JP2018181570A - Solid polymer fuel cell - Google Patents

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美知郎 堀
Michiro Hori
美知郎 堀
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid polymer fuel cell which enables the enhancement of a power generation performance and the prevention of drying up and flooding.SOLUTION: A solid polymer fuel cell 1 comprises: a solid polymer electrolyte film 2; a catalyst layer 3 provided on each face of the solid polymer electrolyte film 2; a gas diffusion layer 4 provided on each of the catalyst layers 3, 3; and water-management porous layers 5 provided between one catalyst layer 3 and one gas diffusion layer 4, and between the other catalyst layer 3 and the other gas diffusion layer 4. In the solid polymer fuel cell 1, a thickness t[μm] of the water-management porous layer 5, a concentration c[%] of a water-repellent material included in the water-management porous layer 5, and a value k determined from a molecular weight m of the water-repellent material are set according to the following formula: k=t*c/log m, where 15≤k≤200.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、固体高分子膜を電解質層とし、その両面に電極を配し、各電極に燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ供給して電気化学反応により電気エネルギーを得る固体高分子形燃料電池に係り、特に、両電極の構成および材質に改良を加えた固体高分子形燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell in which a solid polymer membrane is used as an electrolyte layer, electrodes are provided on both sides thereof, and fuel gas and oxidant gas are supplied to each electrode to obtain electric energy by an electrochemical reaction. In particular, the present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell in which the configuration and material of both electrodes are improved.

固体高分子形燃料電池は、固体高分子膜を電解質層とし、その両面に電極を配した構成とされている。電解質膜には、イオン交換性、機械的強度およびガスバリア性などの特性が要求されると同時に、各電極には、良好な電極反応性に加えて、良好なガス拡散性が要求される。一般的には、主として、各電極は、触媒層とガス拡散層とから構成されているが、触媒層の保水性を向上させるために、触媒層とガス拡散層との間に微多孔質層あるいは水管理層を設ける場合がある。   The polymer electrolyte fuel cell has a structure in which a polymer electrolyte membrane is used as an electrolyte layer and electrodes are disposed on both sides thereof. The electrolyte membrane is required to have properties such as ion exchange properties, mechanical strength and gas barrier properties, and each electrode is also required to have good gas diffusivity in addition to good electrode reactivity. Generally, each electrode is mainly composed of a catalyst layer and a gas diffusion layer, but in order to improve the water retention of the catalyst layer, a microporous layer between the catalyst layer and the gas diffusion layer Or a water management layer may be provided.

本件発明者は先に、保水性を確保するために、下記特許文献1に開示されるような酸化剤触媒層と酸化剤ガス拡散層との間に水蒸発制御用多孔層が設けられた固体高分子形燃料電池を提案している。この固体高分子形燃料電池の水蒸発制御用多孔層は、酸化剤触媒層の湿度をセル全面に亘って一様にするために、ガスの入口側から出口側に向かって、次のように傾斜が付けられている。たとえば、ガスの入口側から出口側に向かって気孔径に分布をつけたり、撥水性や親水性に傾斜を付けたり、また、表面張力に傾斜をつけたりしている。   The inventors of the present invention have previously provided a solid for which a porous layer for controlling water evaporation is provided between an oxidant catalyst layer and an oxidant gas diffusion layer as disclosed in Patent Document 1 below in order to ensure water retention. A polymer fuel cell is proposed. In order to make the humidity of the oxidant catalyst layer uniform over the entire cell surface, the porous layer for water evaporation control of this polymer electrolyte fuel cell is as follows from the inlet side to the outlet side of the gas as follows: It is inclined. For example, the pore diameter is distributed from the gas inlet side to the gas outlet side, the water repellency and the hydrophilicity are graded, and the surface tension is graded.

特許文献2には、燃料電池に用いられるガス拡散電極であって、導電性多孔質基材の少なくとも片面に導電性微粒子と撥水性樹脂とを含む微多孔層が形成されてなるガス拡散電極が開示されている。このガス拡散電極では、導電性多孔質基材の滑落角が70°以下、導電性多孔質基材の空隙率が80%以上であり、かつ、微多孔層の厚みが10μm以上50μm以下、微多孔層の空隙率が60%以上95%以下である。   Patent Document 2 discloses a gas diffusion electrode used in a fuel cell, in which a microporous layer containing conductive fine particles and a water repellent resin is formed on at least one side of a conductive porous substrate. It is disclosed. In this gas diffusion electrode, the sliding angle of the conductive porous substrate is 70 ° or less, the porosity of the conductive porous substrate is 80% or more, and the thickness of the microporous layer is 10 μm to 50 μm, fine The porosity of the porous layer is 60% or more and 95% or less.

特許文献3に開示された多孔質電極基材は、水銀圧入法で測定した際の細孔分布が以下の条件を満たしており、その片面および/または両面にカーボン粉と撥水剤とからなるコーティング層が設けられている。
<条件>
横軸が常用対数表示された細孔分布曲線であって、少なくとも直径1〜100μmの区間は、常用対数表示で等間隔となるような80個の測定点からなり、横軸を対数表示した細孔分布において、直径1〜100μmにおける細孔分布の歪度Sが−1.0<S<−0.5であり、尖度Kが3.0<K<4.5であり、1〜20μmの細孔径範囲においてピークを1つ、20〜100μmの細孔径範囲においてもピークを1つ有し、1〜20μmの細孔径範囲におけるピークが、20〜100μmの細孔径範囲におけるピークよりも高い。
The porous electrode substrate disclosed in Patent Document 3 has a pore distribution when measured by the mercury intrusion method satisfies the following conditions, and is composed of carbon powder and a water repellent on one side and / or both sides thereof. A coating layer is provided.
<Condition>
A pore distribution curve whose abscissa is a normal logarithm display, and at least a section of 1 to 100 μm in diameter consists of 80 measurement points at regular intervals in a common logarithm display, and a narrow axis in which the abscissa is logarithmic In the pore distribution, the skewness S of the pore distribution at a diameter of 1 to 100 μm is −1.0 <S <−0.5, the kurtosis K is 3.0 <K <4.5, and 1 to 20 μm There is one peak in the pore size range of 1, and also one peak in the pore size range of 20 to 100 μm, and the peak in the pore size range of 1 to 20 μm is higher than the peak in the pore size range of 20 to 100 μm.

特開2003−92112号公報JP 2003-92112 A 特開2016−6799号公報JP, 2016-6799, A 特開2016−91996号公報Unexamined-Japanese-Patent No. 2016-91996

いずれの特許文献に記載の発明も、前述した微多孔質層や水管理層を備えているが、それらの具体的構成について、本件発明者はその後も鋭意研究に努めてきた。そして、燃料電池の発電性能およびフラッディングの防止には、微多孔質層や水管理層の厚さ、それらに含有される撥水材料の濃度および分子量が関係していることを知見し、本願発明に至ったものである。   Although the inventions described in any of the patent documents are provided with the above-mentioned microporous layer and water management layer, the inventors of the present invention have made intensive studies for their specific configurations. Then, it was found that the thickness of the microporous layer and the water management layer, and the concentration and molecular weight of the water repellent material contained in them are related to the power generation performance of the fuel cell and the prevention of the flooding, and the present invention The result is

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、発電性能の向上およびフラッディングの防止を図ることができる固体高分子形燃料電池を提供することにある。   The present invention has been made in view of such circumstances, and its main object is to provide a polymer electrolyte fuel cell capable of improving power generation performance and preventing flooding.

上記目的を達成するための本発明に係る固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の両面にそれぞれ設けられる触媒層と、前記両触媒層にそれぞれ設けられるガス拡散層と、一方の前記触媒層と一方の前記ガス拡散層との間、および/または他方の前記触媒層と他方の前記ガス拡散層との間に設けられ、撥水材料を含有する水管理多孔層とを備え、前記水管理多孔層の厚さt[μm]、前記撥水材料の濃度c[%]、および前記撥水材料の分子量mから求められる値kが、次式により設定され、15≦k≦200とされることを特徴とする。
k=t・c/logm
The polymer electrolyte fuel cell according to the present invention for achieving the above object is provided with a solid polymer electrolyte membrane, a catalyst layer provided on both sides of the solid polymer electrolyte membrane, and both catalyst layers. A water containing a water repellent material provided between a gas diffusion layer, one of the catalyst layer and one of the gas diffusion layers, and / or between the other of the catalyst layer and the other of the gas diffusion layers And a control porous layer, wherein a thickness k of the water management porous layer, a concentration c of the water repellent material c [%], and a value k obtained from the molecular weight m of the water repellent material are set by the following equation It is characterized in that 15 ≦ k ≦ 200.
k = t · c / log m

また、本発明に係る固体高分子形燃料電池は、前記水管理多孔層の厚さtが10μm以上100μm以下であり、かつ前記撥水材料の濃度cが1%以上30%以下であることを特徴とする。   In the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, the thickness t of the water management porous layer is 10 μm to 100 μm, and the concentration c of the water repellent material is 1% to 30%. It features.

さらに、本発明に係る固体高分子形燃料電池は、前記撥水材料の分子量mが100以上1億以下であることを特徴とする。   Furthermore, the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention is characterized in that the molecular weight m of the water repellent material is 100 or more and 100 million or less.

本発明に係る固体高分子形燃料電池によれば、水管理多孔層の厚さt、撥水材料の濃度cおよび撥水材料の分子量mから求められる値kが15≦k≦200であるので、発電性能の向上、ドライアップおよびフラッディングの防止を図ることができる。   According to the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, the value k obtained from the thickness t of the water management porous layer, the concentration c of the water repellent material and the molecular weight m of the water repellent material is 15 ≦ k ≦ 200. , Improvement in power generation performance and prevention of dry-up and flooding.

また、本発明に係る固体高分子形燃料電池によれば、発電性能の向上、ドライアップおよびフラッディングの防止をより確実に図ることができると共に、電池のコンパクト化を図ることができる。   In addition, according to the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, the power generation performance can be improved, the dry-up and the prevention of the flooding can be more surely achieved, and the battery can be made compact.

さらに、本発明に係る固体高分子形燃料電池によれば、発電性能の向上、ドライアップおよびフラッディングの防止をさらに確実に図ることができる。   Furthermore, according to the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, the improvement of the power generation performance and the prevention of the dry-up and the flooding can be further surely achieved.

本発明の固体高分子形燃料電池の一実施例を示す概念図である。FIG. 1 is a conceptual view showing an embodiment of a polymer electrolyte fuel cell of the present invention. 本試験に用いられるMEAの仕様を示す表である。It is a table | surface which shows the specification of MEA used for this test. 本試験に用いられる発電評価装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the electric power generation evaluation apparatus used for this test. 本試験の測定条件を示す表である。It is a table | surface which shows the measurement conditions of this test. 利用率20%で加湿温度40℃から60℃の場合において、予備試験CCMを有する固体高分子形燃料電池の発電性能の試験を行った際の電流密度−セル電圧曲線を示すグラフであり、(a)は水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂(分子量が332)混合率が2.1%、かつ水管理多孔層のガス拡散層への塗布量が2.0mg/cmの場合、(b)は水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂混合率が7.8%、かつ水管理多孔層のガス拡散層への塗布量が2.0mg/cmの場合、(c)は水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂混合率が7.8%、かつ水管理多孔層のガス拡散層への塗布量が6.0mg/cmの場合を示している。FIG. 16 is a graph showing a current density-cell voltage curve when testing the power generation performance of a polymer electrolyte fuel cell having a preliminary test CCM at a utilization rate of 20% and a humidification temperature of 40 ° C. to 60 ° C. a) is the case where the mixing ratio of the low molecular weight fluororesin (molecular weight is 332) of the water management porous layer is 2.1% and the application amount of the water management porous layer to the gas diffusion layer is 2.0 mg / cm 2 (b (C) is the water management porous layer when the low molecular weight fluorocarbon resin mixing ratio of the water management porous layer is 7.8% and the application amount of the water management porous layer to the gas diffusion layer is 2.0 mg / cm 2 ). The case is shown in which the low-molecular-weight fluororesin mixing ratio is 7.8% and the coating amount of the water management porous layer to the gas diffusion layer is 6.0 mg / cm 2 . 利用率20%で加湿温度65℃から85℃の場合において、予備試験CCMを有する固体高分子形燃料電池の発電性能の試験を行った際の電流密度−セル電圧曲線を示すグラフであり、(a)は水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂混合率が2.1%、かつ水管理多孔層のガス拡散層への塗布量が2.0mg/cmの場合、(b)は水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂混合率が7.8%、かつ水管理多孔層のガス拡散層への塗布量が2.0mg/cmの場合、(c)は水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂混合率が7.8%、かつ水管理多孔層のガス拡散層への塗布量が6.0mg/cmの場合を示している。14 is a graph showing a current density-cell voltage curve when a test of power generation performance of a polymer electrolyte fuel cell having a preliminary test CCM is performed at a utilization rate of 20% and a humidification temperature of 65 ° C. to 85 ° C. a) When the low molecular weight fluorocarbon resin mixing ratio of the water management porous layer is 2.1% and the application amount of the water management porous layer to the gas diffusion layer is 2.0 mg / cm 2 , (b) is the water management porous (C) is the low molecular weight fluorocarbon resin of the water management porous layer when the low molecular weight fluorocarbon resin mixing ratio of the layer is 7.8% and the application amount of the water management porous layer to the gas diffusion layer is 2.0 mg / cm 2 It shows the case where the mixing ratio is 7.8% and the application amount of the water management porous layer to the gas diffusion layer is 6.0 mg / cm 2 . 利用率40%で加湿温度40℃から60℃の場合において、予備試験CCMを有する固体高分子形燃料電池の発電性能の試験を行った際の電流密度−セル電圧曲線を示すグラフであり、(a)は水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂混合率が2.1%、かつ水管理多孔層のガス拡散層への塗布量が2.0mg/cmの場合、(b)は水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂混合率が7.8%、かつ水管理多孔層のガス拡散層への塗布量が2.0mg/cmの場合、(c)は水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂混合率が7.8%、かつ水管理多孔層のガス拡散層への塗布量が6.0mg/cmの場合を示している。14 is a graph showing a current density-cell voltage curve when a test of power generation performance of a polymer electrolyte fuel cell having a preliminary test CCM is performed at a utilization rate of 40% and a humidification temperature of 40 ° C. to 60 ° C. a) When the low molecular weight fluorocarbon resin mixing ratio of the water management porous layer is 2.1% and the application amount of the water management porous layer to the gas diffusion layer is 2.0 mg / cm 2 , (b) is the water management porous (C) is the low molecular weight fluorocarbon resin of the water management porous layer when the low molecular weight fluorocarbon resin mixing ratio of the layer is 7.8% and the application amount of the water management porous layer to the gas diffusion layer is 2.0 mg / cm 2 It shows the case where the mixing ratio is 7.8% and the application amount of the water management porous layer to the gas diffusion layer is 6.0 mg / cm 2 . 利用率40%で加湿温度65℃から85℃の場合において、予備試験CCMを有する固体高分子形燃料電池の発電性能の試験を行った際の電流密度−セル電圧曲線を示すグラフであり、(a)は水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂混合率が2.1%、かつ水管理多孔層のガス拡散層への塗布量が2.0mg/cmの場合、(b)は水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂混合率が7.8%、かつ水管理多孔層のガス拡散層への塗布量が2.0mg/cmの場合、(c)は水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂混合率が7.8%、かつ水管理多孔層のガス拡散層への塗布量が6.0mg/cmの場合を示している。FIG. 16 is a graph showing a current density-cell voltage curve when testing the power generation performance of a polymer electrolyte fuel cell having a preliminary test CCM at a utilization rate of 40% and a humidification temperature of 65 ° C. to 85 ° C. a) When the low molecular weight fluorocarbon resin mixing ratio of the water management porous layer is 2.1% and the application amount of the water management porous layer to the gas diffusion layer is 2.0 mg / cm 2 , (b) is the water management porous (C) is the low molecular weight fluorocarbon resin of the water management porous layer when the low molecular weight fluorocarbon resin mixing ratio of the layer is 7.8% and the application amount of the water management porous layer to the gas diffusion layer is 2.0 mg / cm 2 It shows the case where the mixing ratio is 7.8% and the application amount of the water management porous layer to the gas diffusion layer is 6.0 mg / cm 2 . 利用率70%で加湿温度40℃から60℃の場合において、予備試験CCMを有する固体高分子形燃料電池の発電性能の試験を行った際の電流密度−セル電圧曲線を示すグラフであり、(a)は水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂混合率が2.1%、かつ水管理多孔層のガス拡散層への塗布量が2.0mg/cmの場合、(b)は水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂混合率が7.8%、かつ水管理多孔層のガス拡散層への塗布量が2.0mg/cmの場合、(c)は水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂混合率が7.8%、かつ水管理多孔層のガス拡散層への塗布量が6.0mg/cmの場合を示している。14 is a graph showing a current density-cell voltage curve when a test of power generation performance of a polymer electrolyte fuel cell having a preliminary test CCM is performed at a utilization rate of 70% and a humidification temperature of 40 ° C. to 60 ° C. a) When the low molecular weight fluorocarbon resin mixing ratio of the water management porous layer is 2.1% and the application amount of the water management porous layer to the gas diffusion layer is 2.0 mg / cm 2 , (b) is the water management porous (C) is the low molecular weight fluorocarbon resin of the water management porous layer when the low molecular weight fluorocarbon resin mixing ratio of the layer is 7.8% and the application amount of the water management porous layer to the gas diffusion layer is 2.0 mg / cm 2 It shows the case where the mixing ratio is 7.8% and the application amount of the water management porous layer to the gas diffusion layer is 6.0 mg / cm 2 . 利用率70%で加湿温度65℃から85℃の場合において、予備試験CCMを有する固体高分子形燃料電池の発電性能の試験を行った際の電流密度−セル電圧曲線を示すグラフであり、(a)は水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂混合率が2.1%、かつ水管理多孔層のガス拡散層への塗布量が2.0mg/cmの場合、(b)は水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂混合率が7.8%、かつ水管理多孔層のガス拡散層への塗布量が2.0mg/cmの場合、(c)は水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂混合率が7.8%、かつ水管理多孔層のガス拡散層への塗布量が6.0mg/cmの場合を示している。FIG. 16 is a graph showing a current density-cell voltage curve when testing the power generation performance of a polymer electrolyte fuel cell having a preliminary test CCM at a utilization rate of 70% and a humidification temperature of 65 ° C. to 85 ° C. a) When the low molecular weight fluorocarbon resin mixing ratio of the water management porous layer is 2.1% and the application amount of the water management porous layer to the gas diffusion layer is 2.0 mg / cm 2 , (b) is the water management porous (C) is the low molecular weight fluorocarbon resin of the water management porous layer when the low molecular weight fluorocarbon resin mixing ratio of the layer is 7.8% and the application amount of the water management porous layer to the gas diffusion layer is 2.0 mg / cm 2 It shows the case where the mixing ratio is 7.8% and the application amount of the water management porous layer to the gas diffusion layer is 6.0 mg / cm 2 . 本実施例の固体高分子形燃料電池の発電性能の試験を行った際の電流密度−セル電圧曲線を示すグラフであり、利用率20%で加湿温度40℃から60℃の場合を示している。It is a graph which shows the current density-cell voltage curve at the time of testing the power generation performance of the polymer electrolyte fuel cell of this example, and shows the case of a humidification temperature of 40 ° C. to 60 ° C. at a utilization rate of 20%. . 本実施例の固体高分子形燃料電池の発電性能の試験を行った際の電流密度−セル電圧曲線を示すグラフであり、利用率20%で加湿温度65℃から85℃の場合を示している。It is a graph which shows the current density-cell voltage curve at the time of testing the power generation performance of the polymer electrolyte fuel cell of this example, and shows the case of a humidification temperature of 65 ° C. to 85 ° C. at a utilization rate of 20%. . 本実施例の固体高分子形燃料電池の発電性能の試験を行った際の電流密度−セル電圧曲線を示すグラフであり、利用率40%で加湿温度40℃から60℃の場合を示している。It is a graph which shows the current density-cell voltage curve at the time of testing the power generation performance of the polymer electrolyte fuel cell of this example, and shows the case where the humidification temperature is 40 ° C. to 60 ° C. at a utilization rate of 40%. . 本実施例の固体高分子形燃料電池の発電性能の試験を行った際の電流密度−セル電圧曲線を示すグラフであり、利用率40%で加湿温度65℃から85℃の場合を示している。It is a graph which shows the current density-cell voltage curve at the time of testing the power generation performance of the polymer electrolyte fuel cell of this example, and shows the case of a humidification temperature of 65 ° C. to 85 ° C. at a utilization rate of 40%. . 本実施例の固体高分子形燃料電池の発電性能の試験を行った際の電流密度−セル電圧曲線を示すグラフであり、利用率70%で加湿温度40℃から60℃の場合を示している。It is a graph which shows the current density-cell voltage curve at the time of testing the power generation performance of the polymer electrolyte fuel cell of this example, and shows the case of a humidification temperature of 40 ° C. to 60 ° C. at a utilization rate of 70%. . 本実施例の固体高分子形燃料電池の発電性能の試験を行った際の電流密度−セル電圧曲線を示すグラフであり、利用率70%で加湿温度65℃から85℃の場合を示している。It is a graph which shows the current density-cell voltage curve at the time of testing the power generation performance of the polymer electrolyte fuel cell of this example, and shows the case of a humidification temperature of 65 ° C. to 85 ° C. with 70% utilization . 本試験に用いられる固体高分子形燃料電池の水管理多孔層のフッ素含有量、塗布量および厚さの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship of the fluorine content of the water management porous layer of the polymer electrolyte fuel cell used for this test, application amount, and thickness. 水管理多孔層の効果の説明図であり、(a)は水管理多孔層なしの場合、(b)は水管理多孔層ありの場合を示している。It is explanatory drawing of the effect of a water management porous layer, (a) is a case without a water management porous layer, (b) has shown the case with a water management porous layer.

以下、本発明の固体高分子形燃料電池の具体的実施例を図面に基づいて詳細に説明する。   Hereinafter, specific examples of the polymer electrolyte fuel cell of the present invention will be described in detail based on the drawings.

図1は、本発明の固体高分子形燃料電池の一実施例を示す概念図である。本実施例の固体高分子形燃料電池1は、電解質膜としての固体高分子電解質膜2と、この固体高分子電解質膜2の両面にそれぞれ設けられる触媒層3と、この両触媒層3,3にそれぞれ設けられるガス拡散層4と、一方の触媒層3と一方のガス拡散層4との間および他方の触媒層3と他方のガス拡散層4との間に設けられる水管理多孔層5と、両ガス拡散層4,4にそれぞれ設けられるセパレータ6とを備える。   FIG. 1 is a conceptual view showing one embodiment of the polymer electrolyte fuel cell of the present invention. The polymer electrolyte fuel cell 1 of this embodiment comprises a solid polymer electrolyte membrane 2 as an electrolyte membrane, a catalyst layer 3 provided on both sides of the solid polymer electrolyte membrane 2, and both catalyst layers 3, 3 And a water management porous layer 5 provided between one catalyst layer 3 and one gas diffusion layer 4 and between the other catalyst layer 3 and the other gas diffusion layer 4 , And the separator 6 provided in each of the two gas diffusion layers 4, 4.

固体高分子電解質膜2は、側面視略矩形状に形成されており、プロトン伝導性を有する電解質膜である。本実施例では、固体高分子電解質膜2は、プロトン交換膜であるパーフルオロカーボンスルホン酸(たとえば米国デュポン社製ナフィオン膜)が用いられる。   The solid polymer electrolyte membrane 2 is formed in a substantially rectangular shape in a side view, and is an electrolyte membrane having proton conductivity. In the present embodiment, as the solid polymer electrolyte membrane 2, perfluorocarbon sulfonic acid (for example, Nafion membrane manufactured by DuPont, USA), which is a proton exchange membrane, is used.

各触媒層3は、側面視略矩形状に形成されており、触媒活性を有する物質と、この物質の担持体と、イオノマーとを備えて構成される層である。触媒活性を有する物質は、たとえば、白金とされる。また、担持体は、たとえば、炭素粒子とされる。さらに、イオノマーは、たとえば、フッ素系高分子電解質とされる。図1に示されるように、一方(左方)の触媒層3には、固体高分子電解質膜2と接触する面(右面)と反対側の面(左面)に、一方のガス拡散層4が設けられる。また、他方(右方)の触媒層3には、固体高分子電解質膜2と接触する面(左面)と反対側の面(右面)に、他方のガス拡散層4が設けられる。   Each catalyst layer 3 is formed in a substantially rectangular shape in a side view, and is a layer including a substance having catalytic activity, a support of the substance, and an ionomer. The substance having catalytic activity is, for example, platinum. Also, the support is, for example, carbon particles. Furthermore, the ionomer is, for example, a fluorine-based polymer electrolyte. As shown in FIG. 1, one gas diffusion layer 4 is formed on the surface (left surface) opposite to the surface (right surface) in contact with the solid polymer electrolyte membrane 2 in the one (left) catalyst layer 3. Provided. The other (right side) catalyst layer 3 is provided with the other gas diffusion layer 4 on the side (right side) opposite to the side (left side) in contact with the solid polymer electrolyte membrane 2.

各ガス拡散層4は、側面視略矩形状に形成されており、反応ガスの触媒層3への拡散を促進する多孔質層である。本実施例では、各ガス拡散層4は、カーボン繊維を含む布状または板状のものが用いられる。   Each gas diffusion layer 4 is formed in a substantially rectangular shape in a side view, and is a porous layer that promotes the diffusion of the reaction gas to the catalyst layer 3. In the present embodiment, each gas diffusion layer 4 is a cloth-like or plate-like one containing carbon fibers.

各水管理多孔層5は、側面視略矩形状に形成されており、撥水材料を含有する層である。撥水材料としては、一般的にはPTFE(ポリテトラフルオロエチレン(分子量数100万から1000万))が用いられるが、本実施例では、より分子量が小さいもの、たとえば、分子量が332の低分子量フッ素樹脂が用いられる。本実施例では、各水管理多孔層5は、カーボン材料と低分子量のフッ素樹脂性の撥水材料との混合物から形成されている。   Each water management porous layer 5 is formed in a substantially rectangular shape in a side view, and is a layer containing a water repellent material. Generally, PTFE (polytetrafluoroethylene (molecular weight of several million to 10,000,000)) is used as the water repellent material, but in the present embodiment, a material having a smaller molecular weight, for example, a low molecular weight of 332 is used. A fluorine resin is used. In the present embodiment, each water management porous layer 5 is formed of a mixture of a carbon material and a low molecular weight fluororesin water repellent material.

各水管理多孔層5に用いられる低分子量フッ素樹脂は、分子量が332であり、既存のフッ素系樹脂とは異なる非晶構造を有し、特殊なパーフルオロ溶液に溶解可能であり、かつ100℃で溶媒を蒸発させることによって薄膜コーティングを施すことができる。その上、従来のテフロン(登録商標)と同様の方法での撥水処理が可能である。さらに、低分子量フッ素樹脂の直径は、PTFEと比較して遥かに小さいので、後述するバルカンブラックを粒子単位で包み込むようにコーティング可能である。従って、従来のPTFE撥水剤と比較して、より良好な撥水性能が期待できる。   The low molecular weight fluorine resin used in each water management porous layer 5 has a molecular weight of 332, has an amorphous structure different from existing fluorine resins, is soluble in a special perfluoro solution, and is 100 ° C. The thin film coating can be applied by evaporating the solvent. Moreover, water repellent treatment is possible in the same manner as conventional Teflon (registered trademark). Furthermore, since the diameter of the low molecular weight fluorocarbon resin is much smaller than that of PTFE, it can be coated so as to wrap the particles of Vulcan Black described later in particle units. Therefore, better water repellent performance can be expected as compared with the conventional PTFE water repellent.

各セパレータ6は、側面視略矩形状に形成されており、たとえば、耐蝕処理が行われた金属板、高密度のカーボン板、またはカーボンと樹脂との複合板などが用いられる。図1に示されるように、一方のセパレータ6は、一方のガス拡散層4において、一方の水管理多孔層5と接触する面と反対側の面に設けられる。この一方のセパレータ6には、燃料ガスの流路である燃料ガス流通溝7が形成されている。燃料ガスとしては、たとえば、炭化水素系燃料を改質して得られる水素含有ガスが用いられる。また、他方のセパレータ6は、他方のガス拡散層4において、他方の水管理多孔層5と接触する面と反対側の面に設けられる。この他方のセパレータ6には、酸化剤ガスの流路である酸化剤ガス流通溝8が形成されている。酸化剤ガスとしては、たとえば、空気が用いられる。   Each separator 6 is formed in a substantially rectangular shape in a side view, and for example, a metal plate subjected to corrosion resistance treatment, a high density carbon plate, a composite plate of carbon and a resin, or the like is used. As shown in FIG. 1, one separator 6 is provided on one gas diffusion layer 4 on the opposite side to the surface in contact with one water management porous layer 5. In one of the separators 6 is formed a fuel gas flow channel 7 which is a flow path of the fuel gas. As a fuel gas, for example, a hydrogen-containing gas obtained by reforming a hydrocarbon fuel is used. The other separator 6 is provided on the other side of the other gas diffusion layer 4 opposite to the side in contact with the other water management porous layer 5. In the other separator 6, an oxidant gas flow groove 8 which is a flow path of oxidant gas is formed. As the oxidant gas, for example, air is used.

このようにして、中央に配置される固体高分子電解質膜2から一方へ向けて順に、一方の触媒層3、一方の水管理多孔層5、一方のガス拡散層4および一方のセパレータ6が設けられる。また、固体高分子電解質膜2から他方へ向けて順に、他方の触媒層3、他方の水管理多孔層5、他方のガス拡散層4および他方のセパレータ6が設けられる。これにより、単電池である固体高分子形燃料電池1が構成される。   Thus, one catalyst layer 3, one water management porous layer 5, one gas diffusion layer 4 and one separator 6 are provided sequentially from the solid polymer electrolyte membrane 2 disposed in the center toward one side. Be The other catalyst layer 3, the other water management porous layer 5, the other gas diffusion layer 4 and the other separator 6 are provided in order from the solid polymer electrolyte membrane 2 to the other. Thereby, the polymer electrolyte fuel cell 1 which is a unit cell is comprised.

固体高分子形燃料電池では、ガス拡散層での生成水の排出性が悪い場合、ガス拡散層内に生成水が蓄積して細孔が閉塞され、ガスの通過を阻害するフラッディングが発生する。これとは逆に、電池内の水分が不足すると電解質膜のイオン導電性が低下したり、乾燥状態になるドライアップが生じたりする。従って、燃料と酸化剤との反応により生成される水や、電池内に供給されるガスの加湿による水分の管理が極めて重要となる。   In the polymer electrolyte fuel cell, when the dischargeability of the generated water in the gas diffusion layer is poor, the generated water is accumulated in the gas diffusion layer to clog the pores, and the flooding which inhibits the passage of the gas occurs. On the other hand, when the water content in the battery is insufficient, the ion conductivity of the electrolyte membrane may be reduced, or a dry up may occur. Therefore, it is extremely important to control the water produced by the reaction between the fuel and the oxidant and the moisture by humidifying the gas supplied into the battery.

そこで、本実施例では、ガス拡散層4と触媒層3との間に、撥水材料を含有する水管理多孔層5を設けることで、ガス拡散層4や固体高分子電解質膜2の濡れ性が適切となるようにしている。具体的には、本実施例の固体高分子形燃料電池1は、水管理多孔層5の厚さt[μm]、水管理多孔層5に含有される撥水材料の濃度c[%]および撥水材料の分子量mから求められる値kが、次式により設定され、15≦k≦200とされる。従って、本実施例の固体高分子形燃料電池1によれば、発電性能の向上、ドライアップおよびフラッディングの防止を図ることができる。   Therefore, in the present embodiment, by providing the water management porous layer 5 containing a water repellent material between the gas diffusion layer 4 and the catalyst layer 3, the wettability of the gas diffusion layer 4 or the solid polymer electrolyte membrane 2 is obtained. To be appropriate. Specifically, in the polymer electrolyte fuel cell 1 of this example, the thickness t [μm] of the water management porous layer 5, the concentration c [%] of the water repellent material contained in the water management porous layer 5, and The value k determined from the molecular weight m of the water repellent material is set by the following equation, and 15 ≦ k ≦ 200. Therefore, according to the polymer electrolyte fuel cell 1 of the present embodiment, it is possible to improve power generation performance and prevent dry-up and flooding.

[数1] k=t・c/logm     [Equation 1] k = t · c / log m

なお、本実施例の固体高分子形燃料電池1では、水管理多孔層5の厚さtが10μm以上100μm以下であり、かつ撥水材料の濃度cが1%以上30%以下であるのが好ましい。これにより、発電性能の向上、ドライアップおよびフラッディングの防止をより確実に図ることができることに加えて、電池のコンパクト化を図ることができる。また、本実施例の固体高分子形燃料電池1では、撥水材料の分子量mが100以上1億以下であるのが好ましい。これにより、発電性能の向上、ドライアップおよびフラッディングの防止をさらに確実に図ることができる。さらに、本実施例の固体高分子形燃料電池1では、低分子量フッ素樹脂が用いられるので、水管理多孔層5を従来よりも薄くすることができ、撥水材料の使用量を低減することができる。従って、本実施例の固体高分子形燃料電池1が搭載されるスタック(たとえば、燃料電池自動車および家庭用燃料電池など)にかかるコストを低減することができ、低加湿から高加湿までの幅広い運転域でのスタックの運転が可能となる。   In the polymer electrolyte fuel cell 1 of this example, the thickness t of the water management porous layer 5 is 10 μm to 100 μm, and the concentration c of the water repellent material is 1% to 30%. preferable. As a result, in addition to the fact that the improvement of the power generation performance and the prevention of dry-up and flooding can be achieved more reliably, the battery can be made compact. Further, in the polymer electrolyte fuel cell 1 of the present embodiment, the water-repellent material preferably has a molecular weight m of 100 or more and 100 million or less. Thereby, the improvement of the power generation performance, and the prevention of the dry-up and the flooding can be further surely achieved. Furthermore, in the polymer electrolyte fuel cell 1 of the present embodiment, a low molecular weight fluorocarbon resin is used, so the water management porous layer 5 can be made thinner than before, and the amount of use of the water repellent material can be reduced. it can. Therefore, the cost of the stack (for example, a fuel cell automobile and a home use fuel cell) on which the polymer electrolyte fuel cell 1 of this embodiment is mounted can be reduced, and a wide range of operation from low humidity to high humidity. It is possible to operate the stack in the area.

次に、本実施例の固体高分子形燃料電池1の発電性能の試験について説明する。   Next, a test of the power generation performance of the polymer electrolyte fuel cell 1 of the present embodiment will be described.

本試験に用いられる固体高分子形燃料電池1は、次のようにして水管理多孔層5が形成される。まず、カーボン材料と撥水材料との混合物が製造される。本試験では、カーボンブラックであるバルカンブラック(キャボット社製)をビーカーに入れ、低分子量樹脂(分子量が32)9%溶液と低分子量フッ素樹脂(分子量が332)用溶剤とを加えて、薬さじでしっかりと混ぜ合わせる。次に、その混合物を乾燥炉(株式会社東洋製作所製)にて60℃で1時間乾燥させる。その後、混合物が微細な粉末状になったら、混合物をビーカーから撹拌混合器であるブレンダー(型式:WB−1(株式会社大阪ケミカル製))に移し替え、約20秒間撹拌する。この撹拌を計3回繰り返す。そして最後に、粉末状のPTFEをブレンダーに入れ、約20秒間撹拌する。このようにして、カーボン材料と低分子量フッ素樹脂との混合物が製造される。   The water management porous layer 5 is formed in the polymer electrolyte fuel cell 1 used in the present test as follows. First, a mixture of carbon material and water repellent material is manufactured. In this test, carbon black Vulcan black (made by Cabot Co., Ltd.) is placed in a beaker, a 9% solution of low molecular weight resin (molecular weight is 32) and a solvent for low molecular weight fluorocarbon resin (molecular weight is 332) are added. Mix well with. Next, the mixture is dried in a drying oven (manufactured by Toyo Seisakusho Co., Ltd.) at 60 ° C. for 1 hour. Thereafter, when the mixture is in the form of a fine powder, the mixture is transferred from the beaker to a stirring mixer, a blender (type: WB-1 (Osaka Chemical Co., Ltd.)), and stirred for about 20 seconds. This stirring is repeated a total of three times. And finally, put powdered PTFE into a blender and stir for about 20 seconds. In this way, a mixture of carbon material and low molecular weight fluorocarbon resin is produced.

製造された粉末状の混合物は、予め低分子量フッ素樹脂1%溶液により撥水処理を施したカーボンペーパー(24cm×14cm四方)上に、乾式塗布装置によって吸引塗布される。なお、カーボンペーパーは、東レ株式会社製の厚さ280μmのものを用いた。混合物が塗布されたカーボンペーパーは、焼成炉(株式会社東洋製作所製)において、355℃で15分間焼成が行われる。その後、ローラを用いて、塗布された混合物の厚みを一様にしつつ、カーボンペーパーに混合物を定着させる。ここでは、焼成炉での焼成とローラによる定着とを2回繰り返す。このようにして、ガス拡散層4に水管理多孔層5が設けられる。   The powdery mixture thus prepared is applied by suction onto a carbon paper (24 cm × 14 cm square) which has been previously subjected to water repellent treatment with a low molecular weight fluorine resin 1% solution by a dry coating apparatus. The carbon paper used was 280 μm in thickness manufactured by Toray Industries, Inc. The carbon paper coated with the mixture is fired at 355 ° C. for 15 minutes in a firing furnace (manufactured by Toyo Seisakusho Co., Ltd.). Thereafter, using a roller, the mixture is fixed on carbon paper while making the thickness of the applied mixture uniform. Here, the firing in the firing furnace and the fixing by the roller are repeated twice. Thus, the water management porous layer 5 is provided on the gas diffusion layer 4.

図2は、本試験に用いられるMEA(Membrane Electrode Assembly)の仕様を示す表である。本試験では、初めに、予備試験CCM(Catalyst Coated Membrane)および後述するガス拡散層を用いて、水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂混合率および水管理多孔層のガス拡散層への塗布量を変化させて、後述の条件の下で発電試験を実施した。ここで、予備試験CCMは、電解質膜2として厚さ25μmのフッ素系電解質膜を用い、カソードおよびアノード触媒層3として田中貴金属株式会社製のカーボン担持白金触媒を用いたものである。そして、その試験結果から、最も発電性能が優れていた前記混合率および前記塗布量を見出し、その見出された条件の水管理多孔層5と、電解質膜2としての炭化水素系膜と、イオノマーであるフッ素系高分子電解質を含有する触媒層3と、後述するガス拡散層とを組み合わせて、発電試験を行うという方法をとった。なお、本試験では、ガス拡散層は、耐フラッディング性が高いとされる厚さ120μmのカーボンペーパーKP(三菱レイヨン株式会社製)が用いられており、予め低分子量フッ素樹脂1%溶液にて撥水処理が施されている。このガス拡散層に、水管理多孔層が塗布される。以上のような材料でMEAを構成し、このMEAをセルホルダーに組み込んで単セル(単電池)とした。セルホルダーは、たとえば、カーボン材に、リブ幅1mm、溝幅1mm、溝深さ0.5mmの16本の直線流路を機械加工したものである。   FIG. 2 is a table showing the specifications of MEA (Membrane Electrode Assembly) used in this test. In this test, first, using a preliminary test CCM (Catalyst Coated Membrane) and a gas diffusion layer to be described later, the low molecular weight fluororesin mixing ratio of the water management porous layer and the application amount of the water management porous layer to the gas diffusion layer The power generation test was carried out under the conditions described later by changing. Here, preliminary test CCM uses a 25 μm-thick fluorine-based electrolyte membrane as the electrolyte membrane 2 and uses a carbon-supported platinum catalyst manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd. as the cathode and anode catalyst layers 3. Then, from the test results, the mixing ratio and the coating amount having the most excellent power generation performance are found, and the water management porous layer 5 under the found conditions, the hydrocarbon-based film as the electrolyte membrane 2, and the ionomer The power generation test was performed by combining the catalyst layer 3 containing the fluorine-based polymer electrolyte and the gas diffusion layer described later. In addition, in this test, carbon paper KP (made by Mitsubishi Rayon Co., Ltd.) having a thickness of 120 μm, which is considered to be highly resistant to flooding, is used for the gas diffusion layer, Water treatment is applied. A water management porous layer is applied to the gas diffusion layer. An MEA is formed of the above materials, and this MEA is incorporated into a cell holder to form a single cell (unit cell). The cell holder is, for example, a carbon material machined by machining 16 linear channels having a rib width of 1 mm, a groove width of 1 mm, and a groove depth of 0.5 mm.

図3は、本試験に用いられる発電評価装置の概略構成図である。発電評価装置9は、二つの加湿器10,11と、電子負荷装置12と、データ収録装置(不図示)とを備えて構成される。一方の加湿器10は、燃料ガスを単電池のアノード13に供給する燃料ガス供給路14に設けられている。燃料ガス供給路14には、加湿器10よりも上流側に、上流側から順に減圧弁15および流量計16が設けられている。また、他方の加湿器11は、酸化剤ガスを単電池のカソード17に供給する酸化剤ガス供給路18に設けられている。酸化剤ガス供給路18には、加湿器11よりも上流側に、上流側から順に減圧弁19および流量計20が設けられている。また、発電評価装置に組み込まれた電子負荷装置12によって、発電で得られた電流および電圧を任意の値に設定することも可能である。データ収録装置(型番:DELL LATITUDE D510(評価ソフトは株式会社エヌエフ製で、As510燃料電池評価システムが用いられている))は、予め設定されたプログラムに従い、燃料ガスおよび酸化剤ガスの加湿温度やセル温度を始め、ガス利用率や負荷電圧、セルへのガス供給の有無といった評価装置の運転を全自動で制御することができる。また、データ収録装置は、セル電圧や電流密度、セル内部抵抗およびセル温度などを自動的に取得することができる。このような構成であるので、発電評価装置9は、供試体である単セルに、予め加湿した任意の流量の燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給することができ、セル温度およびガス加湿温度を任意に設定することができる。   FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a power generation evaluation device used in the present test. The power generation evaluation device 9 includes two humidifiers 10 and 11, an electronic load device 12, and a data recording device (not shown). One humidifier 10 is provided in a fuel gas supply passage 14 for supplying a fuel gas to the anode 13 of the unit cell. In the fuel gas supply passage 14, a pressure reducing valve 15 and a flow meter 16 are provided on the upstream side of the humidifier 10 in order from the upstream side. The other humidifier 11 is provided in an oxidant gas supply passage 18 that supplies oxidant gas to the cathode 17 of the unit cell. A pressure reducing valve 19 and a flow meter 20 are provided in the oxidant gas supply passage 18 on the upstream side of the humidifier 11 in order from the upstream side. Moreover, it is also possible to set the current and voltage obtained by power generation to arbitrary values by the electronic load device 12 incorporated in the power generation evaluation device. The data acquisition system (model number: DELL LATITUDE D510 (the evaluation software is manufactured by NFU Inc. and the As510 fuel cell evaluation system is used)) follows the preset program, and the humidification temperature of the fuel gas and the oxidant gas The operation of the evaluation device such as the cell temperature, gas utilization, load voltage, and presence or absence of gas supply to the cell can be fully automatically controlled. In addition, the data acquisition device can automatically acquire cell voltage, current density, cell internal resistance, cell temperature, and the like. With such a configuration, the power generation evaluation device 9 can supply the fuel cell and the oxidant gas at an arbitrary flow rate previously humidified to the unit cell which is the test object, and the cell temperature and the gas humidification temperature can be arbitrarily selected. It can be set to

図4は、本試験の測定条件を示す表である。この図に示されるように、本試験では、後述する全試験を通してセル温度を75℃に保ち、燃料および酸化剤の加湿温度を40℃から85℃まで変化させた。また、本試験では、燃料利用率を70%に固定した状態で、酸化剤利用率を20%、40%および70%の3パターンで行った。さらに、本試験では、燃料ガスの流れる方向と酸化剤ガスの流れる方向とが互いに対向するようにした。なお、本試験で用いられる発電評価装置は、酸化剤側マスフローコントローラの最大流量が3.0L/minとなっているため、利用率20%、40%および70%での最大電流密度がそれぞれ、800mA/cm、1600mA/cmおよび2400mA/cmとなっている。 FIG. 4 is a table showing measurement conditions of this test. As shown in this figure, in this test, the cell temperature was kept at 75 ° C. throughout all the tests described later, and the humidification temperature of the fuel and the oxidant was changed from 40 ° C. to 85 ° C. Moreover, in this test, with the fuel utilization fixed at 70%, the oxidant utilization was performed in three patterns of 20%, 40% and 70%. Furthermore, in this test, the flow direction of the fuel gas and the flow direction of the oxidant gas were made to face each other. In the power generation evaluation apparatus used in this test, the maximum flow rate at the oxidant side mass flow controller is 3.0 L / min, so the maximum current densities at 20%, 40% and 70% utilization rates are respectively The values are 800 mA / cm 2 , 1600 mA / cm 2 and 2400 mA / cm 2 .

図5は、予備試験CCMを有する固体高分子形燃料電池の発電性能の試験を行った際の電流密度−セル電圧曲線を示すグラフであり、(a)は水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂混合率が2.1%、かつ水管理多孔層のガス拡散層への塗布量が2.0mg/cmの場合、(b)は水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂混合率が7.8%、かつ水管理多孔層のガス拡散層への塗布量が2.0mg/cmの場合、(c)は水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂混合率が7.8%、かつ水管理多孔層のガス拡散層への塗布量が6.0mg/cmの場合を示している。なお、図5においては、利用率が20%で、加湿温度が40℃から60℃とされている。 FIG. 5 is a graph showing a current density-cell voltage curve when testing the power generation performance of a polymer electrolyte fuel cell having a preliminary test CCM, wherein (a) is a low molecular weight fluororesin of the water management porous layer When the mixing ratio is 2.1% and the application amount of the water management porous layer to the gas diffusion layer is 2.0 mg / cm 2 , (b) is the low molecular weight fluororesin mixing ratio of the water management porous layer is 7.8 %, And when the coating amount of the water management porous layer to the gas diffusion layer is 2.0 mg / cm 2 , (c) is 7.8% of the low molecular weight fluororesin mixing ratio of the water management porous layer and the water management porous The case where the application amount to the gas diffusion layer of the layer is 6.0 mg / cm 2 is shown. In FIG. 5, the utilization rate is 20%, and the humidification temperature is 40 ° C. to 60 ° C.

図5からわかるように、水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂混合率が2.1%、かつ水管理多孔層のガス拡散層への塗布量が2.0mg/cmとしたセルが最も発電性能に優れていることが確認できた。一方、水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂混合率が7.8%、かつ水管理多孔層のガス拡散層への塗布量が6.0mg/cmとしたセルでは、特に加湿温度が40℃から50℃の領域において、電流密度の増加と共にセル電圧が低下する傾向が見られた。 As can be seen from FIG. 5, the cell with the low molecular weight fluororesin mixing ratio of the water management porous layer at 2.1% and the application amount of the water management porous layer to the gas diffusion layer at 2.0 mg / cm 2 is the most power generating It has been confirmed that the performance is excellent. On the other hand, in the cell in which the low molecular weight fluororesin mixing ratio of the water management porous layer is 7.8% and the application amount of the water management porous layer to the gas diffusion layer is 6.0 mg / cm 2 , the humidification temperature is 40 ° C. in particular. The cell voltage tended to decrease with the increase of the current density in the range from 50 ° C. to 50 ° C.

図6は、予備試験CCMを有する固体高分子形燃料電池の発電性能の試験を行った際の電流密度−セル電圧曲線を示すグラフであり、(a)は水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂混合率が2.1%、かつ水管理多孔層のガス拡散層への塗布量が2.0mg/cmの場合、(b)は水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂混合率が7.8%、かつ水管理多孔層のガス拡散層への塗布量が2.0mg/cmの場合、(c)は水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂混合率が7.8%、かつ水管理多孔層のガス拡散層への塗布量が6.0mg/cmの場合を示している。なお、図6においては、利用率が20%で、加湿温度が65℃から85℃とされている。 FIG. 6 is a graph showing a current density-cell voltage curve when testing the power generation performance of a polymer electrolyte fuel cell having a preliminary test CCM, wherein (a) is a low molecular weight fluororesin of the water management porous layer When the mixing ratio is 2.1% and the application amount of the water management porous layer to the gas diffusion layer is 2.0 mg / cm 2 , (b) is the low molecular weight fluororesin mixing ratio of the water management porous layer is 7.8 %, And when the coating amount of the water management porous layer to the gas diffusion layer is 2.0 mg / cm 2 , (c) is 7.8% of the low molecular weight fluororesin mixing ratio of the water management porous layer and the water management porous The case where the application amount to the gas diffusion layer of the layer is 6.0 mg / cm 2 is shown. In FIG. 6, the utilization rate is 20%, and the humidification temperature is 65 ° C. to 85 ° C.

図6から分かるように、最も発電性能が優れているのは、水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂混合率が7.8%、かつ水管理多孔層のガス拡散層への塗布量が2.0mg/cmとしたセルであることが確認できた。また、このセルでは、全ての加湿温度域において同じ発電性能を発揮していることから、フラッディングを全く起こしていないものと推測することができる。一方、水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂混合率が7.8%、かつ水管理多孔層のガス拡散層への塗布量が6.0mg/cmとしたセルでは、加湿温度65℃の際にセル性能が大きく乱れており、フラッディングが生じたものと推測される。水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂混合率が2.1%、かつ水管理多孔層のガス拡散層への塗布量が2.0mg/cmとしたセルでは、加湿温度が高くなるにつれて発電性能が低下する傾向が見られた。 As can be seen from FIG. 6, the power generation performance is most excellent when the mixing ratio of the low molecular weight fluororesin in the water management porous layer is 7.8% and the application amount of the water management porous layer to the gas diffusion layer is 2. It could be confirmed that the cell was at 0 mg / cm 2 . Moreover, in this cell, since the same power generation performance is exhibited in all the humidified temperature regions, it can be inferred that no flooding is caused at all. On the other hand, in the case of a cell in which the low molecular weight fluororesin mixing ratio of the water management porous layer is 7.8% and the application amount of the water management porous layer to the gas diffusion layer is 6.0 mg / cm 2 , the humidification temperature is 65 ° C. Cell performance is greatly disturbed, and it is presumed that flooding has occurred. In cells in which the low molecular weight fluorocarbon resin mixing ratio of the water management porous layer is 2.1% and the application amount of the water management porous layer to the gas diffusion layer is 2.0 mg / cm 2 , the power generation performance is increased as the humidification temperature increases. Tended to decrease.

図7は、予備試験CCMを有する固体高分子形燃料電池の発電性能の試験を行った際の電流密度−セル電圧曲線を示すグラフであり、(a)は水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂混合率が2.1%、かつ水管理多孔層のガス拡散層への塗布量が2.0mg/cmの場合、(b)は水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂混合率が7.8%、かつ水管理多孔層のガス拡散層への塗布量が2.0mg/cmの場合、(c)は水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂混合率が7.8%、かつ水管理多孔層のガス拡散層への塗布量が6.0mg/cmの場合を示している。なお、図7においては、利用率が40%で、加湿温度が40℃から60℃とされている。 FIG. 7 is a graph showing a current density-cell voltage curve when testing the power generation performance of a polymer electrolyte fuel cell having a preliminary test CCM, wherein (a) is a low molecular weight fluororesin of the water management porous layer When the mixing ratio is 2.1% and the application amount of the water management porous layer to the gas diffusion layer is 2.0 mg / cm 2 , (b) is the low molecular weight fluororesin mixing ratio of the water management porous layer is 7.8 %, And when the coating amount of the water management porous layer to the gas diffusion layer is 2.0 mg / cm 2 , (c) is 7.8% of the low molecular weight fluororesin mixing ratio of the water management porous layer and the water management porous The case where the application amount to the gas diffusion layer of the layer is 6.0 mg / cm 2 is shown. In FIG. 7, the utilization rate is 40%, and the humidification temperature is 40 ° C. to 60 ° C.

図7から分かるように、発電性能自体は、水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂混合率が2.1%、かつ水管理多孔層のガス拡散層への塗布量が2.0mg/cmとしたセルが高いものの、耐フラッディング性能に関しては、水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂混合率が7.8%、かつ水管理多孔層のガス拡散層への塗布量が2.0mg/cmとしたセルが優れていることが確認できた。 As can be seen from FIG. 7, the power generation performance itself is such that the low molecular weight fluororesin mixing ratio of the water management porous layer is 2.1%, and the coating amount of the water management porous layer to the gas diffusion layer is 2.0 mg / cm 2 Of the water management porous layer, the mixture ratio of the low molecular weight fluorocarbon resin in the water management porous layer is 7.8%, and the coating amount of the water management porous layer to the gas diffusion layer is 2.0 mg / cm 2 It could be confirmed that the cell was excellent.

図8は、予備試験CCMを有する固体高分子形燃料電池の発電性能の試験を行った際の電流密度−セル電圧曲線を示すグラフであり、(a)は水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂混合率が2.1%、かつ水管理多孔層のガス拡散層への塗布量が2.0mg/cmの場合、(b)は水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂混合率が7.8%、かつ水管理多孔層のガス拡散層への塗布量が2.0mg/cmの場合、(c)は水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂混合率が7.8%、かつ水管理多孔層のガス拡散層への塗布量が6.0mg/cmの場合を示している。なお、図8においては、利用率が40%で、加湿温度が65℃から85℃とされている。 FIG. 8 is a graph showing a current density-cell voltage curve when testing the power generation performance of a polymer electrolyte fuel cell having a preliminary test CCM, wherein (a) is a low molecular weight fluororesin of the water management porous layer When the mixing ratio is 2.1% and the application amount of the water management porous layer to the gas diffusion layer is 2.0 mg / cm 2 , (b) is the low molecular weight fluororesin mixing ratio of the water management porous layer is 7.8 %, And when the coating amount of the water management porous layer to the gas diffusion layer is 2.0 mg / cm 2 , (c) is 7.8% of the low molecular weight fluororesin mixing ratio of the water management porous layer and the water management porous The case where the application amount to the gas diffusion layer of the layer is 6.0 mg / cm 2 is shown. In FIG. 8, the utilization rate is 40%, and the humidification temperature is 65 ° C. to 85 ° C.

図8から分かるように、最も発電性能が優れていたのは、水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂混合率が7.8%、かつ水管理多孔層のガス拡散層への塗布量が2.0mg/cmとしたセルであることが確認できた。また、このセルは、加湿温度65℃から85℃の全てにおいて、発電性能がほぼ一様であり、測定限界である1600mA/cmまで発電可能であることが確認できた。 As can be seen from FIG. 8, the power generation performance was most excellent when the mixing ratio of the low molecular weight fluororesin in the water management porous layer was 7.8% and the application amount of the water management porous layer to the gas diffusion layer was 2. It could be confirmed that the cell was at 0 mg / cm 2 . In addition, it was confirmed that this cell was almost uniform in power generation performance at all humidification temperatures of 65 ° C. to 85 ° C., and could generate power up to the measurement limit of 1600 mA / cm 2 .

図9は、予備試験CCMを有する固体高分子形燃料電池の発電性能の試験を行った際の電流密度−セル電圧曲線を示すグラフであり、(a)は水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂混合率が2.1%、かつ水管理多孔層のガス拡散層への塗布量が2.0mg/cmの場合、(b)は水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂混合率が7.8%、かつ水管理多孔層のガス拡散層への塗布量が2.0mg/cmの場合、(c)は水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂混合率が7.8%、かつ水管理多孔層のガス拡散層への塗布量が6.0mg/cmの場合を示している。なお、図9においては、利用率が70%で、加湿温度が40℃から60℃とされている。 FIG. 9 is a graph showing a current density-cell voltage curve when testing the power generation performance of a polymer electrolyte fuel cell having a preliminary test CCM, wherein (a) is a low molecular weight fluororesin of the water management porous layer When the mixing ratio is 2.1% and the application amount of the water management porous layer to the gas diffusion layer is 2.0 mg / cm 2 , (b) is the low molecular weight fluororesin mixing ratio of the water management porous layer is 7.8 %, And when the coating amount of the water management porous layer to the gas diffusion layer is 2.0 mg / cm 2 , (c) is 7.8% of the low molecular weight fluororesin mixing ratio of the water management porous layer and the water management porous The case where the application amount to the gas diffusion layer of the layer is 6.0 mg / cm 2 is shown. In FIG. 9, the utilization rate is 70%, and the humidification temperature is 40 ° C. to 60 ° C.

図9から分かるように、水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂混合率が7.8%、かつ水管理多孔層のガス拡散層への塗布量が2.0mg/cmとしたセルが最も発電性能が優れていることが確認できた。また、このセルは、60℃加湿でも、1500mA/cm、0.09V程度まで発電可能であることが確認できた。一方、水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂混合率が7.8%、かつ水管理多孔層のガス拡散層への塗布量が6.0mg/cmとしたセルでは、発電性能の低下が大きく、800mA/cm程度までしか発電できないことがわかる。 As can be seen from FIG. 9, the cell with the water management porous layer containing 7.8% of low-molecular-weight fluororesin and a coating amount of 2.0 mg / cm 2 for the water management porous layer on the gas diffusion layer is the most power-generating It has been confirmed that the performance is excellent. It was also confirmed that this cell can generate power up to about 1500 mA / cm 2 and 0.09 V even at 60 ° C. humidification. On the other hand, in the cell in which the low molecular weight fluorocarbon resin mixing ratio of the water management porous layer is 7.8% and the application amount of the water management porous layer to the gas diffusion layer is 6.0 mg / cm 2 , the power generation performance decreases significantly. It can be seen that power can be generated only up to about 800 mA / cm 2 .

図10は、予備試験CCMを有する固体高分子形燃料電池の発電性能の試験を行った際の電流密度−セル電圧曲線を示すグラフであり、(a)は水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂混合率が2.1%、かつ水管理多孔層のガス拡散層への塗布量が2.0mg/cmの場合、(b)は水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂混合率が7.8%、かつ水管理多孔層のガス拡散層への塗布量が2.0mg/cmの場合、(c)は水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂混合率が7.8%、かつ水管理多孔層のガス拡散層への塗布量が6.0mg/cmの場合を示している。なお、図10においては、利用率が70%で、加湿温度が65℃から85℃とされている。 FIG. 10 is a graph showing a current density-cell voltage curve when testing the power generation performance of a polymer electrolyte fuel cell having a preliminary test CCM, wherein (a) is a low molecular weight fluororesin of the water management porous layer When the mixing ratio is 2.1% and the application amount of the water management porous layer to the gas diffusion layer is 2.0 mg / cm 2 , (b) is the low molecular weight fluororesin mixing ratio of the water management porous layer is 7.8 %, And when the coating amount of the water management porous layer to the gas diffusion layer is 2.0 mg / cm 2 , (c) is 7.8% of the low molecular weight fluororesin mixing ratio of the water management porous layer and the water management porous The case where the application amount to the gas diffusion layer of the layer is 6.0 mg / cm 2 is shown. In FIG. 10, the utilization rate is 70%, and the humidification temperature is 65 ° C. to 85 ° C.

図10から分かるように、水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂混合率が7.8%、かつ水管理多孔層のガス拡散層への塗布量が2.0mg/cmとしたセルは、最も発電性能が高いが、高電流密度になるほどフラッディングが生じる傾向が確認できた。また、水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂混合率が7.8%、かつ水管理多孔層のガス拡散層への塗布量が6.0mg/cmとしたセルは、最も発電性能が低く、65℃加湿でセル性能が大きく乱れていることから、フラッディングが発生したことがわかる。 As can be seen from FIG. 10, the cell in which the mixing ratio of the low molecular weight fluororesin in the water management porous layer is 7.8% and the application amount of the water management porous layer to the gas diffusion layer is 2.0 mg / cm 2 is the most Although the power generation performance was high, it was confirmed that the higher the current density, the more likely the flooding occurred. In addition, the cell with the water management porous layer containing 7.8% of low-molecular-weight fluorocarbon resin and an application amount of 6.0 mg / cm 2 for the water management porous layer to the gas diffusion layer has the lowest power generation performance. From the fact that the cell performance is largely disturbed by the humidification at 65 ° C., it can be understood that the flooding has occurred.

このように予備試験CCMを有する固体高分子形燃料電池1を用いて予備試験を実施した結果、水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂混合率を7.8%、かつ水管理多孔層のガス拡散層への塗布量を2.0mg/cmとした場合が、最も良好な発電性能を得ることができる条件であることが示された。そこで、この結果に基づいて、水管理多孔層5の低分子量フッ素樹脂混合率を7.8%、かつ水管理多孔層5のガス拡散層4への塗布量を2.0mg/cmとした本実施例の固体高分子形燃料電池1の発電性能の試験を実施し、予備試験CCMを有する固体高分子形燃料電池1と比較評価を行った。本実施例の固体高分子形燃料電池1は、図2に示すとおり、予備試験により見出された条件を有する水管理多孔層5と、電解質膜としての炭化水素系膜と、イオノマーであるフッ素系高分子電解質を含有する触媒層3と、ガス拡散層4とを備える。 Thus, as a result of conducting a preliminary test using the solid polymer fuel cell 1 having a preliminary test CCM, the low molecular weight fluororesin mixing ratio of the water management porous layer is 7.8%, and the gas diffusion of the water management porous layer It was shown that when the coating amount to the layer was 2.0 mg / cm 2 , the best power generation performance could be obtained. Therefore, based on this result, the mixing ratio of the low molecular weight fluororesin of the water management porous layer 5 is 7.8%, and the application amount of the water management porous layer 5 to the gas diffusion layer 4 is 2.0 mg / cm 2 . The test of the power generation performance of the polymer electrolyte fuel cell 1 of this example was conducted, and comparative evaluation was performed with the polymer electrolyte fuel cell 1 having the preliminary test CCM. The polymer electrolyte fuel cell 1 of this example, as shown in FIG. 2, has a water management porous layer 5 having the conditions found by the preliminary test, a hydrocarbon-based membrane as an electrolyte membrane, and fluorine which is an ionomer. A catalyst layer 3 containing a polymer electrolyte and a gas diffusion layer 4 are provided.

次に示す図11から図16は、水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂混合率を7.8%、かつ水管理多孔層のガス拡散層への塗布量を2.0mg/cmとした本実施例の固体高分子形燃料電池1の発電性能の試験結果を示す図である。ここで、図11から図16は、本実施例の固体高分子形燃料電池の発電性能の試験を行った際の電流密度−セル電圧曲線を示すグラフであり、図11は利用率20%で加湿温度40℃から60℃の場合、図12は利用率20%で加湿温度65℃から85℃の場合、図13は利用率40%で加湿温度40℃から60℃の場合、図14は利用率40%で加湿温度65℃から85℃の場合、図15は利用率70%で加湿温度40℃から60℃の場合、図16は利用率70%で加湿温度65℃から85℃の場合を示している。 The following FIGS. 11 to 16 show a book in which the low molecular weight fluororesin mixing ratio of the water management porous layer is 7.8% and the coating amount of the water management porous layer to the gas diffusion layer is 2.0 mg / cm 2. It is a figure which shows the test result of the electric power generation performance of the polymer electrolyte fuel cell 1 of an Example. Here, FIGS. 11 to 16 are graphs showing a current density-cell voltage curve when testing the power generation performance of the polymer electrolyte fuel cell of this example, and FIG. 11 shows a utilization rate of 20%. When the humidification temperature is 40 ° C to 60 ° C, Fig. 12 shows a utilization rate of 20% and the humidification temperature of 65 ° C to 85 ° C. Fig. 13 shows the utilization rate of 40% at a humidification temperature of 40 ° C to 60 ° C. When the humidification temperature is 65 ° C to 85 ° C at 40% rate, Fig. 15 shows the case of 70% utilization rate at 40% to 60 ° C, and Fig. 16 shows 70% utilization rate at 65 ° C to 85 ° C. It shows.

これらの図から分かるように、本実施例の固体高分子形燃料電池1は、利用率20%、40%および70%では、予備試験CCMを有する固体高分子形燃料電池1と比較して、加湿温度40℃から60℃の低加湿域においては発電性能の向上が確認できた。また、本実施例の固体高分子形燃料電池1は、加湿温度65℃から85℃の高加湿条件下では、予備試験CCMを有する固体高分子形燃料電池1とほぼ同等の発電性能を発揮することが確認できた。   As can be seen from these figures, the polymer electrolyte fuel cell 1 of this example is compared with the polymer electrolyte fuel cell 1 having the preliminary test CCM at the utilization rates of 20%, 40% and 70%. The improvement of the power generation performance has been confirmed in the low humidification area where the humidification temperature is 40 ° C to 60 ° C. In addition, the polymer electrolyte fuel cell 1 of the present example exhibits substantially the same power generation performance as the polymer electrolyte fuel cell 1 having the preliminary test CCM under high humidification conditions of a humidification temperature of 65 ° C. to 85 ° C. That was confirmed.

ここで、図17は、本試験に用いられた固体高分子形燃料電池1の水管理多孔層5のフッ素樹脂含有量、塗布量および厚さの関係を示すグラフである。すなわち、予備試験CCMを有する固体高分子形燃料電池1および炭化水素膜とフッ素系高分子電解質を含有する触媒層3とを有する固体高分子形燃料電池1の水管理多孔層5の前述した各値の関係を示している。なお、図17において、条件(a)、(b)および(c)は、水管理多孔層5の低分子量フッ素樹脂の混合率および塗布量を示す前記(a)、(b)および(c)にそれぞれ対応している。この図から分かるように、本試験に用いられた固体高分子形燃料電池1は、kの値が15≦k≦200の範囲内のものである。   Here, FIG. 17 is a graph showing the relationship between the fluorine resin content, the amount of application, and the thickness of the water management porous layer 5 of the polymer electrolyte fuel cell 1 used in the present test. That is, each of the above-described water management porous layers 5 of the solid polymer fuel cell 1 having the preliminary test CCM and the solid polymer fuel cell 1 having the hydrocarbon film and the catalyst layer 3 containing the fluorine-based polymer electrolyte. It shows the relationship of values. In FIG. 17, the conditions (a), (b) and (c) indicate the mixing ratio and the application amount of the low molecular weight fluororesin of the water management porous layer 5 described above (a), (b) and (c) Respectively. As can be seen from this figure, the polymer electrolyte fuel cell 1 used in this test has a value of k in the range of 15 ≦ k ≦ 200.

本試験を通じて、水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂の混合率を増加させると、全般的に高加湿側での発電性能が向上し、水管理多孔層のガス拡散層への塗布量を増加させると、全般的に発電性能が低下するという傾向が見られた。これは、以下の理由のためであると考えられる。   If the mixing ratio of the low molecular weight fluorocarbon resin in the water management porous layer is increased through this test, the power generation performance on the high humidity side is generally improved, and the coating amount of the water management porous layer to the gas diffusion layer is increased. In general, there was a tendency for the power generation performance to decline. This is considered to be due to the following reasons.

図18は、水管理多孔層の効果を説明するための説明図であり、(a)は水管理多孔層なしの場合、(b)は水管理多孔層ありの場合を示している。この図に示されるように、通常、水管理多孔層5を形成することで、カソード側での生成水の保持および排出が適度に行われ、乾燥状態になりがちな低加湿雰囲気下でのセルの発電性能が向上することになる。一方、高加湿雰囲気下では、水管理多孔層5に保持される生成水量が多くなり、フラッディングが生じやすくなる。そこで、疎水性を有する低分子量フッ素樹脂を水管理多孔層5に混合することで、水管理多孔層5からガス拡散層への生成水の排出性を改善することができる。   FIG. 18 is an explanatory view for explaining the effect of the water management porous layer, in which (a) shows the case without the water management porous layer and (b) shows the case with the water management porous layer. As shown in this figure, normally, by forming the water management porous layer 5, the retention and discharge of generated water on the cathode side are appropriately performed, and the cell in a low humidified atmosphere which tends to be in a dry state Power generation performance will be improved. On the other hand, in a highly humidified atmosphere, the amount of generated water held in the water management porous layer 5 is large, and flooding easily occurs. Therefore, by mixing a low molecular weight fluorocarbon resin having hydrophobicity with the water management porous layer 5, the dischargeability of generated water from the water management porous layer 5 to the gas diffusion layer can be improved.

このことから、本試験においても、低分子量フッ素樹脂の混合率が多くなるほど、水管理多孔層5の生成水の保持および排出性を最適化することができ、特に高湿潤状態になる高加湿雰囲気下で、より大きな効果が発揮されたものと推測できる。すなわち、低分子量フッ素樹脂が多いほど撥水性能がより向上し、セル内が高湿潤状態になるのに加えて、生成水の排出性が悪くなる高加湿状態になる場合においても、速やかに生成水をセル外へと排出することができるためと推測される。   From this, also in the present test, as the mixing ratio of the low molecular weight fluorine resin increases, the retention and discharge properties of the generated water of the water management porous layer 5 can be optimized, and in particular, the highly humidified atmosphere which becomes highly wet. Below, it can be inferred that the larger effect was exhibited. That is, the water repellency is further improved as the amount of the low molecular weight fluorine resin is increased, and the inside of the cell becomes highly wet, and in addition, the generated water can be rapidly generated even in the highly humidified state where the dischargeability of the produced water is deteriorated. It is presumed that water can be discharged out of the cell.

水管理多孔層5のガス拡散層4への塗布量を増やした場合、水管理多孔層5の厚みが増すことで、触媒層3への燃料ガスおよび酸化剤ガスの透過が阻害され、触媒層3からガス拡散層4への生成水の排出性が低下することになる。従って、固体高分子形燃料電池1の発電性能の低下およびフラッディングを引き起こしたと推測される。   When the coating amount of the water management porous layer 5 to the gas diffusion layer 4 is increased, the permeation of the fuel gas and the oxidant gas to the catalyst layer 3 is inhibited by the increase of the thickness of the water management porous layer 5, and the catalyst layer The dischargeability of the generated water from 3 to the gas diffusion layer 4 is reduced. Therefore, it is presumed that the deterioration of the power generation performance of the polymer electrolyte fuel cell 1 and the flooding were caused.

ところで、前述した予備試験で最も発電性能が優れていた条件(水管理多孔層の低分子量フッ素樹脂混合率7.8%、かつ水管理多孔層のガス拡散層への塗布量2.0mg/cm)の場合、今回の発電試験では、低利用率条件かつ低加湿域において、電解質膜に炭化水素系膜を用いた本実施例の固体高分子形燃料電池1が予備試験CCMを有する固体高分子形燃料電池1よりも、発電性能、耐ドライアップ性および耐フラッディング性がさらに優れていることが分かった。また、本実施例の固体高分子形燃料電池1は、高加湿域において、予備試験CCMを有する固体高分子形燃料電池1とほぼ同等の性能を示した。これは、炭化水素系膜の特徴である低加湿雰囲気下での耐ドライアップ性および高加湿雰囲気の耐フラッディング性能に加えて、水管理多孔層5に混合された低分子量フッ素樹脂の効果により、高加湿域でも生成水の排出が容易になったためと考えられる。 By the way, the conditions under which the power generation performance was most excellent in the above-mentioned preliminary test (the low molecular weight fluororesin mixing ratio of water management porous layer is 7.8%, and the coating amount of water management porous layer to gas diffusion layer is 2.0 mg / cm In the case of 2 ), in the power generation test this time, the solid polymer fuel cell 1 of the present example using the hydrocarbon membrane as the electrolyte membrane in the low utilization rate condition and the low humidification region has a solid high with preliminary test CCM. It was found that the power generation performance, the dry-up resistance and the anti-flooding resistance were further superior to those of the molecular fuel cell 1. In addition, the polymer electrolyte fuel cell 1 of this example exhibited substantially the same performance as the polymer electrolyte fuel cell 1 having the preliminary test CCM in the high humidification region. This is due to the effect of the low molecular weight fluorine resin mixed in the water management porous layer 5 in addition to the dry-up resistance under a low humidity atmosphere and the flooding resistance performance in a high humidity atmosphere, which are characteristic of hydrocarbon-based membranes. It is considered that the generated water can be easily discharged even in the high humidification area.

本発明の固体高分子形燃料電池は、前記実施例の構成に限らず、適宜変更可能である。たとえば、前記実施例では、水管理多孔層5は、一方の触媒層3と一方のガス拡散層4との間、および他方の触媒層3と他方のガス拡散層4との間に設けられたが、一方の触媒層3と一方のガス拡散層4との間、または他方の触媒層3と他方のガス拡散層4との間に設けてもよい。   The polymer electrolyte fuel cell of the present invention is not limited to the constitution of the above embodiment, and can be appropriately modified. For example, in the above embodiment, the water management porous layer 5 is provided between one catalyst layer 3 and one gas diffusion layer 4 and between the other catalyst layer 3 and the other gas diffusion layer 4. However, it may be provided between one catalyst layer 3 and one gas diffusion layer 4 or between the other catalyst layer 3 and the other gas diffusion layer 4.

本発明は、固体高分子形燃料電池に好適に用いることができる。   The present invention can be suitably used for a polymer electrolyte fuel cell.

1 固体高分子形燃料電池
2 固体高分子電解質膜
3 触媒層
4 ガス拡散層
5 水管理多孔層
1 solid polymer electrolyte fuel cell 2 solid polymer electrolyte membrane 3 catalyst layer 4 gas diffusion layer 5 water management porous layer

Claims (3)

固体高分子電解質膜と、
前記固体高分子電解質膜の両面にそれぞれ設けられる触媒層と、
前記両触媒層にそれぞれ設けられるガス拡散層と、
一方の前記触媒層と一方の前記ガス拡散層との間、および/または他方の前記触媒層と他方の前記ガス拡散層との間に設けられ、撥水材料を含有する水管理多孔層とを備え、
前記水管理多孔層の厚さt[μm]、前記撥水材料の濃度c[%]、および前記撥水材料の分子量mから求められる値kが、次式により設定され、15≦k≦200とされる
ことを特徴とする固体高分子形燃料電池。
k=t・c/logm
Solid polymer electrolyte membrane,
Catalyst layers respectively provided on both sides of the solid polymer electrolyte membrane;
Gas diffusion layers respectively provided to the two catalyst layers;
A water management porous layer provided between one of the catalyst layer and one of the gas diffusion layers and / or between the other of the catalyst layer and the other of the gas diffusion layers and containing a water repellent material; Equipped
A value k obtained from the thickness t [μm] of the water management porous layer, the concentration c [%] of the water repellent material, and the molecular weight m of the water repellent material is set by the following equation, 15 ≦ k ≦ 200 A polymer electrolyte fuel cell characterized in that
k = t · c / log m
前記水管理多孔層の厚さtが10μm以上100μm以下であり、かつ前記撥水材料の濃度cが1%以上30%以下である
ことを特徴とする請求項1に記載の固体高分子形燃料電池。
The solid polymer fuel according to claim 1, wherein the thickness t of the water management porous layer is 10 μm to 100 μm, and the concentration c of the water repellent material is 1% to 30%. battery.
前記撥水材料の分子量mが100以上1億以下である
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の固体高分子形燃料電池。
The molecular weight m of the said water repellent material is 100-100 million. The polymer electrolyte fuel cell of Claim 1 or Claim 2 characterized by the above-mentioned.
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