell 10 is disposed.

そして、このフレーム23上には、上記したアノード導電層17およびカソード導電層18を備えた膜電極接合体16が配置されている。膜電極接合体16は、アノード導電層17がフレーム23側となるように積層配置されている。ここで、フレーム23は、電気絶縁材料で構成され、具体的には、例えばポリエチレンテレフタレート(PET)のような熱可塑性ポリエステル樹脂などで形成される。   On the frame 23, the membrane electrode assembly 16 including the anode conductive layer 17 and the cathode conductive layer 18 is disposed. The membrane electrode assembly 16 is laminated so that the anode conductive layer 17 is on the frame 23 side. Here, the frame 23 is made of an electrically insulating material, and is specifically formed of a thermoplastic polyester resin such as polyethylene terephthalate (PET).

液体燃料収容室21に貯留される液体燃料Fは、濃度が50モル%を超えるメタノール水溶液、または純メタノールである。また、純メタノールの純度は、95重量%以上100重量%以下にすることが好ましい。   The liquid fuel F stored in the liquid fuel storage chamber 21 is a methanol aqueous solution having a concentration exceeding 50 mol% or pure methanol. The purity of pure methanol is preferably 95% by weight or more and 100% by weight or less.

また、液体燃料Fの気化成分とは、液体燃料Fとして液体のメタノールを使用した場合には、気化したメタノールを意味し、液体燃料Fとしてメタノール水溶液を使用した場合には、メタノールの気化成分と水の気化成分からなる混合気を意味する。   The vaporized component of the liquid fuel F means vaporized methanol when liquid methanol is used as the liquid fuel F, and the vaporized component of methanol when an aqueous methanol solution is used as the liquid fuel F. It means an air-fuel mixture consisting of water vaporization components.

気液分離膜22、燃料極導電層17およびフレーム23で囲まれた空間である気化燃料収容室24は、気液分離膜22を透過してきた液体燃料Fの気化成分を一時的に収容し、さらに気化成分における燃料の濃度分布を均一にする空間として機能する。   A vaporized fuel storage chamber 24, which is a space surrounded by the gas-liquid separation film 22, the fuel electrode conductive layer 17, and the frame 23, temporarily stores the vaporized component of the liquid fuel F that has permeated through the gas-liquid separation film 22, Furthermore, it functions as a space for making the fuel concentration distribution in the vaporized component uniform.

上記した気液分離膜22は、液体燃料Fの気化成分と液体燃料Fとを分離し、その気化成分をアノード触媒層11側に透過させるものである。この気液分離膜22は、液体燃料Fに対して不活性で溶解しない材料でシート状に構成され、具体的には、シリコーンゴム、低密度ポリエチレン(LDPE)薄膜、ポリ塩化ビニル(PVC)薄膜、ポリエチレンテレフタレート(PET)薄膜、フッ素樹脂(例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)など)微多孔膜などの材料で構成される。なお、気液分離膜22は、周縁から燃料などが漏れないように構成されている。   The gas-liquid separation membrane 22 described above separates the vaporized component of the liquid fuel F and the liquid fuel F, and allows the vaporized component to permeate the anode catalyst layer 11 side. The gas-liquid separation membrane 22 is formed in a sheet shape with a material that is inert to the liquid fuel F and does not dissolve, and specifically, silicone rubber, low-density polyethylene (LDPE) thin film, polyvinyl chloride (PVC) thin film. , Polyethylene terephthalate (PET) thin film, fluororesin (for example, polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), etc.), etc. The gas-liquid separation membrane 22 is configured so that fuel or the like does not leak from the periphery.

本発明の効果をさらに促進するために、空気極導電層18上には、燃料電池10の外縁形に対応した形状で構成されたフレーム25(ここでは矩形のフレーム)を介して、保湿層26が積層されている。また、保湿層26上には、酸化剤である空気を取り入れるための空気導入口28が複数個形成された表面カバー層27が積層されている。この表面カバー層27は、表面層として機能する。   In order to further promote the effect of the present invention, the moisture retaining layer 26 is disposed on the air electrode conductive layer 18 via a frame 25 (here, a rectangular frame) configured in a shape corresponding to the outer edge shape of the fuel cell 10. Are stacked. On the moisturizing layer 26, a surface cover layer 27 in which a plurality of air inlets 28 for taking in air as an oxidant is formed is laminated. The surface cover layer 27 functions as a surface layer.

この表面カバー層27は、膜電極接合体16を含む積層体を加圧して、その密着性を高める役割も果たしているため、例えば、SUS304のような金属で形成される。また、フレーム25は、上記したフレーム23と同様に、電気絶縁材料で構成され、具体的には、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)のような熱可塑性ポリエステル樹脂などで形成される。   Since the surface cover layer 27 also plays a role of pressurizing the laminated body including the membrane electrode assembly 16 and improving its adhesion, it is made of a metal such as SUS304, for example. Similarly to the frame 23 described above, the frame 25 is made of an electrically insulating material. Specifically, the frame 25 is made of, for example, a thermoplastic polyester resin such as polyethylene terephthalate (PET).

保湿層26は、カソード触媒層13において生成した水の一部を含浸して、水の蒸散を抑制する役割をなすとともに、アノードガス拡散層14に酸化剤を均一に導入することにより、カソード触媒層13への酸化剤の均一拡散を促す補助拡散層としての機能も有している。   The moisturizing layer 26 impregnates part of the water generated in the cathode catalyst layer 13 to suppress the transpiration of water, and uniformly introduces an oxidant into the anode gas diffusion layer 14, thereby providing a cathode catalyst. It also has a function as an auxiliary diffusion layer that promotes uniform diffusion of the oxidizing agent into the layer 13.

次に、上記した燃料電池10における作用について説明する。液体燃料収容室21内の液体燃料F(例えば、メタノール水溶液)が気化し、気化したメタノールと水蒸気の混合気は、気液分離膜22を透過し、気化燃料収容室24に一旦収容され、濃度分布が均一にされる。気化燃料収容室24に一旦収容された混合気は、アノード導電層17を通過し、さらにアノードガス拡散層12で拡散され、アノード触媒層11に供給される。   Next, the operation of the fuel cell 10 described above will be described. The liquid fuel F (for example, aqueous methanol solution) in the liquid fuel storage chamber 21 is vaporized, and the vaporized mixture of methanol and water vapor passes through the gas-liquid separation membrane 22 and is temporarily stored in the vaporized fuel storage chamber 24, and the concentration Distribution is made uniform. The air-fuel mixture once stored in the vaporized fuel storage chamber 24 passes through the anode conductive layer 17, is further diffused in the anode gas diffusion layer 12, and is supplied to the anode catalyst layer 11.

ここで、実施形態に係る燃料電池10では、アノードガス拡散層12の気孔率をカソードガス拡散層14の気孔率よりも大きく設定し、所定量の気化した混合気をアノードガス拡散層12を介してアノード触媒層11に効率よく供給できるようにしている。アノード触媒層11に供給された混合気は、次の式(1)に示すメタノールの内部改質反応を生じる。   Here, in the fuel cell 10 according to the embodiment, the porosity of the anode gas diffusion layer 12 is set to be larger than the porosity of the cathode gas diffusion layer 14, and a predetermined amount of vaporized mixture is passed through the anode gas diffusion layer 12. Thus, the anode catalyst layer 11 can be supplied efficiently. The air-fuel mixture supplied to the anode catalyst layer 11 causes an internal reforming reaction of methanol represented by the following formula (1).

CH3OH+H2O → CO2+6H++6e …式(1)
なお、液体燃料Fとして、純メタノールを使用した場合には、液体燃料収容室21からの水蒸気の供給がないため、カソード触媒層13で生成した水や電解質膜15中の水などがメタノールと上記した式(1)の内部改質反応を生じるか、または上記した式(1)の内部改質反応によらず、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じる。
CH3OH + H2O → CO2 + 6H ++ 6e (1)
In addition, when pure methanol is used as the liquid fuel F, since water vapor is not supplied from the liquid fuel storage chamber 21, water generated in the cathode catalyst layer 13, water in the electrolyte membrane 15 and the like are methanol and the above. The internal reforming reaction of the formula (1) is generated, or the internal reforming reaction is generated by another reaction mechanism that does not require water, regardless of the internal reforming reaction of the formula (1).

内部改質反応で生成されたプロトン(H)は、電解質膜15を伝導し、カソード触媒層13に到達する。 Protons (H + ) generated by the internal reforming reaction are conducted through the electrolyte membrane 15 and reach the cathode catalyst layer 13.

表面カバー層27の空気導入口28から取り入れられた空気は、保湿層26、カソード導電層18、カソードガス拡散層14を拡散して、カソード触媒層13に供給される。カソード触媒層13に供給された空気は、次の式(2)に示す反応を生じる。この反応によって、水が生成され、発電反応が生じる。   Air taken in from the air inlet 28 of the surface cover layer 27 diffuses through the moisture retention layer 26, the cathode conductive layer 18, and the cathode gas diffusion layer 14 and is supplied to the cathode catalyst layer 13. The air supplied to the cathode catalyst layer 13 undergoes a reaction represented by the following formula (2). By this reaction, water is generated and a power generation reaction occurs.

(3/2)O2+6H++6e → 3H2O …式(2)
この反応によってカソード触媒層13中に生成した水の一部は、カソードガス拡散層14に貯められ、その残りの水は、カソードガス拡散層14を介して保湿層26に到達する。本実施形態に係る燃料電池10では、カソードガス拡散層14が所定の疎水性を有していることから、カソードで生成された水が液化することなく保湿層26に放出される。保湿層26に到達した水の一部は、保湿層26上に設けられた表面カバー層27の空気導入口28から蒸散され、残りの水は、保湿層26に一旦貯められる。
(3/2) O2 + 6H ++ 6e → 3H2O Formula (2)
A part of the water generated in the cathode catalyst layer 13 by this reaction is stored in the cathode gas diffusion layer 14, and the remaining water reaches the moisture retention layer 26 via the cathode gas diffusion layer 14. In the fuel cell 10 according to this embodiment, since the cathode gas diffusion layer 14 has a predetermined hydrophobicity, water generated at the cathode is released to the moisture retention layer 26 without being liquefied. A part of the water reaching the moisture retaining layer 26 is evaporated from the air inlet 28 of the surface cover layer 27 provided on the moisture retaining layer 26, and the remaining water is temporarily stored in the moisture retaining layer 26.

さらに、式(2)の反応が進行すると、生成水量が増し、カソードガス拡散層14およびカソード触媒層13中の水分貯蔵量が増加する。この場合には、式(2)の反応の進行に伴って、カソードガス拡散層14およびカソード触媒層13中の水分貯蔵量が、アノード触媒層11の水分貯蔵量よりも多い状態となる。   Furthermore, when the reaction of Formula (2) proceeds, the amount of generated water increases, and the amount of water stored in the cathode gas diffusion layer 14 and the cathode catalyst layer 13 increases. In this case, as the reaction of Formula (2) proceeds, the water storage amount in the cathode gas diffusion layer 14 and the cathode catalyst layer 13 becomes larger than the water storage amount in the anode catalyst layer 11.

その結果、浸透圧現象によって、カソード触媒層13に生成した水が、電解質膜15を通過してアノード触媒層11に移動する現象が促進される。そのため、アノード触媒層11への水分の供給を液体燃料収容室21から気化した水蒸気のみに頼る場合に比べて、水分の供給が促され、前述した式(1)におけるメタノールの内部改質反応を促進させることができる。   As a result, the phenomenon that the water generated in the cathode catalyst layer 13 moves to the anode catalyst layer 11 through the electrolyte membrane 15 is promoted by the osmotic pressure phenomenon. Therefore, compared with the case where the supply of moisture to the anode catalyst layer 11 is dependent only on the water vapor evaporated from the liquid fuel storage chamber 21, the supply of moisture is promoted, and the internal reforming reaction of methanol in the above-described equation (1) is performed. Can be promoted.

液体燃料Fとして、メタノールの濃度が50モル%を超えるメタノール水溶液、または純メタノールを使用する場合でも、カソード触媒層13からアノード触媒層11に移動してきた水を内部改質反応に使用することができるので、アノード触媒層11への水の供給を安定して行うことが可能となる。   Even when a methanol aqueous solution having a methanol concentration exceeding 50 mol% or pure methanol is used as the liquid fuel F, water that has moved from the cathode catalyst layer 13 to the anode catalyst layer 11 may be used for the internal reforming reaction. As a result, water can be stably supplied to the anode catalyst layer 11.

これによって、メタノールの内部改質反応の反応抵抗をさらに低下することができ、長期出力特性と負荷電流特性をより向上させることができる。さらに、液体燃料収容室21の小型化を図ることも可能である。   Thereby, the reaction resistance of the internal reforming reaction of methanol can be further reduced, and the long-term output characteristics and load current characteristics can be further improved. Further, the liquid fuel storage chamber 21 can be downsized.

なお、上記した実施の形態では、液体燃料に、メタノール水溶液、または純メタノールを使用した直接メタノール型の燃料電池について説明したが、液体燃料は、これらに限られるものではない。例えば、エタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、もしくはその他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料電池に応じた液体燃料が収容される。   In the above-described embodiment, a direct methanol fuel cell using a methanol aqueous solution or pure methanol as the liquid fuel has been described. However, the liquid fuel is not limited to these. For example, ethanol fuel such as ethanol aqueous solution or pure ethanol, propanol fuel such as propanol aqueous solution or pure propanol, glycol fuel such as glycol aqueous solution or pure glycol, dimethyl ether, formic acid, or other liquid fuel may be used. In any case, liquid fuel corresponding to the fuel cell is accommodated.

また、燃料電池はアクティブ型の燃料電池、さらには燃料供給など一部にポンプ等を用いたセミパッシブ型の燃料電池に対しても本発明を適用することができ、パッシブ型の燃料電池を用いた場合と同様の作用効果が得られる。   In addition, the present invention can be applied to an active fuel cell, and also to a semi-passive fuel cell using a pump or the like for a part of fuel supply, etc. The same operation effect as the case where there was was obtained.

次に、カソードガス拡散層14の疎水性を水からなる液滴による接触角θが100度以上130度以下の範囲に設定された燃料電池10において、優れた出力特性が得られることを以下の実施例で説明する。   Next, in the fuel cell 10 in which the contact angle θ of the cathode gas diffusion layer 14 with water droplets is set in the range of 100 degrees to 130 degrees, excellent output characteristics can be obtained as follows. Examples will be described.

(第1実施例)
本実施形態に係る燃料電池10を次のように作製した。すなわち、カーボンペーパー(東レ(株)製TGP−H−120)を10質量%に調製したPTFE溶液に浸漬させた後、カーボンペーパーを乾燥および焼成し、カソードガス拡散層14を作製した。
(First embodiment)
The fuel cell 10 according to the present embodiment was produced as follows. That is, after immersing carbon paper (TGP-H-120 manufactured by Toray Industries, Inc.) in a PTFE solution prepared to 10% by mass, the carbon paper was dried and fired to prepare the cathode gas diffusion layer 14.

白金担持グラファイト粒子とナフィオン溶液(デュポン社製DE2020)とをディゾルバーで混合してスラリーを作製した。カソードガス拡散層14である前記カーボンペーパーの一方の面に、前記スラリーを塗布し、次に乾燥し、カソード触媒層13を形成して、カソードを作製した。   A platinum-supported graphite particle and a Nafion solution (DEPON DE 2020) were mixed with a dissolver to prepare a slurry. The slurry was applied to one surface of the carbon paper which is the cathode gas diffusion layer 14, and then dried to form the cathode catalyst layer 13 to produce a cathode.

次に、白金ルテニウムグラファイト粒子とナフィオン溶液(デュポン社製DE2020)とをディゾルバーで混合してスラリーを作製した。アノードガス拡散層12であるカーボンペーパーの一方の面に、前記スラリーを塗布し、次に乾燥し、アノード触媒層11を形成して、アノードを作製した。   Next, platinum ruthenium graphite particles and a Nafion solution (DE2020 manufactured by DuPont) were mixed with a dissolver to prepare a slurry. The slurry was applied to one surface of the carbon paper that was the anode gas diffusion layer 12 and then dried to form an anode catalyst layer 11 to produce an anode.

電解質膜15として固体電解質膜(デュポン社製Nafion112)(以下電解質膜)を用い、前記の電解質膜15の一方にカソード触媒層13を向けたカソード、他方にアノード触媒層11を向けたアノードを配置し、ホットプレスで接合して、膜電極接合体16(以下、MEA)を作製した。   A solid electrolyte membrane (Nafion 112 manufactured by DuPont) (hereinafter referred to as an electrolyte membrane) is used as the electrolyte membrane 15, and a cathode with the cathode catalyst layer 13 facing one of the electrolyte membranes 15 and an anode with the anode catalyst layer 11 facing the other are disposed. And it joined by hot press, and the membrane electrode assembly 16 (henceforth, MEA) was produced.

このMEA16のカソードガス拡散層14に、水を滴下して接触角θを測定した。測定の結果、接触角θは110度以上120度以下であった。このMEA16のカソードガス拡散層14およびアノードガス拡散層12のそれぞれに、空気を取り入れるまたは気化したメタノールを取り入れるための孔を複数有する金箔を配置し、カソード導電層13およびアノード導電層11を形成した。   Water was dropped on the cathode gas diffusion layer 14 of the MEA 16 to measure the contact angle θ. As a result of the measurement, the contact angle θ was 110 degrees or more and 120 degrees or less. Each of the cathode gas diffusion layer 14 and the anode gas diffusion layer 12 of the MEA 16 is provided with a gold foil having a plurality of holes for taking in air or taking in vaporized methanol, thereby forming the cathode conductive layer 13 and the anode conductive layer 11. .

MEA16、カソードガス拡散層14およびアノードガス拡散層12による積層体に、空気を取り入れるまたは気化したメタノールを取り入れるための孔を複数有する樹脂製のフレームを配置した。また、MEA16のカソード側と一方のフレームとの間、および、MEA16のアノード側と他方のフレームとの間には、それぞれゴム製のOリング19,20を挟持してシールを施した。   A resin frame having a plurality of holes for taking in air or taking in vaporized methanol was disposed in the laminate of the MEA 16, the cathode gas diffusion layer 14, and the anode gas diffusion layer 12. Further, rubber O-rings 19 and 20 were sandwiched and sealed between the cathode side of the MEA 16 and one frame, and between the anode side of the MEA 16 and the other frame, respectively.

アノード側のフレーム23は、気液分離膜22を介して、液体燃料収容室21にネジ止めによって固定した。気液分離膜22には、厚さ0.2mmのシリコーンシートを使用した。   The anode-side frame 23 was fixed to the liquid fuel storage chamber 21 with screws through the gas-liquid separation membrane 22. A silicon sheet having a thickness of 0.2 mm was used for the gas-liquid separation membrane 22.

一方、カソード側のフレーム25上には、多孔質板を配置し、保湿層26を形成した。この保湿層26上には、空気取り入れのための空気導入口(口径4mm、口数64個)が形成された厚さが2mmのステンレス板(SUS304)を配置して表面カバー層27を形成し、ネジ止めによってフレーム25に固定した。   On the other hand, a porous plate was disposed on the cathode-side frame 25 to form a moisture retention layer 26. On this moisturizing layer 26, a surface cover layer 27 is formed by disposing a stainless steel plate (SUS304) having a thickness of 2 mm on which air inlets for intake of air (diameter 4 mm, number 64) are formed, It was fixed to the frame 25 by screwing.

上記のように形成された燃料電池10の液体燃料収容室21に、純メタノールを10ml注入し、温度25℃、相対湿度50%の環境で、出力の最大値を電流値と電圧値から測定した。測定の結果、上記の燃料電池10の出力の最大値は、25mW/cmであった。 10 ml of pure methanol was injected into the liquid fuel storage chamber 21 of the fuel cell 10 formed as described above, and the maximum output value was measured from the current value and the voltage value in an environment of a temperature of 25 ° C. and a relative humidity of 50%. . As a result of the measurement, the maximum output value of the fuel cell 10 was 25 mW / cm 2 .

(第2実施例)
本実施形態に係る他の燃料電池10を次のように作製した。すなわち、カーボンペーパー(東レ(株)製TGP−H−120)を10質量%に調製したPTFE溶液に浸漬させた後、カーボンペーパーを乾燥および焼成し、アノードガス拡散層12を作製した。
(Second embodiment)
Another fuel cell 10 according to the present embodiment was produced as follows. That is, after immersing carbon paper (TGP-H-120 manufactured by Toray Industries, Inc.) in a PTFE solution prepared to 10% by mass, the carbon paper was dried and fired to prepare the anode gas diffusion layer 12.

白金ルテニウムグラファイト粒子とナフィオン溶液(デュポン社製DE2020)とをディゾルバーで混合してスラリーを作製した。前記アノードガス拡散層12である前記カーボンペーパーの一方の面に、前記スラリーを塗布し、次に乾燥し、アノード触媒層11を形成して、アノードを作製した。   Platinum ruthenium graphite particles and Nafion solution (DE2020 manufactured by DuPont) were mixed with a dissolver to prepare a slurry. The slurry was applied to one surface of the carbon paper which is the anode gas diffusion layer 12 and then dried to form an anode catalyst layer 11 to produce an anode.

次に白金担持グラファイト粒子とナフィオン溶液(デュポン社製DE2020)とをディゾルバーで混合してスラリーを作製した。カソードガス拡散層14であるカーボンペーパーの一方の面に、前記スラリーを塗布し、次に乾燥し、カソード触媒層13を形成して、カソードを作製した。   Next, the platinum-supported graphite particles and Nafion solution (DuPont DE2020) were mixed with a dissolver to prepare a slurry. The slurry was applied to one surface of carbon paper as the cathode gas diffusion layer 14 and then dried to form the cathode catalyst layer 13 to produce a cathode.

電解質膜15として固体電解質膜(デュポン社製Nafion112)(以下電解質膜)を用い、前記の電解質膜15の一方にカソード触媒層13を向けたカソード、他方にアノード触媒層11を向けたアノードを配置し、ホットプレスで接合して、膜電極接合体16(以下、MEA)を作製した。   A solid electrolyte membrane (Nafion 112 manufactured by DuPont) (hereinafter referred to as an electrolyte membrane) is used as the electrolyte membrane 15, and a cathode with the cathode catalyst layer 13 facing one of the electrolyte membranes 15 and an anode with the anode catalyst layer 11 facing the other are disposed. And it joined by hot press, and the membrane electrode assembly 16 (henceforth, MEA) was produced.

このMEA16のアノードガス拡散層12に、水を滴下して接触角θを測定した。測定の結果、接触角θは110度以上120度以下であった。このMEA16のカソードガス拡散層14およびアノードガス拡散層12のそれぞれに、空気を取り入れるまたは気化したメタノールを取り入れるための孔を複数有する金箔を配置し、カソード導電層13およびアノード導電層11を形成した。   Water was dropped on the anode gas diffusion layer 12 of the MEA 16 to measure the contact angle θ. As a result of the measurement, the contact angle θ was 110 degrees or more and 120 degrees or less. Each of the cathode gas diffusion layer 14 and the anode gas diffusion layer 12 of the MEA 16 is provided with a gold foil having a plurality of holes for taking in air or taking in vaporized methanol, thereby forming the cathode conductive layer 13 and the anode conductive layer 11. .

MEA16、カソードガス拡散層14およびアノードガス拡散層12による積層体に、空気を取り入れるまたは気化したメタノールを取り入れるための孔を複数有する樹脂製のフレームを配置した。また、MEA16のカソード側と一方のフレームとの間、および、MEA16のアノード側と他方のフレームとの間には、それぞれゴム製のOリング19,20を挟持してシールを施した。   A resin frame having a plurality of holes for taking in air or taking in vaporized methanol was disposed in the laminate of the MEA 16, the cathode gas diffusion layer 14, and the anode gas diffusion layer 12. Further, rubber O-rings 19 and 20 were sandwiched and sealed between the cathode side of the MEA 16 and one frame, and between the anode side of the MEA 16 and the other frame, respectively.

アノード側のフレーム23は、気液分離膜22を介して、液体燃料収容室21にネジ止めによって固定した。気液分離膜22には、厚さ0.2mmのシリコーンシートを使用した。   The anode-side frame 23 was fixed to the liquid fuel storage chamber 21 with screws through the gas-liquid separation membrane 22. A silicon sheet having a thickness of 0.2 mm was used for the gas-liquid separation membrane 22.

一方、カソード側のフレーム25上には、多孔質板を配置し、保湿層26を形成した。この保湿層26上には、空気取り入れのための空気導入口(口径4mm、口数64個)が形成された厚さが2mmのステンレス板(SUS304)を配置して表面カバー層27を形成し、ネジ止めによってフレーム25に固定した。   On the other hand, a porous plate was disposed on the cathode-side frame 25 to form a moisture retention layer 26. On this moisturizing layer 26, a surface cover layer 27 is formed by disposing a stainless steel plate (SUS304) having a thickness of 2 mm on which air inlets for intake of air (diameter 4 mm, number 64) are formed, It was fixed to the frame 25 by screwing.

上記のように形成された燃料電池10の液体燃料収容室21に、純メタノールを10ml注入し、温度25℃、相対湿度50%の環境で、出力の最大値を電流値と電圧値から測定した。測定の結果、上記の燃料電池10の出力の最大値は、25mW/cmであった。 10 ml of pure methanol was injected into the liquid fuel storage chamber 21 of the fuel cell 10 formed as described above, and the maximum output value was measured from the current value and the voltage value in an environment of a temperature of 25 ° C. and a relative humidity of 50%. . As a result of the measurement, the maximum output value of the fuel cell 10 was 25 mW / cm 2 .

(第3実施例)
本実施形態に係る他の燃料電池10を次のように作製した。すなわち、カーボンペーパー(東レ(株)製TGP−H−120)を10質量%に調製したPTFE溶液に浸漬させた後、カーボンペーパーを乾燥および焼成し、カソードガス拡散層14およびアノードガス拡散層12を作製した。
(Third embodiment)
Another fuel cell 10 according to the present embodiment was produced as follows. That is, after carbon paper (TGP-H-120 manufactured by Toray Industries, Inc.) was immersed in a PTFE solution prepared to 10% by mass, the carbon paper was dried and fired, and the cathode gas diffusion layer 14 and the anode gas diffusion layer 12 were obtained. Was made.

白金担持グラファイト粒子とナフィオン溶液(デュポン社製DE2020)とをディゾルバーで混合してスラリーを作製した。カソードガス拡散層14である前記カーボンペーパーの一方の面に、前記スラリーを塗布し、次に乾燥し、カソード触媒層13を形成して、カソードを作製した。   A platinum-supported graphite particle and a Nafion solution (DEPON DE 2020) were mixed with a dissolver to prepare a slurry. The slurry was applied to one surface of the carbon paper which is the cathode gas diffusion layer 14, and then dried to form the cathode catalyst layer 13 to produce a cathode.

次に、白金ルテニウムグラファイト粒子とナフィオン溶液(デュポン社製DE2020)とをディゾルバーで混合してスラリーを作製した。アノードガス拡散層12である前記カーボンペーパーの一方の面に、前記スラリーを塗布し、次に乾燥し、アノード触媒層11を形成して、アノードを作製した。   Next, platinum ruthenium graphite particles and a Nafion solution (DE2020 manufactured by DuPont) were mixed with a dissolver to prepare a slurry. The slurry was applied to one surface of the carbon paper that was the anode gas diffusion layer 12 and then dried to form an anode catalyst layer 11 to produce an anode.

電解質膜15として固体電解質膜(デュポン社製Nafion112)(以下電解質膜)を用い、前記の電解質膜15の一方にカソード触媒層13を向けたカソード、他方にアノード触媒層11を向けたアノードを配置し、ホットプレスで接合して、膜電極接合体16(以下、MEA)を作製した。   A solid electrolyte membrane (Nafion 112 manufactured by DuPont) (hereinafter referred to as an electrolyte membrane) is used as the electrolyte membrane 15, and a cathode with the cathode catalyst layer 13 facing one of the electrolyte membranes 15 and an anode with the anode catalyst layer 11 facing the other are disposed. And it joined by hot press, and the membrane electrode assembly 16 (henceforth, MEA) was produced.

このMEA16のカソードガス拡散層14およびアノードガス拡散層12に、水を滴下して接触角θを測定した。測定の結果、接触角θは110度以上120度以下であった。このMEA16のカソードガス拡散層14およびアノードガス拡散層12のそれぞれに、空気を取り入れるまたは気化したメタノールを取り入れるための孔を複数有する金箔を配置し、カソード導電層13およびアノード導電層11を形成した。   Water was dropped onto the cathode gas diffusion layer 14 and the anode gas diffusion layer 12 of the MEA 16 to measure the contact angle θ. As a result of the measurement, the contact angle θ was 110 degrees or more and 120 degrees or less. Each of the cathode gas diffusion layer 14 and the anode gas diffusion layer 12 of the MEA 16 is provided with a gold foil having a plurality of holes for taking in air or taking in vaporized methanol, thereby forming the cathode conductive layer 13 and the anode conductive layer 11. .

MEA16、カソードガス拡散層14およびアノードガス拡散層12による積層体に、空気を取り入れるまたは気化したメタノールを取り入れるための孔を複数有する樹脂製のフレームを配置した。また、MEA16のカソード側と一方のフレームとの間、および、MEA16のアノード側と他方のフレームとの間には、それぞれゴム製のOリング19,20を挟持してシールを施した。   A resin frame having a plurality of holes for taking in air or taking in vaporized methanol was disposed in the laminate of the MEA 16, the cathode gas diffusion layer 14, and the anode gas diffusion layer 12. Further, rubber O-rings 19 and 20 were sandwiched and sealed between the cathode side of the MEA 16 and one frame, and between the anode side of the MEA 16 and the other frame, respectively.

アノード側のフレーム23は、気液分離膜22を介して、液体燃料収容室21にネジ止めによって固定した。気液分離膜22には、厚さ0.2mmのシリコーンシートを使用した。   The anode-side frame 23 was fixed to the liquid fuel storage chamber 21 with screws through the gas-liquid separation membrane 22. A silicon sheet having a thickness of 0.2 mm was used for the gas-liquid separation membrane 22.

一方、カソード側のフレーム25上には、多孔質板を配置し、保湿層26を形成した。この保湿層26上には、空気取り入れのための空気導入口(口径4mm、口数64個)が形成された厚さが2mmのステンレス板(SUS304)を配置して表面カバー層27を形成し、ネジ止めによってフレーム25に固定した。   On the other hand, a porous plate was disposed on the cathode-side frame 25 to form a moisture retention layer 26. On this moisturizing layer 26, a surface cover layer 27 is formed by disposing a stainless steel plate (SUS304) having a thickness of 2 mm on which air inlets for intake of air (diameter 4 mm, number 64) are formed, It was fixed to the frame 25 by screwing.

上記のように形成された燃料電池10の液体燃料収容室21に、純メタノールを10ml注入し、温度25℃、相対湿度50%の環境で、出力の最大値を電流値と電圧値から測定した。測定の結果、上記の燃料電池10の出力の最大値は、25mW/cmであった。 10 ml of pure methanol was injected into the liquid fuel storage chamber 21 of the fuel cell 10 formed as described above, and the maximum output value was measured from the current value and the voltage value in an environment of a temperature of 25 ° C. and a relative humidity of 50%. . As a result of the measurement, the maximum output value of the fuel cell 10 was 25 mW / cm 2 .

(第1比較例)
第1比較例で使用した燃料電池の構成は、カーボンペーパー(東レ(株)製TGP−H−120)を5質量%に調製したPTFE溶液に浸漬させた後、カーボンペーパーを乾燥および焼成して作製したカソードガス拡散層を用いたこと以外は、前述の実施例に係る燃料電池の構成と同じである。
(First comparative example)
The structure of the fuel cell used in the first comparative example is that carbon paper (TGP-H-120 manufactured by Toray Industries, Inc.) is immersed in a PTFE solution prepared to 5% by mass, and then the carbon paper is dried and fired. Except for using the produced cathode gas diffusion layer, the configuration is the same as that of the fuel cell according to the above-described embodiment.

MEAのカソードのガス拡散層に、水を滴下して接触角を測定した。測定の結果、接触角θは90度以上100度以下であった。出力の最大値の測定方法および測定条件は、実施例に係る燃料電池における測定方法および測定条件と同じである。測定の結果、第1比較例に係る燃料電池の出力の最大値は、20mW/cmだった。 Water was dropped on the gas diffusion layer of the MEA cathode to measure the contact angle. As a result of the measurement, the contact angle θ was 90 degrees or more and 100 degrees or less. The measurement method and measurement conditions of the maximum output value are the same as the measurement method and measurement conditions in the fuel cell according to the example. As a result of the measurement, the maximum value of the output of the fuel cell according to the first comparative example was 20 mW / cm 2 .

第1比較例に係る燃料電池において出力の最大値が実施例に係る燃料電池よりも低いのは、比較例に係る燃料電池のカソードガス拡散層は、疎水性が不十分なため、カソードで生成された水がカソードのガス拡散層内で滞留し、空気を取り込めなくなったためと考えられる。   The maximum output value of the fuel cell according to the first comparative example is lower than that of the fuel cell according to the example because the cathode gas diffusion layer of the fuel cell according to the comparative example has insufficient hydrophobicity and is generated at the cathode. This is thought to be because the collected water stays in the gas diffusion layer of the cathode and cannot take in air.

(第2比較例)
第1比較例で使用した燃料電池の構成は、カーボンペーパー(東レ(株)製TGP−H−120)を15質量%に調製したPTFE溶液に浸漬させた後、カーボンペーパーを乾燥および焼成して作製したカソードガス拡散層を用いたこと以外は、第1実施例の燃料電池の構成と同じである。
(Second comparative example)
The structure of the fuel cell used in the first comparative example was that carbon paper (TGP-H-120 manufactured by Toray Industries, Inc.) was immersed in a PTFE solution prepared to 15% by mass, and then the carbon paper was dried and fired. Except for using the produced cathode gas diffusion layer, the configuration is the same as that of the fuel cell of the first embodiment.

MEAのカソードガス拡散層に、水を滴下して接触角を測定した。測定の結果、接触角θは130度以上140度以下であった。第2比較例に係る燃料電池の出力の最大値の測定方法および測定条件は、実施例に係る燃料電池における測定方法および測定条件と同じである。測定の結果、第2比較例に係る燃料電池の出力の最大値は、15mW/cmだった。 Water was dropped on the MEA cathode gas diffusion layer to measure the contact angle. As a result of the measurement, the contact angle θ was 130 degrees or more and 140 degrees or less. The measurement method and measurement conditions of the maximum value of the output of the fuel cell according to the second comparative example are the same as the measurement method and measurement conditions in the fuel cell according to the example. As a result of the measurement, the maximum value of the output of the fuel cell according to the second comparative example was 15 mW / cm 2 .

第2比較例に係る燃料電池において出力の最大値が実施例に係る燃料電池よりも低いのは、カソードガス拡散層の孔がPTFEでつまったため、カソードで生成された水と発電素子の外部から取り込む空気の流量が小さくなったためと考えられる。   In the fuel cell according to the second comparative example, the maximum output value is lower than that of the fuel cell according to the example because the hole of the cathode gas diffusion layer is clogged with PTFE. This is probably because the flow rate of the air to be taken in has become smaller.

一方、本実施形態に係る燃料電池の前述の実施例において出力の最大値が高いのは、実施例に係る燃料電池では、カソードガス拡散層の疎水性が十分にあり、カソードで生成された水が液化することなく放出され、空気を取り込むための流量が確保されるためと考えられる。   On the other hand, the maximum output value in the above-described example of the fuel cell according to the present embodiment is high because the cathode gas diffusion layer is sufficiently hydrophobic in the fuel cell according to the example, and the water generated at the cathode is high. This is considered to be because the gas is released without being liquefied and the flow rate for taking in air is secured.

上記のように、実施例に係る燃料電池の最大出力値は、第1比較例および第2比較例に係る燃料電池の最大出力値よりも高い結果が得られた。すなわち、本実施形態に係る燃料電池において、優れた出力特性が得られることがわかった。   As described above, the maximum output value of the fuel cell according to the example was higher than the maximum output value of the fuel cell according to the first comparative example and the second comparative example. That is, it was found that excellent output characteristics can be obtained in the fuel cell according to the present embodiment.

すなわち、本実施形態に係る燃料電池によれば、発電素子の内部で生成された水を滞留させることなく発電素子の外部へ放出することにより、カソード触媒層に空気を取り込むことができ、連続で高出力な発電を維持する燃料電池を提供することが出来る。   That is, according to the fuel cell according to the present embodiment, air can be taken into the cathode catalyst layer by discharging water generated inside the power generation element to the outside of the power generation element without stagnation, and continuously. A fuel cell capable of maintaining high power generation can be provided.

なお、上記の実施例では、カーボンペーパー(東レ(株)製TGP−H−120)を浸漬させるPTFE溶液の質量濃度を10%としたが、本発明の効果を得ることができるものであればPTFE溶液の濃度は適宜変更しても良い。   In addition, in said Example, although the mass concentration of the PTFE solution in which carbon paper (TGP-H-120 by Toray Industries, Inc.) is immersed was 10%, if it can acquire the effect of this invention, it is. The concentration of the PTFE solution may be changed as appropriate.

さらに、上記の実施形態では、カソードガス拡散層14およびアノードガス拡散層の少なくともいずれか一方の疎水性を調整するために、異なる質量濃度のPTFE溶液にカーボンペーパーを浸漬させたが、この方法に限らず、例えば、カーボンペーパーをPTFE溶液に浸漬させる時間を調節することによってカソードガス拡散層14およびアノードガス拡散層の少なくともいずれか一方の疎水性を調整しても良く、PTFE溶液をカーボンペーパーに吹き付けあるいは塗布して含浸させることによりカソードガス拡散層14およびアノードガス拡散層の少なくともいずれか一方の疎水性を調整することができる。   Furthermore, in the above embodiment, in order to adjust the hydrophobicity of at least one of the cathode gas diffusion layer 14 and the anode gas diffusion layer, carbon paper was immersed in PTFE solutions having different mass concentrations. For example, the hydrophobicity of at least one of the cathode gas diffusion layer 14 and the anode gas diffusion layer may be adjusted by adjusting the time during which the carbon paper is immersed in the PTFE solution. The hydrophobicity of at least one of the cathode gas diffusion layer 14 and the anode gas diffusion layer can be adjusted by impregnation by spraying or coating.

なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。上記実施の形態ではパッシブ型DMFCを例に説明を行ったが、パッシブ型に限らず反応によって生成した水をアノード側で利用する構造であれば、何らその燃料電池の方式について限定されるものではない。   Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In the above embodiment, the passive DMFC has been described as an example. However, the structure of the fuel cell is not limited as long as the structure uses not only the passive type but also water generated by the reaction on the anode side. Absent.

さらに、燃料電池10の構成は、上記した構成に限られるものではなく、例えば、アノード導電層17とフレーム23との間に疎水性の多孔膜を設けてもよい。この多孔膜を設けることで、多孔膜を介するアノードガス拡散層12側から気化燃料収容室24側への水の侵入を防止することができる。   Further, the configuration of the fuel cell 10 is not limited to the above-described configuration. For example, a hydrophobic porous film may be provided between the anode conductive layer 17 and the frame 23. By providing this porous film, it is possible to prevent water from entering from the anode gas diffusion layer 12 side to the vaporized fuel storage chamber 24 side via the porous film.

これによって、アノードガス拡散層12より液体燃料収容室21側で生じる燃料濃度の低下を抑制することができ、アノード触媒層11へ所定の濃度の燃料を供給することができる。具体的な多孔膜の材料として、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、撥水化処理したシリコーンシートなどが挙げられる。   As a result, a decrease in fuel concentration that occurs on the liquid fuel storage chamber 21 side from the anode gas diffusion layer 12 can be suppressed, and fuel having a predetermined concentration can be supplied to the anode catalyst layer 11. Specific examples of the material for the porous film include polytetrafluoroethylene (PTFE) and a water-repellent treated silicone sheet.

また、気液分離膜22のさらに液体燃料収容室21側に、気液分離膜22と同様の気液分離機能を有し、さらに燃料の気化成分の透過量を調整する透過量調整膜を設けてもよい。この透過量調整膜による気化成分の透過量の調整は、透過量調整膜に設けられた開孔部の径を調整して行われる。   Further, a permeation amount adjusting membrane for adjusting the permeation amount of the vaporized component of the fuel is provided on the liquid fuel storage chamber 21 side of the gas-liquid separation membrane 22 and has the same gas-liquid separation function as the gas-liquid separation membrane 22 May be. The adjustment of the permeation amount of the vaporized component by the permeation amount adjusting film is performed by adjusting the diameter of the opening provided in the permeation amount adjusting film.

この透過量調整膜は、例えば、ポリエチレンテレフタレートなどの材料で構成することができる。この透過量調整膜を設けることで、アノード触媒層11側に供給される燃料の気化成分の供給量を調整することができる。   This permeation amount adjusting film can be made of, for example, a material such as polyethylene terephthalate. By providing this permeation amount adjusting membrane, it is possible to adjust the supply amount of the vaporized component of the fuel supplied to the anode catalyst layer 11 side.

また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。   Further, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, you may combine the component covering different embodiment suitably.

例えば、上記した説明では、燃料電池の構成として膜電極接合体(MEA)の下部に液体燃料収容室を有する構造で説明したが、液体燃料収容室から膜電極接合体への燃料の供給は流路を配して接続された構造であってもよい。また、燃料電池本体の構成としてパッシブ型の燃料電池を例に挙げて説明したが、アクティブ型の燃料電池、さらには燃料供給など一部にポンプ等を用いたセミパッシブと称される型の燃料電池に対しても本発明を適用することができる。セミパッシブ型の燃料電池は、燃料収容部から膜電極接合体に供給された燃料は発電反応に使用され、その後に循環して燃料収容部に戻されることはない。セミパッシブ型の燃料電池は、燃料を循環しないことから、従来のアクティブ方式とは異なるものであり、装置の小型化等を損なうものではない。   For example, in the above description, the structure of the fuel cell has been described with the structure having the liquid fuel storage chamber below the membrane electrode assembly (MEA). However, the supply of fuel from the liquid fuel storage chamber to the membrane electrode assembly is not allowed to flow. It may be a structure in which roads are arranged and connected. In addition, a passive type fuel cell has been described as an example of the configuration of the fuel cell main body. However, an active type fuel cell, and a fuel of a type called a semi-passive that uses a pump or the like for part of a fuel supply, etc. The present invention can also be applied to a battery. In the semi-passive type fuel cell, the fuel supplied from the fuel storage part to the membrane electrode assembly is used for the power generation reaction, and is not circulated thereafter and returned to the fuel storage part. The semi-passive type fuel cell is different from the conventional active method because it does not circulate the fuel, and does not impair the downsizing of the device.

また、燃料電池は、燃料の供給にポンプを使用しており、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも異なる。このため、燃料電池は、上述したようにセミパッシブ方式と呼称される。なお、このセミパッシブ型の燃料電池では、燃料収容部から膜電極接合体への燃料供給が行われる構成であればポンプに代えて燃料遮断バルブを配置する構成とすることも可能である。この場合には、燃料遮断バルブは、流路による液体燃料の供給を制御するために設けられるものである。   In addition, the fuel cell uses a pump for supplying fuel, and is different from a pure passive system such as a conventional internal vaporization type. For this reason, the fuel cell is referred to as a semi-passive method as described above. In this semi-passive type fuel cell, a fuel cutoff valve may be arranged in place of the pump as long as fuel is supplied from the fuel storage portion to the membrane electrode assembly. In this case, the fuel cutoff valve is provided to control the supply of liquid fuel through the flow path.

これら構成であっても、上記した説明と同様の作用効果が得られる。MEAへ供給される液体燃料の蒸気においても、全て液体燃料の蒸気を供給してもよいが、一部が液体状態で供給される場合であっても本発明を適用することができる。 Even if it is these structures, the effect similar to the above-mentioned description is acquired. The liquid fuel vapor supplied to the MEA may be all supplied as a liquid fuel vapor, but the present invention can be applied even when a part of the liquid fuel vapor is supplied in a liquid state.

本発明の一実施形態に係る燃料電池の一構成例を概略的に示す図。The figure which shows schematically the example of 1 structure of the fuel cell which concerns on one Embodiment of this invention. 図1に示す燃料電池のカソードガス拡散層の表面の接触角を測定する方法を説明するための図。The figure for demonstrating the method to measure the contact angle of the surface of the cathode gas diffusion layer of the fuel cell shown in FIG. 図1に示す燃料電池のカソードガス拡散層の表面の接触角を測定する方法を説明するための図。The figure for demonstrating the method to measure the contact angle of the surface of the cathode gas diffusion layer of the fuel cell shown in FIG. 図1に示す燃料電池のカソードガス拡散層の表面の接触角を測定する方法を説明するための図。The figure for demonstrating the method to measure the contact angle of the surface of the cathode gas diffusion layer of the fuel cell shown in FIG. 図1に示す燃料電池のカソードガス拡散層の表面の接触角を測定する方法を説明するための図。The figure for demonstrating the method to measure the contact angle of the surface of the cathode gas diffusion layer of the fuel cell shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

15…電解質膜、10…燃料電池、11…アノード触媒層、12…アノードガス拡散層、13…カソード触媒層、14…カソードガス拡散層。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 15 ... Electrolyte membrane, 10 ... Fuel cell, 11 ... Anode catalyst layer, 12 ... Anode gas diffusion layer, 13 ... Cathode catalyst layer, 14 ... Cathode gas diffusion layer

Claims (5)

カソード、アノード、および前記カソードと前記アノードとに挟持された電解質膜を備え、
前記カソードは、前記電解質膜の一方の面に対向して配置されたカソード触媒層と、前記カソード触媒層と対向して配置されたカソードガス拡散層と、を有し、
前記アノードは、前記電解質膜の他方の面に対向して配置されたアノード触媒層と、前記アノード触媒層と対向した配置されたアノードガス拡散層と、を有し、
前記カソードガス拡散層およびアノードガス拡散層の少なくともいずれか一方は、所定の疎水性を有している燃料電池。
A cathode, an anode, and an electrolyte membrane sandwiched between the cathode and the anode;
The cathode includes a cathode catalyst layer disposed to face one surface of the electrolyte membrane, and a cathode gas diffusion layer disposed to face the cathode catalyst layer,
The anode has an anode catalyst layer disposed to face the other surface of the electrolyte membrane, and an anode gas diffusion layer disposed to face the anode catalyst layer,
A fuel cell in which at least one of the cathode gas diffusion layer and the anode gas diffusion layer has predetermined hydrophobicity.
前記カソードガス拡散層は、前記カソードガス拡散層の前記カソード触媒層と対向する面の反対側の表面に、水からなる液滴を乗せたとき、前記カソードガス拡散層の表面と前記液滴の表面との接触角は100度以上130度以下となる疎水性を有している請求項1記載の燃料電池。   The cathode gas diffusion layer has a surface formed on the surface of the cathode gas diffusion layer and the liquid droplets when the droplet made of water is placed on the surface of the cathode gas diffusion layer opposite to the surface facing the cathode catalyst layer. The fuel cell according to claim 1, wherein the contact angle with the surface has hydrophobicity that is not less than 100 degrees and not more than 130 degrees. カソードを形成する工程と、
アノードを形成する工程と、
前記カソードと前記アノードとに挟持される電解質膜を形成する工程と、を備え、
前記カソードを形成する工程は、カソードガス拡散層を形成する工程と、カソード触媒層を形成する工程と、を有し、
前記カソードガス拡散層を形成する工程は、カソードガス拡散層が所定の疎水性を有するように疎水処理を施す工程を有する燃料電池の製造方法。
Forming a cathode;
Forming an anode;
Forming an electrolyte membrane sandwiched between the cathode and the anode, and
The step of forming the cathode has a step of forming a cathode gas diffusion layer and a step of forming a cathode catalyst layer,
The step of forming the cathode gas diffusion layer includes a step of performing a hydrophobic treatment so that the cathode gas diffusion layer has a predetermined hydrophobicity.
カソードを形成する工程と、
アノードを形成する工程と、
前記カソードと前記アノードとに挟持される電解質膜を形成する工程と、を備え、
前記アノードを形成する工程は、アノードガス拡散層を形成する工程と、アノード触媒層を形成する工程と、を有し、
前記アノードガス拡散層を形成する工程は、アノードガス拡散層が所定の疎水性を有するように疎水処理を施す工程を有する燃料電池の製造方法。
Forming a cathode;
Forming an anode;
Forming an electrolyte membrane sandwiched between the cathode and the anode, and
The step of forming the anode includes a step of forming an anode gas diffusion layer and a step of forming an anode catalyst layer,
The step of forming the anode gas diffusion layer includes a step of performing a hydrophobic treatment so that the anode gas diffusion layer has a predetermined hydrophobicity.
前記疎水処理を施す工程は、所定の質量パーセント濃度に調製したポリテトラフルオロエチレン(PTFE)溶液をカーボンペーパーに含浸させる工程を有する請求項3記載の燃料電池の製造方法。   4. The method of manufacturing a fuel cell according to claim 3, wherein the step of performing the hydrophobic treatment includes a step of impregnating carbon paper with a polytetrafluoroethylene (PTFE) solution prepared to a predetermined mass percent concentration.
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