JPH08124583A - Fuel cell - Google Patents
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- JPH08124583A JPH08124583A JP6282751A JP28275194A JPH08124583A JP H08124583 A JPH08124583 A JP H08124583A JP 6282751 A JP6282751 A JP 6282751A JP 28275194 A JP28275194 A JP 28275194A JP H08124583 A JPH08124583 A JP H08124583A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】この発明は、電極に反応ガスを供
給して、その反応ガスの化学反応から起電力を得る燃料
電池に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell in which a reaction gas is supplied to an electrode and electromotive force is obtained from a chemical reaction of the reaction gas.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来より、燃料の有しているエネルギを
直接電気的エネルギに変換する装置として燃料電池が知
られている。燃料電池は、通常、電解質を挟んで一対の
電極を配置するとともに、一方の電極の表面に水素等の
燃料ガスを接触させ、また他方の電極の表面に酸素を含
有する酸化ガスを接触させ、このとき起こる電気化学反
応を利用して、電極間から電気エネルギを取り出すよう
にしている。こうした燃料電池は、燃料ガスと酸化ガス
が供給されている限り高い効率で電気エネルギを取り出
すことができる。2. Description of the Related Art Conventionally, a fuel cell has been known as a device for directly converting the energy of fuel into electrical energy. A fuel cell usually has a pair of electrodes arranged with an electrolyte in between, and a fuel gas such as hydrogen is brought into contact with the surface of one electrode, and an oxidizing gas containing oxygen is brought into contact with the surface of the other electrode. By utilizing the electrochemical reaction that occurs at this time, electrical energy is taken out from between the electrodes. Such a fuel cell can extract electric energy with high efficiency as long as the fuel gas and the oxidizing gas are supplied.
【０００３】ところで、燃料ガスに含まれる水素と酸化
ガスに含まれる酸素は、電極表面にガスを供給する流路
溝を通過中に、電気化学反応により連続的に消費される
ことから、流路溝の入口付近では、分圧が高く、流路溝
の出口に近づくにつれて分圧が小さくなった。そこで、
こうした不具合を解消する燃料電池として、流路溝を入
口側から出口側にわたって徐々に狭くした構成が提案さ
れていた（例えば、特開昭６４−６３２７１号公報）。
流路溝の出口側を狭くすることにより、電極面内での発
電反応のバラツキが軽減され、均一な発電エネルギが得
られる。By the way, the hydrogen contained in the fuel gas and the oxygen contained in the oxidizing gas are continuously consumed by the electrochemical reaction while passing through the groove for supplying the gas to the electrode surface. The partial pressure was high near the inlet of the groove, and became smaller as it approached the outlet of the flow channel. Therefore,
As a fuel cell that solves such a problem, a configuration has been proposed in which the flow channel groove is gradually narrowed from the inlet side to the outlet side (for example, JP-A-64-63271).
By narrowing the outlet side of the flow channel, variations in power generation reaction within the electrode surface are reduced, and uniform power generation energy can be obtained.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、こうし
た従来の燃料電池では、流路溝が複雑な構成であること
から、装置の大型化や溝加工の複雑化といった問題を招
いた。また、流路溝の出口側が狭くなっていることか
ら、電極表面で生成した生成水が凝縮し、流路溝が閉塞
し易いといった問題も生じた。However, in such a conventional fuel cell, since the flow path groove has a complicated structure, there are problems such as an increase in size of the device and a complicated groove processing. Further, since the outlet side of the flow channel is narrowed, the water generated on the electrode surface is condensed and the flow channel is likely to be blocked.
【０００５】この発明の燃料電池は、こうした問題点に
鑑みてなされたもので、電極面内での発電反応のバラツ
キを防止した上で、装置の小型化、溝加工の容易化、生
成水による流路溝の閉塞の防止を図ることを目的として
いる。The fuel cell of the present invention has been made in view of these problems. It is possible to reduce the size of the device, facilitate groove processing, and generate water by preventing variations in power generation reaction within the electrode surface. The purpose is to prevent clogging of the flow channel.
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
べく、前記課題を解決するための手段として、以下に示
す構成をとった。In order to achieve such an object, the following constitution is adopted as a means for solving the above problems.
【０００７】即ち、本発明の燃料電池は、触媒を有する
電極に反応ガスを供給して、その反応ガスの化学反応か
ら起電力を得る燃料電池において、前記電極は、反応ガ
スの入口側より出口側の方が優れた反応ガスの拡散性を
備えた構成であることを、その要旨としている。That is, the fuel cell of the present invention is a fuel cell in which a reaction gas is supplied to an electrode having a catalyst to obtain an electromotive force from a chemical reaction of the reaction gas. The gist of the invention is that the side has a better diffusivity of the reaction gas.
【０００８】こうした燃料電池において、好ましくは、
電極は、カーボンペーパから成り、該ペーパの気孔率が
反応ガスの入口側より出口側の方が大きく形成されたも
の、としてもよい。In such a fuel cell, preferably,
The electrode may be made of carbon paper, and the porosity of the paper may be larger on the outlet side than on the reaction gas inlet side.
【０００９】あるいは、電極は、カーボンクロスから成
り、該クロスの編み目が反応ガスの入口側より出口側の
方が粗く形成されたもの、としてもよい。Alternatively, the electrode may be made of carbon cloth, and the mesh of the cloth may be coarser on the outlet side than on the reaction gas inlet side.
【００１０】さらに、電極は、撥水材を含浸して形成さ
れる撥水層を備え、さらに、前記撥水層は、反応ガスの
入口側より出口側の方が厚さが薄くなる構成、としても
よい。Further, the electrode has a water-repellent layer formed by impregnating a water-repellent material, and the water-repellent layer is thinner on the outlet side than on the reaction gas inlet side. May be
【００１１】[0011]
【作用】以上のように構成された請求項１の燃料電池に
よれば、反応ガスの入口側より出口側の方が反応ガスの
拡散性が優れているため、電極表面の反応ガスの消費に
より、その出口側で反応ガス中の反応成分（例えば、燃
料ガスに含まれる水素，酸化ガスに含まれる酸素）の濃
度が低くなっても、反応成分と触媒が接する確率が増大
し、反応の活性化が図られる。このため、電極表面にお
いて面方向に反応の均一化が図られる。According to the fuel cell of the present invention configured as described above, the reaction gas is more diffused on the outlet side than on the reaction gas inlet side. , Even if the concentration of the reaction components (eg, hydrogen contained in the fuel gas and oxygen contained in the oxidizing gas) in the reaction gas at the outlet side becomes low, the probability that the reaction components come into contact with the catalyst increases, and the reaction activity is increased. Be promoted. Therefore, the reaction is made uniform in the surface direction on the electrode surface.
【００１２】請求項２の燃料電池では、反応ガスの入口
側より出口側の方がカーボンペーパの気孔率が大きくな
っていることから、反応ガスの電極内の拡散性は、入口
側より出口側の方が優れたものとなる。このため、請求
項１の燃料電池と同様に作用して、電極表面における反
応の均一化が図られる。In the fuel cell according to the second aspect, since the porosity of the carbon paper is larger on the outlet side than on the inlet side of the reaction gas, the diffusivity of the reaction gas in the electrode is higher than that on the inlet side. Will be better. Therefore, the same action as in the fuel cell according to the first aspect is achieved, and the reaction on the electrode surface is made uniform.
【００１３】請求項３の燃料電池では、反応ガスの入口
側より出口側の方がカーボンクロスの編み目が粗くなっ
ていることから、反応ガスの電極内の拡散性は、入口側
より出口側の方が優れたものとなる。このため、請求項
１の燃料電池と同様に作用して、電極表面における反応
の均一化が図られる。In the fuel cell according to the third aspect, since the mesh of the carbon cloth is coarser on the outlet side than on the inlet side of the reaction gas, the diffusivity of the reaction gas in the electrode is higher than that of the inlet side to the outlet side. The better. Therefore, the same action as in the fuel cell according to the first aspect is achieved, and the reaction on the electrode surface is made uniform.
【００１４】請求項４の燃料電池では、反応ガスの入口
側より出口側の方が撥水層の厚さが薄くなっていること
から、反応ガスの電極内の拡散性は、入口側より出口側
の方が優れたものとなる。このため、請求項１の燃料電
池と同様に作用して、電極表面における反応の均一化が
図られる。さらに、この燃料電池では、電極に付加され
た撥水層を加工するもので、電極自体を特別に加工する
ものではないことから、加工性により優れている。In the fuel cell according to the fourth aspect, since the water repellent layer is thinner on the outlet side than on the inlet side of the reaction gas, the diffusivity of the reaction gas in the electrode is higher than that at the inlet side. The side is better. Therefore, the same action as in the fuel cell according to the first aspect is achieved, and the reaction on the electrode surface is made uniform. Further, in this fuel cell, the water repellent layer added to the electrode is processed, and the electrode itself is not specially processed, so that it is superior in processability.
【００１５】[0015]
【実施例】以上説明した本発明の構成・作用を一層明ら
かにするために、以下本発明の好適な実施例について説
明する。Preferred embodiments of the present invention will be described below in order to further clarify the structure and operation of the present invention described above.
【００１６】図１は、本発明の第１実施例としての固体
高分子型の燃料電池１のセル構造の斜視図である。この
図に示すように、燃料電池１は、そのセル構造として、
電解質膜１０と、この電解質膜１０を両側から挟んでサ
ンドイッチ構造とするガス拡散電極としてのアノード２
０およびカソード３０と、このサンドイッチ構造を両側
から挟みつつ燃料ガスの流路溝４０および酸化ガス（酸
素含有ガス）の流路溝５０を形成するセパレータ６０と
を備える。なお、図１には、電解質膜１０，アノード２
０およびカソード３０からなる単電池を１つだけ示した
が、実際は、セパレータ６０，アノード２０，電解質膜
１０，カソード３０，セパレータ６０の順に単電池を複
数個積層して燃料電池１を構成する。FIG. 1 is a perspective view of a cell structure of a solid polymer fuel cell 1 as a first embodiment of the present invention. As shown in this figure, the fuel cell 1 has, as its cell structure,
An electrolyte membrane 10 and an anode 2 as a gas diffusion electrode having a sandwich structure in which the electrolyte membrane 10 is sandwiched from both sides.
0 and the cathode 30, and a separator 60 that forms a fuel gas flow channel 40 and an oxidizing gas (oxygen-containing gas) flow channel 50 while sandwiching the sandwich structure from both sides. In FIG. 1, the electrolyte membrane 10 and the anode 2 are shown.
Although only one unit cell including 0 and the cathode 30 is shown, actually, the fuel cell 1 is configured by stacking a plurality of unit cells in the order of the separator 60, the anode 20, the electrolyte membrane 10, the cathode 30, and the separator 60.
【００１７】セパレータ６０は、カーボンを圧縮して不
透過としたガス不透過カーボンにより形成されている。
セパレータ６０には、その一方面にリブ６２が形成され
ており、このリブ６２とアノード２０の表面とで前記流
路溝４０を形成している。また、セパレータ６０の他方
面にリブ６４が形成されており、このリブ６４とカソー
ド３０の表面とで前記流路溝５０を形成している。な
お、これら燃料ガス流路溝４０と酸化ガス流路溝５０と
は、その向きが直交する方向に形成されている。The separator 60 is formed of gas-impermeable carbon that is made impermeable by compressing carbon.
A rib 62 is formed on one surface of the separator 60, and the rib 62 and the surface of the anode 20 form the flow channel 40. A rib 64 is formed on the other surface of the separator 60, and the rib 64 and the surface of the cathode 30 form the flow channel 50. The fuel gas flow channel groove 40 and the oxidizing gas flow channel groove 50 are formed in directions orthogonal to each other.
【００１８】電解質膜１０は、高分子材料、例えばフッ
素系樹脂により形成されたイオン交換膜であり、湿潤状
態で良好な電気電導性を示す。The electrolyte membrane 10 is an ion exchange membrane made of a polymer material, for example, a fluorine resin, and exhibits good electric conductivity in a wet state.
【００１９】アノード２０は、図２に示すように、触媒
反応層２２とガス拡散層２４と集電体２６とから構成さ
れる。触媒反応層２２は、触媒としての白金２２ａを２
０ｗｔ％担持したカーボン粒子２２ｂ（Ｐｔ０．４ｍｇ
／ｃｍ2 ）を凝集・積層したものであり、次のようにし
て形成されている。まず、陽イオン交換樹脂溶液（当該
樹脂の固形分５ｗｔ％をプロパノール，水の混合溶液に
配合した溶液）に上記カーボン粒子２２ｂを徐々に加え
て、樹脂固形分が１ｍｇ／ｃｍ2 相当となるカーボンペ
ーストを得る。次いで、このカーボンペーストを、電解
質膜１０の両面あるいはガス拡散層２４の片面に塗布し
て乾燥させる。こうして、触媒反応層２２が形成され
る。As shown in FIG. 2, the anode 20 comprises a catalytic reaction layer 22, a gas diffusion layer 24 and a current collector 26. The catalytic reaction layer 22 contains platinum 22a as a catalyst.
Carbon particles 22b carrying 0 wt% (Pt 0.4 mg
/ Cm 2 ) are aggregated and laminated, and are formed as follows. First, the above-mentioned carbon particles 22b are gradually added to a cation exchange resin solution (solution in which 5 wt% of the solid content of the resin is mixed with a mixed solution of propanol and water) to form a carbon having a resin solid content of 1 mg / cm 2. Get the paste. Next, this carbon paste is applied to both surfaces of the electrolyte membrane 10 or one surface of the gas diffusion layer 24 and dried. Thus, the catalytic reaction layer 22 is formed.
【００２０】なお、触媒反応層２２を形成するに当たり
用いた陽イオン交換樹脂溶液は、例えば、電解質膜１０
と同質のフッ素系スルホン酸高分子樹脂である。The cation exchange resin solution used for forming the catalytic reaction layer 22 is, for example, the electrolyte membrane 10.
It is a fluorinated sulfonic acid polymer resin of the same quality as.
【００２１】ガス拡散層２４は、はっ水処理が施されて
ポリ四ふっ化エチレンを５０ｗｔ％含有するカーボン粒
子を、カーボン繊維で織布されたカーボンクロス（厚さ
０．４ｍｍ）に塗り込むことで作成されたものである。The gas diffusion layer 24 is coated with carbon particles (thickness 0.4 mm) woven from carbon fibers, which are subjected to water repellency treatment and contain carbon particles containing 50 wt% of polytetrafluoroethylene. It was created by that.
【００２２】集電体２６は、炭素繊維を織り込んだカー
ボンクロスにより形成されており、多孔質でガス透過性
を有するものとなっている。図３は、集電体２６の一部
を拡大した拡大図である。この図３に示すように、集電
体２６は、炭素繊維の束からなる縦糸２６ａと横糸２６
ｂとを織り込んだもので、一方向に向けてその編み目は
徐々に粗くなっている。なお、その方向は、集電体２６
の表面に接する燃料ガスの流路溝４０の入口から出口に
向かう方向である。即ち、集電体２６のクロスの編み目
は、燃料ガスの入口側より出口側に向かって徐々に粗く
なるように、織り込みがなされている。The current collector 26 is made of carbon cloth woven with carbon fibers, and is porous and has gas permeability. FIG. 3 is an enlarged view in which a part of the current collector 26 is enlarged. As shown in FIG. 3, the current collector 26 includes a warp yarn 26a and a weft yarn 26 which are made of a bundle of carbon fibers.
b) is woven, and the stitches gradually become coarser in one direction. The direction of the current collector 26 is
Is a direction from the inlet of the fuel gas flow channel 40 in contact with the surface of the outlet to the outlet. That is, the cross stitches of the current collector 26 are woven so as to gradually become coarser from the fuel gas inlet side toward the fuel gas outlet side.
【００２３】カソード３０は、図示はしないが、触媒反
応層とガス拡散層と集電体とから構成され、アノード２
０と同じ構成を備える。なお、このカソード３０の集電
体についても、アノード２０の集電体２６と同様に、一
方向に向けてクロスの編み目が徐々に粗くなっている
が、その方向は、集電体２６の表面に接する酸化ガスの
流路溝５０の入口から出口に向かう方向となっている。
即ち、カソードの集電体のクロスの編み目は、酸化ガス
の入口側より出口側に向かって徐々に粗くなるように、
織り込みがなされている。Although not shown, the cathode 30 comprises a catalytic reaction layer, a gas diffusion layer and a current collector, and the anode 2
It has the same configuration as 0. As with the current collector 26 of the anode 20, the current collector of the cathode 30 has the mesh of the cross that gradually becomes coarser in one direction, but the direction is the surface of the current collector 26. The direction is from the inlet of the flow path groove 50 for the oxidizing gas in contact with the outlet to the outlet thereof.
In other words, the stitches of the cathode current collector cloth gradually become coarser from the oxidizing gas inlet side toward the outlet side,
It is woven.
【００２４】以上詳述した、この実施例の燃料電池１に
よれば、燃料ガスと接触するアノード２０の集電体２６
について、燃料ガスの入口側より出口側の方がカーボン
クロスの編み目が粗くなっている。このため、燃料ガス
のアノード２０内の拡散性は、入口側より出口側の方が
優れたものとなることから、アノード２０表面での燃料
ガスの消費により、その出口側で燃料ガス中の反応成分
（水素）の濃度が低くなっても、反応成分と触媒が接す
る確率が増大し、反応の活性化が図られることになる。
従って、この実施例の燃料電池１は、アノード２０表面
において面方向に反応の均一化が図られる。また、同様
な作用により、カソード３０表面においても面方向に反
応の均一化が図られる。即ち、この燃料電池１は、アノ
ード２０およびカソード３０の両電極内での発電反応の
バラツキを防止することができるといった効果を奏す
る。According to the fuel cell 1 of this embodiment described in detail above, the current collector 26 of the anode 20 in contact with the fuel gas.
Regarding, the carbon cloth has coarser meshes on the outlet side than on the fuel gas inlet side. Therefore, the diffusivity of the fuel gas in the anode 20 becomes better on the outlet side than on the inlet side. Therefore, the consumption of the fuel gas on the surface of the anode 20 causes the reaction in the fuel gas on the outlet side. Even if the concentration of the component (hydrogen) becomes low, the probability of contact between the reaction component and the catalyst increases, and the reaction is activated.
Therefore, in the fuel cell 1 of this embodiment, the reaction is made uniform in the surface direction on the surface of the anode 20. Further, due to the same action, the reaction is made uniform in the surface direction on the surface of the cathode 30. That is, the fuel cell 1 has an effect that it is possible to prevent variations in power generation reaction in both electrodes of the anode 20 and the cathode 30.
【００２５】この実施例の燃料電池１の性能を従来の燃
料電池と比較評価したので、次に説明する。比較する燃
料電池は、一般的な従来品（従来技術として説明した流
路溝を徐々に狭くした構成でもない、ごく一般的なも
の）である。これら電池についての電流−電圧特性を調
べ、その結果を図４に示した。この図４には、後述する
実施例における燃料電池の特性も載せられている。The performance of the fuel cell 1 of this embodiment was compared and evaluated with the conventional fuel cell, and will be described below. The fuel cell to be compared is a general conventional product (a very general one, which does not have the configuration in which the flow channel groove described in the prior art is gradually narrowed). The current-voltage characteristics of these batteries were investigated and the results are shown in FIG. FIG. 4 also shows the characteristics of the fuel cell in Examples described later.
【００２６】図４から明らかなように、第１実施例の燃
料電池１では、測定範囲の総ての電流密度に亘って比較
例の燃料電池よりその特性が優れ、特に、所定値Ｉ１以
上の高電流密度領域では、その差が顕著である。即ち、
この第１実施例では、両電極の集電体２６について、燃
料ガスの入口側より出口側の方がカーボンクロスの編み
目が粗くなるように構成することで、両電極面内での発
電反応のバラツキを防止することができることから、図
４から明らかなように、高い電池性能を得ることができ
た。As is clear from FIG. 4, the fuel cell 1 of the first embodiment has better characteristics than the fuel cell of the comparative example over the entire current density of the measurement range, and in particular, the fuel cell 1 of the predetermined value I1 or more is obtained. The difference is significant in the high current density region. That is,
In the first embodiment, the current collectors 26 of both electrodes are configured such that the mesh of the carbon cloth is coarser on the outlet side than on the fuel gas inlet side, so that the power generation reaction on both electrode surfaces can be prevented. Since it is possible to prevent the variation, it is possible to obtain high battery performance, as is clear from FIG.
【００２７】また、この実施例の燃料電池１は、前述し
たような高い電池性能を得た上で、次のような効果も奏
する。この燃料電池１は、アノード２０およびカソード
３０の集電体を構成する編み目に特徴を持たしただけで
あることから、装置の大型化や溝加工の複雑化を回避す
ることができるといった効果を奏する。さらに、従来技
術のように流路溝４０，５０の出口側を狭くするもので
はないことから、生成水による流路溝４０，５０の閉塞
を防止することもできる。Further, the fuel cell 1 of this embodiment has the following effects in addition to the high cell performance as mentioned above. Since the fuel cell 1 is characterized only by the stitches that form the current collectors of the anode 20 and the cathode 30, it is possible to avoid an increase in the size of the device and a complicated groove processing. . Further, since the outlet side of the flow channels 40, 50 is not narrowed as in the conventional technique, it is possible to prevent the flow channels 40, 50 from being blocked by the generated water.
【００２８】この発明の第２実施例について、次に説明
する。図５は、第２実施例としての燃料電池１００のア
ノード１２０付近を示す模式図である。この図に示すよ
うに、この第２実施例の燃料電池１００は、第１実施例
と同様に、触媒反応層１２２，ガス拡散層１２４および
集電体１２６からアノード１２０を構成している。触媒
反応層１２２とガス拡散層１２４とは、第１実施例の触
媒反応層２２とガス拡散層２４と同じものであり、この
第２実施例では、第１実施例と比較して、集電体１２６
の構成が相違する。The second embodiment of the present invention will be described below. FIG. 5 is a schematic diagram showing the vicinity of the anode 120 of the fuel cell 100 as the second embodiment. As shown in this drawing, in the fuel cell 100 of the second embodiment, the anode 120 is composed of the catalytic reaction layer 122, the gas diffusion layer 124 and the current collector 126, as in the first embodiment. The catalytic reaction layer 122 and the gas diffusion layer 124 are the same as the catalytic reaction layer 22 and the gas diffusion layer 24 of the first embodiment. In this second embodiment, the current collection is performed in comparison with the first embodiment. Body 126
Are different in configuration.
【００２９】集電体１２６は、炭素粒子からなる多孔質
なカーボンペーパにより形成されている。図６は、その
カーボンペーパの一部を拡大して模式的に示す拡大模式
図である。この図に示すように、そのカーボンペーパに
は、多数の微小な気孔が形成されており、しかも、一方
向に向けてそれらの気孔率（単位面積当たりの気孔の
数）の数は徐々に大きなものとなっている。なお、その
方向は、集電体１２６の表面に接する燃料ガスの流路溝
の入口から出口に向かう方向である。また、流路溝の入
口部分では、その気孔率は１０［％］であり、出口部分
では、その気孔率は５０［％］である。即ち、そのカー
ボンペーパは、燃料ガスの入口側より出口側に向かって
気孔率が１０［％］から５０［％］に徐々に大きくなっ
た構成である。The collector 126 is made of porous carbon paper made of carbon particles. FIG. 6 is an enlarged schematic view schematically showing a part of the carbon paper in an enlarged manner. As shown in this figure, a large number of minute pores are formed on the carbon paper, and the number of those pores (the number of pores per unit area) gradually increases in one direction. It has become a thing. The direction is from the inlet to the outlet of the flow channel of the fuel gas in contact with the surface of the current collector 126. Further, the porosity is 10 [%] at the inlet portion of the flow channel, and the porosity is 50 [%] at the outlet portion. That is, the carbon paper has a structure in which the porosity gradually increases from 10 [%] to 50 [%] from the inlet side of the fuel gas toward the outlet side.
【００３０】なお、図示はしないが、カソード側の集電
体についても、同様に、酸化ガスの入口側より出口側に
向かって徐々に気孔率が大きくなったカーボンペーパが
使用されている。Although not shown, the cathode side current collector is also made of carbon paper whose porosity is gradually increased from the oxidizing gas inlet side toward the outlet side.
【００３１】以上のように構成された、この実施例の燃
料電池１００によれば、燃料ガスの入口側より出口側の
方がカーボンペーパの気孔率が大きくなっていることか
ら、燃料ガスのアノード１２０内の拡散性は、入口側よ
り出口側の方が優れたものとなっている。また、同様
に、カソード側においても酸化ガスの拡散性は、入口側
より出口側の方が優れたものとなっている。このため、
第１実施例と同様に、アノード１２０およびカソードの
両電極表面において面方向に反応の均一化が図られる。According to the fuel cell 100 of the present embodiment configured as described above, since the porosity of the carbon paper is higher on the outlet side than on the fuel gas inlet side, the anode of the fuel gas is increased. The diffusivity inside 120 is better on the outlet side than on the inlet side. Similarly, on the cathode side, the diffusivity of the oxidizing gas is better on the outlet side than on the inlet side. For this reason,
Similar to the first embodiment, the reaction is made uniform in the surface direction on both the anode 120 and cathode electrode surfaces.
【００３２】したがって、この実施例の燃料電池１００
は、第１実施例と同様に、電極面内での発電反応のバラ
ツキを防止した上で、さらに、装置の大型化、溝加工の
複雑化を回避することができるとともに、生成水による
流路溝の閉塞の防止を図ることができる。なお、図４に
この第２実施例の燃料電池１００の電流−電圧特性を示
したが、この図から、この燃料電池１００は高い電池性
能を得ることができることが判る。この高い電池性能
は、前述したように電極面内での発電反応のバラツキを
防止した結果得られたものである。Therefore, the fuel cell 100 of this embodiment is
In the same manner as in the first embodiment, it is possible to prevent the variation of the power generation reaction in the electrode surface, and further to avoid the enlargement of the device and the complicated groove processing, and the flow path by the generated water. It is possible to prevent the groove from being closed. The current-voltage characteristics of the fuel cell 100 of the second embodiment are shown in FIG. 4, and it is clear from this figure that the fuel cell 100 can obtain high cell performance. This high battery performance is obtained as a result of preventing variations in power generation reaction within the electrode surface as described above.
【００３３】この発明の第３実施例について、次に説明
する。図７は、第３実施例としての燃料電池２００のア
ノード２２０付近を示す模式図である。この図に示すよ
うに、この第３実施例の燃料電池２００は、第１実施例
と同様に、触媒反応層２２２，ガス拡散層２２４および
集電体２２６からアノード２２０を構成している。触媒
反応層２２２は、第１実施例の触媒反応層２２２と同じ
ものであり、この第３実施例では、第１実施例と比較し
て、ガス拡散層２２４および集電体２２６の構成が相違
する。A third embodiment of the present invention will be described next. FIG. 7 is a schematic diagram showing the vicinity of the anode 220 of the fuel cell 200 as the third embodiment. As shown in this figure, in the fuel cell 200 of the third embodiment, the anode 220 is composed of the catalytic reaction layer 222, the gas diffusion layer 224, and the current collector 226, as in the first embodiment. The catalytic reaction layer 222 is the same as the catalytic reaction layer 222 of the first embodiment, and in the third embodiment, the configurations of the gas diffusion layer 224 and the current collector 226 are different from those of the first embodiment. To do.
【００３４】ガス拡散層２２４は、第１実施例のガス拡
散層２４と同じ材質から成り、相違する点は、一方向に
向けてその厚みが徐々に薄くなっている点にある。その
方向は、アノード２２０に沿った燃料ガスの流路溝の入
口から出口に向かう方向である。即ち、ガス拡散層２２
４は、燃料ガスの入口側より出口側に向かって徐々に厚
さが薄くなるように形成されている。一方、集電体２２
６については、ガス拡散層２２４の厚さが薄くなった分
だけ、厚さが厚くなっており、材質については第１実施
例の集電体２６と同じものである。The gas diffusion layer 224 is made of the same material as that of the gas diffusion layer 24 of the first embodiment, except that the thickness thereof gradually decreases in one direction. The direction is from the inlet to the outlet of the fuel gas passage groove along the anode 220. That is, the gas diffusion layer 22
No. 4 is formed so that the thickness gradually decreases from the fuel gas inlet side toward the outlet side. On the other hand, the current collector 22
For No. 6, the gas diffusion layer 224 has a smaller thickness due to the thinner thickness, and the material is the same as that of the current collector 26 of the first embodiment.
【００３５】また、図示はしないが、カソード側のガス
拡散層についても、同様に、燃料ガスの入口側より出口
側に向かって徐々に厚さが薄くなるように形成されてい
る。また、カソード側の集電体は、ガス拡散層の厚さが
薄くなった分だけ厚さが厚くなっている。Although not shown, the gas diffusion layer on the cathode side is also formed so that its thickness gradually decreases from the inlet side of the fuel gas toward the outlet side thereof. Moreover, the thickness of the collector on the cathode side is increased as the thickness of the gas diffusion layer is reduced.
【００３６】なお、前述したアノード２２０およびカソ
ードのガス拡散層は、スクリーン印刷の技法により形成
されたものである。具体的には、レジストの抄厚を４０
〜４００［μｍ］の範囲で段階的に異なるようにし、ス
クリーンのメッシュ径を１０〜２００［μｍ］として形
成される。こうして、ガス拡散層は、ガスの入口側で４
００［μｍ］、ガスの出口側で４０［μｍ］の厚さとな
っている。The above-mentioned gas diffusion layers for the anode 220 and the cathode are formed by the screen printing technique. Specifically, the thickness of the resist should be 40
The mesh size of the screen is 10 to 200 [μm], and the screen is formed to have a stepwise difference in the range of to 400 [μm]. Thus, the gas diffusion layer is 4
The thickness is 00 [μm] and 40 [μm] on the gas outlet side.
【００３７】以上のよう構成された、この実施例の燃料
電池２００によれば、燃料ガスの入口側より出口側の方
がガス拡散層の厚さが薄くなっていることから、燃料ガ
スのアノード１２０における撥水性は、入口側より出口
側の方が劣り、これに反し、アノード１２０における拡
散性は、入口側より出口側の方が優れたものとなる。こ
のため、この実施例の燃料電池２００は、第１および第
２実施例と同様に、アノード２２０表面において面方向
に反応の均一化が図られる。また、同様な作用により、
カソード表面においても面方向に反応の均一化が図られ
る。According to the fuel cell 200 of this embodiment constructed as described above, the thickness of the gas diffusion layer is smaller on the outlet side than on the fuel gas inlet side. The water repellency of the anode 120 is poorer on the outlet side than on the inlet side, and on the contrary, the diffusivity of the anode 120 is better on the outlet side than on the inlet side. Therefore, in the fuel cell 200 of this embodiment, as in the first and second embodiments, the reaction is made uniform in the surface direction on the surface of the anode 220. Also, by the same action,
Even on the surface of the cathode, the reaction can be made uniform in the surface direction.
【００３８】したがって、この実施例の燃料電池２００
は、第１および第２実施例と同様に、電極面内での発電
反応のバラツキを防止することができる。さらに、この
燃料電池２００は、ガス拡散層２２４および集電体２２
６の厚さに特徴を持たしただけであることから、装置の
大型化、溝加工の複雑化を回避することができ、また、
生成水による流路溝の閉塞の防止を図ることができる。
なお、図４にこの第３実施例の燃料電池２００の電流−
電圧特性を示したが、この図から、この燃料電池２００
は高い電池性能を得ることができることが判る。この高
い電池性能は、前述したように電極面内での発電反応の
バラツキを防止した結果得られたものである。Therefore, the fuel cell 200 of this embodiment is
In the same manner as in the first and second embodiments, it is possible to prevent variations in power generation reaction within the electrode surface. Further, the fuel cell 200 includes the gas diffusion layer 224 and the current collector 22.
Since it has only the feature of the thickness of 6, it is possible to avoid the enlargement of the device and the complicated groove processing.
It is possible to prevent the flow path groove from being blocked by the generated water.
The current of the fuel cell 200 of the third embodiment is shown in FIG.
The voltage characteristics are shown. From this figure, the fuel cell 200
It can be seen that can obtain high battery performance. This high battery performance is obtained as a result of preventing variations in power generation reaction within the electrode surface as described above.
【００３９】なお、前記第１ないし第３実施例では、ガ
ス拡散層または集電体に特徴をもたせた構成としていた
が、これに換えて、触媒反応層２２に特徴を持たせた構
成としてもよい。即ち、触媒反応層２２における高分子
電解質の成分を、ガスの入口側より出口側に向かって徐
々に増大する構成とする。こうした構成により、ガスの
出口側に進むにつれガスの流れを大きくすることがで
き、この結果、第１ないし第３実施例と同様に、電極表
面において面方向に反応の均一化を図ることができ、さ
らには、装置の小型化、溝加工の容易化、生成水による
流路溝の閉塞の防止の効果を奏する。In the first to third embodiments, the gas diffusion layer or the current collector has a feature. However, instead of this, the catalyst reaction layer 22 may have a feature. Good. That is, the composition of the polymer electrolyte in the catalytic reaction layer 22 is gradually increased from the gas inlet side toward the gas outlet side. With such a configuration, the gas flow can be increased as it goes to the gas outlet side, and as a result, similar to the first to third embodiments, the reaction can be made uniform in the surface direction on the electrode surface. Further, the effects of downsizing the device, facilitating groove processing, and preventing the flow channel groove from being clogged with generated water are achieved.
【００４０】また、前述した各実施例では、アノートお
よびカソードの両電極に同様な構成（例えば、集電体の
カーボンクロスの編み目の大きさを換えたり、カーボン
ペーパの気孔率を換えたりすること）を施していたが、
必ずしも両電極に施す必要はなく、これに換えて、アノ
ードだけに上記構成を施す構成としてもよい。この構成
によっても、アノード面での発電反応のバラツキを防止
することが可能となる。Further, in each of the above-described embodiments, the same structure is used for both the anode and cathode electrodes (for example, the size of the carbon cloth mesh of the current collector may be changed, or the porosity of the carbon paper may be changed). ) Was given,
It is not always necessary to apply it to both electrodes, and instead of this, the above-mentioned configuration may be applied only to the anode. This configuration also makes it possible to prevent variations in power generation reaction on the anode surface.
【００４１】以上本発明の実施例について説明したが、
本発明はこうした実施例に何等限定されるものではな
く、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々な
る態様で実施し得ることは勿論である。The embodiment of the present invention has been described above.
The present invention is not limited to these examples, and it goes without saying that the present invention can be implemented in various modes without departing from the scope of the present invention.
【００４２】[0042]
【発明の効果】以上説明したように本発明の燃料電池で
は、電極面内での発電反応のバラツキを防止することが
でき、その上で、装置の小型化、溝加工の容易化、生成
水による流路溝の閉塞の防止を図ることができるといっ
た優れた効果を奏する。As described above, in the fuel cell of the present invention, it is possible to prevent the variation of the power generation reaction within the electrode surface, and further, downsize the device, facilitate groove processing, and generate water. This has an excellent effect that the flow channel groove can be prevented from being blocked by the above.
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池１のセル
構造の斜視図である。FIG. 1 is a perspective view of a cell structure of a fuel cell 1 as a first embodiment of the present invention.
【図２】燃料電池１のアノード２０付近を示す模式図で
ある。FIG. 2 is a schematic diagram showing the vicinity of an anode 20 of the fuel cell 1.
【図３】アノード２０の集電体２６の一部を拡大した拡
大図である。FIG. 3 is an enlarged view in which a part of a current collector 26 of the anode 20 is enlarged.
【図４】実施例の燃料電池と従来の燃料電池とを比較評
価するために用いた電流−電圧特性を示すグラフであ
る。FIG. 4 is a graph showing current-voltage characteristics used for comparative evaluation of a fuel cell of an example and a conventional fuel cell.
【図５】第２実施例としての燃料電池１００のアノード
１２０付近を示す模式図である。FIG. 5 is a schematic diagram showing the vicinity of an anode 120 of a fuel cell 100 as a second embodiment.
【図６】アノード１２０の集電体１２６の一部を拡大し
て模式的に示す拡大模式図である。FIG. 6 is an enlarged schematic diagram schematically showing an enlarged part of a current collector 126 of the anode 120.
【図７】第３実施例としての燃料電池２００のアノード
２２０付近を示す模式図である。FIG. 7 is a schematic diagram showing the vicinity of an anode 220 of a fuel cell 200 as a third embodiment.
１…燃料電池 １０…電解質膜 ２０…アノード ２２…触媒反応層 ２２ａ…白金 ２２ｂ…カーボン粒子 ２４…ガス拡散層 ２６…集電体 ２６ａ…縦糸 ２６ｂ…横糸 ３０…カソード ４０…燃料ガス流路溝 ５０…酸化ガス流路溝 ６０…セパレータ ６２…リブ ６４…リブ １００…燃料電池 １２０…アノード １２２…触媒反応層 １２４…ガス拡散層 １２６…集電体 ２００…燃料電池 ２２０…アノード ２２２…触媒反応層 ２２４…ガス拡散層 ２２６…集電体 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell 10 ... Electrolyte membrane 20 ... Anode 22 ... Catalytic reaction layer 22a ... Platinum 22b ... Carbon particles 24 ... Gas diffusion layer 26 ... Current collector 26a ... Warp yarn 26b ... Weft yarn 30 ... Cathode 40 ... Fuel gas flow channel groove 50 ... Oxidizing gas flow channel 60 ... Separator 62 ... Rib 64 ... Rib 100 ... Fuel cell 120 ... Anode 122 ... Catalytic reaction layer 124 ... Gas diffusion layer 126 ... Current collector 200 ... Fuel cell 220 ... Anode 222 ... Catalytic reaction layer 224 ... Gas diffusion layer 226 ... Current collector
Claims (4)
て、その反応ガスの化学反応から起電力を得る燃料電池
において、 前記電極は、 反応ガスの入口側より出口側の方が優れた反応ガスの拡
散性を備えた構成であることを特徴とする燃料電池。1. A fuel cell in which a reaction gas is supplied to an electrode having a catalyst to obtain electromotive force from a chemical reaction of the reaction gas, wherein the electrode is a reaction in which the reaction gas is more excellent on the outlet side than on the inlet side. A fuel cell having a structure having gas diffusibility.
の入口側より出口側の方が大きく形成されたものである
燃料電池。2. The fuel cell according to claim 1, wherein the electrode is made of carbon paper, and the porosity of the paper is larger on the outlet side than on the reaction gas inlet side. battery.
の入口側より出口側の方が粗く形成されたものである燃
料電池。3. The fuel cell according to claim 1, wherein the electrode is made of carbon cloth, and the mesh of the cloth is formed more coarsely on the outlet side than on the reaction gas inlet side. .
である燃料電池。4. The fuel cell according to claim 1, wherein the electrode includes a water-repellent layer formed by impregnating a water-repellent material, and the water-repellent layer is provided from a reaction gas inlet side. A fuel cell in which the thickness is thinner on the outlet side.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6282751A JPH08124583A (en) | 1994-10-20 | 1994-10-20 | Fuel cell |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| JP6282751A JPH08124583A (en) | 1994-10-20 | 1994-10-20 | Fuel cell |
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|---|---|
| JPH08124583A true JPH08124583A (en) | 1996-05-17 |
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ID=17656590
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