JP4723828B2 - Polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、高分子電解質形燃料電池の電極の改良に関するものであり、特に、電極に発生する水を触媒層や電極から効率良く排出するための構造に関するものである。   The present invention relates to an improvement in an electrode of a polymer electrolyte fuel cell, and more particularly to a structure for efficiently discharging water generated in an electrode from a catalyst layer or an electrode.

近年のエネルギー問題や環境問題の高まりから、高エネルギー密度で、排出物がクリーンな電源として燃料電池が注目されている。中でも、高分子電解質形燃料電池は100℃以下の低温での駆動が可能なため、起動特性が良く、特に定置用分散電源、自動車電源、携帯機器用電源として活発に開発が進められている。   Due to the recent increase in energy problems and environmental problems, fuel cells are attracting attention as a power source with high energy density and clean emissions. Among them, the polymer electrolyte fuel cell can be driven at a low temperature of 100 ° C. or less, and thus has good start-up characteristics. In particular, the polymer electrolyte fuel cell is actively being developed as a stationary distributed power source, an automobile power source, and a portable device power source.

従来の高分子電解質形燃料電池は、電極の構成として、高分子電解質膜に接した部位に触媒層が、続いてガス拡散層、集電体が積層して配置される。更に燃料や酸素の流路が電極面に沿って形成される。流路は多くの場合、集電体をかねたセパレータである。燃料電池は、負極での燃料の酸化と、正極での酸素の還元とを電気化学的に同時に行い、両極の電位差と電気化学反応にて取り出される電流から出力を得る装置である。   In a conventional polymer electrolyte fuel cell, as a configuration of an electrode, a catalyst layer is arranged at a portion in contact with the polymer electrolyte membrane, and then a gas diffusion layer and a current collector are laminated. Furthermore, fuel and oxygen flow paths are formed along the electrode surfaces. In many cases, the flow path is a separator that also serves as a current collector. A fuel cell is an apparatus that simultaneously performs electrochemical oxidation of fuel at a negative electrode and reduction of oxygen at a positive electrode, and obtains an output from a potential difference between both electrodes and a current taken out by an electrochemical reaction.

さて、燃料電池を運転した場合の正極における反応は、酸素を反応物として水を生成する反応である。そこで高分子電解質形燃料電池が100℃以下で運転されることからくる問題が生じる。つまり、電流密度が小さい場合は水の生成速度が遅いため、水は水蒸気となって外部に放出されるが、電流密度が大きい場合、電極において水が凝縮し、ガス拡散層に滞留し、ガス拡散層の空孔が水により閉塞する。所謂フラディングが起きる。そのため、正極触媒層への酸素の供給量が低下し、その結果発電量が低下する問題が生じる。電流密度が高いほど、酸素供給量の低下による影響は顕著であり、急速に出力が低下することとなる。   The reaction at the positive electrode when the fuel cell is operated is a reaction that generates water using oxygen as a reactant. Therefore, a problem arises because the polymer electrolyte fuel cell is operated at 100 ° C. or lower. In other words, when the current density is small, the water generation rate is slow, so water is discharged to the outside as water vapor, but when the current density is large, the water condenses in the electrode and stays in the gas diffusion layer, The pores of the diffusion layer are blocked by water. So-called flooding occurs. As a result, the amount of oxygen supplied to the positive electrode catalyst layer is reduced, resulting in a problem that the amount of power generation is reduced. The higher the current density, the more conspicuous the influence of the decrease in the oxygen supply amount, and the faster the output decreases.

更に水は高分子電解質膜をイオンが伝導する際に負極から正極に移動することでも、正極にて発生する。   Furthermore, water is also generated at the positive electrode by moving from the negative electrode to the positive electrode when ions are conducted through the polymer electrolyte membrane.

また、負極燃料が乾燥している場合、正極で発生した水が高分子電解質膜を正極から負極側に移動する逆拡散と呼ばれる現象が生じ、負極で水が発生し、滞留する場合も有る。   In addition, when the negative electrode fuel is dry, a phenomenon called reverse diffusion occurs in which water generated at the positive electrode moves the polymer electrolyte membrane from the positive electrode to the negative electrode side, and water may be generated and stay at the negative electrode.

以上の問題に対して各社各研究機関では、従来から電極周辺の部材、特に触媒層やガス拡散層に対して工夫を加えてきた。例えば、ガス拡散層を繊維状カーボンで作製し、繊維方向を一方向にして水の流れ方向を一定にした例、触媒層を高分子電解質膜側とガス拡散層側に2分割し、それぞれの層に含有する溶媒可溶性含フッ素重合体の含有率を変化する事で、撥水度合いを変化した例が挙げられる(例えば、特許文献1参照。)。   In order to solve the above problems, each research institution has conventionally devised a member around the electrode, particularly a catalyst layer and a gas diffusion layer. For example, an example in which the gas diffusion layer is made of fibrous carbon, the fiber direction is one direction and the water flow direction is constant, the catalyst layer is divided into two parts, the polymer electrolyte membrane side and the gas diffusion layer side, An example in which the degree of water repellency is changed by changing the content of the solvent-soluble fluoropolymer contained in the layer (see, for example, Patent Document 1).

また、ガス拡散層を製造する工程において炭素流体への撥水性樹脂の付着を均一にする製造方法を示す例が挙げられる(例えば、特許文献2参照。)。
特開2001−357858(第4−6頁、第1図) 特開2003−109611(第3−4頁)
Moreover, the example which shows the manufacturing method which makes adhesion of water-repellent resin to a carbon fluid uniform in the process of manufacturing a gas diffusion layer is mentioned (for example, refer patent document 2).
JP 2001-357858 (page 4-6, FIG. 1) JP2003-109611 (page 3-4)

しかし、いずれの方法においてもフラディングが起きる事は避けられない。それは触媒層やガス拡散層の構造やそれらの層内にある水の排水ルートに問題があるためである。   However, flooding is unavoidable by either method. This is because there is a problem in the structure of the catalyst layer and gas diffusion layer and the drainage route of water in those layers.

触媒層やガス拡散層の構造に関しては、背景技術に示した通り、撥水剤を含有させる事が一般的である。しかし撥水剤の濃度が高い層を水が浸透しにくいために、該層と高分子電解質膜の間に水が貯留される事となる。また、水が該層を通過してガス拡散層に至るには、撥水作用、通過部位の断面積、水の表面張力との兼ね合いにより、有る程度の力が必要である。従って該層と高分子電解質膜の間の水に圧力がかかる事となる。以上から貯留された水により、触媒層への酸素供給量が低下する事は避けられない。   As for the structure of the catalyst layer and the gas diffusion layer, as shown in the background art, it is general to contain a water repellent. However, since water hardly penetrates into a layer having a high concentration of the water repellent, water is stored between the layer and the polymer electrolyte membrane. Further, in order for water to pass through the layer and reach the gas diffusion layer, a certain level of force is required due to the balance between the water repellency, the cross-sectional area of the passage site, and the surface tension of the water. Therefore, pressure is applied to the water between the layer and the polymer electrolyte membrane. From the above, it is inevitable that the amount of oxygen supplied to the catalyst layer decreases due to the stored water.

更に排水ルートに関する問題としては、まず、ガス拡散層の面内中央部から端部まで、ガス拡散層の寸法に応じた距離を水が通過しなければならない事が挙げられる。例えばガス拡散層が矩形の場合は、排水ルートの最大距離は、ガス拡散層の辺長さの1/2が面内中央部から端部までの距離である。また、水の移動を妨げる種々の抵抗が排水ルートに存在する事も問題である。つまり、水の流路と外部の気体が入り込むための疎水部分とが混在しており、排水ルートを複雑な形にする事、排水ルート付近に気体の溜まりが生じて流路を閉塞する事、電極の各部材は厚み方向に押し付けられて組み立てられるため排水ルートとして有効な容積が得られない事などにより生じた抵抗が水のスムーズな流れを阻害する。以上の通り、従来の方法によると、抵抗の有るルートを長距離水が移動しなければならないため、水が電極端部に移動するまでに時間が掛かり、その結果、電流密度が高くなると排水速度が水の生成速度より遅くなってしまい、水が多量に電極内に保持され、フラディングが避けられない事となる。   Further, as a problem concerning the drainage route, first, it is mentioned that water must pass through a distance corresponding to the size of the gas diffusion layer from the in-plane center portion to the end portion of the gas diffusion layer. For example, when the gas diffusion layer is rectangular, the maximum distance of the drainage route is a distance from the center in the plane to the end of the side of the side of the gas diffusion layer. Another problem is that various resistances that hinder the movement of water exist in the drainage route. In other words, the water flow path and the hydrophobic part for the outside gas to enter are mixed, making the drainage route complex, blocking the flow path by causing gas accumulation near the drainage route, Since each member of the electrode is assembled by being pressed in the thickness direction, resistance caused by the fact that an effective volume as a drainage route cannot be obtained obstructs the smooth flow of water. As described above, according to the conventional method, since long-distance water has to travel along the route with resistance, it takes time for the water to move to the end of the electrode. As a result, the water generation rate becomes slower than that, so that a large amount of water is retained in the electrode, and flooding cannot be avoided.

また、撥水剤の劣化、劣化防止のために製造方法を変えること、ガス拡散層の種類や構造が限定されてしまうことなどによりコストアップが生じる。これを回避するには、排水構造は簡便且つ安価に作製する事が好ましい。   Further, the cost increases due to the deterioration of the water repellent agent, changing the manufacturing method to prevent the deterioration, and the kind and structure of the gas diffusion layer are limited. In order to avoid this, it is preferable to produce the drainage structure simply and inexpensively.

本発明は、高分子電解質形燃料電池の電極において発生した水を電極から排出するための構造であり、かつ、簡便に作製する事ができる構造を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a structure for discharging water generated in an electrode of a polymer electrolyte fuel cell from the electrode and capable of being easily produced.

上記課題を解決するために、本発明においては、水素イオンを伝導する高分子電解質膜と、高分子電解質膜を挟む一対の電極とからなる高分子電解質形燃料電池の電極において、高分子電解質膜に接して配置され、電気化学反応を行う触媒層と、触媒層の高分子電解質膜に対向する側に配置され、導電性材料で形成され、導電性材料間に存在する空孔や間隙によりガス透過性を有するガス拡散層と、ガス拡散層の触媒層と対向する側に配置される集電体とから成り、ガス拡散層が触媒層に対して垂直に貫通して形成された複数の孔を具備することを特徴としている。   In order to solve the above problems, in the present invention, in a polymer electrolyte fuel cell electrode comprising a polymer electrolyte membrane that conducts hydrogen ions and a pair of electrodes that sandwich the polymer electrolyte membrane, a polymer electrolyte membrane is provided. A catalyst layer that is disposed in contact with each other and that performs an electrochemical reaction, and is disposed on a side of the catalyst layer that faces the polymer electrolyte membrane. The catalyst layer is formed of a conductive material, and gas is generated by pores and gaps that exist between the conductive materials. A plurality of holes formed by a gas diffusion layer having permeability and a current collector disposed on a side of the gas diffusion layer facing the catalyst layer, the gas diffusion layer penetrating perpendicularly to the catalyst layer It is characterized by comprising.

孔の作用として、孔側面はガス拡散層端面と同様に水を排出できること、孔を複数にする事で水を排出する部位を増加し、排出速度を向上できること、孔に水が到達すると孔内で表面張力が働き、水をガス拡散層内から引っ張ることが挙げられる。従って本発明により、上記した課題である触媒層やガス拡散層の構造やそれらの層内にある水の排水ルートの問題を解決する事が可能となる。つまり、水の排水ルートの最大距離が隣接する孔同士の距離の1/2となり、電極内部を水が通過する距離を極めて短くする事が出来、また、水は孔を通ってガス拡散層の触媒層と対向する側に何ら抵抗を受けること無く移動する事が可能となる。以上の通り、本構造により触媒層に水を貯留する作用を低減できるようになる。   As a function of the hole, the side surface of the hole can discharge water in the same way as the end face of the gas diffusion layer, the number of holes can be increased by increasing the number of holes to discharge water, the discharge speed can be improved, and when water reaches the hole, The surface tension works and pulls water from the gas diffusion layer. Therefore, according to the present invention, it is possible to solve the problems of the structure of the catalyst layer and the gas diffusion layer and the drainage route of water in those layers, which are the problems described above. That is, the maximum distance of the water drainage route is ½ of the distance between adjacent holes, the distance that water passes through the electrode can be extremely shortened, and water can pass through the holes in the gas diffusion layer. It becomes possible to move to the side facing the catalyst layer without receiving any resistance. As described above, this structure can reduce the action of storing water in the catalyst layer.

またガス拡散層への孔形成は、プレス抜きなどの一般的な技術を用いる事ができるため、簡便、且つ、低コストに行う事が可能である。   In addition, formation of holes in the gas diffusion layer can be performed easily and at low cost because a general technique such as pressing can be used.

更に、孔の幅の範囲が、下限がガス拡散層の導電性材料間に存在する空孔や間隙の幅と略同一であり、上限がガス拡散層厚みの50倍であることを特徴としている。   Further, the range of the hole width is characterized in that the lower limit is substantially the same as the width of the pores or gaps existing between the conductive materials of the gas diffusion layer, and the upper limit is 50 times the thickness of the gas diffusion layer. .

これにより、水の表面張力とガス拡散層内の流路抵抗の関係から、孔に到達した水が電極外部に流出しやすくなるので、ガス拡散層内の空孔や間隙から孔への水の流れが効率的になる。また、燃料電池組み立て時、ガス拡散層は高分子電解質膜、触媒層、集電体と共に積層して圧縮されるが、該孔の寸法ならば孔が潰れることなく、水を保持することが可能であるため、孔による水の排出機能が損なわれる事はない。但し孔寸法が上限値を上回った場合には、単位面積当りの孔面積が多くなるため、触媒層への酸素供給速度が低下し、燃料電池の出力を低下させてしまう。   This makes it easy for water that has reached the hole to flow out of the electrode due to the relationship between the surface tension of water and the flow path resistance in the gas diffusion layer. The flow becomes efficient. Also, when assembling the fuel cell, the gas diffusion layer is laminated and compressed together with the polymer electrolyte membrane, the catalyst layer, and the current collector. If the size of the hole, it is possible to retain water without collapsing the hole. Therefore, the water discharge function by the hole is not impaired. However, when the pore size exceeds the upper limit value, the pore area per unit area increases, so that the oxygen supply rate to the catalyst layer decreases and the output of the fuel cell decreases.

更に、周囲に複数存在する孔において、一対の孔同士の間隔が、ガス拡散層厚みの1/2以上、ガス拡散層厚みの50倍以下であることを特徴としている。   Furthermore, in a plurality of holes present in the periphery, the distance between the pair of holes is characterized by being 1/2 or more of the gas diffusion layer thickness and 50 times or less of the gas diffusion layer thickness.

これは、隣接する孔の中央部から発生した水が孔に至るの効率の良い距離である。但し孔間隔が下限値を下回った場合には、単位面積当りの孔数が多くなるため、触媒層への酸素供給速度が低下し、燃料電池の出力を低下させてしまう。   This is an efficient distance for water generated from the central part of adjacent holes to reach the holes. However, when the hole interval is less than the lower limit value, the number of holes per unit area increases, so the oxygen supply rate to the catalyst layer decreases, and the output of the fuel cell decreases.

また、孔内に、親水性部材が充填されている事を特徴としている。   Further, the hole is filled with a hydrophilic member.

これにより、親水性部材と水の相互作用により、孔に水を引き込む効果を生じ、水排出を促進するようになる。ここで特に限定するわけではないが、親水性部材が、高分子樹脂(例えばアクリル系、セルロース系、ポリビニルアルコール系樹脂)や、毛管力によって吸水性を付与した繊維材料(例えばカーボン,ガラス等を基体とする繊維材料、アクリル,ナイロン等からなる合成繊維)、或いは多孔質のセラミック材料或いはカーボンから成る群から選ばれる材料を用いて作製する事が可能である。   Accordingly, the interaction between the hydrophilic member and water causes an effect of drawing water into the hole, and promotes water discharge. Although not specifically limited here, the hydrophilic member is made of a polymer resin (for example, acrylic, cellulose, or polyvinyl alcohol resin) or a fiber material (for example, carbon or glass) that has been given water absorption by capillary force. It can be manufactured using a material selected from the group consisting of a fiber material as a substrate, a synthetic fiber made of acrylic, nylon, etc.), a porous ceramic material, or carbon.

また、孔に至った水を吸収し、保持する吸水帯を具備し、吸水帯の一部が、少なくともガス拡散層の触媒層と対向する面と同一面上にあり、且つ、孔の開口部に位置する事を特徴としている。   Further, it has a water absorption band that absorbs and retains water that has reached the hole, a part of the water absorption band is at least on the same surface as the surface of the gas diffusion layer facing the catalyst layer, and the opening of the hole It is characterized by being located.

これにより、孔内に到達した水を吸水帯に吸収し保持するため、長時間燃料電池を運転しても孔から水があふれ出る事が無く、水排出性能を維持し続けられる。また、燃料電池の外部に水を漏洩する事が無くなる。   As a result, the water reaching the hole is absorbed and retained in the water absorption zone, so that even if the fuel cell is operated for a long time, the water does not overflow from the hole, and the water discharge performance can be maintained. In addition, water is not leaked outside the fuel cell.

ここで特に限定するわけではないが、吸水帯は、高分子樹脂(例えばアクリル系、セルロース系、ポリビニルアルコール系樹脂など)や繊維状の紙または布のような有機系吸水性材料や、シリカゲル、アルミナゲル、ゼオライトのような無機系吸水性材料から成る群の内いずれか一種以上の材料から形成する事ができる。   Although not specifically limited here, the water absorption band is composed of a polymer resin (eg, acrylic, cellulose, polyvinyl alcohol resin, etc.), an organic water-absorbing material such as fibrous paper or cloth, silica gel, It can be formed from one or more materials selected from the group consisting of inorganic water-absorbing materials such as alumina gel and zeolite.

もしくは、孔に至った水を電極外に導出する導水帯を具備し、導水帯の一部が、少なくともガス拡散層の触媒層と対向する面と同一面上にあり、且つ、孔の開口部に位置する事を特徴としている。   Alternatively, it has a water conduction zone for leading water that has reached the hole to the outside of the electrode, a part of the water conduction zone is at least on the same surface as the surface of the gas diffusion layer facing the catalyst layer, and the opening of the hole It is characterized by being located.

これにより、孔内に至った水が導水帯を伝って、ガス拡散層外部に排出する事となる。従って長時間運転をしても孔の水があふれる事が無く、燃料電池の出力を一定に保つ事が可能となる。   Thereby, the water that has reached the inside of the hole travels through the water guiding zone and is discharged outside the gas diffusion layer. Accordingly, the water in the hole does not overflow even when operated for a long time, and the output of the fuel cell can be kept constant.

ここで特に限定するわけではないが、導水帯は、吸水性高分子樹脂(例えばセルロース系、ポリビニルアルコール系樹脂など)の繊維や、毛管力によって吸水性を付与した材料(例えばカーボン,ガラス等を基体とする繊維材料、アクリル,ナイロン等からなる合成繊維、或いは多孔質のセラミック材料或いはカーボン)成る群から選ばれる少なくとも一種の素材を用いる事により作製する事ができる。   Although not specifically limited here, the water conveyance zone is made of a fiber of a water-absorbing polymer resin (for example, cellulose-based or polyvinyl alcohol-based resin) or a material imparted with water absorption by capillary force (for example, carbon or glass). It can be produced by using at least one material selected from the group consisting of a fiber material as a substrate, a synthetic fiber made of acrylic, nylon or the like, or a porous ceramic material or carbon.

更に、導水帯から導出された水を貯蔵する貯水部を該高分子電解質形燃料電池に配置した事を特徴としている。   Further, the present invention is characterized in that a water storage part for storing water derived from the water conveyance zone is disposed in the polymer electrolyte fuel cell.

これにより、貯水部は導水帯の水を貯蔵するため、長時間運転をしても孔の水があふれずに導水帯を通して貯水部に流れ続けるため、燃料電池の出力を一定に保つ事が可能となる。ここで特に限定するわけではないが、貯水部は、高分子樹脂(例えばアクリル系、セルロース系、ポリビニルアルコール系樹脂など)や繊維状の紙または布のような有機系吸水性材料や、シリカゲル、アルミナゲル、ゼオライトのような無機系吸水性材料から成る群の内いずれか一種以上の材料から形成する事ができる。以上のような吸水性材料を用いれば、貯水部は導水帯から水を引っ張る効果を生じるため、導水帯も孔から水を引っ張る事となり、積極的に水を電極外部に排出できるようになる。   As a result, the water storage unit stores water in the water conveyance zone, so that even if it is operated for a long time, the water in the hole does not overflow and continues to flow through the water conveyance zone to the water storage unit, so the output of the fuel cell can be kept constant. It becomes. Although not specifically limited here, the water storage section is composed of a polymer resin (for example, acrylic, cellulose, polyvinyl alcohol resin, etc.), an organic water-absorbing material such as fibrous paper or cloth, silica gel, It can be formed from one or more materials selected from the group consisting of inorganic water-absorbing materials such as alumina gel and zeolite. If the water-absorbing material as described above is used, the water storage section has an effect of pulling water from the water conveyance zone. Therefore, the water conveyance zone also draws water from the hole, and water can be actively discharged to the outside of the electrode.

また上記課題を解決する別の方法として、本発明においては、水素イオンを伝導する高分子電解質膜と、高分子電解質膜を挟む一対の電極とからなる高分子電解質形燃料電池の電極において、
高分子電解質膜に接して配置され、電気化学反応を行う触媒層と、触媒層の高分子電解質膜に対向する側に配置され、導電性材料で形成され、導電性材料間に存在する空孔や間隙によりガス透過性を有するガス拡散層と、ガス拡散層の触媒層と対向する側に配置される集電体とから成り、ガス拡散層が、触媒層に平行する面を切断するように形成された切り込みを複数具備することを特徴としている。
As another method for solving the above problems, in the present invention, in an electrode of a polymer electrolyte fuel cell comprising a polymer electrolyte membrane that conducts hydrogen ions and a pair of electrodes that sandwich the polymer electrolyte membrane,
A catalyst layer that is disposed in contact with the polymer electrolyte membrane and performs an electrochemical reaction, and a pore that is disposed on the side of the catalyst layer facing the polymer electrolyte membrane and is formed of a conductive material and exists between the conductive materials. And a gas diffusion layer having gas permeability by a gap and a current collector disposed on the side of the gas diffusion layer facing the catalyst layer, so that the gas diffusion layer cuts a plane parallel to the catalyst layer. It is characterized by comprising a plurality of cuts formed.

切り込みの作用として、切り込み側面はガス拡散層端面と同様に水を排出できること、切り込みを複数にする事で水を排出する部位を増加し、排出速度を向上できること、切り込みに水が到達すると切り込み内で表面張力が働き、水をガス拡散層内から引っ張ることが、まず挙げられる。従って、上記発明により、上記した課題である触媒層やガス拡散層の構造やそれらの層内にある水の排水ルートの問題を解決する事が可能となる。つまり、水の排水ルートの最大距離が隣接する切り込み同士の距離の1/2となり、電極内部を水が通過する距離を極めて短くする事が出来、また、水は切り込みを通ってガス拡散層の触媒層と対向する側やガス拡散層の側面に、何ら抵抗を受けること無く移動する事が可能となる。以上の通り、本構造により触媒層に水を貯留する作用を低減できるようになる。   As a function of the incision, the side surface of the incision can discharge water in the same way as the end face of the gas diffusion layer, the number of incisions can be increased to increase the number of parts that discharge water, the discharge speed can be improved, and when water reaches the incision, First, the surface tension works and pulls water from the gas diffusion layer. Therefore, according to the above invention, it is possible to solve the problems of the structure of the catalyst layer and the gas diffusion layer and the drainage route of water in those layers, which are the above-mentioned problems. That is, the maximum distance of the water drainage route is ½ of the distance between adjacent cuts, and the distance that water passes through the electrode can be extremely shortened. It is possible to move to the side facing the catalyst layer and the side surface of the gas diffusion layer without receiving any resistance. As described above, this structure can reduce the action of storing water in the catalyst layer.

更に切り込みを伝って水が自由に流れるため、電極内に水量の分布ができず、長時間運転にかかわらず電極内での電流分布が偏る事がない。従って、高分子電解質膜の劣化速度を低下でき、燃料電池の寿命を延ばす事が可能となる。   Further, since water freely flows along the notch, the amount of water cannot be distributed in the electrode, and the current distribution in the electrode is not biased regardless of long-time operation. Accordingly, the deterioration rate of the polymer electrolyte membrane can be reduced, and the life of the fuel cell can be extended.

またガス拡散層への切り込み形成は、プレス抜きや切削加工などの一般的な技術を用いる事ができるため、簡便、且つ、低コストに行う事が可能である。   In addition, the formation of the cut into the gas diffusion layer can be performed easily and at low cost because a general technique such as press punching or cutting can be used.

更に、切り込みの幅の範囲が、下限がガス拡散層の導電性材料間に存在する空孔や間隙の幅と略同一であり、上限がガス拡散層厚みの50倍であることを特徴としている。   Furthermore, the range of the cut width is characterized in that the lower limit is substantially the same as the width of the voids and gaps existing between the conductive materials of the gas diffusion layer, and the upper limit is 50 times the thickness of the gas diffusion layer. .

これにより、水の表面張力とガス拡散層内の流路抵抗の関係から、切り込みに到達した水が電極外部に流出しやすくなるので、ガス拡散層内の空孔や間隙から切り込みへの水の流れが効率的になる。また、燃料電池組み立て時、ガス拡散層は高分子電解質膜、触媒層、集電体と共に積層して圧縮されるが、該切り込みの寸法ならば切り込みが潰れることなく、水を保持することが可能であるため、切り込みによる水の排出機能が損なわれる事はない。但し切り込み寸法が上限値を上回った場合には、単位面積当りの切り込み面積が多くなるため、触媒層への酸素供給速度が低下し、燃料電池の出力を低下させてしまう。   This makes it easier for water that reaches the cut to flow out of the electrode due to the relationship between the surface tension of the water and the flow path resistance in the gas diffusion layer. The flow becomes efficient. Also, when assembling the fuel cell, the gas diffusion layer is laminated and compressed together with the polymer electrolyte membrane, the catalyst layer, and the current collector. If the dimensions of the notch, the water can be retained without breaking the notch. Therefore, the water discharge function by cutting will not be impaired. However, when the cut dimension exceeds the upper limit value, the cut area per unit area increases, so that the oxygen supply rate to the catalyst layer decreases and the output of the fuel cell decreases.

更に、複数の切り込みにおいて、切り込み同士の間隔が、ガス拡散層厚みの1/2以上、ガス拡散層厚みの50倍以下であることを特徴としている。   Furthermore, in the plurality of cuts, the interval between the cuts is characterized by being 1/2 or more of the gas diffusion layer thickness and 50 times or less of the gas diffusion layer thickness.

これは、隣接する切り込みの中央部から発生した水が切り込みに至るの効率の良い距離である。但し切り込み間隔が下限値を下回った場合には、単位面積当りの切り込み数が多くなるため、触媒層への酸素供給速度が低下し、燃料電池の出力を低下させてしまう。   This is an efficient distance for the water generated from the central part of adjacent cuts to reach the cut. However, when the cutting interval is less than the lower limit value, the number of cuttings per unit area increases, so that the oxygen supply rate to the catalyst layer decreases and the output of the fuel cell decreases.

また、切り込み内に、親水性部材が充填されている事を特徴としている。   In addition, a hydrophilic member is filled in the cut.

これにより、親水性部材と水の相互作用により、切り込みに水を引き込む効果を生じ、水排出を促進するようになる。ここで特に限定するわけではないが、親水性部材が、高分子樹脂(例えばアクリル系、セルロース系、ポリビニルアルコール系樹脂)や、毛管力によって吸水性を付与した繊維材料(例えばカーボン,ガラス等を基体とする繊維材料、アクリル,ナイロン等からなる合成繊維)、或いは多孔質のセラミック材料或いはカーボンから成る群から選ばれる材料を用いて作製する事が可能である。   Thus, the interaction between the hydrophilic member and water produces an effect of drawing water into the cut and promotes water discharge. Although not specifically limited here, the hydrophilic member is made of a polymer resin (for example, acrylic, cellulose, or polyvinyl alcohol resin) or a fiber material (for example, carbon or glass) that has been given water absorption by capillary force. It can be manufactured using a material selected from the group consisting of a fiber material as a substrate, a synthetic fiber made of acrylic, nylon, etc.), a porous ceramic material, or carbon.

また、切り込みに至った水を吸収し、保持する吸水帯を具備する事を特徴としている。   Moreover, it is characterized by having a water absorption zone that absorbs and retains water that has reached the cut.

吸水帯とガス拡散層の接続関係に関して、ガス拡散層の触媒層と対向する面と同一面上で、且つ、切り込み上部に位置するように、少なくとも吸水帯の一部を配置する構成とする。   Regarding the connection relationship between the water absorption zone and the gas diffusion layer, at least a part of the water absorption zone is arranged on the same plane as the surface of the gas diffusion layer facing the catalyst layer and at the upper part of the cut.

また、吸水帯の一部が、切り込みの端部と接するように配置しても良い。ここで切り込みの端部とは、切り込みのガス拡散層側面と同一面上の部位を言う。   Moreover, you may arrange | position so that a part of water absorption zone may contact the edge part of a notch. Here, the end of the cut refers to a portion on the same plane as the side surface of the gas diffusion layer of the cut.

これにより、切り込みの一部と吸水帯の一部とが接するように配置されるため、切り込み内に到達した水は吸水帯に吸収され保持されるため、長時間燃料電池を運転しても切り込みから水があふれ出る事が無く、水排出性能を維持し続けられる。また、燃料電池の外部に水を漏洩する事が無くなる。   As a result, a part of the cut and the part of the water absorption zone are arranged so that the water reaches the inside of the cut and is absorbed and retained by the water absorption band. Water will not overflow and will continue to maintain water discharge performance. In addition, water is not leaked outside the fuel cell.

ここで特に限定するわけではないが、吸水帯は、高分子樹脂(例えばアクリル系、セルロース系、ポリビニルアルコール系樹脂など)や繊維状の紙または布のような有機系吸水性材料や、シリカゲル、アルミナゲル、ゼオライトのような無機系吸水性材料から成る群の内いずれか一種以上の材料から形成する事ができる。   Although not specifically limited here, the water absorption band is composed of a polymer resin (eg, acrylic, cellulose, polyvinyl alcohol resin, etc.), an organic water-absorbing material such as fibrous paper or cloth, silica gel, It can be formed from one or more materials selected from the group consisting of inorganic water-absorbing materials such as alumina gel and zeolite.

もしくは、切り込みに至った水を電極外に導出する導水帯を具備する事を特徴としている。   Alternatively, it is characterized by having a water guide zone for leading water that has been cut into the outside of the electrode.

ここで導水帯とガス拡散層の接続関係に関して、ガス拡散層の触媒層と対向する面と同一面上で、且つ、切り込み上部に位置するように、少なくとも導水帯の一部を配置する構成とする。   Here, with respect to the connection relationship between the water conveyance zone and the gas diffusion layer, a configuration in which at least a part of the water conveyance zone is disposed on the same surface as the surface of the gas diffusion layer facing the catalyst layer and at the upper part of the cut To do.

また、導水帯の一部が、切り込みの端部と接するように配置しても良い。   Moreover, you may arrange | position so that a part of water conveyance zone may contact the edge part of a notch.

これにより、切り込みの一部と導水帯の一部とが接するように配置されるため、切り込み内に至った水が導水帯を伝って、ガス拡散層外部に排出する事となる。従って長時間運転をしても切り込みの水があふれる事が無く、燃料電池の出力を一定に保つ事が可能となる。   Thereby, since it arrange | positions so that a part of notch and a part of water conveyance zone may contact | connect, the water which reached the inside of a cut will pass along a water conveyance zone, and will be discharged | emitted outside a gas diffusion layer. Therefore, even if the operation is performed for a long time, the cut water does not overflow, and the output of the fuel cell can be kept constant.

ここで特に限定するわけではないが、導水帯は、吸水性高分子樹脂(例えばセルロース系、ポリビニルアルコール系樹脂など)の繊維や、毛管力によって吸水性を付与した材料(例えばカーボン,ガラス等を基体とする繊維材料、アクリル,ナイロン等からなる合成繊維、或いは多孔質のセラミック材料或いはカーボン)成る群から選ばれる少なくとも一種の素材を用いる事により作製する事ができる。   Although not specifically limited here, the water conveyance zone is made of a fiber of a water-absorbing polymer resin (for example, cellulose-based or polyvinyl alcohol-based resin) or a material imparted with water absorption by capillary force (for example, carbon or glass). It can be produced by using at least one material selected from the group consisting of a fiber material as a substrate, a synthetic fiber made of acrylic, nylon or the like, or a porous ceramic material or carbon.

更に、導水帯から導出された水を貯蔵する貯水部を該高分子電解質形燃料電池に配置した事を特徴としている。   Further, the present invention is characterized in that a water storage part for storing water derived from the water conveyance zone is disposed in the polymer electrolyte fuel cell.

これにより、貯水部は導水帯の水を貯蔵するため、長時間運転をしても切り込みの水があふれずに導水帯を通して貯水部に流れ続けるため、燃料電池の出力を一定に保つ事が可能となる。ここで特に限定するわけではないが、貯水部は、高分子樹脂(例えばアクリル系、セルロース系、ポリビニルアルコール系樹脂など)や繊維状の紙または布のような有機系吸水性材料や、シリカゲル、アルミナゲル、ゼオライトのような無機系吸水性材料から成る群の内いずれか一種以上の材料から形成する事ができる。以上のような吸水性材料を用いれば、貯水部は導水帯から水を引っ張る効果を生じるため、導水帯も切り込みから水を引っ張る事となり、積極的に水を電極外部に排出できるようになる。   As a result, the water storage unit stores water in the water conveyance zone, so that even if it is operated for a long time, the cut water does not overflow and continues to flow through the water conveyance zone to the water storage unit, so the output of the fuel cell can be kept constant. It becomes. Although not specifically limited here, the water storage section is composed of a polymer resin (for example, acrylic, cellulose, polyvinyl alcohol resin, etc.), an organic water-absorbing material such as fibrous paper or cloth, silica gel, It can be formed from one or more materials selected from the group consisting of inorganic water-absorbing materials such as alumina gel and zeolite. When the water-absorbing material as described above is used, the water storage section has an effect of pulling water from the water conveyance zone, so that the water conveyance zone also draws water from the cut, and water can be actively discharged to the outside of the electrode.

以上説明したように、上記課題を解決するために、本発明においては、水素イオンを伝導する高分子電解質膜と、高分子電解質膜を挟む一対の電極とからなる高分子電解質形燃料電池の電極において、高分子電解質膜に接して配置され、電気化学反応を行う触媒層と、触媒層の高分子電解質膜に対向する側に配置され、導電性材料で形成され、導電性材料間に存在する空孔や間隙によりガス透過性を有するガス拡散層と、ガス拡散層の触媒層と対向する側に配置される集電体とから成り、ガス拡散層を触媒層に対して垂直、且つ、直線的に貫通する孔を、ガス拡散層に複数具備したことを特徴としている。   As described above, in order to solve the above problems, in the present invention, an electrode of a polymer electrolyte fuel cell comprising a polymer electrolyte membrane that conducts hydrogen ions and a pair of electrodes that sandwich the polymer electrolyte membrane. In, a catalyst layer that is disposed in contact with the polymer electrolyte membrane and performs an electrochemical reaction, and is disposed on the side of the catalyst layer facing the polymer electrolyte membrane, is formed of a conductive material, and exists between the conductive materials It consists of a gas diffusion layer having gas permeability due to pores and gaps, and a current collector disposed on the side of the gas diffusion layer facing the catalyst layer, and the gas diffusion layer is perpendicular to the catalyst layer and straight The gas diffusion layer is provided with a plurality of holes penetrating therethrough.

これにより、カソードやアノードで発生した水は、長くても隣接する孔の距離の1/2を移動すれば孔に至る事ができ、また、孔に達した水はガス拡散層の触媒層と対向する側に何ら抵抗を受けること無く移動する事が可能となる。従ってこの構造により、ガス拡散層や触媒層に水が滞留する作用を低減できるようになる。   As a result, the water generated at the cathode or anode can reach the hole if it moves at least half the distance between adjacent holes, and the water that has reached the hole can be separated from the catalyst layer of the gas diffusion layer. It is possible to move to the opposite side without receiving any resistance. Therefore, this structure makes it possible to reduce the action of water remaining in the gas diffusion layer and the catalyst layer.

またガス拡散層に切り込みを形成することを特徴としている。   Further, it is characterized in that a cut is formed in the gas diffusion layer.

これにより、切り込みを伝って水が自由に流れるため、電極内に水量の分布ができず、長時間運転にかかわらず発電電力を一定に保つ事が可能となる。   Thereby, since water freely flows through the cut, the amount of water cannot be distributed in the electrode, and the generated power can be kept constant regardless of long-time operation.

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1は、本発明による電極の断面の模式図である。構造は、高分子電解質膜10を挟んで、カソード触媒層21、アノード触媒層22が高分子電解質膜10に接合されている。カソード触媒層21、アノード触媒層22の各々には、高分子電解質膜10と対向する側に、カソード側ガス拡散層31、アノード側ガス拡散層32が接して配置され、更に、カソード側集電体41、アノード側集電体42が配置されている。ここで、高分子電解質膜10はデュポン社製のNafion112を、カソード触媒層21及びアノード触媒層22は、田中貴金属工業(株)製PEFC用触媒、カソード側ガス拡散層31及びアノード側ガス拡散層32には東レ(株)製カーボンペーパーを、カソード側集電体41、アノード側集電体42としてNi網(100mesh)を用いた。以上の部品に関しては、本実施例で用いた部材にこだわるものでは無く、以下に示す機能を有するものであれば他でも良い。   FIG. 1 is a schematic view of a cross section of an electrode according to the present invention. The structure is such that the cathode catalyst layer 21 and the anode catalyst layer 22 are joined to the polymer electrolyte membrane 10 with the polymer electrolyte membrane 10 interposed therebetween. Each of the cathode catalyst layer 21 and the anode catalyst layer 22 is disposed in contact with the cathode side gas diffusion layer 31 and the anode side gas diffusion layer 32 on the side facing the polymer electrolyte membrane 10, and further, the cathode side current collector. A body 41 and an anode current collector 42 are disposed. Here, the polymer electrolyte membrane 10 is Nafion 112 manufactured by DuPont, the cathode catalyst layer 21 and the anode catalyst layer 22 are PEFC catalysts manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., the cathode side gas diffusion layer 31 and the anode side gas diffusion layer. For 32, carbon paper manufactured by Toray Industries, Inc. was used, and Ni net (100 mesh) was used as the cathode side current collector 41 and the anode side current collector 42. The above parts are not limited to the members used in the present embodiment, but may be other parts having the functions shown below.

各要素の機能として、高分子電解質膜10は、カソードとアノードの反応物を混合しないようにする分離膜であると同時に、両極間にイオンを伝導する機能を持つ。また、カソード触媒層21、アノード触媒層22は、ここで電気化学反応を行い、両極の電位差と反応速度から、電力を取り出す事が出来るようになっている。またカソード側ガス拡散層31及びアノード側ガス拡散層32は、各触媒層で用いる反応物を触媒層全体に均一に供給するため、及び、各触媒層と対応する各集電体との間で電荷を受け渡しするために配置するものである。また集電体はガス拡散層と電荷を受け渡しし、燃料電池に接続される外部回路と電荷を受け渡しする機能を持つ。   As a function of each element, the polymer electrolyte membrane 10 is a separation membrane that prevents the cathode and anode reactants from being mixed, and at the same time has a function of conducting ions between the two electrodes. In addition, the cathode catalyst layer 21 and the anode catalyst layer 22 perform an electrochemical reaction here, and can extract electric power from the potential difference and reaction rate of both electrodes. Further, the cathode side gas diffusion layer 31 and the anode side gas diffusion layer 32 are used to uniformly supply the reactants used in each catalyst layer to the entire catalyst layer and between each catalyst layer and the corresponding current collector. It is arranged to transfer electric charges. The current collector has a function of delivering charges to the gas diffusion layer and delivering charges to an external circuit connected to the fuel cell.

さて、本実施例では電気化学反応、及び、高分子電解質膜10を移動してカソードで発生する水を電極から排出するために、カソード側ガス拡散層31に孔110を設けた。これを図2のカソード側ガス拡散層上面図に示す。ちなみにA−A’での切断面が図1と対応している。カソード側ガス拡散層31の膜厚は0.2mm、孔直径は0.5mm、隣接する孔の間隔は1mmとした。またカソード側集電体41のカソード側ガス拡散層31と対向する側に、セルロースを基材とした導水帯112を設置した。カソード側集電体41には、孔110と対応する位置に穴を開け、導水帯112を、孔110内に入れ込むようにした。これにより導水帯112の一部は、カソード側ガス拡散層31のカソード触媒21と対向する面と同一面上で、且つ、孔111の開口部に位置することとなり、導水帯112が孔111に溜まった水を、孔外部に導出できるようになる。更に、導水帯112の燃料電池と反対側の端部にはスポンジによる貯水部113を設け、導水帯112を通る水を貯水部113に吸収させた。   In this embodiment, holes 110 are provided in the cathode-side gas diffusion layer 31 in order to discharge the electrochemical reaction and the water generated in the cathode by moving the polymer electrolyte membrane 10 from the electrode. This is shown in the cathode side gas diffusion layer top view of FIG. Incidentally, the cut surface at A-A 'corresponds to FIG. The cathode-side gas diffusion layer 31 had a thickness of 0.2 mm, a hole diameter of 0.5 mm, and an interval between adjacent holes of 1 mm. Further, on the side of the cathode-side current collector 41 facing the cathode-side gas diffusion layer 31, a water conduit 112 made of cellulose as a base material was installed. In the cathode current collector 41, a hole was formed at a position corresponding to the hole 110, and the water conduit 112 was inserted into the hole 110. As a result, a part of the water conveyance zone 112 is located on the same surface as the surface facing the cathode catalyst 21 of the cathode side gas diffusion layer 31 and at the opening of the hole 111. The accumulated water can be led out of the hole. Furthermore, a water reservoir 113 made of sponge was provided at the end of the water conduit 112 opposite to the fuel cell, and the water passing through the water conduit 112 was absorbed by the water reservoir 113.

以上の構造によると、カソードで発生した水は孔110を通して導水帯112を通って排出された。その結果、図3に示す電流電圧曲線の通り、高電流においても大きな電圧の低下は見られなかった。また図4に示す出力電圧の経時変化の通り、出力電圧の変化は極めて小さかった。尚、経過時間20時間における電圧の落ち込みは、アノード側の燃料である水素の供給を停止した事により、発電を終了した事を示している。また発電の最中を通して、カソードで発生した水は、孔110に一旦溜まり、導水帯112を経て吸水部に至る様子が観察された。従って、図3、図4に示す発電特性は、カソードで発生した水が適度に外部に排水されたために得られた効果であり、フラディングに対して本構造が有効である事が示された。   According to the above structure, the water generated at the cathode was discharged through the water conduit 112 through the hole 110. As a result, as shown in the current-voltage curve shown in FIG. 3, no significant voltage drop was observed even at high currents. As shown in FIG. 4, the change in the output voltage was extremely small as the change with time. Note that a drop in voltage at an elapsed time of 20 hours indicates that power generation was terminated by stopping the supply of hydrogen as fuel on the anode side. Further, it was observed that the water generated at the cathode once accumulated in the hole 110 through the water feeding zone 112 through the water guiding zone 112 during the power generation. Therefore, the power generation characteristics shown in FIGS. 3 and 4 are the effects obtained because the water generated at the cathode is appropriately drained to the outside, and it is shown that this structure is effective for flooding. .

図5は、本発明による電極の断面の模式図である。構造、及び、各要素の機能は、実施例1と同様である。   FIG. 5 is a schematic view of a cross section of an electrode according to the present invention. The structure and the function of each element are the same as those in the first embodiment.

さて、本実施例ではカソード側ガス拡散層31に孔を連結させて、切り込み111とした。これを図6のカソード側ガス拡散層上面図に示す。図6の通り、ガス拡散層は切り込み111によって完全に切り離さず、一部をつなげておくことで燃料電池を作製しやすいようにした。しかし、勿論完全に分離してもかまわないし、切り込み形状もこれにこだわらない。ちなみにB−B’での切断面が図5と対応している。カソード側ガス拡散層31の膜厚は0.1mm、切り込み幅は0.2mm、隣接する切り込みの間隔は2mmとした。またカソード側ガス拡散層31の周囲に、カソード側ガス拡散層31や切り込み111端部と接するようにセルロースを基材とした吸水帯114を設置した。   In this embodiment, a hole is connected to the cathode side gas diffusion layer 31 to form a cut 111. This is shown in the cathode side gas diffusion layer top view of FIG. As shown in FIG. 6, the gas diffusion layer was not completely cut off by the notch 111, but a part of the gas diffusion layer was connected so that the fuel cell was easily manufactured. However, of course, it may be completely separated, and the cut shape is not particular. Incidentally, the cut surface at B-B 'corresponds to FIG. The cathode-side gas diffusion layer 31 had a film thickness of 0.1 mm, a cut width of 0.2 mm, and an interval between adjacent cuts of 2 mm. Further, around the cathode side gas diffusion layer 31, a water absorption band 114 made of cellulose as a base material was installed so as to be in contact with the cathode side gas diffusion layer 31 and the end of the cut 111.

以上の構造によると、カソードで発生した水は、切り込み111を通して吸水帯114に排出され、保持された。発電特性の傾向は図3、図4と同様であり、高電流においても大きな電圧の低下は見られず、また出力電圧の経時変化は極めて小さかった。また発電の最中を通して、カソードで発生した水が切り込み111に染み出てくる様子と、吸水帯114に水が吸収される様子が観察された。従って、カソードで発生した水が適度に外部に排水されたために得られた効果であり、フラディングに対して本構造が有効である事が示された。   According to the above structure, the water generated at the cathode was discharged to the water absorption zone 114 through the notch 111 and retained. The tendency of the power generation characteristics was the same as in FIGS. 3 and 4, and no large voltage drop was observed even at high currents, and the change in output voltage with time was very small. Further, during the power generation, it was observed that water generated at the cathode oozes into the cut 111 and water is absorbed into the water absorption zone 114. Therefore, it was shown that the water generated at the cathode was drained to the outside appropriately, and that this structure was effective against flooding.

また本構造では、導水帯を電極に積層する必要が無いため、より一層燃料電池を小さくまとめる事が可能となった。   Moreover, in this structure, since it is not necessary to laminate the water conduction zone on the electrode, the fuel cell can be further reduced in size.

比較例として、実施例1で用いた部材に、孔110を施さずに燃料電池を作製し、発電特性を評価した。結果は、図3の電流電圧曲線、図4の出力電圧の経時変化を示すグラフの通りである。図3によると、0.8A以上の高電流領域において電圧の急激な落ち込みが見られる。また図4によると、1時間程度の発電時間で発電が終了してしまった事が分かる。これらはいずれも、電極付近に水が溜まっていた事から、フラディングにより酸素のカソード触媒層への供給速度が低下したことが原因である。   As a comparative example, a fuel cell was produced without making the hole 110 in the member used in Example 1, and the power generation characteristics were evaluated. The results are as shown in the current-voltage curve of FIG. 3 and the graph showing the change with time of the output voltage of FIG. According to FIG. 3, a rapid drop in voltage is observed in a high current region of 0.8 A or more. In addition, according to FIG. 4, it can be seen that the power generation was completed in about one hour of power generation time. Both of these are caused by the fact that water has accumulated in the vicinity of the electrode, so that the supply rate of oxygen to the cathode catalyst layer is reduced by flooding.

本発明による電極の断面の模式図。The schematic diagram of the cross section of the electrode by this invention. 本発明によるカソード側ガス拡散層上面図。The top view of the cathode side gas diffusion layer by this invention. 実施例1と比較例とによる燃料電池の電流電圧曲線。The current-voltage curve of the fuel cell by Example 1 and a comparative example. 実施例1と比較例とによる燃料電池の出力電圧の経時変化。The time-dependent change of the output voltage of the fuel cell by Example 1 and a comparative example. 本発明による電極の断面の模式図。The schematic diagram of the cross section of the electrode by this invention. 本発明によるカソード側ガス拡散層上面図。The top view of the cathode side gas diffusion layer by this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10 高分子電解質膜
21 カソード触媒層
22 アノード触媒層
31 カソード側ガス拡散層
32 カソード側ガス拡散層
41 カソード側集電体
42 アノード側集電体
110 孔
111 切り込み
112 導水帯
113 貯水部
114 吸水帯
A−A’ 図1の切断面
B−B’ 図3の切断面
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Polymer electrolyte membrane 21 Cathode catalyst layer 22 Anode catalyst layer 31 Cathode side gas diffusion layer 32 Cathode side gas diffusion layer 41 Cathode side current collector 42 Anode side current collector 110 Hole 111 Cut 112 Water conduction zone 113 Water storage part 114 Water absorption zone AA ′ Cut surface BB ′ of FIG. 1 Cut surface of FIG.

Claims (13)

水素イオンを伝導する高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜を挟む一対の電極とからなる高分子電解質形燃料電池において、
前記高分子電解質膜に接して配置され、電気化学反応を行う触媒層と、
前記触媒層の前記高分子電解質膜に対向する側に配置され、導電性材料で形成され、導電性材料間に存在する空孔や間隙によりガス透過性を有するガス拡散層と、
前記ガス拡散層の前記触媒層と対向する側に配置される集電体とから成り、
前記ガス拡散層と集電体とは、前記触媒層に対して垂直に貫通して形成された複数の貫通部を具備し、
前記貫通部には、前記貫通部に至った水を吸収する吸収部を具備し、
前記吸収部は、前記触媒層の前記高分子電解質膜と対向する面である対向面と同一面上にあり前記触媒層と接している接触部と、前記触媒層と離間している離間部とを有することを特徴とする高分子電解質形燃料電池。
In a polymer electrolyte fuel cell comprising a polymer electrolyte membrane that conducts hydrogen ions and a pair of electrodes that sandwich the polymer electrolyte membrane,
A catalyst layer disposed in contact with the polymer electrolyte membrane and performing an electrochemical reaction;
A gas diffusion layer disposed on the side of the catalyst layer facing the polymer electrolyte membrane, formed of a conductive material, and having gas permeability due to pores and gaps existing between the conductive materials;
A current collector disposed on a side of the gas diffusion layer facing the catalyst layer;
The gas diffusion layer and the current collector include a plurality of through portions formed so as to penetrate perpendicularly to the catalyst layer,
The penetrating portion includes an absorbing portion that absorbs water reaching the penetrating portion,
The absorbing portion is on the same surface as the facing surface that is the surface facing the polymer electrolyte membrane of the catalyst layer and is in contact with the catalyst layer, and a spacing portion spaced from the catalyst layer A polymer electrolyte fuel cell comprising:
前記貫通部の幅の範囲は、下限が前記ガス拡散層の導電性材料間に存在する空孔や間隙の幅と略同一であり、上限が前記ガス拡散層の厚みの50倍であることを特徴とする請求項1に記載の高分子電解質形燃料電池。   The range of the width of the penetrating portion is that the lower limit is substantially the same as the width of pores and gaps existing between the conductive materials of the gas diffusion layer, and the upper limit is 50 times the thickness of the gas diffusion layer. 2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein 前記貫通部同士の間隔は、ガス拡散層厚みの1/2以上、前記ガス拡散層の厚みの50倍以下であることを特徴とする請求項1に記載の高分子電解質形燃料電池。   2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the interval between the through portions is not less than ½ of the thickness of the gas diffusion layer and not more than 50 times the thickness of the gas diffusion layer. 前記貫通部内には、親水性部材が充填されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の高分子電解質形燃料電池。   The polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the penetrating portion is filled with a hydrophilic member. 前記貫通部は、孔である請求項1〜4に記載のいずれか一項に記載の高分子電解質形燃料電池。 The polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the penetrating portion is a hole. 前記貫通部は、前記触媒層に平行する面を切断するように形成された切り込みである請求項1〜4に記載のいずれか一項に記載の高分子電解質形燃料電池。 The polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the through portion is a cut formed so as to cut a surface parallel to the catalyst layer. 水素イオンを伝導する高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜を挟む一対の電極とからなる高分子電解質形燃料電池において、
前記高分子電解質膜に接して配置され、電気化学反応を行う触媒層と、
前記触媒層の前記高分子電解質膜に対向する側に配置され、導電性材料で形成され、導電性材料間に存在する空孔や間隙によりガス透過性を有するガス拡散層と、
前記ガス拡散層の前記触媒層と対向する側に配置される集電体とから成り、
前記ガス拡散層は、前記触媒層に垂直な前記ガス拡散層の側面の一部を離間するように設けられた切り込みを複数具備し、
前記ガス拡散層と同一平面には、前記切り込みに至った水を吸収する吸収部を具備し、
前記吸収部は、少なくとも一部が、前記切り込みの端部と接することを特徴とする高分子電解質形燃料電池。
In a polymer electrolyte fuel cell comprising a polymer electrolyte membrane that conducts hydrogen ions and a pair of electrodes that sandwich the polymer electrolyte membrane,
A catalyst layer disposed in contact with the polymer electrolyte membrane and performing an electrochemical reaction;
A gas diffusion layer disposed on the side of the catalyst layer facing the polymer electrolyte membrane, formed of a conductive material, and having gas permeability due to pores and gaps existing between the conductive materials;
A current collector disposed on a side of the gas diffusion layer facing the catalyst layer;
The gas diffusion layer comprises a plurality of cuts provided so as to separate a part of the side surface of the gas diffusion layer perpendicular to the catalyst layer,
In the same plane as the gas diffusion layer, it comprises an absorption part that absorbs water that has reached the cut,
The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein at least a part of the absorbing portion is in contact with an end of the cut.
複数の前記切り込み全体は、ミアンダ形状であることを特徴とする請求項7に記載の高分子電解質形燃料電池。 The polymer electrolyte fuel cell according to claim 7, wherein the whole of the plurality of cuts has a meander shape. 前記切り込みの幅の範囲は、下限が前記ガス拡散層の導電性材料間に存在する空孔や間隙の幅と略同一であり、上限が前記ガス拡散層の厚みの50倍であることを特徴とする請求項7または8のいずれか1項に記載の高分子電解質形燃料電池。   The lower limit of the range of the cut width is substantially the same as the width of pores or gaps existing between the conductive materials of the gas diffusion layer, and the upper limit is 50 times the thickness of the gas diffusion layer. The polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 7 and 8. 前記切り込み同士の間隔は、ガス拡散層厚みの1/2以上、前記ガス拡散層の厚みの50倍以下であることを特徴とする請求項7または8のいずれか1項に記載の高分子電解質形燃料電池。   9. The polymer electrolyte according to claim 7, wherein the interval between the cuts is ½ or more of the thickness of the gas diffusion layer and 50 times or less of the thickness of the gas diffusion layer. Fuel cell. 前記吸収部は、水を保持する吸水帯であることを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載の高分子電解質形燃料電池。 The polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 10 , wherein the absorption part is a water absorption zone for holding water. 前記吸収部は、水を前記触媒層外に導出する導水帯であることを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載の高分子電解質形燃料電池。 The polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 10 , wherein the absorption part is a water guide zone for leading water out of the catalyst layer. 前記導水帯から導出された水を貯蔵する貯水部を備えることを特徴とする請求項12に記載の高分子電解質形燃料電池。 The polymer electrolyte fuel cell according to claim 12 , further comprising a water storage unit that stores water derived from the water conveyance zone.
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