JP2009289620A - 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
Shinichi Onodera
小野寺  真一
Hitoshi Koda
仁 甲田
Shinichi Kamibayashi
信一 上林
Naoyuki Takazawa
直之 高澤
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Toshiba Development and Engineering Corp
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell improved in output performance. <P>SOLUTION: The fuel cell is provided with a cathode 6 which includes a cathode catalyst layer 10, a cathode diffusion layer 12, and a cathode porous layer 11 arranged between the cathode catalyst layer 10 and the cathode diffusion layer 12, an anode 5, and an electrolyte membrane 7 arranged between the cathode 6 and the anode 5. In the cathode porous layer 11, air permeability resistance in an Oken type air permeation resistance testing machine on a surface contacting the cathode catalyst layer 10 is larger than that in the Oken type air permeation resistance testing machine on the surface contacting the cathode diffusion layer 12. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池に関するもので、特に小型の液体燃料直接供給型燃料電池に好適なものである。   The present invention relates to a fuel cell, and is particularly suitable for a small liquid fuel direct supply type fuel cell.

近年、リチウムイオン二次電池に代わって、小型の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用いた直接メタノール型燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell: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や、有機燃料を改質して水素を作り出す装置等が必要なく、小型化に優れている。   In recent years, small fuel cells have attracted attention in place of lithium ion secondary batteries. In particular, a direct methanol fuel cell (DMFC) using methanol as a fuel is more difficult to handle hydrogen gas than a fuel cell using hydrogen gas, and the organic fuel is reformed to generate hydrogen. There is no need for a device to create, and it is excellent in miniaturization.

DMFCでは、アノード(例えば燃料極)においてメタノールが酸化分解され、二酸化炭素、プロトンおよび電子が生成する。一方、カソード(例えば空気極)では、空気から得られる酸素と、電解質膜を経て燃料極から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する。また、この外部回路を通る電子によって、電力が供給されることになる。   In DMFC, methanol is oxidized and decomposed at an anode (for example, a fuel electrode) to generate carbon dioxide, protons, and electrons. On the other hand, in the cathode (for example, the air electrode), water is generated by oxygen obtained from air, protons supplied from the fuel electrode through the electrolyte membrane, and electrons supplied from the fuel electrode through an external circuit. In addition, power is supplied by electrons passing through the external circuit.

DMFCにおいては、このような構成で発電を進めるために、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器として備えられ、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。そのため、この構造のDMFCでは、小型化を図ることは難しかった。   In the DMFC, in order to advance power generation with such a configuration, a pump for supplying methanol and a blower for feeding air are provided as auxiliary devices, and a DMFC having a complicated form as a system has been developed. Therefore, it is difficult to reduce the size of the DMFC having this structure.

そこで、メタノールをポンプで供給するのではなく、メタノール収容室と発電素子の間にメタノールの分子を通す膜を設け、メタノールを透過させると共に、メタノール収容室を発電素子の近傍まで近づけ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、ブロワを用いず、発電素子に直接取り付けた吸気口を設置することで、小型DMFCが構築された(例えば、特許文献1参照)。しかし、このような小型DMFCは、機構が簡略化された代わりに、温度などの外部環境要因の影響を受けた場合、発電素子に一定量のメタノールを送ることが難しくなっている。このため、出力を安定して高く発電することが困難となっていた。   Therefore, instead of supplying methanol with a pump, a membrane through which methanol molecules pass is provided between the methanol storage chamber and the power generation element to allow methanol to permeate and reduce the size by bringing the methanol storage chamber close to the vicinity of the power generation element. Was advanced. For intake of air, a small DMFC was constructed by installing an intake port directly attached to the power generation element without using a blower (see, for example, Patent Document 1). However, it is difficult for such a small DMFC to send a certain amount of methanol to the power generation element when it is affected by external environmental factors such as temperature instead of the mechanism being simplified. For this reason, it has been difficult to generate power stably at a high output.

そこで、特許文献2には、メタノールの供給量を制御するために、燃料収容室部分と負極の間に多孔体を設置し、メタノール供給量を絞る技術が開示されている。   Therefore, Patent Document 2 discloses a technique for reducing the methanol supply amount by installing a porous body between the fuel storage chamber portion and the negative electrode in order to control the supply amount of methanol.

また、特許文献3には、空孔をもつカーボン基体に触媒を染み込ませる触媒層が開示されており、かつ電解質膜に直接触媒を形成する方法が開示されている。
特開2007−157462号公報 特開2004−171844号公報 米国特許公報US6,221,523B1
Patent Document 3 discloses a catalyst layer in which a catalyst is infiltrated into a carbon substrate having pores, and a method of directly forming a catalyst on an electrolyte membrane.
JP 2007-157462 A JP 2004-171844 A US Patent Publication US6,221,523B1

本発明は、出力性能が改善された燃料電池を提供しようとするものである。   The present invention seeks to provide a fuel cell with improved output performance.

本発明に係る燃料電池は、カソード触媒層と、カソード拡散層と、前記カソード触媒層及び前記カソード拡散層の間に配置されたカソード多孔質層とを含むカソードと、
アノードと、
前記カソード及び前記アノードの間に配置された電解質膜と
を具備し、
前記カソード多孔質層は、前記カソード触媒層と接する面における王研式透気抵抗度試験機での透気抵抗度が、前記カソード拡散層と接する面における王研式透気抵抗度試験機での透気抵抗度よりも大きいことを特徴とする。
A fuel cell according to the present invention includes a cathode catalyst layer, a cathode diffusion layer, a cathode including the cathode catalyst layer and a cathode porous layer disposed between the cathode diffusion layer,
An anode,
An electrolyte membrane disposed between the cathode and the anode,
The cathode porous layer has an air resistance in a surface in contact with the cathode catalyst layer by an Oken type air resistance tester on a surface in contact with the cathode diffusion layer. It is characterized in that it is larger than the air resistance.

本発明によれば、出力性能が改善された燃料電池を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a fuel cell with improved output performance.

(第1の実施形態)
第1の実施形態に係る燃料電池は、カソード触媒層と、カソード拡散層と、カソード触媒層及びカソード拡散層の間に配置されたカソード多孔質層とを含むカソードを備える。カソード多孔質層は、カソード触媒層と接する面(以下、第1の面と称す)における王研式透気抵抗度試験機での透気抵抗度が、カソード拡散層と接する面(以下、第2の面と称す)における王研式透気抵抗度試験機での透気抵抗度よりも大きい。
(First embodiment)
The fuel cell according to the first embodiment includes a cathode including a cathode catalyst layer, a cathode diffusion layer, and a cathode porous layer disposed between the cathode catalyst layer and the cathode diffusion layer. The cathode porous layer has a surface (hereinafter, referred to as a first surface) in contact with the cathode catalyst layer having a surface resistance (hereinafter referred to as a first surface) in contact with the cathode diffusion layer. This is larger than the air resistance in the Oken air resistance tester.

このような構成の燃料電池によれば、発電によりカソード触媒層に生成した水が、カソード多孔質層の第1の面を透過することができず、カソード触媒層とカソード多孔質層との間に水を保持できるため、アノードへの水の戻りを早くすることができる。また、カソード多孔質層の第2の面は第1の面に比して空気の拡散性に優れるため、カソード拡散層からカソード触媒層への空気の取り込みを早くすることができる。   According to the fuel cell having such a configuration, water generated in the cathode catalyst layer by power generation cannot pass through the first surface of the cathode porous layer, and the space between the cathode catalyst layer and the cathode porous layer is not allowed. Therefore, the water can be returned quickly to the anode. Further, since the second surface of the cathode porous layer is superior in air diffusibility compared to the first surface, air can be taken into the cathode catalyst layer from the cathode diffusion layer faster.

これらの結果、高出力が得られる。   As a result, high output is obtained.

第2の面の透気抵抗度を20ガーレ秒以下とし、かつ第1の面の透気抵抗度を20〜500ガーレ秒の範囲内で第2の面よりも大きい値にすることが望ましい。第2の面の透気抵抗度を20ガーレ秒以下にすることによって、カソード触媒層への空気の取り込みを十分に早くすることができる。また、第1の面の透気抵抗度を20〜500ガーレ秒の範囲内にすることによって、カソード触媒層とカソード多孔質層との間に保持できる水の量を多くすることができる。従って、燃料電池の出力をさらに向上することができる。第1の面の透気抵抗度のより好ましい範囲は、30ガーレ秒以上、300ガーレ秒以下である。また、第2の面の透気抵抗度のより好ましい範囲は、10ガーレ秒以上、100ガーレ秒以下である。   It is desirable that the air permeability resistance of the second surface is 20 gale seconds or less and the air resistance of the first surface is larger than that of the second surface within the range of 20 to 500 gale seconds. By making the air permeability resistance of the second surface 20 galeseconds or less, the air can be taken into the cathode catalyst layer sufficiently quickly. Moreover, the amount of water that can be retained between the cathode catalyst layer and the cathode porous layer can be increased by setting the air resistance of the first surface within the range of 20 to 500 galeseconds. Therefore, the output of the fuel cell can be further improved. A more preferable range of the air resistance of the first surface is not less than 30 gale seconds and not more than 300 gale seconds. Further, a more preferable range of the air resistance of the second surface is 10 gale seconds or more and 100 gale seconds or less.

カソード多孔質層は、疎水性を有することが望ましい。これにより、カソード多孔質層における気体の拡散性をより良好にすることができると共に、カソード触媒層からの水の拡散をさらに抑制することができる。カソード多孔質層が疎水性を有するためには、カソード多孔質層に撥水剤を含有させることが望ましい。撥水剤には、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)のようなフッ素系樹脂等を挙げることができる。   The cathode porous layer is desirably hydrophobic. Thereby, the diffusibility of gas in the cathode porous layer can be improved, and the diffusion of water from the cathode catalyst layer can be further suppressed. In order for the cathode porous layer to be hydrophobic, it is desirable to contain a water repellent in the cathode porous layer. Examples of the water repellent include a fluorine resin such as polytetrafluoroethylene (PTFE).

カソード多孔質層は、カソード触媒層とカソード拡散層間の電気抵抗を小さくするため、導電性物質を含有することが望ましい。導電性物質としては、例えば、炭素材料を挙げることができる。炭素材料には、ケッチェンブラック、プリンテックス、カーボンナノチューブなどが挙げられ、粒子(例えば、球状粒子、扁平状粒子)もしくは繊維の形態を有する炭素材料であれば特に限定されるものではない。特に、炭素材料の微粒子もしくは炭素材料のナノ繊維が好適である。   The cathode porous layer preferably contains a conductive material in order to reduce the electric resistance between the cathode catalyst layer and the cathode diffusion layer. Examples of the conductive substance include a carbon material. Examples of the carbon material include ketjen black, print tex, and carbon nanotube, and the carbon material is not particularly limited as long as it is in the form of particles (for example, spherical particles, flat particles) or fibers. In particular, fine particles of carbon material or nanofibers of carbon material are suitable.

カソード多孔質層は、例えば、以下の(I)〜(III)に説明する方法で作製される。   The cathode porous layer is produced, for example, by the method described in (I) to (III) below.

(I)基材としてのカーボンペーパーに、炭素材料と撥水剤とを含むスラリーをスプレーコート法にて塗布し、乾燥もしくは焼成することにより、カソード多孔質層が得られる。また、カーボンペーパーの片面のみにスラリーを塗布し、乾燥もしくは焼成することによっても、カソード多孔質層が得られる。なお、カーボンペーパーには、撥水処理が施されていても、いなくても良い。   (I) A cathode porous layer is obtained by applying a slurry containing a carbon material and a water repellent to a carbon paper as a substrate by a spray coating method and drying or firing. The cathode porous layer can also be obtained by applying the slurry to only one side of the carbon paper and drying or firing. The carbon paper may or may not be subjected to water repellent treatment.

(II)カーボンペーパー以外の基材に上記スラリーをスプレーコート法にて塗布し、乾燥もしくは焼成した後、得られた層を基材から剥離することによっても、カソード多孔質層を作製することが可能である。   (II) After applying the slurry to a substrate other than carbon paper by a spray coating method and drying or baking, the resulting porous layer can be peeled from the substrate to produce a cathode porous layer. Is possible.

上記(I)及び(II)の方法に示す通りに、カソード多孔質層には、カーボンペーパーを含むもの、あるいは含まないものを使用することができる。   As shown in the above methods (I) and (II), the cathode porous layer may contain carbon paper or not.

(III)スラリー中に撥水剤を添加する代わりに、撥水剤を含まないスラリーを用いてカソード多孔質層を作製した後、得られたカソード多孔質層を撥水剤の溶液に浸漬処理しても良い。   (III) Instead of adding a water repellent to the slurry, a cathode porous layer was prepared using a slurry not containing a water repellent, and the resulting cathode porous layer was immersed in a water repellent solution. You may do it.

カソード多孔質層の透気抵抗度は、例えば、下記の(1)〜(7)の方法により調節することができる。   The air permeability resistance of the cathode porous layer can be adjusted by, for example, the following methods (1) to (7).

(1)カソード多孔質層が導電性物質として炭素材料を含む場合には、炭素材料のかさ密度や形状を選択することにより、透気抵抗度を調整することができる。   (1) When the cathode porous layer includes a carbon material as a conductive substance, the air resistance can be adjusted by selecting the bulk density and shape of the carbon material.

(2)カソード多孔質層が炭素材料及び撥水剤を含む場合には、炭素材料と撥水剤との比率を調整することにより、透気抵抗度を調整することができる。炭素材料の量を増加させると透気抵抗度を低下させることができ、撥水剤の量を増加させると透気抵抗度を高くすることができる。   (2) When the cathode porous layer contains a carbon material and a water repellent, the air resistance can be adjusted by adjusting the ratio of the carbon material and the water repellent. When the amount of the carbon material is increased, the air resistance can be lowered, and when the amount of the water repellent is increased, the air resistance can be increased.

(3)基材に塗布するスラリー量を調整することによって透気抵抗度を調整することができる。塗布量を増やすと透気抵抗度を高くすることができ、塗布量を減らすと透気抵抗度を低くすることができる。   (3) The air resistance can be adjusted by adjusting the amount of slurry applied to the substrate. Increasing the coating amount can increase the air resistance, and decreasing the coating amount can decrease the air resistance.

(4)上記(I)〜(III)の方法における基材にスラリーを塗布する工程でノズルを使用する場合には、ノズル条件、例えばノズル種類、吐出圧、吐出量、吐出距離、吐出時間等を変更すると、スラリーの塗布により形成された膜の密度や膜の表面状態が変わるため、透気抵抗度を調整することができる。一般に、膜の表面の平滑性を高めることにより透気抵抗度を増加させることができ、表面粗さを大きくすることにより透気抵抗度を低下させることができる。また、塗布膜の密度を低くすることにより、透気抵抗度を低下させることができる。   (4) When a nozzle is used in the step of applying the slurry to the substrate in the above methods (I) to (III), the nozzle conditions, such as nozzle type, discharge pressure, discharge amount, discharge distance, discharge time, etc. Since the density of the film formed by applying the slurry and the surface state of the film change, the air resistance can be adjusted. In general, the air resistance can be increased by increasing the smoothness of the surface of the film, and the air resistance can be decreased by increasing the surface roughness. Further, the air resistance can be reduced by reducing the density of the coating film.

(5)上記(I)〜(III)の方法により得られた膜にプレスを施すと、物理的に膜の密度が高くなるため、膜の表面が滑らかになり、透気抵抗度を高くすることができる。   (5) When the film obtained by the above methods (I) to (III) is pressed, the film density is physically increased, so that the surface of the film becomes smooth and the air resistance is increased. be able to.

(6)上記(I)〜(III)の方法における基材にスラリーを塗布する工程において、塗布方法をスプレー法、キャスト法、ディップ法から採用する場合に、塗布方法を変更することにより、透気抵抗度を調整することができる。   (6) In the step of applying the slurry to the substrate in the above methods (I) to (III), when the application method is adopted from the spray method, the cast method, and the dip method, The air resistance can be adjusted.

(7)上記(I)〜(III)の方法における基材にスラリーを塗布した後、塗布したスラリーの乾燥温度もしくは乾燥雰囲気の湿度を調節することにより、透気抵抗度を調整することができる。   (7) After applying the slurry to the substrate in the above methods (I) to (III), the air resistance can be adjusted by adjusting the drying temperature of the applied slurry or the humidity of the drying atmosphere. .

カソード多孔質層の厚さは、300μm〜400μmの範囲にあることが望ましい。   The thickness of the cathode porous layer is desirably in the range of 300 μm to 400 μm.

王研式透気抵抗度試験機による透気抵抗度の測定方法について説明する。   The method for measuring the air resistance by the Oken type air resistance tester will be described.

まず、燃料電池から膜電極接合体(MEA)を取り出し、これを測定サンプルとする。エポキシ樹脂の基材(BUEHLER社製 EPO-MIX EPOXIDE)にサンプルを浸漬し、この状態で室温で6〜8時間放置する。   First, a membrane electrode assembly (MEA) is taken out from the fuel cell and used as a measurement sample. The sample is immersed in an epoxy resin base material (EPO-MIX EPOXIDE manufactured by BUEHLER) and left in this state at room temperature for 6 to 8 hours.

次いで、サンプルを研磨機にかけ、評価面を出す(面を出す順番は、透気抵抗度の大きい順にする)。なお、研磨条件は、紙やすりとして2,400番のものを使用し、ディスク回転速度を150〜300RPMとする。   Next, the sample is put on a polishing machine and an evaluation surface is taken out (the order in which the surface is put out is in order of increasing air resistance). The polishing conditions are sandpaper No. 2,400, and the disk rotation speed is 150 to 300 RPM.

評価面処理の済んだサンプルの王研式透気抵抗度試験機による透気抵抗度を以下の方法により測定する。   The air permeation resistance of the sample that has undergone the evaluation surface treatment is measured by the following method using the Oken air permeation resistance tester.

透気抵抗度の単位であるガーレ秒は、ガーレ法(JIS P8117)に準ずるもので、圧力差0.0132 Kgf/cm2の下で100 cm3の空気が64.5 cm2広さの紙(サンプル)を通過する時間(秒)を意味する。 The Gurley second, which is the unit of air resistance, is based on the Gurley method (JIS P8117). A paper (sample) with 100 cm 3 of air and a width of 64.5 cm 2 under a pressure difference of 0.0132 Kgf / cm 2 is used. Means time (seconds) to pass.

王研式透気抵抗度試験機の規格は、J. TAPPI NO5B(紙パルプ技術協会規格)であり、型式はEGO-2Sである。また、測定端の直径はφ30mmで、ノズル型名はG,100、またはφ10mmでノズル型名は1/10G,100である。   The standard of the Oken type air permeability resistance tester is J. TAPPI NO5B (Standard of Paper and Pulp Technology Association), and the model is EGO-2S. The diameter of the measurement end is φ30 mm, the nozzle type name is G, 100, or φ10 mm, and the nozzle type name is 1/10 G, 100.

以下に測定原理を図1〜図3を参照して説明する。   The measurement principle will be described below with reference to FIGS.

図1は、王研式(背圧式)透気抵抗度測定機の模式図を示す。測定端101には、測定サンプル102(例えばアノード多孔質層)が配置されている。測定端101には、細管103を介して水柱圧力計104が接続されている。水柱圧力計104は、細管103に接続された側圧室(B室)105と、ノズルと呼ばれる細管106を介して接続された定圧室(A室)107とを有する。水柱圧力計104の定圧室(A室)107は、細管108を介して外部圧縮源109に接続されている。細管108には、圧力ゲージ110が設けられている。   FIG. 1 is a schematic view of a Wangken type (back pressure type) air resistance measuring machine. A measurement sample 102 (for example, an anode porous layer) is disposed at the measurement end 101. A water column pressure gauge 104 is connected to the measurement end 101 via a thin tube 103. The water column pressure gauge 104 has a side pressure chamber (B chamber) 105 connected to the narrow tube 103 and a constant pressure chamber (A chamber) 107 connected via a thin tube 106 called a nozzle. A constant pressure chamber (A chamber) 107 of the water column pressure gauge 104 is connected to an external compression source 109 via a thin tube 108. The thin tube 108 is provided with a pressure gauge 110.

測定サンプル102には、外部圧縮源109から配管108、定圧室(A室)107、細管106、側圧室(B室)105、及び細管103を通して供給された空気圧が加わる。外部圧縮源109から供給された時点での空気圧は、圧力ゲージ110により測定される。空気圧が加わるのと反対側の面に加わる圧力は、大気圧に保たれる。   Air pressure supplied from the external compression source 109 through the pipe 108, the constant pressure chamber (A chamber) 107, the narrow tube 106, the side pressure chamber (B chamber) 105, and the narrow tube 103 is applied to the measurement sample 102. The air pressure when supplied from the external compression source 109 is measured by the pressure gauge 110. The pressure applied to the surface opposite to the side where the air pressure is applied is maintained at atmospheric pressure.

測定サンプル102を透過する空気圧は、水柱圧力計104により測定される。測定サンプル102のガーレの透気抵抗度TGは、以下に説明する原理に基づいて得られる。 The air pressure that passes through the measurement sample 102 is measured by a water column pressure gauge 104. The air resistance TG of the Gurley of the measurement sample 102 is obtained based on the principle described below.

図2に、図1の測定機の流路に関する模式図を示す。図2では、図1で説明したのと同様な部材については同符号を付しているが、側圧室(B室)105の右側に接続されている細管111は、測定サンプル102を見立てたものである。   FIG. 2 shows a schematic diagram relating to the flow path of the measuring machine of FIG. In FIG. 2, the same members as those described in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, but the narrow tube 111 connected to the right side of the side pressure chamber (B chamber) 105 is an example of the measurement sample 102. It is.

図2に関して、両細管内の流れが層流の場合は、流量と差圧の関係はハーゲン=ポアゼイユの法則に従う。また、流速が小さい場合は、流路系に連続の法則が適用できる。   Regarding FIG. 2, when the flow in both capillaries is laminar, the relationship between the flow rate and the differential pressure follows Hagen-Poiseuille's law. Further, when the flow velocity is small, a continuous law can be applied to the flow path system.

C=Q=π/8μ・(PC−P)・R4/L …(1)
Q=π/8μ・P・r4/l …(2)
Cは定圧室(A室)107の圧力で、500mmH2Oの定圧に保たれており、Pは側圧室(B室)105の圧力で、QCはノズル106での流量(cm3/sec)で、Qは細管111での流量(cm3/sec)で、Lはノズル106の長さ(mm)、lは細管111の長さ(mm)で、Rはノズル106の内径(mm)で、rは細管111の内径(mm)で、μは空気の粘性係数である。
Q C = Q = π / 8 μ · (P C −P) · R 4 / L (1)
Q = π / 8μ · P · r 4 / l (2)
P C is the pressure in the constant pressure chamber (A chamber) 107 and is maintained at a constant pressure of 500 mmH 2 O, P is the pressure in the side pressure chamber (B chamber) 105, and Q C is the flow rate (cm 3 / sec), Q is the flow rate (cm 3 / sec) in the narrow tube 111, L is the length (mm) of the nozzle 106, l is the length (mm) of the narrow tube 111, and R is the inner diameter (mm) of the nozzle 106. ) Where r is the inner diameter (mm) of the narrow tube 111 and μ is the viscosity coefficient of air.

図3は、ガーレ式測定機の流路についての模式図で、定圧PGに保たれるG室112の空気が細管113を通じて大気中に放出されることを示している。また、細管113は、測定サンプル102を見立てたものである。図3のG室112及び細管113は、図1で説明したのと同様な法則に従う。 Figure 3 is a schematic diagram of the flow path of Gurley measuring instrument shows that the air in the G chamber 112 is maintained at a constant pressure P G is released into the atmosphere through tubules 113. The thin tube 113 is an example of the measurement sample 102. The G chamber 112 and the narrow tube 113 in FIG. 3 follow the same rules as described in FIG.

G=π/8μ・PG・r4/l …(3)
G=100/QG…(4)
G=4W/πD2=0.0132(kgf/cm2)…(5)
Gは、JIS P8117により規定される測定部の内筒(W=567g,D=74mm)から算出される。QGは細管113での流量(cm3/sec)で、TGは透気抵抗度(sec)である。
Q G = π / 8μ · P G · r 4 / l (3)
T G = 100 / Q G (4)
P G = 4 W / πD 2 = 0.0132 (kgf / cm 2 ) (5)
P G is the inner cylinder of the measuring portion defined by JIS P8117 (W = 567g, D = 74mm) is calculated from. Q G is the flow rate (cm 3 / sec) in the narrow tube 113, and TG is the air resistance (sec).

上記の式(1),(2),(3),(4)よりTGとPの関係は次式(6)で与えられる。測定機の定数Kが決定されれば、図1の水柱圧力計に直接ガーレの透気抵抗度TGを見積もることができる。 From the above equations (1), (2), (3), (4), the relationship between TG and P is given by the following equation (6). If the constant K of the measuring machine is determined, the air resistance TG of the Gurley can be estimated directly on the water column pressure gauge of FIG.

G=800μ/πPG・L/R4・P/(PC−P)
=K・P/(PC−P)…(6)
ここで、Kは測定機の定数(K=800μ/πPG・L/R4)であり、細管106の長さL(mm)及び内径R(mm)は設計上定められる。
T G = 800 μ / πP G · L / R 4 · P / (P C -P)
= K · P / (P C -P) (6)
Here, K is a measuring machine constant (K = 800μ / πP G · L / R 4), the length of capillary 106 L (mm) and an inside diameter R (mm) is defined on the design.

以下、第1の実施形態を図4〜図6を参照して説明する。   Hereinafter, a first embodiment will be described with reference to FIGS.

図4に示す燃料電池は、膜電極接合体1と、この膜電極接合体1に燃料を供給する燃料分配機構2と、液体燃料を収容する燃料収容部3と、これら燃料分配機構2と燃料収容部3とを接続する流路4とから主として構成されている。   The fuel cell shown in FIG. 4 includes a membrane electrode assembly 1, a fuel distribution mechanism 2 that supplies fuel to the membrane electrode assembly 1, a fuel storage portion 3 that stores liquid fuel, and the fuel distribution mechanism 2 and the fuel. It is mainly composed of a flow path 4 that connects the accommodating portion 3.

膜電極接合体1は、図4及び図6に示すように、アノード(燃料極)5と、カソード(空気極)6と、燃料極5及び空気極6の間に配置されたプロトン(水素イオン)伝導性の電解質膜7とから構成される。燃料極5は、電解質膜7の一方の面と対向しているアノード触媒層としての燃料極触媒層8と、燃料極触媒層8に積層されたアノード拡散層としての燃料極ガス拡散層9とを有する。   As shown in FIGS. 4 and 6, the membrane electrode assembly 1 includes an anode (fuel electrode) 5, a cathode (air electrode) 6, and protons (hydrogen ions) disposed between the fuel electrode 5 and the air electrode 6. And) a conductive electrolyte membrane 7. The fuel electrode 5 includes a fuel electrode catalyst layer 8 as an anode catalyst layer facing one surface of the electrolyte membrane 7, and a fuel electrode gas diffusion layer 9 as an anode diffusion layer laminated on the fuel electrode catalyst layer 8. Have

燃料極ガス拡散層9は、燃料極触媒層8に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、燃料極触媒層8の集電体も兼ねている。燃料極ガス拡散層9は、例えば、カーボンペーパーから形成される。カーボンペーパーには、撥水性を付与しても良いし、撥水性を付与しなくてもよい。撥水処理には、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)のようなフッ素系樹脂を使用することができる。   The fuel electrode gas diffusion layer 9 serves to uniformly supply fuel to the fuel electrode catalyst layer 8 and also serves as a current collector for the fuel electrode catalyst layer 8. The fuel electrode gas diffusion layer 9 is made of, for example, carbon paper. The carbon paper may be imparted with water repellency or may not be imparted with water repellency. For the water repellent treatment, a fluorine resin such as polytetrafluoroethylene (PTFE) can be used.

一方、空気極6は、電解質膜7の他方の面と対向しているカソード触媒層としての空気極触媒層10と、空気極触媒層10に積層されたカソード多孔質層としての空気極多孔質層11と、空気極多孔質層11に積層されたカソード拡散層としての空気極ガス拡散層12とを有する。   On the other hand, the air electrode 6 includes an air electrode catalyst layer 10 as a cathode catalyst layer facing the other surface of the electrolyte membrane 7, and an air electrode porous layer as a cathode porous layer laminated on the air electrode catalyst layer 10. A layer 11 and an air electrode gas diffusion layer 12 as a cathode diffusion layer laminated on the air electrode porous layer 11.

空気極多孔質層11は、例えば図6に示すように、カーボンペーパーからなる導電性多孔質基材11aと、導電性多孔質基材11aの一方の面に積層され、空気極触媒層10と接する第1の面を有する疎水性導電性多孔質部11bと、導電性多孔質基材11aの他方の面に積層され、空気極ガス拡散層12と接する第2の面を有する疎水性導電性多孔質部11cとを備えた三層構造を有する。   For example, as shown in FIG. 6, the air electrode porous layer 11 is laminated on one surface of a conductive porous substrate 11a made of carbon paper and the conductive porous substrate 11a. Hydrophobic conductive porous portion 11b having a first surface in contact with the hydrophobic conductive material having a second surface stacked on the other surface of conductive porous substrate 11a and in contact with air electrode gas diffusion layer 12 It has a three-layer structure including a porous portion 11c.

空気極ガス拡散層12は、空気極触媒層10に酸化剤を均一に供給する役割を果たすと同時に、空気極触媒層10の集電体も兼ねている。空気極ガス拡散層12には、例えば、撥水処理の施されたカーボンペーパーを使用することができる。撥水処理には、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)のようなフッ素系樹脂を使用することができる。   The air electrode gas diffusion layer 12 serves to uniformly supply the oxidant to the air electrode catalyst layer 10 and also serves as a current collector for the air electrode catalyst layer 10. For the air electrode gas diffusion layer 12, for example, carbon paper subjected to water repellent treatment can be used. For the water repellent treatment, a fluorine resin such as polytetrafluoroethylene (PTFE) can be used.

燃料極触媒層8および空気極触媒層10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。具体的には、燃料極側の触媒として、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、空気極側の触媒として、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。   Examples of the catalyst contained in the fuel electrode catalyst layer 8 and the air electrode catalyst layer 10 include, for example, platinum group elements such as Pt, Ru, Rh, Ir, Os, Pd, etc., and alloys containing platinum group elements. And so on. Specifically, platinum, Pt—Ni, or the like is used as a catalyst on the air electrode side, such as Pt—Ru or Pt—Mo having strong resistance to methanol or carbon monoxide as the fuel electrode side catalyst. Although preferable, 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.

また、燃料極触媒層8、空気極触媒層10及び電解質膜7に含まれ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フッ素系樹脂(デュポン社製の商品名ナフィオン(登録商標)や旭硝子社製の商品名フレミオン(登録商標)のようなパーフルオロスルホン酸重合体等)、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂、無機物(例えば、タングステン酸、リンタングステン酸、硝酸リチウムなど)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 included in the fuel electrode catalyst layer 8, the air electrode catalyst layer 10, and the electrolyte membrane 7 include, for example, a fluorine-based resin having a sulfonic acid group (trade name Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont) Asahi Glass Co., Ltd. trade name Flemion (registered trademark) perfluorosulfonic acid polymer, etc.), hydrocarbon resins having sulfonic acid groups, inorganic substances (eg, tungstic acid, phosphotungstic acid, lithium nitrate, etc.) Although it is mentioned, it is not limited to these.

燃料極ガス拡散層9及び空気極ガス拡散層12には、必要に応じて導電層13が積層される。これら導電層13としては、例えば、金、ニッケルなどの金属材料からなる多孔質層(例えばメッシュ)または箔体、あるいはステンレス鋼(SUS)などの導電性金属材料に金などの良導電性金属を被覆した複合材などが用いられる。電解質膜7と燃料分配機構2およびカバープレート14との間には、それぞれゴム製のOリング15が介在されており、これらによって膜電極接合体(MEA)1からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止している。   A conductive layer 13 is laminated on the fuel electrode gas diffusion layer 9 and the air electrode gas diffusion layer 12 as necessary. Examples of the conductive layer 13 include a porous layer (for example, a mesh) or a foil body made of a metal material such as gold or nickel, or a conductive metal material such as stainless steel (SUS) with a highly conductive metal such as gold. A coated composite material or the like is used. Rubber O-rings 15 are interposed between the electrolyte membrane 7 and the fuel distribution mechanism 2 and the cover plate 14, respectively, thereby preventing fuel leakage and oxidant leakage from the membrane electrode assembly (MEA) 1. It is preventing.

図示を省略したが、カバープレート14は酸化剤である空気を取入れるための開口部を有している。カバープレート14とカソード6との間には、必要に応じて保湿層や表面層が配置される。保湿層は空気極触媒層10で生成された水の一部が含浸されて、水の蒸散を抑制すると共に、空気極触媒層10への空気の均一拡散を促進するものである。表面層は空気の取入れ量を調整するものであり、空気の取入れ量に応じて個数や大きさ等が調整された複数の空気導入口を有している。このようなカバープレート14を備えることにより、酸化剤を供給するためのブロワを用いることなく、酸化剤をカソード6に自然供給することができる。なお、酸化剤は、空気に限定されるものではなく、O2を含むガスを使用可能である。 Although not shown, the cover plate 14 has an opening for taking in air as an oxidant. A moisture retaining layer and a surface layer are disposed between the cover plate 14 and the cathode 6 as necessary. The moisturizing layer is impregnated with a part of the water produced in the air electrode catalyst layer 10 to suppress the transpiration of water and promote uniform diffusion of air into the air electrode catalyst layer 10. The surface layer adjusts the amount of air taken in, and has a plurality of air inlets whose number, size, etc. are adjusted according to the amount of air taken in. By providing such a cover plate 14, the oxidant can be naturally supplied to the cathode 6 without using a blower for supplying the oxidant. Note that the oxidizing agent is not limited to air, and a gas containing O 2 can be used.

燃料収容部3には、膜電極接合体1に対応した液体燃料が収容されている。液体燃料としては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。液体燃料は必ずしもメタノール燃料に限られるものではない。液体燃料は、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、その他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料収容部3には膜電極接合体1に応じた液体燃料が収容される。   Liquid fuel corresponding to the membrane electrode assembly 1 is stored in the fuel storage portion 3. Examples of the liquid fuel include methanol fuels such as aqueous methanol solutions of various concentrations and pure methanol. The liquid fuel is not necessarily limited to methanol fuel. The liquid fuel may be, for example, an ethanol fuel such as an ethanol aqueous solution or pure ethanol, a propanol fuel such as a propanol aqueous solution or pure propanol, a glycol fuel such as a glycol aqueous solution or pure glycol, dimethyl ether, formic acid, or other liquid fuel. In any case, liquid fuel corresponding to the membrane electrode assembly 1 is stored in the fuel storage portion 3.

液体燃料の種類や濃度は限定されるものではない。ただし、複数の燃料排出口22を有する燃料分配機構2の特徴がより顕在化するのは燃料濃度が濃い場合である。このため、燃料電池は、濃度が80%以上のメタノール水溶液もしくは純メタノールを液体燃料として用いた場合に、その性能や効果を特に発揮することができる。   The type and concentration of the liquid fuel are not limited. However, the characteristic of the fuel distribution mechanism 2 having a plurality of fuel discharge ports 22 becomes more apparent when the fuel concentration is high. For this reason, the fuel cell can particularly exhibit its performance and effects when a methanol aqueous solution or pure methanol having a concentration of 80% or more is used as the liquid fuel.

膜電極接合体1のアノード(燃料極)5側には、燃料分配機構2が配置されている。燃料分配機構2は配管のような液体燃料の流路4を介して燃料収容部3と接続されている。燃料分配機構2には燃料収容部3から流路4を介して液体燃料が導入される。流路4は燃料分配機構2や燃料収容部3と独立した配管に限られるものではない。例えば、燃料分配機構2と燃料収容部3とを積層して一体化する場合、これらを繋ぐ液体燃料の流路であってもよい。燃料分配機構2は流路4を介して燃料収容部3と接続されていればよい。   A fuel distribution mechanism 2 is arranged on the anode (fuel electrode) 5 side of the membrane electrode assembly 1. The fuel distribution mechanism 2 is connected to the fuel storage portion 3 through a liquid fuel flow path 4 such as a pipe. Liquid fuel is introduced into the fuel distribution mechanism 2 from the fuel storage portion 3 through the flow path 4. The flow path 4 is not limited to piping independent of the fuel distribution mechanism 2 and the fuel storage unit 3. For example, when the fuel distribution mechanism 2 and the fuel storage unit 3 are stacked and integrated, a liquid fuel flow path connecting them may be used. The fuel distribution mechanism 2 only needs to be connected to the fuel storage unit 3 via the flow path 4.

液体燃料を燃料収容部3から燃料分配機構2まで送る機構は特に限定されるものではない。例えば、使用時の設置場所が固定される場合には、重力を利用して液体燃料を燃料収容部3から燃料分配機構2まで落下させて送液することができる。また、多孔体等を充填した流路4を用いることによって、毛細管現象で燃料収容部3から燃料分配機構2まで送液することができる。さらに、燃料収容部3から燃料分配機構2への送液は、図4に示すように、ポンプ16で実施してもよい。あるいは、燃料分配機構2から膜電極接合体1への燃料供給が行われる構成であればポンプ16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。   The mechanism for feeding the liquid fuel from the fuel storage unit 3 to the fuel distribution mechanism 2 is not particularly limited. For example, when the installation location at the time of use is fixed, liquid fuel can be dropped from the fuel storage unit 3 to the fuel distribution mechanism 2 and fed using gravity. Further, by using the flow path 4 filled with a porous body or the like, the liquid can be fed from the fuel storage portion 3 to the fuel distribution mechanism 2 by a capillary phenomenon. Furthermore, liquid feeding from the fuel storage unit 3 to the fuel distribution mechanism 2 may be performed by a pump 16 as shown in FIG. Alternatively, as long as the fuel is supplied from the fuel distribution mechanism 2 to the membrane electrode assembly 1, a fuel cutoff valve may be arranged instead of the pump 16. In this case, the fuel cutoff valve is provided to control the supply of liquid fuel through the flow path.

燃料分配機構2は、図5に示すように、液体燃料が流路4を介して流入する少なくとも1個の燃料注入口21と、液体燃料やその気化成分を排出する複数個の燃料排出口22とを有する燃料分配板23を備えている。燃料分配板23の内部には図4に示すように、燃料注入口21から導かれた液体燃料の通路となる空隙部24が設けられている。複数の燃料排出口22は燃料通路として機能する空隙部24にそれぞれ直接接続されている。   As shown in FIG. 5, the fuel distribution mechanism 2 includes at least one fuel inlet 21 through which liquid fuel flows through the flow path 4 and a plurality of fuel outlets 22 through which liquid fuel and its vaporized components are discharged. The fuel distribution plate 23 having As shown in FIG. 4, the fuel distribution plate 23 is provided with a gap 24 serving as a liquid fuel passage led from the fuel injection port 21. The plurality of fuel discharge ports 22 are directly connected to gaps 24 that function as fuel passages.

燃料注入口21から燃料分配機構2に導入された液体燃料は空隙部24に入り、この燃料通路として機能する空隙部24を介して複数の燃料排出口22にそれぞれ導かれる。複数の燃料排出口22には、例えば液体燃料の気化成分のみを透過し、液体成分は透過させない気液分離体(図示せず)を配置してもよい。これによって、膜電極接合体1の燃料極5には液体燃料の気化成分が供給される。なお、気液分離体は燃料分配機構2と燃料極5との間に気液分離膜等として設置してもよい。液体燃料の気化成分は複数の燃料排出口22から燃料極5の複数個所に向けて排出される。   The liquid fuel introduced into the fuel distribution mechanism 2 from the fuel inlet 21 enters the gap 24 and is guided to the plurality of fuel discharge ports 22 through the gap 24 functioning as a fuel passage. For example, a gas-liquid separator (not shown) that transmits only the vaporized component of the liquid fuel and does not transmit the liquid component may be disposed in the plurality of fuel discharge ports 22. As a result, the vaporized component of the liquid fuel is supplied to the fuel electrode 5 of the membrane electrode assembly 1. The gas-liquid separator may be installed as a gas-liquid separation membrane or the like between the fuel distribution mechanism 2 and the fuel electrode 5. The vaporized component of the liquid fuel is discharged from a plurality of fuel discharge ports 22 toward a plurality of locations on the fuel electrode 5.

燃料排出口22は膜電極接合体1の全体に燃料を供給することが可能なように、燃料分配板23の燃料極5と対向する面に複数設けられている。燃料排出口22の個数は2個以上であればよいが、膜電極接合体1の面内における燃料供給量を均一化する上で、0.1〜10個/cm2の燃料排出口22が存在するように形成することが好ましい。燃料排出口22の個数が0.1個/cm2未満であると、膜電極接合体1に対する燃料供給量を十分に均一化することができない。燃料排出口22の個数を10個/cm2を超えて形成しても、それ以上の効果が得られない。 A plurality of fuel discharge ports 22 are provided on the surface of the fuel distribution plate 23 facing the fuel electrode 5 so that fuel can be supplied to the entire membrane electrode assembly 1. The number of the fuel discharge ports 22 may be two or more. However, in order to equalize the fuel supply amount in the surface of the membrane electrode assembly 1, 0.1 to 10 / cm 2 fuel discharge ports 22 are provided. It is preferable to form it so that it exists. If the number of the fuel discharge ports 22 is less than 0.1 / cm 2 , the amount of fuel supplied to the membrane electrode assembly 1 cannot be made sufficiently uniform. Even if the number of the fuel discharge ports 22 exceeds 10 / cm 2 , no further effect can be obtained.

上述した燃料分配機構2に導入された液体燃料は空隙部24を介して複数の燃料排出口22に導かれる。燃料分配機構2の空隙部24はバッファとして機能するため、複数の燃料排出口22からそれぞれ規定濃度の燃料が排出される。そして、複数の燃料排出口22は膜電極接合体1の全面に燃料が供給されるように配置されているため、膜電極接合体1に対する燃料供給量を均一化することができる。   The liquid fuel introduced into the fuel distribution mechanism 2 described above is guided to the plurality of fuel discharge ports 22 via the gaps 24. Since the gap 24 of the fuel distribution mechanism 2 functions as a buffer, fuel of a specified concentration is discharged from the plurality of fuel discharge ports 22. Since the plurality of fuel discharge ports 22 are arranged so that fuel is supplied to the entire surface of the membrane electrode assembly 1, the amount of fuel supplied to the membrane electrode assembly 1 can be made uniform.

燃料分配機構2から均一に放出された燃料は、燃料極ガス拡散層9を拡散して燃料極触媒層8に供給される。燃料としてメタノール燃料を使用する場合には、次の式(A)に示すメタノールの内部改質反応を生じさせる必要がある。   The fuel released uniformly from the fuel distribution mechanism 2 diffuses through the fuel electrode gas diffusion layer 9 and is supplied to the fuel electrode catalyst layer 8. When methanol fuel is used as the fuel, it is necessary to cause an internal reforming reaction of methanol represented by the following formula (A).

CHOH+HO → CO+6H+6e …式(A)
内部改質反応で生成されたプロトン(H)は、電解質膜7を伝導し、空気極触媒層10に到達する。空気極ガス拡散層12から供給される気体燃料(たとえば空気)は、空気極ガス拡散層12及び空気極多孔質層11を拡散して、空気極触媒に供給される。空気極触媒に供給された空気は、次の式(B)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。
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e Formula (A)
Protons (H + ) generated by the internal reforming reaction are conducted through the electrolyte membrane 7 and reach the air electrode catalyst layer 10. The gaseous fuel (for example, air) supplied from the air electrode gas diffusion layer 12 diffuses through the air electrode gas diffusion layer 12 and the air electrode porous layer 11 and is supplied to the air electrode catalyst. The air supplied to the air electrode catalyst causes the reaction shown in the following formula (B). By this reaction, water is generated and a power generation reaction occurs.

(3/2)O+6H+6e → 3HO …式(B)
発電反応により生じた水は、空気極6から電解質膜7を通して燃料極触媒層8に供給される。本実施形態においては、空気極触媒層10と空気極ガス拡散層12との間に空気極多孔質層11を配置し、空気極触媒層10と接する面(第1の面)における王研式透気抵抗度試験機での透気抵抗度を、空気極ガス拡散層12と接する面(第2の面)における王研式透気抵抗度試験機での透気抵抗度よりも大きくする。
(3/2) O 2 + 6H + + 6e → 3H 2 O Formula (B)
Water generated by the power generation reaction is supplied from the air electrode 6 to the fuel electrode catalyst layer 8 through the electrolyte membrane 7. In the present embodiment, the air electrode porous layer 11 is disposed between the air electrode catalyst layer 10 and the air electrode gas diffusion layer 12, and the Oken type on the surface (first surface) in contact with the air electrode catalyst layer 10. The air resistance in the air resistance tester is set to be larger than the air resistance in the surface (second surface) in contact with the air electrode gas diffusion layer 12 with the Oken air resistance tester.

その結果、発電により空気極触媒層10に生成した水は、空気極多孔質層11の第1の面を透過せずに、空気極触媒層10と空気極多孔質層11との間に保持される。従って、空気極6内の水を電解質膜7を通して燃料極5へ速やかに戻すことができるため、燃料極5における上記式(A)に示す内部改質反応を促進することができる。   As a result, the water generated in the air electrode catalyst layer 10 by power generation does not pass through the first surface of the air electrode porous layer 11 and is retained between the air electrode catalyst layer 10 and the air electrode porous layer 11. Is done. Therefore, the water in the air electrode 6 can be quickly returned to the fuel electrode 5 through the electrolyte membrane 7, so that the internal reforming reaction shown in the above formula (A) in the fuel electrode 5 can be promoted.

また、空気極多孔質層11の第2の面には、空気極ガス拡散層12からの空気が速やかに透過するため、空気極触媒層10への空気の取り込みを早くすることができる。   Moreover, since the air from the air electrode gas diffusion layer 12 quickly permeates through the second surface of the air electrode porous layer 11, the air can be taken into the air electrode catalyst layer 10 faster.

これらの結果、高出力が得られる。   As a result, high output is obtained.

(第2の実施形態)
第2の実施形態に係る燃料電池は、第1の実施形態で用いるカソードと、以下に説明するアノードとを備える。すなわち、アノードは、アノード触媒層と、アノード拡散層と、前記アノード触媒層及び前記アノード拡散層の間に配置されたアノード多孔質層とを含む。
(Second Embodiment)
The fuel cell according to the second embodiment includes a cathode used in the first embodiment and an anode described below. That is, the anode includes an anode catalyst layer, an anode diffusion layer, and an anode porous layer disposed between the anode catalyst layer and the anode diffusion layer.

アノード多孔質層には、第1〜第3のアノード多孔質層のうちいずれかを使用することができる。   Any of the first to third anode porous layers can be used for the anode porous layer.

第1のアノード多孔質層は、アノード触媒層と接する面(以下、第3の面と称す)における王研式透気抵抗度試験機での透気抵抗度が、アノード拡散層と接する面(以下、第4の面と称す)における王研式透気抵抗度試験機での透気抵抗度と等しい。第1の実施形態と同様にカソード多孔質層を用いているため、カソード触媒層への空気取り込みが改善され、また、発電によりカソードに生成した水は、電解質膜を透過してアノード触媒層に速やかに供給される。その一方で、アノード触媒層の電解質膜側とは反対側に配置されたアノード拡散層まで水が不要に透過してしまう恐れがある。第1のアノード多孔質層は、水の透過を阻止することができるため、第1のアノード多孔質層とアノード触媒層の間に水が溜まり、アノード拡散層の水による目詰まりを抑制することができる。その結果、メタノール等の燃料のアノード触媒層への供給が、円滑に行われる。また、燃料が純メタノールである場合には、アノード多孔質層とアノード触媒層の間で水と燃料が混合されるので、燃料効率が良化する。これらの効果、燃料電池の最大出力の向上と、出力変動の抑制とを達成することができる。   The first anode porous layer has a surface that is in contact with the anode diffusion layer in terms of air resistance in a surface in contact with the anode catalyst layer (hereinafter referred to as a third surface) in the Oken type air resistance tester. Hereinafter, it is equal to the air resistance in the Oken air resistance tester in the fourth surface). Since the cathode porous layer is used as in the first embodiment, the air intake into the cathode catalyst layer is improved, and the water generated in the cathode by power generation permeates the electrolyte membrane to the anode catalyst layer. Promptly supplied. On the other hand, there is a possibility that water may permeate unnecessarily to the anode diffusion layer disposed on the side opposite to the electrolyte membrane side of the anode catalyst layer. Since the first anode porous layer can block water permeation, water is accumulated between the first anode porous layer and the anode catalyst layer, and clogging of the anode diffusion layer with water is suppressed. Can do. As a result, the fuel such as methanol is smoothly supplied to the anode catalyst layer. Further, when the fuel is pure methanol, the fuel efficiency is improved because water and fuel are mixed between the anode porous layer and the anode catalyst layer. These effects, improvement of the maximum output of the fuel cell, and suppression of output fluctuation can be achieved.

第3の面及び第4の面の透気抵抗度は、20ガーレ秒以上、500ガーレ秒以下にすることが望ましい。これにより、第1のアノード多孔質層とアノード触媒層の間に十分な量の水を溜めることができるからである。第3の面及び第4の面の透気抵抗度のより好ましい範囲は、30ガーレ秒以上、300ガーレ秒以下である。さらに好ましい範囲は、10ガーレ秒以上、100ガーレ秒以下である。   It is desirable that the air resistance of the third surface and the fourth surface is 20 gale seconds or more and 500 gale seconds or less. This is because a sufficient amount of water can be stored between the first anode porous layer and the anode catalyst layer. A more preferable range of the air resistance of the third surface and the fourth surface is 30 gale seconds or more and 300 gale seconds or less. A more preferable range is 10 gale seconds or more and 100 gale seconds or less.

第2のアノード多孔質層は、アノード触媒層と接する面(第3の面)における王研式透気抵抗度試験機での透気抵抗度が、アノード拡散層と接する面(第4の面)における王研式透気抵抗度試験機での透気抵抗度よりも大きい。   The second anode porous layer has a surface in contact with the anode diffusion layer (fourth surface) on the surface in contact with the anode catalyst layer (third surface). This is larger than the air resistance in the Oken type air resistance tester.

このような構成によると、発電によりカソードに生成した水が電解質膜を通してアノード触媒層に速やかに供給されるだけでなく、第2のアノード多孔質層の第3の面が水の透過を阻止することができるため、第2のアノード多孔質層とアノード触媒層との間に水を溜めることができる。その結果、アノード拡散層の水による目詰まりを低減することができるため、燃料室およびアノード拡散層からの燃料供給が阻害されない。   According to such a configuration, water generated at the cathode by power generation is not only rapidly supplied to the anode catalyst layer through the electrolyte membrane, but also the third surface of the second anode porous layer blocks water permeation. Therefore, water can be stored between the second anode porous layer and the anode catalyst layer. As a result, clogging of the anode diffusion layer with water can be reduced, and fuel supply from the fuel chamber and the anode diffusion layer is not hindered.

また、燃料が純メタノールである場合には、第2のアノード多孔質層とアノード触媒層との間で水と燃料が混合されるので、燃料効率が良化する。   In addition, when the fuel is pure methanol, water and fuel are mixed between the second anode porous layer and the anode catalyst layer, so that fuel efficiency is improved.

さらに、第2のアノード多孔質層の第4の面では燃料の気体(例えばメタノール)が速やかに拡散するため、燃料供給は第1のアノード多孔質層の場合よりも促進される。   Further, since the fuel gas (for example, methanol) diffuses quickly on the fourth surface of the second anode porous layer, fuel supply is promoted more than in the case of the first anode porous layer.

また、第1の実施形態の場合と同様にカソード多孔質層を用いるため、カソード触媒層への空気の取り込みを早くすることができる。   Moreover, since the cathode porous layer is used as in the case of the first embodiment, air can be taken into the cathode catalyst layer quickly.

これらの結果、高出力な燃料電池が得られる。   As a result, a high output fuel cell can be obtained.

第4の面の透気抵抗度を20ガーレ秒以下とし、かつ第3の面の透気抵抗度を20〜500ガーレ秒の範囲内で第4の面よりも大きい値にすることが望ましい。第4の面の透気抵抗度を20ガーレ秒以下にすることによって、燃料の気体の拡散性を十分なものにすることができる。また、第3の面の透気抵抗度を20〜500ガーレ秒の範囲内で第4の面よりも大きい値にすることによって、第2のアノード多孔質層とアノード触媒層との間に十分な量の水を溜めることができる。これらの結果、出力をさらに改善することができる。第3の面の透気抵抗度のより好ましい範囲は、30ガーレ秒以上、300ガーレ秒以下である。第4の面の透気抵抗度のより好ましい範囲は、10ガーレ秒以上、100ガーレ秒以下である。   It is desirable that the air permeability resistance of the fourth surface is 20 gale seconds or less and the air resistance of the third surface is larger than that of the fourth surface within the range of 20 to 500 gale seconds. By setting the air permeability resistance of the fourth surface to 20 gale seconds or less, the diffusibility of the fuel gas can be made sufficient. In addition, by setting the air resistance of the third surface to a value larger than that of the fourth surface within a range of 20 to 500 galeseconds, it is sufficient between the second anode porous layer and the anode catalyst layer. A large amount of water can be stored. As a result, the output can be further improved. A more preferable range of the air resistance of the third surface is not less than 30 gale seconds and not more than 300 gale seconds. A more preferable range of the air resistance of the fourth surface is 10 gale seconds or more and 100 gale seconds or less.

第3のアノード多孔質層は、アノード触媒層と接する面(第3の面)における王研式透気抵抗度試験機での透気抵抗度が、アノード拡散層と接する面(第4の面)における王研式透気抵抗度試験機での透気抵抗度よりも小さい。   The third anode porous layer has a surface (fourth surface) in contact with the anode diffusion layer by the air resistance measured by the Oken air resistance tester on the surface (third surface) in contact with the anode catalyst layer. ) Is less than the air resistance in the Oken air resistance tester.

第1の実施形態の場合と同様にカソード多孔質層を用いるため、カソード触媒層への空気の取り込みを早くすることができる。また、発電によりカソードに生成した水が電解質膜を通してアノード触媒層に速やかに供給されるだけでなく、第3のアノード多孔質層の第4の面が水の透過を阻止することができるため、第3のアノード多孔質層とアノード触媒層との間だけではなく第3のアノード多孔質層内にも水を溜めることができる。その結果、アノード拡散層の水による目詰まりを低減することができるため、燃料室およびアノード拡散層からの燃料供給が阻害されない。   Since the cathode porous layer is used as in the case of the first embodiment, air can be taken into the cathode catalyst layer faster. In addition, water generated at the cathode by power generation is not only rapidly supplied to the anode catalyst layer through the electrolyte membrane, but also the fourth surface of the third anode porous layer can prevent water from passing through, Water can be stored not only between the third anode porous layer and the anode catalyst layer but also in the third anode porous layer. As a result, clogging of the anode diffusion layer with water can be reduced, and fuel supply from the fuel chamber and the anode diffusion layer is not hindered.

また、第3のアノード多孔質層とアノード触媒層で保持できる水の量が増加したことから、燃料が純メタノールである場合には、第1あるいは第2のアノード多孔質層を用いる場合に比してメタノールが効率的に希釈され、燃料効率がより良化するため、出力が向上されると共に出力の安定性も改善される。   In addition, since the amount of water that can be held in the third anode porous layer and the anode catalyst layer has increased, when the fuel is pure methanol, compared to the case where the first or second anode porous layer is used. Since methanol is efficiently diluted and fuel efficiency is further improved, the output is improved and the stability of the output is also improved.

第3のアノード多孔質層は、第4の面の透気抵抗度を20〜500ガーレ秒の範囲内とし、かつ第3の面の透気抵抗度を20ガーレ秒以下の第4の面よりも小さい値にすることが望ましい。第4の面の透気抵抗度を20〜500ガーレ秒の範囲内にすることによって、アノード触媒層に供給された水が第3のアノード多孔質層を透過するのを抑制することができるため、アノード触媒層及び第3のアノード多孔質層に保持される水の量を多くすることができる。また、第3の面の透気抵抗度を20ガーレ秒以下の第4の面よりも小さい値にすることによって、第3のアノード多孔質層における燃料の拡散を促すことができるため、十分な量の燃料をアノード触媒層に供給することができる。これらの結果、出力及び出力の安定性をさらに改善することができる。第4の面の透気抵抗度のより好ましい範囲は、30ガーレ秒以上、300ガーレ秒以下であり、第3の面の透気抵抗度のより好ましい範囲は、10ガーレ秒、100ガーレ秒以下である。   The third anode porous layer has an air resistance of the fourth surface in the range of 20 to 500 galeseconds and the air resistance of the third surface of the fourth surface of 20 galeseconds or less. It is desirable to make the value smaller. By setting the air permeability resistance of the fourth surface within the range of 20 to 500 galeseconds, it is possible to suppress water supplied to the anode catalyst layer from permeating the third anode porous layer. The amount of water retained in the anode catalyst layer and the third anode porous layer can be increased. In addition, by setting the air resistance of the third surface to a value smaller than that of the fourth surface of 20 gale seconds or less, it is possible to promote the diffusion of fuel in the third anode porous layer. An amount of fuel can be supplied to the anode catalyst layer. As a result, the output and output stability can be further improved. A more preferable range of the air permeability resistance of the fourth surface is 30 gale seconds or more and 300 gale seconds or less, and a more preferable range of the air resistance resistance of the third surface is 10 gale seconds or 100 gale seconds or less. It is.

第1〜第3のアノード多孔質層は、疎水性を有することが望ましい。これにより、アノード多孔質層における気体の拡散性をより良好にすることができると共に、アノード拡散層への水の混入をさらに抑制することができる。アノード多孔質層が疎水性を有するためには、アノード多孔質層に撥水剤を含有させることが望ましい。撥水剤については、カソード多孔質層の場合と同様なものを使用することができる。   It is desirable that the first to third anode porous layers have hydrophobicity. Thereby, the gas diffusibility in the anode porous layer can be improved, and the mixing of water into the anode diffusion layer can be further suppressed. In order for the anode porous layer to be hydrophobic, it is desirable to contain a water repellent in the anode porous layer. As the water repellent, the same one as in the case of the cathode porous layer can be used.

第1〜第3のアノード多孔質層は、アノード触媒層とアノード拡散層との導通を良好にするため、導電性物質を含有することが望ましい。導電性物質としては、例えば、炭素材料を挙げることができる。炭素材料には、例えば、第1の実施形態で説明したのと同様なものを挙げることができる。   The first to third anode porous layers preferably contain a conductive substance in order to improve the electrical connection between the anode catalyst layer and the anode diffusion layer. Examples of the conductive substance include a carbon material. Examples of the carbon material include those similar to those described in the first embodiment.

第1〜第3のアノード多孔質層は、例えば、以下の(a)〜(c)に説明する方法で作製される。   The first to third anode porous layers are produced, for example, by the method described in the following (a) to (c).

(a)基材としてのカーボンペーパーに、炭素材料と撥水剤と溶媒とを含むスラリーをスプレーコート法にて塗布し、乾燥もしくは焼成することにより、アノード多孔質層が得られる。また、カーボンペーパーの片面のみにスラリーを塗布し、乾燥もしくは焼成することによっても、アノード多孔質層が得られる。なお、カーボンペーパーには、撥水処理が施されていても、いなくても良い。撥水処理には、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)のようなフッ素系樹脂を使用することができる。   (A) An anode porous layer is obtained by applying a slurry containing a carbon material, a water repellent and a solvent to carbon paper as a substrate by a spray coating method and drying or firing. The anode porous layer can also be obtained by applying the slurry to only one side of the carbon paper and drying or firing. The carbon paper may or may not be subjected to water repellent treatment. For the water repellent treatment, a fluorine resin such as polytetrafluoroethylene (PTFE) can be used.

(b)カーボンペーパー以外の基材に上記スラリーをスプレーコート法にて塗布し、乾燥もしくは焼成した後、得られた層を基材から剥離することによっても、アノード多孔質層を作製することが可能である。   (B) The anode porous layer can also be produced by applying the slurry to a substrate other than carbon paper by a spray coating method, drying or firing, and then peeling the obtained layer from the substrate. Is possible.

上記(a)及び(b)の方法に示す通りに、アノード多孔質層には、カーボンペーパーを含むもの、あるいは含まないものを使用することができる。   As shown in the methods (a) and (b) above, the anode porous layer may contain carbon paper or not.

(c)スラリー中に撥水剤を添加する代わりに、撥水剤を含まないスラリーを用いてアノード多孔質層を作製した後、得られたアノード多孔質層を撥水剤の溶液に浸漬処理しても良い。   (C) Instead of adding a water repellent to the slurry, an anode porous layer was prepared using a slurry not containing a water repellent, and then the obtained anode porous layer was immersed in a water repellent solution. You may do it.

第1〜第3のアノード多孔質層の透気抵抗度は、例えば、前述した(1)〜(7)の方法により調整することができる。   The air resistance of the first to third anode porous layers can be adjusted by, for example, the methods (1) to (7) described above.

第1〜第3のアノード多孔質層の厚さは、300μm〜400μmの範囲にあることが望ましい。   The thickness of the first to third anode porous layers is preferably in the range of 300 μm to 400 μm.

以下、第2の実施形態を図7を参照して説明する。なお、図7では、前述した図4〜図6で説明したのと同様な部材については同符号を付して説明を省略する。   Hereinafter, a second embodiment will be described with reference to FIG. In FIG. 7, members similar to those described in FIGS. 4 to 6 are given the same reference numerals and description thereof is omitted.

第2の実施形態で使用される膜電極接合体1では、図7に示すように、燃料極5において、燃料極触媒層8と燃料極ガス拡散層9の間に、アノード多孔質層としての燃料極多孔質層17が配置されている。   In the membrane electrode assembly 1 used in the second embodiment, as shown in FIG. 7, in the anode 5, an anode porous layer is provided between the anode electrode catalyst layer 8 and the anode gas diffusion layer 9. A fuel electrode porous layer 17 is disposed.

燃料極多孔質層17は、例えば、カーボンペーパーからなる導電性多孔質基材17aと、導電性多孔質基材17aの一方の面に形成され、燃料極触媒層8と接する第3の面を有する疎水性導電性多孔質部17bと、導電性多孔質基材17aの他方の面に形成され、燃料極ガス拡散層9と接する第4の面を有する疎水性導電性多孔質部17cとを有する。   The fuel electrode porous layer 17 is formed, for example, on a conductive porous substrate 17a made of carbon paper and a third surface in contact with the fuel electrode catalyst layer 8 on one surface of the conductive porous substrate 17a. A hydrophobic conductive porous portion 17b having a hydrophobic conductive porous portion 17c formed on the other surface of the conductive porous substrate 17a and having a fourth surface in contact with the fuel electrode gas diffusion layer 9. Have.

疎水性導電性多孔質部17bの第3の面の透気抵抗度と疎水性導電性多孔質部17cの第4の面の透気抵抗度は、等しくするか、第3の面の透気抵抗度を第4の面に比して大きく又は小さくすることができる。   The air resistance of the third surface of the hydrophobic conductive porous portion 17b is equal to the air resistance of the fourth surface of the hydrophobic conductive porous portion 17c, or the air resistance of the third surface is the same. The resistance can be increased or decreased as compared with the fourth surface.

本発明に適用可能な燃料電池は、その形態から、液体燃料と酸化剤の供給をポンプなどの補器を用いて行うアクティブ型燃料電池、液体燃料の気化成分をアノードに供給するパッシブ型(内部気化型)燃料電池、前述した図4〜図7に示すセミパッシブ型の燃料電池などが挙げられる。アクティブ型燃料電池では、メタノール水溶液からなる燃料について、その量が一定になるようにポンプで調整しながらMEAのアノードへ供給する一方、カソードに対しても空気をポンプで供給する方式が採られる。パッシブ型燃料電池では、MEAのアノードに気化したメタノールを自然供給で送り、一方カソードに対しても外部の空気を自然供給することで、ポンプなどの余計な機器を装備しない方式が採られる。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では、燃料を循環させないことから、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。また、セミパッシブ型の燃料電池は、燃料の供給にポンプを使用しており、内部気化型のような純パッシブ方式とも異なる。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。   The fuel cell applicable to the present invention is an active type fuel cell in which liquid fuel and oxidant are supplied by using an auxiliary device such as a pump, and a passive type (internal) that supplies vaporized components of liquid fuel to the anode. Vaporization type) fuel cell, and the semi-passive type fuel cell shown in FIGS. 4 to 7 described above. The active fuel cell employs a system in which a fuel made of an aqueous methanol solution is supplied to the anode of the MEA while being adjusted by a pump so that the amount thereof is constant, and air is also supplied to the cathode by a pump. In the passive type fuel cell, a system in which vaporized methanol is naturally supplied to the anode of the MEA and natural air is also supplied to the cathode and no extra equipment such as a pump is provided. 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 active method because it does not circulate the fuel, and does not impair the downsizing of the device. Further, the semi-passive type fuel cell uses a pump for supplying fuel, and is different from a pure passive type such as an internal vaporization type. 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.

[実施例]
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
[Example]
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

(実施例1)
<燃料極ガス拡散層の作製>
まず、カーボンペーパー(東レ(株)製TGP−H−120)を平板プレスにて厚さ方向に厚さが1/2になるまで圧縮した。なお、このカーボンペーパーの圧縮前の気孔率は、アルキメデス法を用いて測定したところ75%であった。また、このカーボンペーパーの圧縮後の気孔率は、外形寸法と重量測定により計算した結果、40.5%であった。このカーボンペーパーを燃料極ガス拡散層として用いた。
(Example 1)
<Preparation of fuel electrode gas diffusion layer>
First, carbon paper (TGP-H-120 manufactured by Toray Industries, Inc.) was compressed with a flat plate press in the thickness direction until the thickness became 1/2. In addition, the porosity before compression of this carbon paper was 75% when measured using the Archimedes method. Moreover, the porosity after compression of this carbon paper was 40.5% as a result of calculating by external dimension and weight measurement. This carbon paper was used as a fuel electrode gas diffusion layer.

<燃料極触媒層の作製>
白金ルテニウム合金微粒子を担持したカーボン粒子とナフィオン溶液DE2020(デュポン社製)と溶媒をホモジナイザで混合して約15%固形分のスラリーを作製し、これを燃料極ガス拡散層の一方の面にダイコーターを用いて塗布した。そしてこれを常温乾燥することにより、燃料極触媒層を形成した。
<Preparation of fuel electrode catalyst layer>
Carbon particles carrying platinum ruthenium alloy fine particles, Nafion solution DE2020 (manufactured by DuPont) and a solvent are mixed with a homogenizer to prepare a slurry of about 15% solids, and this is applied to one side of the fuel electrode gas diffusion layer by Daiko. The coating was carried out using a catalyst. And this was dried at room temperature to form a fuel electrode catalyst layer.

<空気極多孔質層の作製>
カーボンペーパー(東レ(株)製TGP−H−030)の一方の面に、グラファイト粒子(VALCAN)53.0wt%と60%のPTFE溶液とを混合して固形分濃度が10%スラリーを作製してスプレーコート法により塗布し、またもう一方の面に、グラファイト粒子(VALCAN)58.1wt%と60%のPTFE溶液とを混合して固形分濃度が10%スラリーを作製してスプレーコート法により塗布、常温で自然乾燥した後に340℃で1時間焼成し、撥水性を持たせた超微多孔層(以後撥水MPLと略す)を形成した。このときの撥水MPLの各面の透気抵抗度を王研式透気抵抗度試験機で測定した。
<Preparation of air electrode porous layer>
One side of carbon paper (TGP-H-030 manufactured by Toray Industries, Inc.) was mixed with 53.0 wt% of graphite particles (VALCAN) and a 60% PTFE solution to prepare a slurry with a solid content concentration of 10%. The other surface is mixed with 58.1 wt% of graphite particles (VALCAN) and a 60% PTFE solution to prepare a slurry with a solid content concentration of 10%. After coating and natural drying at room temperature, it was fired at 340 ° C. for 1 hour to form a water-repellent ultra-microporous layer (hereinafter abbreviated as water-repellent MPL). At this time, the air resistance of each surface of the water-repellent MPL was measured with a Oken type air resistance tester.

<空気極の作製>
白金微粒子を担持したカーボン粒子とナフィオン溶液DE2020(デュポン社製)と溶媒とをホモジナイザで混合して約15%固形分のスラリーを作製した。得られたスラリーを、基材の一方の面にダイコーターを用いて塗布した。そしてこれを常温乾燥して、基材から剥離し、空気極触媒層を形成した。
<Production of air electrode>
Carbon particles carrying platinum fine particles, Nafion solution DE2020 (manufactured by DuPont) and a solvent were mixed with a homogenizer to prepare a slurry having a solid content of about 15%. The obtained slurry was applied to one surface of the substrate using a die coater. And this was dried at normal temperature, it peeled from the base material, and the air electrode catalyst layer was formed.

<膜電極接合体(MEA)の作製>
電解質膜として、固体電解質膜ナフィオン112(デュポン社製)を用い、最初にこの電解質膜と空気極触媒層を重ね合わせ、さらに空気極触媒層に撥水MPLを、透気抵抗度の大きい面(第1の面)が空気極触媒層と接するように重ね、さらに空気極ガス拡散層として気孔率が75%のカーボンペーパー(東レ(株)製TGP−H−060)を重ね合わせ、温度が135℃、圧力が40kgf/cm2の条件でプレスした。続いて、電解質膜の空気極を重ね合わせたのと逆の面に触媒層が電解質膜側になるように燃料極を重ね合わせ、温度が135℃、圧力が10kgf/cm2の条件でプレスし、膜電極接合体(MEA)を作製した。なお、電極面積は、空気極、燃料極ともに12cm2とした。また、燃料極ガス拡散層及び空気極ガス拡散層の透気抵抗度を王研式透気抵抗度試験機で測定したところ、それぞれ、0.175ガーレ秒であった。
<Production of membrane electrode assembly (MEA)>
As the electrolyte membrane, a solid electrolyte membrane Nafion 112 (manufactured by DuPont) was used. First, this electrolyte membrane and the air electrode catalyst layer were overlapped, and further, a water repellent MPL was applied to the air electrode catalyst layer, and a surface with high air resistance ( The first surface) is stacked so as to be in contact with the air electrode catalyst layer, and carbon paper (TGP-H-060 manufactured by Toray Industries, Inc.) having a porosity of 75% is stacked as the air electrode gas diffusion layer, and the temperature is Pressing was performed at a temperature of 40 ° C. and a pressure of 40 kgf / cm 2 . Subsequently, the fuel electrode is overlaid on the opposite side of the air electrode of the electrolyte membrane so that the catalyst layer is on the electrolyte membrane side, and pressing is performed at a temperature of 135 ° C. and a pressure of 10 kgf / cm 2. A membrane electrode assembly (MEA) was produced. The electrode area was 12 cm 2 for both the air electrode and the fuel electrode. Moreover, when the air resistance of the fuel electrode gas diffusion layer and the air electrode gas diffusion layer was measured with a Oken type air resistance tester, it was 0.175 galeseconds, respectively.

<燃料電池の組み立て>
続いて、この膜電極接合体を、空気および気化したメタノールを取り入れるための複数の開孔を有する金箔で挟み、燃料極導電層および空気極導電層を形成した。
<Assembly of fuel cell>
Subsequently, the membrane electrode assembly was sandwiched between gold foils having a plurality of holes for taking in air and vaporized methanol to form a fuel electrode conductive layer and an air electrode conductive layer.

上記の膜電極接合体(MEA)、燃料極導電層、空気極導電層が積層された積層体を樹脂製の2つのフレームで挟み込んだ。なお、膜電極接合体の空気極側と一方のフレームとの間、膜電極接合体の燃料極側と他方のフレームとの間には、それぞれゴム製のOリングを挟持してシールを施した。   The laminate in which the membrane electrode assembly (MEA), the fuel electrode conductive layer, and the air electrode conductive layer were laminated was sandwiched between two resin-made frames. In addition, a rubber O-ring was sandwiched between the air electrode side of the membrane electrode assembly and one frame, and between the fuel electrode side of the membrane electrode assembly and the other frame, respectively. .

また、燃料極側のフレームは、気液分離膜を介して、液体燃料収容室にネジ止めによって固定した。気液分離膜には、厚さ0.2mmのシリコーンシートを使用した。一方、空気極側のフレーム上には、気孔率が28%の多孔質板を配置し、保湿層を形成した。この保湿層上には、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を形成し、ネジ止めによって固定した。   The frame on the fuel electrode side was fixed to the liquid fuel storage chamber with screws via a gas-liquid separation membrane. A 0.2 mm thick silicone sheet was used for the gas-liquid separation membrane. On the other hand, a porous plate having a porosity of 28% was disposed on the frame on the air electrode side to form a moisture retention layer. On this moisturizing layer, a stainless steel plate (SUS304) with a thickness of 2 mm formed with air inlets (4 mm diameter, 64 holes) for air intake is arranged to form a surface cover layer and screwed Fixed by.

上記したように形成された燃料電池の液体燃料収容室に、純メタノールを25ml注入し、温度20℃、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。上記測定を150回連続で行い、141〜150回分の最大出力の平均値を算出し、その結果を下記表1に示す。   25 ml of pure methanol was injected into the liquid fuel storage chamber of the fuel cell 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 20 ° C. and a relative humidity of 50%. The above measurement is performed 150 times continuously, the average value of the maximum output for 141 to 150 times is calculated, and the result is shown in Table 1 below.

(実施例2)
<燃料極多孔質層の作製>
透気抵抗度が0.05ガーレ秒のカーボンペーパー(東レ(株)製TGP−H−030)の一方の面に、グラファイト粒子(VALCAN)52.3wt%と60%のPTFE溶液とを混合して固形分濃度が10%スラリーを作製してスプレーコート法により塗布し、またもう一方の面に、グラファイト粒子(VALCAN)52.4wt%と60%のPTFE溶液とを混合して固形分濃度が10%スラリーを作製してスプレーコート法により塗布、常温で自然乾燥した後に340℃で1時間焼成し、撥水性を持たせた超微多孔層(以後撥水MPLと略す)を形成した。このときの撥水MPLの各面の透気抵抗度を王研式透気抵抗度試験機で測定した。
(Example 2)
<Fabrication of fuel electrode porous layer>
On one side of a carbon paper (TGP-H-030 manufactured by Toray Industries, Inc.) having a permeation resistance of 0.05 gale seconds, 52.3 wt% of graphite particles (VALCAN) and a PTFE solution of 60% were mixed. Then, a slurry with a solid content concentration of 10% was prepared and applied by spray coating. On the other side, 52.4 wt% of graphite particles (VALCAN) and a PTFE solution of 60% were mixed to obtain a solid content concentration. A 10% slurry was prepared, applied by a spray coating method, naturally dried at room temperature, and then fired at 340 ° C. for 1 hour to form a super microporous layer having water repellency (hereinafter abbreviated as water repellent MPL). At this time, the air resistance of each surface of the water-repellent MPL was measured with a Oken type air resistance tester.

得られた燃料極撥水MPLを、燃料極触媒層と接する面(第3の面)及び燃料極ガス拡散層と接する面(第4の面)の透気抵抗度が下記表1に示す値となるように配置すること以外は、前述した実施例1で説明したのと同様な燃料電池を作製した。出力測定の結果を下記表1に示す。   The air resistance of the surface of the fuel electrode water-repellent MPL obtained in contact with the fuel electrode catalyst layer (third surface) and the surface in contact with the fuel electrode gas diffusion layer (fourth surface) is a value shown in Table 1 below. A fuel cell similar to that described in Example 1 was prepared except that the fuel cells were arranged so as to be. The output measurement results are shown in Table 1 below.

(実施例3)
<燃料極多孔質層の作製>
カーボンペーパー(東レ(株)製TGP−H−030)の一方の面に、グラファイト粒子(VALCAN)42.5wt%と60%のPTFE溶液とを混合して固形分濃度が10%スラリーを作製してスプレーコート法により塗布し、またもう一方の面に、グラファイト粒子(VALCAN)52.4wt%と60%のPTFE溶液とを混合して固形分濃度が10%スラリーを作製してスプレーコート法により塗布、常温で自然乾燥した後に340℃で1時間焼成し、撥水性を持たせた超微多孔層(以後撥水MPLと略す)を形成した。このときの撥水MPLの各面の透気抵抗度を王研式透気抵抗度試験機で測定した。
(Example 3)
<Fabrication of fuel electrode porous layer>
One side of carbon paper (TGP-H-030 manufactured by Toray Industries, Inc.) was mixed with 42.5 wt% of graphite particles (VALCAN) and a 60% PTFE solution to prepare a slurry with a solid content concentration of 10%. The other surface is coated with 52.4 wt% of graphite particles (VALCAN) and a 60% PTFE solution to prepare a slurry with a solid content concentration of 10%. After coating and natural drying at room temperature, it was baked at 340 ° C. for 1 hour to form a water-repellent ultra-microporous layer (hereinafter abbreviated as water-repellent MPL). At this time, the air resistance of each surface of the water-repellent MPL was measured with a Oken type air resistance tester.

得られた燃料極撥水MPLを、燃料極触媒層と接する面(第3の面)及び燃料極ガス拡散層と接する面(第4の面)の透気抵抗度が下記表1に示す値となるように配置すること以外は、前述した実施例1で説明したのと同様な燃料電池を作製した。出力測定の結果を下記表1に示す。   The air resistance of the surface of the fuel electrode water-repellent MPL obtained in contact with the fuel electrode catalyst layer (third surface) and the surface in contact with the fuel electrode gas diffusion layer (fourth surface) is a value shown in Table 1 below. A fuel cell similar to that described in Example 1 was prepared except that the fuel cells were arranged so as to be. The output measurement results are shown in Table 1 below.

(実施例4)
<燃料極多孔質層の作製>
カーボンペーパー(東レ(株)製TGP−H−030)の一方の面に、グラファイト粒子(VALCAN)53.0wt%と60%PTFE溶液とを混合して固形分濃度が10%スラリーを作製してスプレーコート法により塗布し、またもう一方の面に、グラファイト粒子(VALCAN)59.3wt%と60%のPTFE溶液とを混合して固形分濃度が10%スラリーを作製してスプレーコート法により塗布、常温で自然乾燥した後に340℃で1時間焼成し、撥水性を持たせた超微多孔層(以後撥水MPLと略す)を形成した。このときの撥水MPLの各面の透気抵抗度を王研式透気抵抗度試験機で測定した。
Example 4
<Fabrication of fuel electrode porous layer>
One side of carbon paper (TGP-H-030 manufactured by Toray Industries, Inc.) was mixed with 53.0 wt% of graphite particles (VALCAN) and 60% PTFE solution to prepare a slurry with a solid content concentration of 10%. It is applied by spray coating, and on the other side, 59.3 wt% of graphite particles (VALCAN) and 60% PTFE solution are mixed to produce a slurry with a solid content concentration of 10% and applied by spray coating. The film was naturally dried at room temperature and then fired at 340 ° C. for 1 hour to form a water-repellent ultra-porous layer (hereinafter abbreviated as water-repellent MPL). At this time, the air resistance of each surface of the water-repellent MPL was measured with a Oken type air resistance tester.

得られた燃料極撥水MPLを、燃料極触媒層と接する面(第3の面)の透気抵抗度が大きくなるように配置すること以外は、前述した実施例1で説明したのと同様な燃料電池を作製した。出力測定の結果を下記表1に示す。   Except that the obtained fuel electrode water-repellent MPL is arranged so that the air resistance of the surface (third surface) in contact with the fuel electrode catalyst layer is increased, it is the same as described in the above-described first embodiment. A fuel cell was prepared. The output measurement results are shown in Table 1 below.

(実施例5)
<燃料極多孔質層の作製>
カーボンペーパー(東レ(株)製TGP−H−030)の一方の面に、グラファイト粒子(VALCAN)42.5wt%と60%PTFE溶液とを混合して固形分濃度が10%スラリーを作製してスプレーコート法により塗布し、またもう一方の面に、グラファイト粒子(VALCAN)49.5wt%と60%PTFE溶液とを混合して固形分濃度が10%スラリーを作製してスプレーコート法により塗布、常温で自然乾燥した後に340℃で1時間焼成し、撥水性を持たせた超微多孔層(以後撥水MPLと略す)を形成した。このときの撥水MPLの各面の透気抵抗度を王研式透気抵抗度試験機で測定した。
(Example 5)
<Fabrication of fuel electrode porous layer>
One side of carbon paper (TGP-H-030 manufactured by Toray Industries, Inc.) was mixed with 42.5 wt% of graphite particles (VALCAN) and a 60% PTFE solution to prepare a slurry with a solid content concentration of 10%. It is applied by spray coating, and on the other side, 49.5 wt% of graphite particles (VALCAN) and 60% PTFE solution are mixed to prepare a slurry having a solid content concentration of 10%, and applied by spray coating. After natural drying at room temperature, the mixture was baked at 340 ° C. for 1 hour to form a super microporous layer having water repellency (hereinafter abbreviated as water repellent MPL). At this time, the air resistance of each surface of the water-repellent MPL was measured with a Oken type air resistance tester.

得られた燃料極撥水MPLを、燃料極触媒層と接する面(第3の面)の透気抵抗度が大きくなるように配置すること以外は、前述した実施例1で説明したのと同様な燃料電池を作製した。出力測定の結果を下記表1に示す。   Except that the obtained fuel electrode water-repellent MPL is arranged so that the air resistance of the surface (third surface) in contact with the fuel electrode catalyst layer is increased, it is the same as described in the above-described first embodiment. A fuel cell was prepared. The output measurement results are shown in Table 1 below.

(比較例1)
燃料極及び空気極の双方に撥水MPLを設けないこと以外は、前述した実施例1で説明したのと同様な燃料電池を作製した。出力測定の結果を下記表1に示す。
(Comparative Example 1)
A fuel cell similar to that described in Example 1 was prepared except that the water repellent MPL was not provided on both the fuel electrode and the air electrode. The output measurement results are shown in Table 1 below.

(比較例2)
<空気極多孔質層の作製>
カーボンペーパー(東レ(株)製TGP−H−030)の一方の面に、グラファイト粒子(VALCAN)53.0wt%と60%PTFE溶液とを混合して固形分濃度が10%スラリーを作製してスプレーコート法により塗布し、またもう一方の面に、グラファイト粒子(VALCAN)53.0wt%と60%PTFE溶液とを混合して固形分濃度が10%スラリーを作製してスプレーコート法により塗布、常温で自然乾燥した後に340℃で1時間焼成し、撥水性を持たせた超微多孔層(以後撥水MPLと略す)を形成した。このときの撥水MPLの各面の透気抵抗度を王研式透気抵抗度試験機で測定した。
(Comparative Example 2)
<Preparation of air electrode porous layer>
One side of carbon paper (TGP-H-030 manufactured by Toray Industries, Inc.) was mixed with 53.0 wt% of graphite particles (VALCAN) and 60% PTFE solution to prepare a slurry with a solid content concentration of 10%. It is applied by spray coating, and on the other side, 53.0 wt% of graphite particles (VALCAN) and 60% PTFE solution are mixed to prepare a slurry with a solid content concentration of 10%, and applied by spray coating. After natural drying at room temperature, the mixture was baked at 340 ° C. for 1 hour to form a super microporous layer having water repellency (hereinafter abbreviated as water repellent MPL). At this time, the air resistance of each surface of the water-repellent MPL was measured with a Oken type air resistance tester.

得られた空気極撥水MPLを、空気極触媒層と接する面(第1の面)及び空気極ガス拡散層と接する面(第2の面)の透気抵抗度が下記表1に示す値となるように配置すること以外は、前述した実施例1で説明したのと同様な燃料電池を作製した。出力測定の結果を下記表1に示す。

Figure 2009289620
The air resistance of the surface (first surface) in contact with the air electrode catalyst layer and the surface (second surface) in contact with the air electrode gas diffusion layer of the obtained air electrode water repellent MPL is a value shown in Table 1 below. A fuel cell similar to that described in Example 1 was prepared except that the fuel cells were arranged so as to be. The output measurement results are shown in Table 1 below.
Figure 2009289620

表1から明らかなように、第1の面の透気抵抗度が第2の面に比して大きい空気極多孔質層を備えた実施例1〜5の燃料電池は、空気極多孔質層を持たない比較例1の燃料電池、第1の面と第2の面の透気抵抗度がほぼ等しい空気極多孔質層を備えた比較例2の燃料電池に比して、最大出力が大きい。特に、実施例1〜5のうち、燃料極多孔質層を備えている実施例2〜5の最大出力が、実施例1に比して大きかった。実施例2と実施例3の比較から、透気抵抗度が10〜100ガーレ秒の範囲にある実施例2の最大出力が高いことがわかる。実施例4と実施例5の比較からも同様な傾向があることがわかる。   As is apparent from Table 1, the fuel cells of Examples 1 to 5 having the air electrode porous layer having the air permeability resistance of the first surface larger than that of the second surface are the air electrode porous layers. Compared to the fuel cell of Comparative Example 1 that does not have the air electrode porous layer having substantially the same air permeability resistance between the first surface and the second surface, the maximum output is large. . In particular, among Examples 1 to 5, the maximum output of Examples 2 to 5 including the fuel electrode porous layer was larger than that of Example 1. From the comparison between Example 2 and Example 3, it can be seen that the maximum output of Example 2 in which the air permeability resistance is in the range of 10 to 100 galeseconds is high. It can be seen from a comparison between Example 4 and Example 5 that there is a similar tendency.

(実施例6)
<空気極多孔質層の作製>
カーボンペーパー(東レ(株)製TGP−H−030)の一方の面に、グラファイト粒子(VALCAN)52.3wt%と60%PTFE溶液とを混合して固形分濃度が10%スラリーを作製してスプレーコート法により塗布し、またもう一方の面に、グラファイト粒子(VALCAN)58.1wt%と60%PTFE溶液とを混合して固形分濃度が10%スラリーを作製してスプレーコート法により塗布、常温で自然乾燥した後に340℃で1時間焼成し、撥水性を持たせた超微多孔層(以後撥水MPLと略す)を形成した。このときの撥水MPLの各面の透気抵抗度を王研式透気抵抗度試験機で測定した。
(Example 6)
<Preparation of air electrode porous layer>
Graphite particles (VALCAN) 52.3 wt% and 60% PTFE solution were mixed on one side of carbon paper (TGP-H-030 manufactured by Toray Industries, Inc.) to prepare a slurry with a solid content concentration of 10%. It is applied by spray coating, and on the other side, 58.1 wt% of graphite particles (VALCAN) and 60% PTFE solution are mixed to prepare a slurry with a solid content concentration of 10% and applied by spray coating. After natural drying at room temperature, the mixture was baked at 340 ° C. for 1 hour to form a super microporous layer having water repellency (hereinafter abbreviated as water repellent MPL). At this time, the air resistance of each surface of the water-repellent MPL was measured with a Oken type air resistance tester.

得られた空気極撥水MPLを、空気極触媒層と接する面(第1の面)の透気抵抗度が大きくなるように配置すること以外は、前述した実施例1で説明したのと同様な燃料電池を作製し、純メタノール注入量が20mL、温度25℃、相対湿度55%の環境で、出力の最大値(最大出力)を電流値と電圧値から測定した。上記測定を150回連続で行い、10回毎に10回分の最大出力の平均値を算出した。そのうちの1〜10回分の最大出力の平均値をA1、141〜150回分の最大出力の平均値をA2とし、平均値の変動率(%)を、(A1−A2)/A1から算出し、その結果を下記表2に示す。 Except that the obtained air electrode water repellent MPL is arranged so that the air permeation resistance of the surface (first surface) in contact with the air electrode catalyst layer is increased, it is the same as that described in the first embodiment. A fuel cell was prepared, and the maximum output value (maximum output) was measured from the current value and the voltage value in an environment where the pure methanol injection amount was 20 mL, the temperature was 25 ° C., and the relative humidity was 55%. The above measurement was continuously performed 150 times, and the average value of the maximum output for 10 times was calculated every 10 times. The average value of the maximum output for 1 to 10 times is A 1 , the average value of the maximum output for 141 to 150 times is A 2, and the variation rate (%) of the average value is (A 1 −A 2 ) / A calculated from 1, and the results are shown in table 2 below.

(実施例7)
<燃料極多孔質層の作製>
カーボンペーパー(東レ(株)製TGP−H−030)の一方の面に、グラファイト粒子(VALCAN)53.0wt%と60%PTFE溶液とを混合して固形分濃度が10%スラリーを作製してスプレーコート法により塗布し、またもう一方の面に、グラファイト粒子(VALCAN)53.0wt%と60%PTFE溶液とを混合して固形分濃度が10%スラリーを作製してスプレーコート法により塗布、常温で自然乾燥した後に340℃で1時間焼成し、撥水性を持たせた超微多孔層(以後撥水MPLと略す)を形成した。このときの撥水MPLの各面の透気抵抗度を王研式透気抵抗度試験機で測定した。
(Example 7)
<Fabrication of fuel electrode porous layer>
One side of carbon paper (TGP-H-030 manufactured by Toray Industries, Inc.) was mixed with 53.0 wt% of graphite particles (VALCAN) and 60% PTFE solution to prepare a slurry with a solid content concentration of 10%. It is applied by spray coating, and on the other side, 53.0 wt% of graphite particles (VALCAN) and 60% PTFE solution are mixed to prepare a slurry with a solid content concentration of 10%, and applied by spray coating. After natural drying at room temperature, the mixture was baked at 340 ° C. for 1 hour to form a super microporous layer having water repellency (hereinafter abbreviated as water repellent MPL). At this time, the air resistance of each surface of the water-repellent MPL was measured with a Oken type air resistance tester.

得られた燃料極撥水MPLを、燃料極触媒層と接する面(第3の面)及び燃料極ガス拡散層と接する面(第4の面)の透気抵抗度が下記表2に示す値となるように配置すること以外は、前述した実施例6で説明したのと同様な燃料電池を作製した。出力測定の結果を下記表2に示す。   The air resistance of the obtained fuel electrode water repellent MPL on the surface (third surface) in contact with the fuel electrode catalyst layer and the surface (fourth surface) in contact with the fuel electrode gas diffusion layer is a value shown in Table 2 below. A fuel cell similar to that described in Example 6 was prepared except that the fuel cells were arranged so as to be. The output measurement results are shown in Table 2 below.

(実施例8)
<燃料極多孔質層の作製>
カーボンペーパー(東レ(株)製TGP−H−030)の一方の面に、グラファイト粒子(VALCAN)42.5wt%と60%PTFE溶液とを混合して固形分濃度が10%スラリーを作製してスプレーコート法により塗布し、またもう一方の面に、グラファイト粒子(VALCAN)42.5wt%と60%PTFE溶液とを混合して固形分濃度が10%スラリーを作製してスプレーコート法により塗布、常温で自然乾燥した後に340℃で1時間焼成し、撥水性を持たせた超微多孔層(以後撥水MPLと略す)を形成した。このときの撥水MPLの各面の透気抵抗度を王研式透気抵抗度試験機で測定した。
(Example 8)
<Fabrication of fuel electrode porous layer>
Graphite particles (VALCAN) 42.5 wt% and 60% PTFE solution were mixed on one side of carbon paper (TGP-H-030 manufactured by Toray Industries, Inc.) to prepare a slurry with a solid content concentration of 10%. It is applied by spray coating, and on the other side, 42.5 wt% of graphite particles (VALCAN) and 60% PTFE solution are mixed to prepare a slurry with a solid content concentration of 10% and applied by spray coating. After natural drying at room temperature, the mixture was baked at 340 ° C. for 1 hour to form a super microporous layer having water repellency (hereinafter abbreviated as water repellent MPL). At this time, the air resistance of each surface of the water-repellent MPL was measured with a Oken type air resistance tester.

得られた燃料極撥水MPLを、燃料極触媒層と接する面(第3の面)及び燃料極ガス拡散層と接する面(第4の面)の透気抵抗度が下記表2に示す値となるように配置すること以外は、前述した実施例6で説明したのと同様な燃料電池を作製した。出力測定の結果を下記表2に示す。   The air resistance of the obtained fuel electrode water repellent MPL on the surface (third surface) in contact with the fuel electrode catalyst layer and the surface (fourth surface) in contact with the fuel electrode gas diffusion layer is a value shown in Table 2 below. A fuel cell similar to that described in Example 6 was prepared except that the fuel cells were arranged so as to be. The output measurement results are shown in Table 2 below.

(実施例9)
<燃料極多孔質層の作製>
カーボンペーパー(東レ(株)製TGP−H−030)の一方の面に、グラファイト粒子(VALCAN)59.2wt%と60%PTFE溶液とを混合して固形分濃度が10%スラリーを作製してスプレーコート法により塗布し、またもう一方の面に、グラファイト粒子(VALCAN)52.5wt%と60%PTFE溶液とを混合して固形分濃度が10%スラリーを作製してスプレーコート法により塗布、常温で自然乾燥した後に340℃で1時間焼成し、撥水性を持たせた超微多孔層(以後撥水MPLと略す)を形成した。このときの撥水MPLの各面の透気抵抗度を王研式透気抵抗度試験機で測定した。
Example 9
<Fabrication of fuel electrode porous layer>
Graphite particles (VALCAN) 59.2 wt% and 60% PTFE solution were mixed on one side of carbon paper (TGP-H-030 manufactured by Toray Industries, Inc.) to prepare a slurry with a solid content concentration of 10%. It is applied by spray coating, and on the other side, 52.5 wt% of graphite particles (VALCAN) and 60% PTFE solution are mixed to prepare a slurry with a solid content concentration of 10%, and applied by spray coating. After natural drying at room temperature, the mixture was baked at 340 ° C. for 1 hour to form a super microporous layer having water repellency (hereinafter abbreviated as water repellent MPL). At this time, the air resistance of each surface of the water-repellent MPL was measured with a Oken type air resistance tester.

得られた燃料極撥水MPLを、燃料極触媒層と接する面(第3の面)の透気抵抗度が小さくなるように配置すること以外は、前述した実施例6で説明したのと同様な燃料電池を作製した。出力測定の結果を下記表2に示す。   The fuel electrode water-repellent MPL obtained is the same as that described in Example 6 except that the air permeability resistance of the surface (third surface) in contact with the fuel electrode catalyst layer is reduced. A fuel cell was prepared. The output measurement results are shown in Table 2 below.

(実施例10)
<燃料極多孔質層の作製>
カーボンペーパー(東レ(株)製TGP−H−030)の一方の面に、グラファイト粒子(VALCAN)49.5wt%と60%PTFE溶液とを混合して固形分濃度が10%スラリーを作製してスプレーコート法により塗布し、またもう一方の面に、グラファイト粒子(VALCAN)42.5wt%と60%PTFE溶液とを混合して固形分濃度が10%スラリーを作製してスプレーコート法により塗布、常温で自然乾燥した後に340℃で1時間焼成し、撥水性を持たせた超微多孔層(以後撥水MPLと略す)を形成した。このときの撥水MPLの各面の透気抵抗度を王研式透気抵抗度試験機で測定した。
(Example 10)
<Fabrication of fuel electrode porous layer>
One side of carbon paper (TGP-H-030 manufactured by Toray Industries, Inc.) was mixed with 49.5 wt% of graphite particles (VALCAN) and a 60% PTFE solution to prepare a slurry with a solid content concentration of 10%. It is applied by spray coating, and on the other side, 42.5 wt% of graphite particles (VALCAN) and 60% PTFE solution are mixed to prepare a slurry with a solid content concentration of 10% and applied by spray coating. After natural drying at room temperature, the mixture was baked at 340 ° C. for 1 hour to form a super microporous layer having water repellency (hereinafter abbreviated as water repellent MPL). At this time, the air resistance of each surface of the water-repellent MPL was measured with a Oken type air resistance tester.

得られた燃料極撥水MPLを、燃料極触媒層と接する面(第3の面)の透気抵抗度が小さくなるように配置すること以外は、前述した実施例6で説明したのと同様な燃料電池を作製した。出力測定の結果を下記表2に示す。   The fuel electrode water-repellent MPL obtained is the same as that described in Example 6 except that the air permeability resistance of the surface (third surface) in contact with the fuel electrode catalyst layer is reduced. A fuel cell was prepared. The output measurement results are shown in Table 2 below.

(比較例3)
燃料極及び空気極の双方に撥水MPLを設けないこと以外は、前述した実施例6で説明したのと同様な燃料電池を作製した。出力測定の結果を下記表2に示す。
(Comparative Example 3)
A fuel cell similar to that described in Example 6 was prepared except that the water-repellent MPL was not provided on both the fuel electrode and the air electrode. The output measurement results are shown in Table 2 below.

(比較例4)
<空気極多孔質層の作製>
カーボンペーパー(東レ(株)製TGP−H−030)の一方の面に、グラファイト粒子(VALCAN)52.3wt%と60%PTFE溶液とを混合して固形分濃度が10%スラリーを作製してスプレーコート法により塗布し、またもう一方の面に、グラファイト粒子(VALCAN)52.3wt%と60%PTFE溶液とを混合して固形分濃度が10%スラリーを作製してスプレーコート法により塗布、常温で自然乾燥した後に340℃で1時間焼成し、撥水性を持たせた超微多孔層(以後撥水MPLと略す)を形成した。このときの撥水MPLの各面の透気抵抗度を王研式透気抵抗度試験機で測定した。
(Comparative Example 4)
<Preparation of air electrode porous layer>
Graphite particles (VALCAN) 52.3 wt% and 60% PTFE solution were mixed on one side of carbon paper (TGP-H-030 manufactured by Toray Industries, Inc.) to prepare a slurry with a solid content concentration of 10%. It is applied by spray coating, and on the other side, 52.3 wt% of graphite particles (VALCAN) and 60% PTFE solution are mixed to prepare a slurry with a solid content concentration of 10% and applied by spray coating. After natural drying at room temperature, the mixture was baked at 340 ° C. for 1 hour to form a super microporous layer having water repellency (hereinafter abbreviated as water repellent MPL). At this time, the air resistance of each surface of the water-repellent MPL was measured with a Oken type air resistance tester.

得られた空気極撥水MPLを、空気極触媒層と接する面(第1の面)及び空気極ガス拡散層と接する面(第2の面)の透気抵抗度が下記表2に示す値となるように配置すること以外は、前述した実施例6で説明したのと同様な燃料電池を作製した。出力測定の結果を下記表2に示す。

Figure 2009289620
The air resistance of the obtained air electrode water repellent MPL on the surface in contact with the air electrode catalyst layer (first surface) and the surface in contact with the air electrode gas diffusion layer (second surface) is a value shown in Table 2 below. A fuel cell similar to that described in Example 6 was prepared except that the fuel cells were arranged so as to be. The output measurement results are shown in Table 2 below.
Figure 2009289620

表2から明らかなように、第1の面の透気抵抗度が第2の面に比して大きい空気極多孔質層を備えた実施例6〜10の燃料電池は、空気極多孔質層を持たない比較例3の燃料電池、第1の面と第2の面の透気抵抗度がほぼ等しい空気極多孔質層を備えた比較例4の燃料電池に比して、出力変動が小さい。特に、実施例6〜10のうち、燃料極多孔質層を備えている実施例7〜10の出力変動が、実施例6に比して小さく、燃料極多孔質層の第3の面の透気抵抗度が第4の面に比して小さい実施例9,10の出力変動が最も小さかった。実施例7と実施例8の比較から、透気抵抗度が10〜100ガーレ秒の範囲にある実施例7の出力変動が小さいことがわかる。実施例9と実施例10の比較からも同様な傾向があることがわかる。   As is clear from Table 2, the fuel cells of Examples 6 to 10 having the air electrode porous layer having the air permeability resistance of the first surface larger than that of the second surface are the air electrode porous layers. Output fluctuation is small compared to the fuel cell of Comparative Example 3 that does not have an air electrode porous layer in which the air permeability resistance of the first surface and the second surface is substantially equal. . In particular, among Examples 6 to 10, the output fluctuation of Examples 7 to 10 including the fuel electrode porous layer is smaller than that of Example 6, and the permeability of the third surface of the fuel electrode porous layer is small. The output fluctuations of Examples 9 and 10 having a small air resistance compared to the fourth surface were the smallest. From the comparison between Example 7 and Example 8, it can be seen that the output fluctuation of Example 7 in which the air permeability resistance is in the range of 10 to 100 galeseconds is small. It can be seen from a comparison between Example 9 and Example 10 that there is a similar tendency.

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燃料極側で利用する構造のものであれば、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。   In the above embodiment, the passive DMFC has been described as an example. However, the fuel cell system is not limited as long as it has a structure that uses water generated by the reaction on the fuel electrode side without being limited to the passive type. It is not something.

なお、本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。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わせにより、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。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。また、アクティブ型燃料電池及びセミパッシブ型の燃料電池においても、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。   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 addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined. Also, in the active type fuel cell and the semi-passive type fuel cell, the same effect as described above can be obtained. 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.

王研式(背圧式)透気抵抗度測定機の模式図。Schematic diagram of Oken type (back pressure type) air permeability resistance measuring machine. 図1の測定機の流路に関する模式図。The schematic diagram regarding the flow path of the measuring machine of FIG. ガーレ式測定機の流路についての模式図。The schematic diagram about the flow path of a Gurley type measuring machine. 本発明の実施形態に係る燃料電池を示す内部透視断面図。1 is an internal perspective sectional view showing a fuel cell according to an embodiment of the present invention. 図4の燃料電池の燃料分配機構を示す斜視図。The perspective view which shows the fuel distribution mechanism of the fuel cell of FIG. 図4の燃料電池の膜電極接合体の拡大断面図。The expanded sectional view of the membrane electrode assembly of the fuel cell of FIG. 第2の実施形態に係る燃料電池に用いる膜電極接合体の拡大断面図。The expanded sectional view of the membrane electrode assembly used for the fuel cell concerning a 2nd embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1…膜電極接合体(MEA)、2…燃料分配機構、3…燃料収容部、4…流路、5…アノード(燃料極)、6…カソード(空気極)、7…電解質膜、8…燃料極触媒層、9…燃料極ガス拡散層、10…空気極触媒層、11…空気極多孔質層、11a…導電性多孔質基材、11b,11c…撥水性導電性多孔質部、12…空気極ガス拡散層、13…導電層、14…カバープレート、15…Oリング、16…ポンプ、17…燃料極多孔質層、17a…導電性多孔質基材、17b,17c…撥水性導電性多孔質部、21…燃料注入口、22…燃料排出口、23…燃料分配板、24…空隙部、101…測定端、102…測定サンプル、103,108,111,113…細管、104…水柱圧力計、105…側圧室(B室)、106…ノズル、107…定圧室(A室)、109…外部圧縮源、110…圧力ゲージ、112…G室。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Membrane electrode assembly (MEA), 2 ... Fuel distribution mechanism, 3 ... Fuel accommodating part, 4 ... Flow path, 5 ... Anode (fuel electrode), 6 ... Cathode (air electrode), 7 ... Electrolyte membrane, 8 ... Fuel electrode catalyst layer, 9 ... Fuel electrode gas diffusion layer, 10 ... Air electrode catalyst layer, 11 ... Air electrode porous layer, 11a ... Conductive porous substrate, 11b, 11c ... Water repellent conductive porous portion, 12 ... Air electrode gas diffusion layer, 13 ... conductive layer, 14 ... cover plate, 15 ... O-ring, 16 ... pump, 17 ... fuel electrode porous layer, 17a ... conductive porous substrate, 17b, 17c ... water repellent conductivity Porous part, 21 ... fuel inlet, 22 ... fuel outlet, 23 ... fuel distribution plate, 24 ... gap, 101 ... measuring end, 102 ... measurement sample, 103,108,111,113 ... capillary, 104 ... Water column pressure gauge, 105 ... side pressure chamber (B chamber), 106 ... nozzle, 107 Constant pressure chamber (A chamber), 109 ... external compression source, 110 ... pressure gauge, 112 ... chamber G.

Claims (3)

カソード触媒層と、カソード拡散層と、前記カソード触媒層及び前記カソード拡散層の間に配置されたカソード多孔質層とを含むカソードと、
アノードと、
前記カソード及び前記アノードの間に配置された電解質膜と
を具備し、
前記カソード多孔質層は、前記カソード触媒層と接する面における王研式透気抵抗度試験機での透気抵抗度が、前記カソード拡散層と接する面における王研式透気抵抗度試験機での透気抵抗度よりも大きいことを特徴とする燃料電池。
A cathode comprising a cathode catalyst layer, a cathode diffusion layer, and a cathode porous layer disposed between the cathode catalyst layer and the cathode diffusion layer;
An anode,
An electrolyte membrane disposed between the cathode and the anode,
The cathode porous layer has an air resistance in a surface in contact with the cathode catalyst layer by an Oken type air resistance tester on a surface in contact with the cathode diffusion layer. A fuel cell characterized by being larger than the air resistance of.
前記アノードは、アノード触媒層と、アノード拡散層と、前記アノード触媒層及び前記アノード拡散層の間に配置されたアノード多孔質層とを含み、
前記アノード多孔質層は、前記アノード触媒層と接する面における王研式透気抵抗度試験機での透気抵抗度が、前記アノード拡散層と接する面における王研式透気抵抗度試験機での透気抵抗度よりも大きいことを特徴とする請求項1記載の燃料電池。
The anode includes an anode catalyst layer, an anode diffusion layer, and an anode porous layer disposed between the anode catalyst layer and the anode diffusion layer,
The anode porous layer is an Oken type air resistance tester on the surface in contact with the anode catalyst layer, and the air resistance in the Oken type air resistance tester on the surface in contact with the anode catalyst layer. The fuel cell according to claim 1, wherein the air resistance is greater than the air resistance.
前記カソード多孔質層及び前記アノード多孔質層の厚さは300〜400μmであることを特徴とする請求項2記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 2, wherein the cathode porous layer and the anode porous layer have a thickness of 300 to 400 μm.
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