JPH05283094A - Fuel cell - Google Patents

Fuel cell

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JPH05283094A
JPH05283094A JP4103896A JP10389692A JPH05283094A JP H05283094 A JPH05283094 A JP H05283094A JP 4103896 A JP4103896 A JP 4103896A JP 10389692 A JP10389692 A JP 10389692A JP H05283094 A JPH05283094 A JP H05283094A
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JP
Japan
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water
electrode
fuel
hydrogen
fuel cell
Prior art date
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Pending
Application number
JP4103896A
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Japanese (ja)
Inventor
Hirotoshi Iketani
裕俊 池谷
Shinji Tsuruta
慎司 鶴田
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
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Publication of JPH05283094A publication Critical patent/JPH05283094A/en
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04291Arrangements for managing water in solid electrolyte fuel cell systems
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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Abstract

PURPOSE:To eliminate the complex moisture control, and make a solid highpolymer electrolyte fuel cell compact by collecting the moisture generated in the oxygen pole side and the moisture transferred from the hydrogen pole side to the oxygen pole side inside of a battery cell, and transferring these moisture to the hydrogen pole side through the porous material with the surface tension. CONSTITUTION:A hydrogen electrode 12 for fuel and an oxygen electrode 13 for oxidant are provided in both sides of laminated solid highpolymer electrolyte films 11, and a hydrogen passage 14 and an oxygen passage 15 are provided through a partitioning plate 16 along both the poles. In the hydrogen pole 12, the porous material 17 made of phenol resin is provided as a moisture passage along both the passages to cover a part of the hydrogen pole 12. Water is thereby transferred between the hydrogen pole 12 and the porous material 17 at a part covered with the porous material 17, and the reaction of the hydrogen pole 12 is performed at uncovered parts. During the operation, water is flowed from the hydrogen pole 12 to the oxygen pole 13 through the electrolyte films 11, and the flowed water is stored in a water receiver parts 20, and thereafter, the water is circulated by the capillarity.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池に関する。FIELD OF THE INVENTION This invention relates to fuel cells.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来燃料電池は大型の発電システムとし
て開発されてきた。したがって、「電池」という名称は
あるものの、一種の発電プラントであり、燃料電池セル
を中心に、燃料供給システム、水補給システム、燃焼制
御システム、冷熱制御システム、その他のシステムから
構成された複雑な発電システムとなっている。
2. Description of the Related Art Conventionally, a fuel cell has been developed as a large power generation system. Therefore, although there is a name of "battery", it is a kind of power plant, and it has a complicated structure consisting of a fuel cell, a fuel supply system, a water supply system, a combustion control system, a cooling / heating control system, and other systems. It is a power generation system.

【0003】固体分子電解質型燃料電池は100℃前後
ないしはそれ以下の低温で運転でき、かつこれに準ずる
低温で作動するリン酸型燃料電池やアルカリ電解液型燃
料電池のような電解液およびこれを保持するマトリック
スを用いないため系の簡素化、小型軽量化の可能性のあ
る燃料電池として注目されている。
A solid molecular electrolyte fuel cell can be operated at a low temperature of about 100 ° C. or lower, and an electrolytic solution such as a phosphoric acid fuel cell or an alkaline electrolyte fuel cell which operates at a low temperature corresponding to this and an electrolyte solution Since it does not use a holding matrix, it is attracting attention as a fuel cell that has the potential to simplify the system and reduce its size and weight.

【0004】この燃料電池は電解質として電解液の代り
にイオン交換能を有する高分子化合物からなる固体高分
子電解質を用いることを特徴としており、これにより電
解質の流失阻止、陽陰両極の反応物質の混合防止などを
簡易な系で実現している。
This fuel cell is characterized in that a solid polymer electrolyte composed of a polymer compound having an ion-exchange ability is used as an electrolyte instead of an electrolyte solution, thereby preventing the electrolyte from being washed away and reacting with positive and negative electrodes. A simple system is used to prevent mixing.

【0005】しかし、固体高分子電解質を正常に働かせ
るためには、電解質膜や電極を加湿するなどにより、イ
オンの溶媒となる水分の供給が不可欠である。
However, in order for the solid polymer electrolyte to work normally, it is indispensable to supply water as an ionic solvent by humidifying the electrolyte membrane and electrodes.

【0006】例えば、電解質中を水素陽イオン(プロト
ン)が移動するタイプの燃料電池では燃料極(陰極、ア
ノード)の乾燥が起こりやすく、特に有機燃料による直
接発電の場合には水の消費も起こるのに対し、酸化剤極
(陽極、カソード)側では水が生成するため、燃料極へ
の水の補給や酸化剤極表面の水の除去が必要となる。
For example, in a fuel cell of the type in which hydrogen cations (protons) move in the electrolyte, the fuel electrode (cathode, anode) is likely to dry, and water consumption also occurs particularly in the case of direct power generation using an organic fuel. On the other hand, since water is generated on the oxidant electrode (anode, cathode) side, it is necessary to replenish the fuel electrode with water and remove the water on the surface of the oxidant electrode.

【0007】プロトン導電性固体高分子電解質を用いた
酸素・水素反応型の燃料電池の例で示すと、燃料極(水
素極)側では H2 →2H+ +2e- (1) 酸素極側では、 2H+ +1/2O2 +2e- →H2 O (2) の反応が進行する。燃料極側では常に水素ガスが供給さ
れているため電極表面の水分はこのガスと共に蒸散し、
表面の乾燥が起こる。そのため電極表面に存在する酸化
触媒による電気化学反応が阻害され、さらに燃料極近傍
の固体高分子電解質においてもイオン解離が阻害されて
イオン伝導能力が低下する。酸化剤極側では、電極表面
で水分が生成しているため、触媒表面と反応物質、すな
わち酸素との接触が妨げられ電気化学反応が阻害され
る。
As an example of an oxygen / hydrogen reaction type fuel cell using a proton conductive solid polymer electrolyte, H 2 → 2H + + 2e (1) on the fuel electrode (hydrogen electrode) side, The reaction of 2H + + 1 / 2O 2 + 2e → H 2 O (2) proceeds. On the fuel electrode side, hydrogen gas is always supplied, so the water on the electrode surface evaporates with this gas,
Drying of the surface occurs. Therefore, the electrochemical reaction due to the oxidation catalyst existing on the electrode surface is hindered, and further, the ion dissociation is hindered also in the solid polymer electrolyte near the fuel electrode, and the ion conductivity is lowered. On the oxidant electrode side, since water is generated on the electrode surface, the contact between the catalyst surface and the reactant, that is, oxygen is hindered and the electrochemical reaction is hindered.

【0008】また、有機燃料、たとえばメタノールによ
る直接発電の例では酸化剤極側の反応は上の例(式
(2))と同じであるが燃料極(メタノール極)側の反
応は、 CH3 OH+H2 O→6H+ +6e- +CO2 ↑ (3) で示すように水の消費を伴うため電極表面の水分はより
欠乏し易くなる。
In the case of direct power generation using an organic fuel such as methanol, the reaction on the oxidant electrode side is the same as the above example (Equation (2)), but the reaction on the fuel electrode (methanol electrode) side is CH 3 OH + H 2 O → 6H + + 6e + CO 2 ↑ As shown by (3), since water is consumed, the water content on the electrode surface is more likely to be depleted.

【0009】一方、電解質中を水酸化イオン(OH-
が移動するタイプの陰イオン導電性固体高分子電解質を
用いた酸素・水素反応型の燃料電池においては、燃料極
(水素極)側では、 2H2 +4OH- →4H2 O+4e- (4) 酸化剤極(酸素極)側では、 O2 +2H2 O+4e- →4OH- (5) の反応が進行する。
[0009] On the other hand, through the electrolyte hydroxide ion (OH -)
In an oxygen / hydrogen reaction type fuel cell using an anion conductive solid polymer electrolyte of a type in which hydrogen moves, in the fuel electrode (hydrogen electrode) side, 2H 2 + 4OH → 4H 2 O + 4e (4) Oxidizing agent On the electrode (oxygen electrode) side, the reaction of O 2 + 2H 2 O + 4e → 4OH (5) proceeds.

【0010】また、上記の固体高分子電解質をメタノー
ル直接発電に適用すると、酸化剤極(酸素極)の反応は
上記の式(4)の反応と同様であるが、燃料極(メタノ
ール極)の反応は、 CH3 OH+60H- →CO2 +5H2 O+5H2 O+6e- (6) であり、プロトン導電性固体電解質とは逆に酸化剤極側
の水の欠乏と、燃料極側で生成する水の除去が問題とな
る。
When the above-mentioned solid polymer electrolyte is applied to direct methanol power generation, the reaction of the oxidizer electrode (oxygen electrode) is similar to that of the above formula (4), but the reaction of the fuel electrode (methanol electrode) is The reaction is CH 3 OH + 60H → CO 2 + 5H 2 O + 5H 2 O + 6e (6). Contrary to the proton conductive solid electrolyte, the lack of water on the oxidant electrode side and the removal of water generated on the fuel electrode side Is a problem.

【0011】しかし、いずれのタイプの電解質を用いた
場合においても、上述のような問題を解決するために、
従来の固体高分子電解質型の燃料電池はポンプ、ブロワ
等を用いた水補給システムや、ガスの温度や流速を制御
し生成水を気散させるシステム等複雑な配管系、駆動
系、制御系を備えていた。
However, no matter what type of electrolyte is used, in order to solve the above problems,
Conventional solid polymer electrolyte fuel cells have complicated piping systems, drive systems, and control systems such as a water supply system that uses a pump and a blower, and a system that controls the temperature and flow velocity of gas to diffuse generated water. I was prepared.

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】以上のように燃料電池
では両電極の水分バランスの制御が運転を正常に行わせ
る上で重要であり、特に固体高分子電解質型燃料電池で
は電解質自体の水分制御と相俟ってきめ細かい制御を行
うことが要求される。しかし、この様な制御のための機
構を組み込むことは固体高分子電解質型の燃料電池の本
来の長所である小型軽量化の妨げとなるばかりでなく、
低温作動型の場合には生成水の気散にも外部からのエネ
ルギー供与を必要となるなど種々の困難が伴うという問
題がある。
As described above, in the fuel cell, the control of the water balance between both electrodes is important for normal operation, and particularly in the solid polymer electrolyte fuel cell, the water content of the electrolyte itself is controlled. Therefore, detailed control is required. However, incorporating such a mechanism for control not only hinders the original advantage of the solid polymer electrolyte fuel cell, namely, reduction in size and weight, but also
In the case of the low temperature operation type, there is a problem in that various problems are involved, such as the need to supply energy from the outside to the vaporization of the produced water.

【0013】本発明は、このような複雑な水分制御なし
に運転の行える燃料電池を提供するものである。
The present invention provides a fuel cell which can be operated without such complicated water content control.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段及び作用】本願の第1の発
明は、燃料極と、酸化剤極と、燃料極及び酸化剤極によ
り挟持された固体高分子電解質とからなり、燃料極と酸
化剤極のどちらか一方が水分を発生する電極(水分発生
極)である燃料電池において、燃料極と酸化剤極とが水
分通路で連結され、少なくとも通路の水分発生極に接す
る部分が水分浸透性を有する物質よりなることを特徴と
する燃料電池である。
The first invention of the present application comprises a fuel electrode, an oxidizer electrode, and a solid polymer electrolyte sandwiched between the fuel electrode and the oxidizer electrode, and comprises a fuel electrode and an oxidizer. In a fuel cell in which one of the agent electrodes is an electrode (moisture generating electrode) that generates water, the fuel electrode and the oxidant electrode are connected by a water passage, and at least the portion of the passage that is in contact with the water generating electrode is water-permeable. A fuel cell comprising a substance having:

【0015】本願において、水分発生極とは、燃料電池
の運転時における燃料極または酸化剤極上での電極反応
により水を生成する電極のことを示す。
In the present application, the water-generating electrode means an electrode which produces water by an electrode reaction on the fuel electrode or the oxidant electrode during the operation of the fuel cell.

【0016】つまり、プロトン導電性の電解質を用いた
場合、式(2)に示されるように酸素極が電極反応によ
り水を生成するため、酸化剤極が水分発生極となる。
That is, when a proton conductive electrolyte is used, the oxygen electrode produces water by an electrode reaction as shown in the formula (2), and the oxidant electrode serves as a water generation electrode.

【0017】逆に陰イオン導電性電解質を用いた場合、
式(4)に示すように燃料極が水分発生極となる。
On the contrary, when an anionic conductive electrolyte is used,
As shown in equation (4), the fuel electrode serves as the water generation electrode.

【0018】本発明の燃料電池の構成は、積層された酸
化剤極側と燃料極側が、電池セルの外部で、水分通路に
よって連結され、その通路を電極から発生した水分が水
の毛管現象をはじめとする表面張力等の浸透作用で移動
するところにその特徴がある。
In the structure of the fuel cell of the present invention, the laminated oxidant electrode side and the fuel electrode side are connected to each other by a water passage outside the battery cell, and the water generated from the electrode in the passage causes water capillarity. Its characteristic is that it moves by the permeation action such as surface tension.

【0019】したがって、本発明の燃料電池は、酸化剤
極と燃料極を結ぶ二つの水分の通路を有する。すなわち
電池セルの内部の固体高分子電解質膜を通る通常の通路
と、上記電池セルの外部の通路である。
Therefore, the fuel cell of the present invention has two moisture passages connecting the oxidizer electrode and the fuel electrode. That is, a normal passage passing through the solid polymer electrolyte membrane inside the battery cell and a passage outside the battery cell.

【0020】また本発明の燃料電池の構成の他の特徴
は、外部の該通路を通して水分を移動させるために、水
の浸透作用のみを用い、ポンプ、ブロワ等の動力装置を
用いない点にある。
Another feature of the structure of the fuel cell of the present invention is that only water permeation is used to move water through the passage outside, and a power unit such as a pump or a blower is not used. ..

【0021】したがって、該通路にはポンプその他の一
切の動力装置およびそれに付帯する配管、駆動装置、制
御装置は設置されていない。
Therefore, no pump or any other power unit and its associated piping, drive unit, and control unit are installed in the passage.

【0022】本発明の燃料電池の特徴である、酸化剤極
と燃料極を結ぶ電池セルの外部の水分の通路は、水分が
動力を用いずに移動できるものであればどの様なもので
あってもよいが、通常は、水分が表面張力等の浸透作用
で移動できるような、多孔質体、毛細管、細い溝、親水
表面、繊維、織物、吸水性ポリマー、これらの混合物等
で構成される。
The water passage outside the battery cell connecting the oxidizer electrode and the fuel electrode, which is a feature of the fuel cell of the present invention, may be any water passage as long as the water can move without using power. However, it is usually composed of a porous body, a capillary, a narrow groove, a hydrophilic surface, a fiber, a woven fabric, a water-absorbing polymer, a mixture thereof, etc., which allows water to move by an osmotic action such as surface tension. ..

【0023】上記通路を構成する材料は、セラミック
ス、ガラス、プラスチックス、金属その他何であっても
よい、自由に形状を付与できる点でプラスチックスが好
ましく、ある程度の耐熱性が欲しい場合には、弗素樹脂
の多孔質体や、フェノール樹脂(例えば、フェノール樹
脂粒子をポリエステル不織布等が複合化したもの)など
の熱硬化樹脂が好ましい。
The material forming the above passages may be ceramics, glass, plastics, metals or any other materials. Plastics are preferable because they can be given any shape, and fluorine is used when heat resistance to some extent is desired. A thermosetting resin such as a resin porous material or a phenol resin (for example, a composite of phenol resin particles with a polyester non-woven fabric) is preferable.

【0024】これらの材料で構成される通路は、酸化剤
極から燃料極まで同一材料で構成されてもよいが、部分
的に異なった材料で構成されてもよい。
The passages made of these materials may be made of the same material from the oxidizer electrode to the fuel electrode, but may be made of partially different materials.

【0025】また通路は、これらの材料で酸化剤極から
燃料極まで連続的に連結されてもよいが、不連続的、部
分的にこれらの材料が用いられてもよい。要するに、酸
化剤極側と燃料極側を結ぶ水分の通路が電池セルの外部
(電池セルの内部の固体高分子電解質膜以外に)あり、
それを通って水分が自由に移動できるものであれば、ど
のような通路でもよい。
The passage may be continuously connected from the oxidizer electrode to the fuel electrode with these materials, but these materials may be used discontinuously or partially. In short, there is a water passage connecting the oxidant electrode side and the fuel electrode side outside the battery cell (other than the solid polymer electrolyte membrane inside the battery cell),
Any passage may be used as long as water can move freely through it.

【0026】通路の中の水は、通路を連続的に満たして
いてもよいし、通路中に断続的に存在してもよい。典型
的に連続的の例は、多孔質体で酸化剤極側と燃料極側を
結ぶ通路を形成した場合である。水は多孔質体中を連続
的に満たし、両極を結ぶ。典型的に断続的な例は、例え
ばプロトン導電性の固体高分子電解質を用いた場合、酸
化剤極側の下方に水受けを作り、酸化剤極側の水をそこ
に滴下させ、水受けと燃料極側を多孔質体で結んだ場合
である。このとき水は酸化剤極と水受けの間で不連続と
なる。もちろん陰イオン導電性の固体高分子電解質を用
いた場合は、燃料極側に水受けを設置し、水受けから酸
化剤極を多孔質体で結べばよい。
The water in the passage may continuously fill the passage or may be present intermittently in the passage. A typical continuous example is a case where a passage is formed by a porous body to connect the oxidant electrode side and the fuel electrode side. Water continuously fills the porous body and connects both electrodes. A typical intermittent example is, for example, when using a proton conductive solid polymer electrolyte, a water receiver is formed below the oxidizer electrode side, and water on the oxidizer electrode side is dropped there to form a water receiver. This is the case where the fuel electrode side is connected with a porous body. At this time, the water becomes discontinuous between the oxidizer electrode and the water receiver. Of course, when an anionic conductive solid polymer electrolyte is used, a water receiver may be installed on the fuel electrode side, and the oxidizer electrode may be connected from the water receiver with a porous body.

【0027】また連続と断続を組み合わせることもでき
る。図10は積層されたすべての酸化剤極側と燃料極側
を共通の水路で結んだ場合の燃料電池の概略図である。
図10において積層した固体高分子電解質膜11の両側
に、燃料極12、酸化剤極13が形成されている。両極
に沿って、それぞれ燃料の通路14、酸素の通路15が
あり、これは隔離板16によって分離されている。燃料
および酸化剤(空気)は、それぞれ、矢印A、Bの向き
に各通路を流れる。さらに両極12、13に沿って水分
の通路となるフェノール樹脂製の多孔質体17が形成さ
れ、酸化剤極側と燃料極側が連結されている。この場合
には、固体高分子電解質膜の数に対応した可動シャッタ
ー28を図のように形成する。この開閉できるシャッタ
ーは電気絶縁体で構成されており、閉状態の時、電気、
水を遮断する。開状態のときは水を通す。
It is also possible to combine continuous and intermittent. FIG. 10 is a schematic diagram of a fuel cell in the case where all the stacked oxidant electrode sides and fuel electrode sides are connected by a common water channel.
A fuel electrode 12 and an oxidant electrode 13 are formed on both sides of the solid polymer electrolyte membrane 11 stacked in FIG. Along the two poles, there are respectively a fuel passage 14 and an oxygen passage 15, which are separated by a separator 16. The fuel and the oxidant (air) flow through the passages in the directions of arrows A and B, respectively. Further, a porous body 17 made of phenol resin is formed along the both electrodes 12 and 13 as a passage for water, and the oxidant electrode side and the fuel electrode side are connected. In this case, movable shutters 28 corresponding to the number of solid polymer electrolyte membranes are formed as shown in the figure. This shutter that can be opened and closed is made of an electric insulator, and when it is closed, electricity,
Shut off water. Allow water to pass through when open.

【0028】通常このシャッターは閉状態になってお
り、シャッターの両側に電流が流れるのを防いでいる。
シャッターの両側の水分のバランスが著しく損なわれた
時、一時的にシャッターが開き、水を流してシャッター
の両側の水分のバランスを回復する。
Normally, this shutter is in a closed state, preventing current from flowing on both sides of the shutter.
When the water balance on both sides of the shutter is significantly impaired, the shutter is opened temporarily to flush the water and restore the water balance on both sides of the shutter.

【0029】電池セルを複数積層した積層構造の燃料電
池において、任意の酸化剤極側と任意の燃料極側を結ぶ
ことができる。しかし、一般に任意の酸化剤極側と任意
の燃料極側を結ぶ時には、上記シャッターその他の何等
かの方法により、水を不連続にし、水を通して流れる電
流リークを防ぐことが好ましい。
In a fuel cell having a laminated structure in which a plurality of battery cells are laminated, an arbitrary oxidant electrode side and an arbitrary fuel electrode side can be connected. However, in general, when connecting an arbitrary oxidant electrode side and an arbitrary fuel electrode side, it is preferable to make the water discontinuous by the above-mentioned shutter or some other method so as to prevent current leakage flowing through the water.

【0030】それに対し、隣り合う電池セルの酸化剤極
側と燃料極側を結ぶ通路は、両者が同電位であるため水
を不連続にする必要はなく、簡単な構造にすることがで
きる。また水の流路最短にする意味からも特に好ましい
構造である。
On the other hand, the passages connecting the oxidant electrode side and the fuel electrode side of the adjacent battery cells do not need to be discontinuous with water because both have the same potential, and can have a simple structure. It is also a particularly preferable structure from the viewpoint of making the water flow path shortest.

【0031】また、同一電池セルの酸化剤極側と燃料極
側を結ぶ通路も、電流リークは僅かであって、実質的に
はあまり問題なく、水を不連続にしなくてもよい。した
がって、これも簡単な構造にすることができ、水の流路
も短いので特に好ましい構造である。
In the passage connecting the oxidant electrode side and the fuel electrode side of the same battery cell, the current leakage is small, and there is practically no problem, and the water does not have to be discontinuous. Therefore, this is also a particularly preferable structure because it can have a simple structure and the flow path of water is short.

【0032】本発明の燃料電池においては、積層された
酸化剤極側と燃料極側が電池セルの外部で水分の通路に
より連結され、毛管現象の作用によって、水分が自由に
移動できるようになっている。
In the fuel cell of the present invention, the laminated oxidant electrode side and the fuel electrode side are connected to each other by a water passage outside the battery cell, and the water can move freely by the action of the capillary phenomenon. There is.

【0033】例えばプロトン導電性電解質を用いた場
合、燃料電池が作動すると、電池セルの内部で、固体高
分子電解質膜を通して、水は燃料極側から酸化剤極側へ
流れるので、その結果、酸化剤極側が水分が豊富にな
り、燃料極側が水分が欠乏する。
For example, when a proton conductive electrolyte is used, when the fuel cell is operated, water flows from the fuel electrode side to the oxidant electrode side inside the battery cell through the solid polymer electrolyte membrane, resulting in oxidation. The agent electrode side becomes rich in water, and the fuel electrode side becomes deficient in water.

【0034】両電極の水分のバランスが崩れると、水分
は外部の通路を通って酸化剤極側から燃料極側へ、表面
張力により移動し、それによって燃料極側の水分が自動
的に補給される。また、陰イオン導電性電解質を用いた
場合は、逆に酸化剤側から燃料極側へ水分が補給され
る。
When the water balance of both electrodes is lost, the water moves through the external passage from the oxidizer electrode side to the fuel electrode side by surface tension, whereby the water on the fuel electrode side is automatically replenished. It On the other hand, when an anionic conductive electrolyte is used, water is replenished from the oxidant side to the fuel electrode side.

【0035】以上のように、本発明の燃料電池において
は、燃料極側又は酸化剤極側に必要な水は、常に自動的
に補給される。しかも、この補給は、ポンプなどの動力
(エネルギー消費)装置を必要とせず、動力装置に伴う
複雑な配管システム、駆動システム、制御システムも不
要である。
As described above, in the fuel cell of the present invention, the water required on the fuel electrode side or the oxidant electrode side is always automatically replenished. Moreover, this replenishment does not require a power (energy consumption) device such as a pump, and does not require a complicated piping system, drive system, or control system associated with the power device.

【0036】更に本発明においては、燃料電池が必要と
する水は、燃料電池自身で自給自足することができ、外
部からの水の補給は必要ない。このように本発明の燃料
電池は、非常に簡単な電池システムであり、小型化が可
能である。
Further, in the present invention, the water required by the fuel cell can be self-sufficient by the fuel cell itself, and it is not necessary to supply water from the outside. As described above, the fuel cell of the present invention is a very simple cell system and can be miniaturized.

【0037】また本発明においては、水は表面張力によ
り、必要十分なだけ常に自動的に供給されるため、ポン
プなどの動力装置による供給の場合にみられる、過剰供
給あるいは供給不足による電池性能の阻害等のトラブル
がない。
Further, in the present invention, water is always automatically supplied as much as necessary and sufficiently due to the surface tension, so that the battery performance due to excessive supply or insufficient supply, which is observed in the case of supply by a power unit such as a pump, is reduced. There is no trouble such as obstruction.

【0038】また本願の第2の発明は、燃料極と、酸化
剤極と、燃料極及び酸化剤極とにより挟持された電解質
とからなる燃料電池において、電解質が固体高分子電解
質と、吸水性もしくは保水性物質とを含有することを特
徴とする燃料電池である。
The second invention of the present application is a fuel cell comprising a fuel electrode, an oxidizer electrode, and an electrolyte sandwiched between the fuel electrode and the oxidizer electrode, wherein the electrolyte is a solid polymer electrolyte and a water-absorbing material. Alternatively, it is a fuel cell containing a water-retaining substance.

【0039】すなわち、本発明の燃料電池は電解質とし
て通常の固体高分子電解質の主構成物質であるイオン交
換能を有する高分子化合物(高分子電解質)の他に膜内
に水分を供給・保持し、あるいは濃度勾配にしたがって
水分を通過させ得る吸水性もしくは保水性物質を並存さ
せたものを用いていることを特徴としている。
That is, the fuel cell of the present invention supplies and holds water in the membrane in addition to the polymer compound (polymer electrolyte) having an ion-exchange ability, which is the main constituent substance of an ordinary solid polymer electrolyte as an electrolyte. Alternatively, a water-absorbing or water-retaining substance that allows water to pass therethrough in accordance with a concentration gradient is used.

【0040】本発明の燃料電池に用いる電解質の構成及
び機構を模式図によって説明する。図1にプロトン導電
性の場合の本発明に係る電解質の構造模式図を示す。図
1において、燃料電池用電解質1は、固体高分子電解質
2内に吸水性もしくは、保水性物質3が保持されてい
る。
The structure and mechanism of the electrolyte used in the fuel cell of the present invention will be described with reference to schematic diagrams. FIG. 1 shows a structural schematic diagram of the electrolyte according to the present invention in the case of proton conductivity. In FIG. 1, a fuel cell electrolyte 1 has a solid polymer electrolyte 2 in which a water-absorbing or water-retaining substance 3 is retained.

【0041】図2にこの電解質内での物質移動の模式図
を示す。図2で明らかなように本発明の燃料電池用電解
質は高分子固体電解質本来のイオン(プロトン)導電性
を示すと共に、吸水性もしくは保水性物質の働きにより
自ら吸水性ないし保水性を示すため酸化剤極触媒表面で
生成した水を速やかに吸収して触媒表面に常に反応性物
質と接触できる状態に保ち、同時に膜内および燃料極表
面の乾燥を防止する働きも示す。
FIG. 2 shows a schematic diagram of mass transfer in this electrolyte. As is clear from FIG. 2, the fuel cell electrolyte of the present invention exhibits the ionic (proton) conductivity inherent to the polymer solid electrolyte and, at the same time, exhibits water absorption or water retention by the action of the water absorption or water retention substance, and thus is oxidized. It also rapidly absorbs water generated on the surface of the catalyst on the cathode and keeps the surface of the catalyst in contact with the reactive substance at all times, and at the same time, it also prevents the inside of the membrane and the surface of the anode from drying.

【0042】つまり、燃料極側で生成したプロトンは、
固体高分子電解質のプロトン導電性により酸化剤極側
(矢印4の方向)に輸送される。また、酸化剤極側で生
成した水は、吸水性もしくは保水性物質の働きにより、
矢印5、及び矢印5´の如く、燃料極表面及び電解質内
に送られ水分が保持される。
That is, the protons generated on the fuel electrode side are
Due to the proton conductivity of the solid polymer electrolyte, the solid polymer electrolyte is transported to the oxidant electrode side (direction of arrow 4). In addition, the water generated on the side of the oxidizer electrode, by the action of the water-absorbing or water-retaining substance,
As indicated by arrows 5 and 5 ', water is sent to the surface of the fuel electrode and inside the electrolyte to retain water.

【0043】また、陰イオン導電性の固体高分子電解質
の場合、上記とは場合全く固体に燃料極側で生成した水
は酸化剤極表面及び電解質内に送られ水分が保持され
る。
In the case of an anionic conductive solid polymer electrolyte, the water produced on the fuel electrode side is completely solid in the above case and is sent to the surface of the oxidizer electrode and the electrolyte to retain water.

【0044】以上のように本発明に係る電解質は自ら吸
水性ないし保水性を示すため一方の電極触媒表面で生成
した水を速やかに吸収して触媒表面を常に反応性物質と
接触できる状態に保つと共に、吸収した水は電解質中を
濃度勾配にしたがって拡散し、他方の電極表面の乾燥を
防止する働きも示す。さらにこの過程において電解質自
体も外部からの加湿無しに常に有効なイオン解離、イオ
ン伝導特性を維持できるという優れた性質を示す。
As described above, since the electrolyte according to the present invention exhibits water absorption or water retention by itself, it quickly absorbs the water generated on the surface of one of the electrode catalysts and keeps the surface of the catalyst always in contact with the reactive substance. At the same time, the absorbed water diffuses in the electrolyte according to the concentration gradient, and also has a function of preventing the other electrode surface from drying. Further, in this process, the electrolyte itself also exhibits excellent properties that it can always maintain effective ionic dissociation and ionic conduction characteristics without external humidification.

【0045】したがって本発明の燃料電池では、加湿・
給水のための別段の機構を設ける必要はなく、また生成
水除去のための機構も簡素化できる。
Therefore, in the fuel cell of the present invention,
It is not necessary to provide a separate mechanism for water supply, and the mechanism for removing generated water can be simplified.

【0046】本発明に係る吸水性もしくは保水性物質と
しては、澱粉/アクリロニトリル共重合体、架橋アクリ
ル酸塩、架橋ポリエチレンオキサイド等の吸水性高分子
化合物;シリカヒドロゲル、変成蛋白質(ゼラチン)等
のゲル状化合物などが利用できる。
Examples of the water-absorbing or water-retaining substance according to the present invention include water-absorbing polymer compounds such as starch / acrylonitrile copolymer, cross-linked acrylate and cross-linked polyethylene oxide; silica hydrogel, denatured protein (gelatin) gel. Compounds and the like can be used.

【0047】また本発明に係る固体高分子電解質は、プ
ロトン導電性固体高分子電解質として、パーフルオロカ
ーボンスルホン酸ポリマー(商品名;Nafion(米
国Du Pont社製)スルホン酸基を有するポリスチ
レン系の陽イオン交換膜、陰イオン導電性固体高分子電
解質として、陰イオン交換膜である商品名:Perma
plex BHD(伊:フィアット社製)を挙げること
ができる。
The solid polymer electrolyte according to the present invention is, as a proton conductive solid polymer electrolyte, a polystyrene-based cation having a perfluorocarbon sulfonic acid polymer (trade name; Nafion (manufactured by Du Pont, USA) sulfonic acid group. Exchange membrane, anion conductive solid polymer electrolyte, anion exchange membrane, trade name: Perma
Plex BHD (I: made by Fiat) can be mentioned.

【0048】本発明に係る電解質の最も簡便な製法は固
体高分子電解質に吸水性もしくは保水性物質、たとえば
ポリビニルアルコールなどの水溶液を含浸させる方法で
ある。
The simplest method for producing the electrolyte according to the present invention is to impregnate a solid polymer electrolyte with a water-absorbing or water-retaining substance such as an aqueous solution of polyvinyl alcohol.

【0049】しかし、これらの吸水性もしくは保水性物
質は使用条件下で固体高分子電解質中に固定されている
必要があり、したがって燃料電池の構造、使用温度、燃
料、酸化剤などの条件によっては予め固体化のための処
理を必要とする場合もある。そのために、固体高分子電
解質に吸水性もしくは保水性物質の前駆体ないしその溶
液を含浸させた後この前駆体を処理して電解質膜に吸水
性もしくは保水性物質を固定する方法が有効である。た
とえば、水溶性高分子を固体高分子電解質に含浸させた
後、架橋剤で処理して不溶化する方法、ケイ酸アルカリ
を固体高分子電解質膜に含浸させた後、酸処理によりゲ
ル化する方法等が利用できる。
However, these water-absorbing or water-retaining substances need to be fixed in the solid polymer electrolyte under the use conditions, and therefore, depending on the structure of the fuel cell, the use temperature, the fuel, the oxidant, etc. In some cases, a treatment for solidification is required in advance. For this purpose, a method of impregnating a solid polymer electrolyte with a precursor of a water-absorbing or water-retaining substance or a solution thereof and then treating the precursor to fix the water-absorbing or water-retaining substance to the electrolyte membrane is effective. For example, a method of impregnating a solid polymer electrolyte with a water-soluble polymer and then insolubilizing it by treating with a crosslinking agent, a method of impregnating a solid polymer electrolyte membrane with an alkali silicate membrane, and then gelating by acid treatment, etc. Is available.

【0050】また、固体高分子電解質を製造する段階で
吸水性もしくは保水性物質を共存させる方法として固体
高分子電解質の溶液と吸水性もしくは保水性物質の溶液
とを同時にキャスティングした後、溶媒を除去する方法
なども利用できる。
As a method of allowing a water-absorbing or water-retaining substance to coexist in the step of producing a solid polymer electrolyte, a solution of the solid polymer electrolyte and a solution of the water-absorbing or water-retaining substance are simultaneously cast, and then the solvent is removed. You can also use the method.

【0051】このようにして作製した電解質膜と燃料
極、酸化剤極を組合わせることにより本発明の燃料電池
を製造することができる。
The fuel cell of the present invention can be manufactured by combining the electrolyte membrane thus manufactured with the fuel electrode and the oxidant electrode.

【0052】本発明に係る電解質は加湿・給水の必要が
ほとんど無く、またその水分透過性により、この膜で隔
てられた陽陰両極の水分バランスのコントロールも極め
て容易になるという特徴を有する。
The electrolyte according to the present invention requires almost no humidification and water supply, and its water permeability makes it very easy to control the water balance between the positive and negative electrodes separated by this membrane.

【0053】したがって、この電解質を用いた本発明の
固体高分子電解質型の燃料電池は燃料もしくは酸化剤を
介しての電解質加湿のための機構を必要とせず、また再
結合反応によって生成する水分の一部を電解質内及び電
解質の反対側に移動させて再利用するため低温型燃料電
池で特に問題とされる排水・排蒸気処理に要する機構も
削減ないし簡略化し得る。
Therefore, the solid polymer electrolyte type fuel cell of the present invention using this electrolyte does not require a mechanism for humidifying the electrolyte through the fuel or the oxidant, and the moisture produced by the recombination reaction is not required. Since a part is moved to the inside of the electrolyte and to the side opposite to the electrolyte for reuse, the mechanism required for drainage / exhaust steam treatment, which is particularly problematic in low-temperature fuel cells, can be reduced or simplified.

【0054】さらに、本発明の燃料電池をメタノール等
の有機燃料による直接発電型燃料電池として用いる場合
にも、例えばプロトン導電性固体高分子電解質を用いる
場合には燃料極側で消費する水を酸化剤極側での生成水
で補うことができ、陰イオン導電性固体高分子電解質を
用いる場合には酸化剤極側で消費する水を燃料極側での
生成水で補給できる。したがって反応水供給用容器の小
容積化ないし水循環系の省略が可能となる。
Further, when the fuel cell of the present invention is used as a direct power generation type fuel cell using an organic fuel such as methanol, for example, when a proton conductive solid polymer electrolyte is used, water consumed on the fuel electrode side is oxidized. The generated water on the side of the agent electrode can be supplemented, and when an anionic conductive solid polymer electrolyte is used, the water consumed on the side of the oxidant electrode can be replenished with the generated water on the side of the fuel electrode. Therefore, it is possible to reduce the volume of the reaction water supply container or to omit the water circulation system.

【0055】以上のように本発明に係る電解質は水分コ
ントロールが容易にし、これを用いた本発明の燃料電池
は制御が容易で小型であるという実用上極めて有利な特
性を示す。
As described above, the electrolyte according to the present invention makes it easy to control the water content, and the fuel cell of the present invention using the electrolyte exhibits the practically extremely advantageous characteristics of being easy to control and being small in size.

【0056】[0056]

【実施例】以下の本発明の実施例を説明する。 (実施例1)積層型の小形固体高分子電解質型の燃料電
池を試作した。積層された電池セルの大きさは、縦8c
m、横5cm、厚さ3cmである。
EXAMPLES Examples of the present invention will be described below. (Example 1) A stack type small solid polymer electrolyte type fuel cell was prototyped. The size of the stacked battery cells is 8c vertically
m, width 5 cm, thickness 3 cm.

【0057】図3は本発明の固体高分子電解質型の燃料
電池の一実施様態を示す部分断面図、図4は部分平面図
である。本燃料電池は図示していない冷却部によって、
運転時60℃となるように調整されている。
FIG. 3 is a partial cross-sectional view showing one embodiment of the solid polymer electrolyte fuel cell of the present invention, and FIG. 4 is a partial plan view. This fuel cell has a cooling unit (not shown)
The temperature is adjusted to 60 ° C during operation.

【0058】図3において、積層した固体高分子電解質
膜11の両側に、水素(燃料)極12、酸素(酸化剤)
極13が形成されている。両極に沿ってそれぞれ水素
(燃料)の通路14、酸素(空気)の通路15があり、
これらは隔離板16によって分離されている。水素(燃
料)および酸素(空気)は、それぞれ矢印A、Bの向き
に各通路を流れる。また、各セルは、電気的に導通され
ている。
In FIG. 3, a hydrogen (fuel) electrode 12 and oxygen (oxidizer) are provided on both sides of the laminated solid polymer electrolyte membrane 11.
The pole 13 is formed. There are a passage 14 for hydrogen (fuel) and a passage 15 for oxygen (air) along both poles,
These are separated by a separator 16. Hydrogen (fuel) and oxygen (air) flow through the passages in the directions of arrows A and B, respectively. Moreover, each cell is electrically conducted.

【0059】両極12、13に沿ってそれぞれ水分の通
路となるフェノール樹脂製の多孔質体17、18が形成
されている。図4に垂直方向の断面図をしめす。図4に
示したように、多孔質体17、18は水素(燃料)極1
2、酸素(酸化剤)極13の一部を覆っている。
Porous bodies 17 and 18 made of phenol resin are formed along the both electrodes 12 and 13 to serve as water passages, respectively. FIG. 4 shows a vertical sectional view. As shown in FIG. 4, the porous bodies 17 and 18 are hydrogen (fuel) electrodes 1
2. It covers a part of the oxygen (oxidizer) electrode 13.

【0060】多孔質体が覆っている部分から、両極と多
孔質体の間に水の授受が行われる。多孔質体が覆ってい
ない部分から、両極と水素(燃料)あるいは酸素(空
気)との反応が行われる。多孔質体が両極を覆うパター
ンは、それぞれの条件に応じて、最適になるように決め
ることができる。例えば、水素の入口は乾燥しやすいか
らパターン密度を高く、出口は密度を低く等である。
Water is exchanged between the both electrodes and the porous body from the portion covered by the porous body. The reaction between the both electrodes and hydrogen (fuel) or oxygen (air) is carried out from the part not covered by the porous body. The pattern in which the porous body covers both electrodes can be determined to be optimum according to the respective conditions. For example, the hydrogen inlet has a high pattern density because it is easily dried, and the outlet has a low density.

【0061】多孔質体17、18は多孔質体の連結部1
9によって一体構造になっており、多孔質体の中を水は
毛管現象により移動することができる。
The porous bodies 17 and 18 are the connecting portions 1 of the porous bodies.
9 has an integral structure, and water can move in the porous body by a capillary phenomenon.

【0062】燃料電池の運転中は、水は固体高分子電解
質膜11を通って、水素(燃料)極12から酸素(酸化
剤)極13へ流れる。流れた水および酸素(酸化剤)極
13で反応により生成した水は、多孔質体18で吸い取
られ、表面張力により19を通り、17に供給される。
17から水は再び水素(燃料)極12に吸収され、固体
高分子電解質膜11を通って循環する。 (実施例2)積層型の小形固体高分子電解質型燃料電池
を試作した。積層された電池セルの大きさは、縦6cm、
横7cm、厚さ3cmである。
During the operation of the fuel cell, water flows from the hydrogen (fuel) electrode 12 to the oxygen (oxidant) electrode 13 through the solid polymer electrolyte membrane 11. The flowing water and the water generated by the reaction at the oxygen (oxidizer) electrode 13 are absorbed by the porous body 18, pass through 19 by the surface tension, and are supplied to 17.
Water from 17 is again absorbed by the hydrogen (fuel) electrode 12 and circulates through the solid polymer electrolyte membrane 11. (Example 2) A stack-type small solid polymer electrolyte fuel cell was prototyped. The size of the stacked battery cells is 6 cm in length,
The width is 7 cm and the thickness is 3 cm.

【0063】図5は本発明の固体高分子電解質型燃料電
池の一実施様態を示す部分断面図である。本燃料電池は
図示していない冷却部によって、運転時60℃となるよ
うに調整されている。
FIG. 5 is a partial cross-sectional view showing one embodiment of the solid polymer electrolyte fuel cell of the present invention. The present fuel cell is adjusted to have a temperature of 60 ° C. during operation by a cooling unit (not shown).

【0064】図5において、積層した固体高分子電解質
膜11の両側に、水素(燃料)極12、酸素(酸化剤)
極13が形成されている。両極に沿ってそれぞれ水素
(燃料)の通路14、酸素(空気)の通路15があり、
これらは隔離板16によって分離されている。水素(燃
料)および酸素(空気)は、それぞれ矢印A、Bの向き
に各通路を流れる。
In FIG. 5, a hydrogen (fuel) electrode 12 and oxygen (oxidizer) are provided on both sides of the laminated solid polymer electrolyte membrane 11.
The pole 13 is formed. There are a passage 14 for hydrogen (fuel) and a passage 15 for oxygen (air) along both poles,
These are separated by a separator 16. Hydrogen (fuel) and oxygen (air) flow through the passages in the directions of arrows A and B, respectively.

【0065】水素(燃料)極12に沿って水分の通路と
なるフェノール樹脂製の多孔質体17が形成されてい
る。多孔質体17は前記図4と同様に水素(燃料)極1
2の一部を覆っている。
A porous body 17 made of phenol resin is formed along the hydrogen (fuel) electrode 12 to serve as a water passage. The porous body 17 has a hydrogen (fuel) electrode 1 as in FIG.
It covers part of 2.

【0066】多孔質体が覆っている部分から、水素(燃
料)極と多孔質体の間に水の授受が行われる。多孔質体
が覆っていない部分から、水素(燃料)極と水素(燃
料)との反応が行われる。多孔質体が水素(燃料)極を
覆うパターンは、それぞれの条件に応じて、最適になる
ように決めることができる。例えば、水素の入口は乾燥
しやすいからパターン密度は高く、出口は密度を低く等
である。
Water is exchanged between the hydrogen (fuel) electrode and the porous body from the portion covered with the porous body. The reaction between the hydrogen (fuel) electrode and hydrogen (fuel) is performed from the portion not covered by the porous body. The pattern in which the porous body covers the hydrogen (fuel) electrode can be determined to be optimal according to each condition. For example, the hydrogen inlet has a high pattern density because it is easily dried, and the outlet has a low density.

【0067】多孔質体17は水受け部20の底に接して
おり、水受け部20の水を吸い上げることができる。水
受け部20は酸素(酸化剤)極13で生成した水および
流れ込んだ水が流れ落ち、蓄えられるようになってい
る。
The porous body 17 is in contact with the bottom of the water receiving portion 20 and can suck up the water in the water receiving portion 20. In the water receiver 20, the water generated at the oxygen (oxidizer) electrode 13 and the water that has flowed in flow down and are stored.

【0068】燃料電池の運転中は、水は固体高分子電解
質膜11を通って、水素(燃料)極12から酸素(酸化
剤)極13へ流れる。流れた水および酸素(酸化剤)極
13で反応により生成した水は、酸素(酸化剤)極13
に沿って流れ落ち、水受け部20に蓄えられる。蓄えら
れた水は毛管現象により多孔質体17を通って矢印Cの
方向に供給される。多孔質体17から水は再び水素(燃
料)極12に吸収され、固体高分子電解質膜11を通っ
て循環する。 (実施例3〜実施例11、及び比較例1〜比較例12)
実施例3〜実施例8として、固体高分子電解質に市販の
パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーからなる固体
高分子電解質(商品名:Nafion;米国Du Po
nt社製)を用い、これに吸水性もしくは保水性物質、
またはこれらの前駆体ないしその溶液を含浸させ、必要
に応じて吸水性もしくは保水性物質を固体高分子電解質
に固定化するための各種処理を施すことにより本発明の
電解質を作製した。含浸させた物質および処理の方法は
表1に示す。
During operation of the fuel cell, water flows from the hydrogen (fuel) electrode 12 to the oxygen (oxidant) electrode 13 through the solid polymer electrolyte membrane 11. The flowing water and the water produced by the reaction at the oxygen (oxidant) electrode 13 are
It flows down along with and is stored in the water receiving part 20. The stored water is supplied in the direction of arrow C through the porous body 17 by the capillary phenomenon. Water is again absorbed by the hydrogen (fuel) electrode 12 from the porous body 17 and circulates through the solid polymer electrolyte membrane 11. (Examples 3 to 11 and Comparative Examples 1 to 12)
Examples 3 to 8 are solid polymer electrolytes (commercial name: Nafion; USA Du Po), which are commercially available perfluorocarbon sulfonic acid polymers.
(manufactured by nt Co., Ltd.)
Alternatively, the electrolyte of the present invention was prepared by impregnating these precursors or their solutions and, if necessary, performing various treatments for immobilizing a water-absorbing or water-retaining substance on the solid polymer electrolyte. The impregnated materials and treatment method are shown in Table 1.

【0069】[0069]

【表1】 得られた燃料電池用電解質についてJIS K 720
9に準じた方法で吸水率を測定した。すなわち、試料と
する電解質膜を50℃で1日乾燥した後約23℃の水中
に1日浸漬し、浸漬前後の重量差から単位量当りの吸水
率を求めた。この結果を表1に併記した。
[Table 1] Regarding the obtained fuel cell electrolyte JIS K 720
The water absorption was measured by the method according to 9. That is, the electrolyte membrane as a sample was dried at 50 ° C. for 1 day and then immersed in water at about 23 ° C. for 1 day, and the water absorption rate per unit amount was determined from the weight difference before and after the immersion. The results are also shown in Table 1.

【0070】また、実施例9〜実施例11として上述の
Nafionの溶液(Aldrich社製)と吸水性ポ
リマーの溶液とをガラス板上に塗布し、溶媒を乾燥除去
し、製膜した場合の結果を表2に示す。
In addition, as a result of applying a solution of Nafion (manufactured by Aldrich) and a solution of a water-absorbing polymer as described in Examples 9 to 11 onto a glass plate, removing the solvent by drying, and forming a film. Is shown in Table 2.

【0071】[0071]

【表2】 尚、表2において固体比混合率とは、固体高分子電解質
と吸水性もしくは保水性物質の混合比率を示し、(固体
高分子電解質の重量/吸水性もしくは保水性物質の重
量)を示す。
[Table 2] In Table 2, the solid specific mixing ratio indicates the mixing ratio of the solid polymer electrolyte and the water-absorbing or water-retaining substance, and is (weight of solid polymer electrolyte / weight of water-absorbing or water-retaining substance).

【0072】また、比較例1及び比較例2として各々市
販のNafion膜をそのまま用いた場合、および吸水
性ポリマーの一種である澱粉/ポリアクリル酸ナトリウ
ム共重合ポリマーのみにより製膜した試料の場合の吸水
率を表3に示す。
Further, in Comparative Example 1 and Comparative Example 2, commercially available Nafion membranes were used as they were, and in the case of samples formed by only a starch / sodium polyacrylate copolymer which is one of water-absorbing polymers. The water absorption rate is shown in Table 3.

【0073】[0073]

【表3】 なお、各表の最終列にはこれらの膜を吸水率測定終了後
の状態(吸水状態)で二枚の白金板ではさみ測定した単
位厚さの交流インピーダンスの値(1kHzで測定)か
ら求めた導電率を市販Nafion膜の値を基準とした
相対導電率として百分率で示した。
[Table 3] In the last column of each table, these films were obtained from the value of the AC impedance (measured at 1 kHz) of the unit thickness, which was measured by sandwiching the two films after the measurement of the water absorption rate (water absorption state). The conductivity was shown as a percentage as a relative conductivity based on the value of a commercially available Nafion film.

【0074】これらの表1、表2、及び表3から明らか
なように本発明に係る電解質は吸水性もしくは保水性物
質を含まない固体高分子電解質膜に比べ高い保水能を有
し、かつ、電解質膜本来の特性により高いイオン導電性
を示すことが分かる。
As is clear from Table 1, Table 2 and Table 3, the electrolyte according to the present invention has a higher water retention capacity than a solid polymer electrolyte membrane containing no water-absorbing or water-retaining substance, and It can be seen that the original characteristics of the electrolyte membrane show high ionic conductivity.

【0075】次に、これらの膜の幾つかを用い固体高分
子電解質型の模擬燃料電池を作製した。その模式図を図
6に示す。まず、電解質の両面に白金担持カーボン粉末
とフッ化炭素からなる触媒層を熱圧着し、これにニッケ
ルメッシュを接触させて集電体としたこの発電体6を図
6に示すような模擬セル容器25に収納し、電極両面に
空気および燃料を供給するための空気室8、空気入口2
1、空気出口22及び燃料室7、燃料入口9、燃料出口
10を設け、模擬燃料電池を作成した。
Next, a solid polymer electrolyte type simulated fuel cell was produced using some of these membranes. The schematic diagram is shown in FIG. First, a catalyst layer composed of platinum-supporting carbon powder and fluorocarbon was thermocompression-bonded to both sides of the electrolyte, and a nickel mesh was brought into contact with the catalyst layer to form a current collector 6 as a current collector 6 as shown in FIG. 25, and an air chamber 8 and an air inlet 2 for supplying air and fuel to both surfaces of the electrode.
1, an air outlet 22, a fuel chamber 7, a fuel inlet 9, and a fuel outlet 10 were provided to prepare a simulated fuel cell.

【0076】前記模擬燃料電池を用い実施例9の燃料電
池用電解質膜と比較例1の電解質膜を用いて作製した固
体高分子電解質型の模擬燃料電池の燃料極側に80℃の
温水中を通過させた水素ガスを供給した場合の電位−電
流曲線を図7に実線で示す。実施例2(図中91)の方
が比較例(図中93)より発電特性が優れていることが
わかる。さらに、供給燃料を乾燥水素に切り替えると各
々破線で示す曲線に変化したが、比較例(図中94)で
大幅な特性低下が認められるのに対し、実施例(図中9
2)では供給水分量低下の影響が小さいことがわかる。
Using the simulated fuel cell, the electrolyte membrane for fuel cell of Example 9 and the electrolyte membrane of Comparative Example 1 were used to prepare hot water at 80 ° C. on the fuel electrode side of the solid polymer electrolyte type simulated fuel cell. A potential-current curve in the case of supplying the passed hydrogen gas is shown by a solid line in FIG. It can be seen that the power generation characteristics of Example 2 (91 in the figure) are better than those of the comparative example (93 in the figure). Further, when the supply fuel was changed to dry hydrogen, the curves changed to the curves indicated by the broken lines, respectively, but in the comparative example (94 in the figure), a drastic characteristic deterioration was observed, while in the example (9 in the figure).
In 2), it can be seen that the influence of the decrease in the amount of supplied water is small.

【0077】さらに、これらのセルに60℃に加熱した
メタノールを供給したところ、図5のような特性が得ら
れ、メタノールと共に水を供給しなくても発電が可能で
あることがわかった。
Further, when methanol heated to 60 ° C. was supplied to these cells, the characteristics shown in FIG. 5 were obtained, and it was found that power generation was possible without supplying water together with methanol.

【0078】図9はメタノールを燃料極に供給したとき
の電解質上での物質移動を示す概略図である。図9
(a)に示すように、電解質中の吸水性もしくは保水性
物質の作用によりメタノールからのプロトン生成に必要
な水を酸化剤側から補充できればメタノールのみの供給
によっても電気化学的反応が進むが図9(b)に示す如
く、酸化剤側からの水の補充がない場合は、電気化学的
反応は生起しないと考えられる。 (実施例12)積層型の小形固体高分子電解質型燃料電
池を試作した。積層された電池セルの大きさは、縦8c
m、横5cm、厚さ3cmである。
FIG. 9 is a schematic diagram showing mass transfer on the electrolyte when methanol is supplied to the fuel electrode. Figure 9
As shown in (a), if the water required for proton generation from methanol can be replenished from the oxidizer side by the action of the water-absorbing or water-retaining substance in the electrolyte, the electrochemical reaction will proceed even if only methanol is supplied. As shown in FIG. 9 (b), it is considered that no electrochemical reaction occurs unless water is replenished from the oxidant side. (Example 12) A stack-type small solid polymer electrolyte fuel cell was prototyped. The size of the stacked battery cells is 8c vertically
m, width 5 cm, thickness 3 cm.

【0079】図10は本発明の固体高分子電解質型燃料
電池の一実施様態を示す部分断面図である。実施例3は
以下の1点を除き、実施例1と同一である。
FIG. 10 is a partial cross-sectional view showing one embodiment of the solid polymer electrolyte fuel cell of the present invention. Example 3 is the same as Example 1 except for the following one point.

【0080】異なる点は、積層されたすべての多孔質体
17、18が共通の多孔質体の連結部26によって一体
構造になっており、多孔質体の中を水は表面張力等によ
り自由に移動することができる。ただし、この共通の連
結部26は、電気絶縁体のシャッター28によって、各
電池セル毎に区切られている。通常時このシャッターは
閉状態で、共通の連結部26を通って流れる電流を遮断
している。
The difference is that all the laminated porous bodies 17 and 18 have an integrated structure by a common porous body connecting portion 26, and water can freely flow in the porous body due to surface tension or the like. You can move. However, the common connecting portion 26 is divided for each battery cell by a shutter 28 of an electric insulator. Normally, this shutter is in the closed state, blocking the current flowing through the common connecting portion 26.

【0081】燃料電池の運転中は、水は固体高分子電解
質膜11を通って、水素(燃料)極12から酸素(酸化
剤)極13へ流れる。流れた水および酸素(酸化剤)極
13で反応により生成した水は、多孔質体18で吸い取
られ、表面張力等により19を通り、17に供給され
る。17から水は再び水素(燃料)極12に吸収され、
固体高分子電解質膜11を通って循環する。
During operation of the fuel cell, water flows from the hydrogen (fuel) electrode 12 to the oxygen (oxidant) electrode 13 through the solid polymer electrolyte membrane 11. The flowing water and the water generated by the reaction at the oxygen (oxidizing agent) electrode 13 are absorbed by the porous body 18, pass through 19 due to the surface tension, and are supplied to 17. Water from 17 is again absorbed by the hydrogen (fuel) electrode 12,
It circulates through the solid polymer electrolyte membrane 11.

【0082】運転中にシャッター28は随時開き、共通
の連結部26中の水にバランスを調整する。調整後、シ
ャッター28は再び閉じて、閉状態を維持する。 (実施例13)積層型の小型固体高分子電解質燃料電池
を試作した。積層された電池セルの大きさは、縦8cm、
横5cm、厚さ3cmである。
During operation, the shutter 28 is opened at any time to balance the water in the common connection 26. After the adjustment, the shutter 28 is closed again to maintain the closed state. (Example 13) A stack-type small solid polymer electrolyte fuel cell was prototyped. The size of the stacked battery cells is 8 cm in length,
It is 5 cm wide and 3 cm thick.

【0083】図11は本発明の固体高分子電解質型燃料
電池の一実施様態を示す部分断面図である。実施例4は
以下の2点を除き、実施例1と同一である。
FIG. 11 is a partial cross-sectional view showing one embodiment of the solid polymer electrolyte fuel cell of the present invention. Example 4 is the same as Example 1 except for the following two points.

【0084】異なる点の一つは、積層された電池セルの
最両側の水素(燃料)極および酸素(酸化剤)極がシャ
ッター29付きの多孔質体の連結部27によって連結さ
れており、多孔質体の中を水は表面張力等により自由に
移動することができる。ただし、この連結部27は、電
気絶縁体のシャッター29によって閉じられており、連
結部27を通って流れる電流を遮断している。
One of the different points is that the hydrogen (fuel) electrode and the oxygen (oxidant) electrode on the outermost sides of the stacked battery cells are connected by the connecting portion 27 of the porous body with the shutter 29, and Water can move freely in the body due to surface tension or the like. However, the connecting portion 27 is closed by a shutter 29 made of an electric insulator, and cuts off a current flowing through the connecting portion 27.

【0085】異なる点の他の一つは、電池セルの水素
(燃料)極および酸素(酸化剤)極の表面に多孔質体は
形成されておらず、代わりに細い溝が形成されている点
である。水を表面張力等により、細い溝を伝わって移動
し、両極の表面を潤す。
Another difference is that a porous body is not formed on the surface of the hydrogen (fuel) electrode and the oxygen (oxidizing agent) electrode of the battery cell, and a thin groove is formed instead. Is. Due to surface tension, water moves along the narrow groove and moistens the surfaces of both electrodes.

【0086】燃料電池の運転中は、水は固体高分子電解
質膜11を通って、水素(燃料)極12から酸素(酸化
剤)極13へ流れる。流れた水および酸素(酸化剤)極
13で反応により生成した水は、電極上に形成された細
い溝30を伝わって流れ、多孔質体の連結部19を通
り、水素(燃料)極側に供給される。ここから水は表面
張力等により水素(燃料)極上に形成された細い溝31
を伝わって流れ、再び水素(燃料)極12に吸収され、
固体高分子電解質膜11を通って循環する。
During operation of the fuel cell, water flows from the hydrogen (fuel) electrode 12 to the oxygen (oxidant) electrode 13 through the solid polymer electrolyte membrane 11. The flowing water and the water generated by the reaction at the oxygen (oxidizer) electrode 13 flow along the narrow groove 30 formed on the electrode, pass through the connecting portion 19 of the porous body, and reach the hydrogen (fuel) electrode side. Supplied. From here, water is a thin groove 31 formed on the hydrogen (fuel) pole due to surface tension or the like.
Flow through the water and are absorbed again by the hydrogen (fuel) electrode 12,
It circulates through the solid polymer electrolyte membrane 11.

【0087】運転中にシャッター29は両側の水分のア
ンバランスを検知して開き、連結部27中の水のバラン
スを調整する。調整後、シャッター29は再び閉じて、
閉状態を維持する。
During operation, the shutter 29 detects the imbalance of water on both sides and opens to adjust the balance of water in the connecting portion 27. After the adjustment, the shutter 29 is closed again,
Keep closed.

【0088】[0088]

【発明の効果】以上説明したように、本発明を用いれば
固体高分子型燃料電池において、複雑な水分制御なしに
作動することができ、加湿・給水のためのシステムが不
要であり、燃料電池の小型化が実現できる。
As described above, according to the present invention, a polymer electrolyte fuel cell can be operated without complicated moisture control, a humidification / water supply system is not required, and a fuel cell is used. Can be made smaller.

【0089】また、本発明に係る電解質によれば、複雑
な水分制御なしに燃料電池を作動させることができ、特
に今まで水との同時供給が必要であったメタノール燃料
のみの供給による直接発電も可能となり、燃料電池の小
型化に一層寄与するものである。
Further, according to the electrolyte of the present invention, the fuel cell can be operated without complicated water content control, and in particular, direct power generation by supplying only methanol fuel, which has been required to be supplied with water at the same time. Is also possible, which further contributes to miniaturization of the fuel cell.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 本発明の燃料電池用電解質膜の構造模式図。FIG. 1 is a structural schematic diagram of an electrolyte membrane for a fuel cell of the present invention.

【図2】 プロトン導電性の固体高分子電解質を用いた
本発明の燃料電池用電解質膜内での物質移動の模式図。
FIG. 2 is a schematic diagram of mass transfer in the electrolyte membrane for a fuel cell of the present invention using a proton conductive solid polymer electrolyte.

【図3】 本発明の一実施様態を示す部分断面図。FIG. 3 is a partial cross-sectional view showing an embodiment of the present invention.

【図4】 本発明の一実施様態を示す部分断面図。FIG. 4 is a partial cross-sectional view showing one embodiment of the present invention.

【図5】 本発明の一実施様態を示す部分断面図。FIG. 5 is a partial cross-sectional view showing one embodiment of the present invention.

【図6】 本発明の実施例に係る模擬燃料電池の構成
図。
FIG. 6 is a configuration diagram of a simulated fuel cell according to an embodiment of the present invention.

【図7】 本発明の実施例に係る燃料電池に水素ガスを
供給した場合の電位−電流特性図。
FIG. 7 is a potential-current characteristic diagram when hydrogen gas is supplied to the fuel cell according to the embodiment of the present invention.

【図8】 本発明の実施例に係る燃料電池にメタノール
を供給した場合の電位−電流特性図。
FIG. 8 is a potential-current characteristic diagram when methanol is supplied to the fuel cell according to the embodiment of the present invention.

【図9】 メタノール直接発電の場合における本発明の
固体高分子電解質膜内での物質移動の模式図。
FIG. 9 is a schematic diagram of mass transfer in the solid polymer electrolyte membrane of the present invention in the case of direct methanol power generation.

【図10】 本発明の一実施様態を示す部分断面図。FIG. 10 is a partial cross-sectional view showing one embodiment of the present invention.

【図11】 本発明の一実施様態を示す部分断面図。FIG. 11 is a partial cross-sectional view showing one embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…燃料電池用電解質 2…固体高分子電解質 3…吸水性もしくは保水性物質 4…電解質内のプロトンの移動方向 5…電解質内のH2 Oの移動方向 5´…電解質内のH2 Oの移動方向 6…発電素子 7…燃料室 8…空気室 9…燃料入口 10…燃料出口 11…固体高分子電解質膜 12…水素(燃料)極 13…酸素(空気)極 14…水素(燃料)の通路 15…酸素(空気)の通路 16…隔離板 17、18、19…多孔質体 20…水受け部 21…空気入口 22…空気出口 23…負極端子 24…正極端子 25…模擬セル容器 26…共通の連結部 27…連結部 28、29…シャッター 30…酸素(酸化剤)極の細い溝 31…水素(燃料)極の細い溝 91…湿潤水素ガス供給時の本実施例の発電特性 92…乾燥水素ガス供給時の本実施例の発電特性 93…湿潤水素ガス供給時の比較例の発電特性 94…乾燥水素ガス供給時の比較例の発電特性1 ... in the moving direction 5 ... the electrolyte proton of the fuel cell electrolyte 2 ... solid polymer electrolyte 3 ... absorbent or water retention material 4 ... the electrolyte H 2 O moving direction 5'... of of H 2 O in the electrolyte Direction of movement 6 ... Power generating element 7 ... Fuel chamber 8 ... Air chamber 9 ... Fuel inlet 10 ... Fuel outlet 11 ... Solid polymer electrolyte membrane 12 ... Hydrogen (fuel) electrode 13 ... Oxygen (air) electrode 14 ... Hydrogen (fuel) Passage 15 ... Oxygen (air) passage 16 ... Separation plates 17, 18, 19 ... Porous body 20 ... Water receiving part 21 ... Air inlet 22 ... Air outlet 23 ... Negative electrode terminal 24 ... Positive electrode terminal 25 ... Simulated cell container 26 ... Common connection part 27 ... Connection parts 28, 29 ... Shutter 30 ... Oxygen (oxidizer) electrode thin groove 31 ... Hydrogen (fuel) electrode thin groove 91 ... Power generation characteristic of this embodiment when supplying wet hydrogen gas 92 ... This example when supplying dry hydrogen gas Power generation characteristics of a comparative example of the power generation characteristics 94 ... dry hydrogen gas supply of a comparative example of the power generation characteristics 93 ... wet hydrogen gas supply

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 燃料極と、酸化剤極と、燃料極及び酸化
剤極により挟持された固体高分子電解質とからなり、燃
料極と酸化剤極のどちらか一方が水分を発生する電極
(水分発生極)である燃料電池において、燃料極と酸化
剤極とが水分通路で連結され、少なくとも通路の水分発
生極に接する部分が水分浸透性を有する物質よりなるこ
とを特徴とする燃料電池。
1. An electrode (moisture) comprising a fuel electrode, an oxidant electrode, and a solid polymer electrolyte sandwiched by the fuel electrode and the oxidant electrode, wherein either the fuel electrode or the oxidant electrode generates moisture. In the fuel cell, which is a generation electrode), the fuel electrode and the oxidizer electrode are connected by a moisture passage, and at least a portion of the passage in contact with the moisture generation electrode is made of a substance having moisture permeability.
【請求項2】 燃料極と、酸化剤極と、燃料極及び酸化
剤極とにより挟持された電解質とからなる燃料電池にお
いて、電解質が固体高分子電解質と、吸水性もしくは保
水性物質とを含有することを特徴とする燃料電池。
2. A fuel cell comprising a fuel electrode, an oxidizer electrode, and an electrolyte sandwiched between the fuel electrode and the oxidizer electrode, wherein the electrolyte contains a solid polymer electrolyte and a water-absorbing or water-retaining substance. A fuel cell characterized by:
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