JPH08130024A - Fuel cell - Google Patents

Fuel cell

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JPH08130024A
JPH08130024A JP6289244A JP28924494A JPH08130024A JP H08130024 A JPH08130024 A JP H08130024A JP 6289244 A JP6289244 A JP 6289244A JP 28924494 A JP28924494 A JP 28924494A JP H08130024 A JPH08130024 A JP H08130024A
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JP
Japan
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gas
flow path
fuel
electrode
water
Prior art date
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Application number
JP6289244A
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Japanese (ja)
Inventor
Seiji Mizuno
誠司 水野
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Publication date
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

PURPOSE: To quickly exhaust water produced in a flow path of fuel of a fuel cell from the flow path. CONSTITUTION: A fuel cell is constituted by stacking an electrolyte film 20, a gas diffusion electrode 30, and a current collecting electrode 40. A plurality of ribs 42 are formed on a contact surface of the current collecting electrode 40 with the gas diffusion electrode 30, and a gas flow path 44 to let to flow an oxidizing gas or fuel gas is formed between the rib 42 and the surface of the gas diffusion electrode 30. Carbon short fibers 52 having a diameter of 5μm and a length of 100μm, coated with polytetrafluoroethylene having water repellent property are planted on the surface of the gas flow path 44 with a conductive adhesive 50. When the fuel cell is operated, water produced by reaction in the gas flow path 44 on the cathode electrode side is repelled by the carbon short fibers 52, and supported around the tips of the carbon short fibers 52, and converted into a water drop 60. The water drop 60 is kept in almost point contact to decrease contact resistance, and exhausted from the gas flow path by the dead load when the direction of the gas flow path 44 is in the perpendicular direction.

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、燃料電池に関し、詳し
くは、電解質層と、該電解質層を挟持して発電層を形成
する電極と、該発電層を挟持し該電極とで燃料の流路を
形成する流路形成部材と、を備えた燃料電池に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell, and more specifically, to an electrolyte layer, an electrode sandwiching the electrolyte layer to form a power generation layer, and a fuel flow between the electrode sandwiching the power generation layer. And a flow path forming member that forms a path.

【0002】[0002]

【従来の技術】燃料電池、例えば、固体高分子型燃料電
池では、電解質膜を挟んで対峙する2つの電極(酸素極
と燃料極)に、水素を含有する燃料ガスと酸素を含有す
る酸化ガスとをそれぞれ供給することにより、次式
(1)および(2)に示す反応が行なわれ、化学エネル
ギが直接電気エネルギに変換される。
2. Description of the Related Art In a fuel cell such as a polymer electrolyte fuel cell, two electrodes (oxygen electrode and fuel electrode) facing each other with an electrolyte membrane sandwiched between a fuel gas containing hydrogen and an oxidizing gas containing oxygen. By supplying and, respectively, the reactions shown in the following equations (1) and (2) are performed, and the chemical energy is directly converted into electric energy.

【0003】 カソード反応(酸素極):2H++2e-+(1/2)O2→H2O …(1) アノード反応(燃料極):H2→2H++2e- …(2)Cathode reaction (oxygen electrode): 2H + + 2e + (½) O 2 → H 2 O (1) Anode reaction (fuel electrode): H 2 → 2H + + 2e (2)

【0004】この反応を連続的かつ円滑に行なうために
は、酸素極では、反応により生成する水を速やかに排除
して酸素極に酸化ガスを連続的に供給する必要がある。
通常、酸素極へ酸化ガスを供給する供給流路は、酸素極
側の集電極が有するリブと酸素極の表面とで形成されて
いる。この供給流路は、反応により生成する水の排出流
路をも兼ねている。したがって、酸化ガスの供給流路に
おける生成水の速やかな排出が求められる。
In order to carry out this reaction continuously and smoothly, it is necessary for the oxygen electrode to rapidly remove the water produced by the reaction and continuously supply the oxidizing gas to the oxygen electrode.
Usually, the supply channel for supplying the oxidizing gas to the oxygen electrode is formed by the rib of the collector electrode on the oxygen electrode side and the surface of the oxygen electrode. This supply flow path also serves as a discharge flow path for water generated by the reaction. Therefore, prompt discharge of the generated water in the oxidizing gas supply channel is required.

【0005】また、上記反応を連続的かつ円滑に行なう
ためには、燃料極では、燃料極に燃料ガスを連続的に供
給すると共に燃料極で発生した水素イオンを電解質膜中
にスムースに拡散させる必要もある。水素イオンは電解
質膜中の水と結合して水和状態となって電解質膜中を移
動するから、燃料極付近の水が不足しないよう電解質膜
に外部から水を補給しなければならない。こうした燃料
極への水の補給は、燃料ガスを加湿して燃料ガスの水蒸
気圧を高めることにより行なわれるのが通常である。加
湿された燃料ガスが運転開始直後で定常運転状態の温度
に達していない燃料電池に供給された場合や水蒸気が過
飽和となった燃料ガスが燃料電池に供給された場合に
は、燃料極側の集電極が有するリブと燃料極の表面とで
形成される燃料ガスの供給流路の形成面に水蒸気が結露
して水滴となって付着し、燃料ガスの供給流路内での燃
料ガスのスムースな流れを妨げる場合を生じる。したが
って、燃料ガスの供給流路の形成面に水蒸気が結露する
場合には、結露した水滴を燃料ガスの供給流路から速や
かに排出することが求められる。
In order to carry out the above reaction continuously and smoothly, in the fuel electrode, the fuel gas is continuously supplied to the fuel electrode and the hydrogen ions generated in the fuel electrode are smoothly diffused in the electrolyte membrane. There is also a need. Since hydrogen ions combine with water in the electrolyte membrane to move into a hydrated state in the electrolyte membrane, it is necessary to replenish the electrolyte membrane with water from the outside so that water near the fuel electrode does not become insufficient. Water is usually supplied to the fuel electrode by humidifying the fuel gas to increase the vapor pressure of the fuel gas. If the humidified fuel gas is supplied to the fuel cell that has not reached the temperature in the steady operation state immediately after the start of operation, or if the fuel gas in which steam is supersaturated is supplied to the fuel cell, Water vapor condenses on the surface of the fuel gas supply passage formed by the ribs of the collecting electrode and the surface of the fuel electrode to form a water droplet, which causes the fuel gas to flow smoothly in the fuel gas supply passage. There are cases in which the flow is disturbed. Therefore, when water vapor is condensed on the surface where the fuel gas supply passage is formed, it is required to quickly discharge the condensed water droplets from the fuel gas supply passage.

【0006】従来、こうした要望に応える燃料電池とし
ては、集電極と電極とで形成する燃料ガスまたは酸化ガ
スの供給流路の形成面に撥水性を呈するフッ素樹脂の被
膜を形成するものが提案されている(例えば、特開平4
−12462号公報等)。この燃料電池によれば、フッ
素樹脂の被膜が、燃料ガスの供給流路の形成面に付着す
る水滴や酸化ガスの供給流路に排出される生成水を撥じ
いて速やかに排出し、燃料極および酸素極へ燃料ガスお
よび酸化ガスを連続的に供給するとされている。また、
集電極の電極との接触面にはフッ素樹脂の被膜を形成し
ないことにより、その接触面を親水性に富む吸水部と
し、この接触面から燃料ガスの供給流路の形成面に付着
する水滴や酸化ガスの供給流路に排出される生成水を吸
水して燃料ガスおよび酸化ガスの供給流路から速やかに
排出するとされている。
[0006] Conventionally, as a fuel cell which meets such a demand, there has been proposed a fuel cell in which a fluororesin film having water repellency is formed on a surface where a fuel gas or oxidizing gas supply passage formed by a collector electrode and an electrode is formed. (For example, Japanese Patent Laid-Open No.
-12462 publication). According to this fuel cell, the fluororesin film repels water droplets adhering to the surface on which the fuel gas supply channel is formed and the generated water discharged to the oxidizing gas supply channel to quickly discharge the fuel electrode. It is said that the fuel gas and the oxidizing gas are continuously supplied to the oxygen electrode. Also,
By not forming a fluororesin coating on the contact surface of the collector electrode with the electrode, the contact surface is made a water-absorbing portion rich in hydrophilicity, and water droplets adhering to the formation surface of the fuel gas supply channel from this contact surface It is said that the produced water discharged to the oxidizing gas supply passage is absorbed and quickly discharged from the fuel gas and oxidizing gas supply passage.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、こうし
た供給流路の形成面にフッ素樹脂の被膜を形成する燃料
電池では、供給流路内に排出された生成水あるいは形成
面に付着した水滴が撥じかれて複数集まり、大きな水滴
となって燃料ガスまたは酸化ガスの電極への供給を阻害
する場合を生じるという問題があった。特に幅または奥
行きの狭い供給流路では、水の表面張力により供給流路
を塞いでしまい、燃料電池の運転効率を著しく低下させ
る場合もある。
However, in a fuel cell in which a coating film of fluororesin is formed on the surface where the supply passage is formed, the generated water discharged into the supply passage or water droplets adhering to the formation surface are repelled. There is a problem in that a plurality of such water droplets are collected to form large water droplets, which may hinder the supply of fuel gas or oxidizing gas to the electrodes. Particularly in a narrow or wide supply channel, the surface tension of water may block the supply channel, which may significantly reduce the operating efficiency of the fuel cell.

【0008】本発明の燃料電池は、こうした問題を解決
し、燃料の流路内に生じる水を流路から速やかに排出す
ることを目的とし、次の構成を採った。
The fuel cell of the present invention has the following constitution for the purpose of solving these problems and promptly discharging the water generated in the fuel flow passage from the flow passage.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明の燃料電池は、電
解質層と、該電解質層を挟持して発電層を形成する電極
と、該発電層を挟持し該電極とで燃料の流路を形成する
流路形成部材と、を備えた燃料電池であって、前記流路
形成部材は、前記流路を形成する面に、少なくとも表面
が撥水性を呈する短繊維を複数植立してなることを要旨
とする。
A fuel cell of the present invention comprises an electrolyte layer, electrodes for sandwiching the electrolyte layer to form a power generation layer, and a fuel flow channel between the power generation layer and the electrodes. A flow cell forming member to be formed, wherein the flow path forming member is formed by arranging a plurality of short fibers having water repellency on at least the surface on the surface forming the flow path. Is the gist.

【0010】ここで、前記燃料電池において、前記短繊
維は、カーボンにより形成された短繊維である構成とす
ることもできる。
Here, in the fuel cell, the short fiber may be a short fiber formed of carbon.

【0011】[0011]

【作用】以上のように構成された本発明の燃料電池は、
流路形成部材の燃料の流路を形成する面に複数植立され
た少なくとも表面が撥水性を呈する短繊維が、燃料の流
路内に生じる水を撥じくことにより、燃料の流路内に生
じる水の排出を促進する。
The fuel cell of the present invention constructed as described above is
In the flow passage of the fuel, a plurality of short fibers that are water-repellent at least on the surface forming the flow passage of the fuel of the flow passage forming member repel water generated in the flow passage of the fuel. Promote the discharge of water generated in the.

【0012】[0012]

【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。図1は本発明の好適な一実施例である燃料電池
を構成する単電池10の構成を例示する説明図、図2は
図1中の破線円の部分を拡大して示した拡大説明図であ
る。単電池10は、固体高分子型燃料電池の積層体を構
成する単電池であり、図1に示すように、電解質膜20
と、この電解質膜20を両側から挟んでサンドイッチ構
造を形成する2つのガス拡散電極30と、このサンドイ
ッチ構造を両側から挟持する2つの集電極40とから構
成される。
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. FIG. 1 is an explanatory view illustrating the configuration of a unit cell 10 that constitutes a fuel cell that is a preferred embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an enlarged explanatory view showing an enlarged portion of a broken line circle in FIG. is there. The unit cell 10 is a unit cell that constitutes a laminated body of a polymer electrolyte fuel cell, and as shown in FIG.
And two gas diffusion electrodes 30 that sandwich the electrolyte membrane 20 from both sides to form a sandwich structure, and two collector electrodes 40 that sandwich the sandwich structure from both sides.

【0013】電解質膜20は、高分子材料、例えば、フ
ッ素系樹脂により形成された厚さ100μmないし20
0μmのイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝
導性を示す。2つのガス拡散電極30は、表面をポリ四
フッ化エチレンでコーティングした炭素繊維と何等処理
されていない炭素繊維とを1対1の割合とした糸で織成
したカーボンクロスにより形成されている。ガス拡散電
極30は、ポリ四フッ化エチレンが撥水性を呈するか
ら、その表面が水で覆われてガスの透過を阻害すること
はない。このカーボンクロスの電解質膜20側の表面お
よび隙間には、白金または白金と他の金属からなる合金
等を担持したカーボン粉が練り込まれて触媒層32が形
成されている(図2参照)。この電解質膜20と2つの
ガス拡散電極30は、2つのガス拡散電極30が電解質
膜20を挟んでサンドイッチ構造とした状態で、100
℃ないし160℃好ましくは110℃ないし130℃の
温度で、1MPa{10.2kgf/cm2}ないし20MP
a{102kgf/cm2}好ましくは5MPa{51kgf/c
m2}ないし10MPa{102kgf/cm2}の圧力を作用
させて接合するホットプレス法により接合されている。
The electrolyte membrane 20 is made of a polymer material such as a fluorine resin and has a thickness of 100 μm to 20 μm.
It is a 0 μm ion-exchange membrane and exhibits good electric conductivity in a wet state. The two gas diffusion electrodes 30 are formed of a carbon cloth woven with a yarn having a surface ratio of carbon fibers coated with polytetrafluoroethylene and carbon fibers not treated at all in a ratio of 1: 1. Since the poly (tetrafluoroethylene) of the gas diffusion electrode 30 exhibits water repellency, its surface is not covered with water and does not hinder gas permeation. On the surface of the carbon cloth on the electrolyte membrane 20 side and in the gap, carbon powder carrying platinum or an alloy of platinum and another metal is kneaded to form a catalyst layer 32 (see FIG. 2). The electrolyte membrane 20 and the two gas diffusion electrodes 30 have a sandwich structure in which the two gas diffusion electrodes 30 sandwich the electrolyte membrane 20.
° C. In to 160 ° C. preferably at temperatures of from 110 ° C. 130 ° C., to no 1MPa {10.2kgf / cm 2} 20MP
a {102 kgf / cm 2 } preferably 5 MPa {51 kgf / c
They are joined by a hot pressing method in which a pressure of m 2 } to 10 MPa {102 kgf / cm 2 } is applied to join.

【0014】集電極40は、カーボンを圧縮して緻密化
しガス不透過とした緻密質カーボンにより形成されてい
る。集電極40のガス拡散電極30と接触する図1中左
右の面(積層面)には、それぞれ平行に配置された複数
のリブ42が、互いに直交する配置として形成されてい
る。このリブ42が形成された積層面には、導電性の接
着剤50、例えば、エポキシ系の接着剤やポリ四フッ化
エチレン等のフッ素系の樹脂にカーボンの粉体を混合し
たカーボンペースト等により、太さ5μm,長さ100
μmで表面がポリ四フッ化エチレンでコーティングされ
たカーボン短繊維52が多数植毛されている。このカー
ボン短繊維52が植毛されたリブ42は、ガス拡散電極
30の表面とで酸素を含有する酸化ガスまたは水素を含
有する燃料ガスの流路をなすガス流路44を形成する。
なお、電解質膜20および2つのガス拡散電極30を挟
んで対峙する2つの集電極40は、向かい合うそれぞれ
のリブ42が互いに直交するよう配置されている。
The collector electrode 40 is made of dense carbon that is made by compressing carbon to make it dense and gas impermeable. A plurality of ribs 42 arranged in parallel with each other are formed on the left and right surfaces (laminating surfaces) of FIG. 1 that are in contact with the gas diffusion electrode 30 of the collecting electrode 40 so as to be orthogonal to each other. On the laminated surface on which the ribs 42 are formed, a conductive adhesive 50, for example, an epoxy adhesive or a carbon paste obtained by mixing carbon powder with a fluorine resin such as polytetrafluoroethylene is used. , Thickness 5μm, length 100
A large number of short carbon fibers 52 having a surface of μm and coated with polytetrafluoroethylene are planted. The ribs 42 on which the short carbon fibers 52 are implanted form a gas flow path 44 that forms a flow path for the oxygen-containing oxidizing gas or the hydrogen-containing fuel gas together with the surface of the gas diffusion electrode 30.
The two collecting electrodes 40 facing each other with the electrolyte membrane 20 and the two gas diffusion electrodes 30 interposed therebetween are arranged such that the ribs 42 facing each other are orthogonal to each other.

【0015】カーボン短繊維52およびガス拡散電極3
0を構成する炭素繊維へのポリ四フッ化エチレンのコー
ティングは次のように行なわれる。まず、通常の炭素繊
維をポリ四フッ化エチレンのディスパージョン(例えば
ダイキン工業製ポリフロンD−1)に浸漬させる。次
に、空気中、室温でしばらくおいて乾燥させた後、空気
中、100℃の温度で30分ないし1時間乾燥させて、
ディスパージョンの水分を完全に揮発させる。続いて、
窒素雰囲気中、250℃ないし300℃で2時間ないし
3時間加熱して、炭素繊維表面にポリ四フッ化エチレン
を焼成して撥水性を呈する炭素繊維とする。こうして得
られた撥水性炭素繊維を短く切断して撥水性を呈するカ
ーボン短繊維52を形成する。
Short carbon fibers 52 and gas diffusion electrode 3
The coating of polytetrafluoroethylene on the carbon fibers constituting 0 is performed as follows. First, ordinary carbon fiber is immersed in a dispersion of polytetrafluoroethylene (for example, Polyflon D-1 manufactured by Daikin Industries, Ltd.). Next, after drying in air at room temperature for a while, it is dried in air at a temperature of 100 ° C. for 30 minutes to 1 hour,
Completely evaporate the water content of the dispersion. continue,
By heating in a nitrogen atmosphere at 250 ° C. to 300 ° C. for 2 hours to 3 hours, polytetrafluoroethylene is baked on the surface of the carbon fiber to obtain carbon fiber exhibiting water repellency. The water-repellent carbon fibers thus obtained are cut into short pieces to form short carbon fibers 52 exhibiting water repellency.

【0016】次に集電極40にカーボン短繊維52を植
毛する様子について図3に示す工程図に基づき説明す
る。まず、リブ42が形成された集電極40の基材の積
層面に接着剤50を塗布する(ステップS100)。続
いて、集電極40をアース接続またはマイナスに帯電さ
せると共にポリ四フッ化エチレンが表面にコーティング
されたカーボン短繊維52をプラスに帯電させる(ステ
ップS110)。そして、アース接続またはマイナスに
帯電させた集電極40の接着剤50を塗布した積層面
に、プラスに帯電させたカーボン短繊維52を散布する
(ステップS120)。すると、カーボン短繊維52
は、靜電誘導により集電極40の積層面の接着剤50に
立つように植え付けられる。続いて、集電極40に塗布
した接着剤50を温度150℃で30分間乾燥して硬化
させて(ステップS130)、集電極40へのカーボン
短繊維52の植毛を完成する。
Next, how the short carbon fibers 52 are planted on the collecting electrode 40 will be described with reference to the process chart shown in FIG. First, the adhesive 50 is applied to the laminated surface of the base material of the collector electrode 40 on which the ribs 42 are formed (step S100). Then, the collecting electrode 40 is grounded or charged negatively, and the carbon short fiber 52 coated with polytetrafluoroethylene on the surface is charged positively (step S110). Then, positively charged short carbon fibers 52 are sprayed on the laminated surface of the grounded or negatively charged collecting electrode 40 coated with the adhesive 50 (step S120). Then, carbon short fiber 52
Is planted so as to stand on the adhesive 50 on the laminated surface of the collector electrode 40 by electrostatic induction. Subsequently, the adhesive 50 applied to the collecting electrode 40 is dried and cured at a temperature of 150 ° C. for 30 minutes (step S130) to complete the implantation of the short carbon fibers 52 on the collecting electrode 40.

【0017】こうして構成された単電池10を積層して
なる燃料電池は、電解質膜20および2つのガス拡散電
極30を挟んで対峙する一対のガス流路44に酸化ガス
および燃料ガスを流せば、前述の反応式(1)および
(2)に示した電気化学反応を行ない、化学エネルギを
直接電気エネルギに変換する。
In the fuel cell formed by stacking the unit cells 10 thus constructed, if the oxidizing gas and the fuel gas are caused to flow through the pair of gas flow channels 44 facing each other with the electrolyte membrane 20 and the two gas diffusion electrodes 30 interposed therebetween, The electrochemical energy shown in the above reaction formulas (1) and (2) is performed to directly convert chemical energy into electrical energy.

【0018】次に単電池10を積層してなる燃料電池が
運転されているときのガス流路44内の様子について説
明する。まず、カソード極側のガス流路44内の様子に
ついて説明する。カソード極側のガス流路44には、燃
料電池が運転されると、電解質膜20のカソード極側の
ガス拡散電極30の表面で発生する水(式(1)参照)
がガス拡散電極30を構成する何等処理されていない炭
素繊維によりガス流路44側の表面に導かれる。カーボ
ン短繊維52は、その表面にコーティングされたポリ四
フッ化エチレンにより撥水性を呈するから、ガス流路4
4に導かれた水を撥じいて、図2に示すように、カーボ
ン短繊維52の先端部付近で水滴60を支持する。水滴
60は、カーボン短繊維52により点接触に近い状態と
なるから、抵抗が小さくなって移動し易くなる。したが
って、ガス流路44の長手方向を鉛直方向とすれば、水
滴60は、その自重により鉛直下方に落下し、ガス流路
44から速やかに排出される。
Next, the state of the inside of the gas flow path 44 when the fuel cell formed by stacking the unit cells 10 is operated will be described. First, the inside of the gas flow path 44 on the cathode side will be described. In the gas flow path 44 on the cathode electrode side, water generated on the surface of the gas diffusion electrode 30 on the cathode electrode side of the electrolyte membrane 20 when the fuel cell is operated (see formula (1)).
Are guided to the surface on the gas flow path 44 side by the untreated carbon fibers forming the gas diffusion electrode 30. Since the carbon short fibers 52 exhibit water repellency due to the polytetrafluoroethylene coated on the surface thereof, the gas flow path 4
As shown in FIG. 2, the water guided to 4 is repelled to support the water droplets 60 near the tips of the short carbon fibers 52. Since the water droplets 60 are in a state close to point contact due to the short carbon fibers 52, the resistance becomes small and the water droplets 60 easily move. Therefore, if the longitudinal direction of the gas flow path 44 is set to be the vertical direction, the water droplet 60 falls vertically downward due to its own weight and is quickly discharged from the gas flow path 44.

【0019】一方、アノード極側のガス流路44には、
飽和蒸気圧近くまで加湿された燃料ガスが流されるか
ら、単電池10の運転状況によっては、過飽和となりガ
ス流路44の形成面に水蒸気が結露する場合がある。こ
うした結露により生じる水は、カソード極側と同様に撥
水性を呈するカーボン短繊維52に撥じかれて、カーボ
ン短繊維52の先端付近により支持される水滴60とな
る。この水滴60は、燃料ガスの水蒸気圧が飽和水蒸気
圧にまで至っていないときに、水滴60表面から燃料ガ
スに気化し、燃料ガスの水蒸気圧を飽和水蒸気圧とし
て、電解質膜20のアノード極側で不足する水の補給を
促進する。
On the other hand, in the gas passage 44 on the anode side,
Since the humidified fuel gas is made to flow to near the saturated vapor pressure, it may become oversaturated depending on the operating condition of the unit cell 10, and water vapor may condense on the formation surface of the gas flow path 44. The water generated by such dew condensation is repelled by the short carbon fibers 52 exhibiting water repellency similarly to the cathode side, and becomes water droplets 60 supported by the vicinity of the tips of the short carbon fibers 52. When the water vapor pressure of the fuel gas does not reach the saturated water vapor pressure, the water droplets 60 are vaporized from the surface of the water droplets 60 into the fuel gas, and the water vapor pressure of the fuel gas is set to the saturated water vapor pressure on the anode side of the electrolyte membrane 20. Promote the supply of insufficient water.

【0020】また、実施例の集電極40では、リブ42
のガス拡散電極30と接触する端面46にもカーボン短
繊維52が植毛されている。このため、この端面46と
接触するガス拡散電極30の接触部34と端面46との
間に、カーボン短繊維52による微小な隙間を有する層
が形成され、この層の隙間を介してガス流路44の酸化
ガスまたは燃料ガスが接触部34の内部に拡散する。ま
た、端面46に植毛されたカーボン短繊維52がガス拡
散電極30を形成するカーボン繊維に絡みつくため、集
電極40とガス拡散電極30との接触抵抗が小さくな
る。さらに、ガス流路44を形成するリブ42の側面等
に植毛したカーボン短繊維52は、ガス流路44内の酸
化ガスまたは燃料ガスの流れを乱し、酸化ガスまたは燃
料ガスのガス拡散電極30への拡散性を向上させる。
Further, in the collecting electrode 40 of the embodiment, the rib 42
The short carbon fibers 52 are also planted on the end surface 46 that contacts the gas diffusion electrode 30 of FIG. Therefore, a layer having a minute gap formed by the short carbon fibers 52 is formed between the contact portion 34 of the gas diffusion electrode 30 that contacts the end face 46 and the end face 46, and the gas flow path is formed through the gap of this layer. The oxidizing gas or fuel gas 44 diffuses into the contact portion 34. Further, the short carbon fibers 52 planted on the end surface 46 are entangled with the carbon fibers forming the gas diffusion electrode 30, so that the contact resistance between the collecting electrode 40 and the gas diffusion electrode 30 becomes small. Further, the short carbon fibers 52 that are planted on the side surfaces of the ribs 42 that form the gas passages 44 disturb the flow of the oxidizing gas or the fuel gas in the gas passages 44, and the gas diffusion electrode 30 of the oxidizing gas or the fuel gas 30. To improve the diffusion.

【0021】図4は、本実施例の単電池10とカーボン
短繊維52が植毛されていない単電池(以下「従来例の
単電池」という。)における電流密度とセル電圧との関
係を例示したグラフである。グラフ中、曲線Aは単電池
10の電流密度とセル電圧との関係を示し、曲線Bは従
来例の単電池の電流密度とセル電圧との関係を示す。図
示するように、カーボン短繊維52を植毛した単電池1
0は、植毛されていない従来例の単電池に比して、その
性能の著しい向上が認めらる。
FIG. 4 illustrates the relationship between the current density and the cell voltage in the unit cell 10 of this embodiment and the unit cell in which the short carbon fibers 52 are not implanted (hereinafter referred to as "conventional unit cell"). It is a graph. In the graph, a curve A shows the relationship between the current density of the unit cell 10 and the cell voltage, and a curve B shows the relationship between the current density of the conventional unit cell and the cell voltage. As shown in the figure, a single cell 1 in which short carbon fibers 52 are implanted.
0 indicates that the performance is remarkably improved as compared with the conventional unit cell in which hair is not transplanted.

【0022】以上説明した燃料電池によれば、集電極4
0のガス流路44を形成する面にその表面をポリ四フッ
化エチレンでコーティングしたカーボン短繊維52を植
毛したことにより、ガス流路44に生じる水をガス流路
44から速やかに排出することができ、生成水による酸
化ガスまたは燃料ガスのガス拡散電極30への拡散の阻
害を防止することができる。したがって、効率の良い燃
料電池とすることができる。
According to the fuel cell described above, the collector electrode 4
Immediately discharging the water generated in the gas flow channel 44 from the gas flow channel 44 by implanting short carbon fibers 52 coated with polytetrafluoroethylene on the surface forming the 0 gas flow channel 44. Therefore, it is possible to prevent the generated water from inhibiting the diffusion of the oxidizing gas or the fuel gas into the gas diffusion electrode 30. Therefore, an efficient fuel cell can be obtained.

【0023】また、リブ42の端面46にカーボン短繊
維52を植毛したことにより、接触部34と端面46と
の接触部に微小な隙間を有する層を形成するので、この
層の隙間から酸化ガスまたは燃料ガスを接触部34の内
部に拡散させることができる。このように接触部34の
内部にまで酸化ガスまたは燃料ガスを拡散させるので、
電気化学反応に寄与するガス拡散電極30の利用率を高
くして、単電池10ひいては燃料電池の性能を向上させ
ることができる。さらに、リブ42の端面46のカーボ
ン短繊維52がガス拡散電極30を形成するカーボン繊
維に絡みつくので、接触抵抗を小さくすることができ、
内部抵抗の小さな燃料電池とすることができる。加え
て、ガス流路44を形成するリブ42の側面等に植毛し
たカーボン短繊維52がガス流路44の酸化ガスまたは
燃料ガスの流れを乱し、ガス拡散電極30への拡散性を
向上させることができる。
Further, by implanting short carbon fibers 52 on the end surfaces 46 of the ribs 42, a layer having a minute gap is formed at the contact portion between the contact portion 34 and the end surface 46. Alternatively, the fuel gas can be diffused inside the contact portion 34. In this way, since the oxidizing gas or the fuel gas is diffused to the inside of the contact portion 34,
The utilization rate of the gas diffusion electrode 30 that contributes to the electrochemical reaction can be increased to improve the performance of the unit cell 10 and thus the fuel cell. Furthermore, since the short carbon fibers 52 on the end surface 46 of the rib 42 are entangled with the carbon fibers forming the gas diffusion electrode 30, the contact resistance can be reduced,
The fuel cell can have a small internal resistance. In addition, the short carbon fibers 52 planted on the side surfaces of the ribs 42 forming the gas flow path 44 disturb the flow of the oxidizing gas or the fuel gas in the gas flow path 44 and improve the diffusibility to the gas diffusion electrode 30. be able to.

【0024】なお、実施例では、太さ5μm,長さ10
0μmのカーボン短繊維52を植毛したが、この太さお
よび長さに限定されるものでなく、太さは0.1μmな
いし100μm好ましくは1μmないし10μm,長さ
は10μmないし1mm好ましくは50μmないし30
0μmでよい。この太さおよび長さは、ガス流路44の
幅および奥行きの大きさなどにより定まるものである。
In the embodiment, the thickness is 5 μm and the length is 10
Although the carbon short fibers 52 of 0 μm were implanted, the thickness and the length are not limited, and the thickness is 0.1 μm to 100 μm, preferably 1 μm to 10 μm, and the length is 10 μm to 1 mm, preferably 50 μm to 30.
It may be 0 μm. The thickness and length are determined by the width and depth of the gas passage 44.

【0025】実施例では、カーボン短繊維52を集電極
40のガス流路44を形成する面に植毛したが、撥水性
を呈する短繊維であれば、その材質はカーボンに限られ
るものではない。例えば、導電性金属により形成され表
面が撥水処理された短繊維でもよい。
In the embodiment, short carbon fibers 52 are planted on the surface of the collecting electrode 40 on which the gas flow paths 44 are formed, but the material is not limited to carbon as long as the short fibers exhibit water repellency. For example, a short fiber which is made of a conductive metal and whose surface is treated to be water repellent may be used.

【0026】実施例では、リブ42のガス拡散電極30
に接触する端面46にもカーボン短繊維52を植毛した
が、図5に示す単電池110のように集電極140のリ
ブ142のガス拡散電極30との接触面である端面14
6にカーボン短繊維52を植毛しない構成でもよい。単
電池110のように端面146にカーボン短繊維52を
植毛しない構成とすれば、カーボン短繊維52に代えて
導電性を有しない材料(例えば、樹脂等)により形成さ
れ表面が撥水処理された短繊維であってもかまわない。
In the embodiment, the gas diffusion electrode 30 of the rib 42 is used.
The short carbon fibers 52 were also planted on the end face 46 that contacts the end face 14 that is the contact face of the rib 142 of the collecting electrode 140 with the gas diffusion electrode 30 as in the single cell 110 shown in FIG.
The carbon short fibers 52 may not be planted on the 6's. If the short carbon fibers 52 are not implanted on the end surface 146 like the single cell 110, the carbon short fibers 52 are replaced with a material having no conductivity (for example, resin) and the surface is treated to be water repellent. Short fibers are also acceptable.

【0027】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、例えば、リン酸型燃料電池に適用する構成など、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 is needless to say that the present invention can be implemented in various modes without departing from the scope of the present invention, such as a configuration applied to a phosphoric acid fuel cell. is there.

【0028】[0028]

【発明の効果】以上説明したように本発明の燃料電池に
よれば、流路形成部材の燃料の流路を形成する面に複数
植立された少なくとも表面が撥水性を呈する短繊維が、
燃料の流路内に生じる水を撥じいて、燃料の流路内に生
じる水を速やかに排出することができる。したがって、
燃料の流路内に生じる水により燃料の電極への拡散が阻
害されることがなく、燃料電池の運転効率を高く維持す
ることができる。
As described above, according to the fuel cell of the present invention, a plurality of short fibers, at least the surface of which has water repellency, are planted on the surface of the flow path forming member forming the fuel flow path,
The water generated in the fuel flow path can be repelled to quickly discharge the water generated in the fuel flow path. Therefore,
Water generated in the fuel flow channel does not hinder the diffusion of the fuel to the electrodes, and it is possible to maintain high operating efficiency of the fuel cell.

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

【図1】本発明の好適な一実施例である燃料電池を構成
する単電池10の構成を例示する説明図である。
FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating the configuration of a unit cell 10 that constitutes a fuel cell that is a preferred embodiment of the present invention.

【図2】図1中の破線円の部分を拡大して示した拡大説
明図である。
FIG. 2 is an enlarged explanatory view showing an enlarged part of a broken line circle in FIG.

【図3】集電極40の形成の様子を例示する工程図であ
る。
3A to 3C are process diagrams illustrating the state of forming a collecting electrode 40.

【図4】単電池10と従来例の単電池における電流密度
とセル電圧との関係を例示したグラフである。
FIG. 4 is a graph exemplifying the relationship between the current density and the cell voltage in the unit cell 10 and a conventional unit cell.

【図5】実施例の単電池10の変形例である単電池11
0の一部を拡大して示した拡大説明図である。
FIG. 5 is a unit cell 11 which is a modification of the unit cell 10 of the embodiment.
It is an expansion explanatory view which expanded and showed a part of 0.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…単電池 20…電解質膜 30…ガス拡散電極 32…触媒層 34…接触部 40…集電極 42…リブ 44…ガス流路 46…端面 50…接着剤 52…カーボン短繊維 60…水滴 110…単電池 140…集電極 142…リブ 146…端面 10 ... Single cell 20 ... Electrolyte membrane 30 ... Gas diffusion electrode 32 ... Catalyst layer 34 ... Contact part 40 ... Collection electrode 42 ... Rib 44 ... Gas flow path 46 ... End face 50 ... Adhesive 52 ... Short carbon fiber 60 ... Water drop 110 ... Single cell 140 ... Collection electrode 142 ... Rib 146 ... End surface

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 電解質層と、該電解質層を挟持して発電
層を形成する電極と、該発電層を挟持し該電極とで燃料
の流路を形成する流路形成部材と、を備えた燃料電池で
あって、 前記流路形成部材は、前記流路を形成する面に、少なく
とも表面が撥水性を呈する短繊維を複数植立してなる燃
料電池。
1. An electrolyte layer, an electrode for sandwiching the electrolyte layer to form a power generation layer, and a flow channel forming member for sandwiching the power generation layer and forming a fuel flow channel with the electrode. The fuel cell is a fuel cell, wherein the flow path forming member is formed by arranging a plurality of short fibers having water repellency on at least the surface on the surface forming the flow path.
【請求項2】 前記短繊維は、カーボンにより形成され
た短繊維である請求項1記載の燃料電池。
2. The fuel cell according to claim 1, wherein the short fibers are short fibers formed of carbon.
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KR100683419B1 (en) * 2005-03-08 2007-02-20 자동차부품연구원 Bipolar plate for fuel cell
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