JPH08167416A - Cell for solid high polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

Cell for solid high polymer electrolyte fuel cell

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JPH08167416A
JPH08167416A JP6309375A JP30937594A JPH08167416A JP H08167416 A JPH08167416 A JP H08167416A JP 6309375 A JP6309375 A JP 6309375A JP 30937594 A JP30937594 A JP 30937594A JP H08167416 A JPH08167416 A JP H08167416A
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JP
Japan
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electrode film
fuel cell
fuel
catalyst layer
oxidant
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JP6309375A
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Japanese (ja)
Inventor
Kazuki Yanagiuchi
一樹 柳内
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Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
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Publication date
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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
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • 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
    • H01M8/04291Arrangements for managing water in solid electrolyte fuel cell systems
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Abstract

PURPOSE: To provide a cell for a solid high polymer electrolyte fuel cell by which excessive generating water does not stay in an oxidating agent electrode film. CONSTITUTION: A cell 1 of a fuel cell uses a fuel electrode film 11 and an oxidating agent electrode film 12. The fuel electrode film 11 uses carbon paper having a thickness of 0.4mm and has an electrode film base material 112 divided into two parts in the flowing direction of fuel gas 5a and a porous catalyst layer 111 which has a thickness of 0.02mm on an upstream side electrode film base material and a thickness of 0.03mm on a downstream side electrode film base material and is composed of a platinum catalyst and a fluororesin. The oxidating agent electrode film 12 uses carbon paper having a thickness of 0.4mm and has an electrode film base material 122 divided into two parts in the flowing direction of oxidating agent gas 5b and a porous catalyst layer 121 which has a thickness of 0.02mm on an upstream side electrode film base material and a thickness of 0.03mm on a downstream side electrode film base material and is composed of a platinum catalyst and a fluororesin.

Description

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

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、固体高分子電解質型
燃料電池に使用される燃料電池セルに係わり、酸化剤電
極膜内に生成水が過度に滞留するのを防止するように改
良されたその構成に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell used in a solid polymer electrolyte fuel cell, and has been improved so as to prevent excessive retention of produced water in an oxidizer electrode membrane. Regarding its composition.

【0002】[0002]

【従来の技術】燃料電池は水素と酸素とを利用して直流
電力を発生する一種の発電装置であり、すでによく知ら
れているとおり、他のエネルギー機関と比較して、電気
エネルギーへの変換効率が高く,しかも,炭酸ガスや窒
素酸化物等の大気汚染物質の排出量が少ないことから、
いわゆるクリーン・エネルギー源として期待されてい
る。この燃料電池としては、使用される電解質の種類に
より、固体高分子電解質型,りん酸型,溶融炭酸塩型,
固体酸化物型などの各種の燃料電池が知られている。
2. Description of the Related Art A fuel cell is a kind of power generator that generates direct current power by using hydrogen and oxygen, and as is well known, it is converted into electric energy as compared with other energy engines. High efficiency and low emission of carbon dioxide, nitrogen oxides and other air pollutants,
It is expected as a so-called clean energy source. As the fuel cell, depending on the type of electrolyte used, a solid polymer electrolyte type, phosphoric acid type, molten carbonate type,
Various fuel cells such as solid oxide type are known.

【0003】近年、内燃機関と比較して、燃料電池は、
排気ガスによる大気汚染度が低いこと、運転時の発生音
が小さいこと等の大きな特徴を持つことから、燃料電池
を自動車等の車両の駆動に用いる駆動用電動機用の車載
電源として利用することが考えられるようになってきて
いる。燃料電池を車載電源として利用する際には、電源
システムが可能な限り小形であることが望ましく、この
ような観点から、各種の燃料電池の内でも固体高分子電
解質型燃料電池が注目されるようになってきている。
In recent years, compared to internal combustion engines, fuel cells have
Since it has major characteristics such as low air pollution due to exhaust gas and low noise generated during operation, it is possible to use fuel cells as an on-vehicle power source for drive motors used to drive vehicles such as automobiles. It is coming to be considered. When using a fuel cell as an in-vehicle power source, it is desirable that the power source system be as small as possible. From this point of view, solid polymer electrolyte fuel cells are receiving attention among various fuel cells. Is becoming.

【0004】固体高分子電解質型燃料電池は、分子中に
プロトン(水素イオン)交換基を有する高分子樹脂膜を
飽和に含水させると、低い抵抗率を示してプロトン導電
性電解質として機能することを利用した燃料電池であ
る。この分子中にプロトン交換基を有する高分子樹脂膜
(以降、固体高分子電解質膜または単にPE膜と略称す
ることがある。)としては、パ−フルオロスルホン酸樹
脂膜(例えば、米国のデュポン社製、商品名ナフィオン
膜)を代表とするフッ素系イオン交換樹脂膜が現時点で
は著名であるが、この他に、炭化水素系イオン交換樹脂
膜、複合膜等が用いられている。これ等の固体高分子電
解質膜(PE膜)は、飽和に含水されることにより、常
温で20〔Ω・cm〕以下の抵抗率を示し、いずれも、
プロトン導電性電解質として機能する膜である。
When a polymer resin membrane having a proton (hydrogen ion) exchange group in the molecule is saturated with water, the solid polymer electrolyte fuel cell shows a low resistivity and functions as a proton conductive electrolyte. It is the fuel cell used. As the polymer resin membrane having a proton exchange group in the molecule (hereinafter, may be simply referred to as a solid polymer electrolyte membrane or simply PE membrane), a perfluorosulfonic acid resin membrane (for example, DuPont Co., USA) is used. Fluorine-based ion exchange resin membranes represented by Nafion Membrane (trade name, manufactured by Nippon Chemical Industry Co., Ltd.) are well known at the present time, but in addition to these, hydrocarbon-based ion exchange resin membranes, composite membranes and the like are used. These solid polymer electrolyte membranes (PE membranes) show a resistivity of 20 [Ω · cm] or less at room temperature by being saturated with water, and all of them have
It is a membrane that functions as a proton conductive electrolyte.

【0005】この固体高分子電解質型燃料電池のシステ
ムは、一般に、図4にその概念図を示す電池本体8を中
核として構成されている。電池本体8は、シート状のP
E膜7と、このPE膜7の両主面のそれぞれに接合され
たシート状の燃料電極(アノード)膜61、およびシー
ト状の酸化剤電極(カソード)膜62とからなる燃料電
池セルを、通常は複数積層して構成されている。それぞ
れの燃料電極膜61および酸化剤電極膜62は、触媒層
61a,62aと、触媒層61a,62aを担持し、燃
料ガス(水素,あるいは水素を高い濃度で含むガス。)
または酸化剤ガス(酸素,あるいは空気のように酸素を
高い濃度で含むガス。)を触媒層61a,62aに供給
および排出すると共に、集電体としての機能を有する多
孔質の電極膜基材(使用材料としては、例えば、カーボ
ンペーパーが用いられる。)61b,62bとから構成
されており、触媒層61a,62aがPE膜7の両主面
のそれぞれに密着されている。
This solid polymer electrolyte fuel cell system is generally constructed with a cell body 8 whose concept is shown in FIG. 4 as the core. The battery body 8 is a sheet-shaped P
A fuel cell comprising an E film 7, a sheet-shaped fuel electrode (anode) film 61 and a sheet-shaped oxidant electrode (cathode) film 62 bonded to both main surfaces of the PE film 7, Usually, a plurality of layers are laminated. Each of the fuel electrode film 61 and the oxidant electrode film 62 carries catalyst layers 61a and 62a and catalyst layers 61a and 62a, and a fuel gas (hydrogen or a gas containing hydrogen at a high concentration).
Alternatively, an oxidant gas (oxygen or a gas containing oxygen at a high concentration such as air) is supplied to and discharged from the catalyst layers 61a and 62a, and at the same time, a porous electrode film base material having a function as a current collector ( The material used is, for example, carbon paper.) 61b and 62b, and the catalyst layers 61a and 62a are in close contact with both main surfaces of the PE film 7.

【0006】上記の構成を持つ燃料電池セルを用いた電
池本体8においては、燃料電極膜61には燃料ガスを、
また、酸化剤電極膜62には酸化剤ガスを供給するので
あるが、これ等の反応ガス(燃料ガスと酸化剤ガスとを
総称する場合には、このように言うことが有る。)は、
加湿して水蒸気を含んだ状態にして供給される。その理
由は、PE膜7は、前記したように、飽和に含水される
ことでプロトン導電性電解質として機能する膜である
が、逆のことを言えば、PE膜7は乾燥されてその水分
量が低減されると、プロトン導電性が低下してその抵抗
率が増大してしまう膜であるからである。燃料電極膜6
1,酸化剤電極膜62に反応ガスが供給されると、それ
ぞれの電極膜61,62に備えられた触媒層61a,6
2aと、PE膜7との界面に、気相(燃料ガスまたは酸
化剤ガス)・液相(液状のH2 0)・固相(燃料電極,
酸化剤電極が持つ触媒)の三相界面が形成され、電気化
学反応を生じさせることで直流電力を発生させている。
なお、触媒層61a,62aは、多くの場合に、微小な
粒子状の白金触媒とはっ水性を有するフッ素樹脂とから
形成されており、しかも層内に多数の細孔が形成される
ようにすることで、反応ガスの三相界面までの効率的な
拡散を維持するすると共に、十分広い面積の三相界面が
形成されるように構成されている。
In the battery main body 8 using the fuel cell having the above structure, the fuel gas is supplied to the fuel electrode film 61.
Further, the oxidant gas is supplied to the oxidant electrode film 62, and the reaction gases (these may be said in the generic name of the fuel gas and the oxidant gas) of these gases.
It is supplied after being humidified and containing water vapor. The reason is that, as described above, the PE membrane 7 is a membrane that functions as a proton conductive electrolyte by being saturated with water, but conversely speaking, the PE membrane 7 is dried and its moisture content is increased. This is because, if the value is reduced, the proton conductivity is lowered and the resistivity thereof is increased. Fuel electrode membrane 6
1, when a reaction gas is supplied to the oxidant electrode film 62, the catalyst layers 61a and 6 provided on the electrode films 61 and 62, respectively.
Gas phase (fuel gas or oxidant gas), liquid phase (liquid H 2 0), solid phase (fuel electrode,
A three-phase interface of (catalyst possessed by the oxidant electrode) is formed, and direct-current power is generated by causing an electrochemical reaction.
In many cases, the catalyst layers 61a and 62a are made of fine particulate platinum catalyst and a fluororesin having water repellency, and moreover, many pores are formed in the layers. By doing so, the efficient diffusion of the reaction gas to the three-phase interface is maintained, and the three-phase interface having a sufficiently large area is formed.

【0007】この三相界面では、次記する電気化学反応
が生じる。まず、燃料電極膜61側では(1)式による
反応が起こる。
At the three-phase interface, the following electrochemical reaction occurs. First, on the fuel electrode film 61 side, the reaction according to the equation (1) occurs.

【0008】[0008]

【化1】 H2 →2H+ +2e- ………………(1) また、酸化剤電極膜62側では(2)式による反応が起
こる。
[Image Omitted] H 2 → 2H + + 2e (1) Further, on the oxidant electrode film 62 side, the reaction according to the equation (2) occurs.

【0009】[0009]

【化2】 (1/2)O2 +2H+ +2e- 2 O ……(2) すなわち、この反応の結果、燃料電極膜61で生成され
たH+ イオン(プロトン)は、PE膜7中を酸化剤電極
膜62に向かって移動し、また、電子(e- )は負荷装
置9を通って酸化剤電極膜62に移動する。一方、酸化
剤電極膜62では、酸化剤ガス中に含有される酸素と、
PE膜7中を燃料電極膜61から移動してきたH+ イオ
ンと、負荷装置9を通って移動してきた電子とが反応
し、H2 O(水蒸気)が生成される。かくして、電池本
体8は、水素と酸素とを得て直流電力を発生し、そうし
て、副生物としてH2 O(水蒸気)を生成している。
Embedded image (1/2) O 2 + 2H + + 2e H 2 O (2) That is, as a result of this reaction, H + ions (protons) generated in the fuel electrode film 61 are in the PE film 7. To the oxidant electrode film 62, and electrons (e ) move to the oxidant electrode film 62 through the load device 9. On the other hand, in the oxidant electrode film 62, oxygen contained in the oxidant gas,
The H + ions that have moved from the fuel electrode film 61 in the PE film 7 react with the electrons that have moved through the load device 9, and H 2 O (water vapor) is generated. Thus, the battery main body 8 obtains hydrogen and oxygen to generate DC power, and thus H 2 O (steam) as a byproduct.

【0010】ところで、燃料電池セルは、それぞれ別個
に準備されたPE膜7と、燃料電極膜61と、酸化剤電
極膜62とを、触媒層61a,62aをPE膜7の互い
に異なる主面に対向させるようにして重ね合わせ、加熱
・加圧を行って接合するようしている。このようにして
得られた燃料電池セルは図5と,図6内に示す構造・形
状を備えている。ここで図5は、図4に示した電池本体
に用いられる従来例の燃料電池セルを展開した状態で模
式的に示した要部の側面断面図である。すなわち、燃料
電池セル6は、薄い厚さを持つ矩形状をなしており、こ
れに用いられているPE膜7は、燃料電極膜61と酸化
剤電極膜62の面方向の外形寸法よりも大きい面方向の
外形寸法を持つものであり、従って、燃料電極膜61な
らびに酸化剤電極膜62の周辺部には、PE膜7の端部
との間に図5,図6中に示すようにPE膜7の露出面が
存在している。この燃料電池セル6の厚さ寸法は、多く
の場合に1〔mm〕程度あるいはそれ以下であり、ま
た、その場合の燃料電池セル6を構成しているPE膜7
の厚さ寸法は、0.1〔mm〕〜0.2〔mm〕程度で
ある。
By the way, in the fuel cell, the PE film 7, the fuel electrode film 61, and the oxidizer electrode film 62, which are separately prepared, and the catalyst layers 61a and 62a are provided on different main surfaces of the PE film 7. They are laminated so that they face each other, and heating and pressing are performed to join them. The fuel cell thus obtained has the structure and shape shown in FIG. 5 and FIG. Here, FIG. 5 is a side sectional view of a main part schematically showing the fuel cell of the conventional example used in the battery main body shown in FIG. 4 in a developed state. That is, the fuel cell 6 has a rectangular shape with a thin thickness, and the PE film 7 used for this is larger than the outer dimension of the fuel electrode film 61 and the oxidant electrode film 62 in the surface direction. Since it has an outer dimension in the plane direction, therefore, as shown in FIGS. 5 and 6, PE is formed in the periphery of the fuel electrode film 61 and the oxidizer electrode film 62 between the end of the PE film 7. The exposed surface of the membrane 7 is present. In many cases, the thickness of the fuel cell 6 is about 1 [mm] or less, and the PE film 7 constituting the fuel cell 6 in that case is 7 mm or less.
Has a thickness of about 0.1 [mm] to 0.2 [mm].

【0011】この燃料電池セル6は、図6に示した構成
を持つ単位燃料電池装置5に組み込まれ、この単位燃料
電池装置5の必要とする個数を積層して、電池本体8が
形成されるのである。ここで図6は、図5に示した燃料
電池セルを用いて構成された一般例の単位燃料電池装置
を模式的に示した要部の側面断面図である。なお、図6
中には、図5で付した符号については、代表的な符号の
みを記した。図6において、単位燃料電池装置5は、燃
料電池セル6と、この燃料電池セル6の一方の側面に配
設されて燃料ガス5aを通流させる溝51aを複数持つ
セパレータ51と、燃料電池セル6の他方の側面に配設
されて酸化剤ガス5bを通流させる溝52aを複数持つ
セパレータ52と、例えば、Oリング等のシール体53
とが備えられている。それぞれのセパレータ51,52
は、PE膜7の露出している周辺部で、シール体53を
介して燃料電池セル6を挟むようにして配設されてい
る。なお、シール体53は、セパレータ51,52の溝
51a,52a中に通流する反応ガスが、通流路外に漏
れ出るのを防止する役目を負うものであり、それぞれの
セパレータ51,52の周縁部に形成された溝51b,
52b中に嵌め込まれて装着されている。
This fuel battery cell 6 is incorporated into a unit fuel cell device 5 having the structure shown in FIG. 6, and a required number of the unit fuel cell device 5 is stacked to form a battery body 8. Of. Here, FIG. 6 is a side cross-sectional view of a main part schematically showing a unit fuel cell device of a general example configured by using the fuel battery cell shown in FIG. Note that FIG.
Among the reference numerals given in FIG. 5, only representative reference numerals are shown. In FIG. 6, the unit fuel cell device 5 includes a fuel cell 6, a separator 51 having a plurality of grooves 51a arranged on one side surface of the fuel cell 6 for allowing the fuel gas 5a to flow therethrough, and a fuel cell 6, a separator 52 having a plurality of grooves 52a for allowing the oxidant gas 5b to flow therethrough, and a seal body 53 such as an O-ring.
And are provided. Each separator 51, 52
Are arranged in the exposed peripheral portion of the PE film 7 so as to sandwich the fuel cell 6 with a seal body 53 interposed therebetween. The seal body 53 has a function of preventing the reaction gas flowing in the grooves 51a, 52a of the separators 51, 52 from leaking out of the flow passages. A groove 51b formed in the peripheral portion,
It is fitted and mounted in 52b.

【0012】燃料電池セル6に供給される反応ガスは、
その供給側を重力方向に対して上側に、その排出側を重
力方向に対して下側になるように配置されるのが一般で
ある。これは、燃料電池セル6においては、前記したよ
うに、発電時の副生物として水蒸気が生成されるが、こ
の水蒸気のために、下流側の反応ガスほど多量に水蒸気
が含有されることとなり、この結果、排出端付近の反応
ガスでは過飽和に相当する水蒸気が凝結して液体状態の
水として存在することとなる可能性が有るためである。
反応ガスの供給側を重力方向に対して上側に,反応ガス
の排出側を重力方向に対して下側になるように配置する
ことで、凝結した水は、反応ガス通流用の溝51a,5
2a中を重力により自力で流下できるので、それぞれの
単位燃料電池装置5からの凝結した水の除去が容易にな
るのである。
The reaction gas supplied to the fuel cell 6 is
Generally, the supply side is arranged above the gravity direction and the discharge side is arranged below the gravity direction. As described above, in the fuel cell 6, steam is generated as a by-product at the time of power generation, but due to this steam, a larger amount of steam is contained in the reaction gas on the downstream side, As a result, in the reaction gas near the discharge end, water vapor corresponding to supersaturation may be condensed and exist as water in a liquid state.
By arranging the supply side of the reaction gas on the upper side with respect to the gravity direction and the discharge side of the reaction gas on the lower side with respect to the gravity direction, the condensed water is allowed to flow into the reaction gas flow grooves 51a, 5a.
Since it can flow down in 2a by gravity, it is easy to remove condensed water from each unit fuel cell device 5.

【0013】ところで、燃料電池セル6で行われる前記
の(1)式,(2)式で記述した電気化学反応は、発熱
反応である。従って、燃料電池セル6で(1)式,
(2)式による電気化学反応によって発電を行う際に
は、発生される直流電力値とほぼ同等値の熱が発生する
ことも避けられないものである。このために、単位燃料
電池装置5を用いて電池本体8を構成する場合には、燃
料電池セル6から熱を除去するための、図示しない冷却
手段が組み込まれる。これにより、燃料電池セル6は、
70〔℃〕から80〔℃〕程度の温度条件で運転される
のが一般である。
By the way, the electrochemical reaction described in the above equations (1) and (2) performed in the fuel cell 6 is an exothermic reaction. Therefore, in the fuel cell 6, the formula (1),
When power is generated by the electrochemical reaction according to the equation (2), it is unavoidable that heat having a value almost equal to the value of the generated DC power is generated. For this reason, when the cell main body 8 is configured using the unit fuel cell device 5, a cooling means (not shown) for removing heat from the fuel cell 6 is incorporated. As a result, the fuel cell 6
Generally, it is operated under a temperature condition of about 70 [° C] to 80 [° C].

【0014】そうして、従来技術の燃料電池セル6の一
例を具体的に示すと、PE膜7としては、厚さ寸法が
0.17〔mm〕のナフィオン膜が用いられている。電
極膜基材61b,62bとしては、厚さ寸法が0.4
〔mm〕のカーボンペーパーが用いられている。また、
白金黒を20〔%〕担持したカーボン粉末とポリテトラ
エチレンのディスパージョン混合液を、前記の電極膜基
材61b,62bに0.025〔mm〕の均一の厚さに
付着させ、真空乾燥器によって24〔h〕乾燥を行った
後、365〔℃〕で15〔min〕の間焼成している。
これにより、電極膜基材61b,62b上に触媒層61
a,62aが形成された、燃料電極膜61および酸化剤
電極膜62を得ている。この燃料電極膜61と酸化剤電
極膜62とを、触媒層61aと触媒層62aとの側でP
E膜7を間に挟んだ挟持体を、120〔℃〕,3.5
〔MPa〕の条件で、15〔min〕の間加熱・加圧し
て両膜を接合し、燃料電池セル6を得ている。
A specific example of the conventional fuel cell 6 is shown. As the PE film 7, a Nafion film having a thickness of 0.17 mm is used. The thickness of the electrode film base materials 61b and 62b is 0.4.
[Mm] carbon paper is used. Also,
A dispersion mixture of carbon powder supporting 20% of platinum black and polytetraethylene was adhered to the electrode film base materials 61b and 62b to a uniform thickness of 0.025 mm, and the vacuum dryer was used. After being dried for 24 [h] by, it is baked at 365 [° C] for 15 [min].
As a result, the catalyst layer 61 is formed on the electrode film base materials 61b and 62b.
The fuel electrode film 61 and the oxidizer electrode film 62 having a and 62a are obtained. The fuel electrode film 61 and the oxidant electrode film 62 are formed on the side of the catalyst layer 61a and the catalyst layer 62a by P
The sandwiching body sandwiching the E film 7 between the two is 120 [° C], 3.5
Under the condition of [MPa], the fuel cell 6 is obtained by heating and pressurizing for 15 [min] to join both membranes.

【0015】[0015]

【発明が解決しようとする課題】前述した従来技術によ
る固体高分子電解質型燃料電池用の燃料電池セルを用い
て、所望の発電性能を備える固体高分子電解質型燃料電
池を得ることができているが、次記するような問題点が
残存している。すなわち、前述したように、燃料電池セ
ルで生じている電気化学反応は、酸化剤電極膜で水蒸気
が副生される反応であり、この水蒸気は主に酸化剤電極
膜から酸化剤ガス中に排出される。このために、酸化剤
ガス中の水蒸気量は、燃料電池セルの入口部で最も少な
く、燃料電池セルを通過するに従って順次増加して行
く。その際、生成水を酸化剤電極膜から酸化剤ガス中に
排出し易くするためには、酸化剤電極膜内の水蒸気圧力
値を酸化剤ガス中の水蒸気圧力値よりも高くすることが
望ましいものである。
A solid polymer electrolyte fuel cell having desired power generation performance can be obtained by using the above-described fuel cell for a solid polymer electrolyte fuel cell according to the prior art. However, the following problems remain. That is, as described above, the electrochemical reaction occurring in the fuel cell is a reaction in which water vapor is by-produced in the oxidant electrode film, and this water vapor is mainly discharged from the oxidant electrode film into the oxidant gas. To be done. Therefore, the amount of water vapor in the oxidant gas is the smallest at the inlet of the fuel cell, and gradually increases as it passes through the fuel cell. At that time, in order to easily discharge the generated water from the oxidant electrode film into the oxidant gas, it is desirable that the water vapor pressure value in the oxidant electrode film be higher than the water vapor pressure value in the oxidant gas. Is.

【0016】酸化剤電極膜の温度が均一であるとする
と、上記した理由により、燃料電池セルからの出口部近
傍では、酸化剤ガス中の水蒸気量が多くなるために、酸
化剤ガスの水蒸気圧力値は高くなる。このために、出口
部近傍の酸化剤電極膜からの生成水の排出が困難とな
る。さらに、酸化剤ガス中の水蒸気圧力値が飽和水蒸気
圧に到達してまった場合(前記の理由により、出口部近
傍において発生する確率が高い。)には、酸化剤電極膜
からの生成水の排出が停止状態となるために、反応によ
って生成された水蒸気が凝縮して液状となった生成水
が、酸化剤電極膜内に多量に滞留されることになる。酸
化剤電極膜内に生成水が多量に滞留されると、触媒層内
の細孔が生成水によって充満されてしまうとか、電極膜
基材に形成されている空隙の少なくとも一部が生成水に
よって充満されてしまう事態となる。こうなると、酸化
剤電極膜内での酸化剤ガスの拡散が阻害されることにな
り、前述した燃料電池セルにおける反応が低下し、燃料
電池セルの発電性能の低下を招くことに到る。
If the temperature of the oxidant electrode film is uniform, for the above reason, the amount of water vapor in the oxidant gas increases in the vicinity of the outlet from the fuel cell unit. The value will be higher. For this reason, it becomes difficult to discharge the generated water from the oxidizer electrode film near the outlet. Furthermore, when the water vapor pressure value in the oxidant gas reaches the saturated water vapor pressure (for the above reason, the probability of occurrence in the vicinity of the outlet is high), the water generated from the oxidant electrode film is generated. Since the discharge is stopped, the water produced by the reaction is condensed and liquefied, and a large amount of the produced water is retained in the oxidant electrode film. When a large amount of generated water is retained in the oxidant electrode film, the pores in the catalyst layer are filled with the generated water, or at least a part of the voids formed in the electrode membrane substrate is generated by the generated water. It will be filled up. In this case, the diffusion of the oxidant gas in the oxidant electrode film is hindered, the reaction in the fuel battery cell is reduced, and the power generation performance of the fuel battery cell is reduced.

【0017】酸化剤電極膜内に生成水が多量に滞留され
るのを防止する策として、燃料電池セルに供給する酸化
剤ガスに含ませる水蒸気量を減らすことが考えられる
が、この場合には、含ませる水蒸気量を減らし過ぎるこ
とによってPE膜が乾燥してしまうと、PE膜の抵抗率
が増大することによって燃料電池の出力特性の低下を招
く恐れが生じるので、酸化剤ガスの加湿度の調整・管理
が大変困難になるという新たな問題が発生する。
As a measure for preventing a large amount of generated water from accumulating in the oxidant electrode film, it is conceivable to reduce the amount of water vapor contained in the oxidant gas supplied to the fuel cell, but in this case, , If the PE film is dried by reducing the amount of water vapor contained too much, the resistivity of the PE film may increase, which may lead to deterioration of the output characteristics of the fuel cell. There is a new problem that coordination and management become very difficult.

【0018】この発明は、前述の従来技術の問題点に鑑
みなされたものであり、その目的は、酸化剤電極膜内に
過度の生成水の滞留が発生することの無い、固体高分子
電解質型燃料電池用の燃料電池セルを提供することにあ
る。
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and an object thereof is a solid polymer electrolyte type which does not cause excessive retention of generated water in the oxidizer electrode film. It is to provide a fuel cell for a fuel cell.

【0019】[0019]

【課題を解決するための手段】この発明では前述の目的
は、 1)燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて直流電力
を発生する燃料電池セルであって、シート状の固体高分
子電解質膜と,この固体高分子電解質膜の両主面のそれ
ぞれに接合されるシート状の燃料電極膜およびシート状
の酸化剤電極膜とを備え、それぞれの燃料電極膜および
酸化剤電極膜は、燃料ガスまたは酸化剤ガスを触媒層に
供給する経路を提供すると共に集電体としての機能を有
する多孔質でシート状の電極膜基材と、電極膜基材の一
方の側面側のほぼ全面に平面的に担持された触媒層とを
有し、それぞれの触媒層側で固体高分子電解質膜の両主
面のそれぞれに密着され、反触媒層側である他方の側面
側には燃料ガスおよび酸化剤ガスがそれぞれ通流される
ものである固体高分子電解質型燃料電池用の燃料電池セ
ルにおいて、少なくとも酸化剤電極膜が有する触媒層
は、触媒層の持つ触媒の担持量が、触媒層の平方向の場
所により異なる構成とすること、または、 2)前記1項に記載の手段において、触媒層の持つ触媒
の担持量は、通流される酸化剤ガスの出口の近傍に在る
触媒層において、酸化剤ガスの入口の近傍に在る触媒層
よりも多い構成とすること、により達成される。
Means for Solving the Problems The above-mentioned objects of the present invention are as follows: 1) A fuel cell for receiving a supply of a fuel gas and an oxidant gas to generate DC power, which is a sheet-like solid polymer electrolyte membrane And a sheet-shaped fuel electrode film and a sheet-shaped oxidant electrode film, which are joined to both main surfaces of the solid polymer electrolyte membrane, respectively. Alternatively, a porous sheet-like electrode film base material that provides a path for supplying an oxidant gas to the catalyst layer and also has a function as a current collector, and a planar surface on almost one side surface of the electrode film base material. And a catalyst layer supported on the catalyst layer, the catalyst layer side being in close contact with both main surfaces of the solid polymer electrolyte membrane, and the other side surface that is the side opposite to the catalyst layer is fuel gas and oxidant gas. Is the one that flows through each In a fuel cell for a polymer electrolyte fuel cell, at least the catalyst layer of the oxidizer electrode film, the amount of the catalyst carried by the catalyst layer, the structure is different depending on the location of the catalyst layer in the horizontal direction, or, 2) In the means described in the above item 1, the amount of catalyst carried by the catalyst layer is such that, in the catalyst layer near the outlet of the flowing oxidant gas, the catalyst layer near the inlet of the oxidant gas. It is achieved by using more configurations.

【0020】[0020]

【作用】前記の(1)式,(2)式に示した電気化学反
応は、前述したように触媒が係わって行われる反応であ
るから、この電気化学反応の際に発生される熱量は、燃
料電池セルの触媒の担持量に対応して発生されるもので
ある。この発明は、この点に着目して行われたものであ
る。
Since the electrochemical reaction represented by the above equations (1) and (2) is a reaction that is performed by the catalyst as described above, the amount of heat generated during this electrochemical reaction is It is generated in correspondence with the amount of the catalyst carried in the fuel cell unit. The present invention has been made with this point in mind.

【0021】すなわち、この発明においては、固体高分
子電解質型燃料電池用の燃料電池セルにおいて、少なく
とも酸化剤電極膜が有する触媒層は、触媒層の持つ触媒
の担持量が、例えば、通流される酸化剤ガスの出口の近
傍に在る触媒層が持つ触媒の担持量を、酸化剤ガスの入
口の近傍に在る触媒層が持つ触媒の担持量よりも多くす
る等、触媒層の面方向の場所により異なる構成とするこ
とにより、少なくとも酸化剤電極膜では、触媒の担持量
の関係で、反応ガスの入口の近傍に対して、反応ガスの
出口の近傍における発熱量が増大されることになる。
That is, according to the present invention, in the fuel cell for a solid polymer electrolyte fuel cell, at least the catalyst layer of the oxidizer electrode film is passed through by the amount of the catalyst carried by the catalyst layer. The catalyst layer in the vicinity of the outlet of the oxidant gas has a larger amount of catalyst supported than the catalyst layer in the vicinity of the inlet of the oxidant gas. By adopting a different structure depending on the location, at least in the oxidizer electrode film, the amount of heat generated in the vicinity of the reaction gas outlet is increased compared to the vicinity of the reaction gas inlet in relation to the amount of catalyst supported. .

【0022】これにより、酸化剤ガスの出口部付近にお
ける酸化剤電極膜の運転時温度を、酸化剤ガスの入口部
付近の酸化剤電極膜の運転時温度と比較して、出口部近
傍の酸化剤電極膜からの生成水の排出が容易となるレベ
ルに高くなし得ることで、酸化剤ガスの出口側近傍の酸
化剤電極膜から酸化剤ガスへの生成水の排出能が向上さ
れることになる。
Thus, the operating temperature of the oxidant electrode film near the outlet of the oxidant gas is compared with the operating temperature of the oxidizer electrode film near the inlet of the oxidant gas, and the oxidant near the outlet is oxidized. Since the generated water from the agent electrode film can be easily discharged to a high level, the ability to discharge the generated water from the oxidant electrode film near the oxidant gas outlet side to the oxidant gas is improved. Become.

【0023】また、反応ガス,例えば,酸化剤ガス中の
酸素は、燃料電池セルにおける電気化学反応によって消
費されるために、酸化剤ガス中の酸素濃度は、入口部近
傍の酸化剤ガスに対して出口部近傍の酸化剤ガスでは低
下するものである。前記の構成を備えるこの発明の燃料
電池セルが持つ少なくとも酸化剤電極膜では、反応ガス
の出口の近傍における電気化学反応の反応能が増大され
るために、例えば酸素濃度が低下した出口部近傍の反応
ガスであっても、入口部近傍における電気化学反応度と
ほぼ同様の電気化学反応度を維持できて、燃料電池セル
面の反応ガス通流方向における電気化学反応度をほぼ均
一にできることになる。
Further, since the reaction gas, for example, oxygen in the oxidant gas is consumed by the electrochemical reaction in the fuel cell, the oxygen concentration in the oxidant gas is different from that of the oxidant gas near the inlet. The oxidant gas in the vicinity of the outlet decreases. In at least the oxidant electrode film of the fuel cell of the present invention having the above-described structure, since the reactivity of the electrochemical reaction in the vicinity of the outlet of the reaction gas is increased, for example, in the vicinity of the outlet where the oxygen concentration is lowered Even with the reaction gas, it is possible to maintain an electrochemical reactivity similar to that in the vicinity of the inlet portion, and it is possible to make the electrochemical reactivity in the reaction gas flow direction of the fuel cell cell surface substantially uniform. .

【0024】[0024]

【実施例】以下この発明の実施例を図面を参照して詳細
に説明する。図2は、この発明の一実施例による固体高
分子電解質型燃料電池用の燃料電池セルを展開した状態
で模式的に示した要部の側面断面図である。(後記する
異なる実施例等と区別する場合には、実施例というこ
とがある。)図2において、図5に示した従来例による
固体高分子電解質型燃料電池用の燃料電池セルと同一部
分には同じ符号を付し、その説明を省略する。
Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. FIG. 2 is a side cross-sectional view of a main part schematically showing a developed state of a fuel cell for a solid polymer electrolyte fuel cell according to an embodiment of the present invention. (In some cases, it is referred to as an embodiment when distinguished from the different embodiments described later.) In FIG. 2, the same portion as the fuel cell for the solid polymer electrolyte fuel cell according to the conventional example shown in FIG. Are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.

【0025】図2において、2は、図5に示した従来例
による燃料電池セル6に対して、酸化剤電極膜62に替
えて、酸化剤電極(カソード)膜12を用いるようにし
た燃料電池セルである。酸化剤電極膜12は、図5中に
示した従来例の燃料電池セル6が持つ酸化剤電極膜62
に対して、触媒層62aに替えて触媒層121を、電極
膜基材62bに替えて電極膜基材122を用いるように
している。
In FIG. 2, reference numeral 2 denotes a fuel cell in which the oxidant electrode (cathode) film 12 is used in place of the oxidant electrode film 62 in the conventional fuel cell 6 shown in FIG. It is a cell. The oxidant electrode film 12 is the oxidant electrode film 62 included in the fuel cell 6 of the conventional example shown in FIG.
On the other hand, the catalyst layer 121 is used in place of the catalyst layer 62a, and the electrode film base material 122 is used in place of the electrode film base material 62b.

【0026】電極膜基材122は、電極膜基材62bと
同様に、多孔質の電極膜基材として厚さ寸法が0.4
〔mm〕のカーボンペーパーが用いられているが、図2
中に示したように、酸化剤ガス5bが通流される方向に
沿って、電極膜基材122a,122bにそれぞれ2分
割されている。そうして、反応ガスの上流側の電極膜基
材122aには、従来例の場合と同一内容のディスパー
ジョン混合液を、0.02〔mm〕の均一の厚さに付着
させ、真空乾燥器によって24〔h〕乾燥を行った後、
365〔℃〕で15〔min〕の間焼成して、触媒層1
21aを形成している。
The electrode film base material 122 is a porous electrode film base material having a thickness of 0.4 as in the electrode film base material 62b.
Although the carbon paper of [mm] is used, FIG.
As shown therein, the electrode film base materials 122a and 122b are each divided into two along the direction in which the oxidant gas 5b flows. Then, the dispersion liquid mixture having the same content as in the conventional example is attached to the electrode film base material 122a on the upstream side of the reaction gas in a uniform thickness of 0.02 mm, and the vacuum dryer is used. After 24 [h] drying by
The catalyst layer 1 was calcined at 365 [° C] for 15 [min],
21a is formed.

【0027】また、反応ガスの下流側の電極膜基材12
2bには、従来例の場合と同一内容のディスパージョン
混合液を、0.03〔mm〕の均一の厚さに付着させ、
真空乾燥器によって24〔h〕乾燥を行った後、365
〔℃〕で15〔min〕の間焼成して、触媒層121b
を形成している。そうして、触媒層121aと触媒層1
21bとで触媒層121を形成している。
Further, the electrode film substrate 12 on the downstream side of the reaction gas
On 2b, a dispersion liquid mixture having the same content as that of the conventional example is attached to a uniform thickness of 0.03 [mm],
After performing 24 [h] drying with a vacuum dryer, 365
The catalyst layer 121b is baked at [° C] for 15 [min].
Is formed. Then, the catalyst layer 121a and the catalyst layer 1
21b and the catalyst layer 121.

【0028】これ等の、燃料電極膜61および酸化剤電
極膜12とを、触媒層61aと触媒層121との側でP
E膜7を間に挟んだ挟持体を、120〔℃〕,3.5
〔MPa〕の条件で、15〔min〕の間加熱・加圧し
て両膜を接合し、燃料電池セル2を得ている。図2に示
す実施例では前述の構成としたので、酸化剤電極膜12
では、触媒の担持量の関係で、酸化剤ガス5bの入口の
近傍に対して、酸化剤ガス5bの出口の近傍における発
熱量が増大されることになる。このため、酸化剤ガス5
bの出口部近傍における酸化剤電極膜12の運転時温度
を、酸化剤ガス5bの入口部近傍の酸化剤電極膜12の
運転時温度と比較して、出口部近傍の酸化剤電極膜12
からの生成水の排出が容易となるレベルに積極的に高く
なし得る。これにより、酸化剤ガス5bの出口部近傍の
酸化剤電極膜12から酸化剤ガス5bへの生成水の排出
能が向上されることになる。また、酸化剤ガス5bの出
口の近傍における電気化学反応の反応能が増大されるた
めに、酸素濃度が低下した出口部近傍の酸化剤ガス5b
であっても、入口部近傍における電気化学反応度とほぼ
同様の電気化学反応度を維持できる。このため、燃料電
池セル2の表面の酸化剤ガス5b通流方向における電気
化学反応度の均一度を改善できることになる。
These fuel electrode film 61 and oxidant electrode film 12 are P-sided on the side of the catalyst layer 61a and the catalyst layer 121.
The sandwiching body sandwiching the E film 7 between the two is 120 [° C], 3.5
Under the condition of [MPa], heating and pressurization are performed for 15 [min] to bond the both membranes to obtain the fuel cell unit 2. In the embodiment shown in FIG. 2, the oxidant electrode film 12 has the above-mentioned structure.
Then, due to the amount of the catalyst carried, the amount of heat generated in the vicinity of the outlet of the oxidant gas 5b is increased with respect to the vicinity of the inlet of the oxidant gas 5b. Therefore, the oxidizing gas 5
The operating temperature of the oxidant electrode film 12 in the vicinity of the outlet of b is compared with the operating temperature of the oxidant electrode film 12 in the vicinity of the inlet of the oxidant gas 5b, and the oxidant electrode film 12 in the vicinity of the outlet is compared.
It can be actively raised to a level that facilitates the discharge of the produced water from. As a result, the ability to discharge the generated water from the oxidant electrode film 12 near the outlet of the oxidant gas 5b to the oxidant gas 5b is improved. Further, since the reactivity of the electrochemical reaction near the outlet of the oxidizing gas 5b is increased, the oxidizing gas 5b near the outlet where the oxygen concentration is lowered
Even in this case, it is possible to maintain an electrochemical reactivity similar to that in the vicinity of the inlet. Therefore, the uniformity of the electrochemical reactivity in the flowing direction of the oxidant gas 5b on the surface of the fuel cell 2 can be improved.

【0029】図1は、この発明の異なる実施例による固
体高分子電解質型燃料電池用の燃料電池セルを展開した
状態で模式的に示した要部の側面断面図である。(他の
実施例と区別する場合には、実施例ということがあ
る。)図1において、図2に示したこの発明の一実施例
による固体高分子電解質型燃料電池用の燃料電池セル、
図5に示した従来例による固体高分子電解質型燃料電池
用の燃料電池セルと同一部分には同じ符号を付し、その
説明を省略する。
FIG. 1 is a side sectional view of the essential part schematically showing a fuel cell for a solid polymer electrolyte fuel cell according to another embodiment of the present invention in a developed state. (It may be referred to as an embodiment when distinguished from other embodiments.) In FIG. 1, a fuel cell for a solid polymer electrolyte fuel cell according to one embodiment of the present invention shown in FIG. 2,
The same parts as those of the fuel cell for a solid polymer electrolyte fuel cell according to the conventional example shown in FIG. 5 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.

【0030】図1において、1は、図2に示したこの発
明の一実施例による燃料電池セル2に対して、燃料電極
膜61に替えて、燃料電極(アノード)膜11を用いる
ようにした燃料電池セルである。燃料電極膜11は、図
2,図5中に示した燃料電極膜61に対して、触媒層6
1aに替えて触媒層111を、電極膜基材61bに替え
て電極膜基材112を用いるようにしている。
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a fuel electrode (anode) film 11 in place of the fuel electrode film 61 in the fuel cell 2 according to the embodiment of the present invention shown in FIG. It is a fuel cell. The fuel electrode film 11 is different from the fuel electrode film 61 shown in FIGS.
The catalyst layer 111 is used in place of 1a, and the electrode film base 112 is used in place of the electrode film base 61b.

【0031】電極膜基材112は、電極膜基材61bと
同様に、多孔質の電極膜基材として厚さ寸法が0.4
〔mm〕のカーボンペーパーが用いられているが、図1
中に示したように、燃料ガス5aが通流される方向に沿
って、電極膜基材112a,112bに2分割されてい
る。そうして、反応ガスの上流側の電極膜基材112a
には、従来例の場合と同一内容のディスパージョン混合
液を、0.02〔mm〕の均一の厚さに付着させ、真空
乾燥器によって24〔h〕乾燥を行った後、365
〔℃〕で15〔min〕の間焼成して、触媒層111a
を形成している。
The electrode film base material 112 has a thickness of 0.4 as a porous electrode film base material, like the electrode film base material 61b.
Although carbon paper of [mm] is used, FIG.
As shown therein, the electrode film base materials 112a and 112b are divided into two along the direction in which the fuel gas 5a flows. Then, the electrode film substrate 112a on the upstream side of the reaction gas
The dispersion mixture having the same content as in the case of the conventional example is attached to a uniform thickness of 0.02 [mm], dried by a vacuum dryer for 24 [h], and then subjected to 365
The catalyst layer 111a is fired at [° C.] for 15 [min].
Is formed.

【0032】また、反応ガスの下流側のの電極膜基材1
12bには、従来例の場合と同一内容のディスパージョ
ン混合液を、0.03〔mm〕の均一の厚さに付着さ
せ、真空乾燥器によって24〔h〕乾燥を行った後、3
65〔℃〕で15〔min〕の間焼成して、触媒層11
1bを形成している。そうして、触媒層111aと触媒
層111bとで触媒層111を形成している。
Further, the electrode film substrate 1 on the downstream side of the reaction gas
On 12b, a dispersion liquid mixture having the same content as in the case of the conventional example is attached to a uniform thickness of 0.03 [mm], and dried for 24 [h] by a vacuum dryer, and then 3
The catalyst layer 11 is calcined at 65 [° C.] for 15 [min].
1b is formed. Thus, the catalyst layer 111a and the catalyst layer 111b form the catalyst layer 111.

【0033】これ等の、燃料電極膜11および酸化剤電
極膜12とを、触媒層111と触媒層121との側でP
E膜7を間に挟んだ挟持体を、120〔℃〕,3.5
〔MPa〕の条件で、15〔min〕の間加熱・加圧し
て両膜を接合し、燃料電池セル1を得ている。図1に示
す実施例では前述の構成としたので、図2に示した実施
例における構成に加えて、燃料電極膜11でも、触媒の
担持量の関係で、燃料ガス5aの入口の近傍に対して、
燃料ガス5aの出口の近傍における発熱量が増大される
ことになる。燃料電極膜11と酸化剤電極膜12とが共
に、反応ガスの出口部近傍における発熱量が、反応ガス
の入口部近傍における発熱量よりも増大されることによ
り、酸化剤ガス5bの出口部近傍における酸化剤電極膜
12の運転時温度の、酸化剤ガス5bの入口部近傍の酸
化剤電極膜の運転時温度に対する温度差を、図2に示し
た実施例の場合よりも高くすることが可能となる。これ
により、出口部近傍の酸化剤電極膜12から酸化剤ガス
5bへの生成水の排出能が一層向上されることになる。
また、酸化剤ガス5bに対する場合に加えて、燃料ガス
5aの出口の近傍における電気化学反応の反応能も増大
されるために、水素濃度が低下した出口側付近の燃料ガ
ス5aであっても、入口側付近における電気化学反応度
とほぼ同様の電気化学反応度を維持できる。このため、
燃料電池セル2の両表面の反応ガス通流方向における電
気化学反応度をほぼ均一にできることになる。
These fuel electrode film 11 and oxidant electrode film 12 are P-sided on the catalyst layer 111 and catalyst layer 121 side.
The sandwiching body sandwiching the E film 7 between the two is 120 [° C], 3.5
Under the condition of [MPa], the fuel cell 1 is obtained by heating and pressurizing for 15 [min] to bond both membranes. Since the embodiment shown in FIG. 1 has the above-mentioned configuration, in addition to the configuration in the embodiment shown in FIG. 2, the fuel electrode film 11 is also different from the vicinity of the inlet of the fuel gas 5a due to the amount of catalyst supported. hand,
The calorific value near the outlet of the fuel gas 5a is increased. In both the fuel electrode film 11 and the oxidant electrode film 12, the amount of heat generated near the outlet of the reaction gas is larger than the amount of heat generated near the inlet of the reaction gas. The temperature difference between the operating temperature of the oxidant electrode film 12 and the operating temperature of the oxidant electrode film in the vicinity of the inlet of the oxidant gas 5b can be made higher than in the embodiment shown in FIG. Becomes As a result, the ability to discharge the generated water from the oxidant electrode film 12 near the outlet to the oxidant gas 5b is further improved.
Further, in addition to the case of the oxidant gas 5b, the reactivity of the electrochemical reaction in the vicinity of the outlet of the fuel gas 5a is also increased, so that even the fuel gas 5a near the outlet side where the hydrogen concentration has decreased, It is possible to maintain an electrochemical reactivity that is almost the same as the electrochemical reactivity near the inlet side. For this reason,
The electrochemical reactivity in both directions of the reaction gas flow on both surfaces of the fuel cell 2 can be made substantially uniform.

【0034】図3は、この発明のさらに異なる実施例に
よる固体高分子電解質型燃料電池用の燃料電池セルを展
開した状態で模式的に示した要部の側面断面図である。
(他の実施例と区別する場合には、実施例ということ
がある。)図3において、図5に示した従来例による燃
料電池セルと同一部分には同じ符号を付し、その説明を
省略する。
FIG. 3 is a side sectional view of the essential part schematically showing the fuel cell for a solid polymer electrolyte fuel cell according to another embodiment of the present invention in a developed state.
(In the case of distinguishing from other embodiments, it may be referred to as an embodiment.) In FIG. 3, the same parts as those of the fuel cell according to the conventional example shown in FIG. To do.

【0035】図3において、3は、図5に示した従来例
による燃料電池セル6に対して、燃料電極膜61および
酸化剤電極膜62に替えて、それぞれ、燃料電極(アノ
ード)膜31および酸化剤電極(カソード)膜32を用
いるようにした燃料電池セルである。燃料電極膜31
は、図5中に示した従来例の燃料電池セル6が持つ燃料
電極膜61に対して、触媒層61aに替えて触媒層31
1を、電極膜基材61bに替えて電極膜基材312を用
いるようにしている。また、酸化剤電極膜32は、図5
中に示した従来例の燃料電池セル6が持つ酸化剤電極膜
62に対して、触媒層62aに替えて触媒層321を、
電極膜基材62bに替えて電極膜基材322を用いるよ
うにしている。
In FIG. 3, 3 is a fuel electrode (anode) film 31 and an oxidizer electrode film 62 in place of the fuel cell 6 according to the conventional example shown in FIG. 5, respectively. This is a fuel cell in which an oxidant electrode (cathode) film 32 is used. Fuel electrode film 31
In contrast to the fuel electrode film 61 of the fuel cell 6 of the conventional example shown in FIG. 5, the catalyst layer 31a is used instead of the catalyst layer 61a.
1 is replaced with the electrode film base material 61b, and the electrode film base material 312 is used. The oxidant electrode film 32 is shown in FIG.
With respect to the oxidant electrode film 62 of the fuel cell 6 of the conventional example shown therein, a catalyst layer 321 is used instead of the catalyst layer 62a.
The electrode film base material 322 is used instead of the electrode film base material 62b.

【0036】それぞれの電極膜基材312,322は、
電極膜基材61b,62bと同様に、多孔質の電極膜基
材として厚さ寸法が0.4〔mm〕のカーボンペーパー
が用いられているが、図3中に示したように、燃料ガス
5aおよび酸化剤ガス5bが通流される方向に沿って、
電極膜基材312a,312b,312c、および、電
極膜基材322a,322b,322c、にそれぞれ3
分割されている。そうして、反応ガスの上流側のそれぞ
れの電極膜基材312a,322aには、従来例の場合
と同一内容のディスパージョン混合液を、0.02〔m
m〕の均一の厚さに付着させ、真空乾燥器によって24
〔h〕乾燥を行った後、365〔℃〕で15〔min〕
の間焼成して、触媒層311a,321aを形成してい
る。
The respective electrode film base materials 312 and 322 are
Similar to the electrode film base materials 61b and 62b, carbon paper having a thickness of 0.4 [mm] is used as the porous electrode film base material. As shown in FIG. 5a and the oxidant gas 5b flow along the direction,
3 for the electrode film base materials 312a, 312b, 312c and 3 for the electrode film base materials 322a, 322b, 322c, respectively.
Has been split. Then, a dispersion mixed solution having the same content as that in the case of the conventional example is applied to each of the electrode film base materials 312a and 322a on the upstream side of the reaction gas by 0.02 [m].
m] to a uniform thickness, and a vacuum dryer 24
[H] After drying, at 365 [° C.], 15 [min]
During this period, the catalyst layers 311a and 321a are formed by firing.

【0037】また、反応ガスの中流域のそれぞれの電極
膜基材312b,322bには、従来例の場合と同一内
容のディスパージョン混合液を、0.025〔mm〕の
均一の厚さに付着させ、真空乾燥器によって24〔h〕
乾燥を行った後、365〔℃〕で15〔min〕の間焼
成して、触媒層311b,321bを形成している。さ
らに、反応ガスの下流側のそれぞれの電極膜基材312
c,322cには、従来例の場合と同一内容のディスパ
ージョン混合液を、0.03〔mm〕の均一の厚さに付
着させ、真空乾燥器によって24〔h〕乾燥を行った
後、365〔℃〕で15〔min〕の間焼成して、触媒
層311c,321cを形成している。そうして、触媒
層311a,触媒層311b,触媒層311cとで触媒
層311を形成し、触媒層321a,触媒層321b,
触媒層321cとで触媒層321を形成している。
Further, a dispersion mixed solution having the same content as that of the conventional example is adhered to each of the electrode film base materials 312b and 322b in the midstream region of the reaction gas in a uniform thickness of 0.025 [mm]. And 24 [h] with a vacuum dryer.
After drying, it is baked at 365 [° C.] for 15 [min] to form catalyst layers 311b and 321b. Further, each electrode film substrate 312 on the downstream side of the reaction gas
Dispersion mixed solution having the same content as in the conventional example is applied to c and 322c to a uniform thickness of 0.03 [mm], and dried for 24 [h] by a vacuum dryer, and then subjected to 365 The catalyst layers 311c and 321c are formed by firing at [° C.] for 15 [min]. Then, the catalyst layer 311 is formed by the catalyst layer 311a, the catalyst layer 311b, and the catalyst layer 311c, and the catalyst layer 321a, the catalyst layer 321b,
The catalyst layer 321c is formed with the catalyst layer 321c.

【0038】これ等の燃料電極膜31および酸化剤電極
膜32とを、触媒層311と触媒層321との側でPE
膜7を間に挟んだ挟持体を、120〔℃〕,3.5〔M
Pa〕の条件で、15〔min〕の間加熱・加圧して両
膜を接合し、燃料電池セル3を得ている。図3に示す実
施例では前述の構成としたので、図1に示した実施例に
おける構成の場合と比較して、両電極膜(燃料電極膜3
1等と酸化剤電極膜32等とを総称する場合には、この
ように言うことがある。)の触媒の担持量の関係で、反
応ガスの入口部近傍から反応ガスの出口部近傍に到る間
の発熱量の増大度が均等化されることになる。このた
め、酸化剤電極膜32の運転時温度の,酸化剤ガス5b
の入口部近傍から酸化剤ガス5bの出口部近傍に到る間
の変化を、しだいに高くするようにすることが可能とな
る。これにより、酸化剤電極膜12から酸化剤ガス5b
への生成水の排出能を、出口部近傍を含み,酸化剤電極
膜32のほぼ全面にわたって向上させることが可能にな
る。また、燃料電池セル2の両表面の反応ガス通流方向
における電気化学反応度を一層均一化することが可能と
なる。
These fuel electrode film 31 and oxidant electrode film 32 are PE on the side of the catalyst layer 311 and the catalyst layer 321.
The sandwiching body sandwiching the membrane 7 between the two is 120 [° C], 3.5 [M
Under the condition of [Pa], the both membranes are joined by heating and pressurizing for 15 [min] to obtain the fuel cell 3. Since the embodiment shown in FIG. 3 has the above-mentioned configuration, compared with the case of the configuration in the embodiment shown in FIG. 1, both electrode films (fuel electrode film 3
The term "1" and the like, and the oxidant electrode film 32, etc. may be collectively referred to as this. In view of the amount of the catalyst supported in (1), the degree of increase in the amount of heat generated from the vicinity of the reaction gas inlet to the vicinity of the reaction gas outlet is equalized. Therefore, the oxidant gas 5b at the operating temperature of the oxidant electrode film 32 is
It is possible to gradually increase the change from the vicinity of the inlet portion of the above to the vicinity of the outlet portion of the oxidant gas 5b. As a result, the oxidant gas 5b is discharged from the oxidant electrode film 12
It is possible to improve the discharge capability of the generated water to almost the entire surface of the oxidizer electrode film 32 including the vicinity of the outlet. Further, it becomes possible to further homogenize the electrochemical reactivity on both surfaces of the fuel cell 2 in the reaction gas flow direction.

【0039】この実施例の項で今まで説明してきた実施
例〜による燃料電池セル、および従来例の燃料電池
セルを用いた単位燃料電池装置のそれぞれについて、燃
料電極膜および酸化剤電極膜が持つ温度分布の実測例を
まとめて「表1」中に示す。なお、「表1」において、
安定性の評価は、それぞれの単位燃料電池装置を24時
間連続して運転し、それぞれの単位燃料電池装置が出力
する電圧値の低下度が2〔%〕未満であったものは○と
し、2〔%〕以上であったものは△としている。
The fuel electrode film and the oxidant electrode film of each of the unit fuel cell devices using the fuel cells according to the examples to those described above in the section of this example and the fuel cells of the conventional example have An example of the measured temperature distribution is summarized in "Table 1". In addition, in "Table 1",
For the stability evaluation, each unit fuel cell device was operated continuously for 24 hours, and the degree of decrease in the voltage value output by each unit fuel cell device was less than 2 [%], the result was ○. Those that were more than [%] are marked as △.

【0040】[0040]

【表1】 [Table 1]

【0041】「表1」において、反応ガスの入口部の温
度(「表1」中のa,b)と反応ガスの出口部の温
度(「表1」中のa,b)との温度差に着目する
と、従来例での温度差が僅か約3〔℃〕であるのに対し
て、この発明による実施例〜の場合では、6〜7
〔℃〕程度の温度差が得られている。またこれにより、
反応ガスの出口部近傍を含む酸化剤電極膜12,32中
には、生成水が多量に滞留されることは解消されること
で、生成水が多量に滞留されることが主原因となって発
生する出力電圧値の低下度が減少されていることが確認
できる。
In Table 1, the temperature difference between the temperature at the inlet of the reaction gas (a and b in Table 1) and the temperature at the outlet of the reaction gas (a and b in Table 1). Focusing on, the temperature difference in the conventional example is only about 3 [° C.], while in the cases of the examples according to the present invention,
A temperature difference of about [° C] is obtained. This also allows
The fact that a large amount of generated water is retained in the oxidizer electrode films 12 and 32 including the vicinity of the outlet of the reaction gas is eliminated, and the main reason is that a large amount of generated water is retained. It can be confirmed that the degree of decrease in the generated output voltage value is reduced.

【0042】実施例における今までの説明では、燃料電
池セル1〜3が備える電極膜基材112,122,31
2,322は、反応ガスの通流する方向に複数に分割さ
れるとしてきたが、これに限定されるものではなく、例
えば、燃料電池セル1〜3が備える燃料電極膜,酸化剤
電極膜用の電極膜基材は一体のものであってもよく、電
極膜基材上に形成される触媒層は、この一体の電極膜基
材に反応ガスの通流する方向に厚さを変えて形成されて
もよいものである。
In the above description of the examples, the electrode film base materials 112, 122, 31 included in the fuel cells 1 to 3 are provided.
2, 322 are said to be divided into a plurality in the direction in which the reaction gas flows, but the present invention is not limited to this, and for example, for fuel electrode films and oxidant electrode films provided in the fuel cells 1 to 3. The electrode film base material may be integrated, and the catalyst layer formed on the electrode film base material is formed by changing the thickness in the direction in which the reaction gas flows through the integrated electrode film base material. It may be done.

【0043】[0043]

【発明の効果】この発明においては、固体高分子電解質
型燃料電池用の燃料電池セルを前述の構成とすることに
より、反応ガスの入口部と出口部との間の温度差に着目
すると、表1中に示したように、従来例の場合に対して
2倍以上の温度差を得ることが可能となる。これによ
り、少なくとも酸化剤電極膜中に生成水が多量に滞留さ
れて,酸化剤電極膜内で酸化剤ガスの拡散が阻害される
ことが解消されるので、燃料電池セルの出力電圧値の低
下度が減少されるとの効果を奏する。
According to the present invention, when the fuel cell for a solid polymer electrolyte fuel cell is constructed as described above, the temperature difference between the inlet and outlet of the reaction gas is As shown in No. 1, it is possible to obtain a temperature difference that is more than double that of the conventional example. As a result, a large amount of generated water is retained in at least the oxidant electrode film and the diffusion of the oxidant gas in the oxidant electrode film is prevented from being hindered, so that the output voltage value of the fuel cell unit is reduced. The effect is that the degree is reduced.

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

【図1】この発明の異なる実施例による固体高分子電解
質型燃料電池用の燃料電池セルを展開した状態で模式的
に示した要部の側面断面図
FIG. 1 is a side sectional view of a main part schematically showing a fuel cell for a solid polymer electrolyte fuel cell according to a different embodiment of the present invention in a developed state.

【図2】この発明の一実施例による固体高分子電解質型
燃料電池用の燃料電池セルを展開した状態で模式的に示
した要部の側面断面図
FIG. 2 is a side sectional view of a main part schematically showing a fuel cell for a solid polymer electrolyte fuel cell according to an embodiment of the present invention in a developed state.

【図3】この発明のさらに異なる実施例による固体高分
子電解質型燃料電池用の燃料電池セルを展開した状態で
模式的に示した要部の側面断面図
FIG. 3 is a side sectional view of a main part schematically showing a fuel cell for a solid polymer electrolyte fuel cell according to another embodiment of the present invention in a developed state.

【図4】一般例の固体高分子電解質型燃料電池を示すそ
の概念図
FIG. 4 is a conceptual diagram showing a solid polymer electrolyte fuel cell of a general example.

【図5】従来例の固体高分子電解質型燃料電池用の燃料
電池セルを展開した状態で模式的に示した要部の側面断
面図
FIG. 5 is a side sectional view of a main part schematically showing a fuel cell for a solid polymer electrolyte fuel cell of a conventional example in a developed state.

【図6】図5に示した燃料電池セルを用いて構成された
一般例の単位燃料電池装置を模式的に示した要部の側面
断面図
6 is a side cross-sectional view of a main part schematically showing a unit fuel cell device of a general example configured by using the fuel battery cell shown in FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 燃料電池セル 11 燃料電極膜 111 触媒層 112 電極膜基材 12 酸化剤電極膜 121 触媒層 122 電極膜基材 5a 燃料ガス 5b 酸化剤ガス DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell 11 Fuel electrode film 111 Catalyst layer 112 Electrode film base material 12 Oxidizing electrode film 121 Catalyst layer 122 Electrode film base material 5a Fuel gas 5b Oxidizing gas

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて
直流電力を発生する燃料電池セルであって、シート状の
固体高分子電解質膜と,この固体高分子電解質膜の両主
面のそれぞれに接合されるシート状の燃料電極膜および
シート状の酸化剤電極膜とを備え、それぞれの燃料電極
膜および酸化剤電極膜は、燃料ガスまたは酸化剤ガスを
触媒層に供給する経路を提供すると共に集電体としての
機能を有する多孔質でシート状の電極膜基材と、電極膜
基材の一方の側面側のほぼ全面に平面的に担持された触
媒層とを有し、それぞれの触媒層側で固体高分子電解質
膜の両主面のそれぞれに密着され、反触媒層側である他
方の側面側には燃料ガスおよび酸化剤ガスがそれぞれ通
流されるものである固体高分子電解質型燃料電池用の燃
料電池セルにおいて、 少なくとも酸化剤電極膜が有する触媒層は、触媒層の持
つ触媒の担持量が、触媒層の面方向の場所により異なる
ことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池用の燃料
電池セル。
1. A fuel cell for receiving a supply of a fuel gas and an oxidant gas to generate DC power, comprising a sheet-like solid polymer electrolyte membrane and both main surfaces of the solid polymer electrolyte membrane. A sheet-shaped fuel electrode film and a sheet-shaped oxidant electrode film that are bonded to each other, and each of the fuel electrode film and the oxidant electrode film provides a path for supplying fuel gas or oxidant gas to the catalyst layer. Together with a porous sheet-shaped electrode film base material having a function as a current collector, and a catalyst layer planarly supported on substantially the entire one side surface of the electrode film base material. A solid polymer electrolyte fuel, which is in close contact with each of the two main surfaces of the solid polymer electrolyte membrane on the layer side, and has a fuel gas and an oxidant gas flowing to the other side surface, which is the side opposite to the catalyst layer. Fuel cell for batteries , The catalyst layer having at least an oxidant electrode film, the amount of supported catalyst having a catalyst layer, a fuel cell for a solid polymer electrolyte fuel cell which being different from the surface direction of the location of the catalyst layer.
【請求項2】請求項1に記載の固体高分子電解質型燃料
電池用の燃料電池セルにおいて、 触媒層の持つ触媒の担持量は、通流される酸化剤ガスの
出口の近傍に在る触媒層において、酸化剤ガスの入口の
近傍に在る触媒層よりも多いことを特徴とする固体高分
子電解質型燃料電池用の燃料電池セル。
2. The fuel cell for a solid polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the catalyst layer has a catalyst loading amount in the vicinity of the outlet of the flowing oxidant gas. 2. A fuel cell for a solid polymer electrolyte fuel cell, characterized in that there are more catalyst layers than in the vicinity of the oxidant gas inlet.
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