JPH09245800A - Fuel cell and electrode for fuel cell - Google Patents

Fuel cell and electrode for fuel cell

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JPH09245800A
JPH09245800A JP8080935A JP8093596A JPH09245800A JP H09245800 A JPH09245800 A JP H09245800A JP 8080935 A JP8080935 A JP 8080935A JP 8093596 A JP8093596 A JP 8093596A JP H09245800 A JPH09245800 A JP H09245800A
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fuel cell
electrode
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直子 畔柳
Tatsuya Kawahara
竜也 川原
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve water discharge property of generated water and supply property for an electrolyte layer and ensure gas transmission in a fuel call anode. SOLUTION: An electron base material constituting a cathode 23 is made of carbon cross to which hydrophilic treatment is applied, and a hydrophilic part 60 is formed. The cathode 23 is provided with an electrolyte film side water repellent part 62 on the surface of the side of an electrolyte film and is provided with a gas flow route side water repellent part 64 on the surface of the side of a gas flow route. Part of the generated water generated by means of battery reaction is repelled by the electrolyte film side water resistance part 62 and is pushed back to the electrolyte film, and the electrolyte film is prevented from being dried. The residual generated water is absorbed by the hydrophilic part 60, is guide to the gas flow route side, and evaporates in gas oxide. In addition, gas divergence of the gas oxide is improved by water repellency provided with the electrolyte film side water repellent part 62.

Description

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

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池および燃
料電池用電極に関し、詳しくは導電性とガス透過性とを
有する電極を備えた燃料電池および燃料電池用電極に関
する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell and an electrode for a fuel cell, and more particularly to a fuel cell and an electrode for a fuel cell provided with an electrode having conductivity and gas permeability.

【0002】[0002]

【従来の技術】燃料電池は、燃料の有する化学エネルギ
を、熱エネルギや機械エネルギを経由することなく直接
電気エネルギに変換する装置であり、高い発電効率を得
ることが可能な装置として知られている。燃料電池で
は、水素を含む燃料ガスをアノードに供給し、酸素を含
む酸化ガスをカソードに供給して、両極で起こる電気化
学反応によって起電力を得る。以下に、燃料電池で起こ
る電気化学反応を表わす式を示す。(1)式はアノード
における反応、(2)式はカソードにおける反応を示
し、(3)式は電池全体で起こる反応を表わす。
2. Description of the Related Art A fuel cell is a device that directly converts chemical energy of fuel into electrical energy without passing through thermal energy or mechanical energy, and is known as a device capable of obtaining high power generation efficiency. There is. In a fuel cell, a fuel gas containing hydrogen is supplied to an anode, an oxidizing gas containing oxygen is supplied to a cathode, and an electromotive force is obtained by an electrochemical reaction that occurs at both electrodes. The following shows an equation representing an electrochemical reaction occurring in a fuel cell. The equation (1) shows the reaction at the anode, the equation (2) shows the reaction at the cathode, and the equation (3) shows the reaction occurring in the entire battery.

【0003】 H2 → 2H++2e- …(1) (1/2)O2+2H++2e- → H2O …(2) H2+(1/2)O2 → H2O …(3)H 2 → 2H + + 2e (1) (1/2) O 2 + 2H + + 2e → H 2 O (2) H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O (3) )

【0004】このような電池反応が連続して進行し、燃
料電池が安定して発電するためには、各電極に燃料ガス
および酸化ガスが効率よく供給され続ける必要がある。
そのため燃料電池用電極としては、従来、ガス拡散能と
導電性とを備えた炭素系材料からなる極板が用いられて
きた。具体的には、炭素繊維からなる糸で織成したカー
ボンクロスや、やはり炭素繊維からなるカーボンフエル
トやカーボンペーパ等によって電極を形成していた。
In order for such a cell reaction to proceed continuously and the fuel cell to generate power stably, it is necessary to continue to efficiently supply the fuel gas and the oxidizing gas to each electrode.
Therefore, as a fuel cell electrode, an electrode plate made of a carbon-based material having gas diffusivity and conductivity has been conventionally used. Specifically, the electrodes are formed of carbon cloth woven from threads made of carbon fibers, carbon felt or carbon paper which is also made of carbon fibers.

【0005】燃料電池において、上記の式で表わした電
気化学反応によって発電を行なうと、(2)式に示した
ようにカソードでは水が生成する。このように生成した
水がそのままカソードに留まるとガスの拡散路を塞いで
しまい、電極におけるガスの拡散が妨げられて電池反応
が低下する。そのため、電池反応によって生成した水を
速やかに電極から排水する必要がある。
In a fuel cell, when power is generated by the electrochemical reaction represented by the above equation, water is produced at the cathode as shown in equation (2). If the water thus generated stays at the cathode as it is, it blocks the gas diffusion path, hinders the gas diffusion at the electrodes, and lowers the cell reaction. Therefore, it is necessary to quickly drain the water generated by the battery reaction from the electrodes.

【0006】そこで従来は、カーボン粉とポリテトラフ
ルオロエチレン(商品名テフロン、以下PTFEと呼
ぶ)とを混合して撥水カーボンを作製し、この撥水カー
ボンをペースト化したものをカーボンクロスの両面に塗
布して焼成し、カーボンクロスの表面に撥水性を持たせ
たうえで電極として用いていた。このように作製した電
極では、カーボンクロスに塗布した撥水カーボンによっ
て生成水が弾かれるため、生成水が排出され易くなる。
また、撥水カーボンによって電極表面の水が弾かれるた
め、ガス拡散性が向上する。この電極を両極に用いて固
体高分子電解質型燃料電池を作製し、図13に示す従来
条件に従って燃料電池を動作させると、図15に符号a
のグラフとして示したように高い電圧で安定した発電が
行なわれる。なおここで用いた電極は、アノード、カソ
ード共に、その両面に撥水カーボンが塗布されている。
Therefore, conventionally, water repellent carbon was prepared by mixing carbon powder and polytetrafluoroethylene (trade name: Teflon, hereinafter referred to as PTFE), and the water repellent carbon was pasted into both sides of the carbon cloth. It was used as an electrode after it was applied to and fired to make the surface of the carbon cloth water repellent. In the electrode thus manufactured, the generated water is repelled by the water-repellent carbon applied to the carbon cloth, so that the generated water is easily discharged.
Further, the water repellent carbon repels water on the surface of the electrode, which improves gas diffusivity. A solid polymer electrolyte fuel cell is manufactured by using this electrode for both electrodes, and the fuel cell is operated according to the conventional condition shown in FIG.
As shown in the graph, the stable power generation is performed at a high voltage. The electrodes used here are coated with water-repellent carbon on both surfaces of both the anode and the cathode.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図13
に示した従来条件で燃料電池の運転を行なうと、燃料電
池によって発電された電力のうち、65%ものエネルギ
を燃料電池を運転するために消費してしまうことになっ
てしまい採用し難い。すなわち、燃料電池によって20
kWの電力を発電する際に、上記従来条件では、各電極
に供給する燃料ガスおよび酸化ガスを加湿するために5
kWを消費し、陽極に供給する酸化ガスを加圧するため
に8kWを消費してしまう。発電効率を向上させるため
には、発電時に消費してしまうこれらの電力を削減する
必要がある。
However, FIG.
When the fuel cell is operated under the conventional conditions shown in (1), 65% of the power generated by the fuel cell consumes energy for operating the fuel cell, which is difficult to employ. That is, depending on the fuel cell,
When generating kW of electric power, under the above-mentioned conventional conditions, it is necessary to add 5 to humidify the fuel gas and the oxidizing gas supplied to each electrode.
kW is consumed, and 8 kW is consumed to pressurize the oxidizing gas supplied to the anode. In order to improve power generation efficiency, it is necessary to reduce the amount of power consumed during power generation.

【0008】まず、ガスの加湿とこれによって消費され
る電力について説明する。アノードでは(1)式に示し
た反応によってプロトンが生じるが、このプロトンは水
分子と結びついた状態で電解質膜中をカソードに向かっ
て移動する。このように電解質膜のアノード側では水が
消費されるため、燃料ガスを加湿しておくことによって
電解質膜の乾燥を防ぐ必要がある。カソードにおける反
応では(2)式のように水が生成するが、カソードに供
給される酸化ガスは加圧されているため、部分的に電解
質膜の表面が乾燥してしまうおそれがある。従って従来
は、燃料ガスと共に酸化ガスをも積極的に加湿し、図1
3に示す従来条件にて燃料電池を運転していた。このよ
うに燃料ガスおよび酸化ガスを加湿するために、燃料電
池によって20kWを発電する場合には、約5kWの電
力を消費してしまう。ここで、燃料ガスおよび酸化ガス
を上記のように積極的に加湿することをやめてしまい、
ガスの加湿のためにエネルギを消費しない構成とする
と、酸化ガスは加湿度0%となり、燃料ガスについて
は、原燃料のメタノールを水蒸気改質して燃料ガスを生
成する際に加湿されるので加湿度は60%程度となる。
First, the humidification of gas and the power consumed by it will be described. At the anode, a proton is generated by the reaction represented by the formula (1), and the proton moves in the electrolyte membrane toward the cathode in a state of being bound with water molecules. As described above, since water is consumed on the anode side of the electrolyte membrane, it is necessary to prevent the electrolyte membrane from drying by humidifying the fuel gas. In the reaction at the cathode, water is generated as in the equation (2), but since the oxidizing gas supplied to the cathode is pressurized, the surface of the electrolyte membrane may be partially dried. Therefore, conventionally, the oxidizing gas is actively humidified together with the fuel gas.
The fuel cell was operated under the conventional conditions shown in FIG. In order to humidify the fuel gas and the oxidizing gas in this way, when generating 20 kW by the fuel cell, about 5 kW of electric power is consumed. Here, we stopped actively humidifying the fuel gas and oxidizing gas as described above,
If energy is not consumed for humidifying the gas, the oxidizing gas has a humidity of 0%, and the fuel gas is humidified when the raw fuel methanol is steam-reformed to generate the fuel gas. Humidity is about 60%.

【0009】次に、酸化ガスの加圧とこれによって消費
される電力について説明する。燃料電池では、各電極に
供給するガスの圧力を高くした方が化学反応である電池
反応が促進されるため、空気などの酸化ガスをポンプ等
によって加圧している。図14は、燃料電池の出力を2
0kWと設定した場合に、加圧によって消費される電力
の大きさを示すグラフである。図14に示すように、加
圧によって消費される電力の大きさは、加圧する圧力と
空気過剰率とによって決まる。空気過剰率とは、燃料電
池を稼働させて所定の電力を得るために理論的に必要な
空気の量に対する実際に供給する空気量の割合のことを
いう。通常、燃料電池による発電を行なう際には過剰量
の空気を供給する必要がある。理論的に必要な量の空気
しか供給しない場合には、燃料電池内部の末端部に供給
される酸素の濃度が低くなってしまい電池反応の効率が
低下してしまう。そこで、末端部にも充分量の酸素が供
給されるように過剰量の空気を燃料電池に供給してい
る。
Next, the pressurization of the oxidizing gas and the power consumed by it will be described. In a fuel cell, a cell reaction, which is a chemical reaction, is promoted by increasing the pressure of the gas supplied to each electrode. Therefore, an oxidizing gas such as air is pressurized by a pump or the like. FIG. 14 shows a fuel cell output of 2
It is a graph which shows the magnitude | size of the electric power consumed by pressurization, when it sets it as 0 kW. As shown in FIG. 14, the amount of electric power consumed by pressurization is determined by the pressurizing pressure and the excess air ratio. The excess air ratio refers to the ratio of the amount of air actually supplied to the amount of air theoretically required to operate the fuel cell and obtain a predetermined electric power. Normally, it is necessary to supply an excessive amount of air when performing power generation by a fuel cell. If only the theoretically required amount of air is supplied, the concentration of oxygen supplied to the terminal portion inside the fuel cell becomes low, and the efficiency of the cell reaction decreases. Therefore, an excessive amount of air is supplied to the fuel cell so that a sufficient amount of oxygen is also supplied to the terminal portion.

【0010】従来条件では、供給圧力を0.15MPa
とし、空気過剰率を6としていた。このような条件で
は、燃料電池によって20kWを発電する際に、加圧用
ポンプの駆動のために約8kWの電力を消費してしま
う。図14に示すように、空気過剰率または供給圧力を
低くすればポンプによる消費電力は少なくなるが、発電
効率を維持するには酸化ガスの圧力をあまり下げるわけ
にはいかない。ここで、上記従来条件と同じく供給圧力
を0.15MPaとして、加圧用のポンプが消費する電
力が発電量の10%となるように加圧条件を設定する
と、空気過剰率は2となる。このような、加圧による電
力消費量が発電量の10%となる状態で、かつガスの加
湿を積極的には行なわない条件を図13に設定条件とし
て示す。なお、燃料ガスの供給圧力および過剰率は、酸
化ガスとの釣合を考慮して設定し、上記改質器と燃料電
池とを結ぶ燃料ガス供給路に設けた調圧弁によって調節
すればよい。
Under the conventional conditions, the supply pressure is 0.15 MPa.
And the excess air ratio was 6. Under such conditions, when generating 20 kW by the fuel cell, about 8 kW of electric power is consumed to drive the pressurizing pump. As shown in FIG. 14, if the excess air ratio or the supply pressure is lowered, the power consumption by the pump is reduced, but the pressure of the oxidizing gas cannot be lowered so much to maintain the power generation efficiency. Here, when the supply pressure is set to 0.15 MPa and the pressurization condition is set such that the electric power consumed by the pressurization pump is 10% of the power generation amount, the excess air ratio becomes 2 as in the conventional condition. FIG. 13 shows conditions under which the power consumption by pressurization is 10% of the power generation and the humidification of the gas is not actively performed. The supply pressure and excess rate of the fuel gas may be set in consideration of the balance with the oxidizing gas, and may be adjusted by a pressure adjusting valve provided in the fuel gas supply path connecting the reformer and the fuel cell.

【0011】このように設定した図13の設定条件に従
って燃料電池を運転したときに、運転のための消費電力
が10%という効率で実際に運転可能であるかどうかを
確かめるために、撥水カーボンを表面に塗布した電極
(従来から使用されている電極)を用いて固体高分子型
燃料電池を作製した。この燃料電池を用いて図13の設
定条件に従って運転を行なうと、図15に符号bのグラ
フとして示したように、高い電圧が得られないまま、時
間の経過に伴って短時間のうちに電圧降下を起こしてし
まう。
When the fuel cell is operated according to the setting conditions of FIG. 13 set in this way, in order to confirm whether or not the fuel cell can actually be operated with an efficiency of 10%, the water-repellent carbon A polymer electrolyte fuel cell was prepared by using an electrode having the surface coated with (a conventionally used electrode). When the fuel cell is operated according to the set conditions of FIG. 13, as shown by the graph of reference numeral b in FIG. 15, the high voltage is not obtained and the voltage is reduced in a short time with the passage of time. It will cause a descent.

【0012】このように燃料電池の発電時に電圧が上昇
しないのは、電解質膜の湿潤化が不十分であり燃料電池
の内部抵抗が大きいことが原因と考えられる。また、す
ぐに電圧降下を起こしてしまうのは、電池反応によって
生成した水が電極内部に滞留してガス流路を塞いでしま
い、酸化ガスが電極に充分に供給されなくなってしまっ
て運転効率が低下するためと考えられる。特に上記設定
条件の下では、燃料ガスの加湿の割合が低くガスの流量
も少ないため、アノード側に対する水の供給が充分でな
いと考えられる。また、カソード側では、電池反応によ
って生成水が生じても、酸化ガスは全く加湿されていな
いために、電解質膜では部分的には水分不足になる箇所
が生じて抵抗値が上昇しているおそれがある。さらにカ
ソード側では、酸化ガスの流量が少ないこともあって生
成水が充分に排水されずにガス流路を塞いでしまうと考
えられる。従って、上記設定条件によって燃料電池を運
転するには、各電極においてはガスの拡散性を向上させ
るとともに電解質膜を充分な湿潤状態に保つための給水
性を備えさせ、カソードにおいては生成水の排水性を高
める必要がある。
It is considered that the reason why the voltage does not rise during the power generation of the fuel cell is that the wetting of the electrolyte membrane is insufficient and the internal resistance of the fuel cell is large. In addition, the voltage drop occurs immediately because the water generated by the battery reaction stays inside the electrode and blocks the gas flow path, and the oxidizing gas is not sufficiently supplied to the electrode, resulting in poor operating efficiency. It is thought to be due to the decrease. Under the above set conditions, in particular, the rate of humidification of the fuel gas is low and the flow rate of the gas is small, so it is considered that the water supply to the anode side is not sufficient. In addition, on the cathode side, even if water is generated by the cell reaction, the oxidizing gas is not humidified at all, so there is a possibility that the electrolyte membrane will have a partial water shortage and the resistance value will increase. There is. Further, on the cathode side, it is considered that the generated water is not sufficiently drained due to the small flow rate of the oxidizing gas and the gas flow path is blocked. Therefore, in order to operate the fuel cell under the above set conditions, each electrode is provided with water supply for improving the gas diffusivity and keeping the electrolyte membrane in a sufficiently wet state, and the cathode is drained of the produced water. It is necessary to improve sex.

【0013】このような給水性や排水性、およびガス拡
散性の向上を実現する方法として、親水性の炭素繊維か
らなる縦糸と撥水性の炭素繊維からなる横糸とを織り込
んで電極を形成する方法が提案されている(例えば、特
開平7−105957号公報など)。このような方法で
は、親水性の炭素繊維が生成水の排除や補給水の供給を
行ない、撥水性の炭素繊維が水を弾いてガスの供給や排
出を行なうものとされている。
As a method for improving such water supply, drainage, and gas diffusibility, a method of weaving a warp yarn made of hydrophilic carbon fiber and a weft yarn made of water repellent carbon fiber to form an electrode Have been proposed (for example, JP-A-7-105957). In such a method, it is said that the hydrophilic carbon fibers remove generated water and supply makeup water, and the water-repellent carbon fibers repel water to supply and discharge gas.

【0014】しかしながらこのような方法では、電極面
と平行に織り込まれた撥水性の糸によってガスの供給や
排出を行なっており、電極内のガス流路が電極面と平行
になるため、ガス透過のパスが長くなる。ガス透過の効
率の点からみると、ガス透過のパスは短い方が望まし
い。親水性の炭素繊維からなる縦糸と撥水性の炭素繊維
からなる横糸とを織り込んで形成した電極を用いて作製
した燃料電池によって発電を行なった結果を、図15に
符号cのグラフとして示した。撥水性のカーボンを塗布
した電極を用いる場合に比べて発電の状態は改善される
が、運転のための消費電力を10%に抑えた条件下で
は、このような電極を用いても、電解質膜の湿潤状態を
充分に保持しながら電極におけるガス拡散性を充分な程
度に維持することは困難な場合があると考えられる。
However, in such a method, the gas is supplied and discharged by the water-repellent thread woven in parallel with the electrode surface, and the gas flow path in the electrode is parallel with the electrode surface, so that the gas permeation is prevented. The path will be longer. From the viewpoint of gas permeation efficiency, it is desirable that the gas permeation path be short. The result of power generation by a fuel cell produced by using an electrode formed by weaving a warp yarn made of hydrophilic carbon fiber and a weft yarn made of water-repellent carbon fiber is shown in FIG. The state of power generation is improved as compared with the case where an electrode coated with water repellent carbon is used, but under the condition that the power consumption for operation is suppressed to 10%, even if such an electrode is used, an electrolyte membrane is used. It is considered that it may be difficult to maintain the gas diffusivity in the electrode to a sufficient degree while sufficiently maintaining the wet state of.

【0015】本発明の燃料電池および燃料電池用電極
は、こうした問題を解決し、カソードにおける生成水の
排水性および電解質層への給水性と、アノードにおける
給水性とを向上させ、電極におけるガス透過性を確保す
ることを目的としてなされ、次の構成を採った。
The fuel cell and the fuel cell electrode of the present invention solve these problems, improve the drainage of the produced water in the cathode and the water supply to the electrolyte layer, and the water supply in the anode, and the gas permeation in the electrode. It was made with the aim of ensuring the security and adopted the following structure.

【0016】[0016]

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】本
発明の燃料電池は、電解質層と、該電解質層を挟持する
陽電極および陰電極を備える燃料電池において、前記陽
電極は、親水処理を施された電極基材の少なくとも前記
電解質層側の表面に、撥水性物質を有する撥水層を形成
してなることを要旨とする。
The fuel cell of the present invention is a fuel cell comprising an electrolyte layer and a positive electrode and a negative electrode sandwiching the electrolyte layer. The positive electrode is subjected to hydrophilic treatment. The gist is that a water repellent layer having a water repellent substance is formed on at least the surface of the applied electrode base material on the side of the electrolyte layer.

【0017】このような本発明の燃料電池によれば、電
解質層の陽電極側の表面で生成した水滴は親水処理を施
された電極基材に吸収される。この電極基材に吸収され
た生成水は、電極表面に導かれて燃料電池に供給される
ガス中に気化し、ガスと共に燃料電池外に排出される。
このように、陽電極では生成水が速やかに排出されるた
め、生成水が電極内に滞留してガス流路を塞いでしまう
ことがない。また、陽電極において、電解質層側の表面
に形成された撥水層によって水が弾かれるため、生成水
がガス流路を塞ぐことが生じにくくなり、電池反応に関
与するガスが効率よく流通することができる。
According to the fuel cell of the present invention as described above, the water droplets generated on the surface of the electrolyte layer on the positive electrode side are absorbed by the electrode base material subjected to the hydrophilic treatment. The generated water absorbed by the electrode base material is guided to the surface of the electrode and vaporized in the gas supplied to the fuel cell, and is discharged outside the fuel cell together with the gas.
As described above, since the generated water is quickly discharged from the positive electrode, the generated water does not stay in the electrode and block the gas flow path. Further, in the positive electrode, water is repelled by the water repellent layer formed on the surface of the electrolyte layer side, so that the generated water is unlikely to block the gas flow path, and the gas involved in the battery reaction flows efficiently. be able to.

【0018】上記した本発明の燃料電池において、前記
陽電極はその両面に、導電性を有しない撥水性物質を用
いて前記撥水層を形成し、前記電解質層と接する側に形
成された撥水層は、他面に形成された撥水層よりも前記
撥水性物質を多く含有する構成としてもよい。
In the above-described fuel cell of the present invention, the positive electrode has the water-repellent layer formed on both sides thereof using a water-repellent substance having no conductivity, and the water-repellent layer formed on the side in contact with the electrolyte layer. The water layer may contain a greater amount of the water repellent substance than the water repellent layer formed on the other surface.

【0019】このような構成の燃料電池では、両面に撥
水層を形成した陽電極において、前記電解質層と接する
側に形成された撥水層は他面に形成された撥水層よりも
多くの撥水性物質を含有するため、前記電解質層と接す
る側に形成された撥水層では強い撥水性を示す。ここ
で、撥水性物質は導電性を有しないため、撥水性物質量
を単に増加させて撥水性を強化したのでは電極の抵抗値
が大きくなってしまい、却って電池性能を低下させてし
まう。そこで、両撥水層が含有する撥水性物質の総量を
抑制しつつ、各撥水層が含有する撥水性物質の量を上記
のように配分することにより、所望の面の撥水性を強化
して電極の抵抗値の上昇を抑制することができる。
In the fuel cell having such a structure, in the positive electrode having the water-repellent layer formed on both surfaces, the water-repellent layer formed on the side in contact with the electrolyte layer is larger than the water-repellent layer formed on the other surface. Since it contains the water-repellent substance, the water-repellent layer formed on the side in contact with the electrolyte layer exhibits strong water repellency. Here, since the water-repellent substance does not have conductivity, simply increasing the amount of the water-repellent substance to enhance the water-repellent property will increase the resistance value of the electrode, which will rather deteriorate the battery performance. Therefore, while suppressing the total amount of the water-repellent substance contained in both water-repellent layers, the amount of the water-repellent substance contained in each water-repellent layer is distributed as described above to enhance the water repellency of the desired surface. The increase in the resistance value of the electrode can be suppressed.

【0020】このような構成とすれば、電解質膜におい
て余剰となった生成水は、陽電極において電解質層と接
する側の面上に設けられた撥水層によって弾かれて電解
質膜に押し戻され、無加湿状態の加圧空気のために部分
的に乾燥した領域に供給されるため、電解質膜の乾燥を
防ぐことができる。ここで、電解質層と接する側の面に
形成した撥水層では撥水性物質量を多く含有しているた
め、電解質層で生じる生成水を効果的に押し戻し、電解
質膜の湿潤状態を充分に保つことができる。また、陽電
極において電解質層と接する側の面とは反対側の面にも
撥水層が形成されているため、この反対側の面でも水を
弾くことができる。従って、電極表面に導かれて蒸発せ
ずに残った生成水が電極表面で水の膜を形成してガスの
拡散を妨げてしまうことがなく、過剰の生成水は弾かれ
て排水され易くなる。
With this structure, the excess water produced in the electrolyte membrane is repelled by the water-repellent layer provided on the surface of the positive electrode that is in contact with the electrolyte layer, and is pushed back into the electrolyte membrane. Since the non-humidified pressurized air is supplied to the partially dried region, the electrolyte membrane can be prevented from drying. Here, since the water-repellent layer formed on the surface in contact with the electrolyte layer contains a large amount of water-repellent substance, the generated water generated in the electrolyte layer is effectively pushed back, and the wet state of the electrolyte membrane is sufficiently maintained. be able to. Further, since the water-repellent layer is formed on the surface of the positive electrode opposite to the surface in contact with the electrolyte layer, water can be repelled even on the surface on the opposite side. Therefore, the generated water that is guided to the electrode surface and remains without being evaporated does not form a water film on the electrode surface and hinders gas diffusion, and excess generated water is easily repelled and drained. .

【0021】また、本発明の燃料電池において、前記撥
水層は、前記撥水性物質と、親水性を示す官能基の含有
量が所定量以下であるカーボン粉とを混合した後、前記
電極基材表面に塗布してなる構成としてもよい。
In the fuel cell of the present invention, the water-repellent layer is formed by mixing the water-repellent substance and carbon powder having a hydrophilic functional group content of not more than a predetermined amount, and then the electrode substrate. It may be configured to be applied to the surface of the material.

【0022】このような構成の燃料電池では、前記撥水
層は前記撥水性物質とカーボン粉とを混合したものを前
記電極表面に塗布してなるため、撥水層の備える撥水性
はカーボン粉によっても影響される。ここで、撥水層を
形成するカーボン粉は、親水性を示す官能基の含有量が
所定量以下であるため、撥水層の撥水性はさらに向上す
る。従って、陽電極において電解質層と接する側の面で
はさらに生成水が押し戻され易くなり、電解質層の湿潤
状態が良好に維持されるようになる。また、このように
撥水性が向上することで、電池反応に関わるガスも効率
よく拡散するようになる。
In the fuel cell having such a structure, the water repellent layer is formed by coating the surface of the electrode with a mixture of the water repellent substance and carbon powder. Is also affected by. Here, since the carbon powder forming the water repellent layer has a content of the hydrophilic functional group of not more than a predetermined amount, the water repellency of the water repellent layer is further improved. Therefore, in the surface of the positive electrode that is in contact with the electrolyte layer, the generated water is more likely to be pushed back, and the wet state of the electrolyte layer can be maintained well. Further, by improving the water repellency in this way, the gas involved in the battery reaction also diffuses efficiently.

【0023】さらに本発明の燃料電池は、前記陰電極
が、親水処理を施された電極基材よりなる構成としても
よい。このような場合には、上記した本発明における効
果に加えて、陰電極を構成する電極基材も親水処理を施
されているため、陰電極側の給水性が向上するという効
果を奏する。陰電極側に供給される燃料ガスは発電条件
に応じた量の加湿が行なわれているが、この燃料ガス中
の水蒸気は、親水処理を施された電極基材に速やかに吸
収される。この陰電極に吸収された水蒸気は、必要に応
じて電解質層に給水されるため、電解質層の陰電極側の
面が乾燥することを防止できる。このように、燃料ガス
中の水蒸気を効率よく電解質層に導くことができるた
め、陰電極側に供給する燃料ガスの加湿量を抑えること
が可能になる。
Further, in the fuel cell of the present invention, the negative electrode may be composed of an electrode base material subjected to a hydrophilic treatment. In such a case, in addition to the effects of the present invention described above, the electrode base material forming the negative electrode is also subjected to the hydrophilic treatment, so that the water supply on the negative electrode side is improved. The fuel gas supplied to the negative electrode side is humidified in an amount according to the power generation conditions, and the water vapor in the fuel gas is quickly absorbed by the electrode base material subjected to the hydrophilic treatment. The water vapor absorbed by the negative electrode is supplied to the electrolyte layer as needed, so that the surface of the electrolyte layer on the negative electrode side can be prevented from drying. In this way, the water vapor in the fuel gas can be efficiently guided to the electrolyte layer, so that the amount of humidification of the fuel gas supplied to the negative electrode side can be suppressed.

【0024】本発明の燃料電池用電極は、所定の導電性
とガス透過性とを備える燃料電池用電極において、親水
処理を施された電極基材の少なくとも片側の表面に、撥
水性物質を備える撥水層を形成したことを要旨とする。
The fuel cell electrode of the present invention is a fuel cell electrode having a predetermined conductivity and gas permeability, and at least one surface of the hydrophilically treated electrode substrate is provided with a water-repellent substance. The gist is that a water repellent layer is formed.

【0025】以上のように構成された本発明の燃料電池
用電極は、所定の導電性とガス透過性とを備え、電極を
形成する電極基材は親水処理を施されて親水性を呈し、
この電極基材の少なくとも片側の表面には撥水性物質備
える撥水層を形成する。このような燃料電池用電極を陽
電極として燃料電池を組み立てて発電を行なった場合に
は、生じた起電力は所定の導電性によって伝えられると
共に、供給されたガスは所定のガス透過性によって効率
よく拡散することができる。また、電極基材が備える親
水性によって、電池反応で生じた過剰な生成水を電極表
面に導いて蒸散させることができる。さらに、電極表面
に形成された撥水層の撥水性によって、ガスの拡散性が
向上すると共に生成水が弾かれて排水が促進される。
The fuel cell electrode of the present invention constructed as described above has a predetermined conductivity and gas permeability, and the electrode base material forming the electrode is subjected to hydrophilic treatment to exhibit hydrophilicity,
A water-repellent layer including a water-repellent substance is formed on at least one surface of the electrode base material. When a fuel cell is assembled using such a fuel cell electrode as a positive electrode to generate electricity, the generated electromotive force is transmitted by a predetermined conductivity and the supplied gas is efficiently transmitted by a predetermined gas permeability. Can spread well. Further, due to the hydrophilicity of the electrode base material, excess generated water generated in the battery reaction can be guided to the electrode surface and evaporated. Furthermore, the water repellency of the water repellent layer formed on the electrode surface improves the diffusivity of gas and repels the generated water to accelerate drainage.

【0026】このような本発明の燃料電池用電極におい
て、前記電極基材はその両面に、導電性を有しない物質
を用いて前記撥水層を形成し、該電極基材の両面に形成
されたそれぞれの撥水層は、互いに異なる量の前記撥水
性物質を含有することとしてもよい。
In the fuel cell electrode of the present invention as described above, the water repellent layer is formed on both surfaces of the electrode base material using a substance having no conductivity, and the water repellent layer is formed on both surfaces of the electrode base material. Further, the respective water repellent layers may contain different amounts of the water repellent substance.

【0027】このような燃料電池用電極を陽電極とし
て、前記撥水性物質を多く含有する側が電解質膜と接す
るように燃料電池を組み立てて発電を行なうと、電池反
応によって生じた生成水は、撥水性物質を多く含む撥水
層によって効果的に弾かれて電解質層に押し戻されるた
め、電解質層の乾燥を防ぐことができる。また、電解質
層を接しない側に形成された撥水層は、この電極表面で
蒸散し残った余剰の生成水を弾いて速やかに排水するこ
とができる。
When such a fuel cell electrode is used as a positive electrode and a fuel cell is assembled so that the side containing a large amount of the water-repellent substance is in contact with the electrolyte membrane to generate electricity, the water produced by the cell reaction is repelled. Since the water repellent layer containing a large amount of the aqueous substance is effectively repelled and pushed back to the electrolyte layer, the electrolyte layer can be prevented from being dried. Further, the water-repellent layer formed on the side not in contact with the electrolyte layer can quickly drain the excess water produced by evaporating and remaining on the electrode surface.

【0028】また、本発明の燃料電池用電極において、
前記撥水層は、前記撥水性物質と、親水性を示す官能基
の含有量が所定量以下であるカーボン粉とを混合した
後、前記電極基材表面に塗布してなる構成としてもよ
い。
In the fuel cell electrode of the present invention,
The water-repellent layer may be formed by mixing the water-repellent substance and carbon powder having a hydrophilic functional group content of a predetermined amount or less and then applying the mixture on the surface of the electrode base material.

【0029】このような構成の燃料電池用電極では、前
記撥水層は前記撥水性物質とカーボン粉とを混合したも
のを前記電極表面に塗布してなるため、撥水層の備える
撥水性はカーボン粉によっても影響される。ここで、撥
水層を形成するカーボン粉は、親水性を示す官能基の含
有量が所定量以下であるため、撥水層の撥水性はさらに
向上する。従って、このような燃料電池用電極を陽電極
として燃料電池を組み立てて発電を行なうと、撥水性が
向上することによって電池反応に関わるガスが効率よく
拡散するようになる。また、このような燃料電池用電極
の両面で撥水性に差異があるときに、撥水性が強い側が
電解質層側となるように燃料電池を組み立てるならば、
陽電極において電解質層と接する側の面ではさらに生成
水が押し戻され易くなり、電解質層の湿潤状態が良好に
維持されるようになる。
In the fuel cell electrode having such a structure, the water repellent layer is formed by coating the surface of the electrode with a mixture of the water repellent substance and carbon powder. It is also affected by carbon powder. Here, since the carbon powder forming the water repellent layer has a content of the hydrophilic functional group of not more than a predetermined amount, the water repellency of the water repellent layer is further improved. Therefore, when a fuel cell is assembled using such a fuel cell electrode as a positive electrode to generate electric power, the water repellency is improved and the gas involved in the cell reaction is efficiently diffused. Further, when there is a difference in water repellency on both sides of such a fuel cell electrode, if the fuel cell is assembled so that the side having strong water repellency is the electrolyte layer side,
On the surface of the positive electrode that is in contact with the electrolyte layer, the generated water is more likely to be pushed back, and the wet state of the electrolyte layer can be maintained well.

【0030】本発明の燃料電池システムは、電解質層と
該電解質層を挟持する陽電極および陰電極を備える燃料
電池と、該燃料電池に燃料ガスおよび空気を、所定圧力
および所定の空気過剰率で供給するガス供給手段とを備
えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の陽電極
は、親水処理を施された電極基材の少なくとも前記電解
質層側の表面に、撥水性物質を有する撥水層を形成し、
前記ガス供給手段により供給される空気の空気過剰率を
3以下としたことを特徴とする。
The fuel cell system of the present invention comprises a fuel cell comprising an electrolyte layer and a positive electrode and a negative electrode sandwiching the electrolyte layer, and fuel gas and air are fed to the fuel cell at a predetermined pressure and a predetermined excess air ratio. In a fuel cell system including a gas supply means for supplying, a positive electrode of the fuel cell has a water-repellent layer having a water-repellent substance on at least the surface of the electrode base material subjected to a hydrophilic treatment on the electrolyte layer side. Formed,
The excess air ratio of the air supplied by the gas supply means is 3 or less.

【0031】以上のように構成された本発明の燃料電池
システムは、電解質層と該電解質層を挟持する陽電極お
よび陰電極を備え、この陽電極は親水処理を施された電
極基材の少なくとも前記電解質層側の表面に、撥水性物
質を有する撥水層を形成している燃料電池によって発電
を行なう。燃料電池システムにおいて発電を行なう際に
は、この燃料電池に対して、ガス供給手段が燃料ガスお
よび空気を、所定圧力および所定の空気過剰率で供給す
る。このときガス供給手段は、空気過剰率が3以下とな
るように空気を供給する。
The fuel cell system of the present invention configured as described above comprises an electrolyte layer and a positive electrode and a negative electrode sandwiching the electrolyte layer, and the positive electrode is at least an electrode base material subjected to hydrophilic treatment. Power generation is performed by a fuel cell having a water-repellent layer having a water-repellent substance formed on the surface of the electrolyte layer side. When power is generated in the fuel cell system, the gas supply means supplies the fuel gas and the air to the fuel cell at a predetermined pressure and a predetermined excess air ratio. At this time, the gas supply unit supplies air so that the excess air ratio becomes 3 or less.

【0032】このような本発明の燃料電池システムによ
れば、燃料電池によって発電を行なう際に、電池反応に
よって生じた過剰な生成水は、親水処理を施された陽電
極の電極基部によって吸収され、電極表面に導かれて酸
化ガス中に蒸散するため、速やかに排水することができ
る。また、電極表面に形成された撥水層の撥水性によっ
て、陽電極におけるガスの拡散性が向上すると共に生成
水が弾かれて排水が促進される。さらに、ガス供給手段
が供給する空気は、空気過剰率が3以下であるため、燃
料電池に空気を供給するために多くのエネルギを消費し
てしまうことがない。
According to the fuel cell system of the present invention as described above, when power is generated by the fuel cell, excess water produced by the cell reaction is absorbed by the electrode base of the positive electrode which has been subjected to the hydrophilic treatment. Since it is guided to the electrode surface and evaporates into the oxidizing gas, it can be quickly drained. Further, due to the water repellency of the water repellent layer formed on the electrode surface, the diffusibility of gas in the positive electrode is improved and the generated water is repelled to promote drainage. Furthermore, since the air supplied by the gas supply means has an excess air ratio of 3 or less, a large amount of energy is not consumed to supply the air to the fuel cell.

【0033】[0033]

【発明の他の態様】本発明は、以下のような他の態様を
とることも可能である。すなわち、第1の他の態様とし
ては、上記した本発明の構成において、前記電極基材は
カーボンにより構成されることとすることができる。
Other Embodiments of the Invention The present invention can also take the following other embodiments. That is, as a first other aspect, in the above-described configuration of the present invention, the electrode base material may be made of carbon.

【0034】このような態様においては、カーボン製の
電極基材に対して上記親水処理を施し、このカーボン製
の親水化した電極基材の表面に、必要に応じて上記撥水
層を形成する。従って、固体高分子型燃料電池やリン酸
型燃料電池等において従来電極基材として用いられてい
たカーボン製の電極基材に対して、本発明をそのまま適
用することができる。従来、カーボンは所定の親水性を
有するものとされていたが、このカーボンに対して、さ
らに上記した親水化の処理を施すことによって、陽電極
では生成水の吸収力が高まって排水性が向上し、陰電極
では燃料ガスと共に供給された水蒸気の保水性が向上し
て電解質層への給水性が高まるという効果を奏する。
In such an embodiment, the hydrophilic treatment is applied to the carbon electrode base material, and the water repellent layer is formed on the surface of the carbonized electrode base material, if necessary. . Therefore, the present invention can be applied as it is to an electrode base material made of carbon which has been conventionally used as an electrode base material in a polymer electrolyte fuel cell, a phosphoric acid fuel cell or the like. Conventionally, carbon has been assumed to have a predetermined hydrophilicity, but by further subjecting this carbon to the above-mentioned hydrophilic treatment, the positive electrode has an increased absorption of the generated water and improved drainage. However, in the negative electrode, the water retention of the water vapor supplied together with the fuel gas is improved, and the water supply to the electrolyte layer is enhanced.

【0035】また、第2の他の態様としては、上記した
本発明の構成において、前記撥水層は、前記撥水性物質
と、酸性官能基の含有量が0.3×10-4(mol/
g)以下であるカーボン粉とを混合した後、前記電極基
材表面に塗布してなる構成とすることができる。
As a second other aspect, in the above-mentioned constitution of the present invention, the water-repellent layer has a content of the water-repellent substance and an acidic functional group of 0.3 × 10 −4 (mol). /
g) After being mixed with the following carbon powder, it may be applied on the surface of the electrode base material.

【0036】このような態様においては、前記撥水層は
前記撥水性物質とカーボン粉とを混合したものを前記電
極表面に塗布してなるため、前記撥水層の備える撥水性
はカーボン粉によっても影響される。ここで、撥水層を
形成するカーボン粉は、酸性官能基の含有量が0.3×
10-4(mol/g)以下であるが、酸性官能基は主要
な親水性官能基を含むため、酸性官能基の含有量が上記
のようなカーボン粉は、酸性官能基の含有量が上記を越
えるカーボン粉に比べて強い撥水性を示す。従って、撥
水層の撥水性がさらに向上する。陽極の電解質層と接す
る側の撥水層では、さらに生成水が押し戻され易くな
り、電解質層の湿潤状態が良好に維持されるようにな
る。また、撥水性が向上することによって、電池反応に
関わるガスも効率よく拡散するようになる。
In such an embodiment, since the water repellent layer is formed by coating the surface of the electrode with a mixture of the water repellent substance and carbon powder, the water repellent property of the water repellent layer depends on the carbon powder. Is also affected. Here, the carbon powder forming the water repellent layer has an acid functional group content of 0.3 ×.
Although it is 10 -4 (mol / g) or less, since the acidic functional group contains a major hydrophilic functional group, the carbon powder having the above acidic functional group content has the above acidic functional group content. Exhibits stronger water repellency than carbon powders that exceed. Therefore, the water repellency of the water repellent layer is further improved. In the water repellent layer on the side of the anode that is in contact with the electrolyte layer, the generated water is more easily pushed back, and the wet state of the electrolyte layer is maintained in a good condition. Further, the water repellency is improved, so that the gas involved in the battery reaction is efficiently diffused.

【0037】[0037]

【発明の実施の形態】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、以下本発明の実施の形態を
実施例に基づき説明する。図1は、本発明の好適な一実
施例である燃料電池20におけるカソード23での生成
水および酸化ガスの移動の様子を示す模式図であり、図
2は、上記燃料電池20を備えた燃料電池システム30
の概略を表わすブロック図である。説明の便を図って、
まず、図2に従って燃料電池システム30の構成から説
明する。燃料電池システム30は、燃料電池20の他
に、メタノールタンク31、水タンク32、改質器3
4、ポンプ36を主な構成要素とする。以下、これら燃
料電池システム30を構成する各部について説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION In order to further clarify the structure and operation of the present invention described above, the embodiments of the present invention will be described below based on Examples. FIG. 1 is a schematic diagram showing the movement of generated water and oxidizing gas at a cathode 23 in a fuel cell 20 which is a preferred embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a fuel provided with the fuel cell 20. Battery system 30
3 is a block diagram showing an outline of FIG. For convenience of explanation,
First, the configuration of the fuel cell system 30 will be described with reference to FIG. The fuel cell system 30 includes a methanol tank 31, a water tank 32, a reformer 3 in addition to the fuel cell 20.
4. The pump 36 is a main component. Hereinafter, each part of the fuel cell system 30 will be described.

【0038】燃料電池20は、固体高分子電解質型の燃
料電池であり、構成単位である単セル28を複数積層し
たスタック構造を有している。図3は、燃料電池20を
構成する単セル28の構成を例示する断面図である。単
セル28は、電解質膜21と、アノード22およびカソ
ード23と、セパレータ24、25とから構成されてい
る。
The fuel cell 20 is a solid polymer electrolyte type fuel cell, and has a stack structure in which a plurality of unit cells 28, which are constituent units, are laminated. FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating the configuration of the single cell 28 that constitutes the fuel cell 20. The unit cell 28 is composed of an electrolyte membrane 21, an anode 22 and a cathode 23, and separators 24 and 25.

【0039】アノード22およびカソード23は、電解
質膜21を両側から挟んでサンドイッチ構造を成すガス
拡散電極である。セパレータ24および25は、このサ
ンドイッチ構造をさらに両側から挟みつつ、アノード2
2およびカソード23との間に、燃料ガスおよび酸化ガ
スの流路を形成する。アノード22とセパレータ24と
の間には燃料ガス流路24Pが形成されており、カソー
ド23とセパレータ25との間には酸化ガス流路25P
が形成されている。セパレータ24、25は、図3では
それぞれ片面にのみ流路を形成しているが、実際にはそ
の両面にリブが形成されており、片面はアノード22と
の間で燃料ガス流路24Pを形成し、他面は隣接する単
セルが備えるカソード23との間で酸化ガス流路25P
を形成する。このように、セパレータ24、25は、ガ
ス拡散電極との間でガス流路を形成するとともに、隣接
する単セル間で燃料ガスと酸化ガスの流れを分離する役
割を果たしている。もとより、単セル28を積層してス
タック構造を形成する際、スタック構造の両端に位置す
る2枚のセパレータは、ガス拡散電極と接する片面にだ
けリブが形成されている。
The anode 22 and the cathode 23 are gas diffusion electrodes having a sandwich structure with the electrolyte membrane 21 sandwiched from both sides. The separators 24 and 25 sandwich the sandwich structure from both sides, and
A flow path for the fuel gas and the oxidizing gas is formed between the cathode 2 and the cathode 23. A fuel gas passage 24P is formed between the anode 22 and the separator 24, and an oxidizing gas passage 25P is formed between the cathode 23 and the separator 25.
Are formed. In FIG. 3, the separators 24 and 25 each have a flow path formed on only one surface, but in reality, ribs are formed on both surfaces, and one surface forms a fuel gas flow path 24P with the anode 22. On the other side, the oxidizing gas flow channel 25P is formed between the cathode 23 and the cathode 23 of the adjacent single cell.
To form As described above, the separators 24 and 25 form a gas flow path with the gas diffusion electrode and also serve to separate the flows of the fuel gas and the oxidizing gas between the adjacent single cells. Of course, when the unit cells 28 are stacked to form a stack structure, the two separators located at both ends of the stack structure have ribs formed only on one surface in contact with the gas diffusion electrode.

【0040】ここで、電解質膜21は、固体高分子材
料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導
性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。本実施例では、ナフィオン膜(デュポン社製)
を使用した。電解質膜21の表面には、触媒としての白
金または白金と他の金属からなる合金が塗布されてい
る。触媒を塗布する方法としては、白金または白金と他
の金属からなる合金を担持したカーボン粉を作製し、こ
の触媒を担持したカーボン粉を適当な有機溶剤に分散さ
せ、電解質溶液(例えば、Aldrich Chemi
cal社、Nafion Solution)を適量添
加してペースト化し、そのペーストを膜成形して得たシ
ートを電解質膜21上にプレスするという方法をとる。
Here, the electrolyte membrane 21 is a proton-conducting ion exchange membrane formed of a solid polymer material, for example, a fluorine resin, and exhibits good electric conductivity in a wet state. In this embodiment, a Nafion membrane (manufactured by DuPont) is used.
It was used. The surface of the electrolyte membrane 21 is coated with platinum as a catalyst or an alloy of platinum and another metal. As a method of applying the catalyst, a carbon powder supporting platinum or an alloy composed of platinum and another metal is prepared, and the carbon powder supporting the catalyst is dispersed in an appropriate organic solvent, and an electrolytic solution (eg, Aldrich Chemi) is used.
Calf Corporation, Nafion Solution) is added in an appropriate amount to form a paste, and the sheet obtained by forming the paste into a film is pressed onto the electrolyte membrane 21.

【0041】アノード22およびカソード23は、共に
炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス(日本カ
ーボン(株)製、GF-20-P7、平織)により形成されてい
る。ここで、アノード22およびカソード23は、その
基部において親水処理が施されており、その表面には撥
水性物質を備えた撥水部を形成しているが、これらの構
成は本発明の要部に対応するものであり、後に詳述す
る。なお、本実施例では、アノード22およびカソード
23をカーボンクロスにより形成したが、炭素繊維から
なるカーボンペーパまたはカーボンフエルトにより形成
する構成も好適である。
The anode 22 and the cathode 23 are both made of carbon cloth (GF-20-P7, plain weave manufactured by Nippon Carbon Co., Ltd.) woven with threads made of carbon fibers. Here, the anode 22 and the cathode 23 are subjected to hydrophilic treatment at their bases, and a water-repellent portion provided with a water-repellent substance is formed on the surface thereof. These configurations are essential parts of the present invention. This will be described later in detail. In the present embodiment, the anode 22 and the cathode 23 are formed of carbon cloth, but a configuration formed of carbon paper or carbon felt made of carbon fiber is also suitable.

【0042】本実施例では上述したように、触媒を担持
したカーボン粉を作製し、このカーボン粉を含有するペ
ーストを膜成形して得たシートを電解質膜21上にプレ
スする構成とした。このような方法を用いれば、電解質
膜21上において少量の触媒を均一に圧着することがで
き、このような電解質膜21を備える燃料電池20で
は、少量の触媒で効果的な触媒効果が得られる。あるい
は、上記した触媒担持カーボンを、カーボンクロスより
なるアノード22およびカソード23に練り込むことと
しても良い。もとより、触媒担持カーボンを練り込む面
は電解質膜21と接する側の面である。
In this embodiment, as described above, the carbon powder carrying the catalyst was prepared, and the sheet obtained by film-forming the paste containing the carbon powder was pressed onto the electrolyte membrane 21. By using such a method, a small amount of catalyst can be uniformly pressure-bonded on the electrolyte membrane 21, and in the fuel cell 20 including such an electrolyte membrane 21, an effective catalytic effect can be obtained with a small amount of catalyst. . Alternatively, the above catalyst-supporting carbon may be kneaded into the anode 22 and the cathode 23 made of carbon cloth. The surface on which the catalyst-supporting carbon is kneaded is, of course, the surface on the side in contact with the electrolyte membrane 21.

【0043】セパレータ24、25は、ガス不透過の導
電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とし
た緻密質カーボンにより形成されている。セパレータ2
4、25はその両面に、平行に配置された複数のリブを
形成しており、既述したように、アノード22の表面と
で燃料ガス流路24Pを形成し、隣接する単セルのカソ
ード23の表面とで酸化ガス流路25Pを形成する。こ
こで、各セパレータの表面に形成されたリブは、両面と
もに平行に形成する必要はなく、面毎に直行するなど所
定の角度をなすこととしてもよい。また、リブの形状は
平行な溝状である必要はなく、ガス拡散電極に対して燃
料ガスまたは酸化ガスを供給可能であればよい。
The separators 24 and 25 are formed of a gas impermeable conductive member, for example, dense carbon that is made gas impermeable by compressing carbon. Separator 2
Nos. 4 and 25 have a plurality of ribs arranged in parallel on both surfaces thereof. As described above, the fuel gas flow path 24P is formed with the surface of the anode 22, and the cathode 23 of the adjacent single cell 23 is formed. An oxidizing gas flow path 25P is formed with the surface of the. Here, the ribs formed on the surface of each separator need not be formed in parallel on both surfaces, and may be at a predetermined angle such as perpendicular to each surface. The ribs do not have to be parallel grooves, but may be any as long as a fuel gas or an oxidizing gas can be supplied to the gas diffusion electrode.

【0044】以上、燃料電池20の基本構造である単セ
ル28の構成について説明した。実際に燃料電池20と
して組み立てるときには、セパレータ24、アノード2
2、電解質膜21、カソード23、セパレータ25の順
序で構成される単セル28を複数組積層し(本実施例で
は75組)、その両端に緻密質カーボンや銅板などによ
り形成される集電板26、27を配置することによっ
て、スタック構造を構成する。
The configuration of the single cell 28, which is the basic structure of the fuel cell 20, has been described above. When the fuel cell 20 is actually assembled, the separator 24, the anode 2
2. A plurality of sets of single cells 28, which are composed of the electrolyte membrane 21, the cathode 23, and the separator 25 in this order, are stacked (75 sets in this embodiment), and a collector plate formed of dense carbon or copper plate on both ends thereof. A stack structure is formed by arranging 26 and 27.

【0045】改質器34は、メタノールタンク31およ
び水タンク32から、メタノールおよび水の供給を受け
る。改質器34では、供給されたメタノールを原燃料と
して水蒸気改質法による改質を行ない、水素リッチな燃
料ガスを生成する。以下に改質器34で行なわれる改質
反応を示す。
The reformer 34 receives supply of methanol and water from the methanol tank 31 and the water tank 32. In the reformer 34, the supplied methanol is used as a raw fuel for reforming by a steam reforming method to generate a hydrogen-rich fuel gas. The reforming reaction performed in the reformer 34 is shown below.

【0046】 CH3OH → CO+2H2 …(4) CO+H2O → CO2+H2 …(5) CH3OH+H2O → CO2+3H2 …(6)CH 3 OH → CO + 2H 2 (4) CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (5) CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 3H 2 (6)

【0047】改質器34で行なわれるメタノールの改質
反応は、(4)式で表わされるメタノールの分解反応
と、(5)式で表わされる一酸化炭素の変成反応とが同
時に進行し、全体として(6)式の反応が起きる。この
ような改質反応は全体として吸熱反応である。生成され
た水素リッチな燃料ガスは給燃路38を介して燃料電池
20に供給され、燃料電池20内では各単セル28にお
いて、前記燃料ガス流路24Pに導かれてアノード22
における電池反応に供される。本実施例の改質器34に
おいてメタノールを原燃料として上記した水蒸気改質に
よって燃料ガスを生成すると、改質器34内では改質反
応に必要な量以上の水蒸気が供給されるため、燃料電池
20に伝えられる燃料ガスは約60%の加湿度となる。
In the reforming reaction of methanol carried out in the reformer 34, the decomposition reaction of methanol represented by the formula (4) and the shift reaction of carbon monoxide represented by the formula (5) simultaneously proceed, and Then, the reaction of the equation (6) occurs. Such a reforming reaction is an endothermic reaction as a whole. The generated hydrogen-rich fuel gas is supplied to the fuel cell 20 through the fuel supply passage 38, and in each fuel cell 20, in each single cell 28, it is guided to the fuel gas flow path 24P and is guided to the anode 22.
In the battery reaction in. When fuel gas is generated by the above-described steam reforming in the reformer 34 of the present embodiment using methanol as a raw fuel, steam in an amount more than the amount necessary for the reforming reaction is supplied in the reformer 34. The fuel gas transmitted to the No. 20 has a humidity of about 60%.

【0048】また、ポンプ36は、外部から取り込んだ
空気を燃料電池12に加圧供給する。ポンプ36に取り
込まれて加圧された空気は、空気供給路39を介して燃
料電池20に供給され、燃料電池20内では各単セル2
8において、前記酸化ガス流路25Pに導かれてカソー
ド23における電池反応に供される。一般に燃料電池で
は、両極に供給されるガスの圧力が増大するほど反応速
度が上昇するため電池性能が向上する。そこで、カソー
ド23に供給する空気は、このようにポンプ36によっ
て加圧を行なっている。なお、アノード22に供給する
燃料ガスの圧力は、既述した給燃路38に設けた調圧弁
37の開放状態を制御することによって容易に調節可能
である。また、本実施例では、ポンプ36によってカソ
ード23に供給する空気は、既述した図13の設定条件
に従って加湿を行なわないこととした。
The pump 36 pressurizes and supplies the air taken in from the outside to the fuel cell 12. The air taken in by the pump 36 and pressurized is supplied to the fuel cell 20 through the air supply passage 39, and in the fuel cell 20, each single cell 2 is supplied.
At 8, the gas is introduced into the oxidizing gas flow path 25P and is used for the cell reaction in the cathode 23. In general, in a fuel cell, the reaction speed increases as the pressure of the gas supplied to both electrodes increases, so that the cell performance improves. Therefore, the air supplied to the cathode 23 is pressurized by the pump 36 in this manner. The pressure of the fuel gas supplied to the anode 22 can be easily adjusted by controlling the open state of the pressure regulating valve 37 provided in the fuel supply passage 38 described above. Further, in the present embodiment, the air supplied to the cathode 23 by the pump 36 is not humidified according to the above-mentioned setting conditions of FIG.

【0049】なお、本実施例の燃料電池20を備える燃
料電池システム30では、アノード22での電池反応に
使用された後の燃料排ガスと、ポンプ36によって圧縮
された空気の一部とは改質器34に供給される。既述し
たように、改質器34における改質反応は吸熱反応であ
って外部から熱の供給が必要であるため、改質器34内
部には図示しないバーナが加熱用に備えられている。上
記燃料ガスと圧縮空気とは、このバーナの燃焼のために
用いられる。使用済みの燃料排ガスは排燃路41によっ
て改質器34に導かれ、圧縮空気は空気供給路39から
分岐する分岐空気路40によって改質器34に導かれ
る。燃料排ガスに残存する水素と圧縮空気中の酸素とは
バーナの燃焼に用いられ、改質反応に必要な熱量を供給
する。
In the fuel cell system 30 including the fuel cell 20 of this embodiment, the fuel exhaust gas after being used for the cell reaction at the anode 22 and a part of the air compressed by the pump 36 are reformed. Is supplied to the container 34. As described above, since the reforming reaction in the reformer 34 is an endothermic reaction and requires external heat supply, a burner (not shown) is provided inside the reformer 34 for heating. The fuel gas and compressed air are used for the combustion of this burner. The spent fuel exhaust gas is guided to the reformer 34 by the exhaust gas passage 41, and the compressed air is guided to the reformer 34 by the branch air passage 40 branched from the air supply passage 39. The hydrogen remaining in the fuel exhaust gas and the oxygen in the compressed air are used for burner combustion and supply the heat required for the reforming reaction.

【0050】以上、本実施例の燃料電池20を備える燃
料電池システム30の構成について説明したが、次に、
本発明の要部に対応する電極の構成について詳しく説明
する。燃料電池20の陽電極であるカソード23は、既
述したようにカーボンクロスからなるガス拡散電極であ
る。本実施例では、カソード23における生成水の排水
性を向上させる目的で、カソード23の親水処理を行な
った。カソード23の親水処理は、カソード23として
用いるカーボンクロスを、親水処理剤を含む溶液中に浸
漬することによって行なった。親水処理剤としてはSi
2 を採用した。カーボンクロスに付着させる親水処理
剤の量は、この親水処理剤を含む溶液(日曹化成株式会
社製、アトロンNSi−500)の濃度によって調節す
ることができる。付着させる親水処理剤を増やせばカソ
ード23の排水性は向上するが、SiO2 は導電性を有
しないためカソード23の抵抗値が上昇してしまい、か
えって電池性能を低下させることにもなる。そこで、電
池性能を低下させない範囲でどのくらいの親水化が可能
であるかを調べた。
The configuration of the fuel cell system 30 including the fuel cell 20 of this embodiment has been described above.
The structure of the electrode corresponding to the main part of the present invention will be described in detail. The cathode 23, which is a positive electrode of the fuel cell 20, is a gas diffusion electrode made of carbon cloth as described above. In this example, the cathode 23 was subjected to hydrophilic treatment for the purpose of improving the drainage of the generated water in the cathode 23. The hydrophilic treatment of the cathode 23 was performed by immersing the carbon cloth used as the cathode 23 in a solution containing a hydrophilic treatment agent. Si as a hydrophilic treatment agent
O 2 was adopted. The amount of the hydrophilic treatment agent attached to the carbon cloth can be adjusted by the concentration of the solution containing the hydrophilic treatment agent (Atron NSi-500 manufactured by Nisso Kasei Co., Ltd.). If the hydrophilic treatment agent to be attached is increased, the drainage property of the cathode 23 will be improved, but since SiO 2 has no conductivity, the resistance value of the cathode 23 will be increased, which will rather reduce the battery performance. Therefore, we investigated how much hydrophilicity is possible within a range that does not deteriorate the battery performance.

【0051】以下に、ガス拡散電極の備える排水性の評
価の方法について説明する。図4は、親水化処理を施し
たガス拡散電極58の有する排水性を調べるために用い
た蒸発速度測定装置50の構成を表わす模式図である。
蒸発速度測定装置50内に設置されたガス拡散電極58
は、その片面は水槽51中に蓄えられた水と接し、他面
は外部に設けた窒素ボンベ52から窒素の供給を受ける
窒素流路56と接している。水槽51内の水は水位ゲー
ジ54に通じており、水槽51内の水量の変化はこの水
位ゲージ54における水位の変化として観察される。ま
た、蒸発速度測定装置50にはヒータ55が設けられて
おり、蒸発速度測定装置50の内部の温度を燃料電池の
運転温度に対応する所定の温度に保つ。ここでは、75
℃に保つこととした。窒素ボンベ52と窒素流路56と
の間には流量調節部57が設けられており、窒素流路5
6に供給する窒素ガスの流量を調節可能となっている。
窒素流路56内においてガス拡散電極表面58に供給さ
れる窒素ガス量は、燃料電池運転時の空気過剰率に対応
するものであり、流量調節部57を調節することで各空
気過剰率における燃料電池内のガス拡散電極の状態を再
現可能にしている。ただし、実験の簡便のため、測定時
の圧力は大気圧で行なった。
The method for evaluating the drainage property of the gas diffusion electrode will be described below. FIG. 4 is a schematic diagram showing the configuration of an evaporation rate measuring device 50 used for investigating the drainage property of the gas diffusion electrode 58 subjected to the hydrophilic treatment.
Gas diffusion electrode 58 installed in evaporation rate measuring device 50
Has its one surface in contact with water stored in the water tank 51, and its other surface in contact with a nitrogen flow path 56 supplied with nitrogen from a nitrogen cylinder 52 provided outside. The water in the water tank 51 communicates with the water level gauge 54, and a change in the amount of water in the water tank 51 is observed as a change in the water level in the water level gauge 54. A heater 55 is provided in the evaporation rate measuring device 50 to keep the internal temperature of the evaporation rate measuring device 50 at a predetermined temperature corresponding to the operating temperature of the fuel cell. Here, 75
It was decided to keep it at ℃. A flow rate adjusting unit 57 is provided between the nitrogen cylinder 52 and the nitrogen channel 56, and the nitrogen channel 5
The flow rate of nitrogen gas supplied to No. 6 can be adjusted.
The amount of nitrogen gas supplied to the surface 58 of the gas diffusion electrode in the nitrogen flow path 56 corresponds to the excess air ratio during fuel cell operation, and the fuel at each excess air ratio is adjusted by adjusting the flow rate adjusting unit 57. The state of the gas diffusion electrode in the battery can be reproduced. However, for convenience of the experiment, the pressure at the time of measurement was atmospheric pressure.

【0052】図4に示すように蒸発速度測定装置50を
組み立て、装置内を上記所定の温度に保つと、水槽51
に蓄えられた水は徐々に気化して、ガス拡散電極58中
を拡散して窒素流路56に到達し、窒素ガスと共に外部
に排出される。そこで、所定時間毎に水位ゲージ54の
水位を測定すれば、ガス拡散電極を通じて蒸発した水量
を知ることができる。図5に示すように、横軸を測定時
間、縦軸を蒸発水量としてグラフの傾きを求めれば、各
ガス拡散電極について固有の蒸発速度を求めることがで
きる。本実施例では、このようにして調べた蒸発速度を
ガス拡散電極の備える排水性の目安とした。
As shown in FIG. 4, when the evaporation rate measuring device 50 is assembled and the inside of the device is kept at the above predetermined temperature, the water tank 51
The water stored in is gradually vaporized, diffuses in the gas diffusion electrode 58, reaches the nitrogen flow path 56, and is discharged to the outside together with the nitrogen gas. Therefore, by measuring the water level of the water level gauge 54 every predetermined time, the amount of water evaporated through the gas diffusion electrode can be known. As shown in FIG. 5, by obtaining the slope of the graph with the horizontal axis as the measurement time and the vertical axis as the amount of evaporated water, the evaporation rate specific to each gas diffusion electrode can be calculated. In this example, the evaporation rate thus examined was used as a measure of the drainage property of the gas diffusion electrode.

【0053】図6は、上記した親水処理を行なう際に処
理時間を変えることによって付着させるSiO2 量を変
えたガス拡散電極について、蒸発速度測定装置50を用
いてガス拡散性を比較した結果を表わす。燃料電池20
は、図13の設定条件で運転することを目標としている
が、この設定条件に従った空気過剰率2の場合には、親
水処理を施すガス拡散電極の重さに対する付着させたS
iO2 量の割合が0.5%以上のときに必要排水量を満
たすようになることが分かる。ここで必要排水量とは、
所定の出力で燃料電池が発電を行なったときに、電解質
膜21のカソード23側で生成される水分子の量と、電
解質膜21の内部でアノード22側からカソード23側
にプロトンと共に移動してくる水分子の量との和を基に
求めた量である。
FIG. 6 shows the results of comparing the gas diffusivities using the evaporation rate measuring device 50 for the gas diffusion electrodes in which the amount of SiO 2 to be deposited is changed by changing the treatment time when performing the hydrophilic treatment. Represent. Fuel cell 20
The target is to operate under the set conditions of FIG. 13, but in the case of the excess air ratio 2 according to the set conditions, the S added to the weight of the gas diffusion electrode subjected to the hydrophilic treatment is adhered.
It can be seen that when the ratio of iO 2 amount is 0.5% or more, the required drainage amount is satisfied. Here, the required drainage is
When the fuel cell generates power at a predetermined output, the amount of water molecules generated on the cathode 23 side of the electrolyte membrane 21 and the amount of water molecules inside the electrolyte membrane 21 that move from the anode 22 side to the cathode 23 side together with the protons. It is the amount calculated based on the sum with the amount of incoming water molecules.

【0054】他方、付着させたSiO2 の量とガス拡散
電極の抵抗値との関係について調べると、図7に示すよ
うに、SiO2 の割合が0.5%までは従来用いていた
ガス拡散電極と抵抗値があまり変わらないが、それ以上
SiO2 を付着させると急激に抵抗値が上昇することが
分かった。以上の結果から本実施例では、付着させるS
iO2 の量を、ガス拡散電極の重量の0.5%としてカ
ソード23を作製した。
On the other hand, when the relationship between the amount of deposited SiO 2 and the resistance value of the gas diffusion electrode was examined, as shown in FIG. 7, the gas diffusion ratio which was conventionally used was up to 0.5% of SiO 2. It was found that the resistance value did not change much from that of the electrode, but the resistance value rapidly increased when SiO 2 was further deposited. From the above results, in this embodiment, the S
The cathode 23 was produced with the amount of iO 2 set to 0.5% of the weight of the gas diffusion electrode.

【0055】カソード23の作製の際には、用意したカ
ーボンクロスに既述した親水処理を施して、カーボンク
ロス重量の0.5%のSiO2 を付着させ、さらに、従
来用いていたガス拡散電極と同様に撥水カーボンの塗布
を行なった。撥水カーボンの作製およびその塗布は以下
のようにして行なう。まず、カーボン粉(ファーネスブ
ラック、キャボット社製、商品名VALCAN XC72 )を、撥
水性物質であるポリテトラフルオロエチレン(商品名テ
フロン、以下PTFEと呼ぶ)やポリエチレングリコー
ルモノ−P−イソオクチルフェニルエーテル(以下、T
ritonX−100と呼ぶ)等の分散剤と共に水に懸
濁してよく混ぜ合わせる。このとき、PTFEとカーボ
ン粉とは等量を混ぜ合わせることとした。この懸濁液を
吸引ろ過あるいは加圧ろ過することで、PTFEが表面
に付着したカーボン粉を水から分離する。
At the time of manufacturing the cathode 23, the prepared carbon cloth is subjected to the above-mentioned hydrophilic treatment to adhere SiO 2 of 0.5% of the weight of the carbon cloth, and further, the gas diffusion electrode which has been conventionally used. Water-repellent carbon was applied in the same manner as in. The water-repellent carbon is produced and applied as follows. First, carbon powder (furnace black, manufactured by Cabot Co., Ltd., trade name VALCAN XC72) is used as a water repellent substance such as polytetrafluoroethylene (trade name Teflon, hereinafter referred to as PTFE) and polyethylene glycol mono-P-isooctylphenyl ether ( Below, T
It is suspended in water and mixed well with a dispersant such as Ritton X-100). At this time, PTFE and carbon powder were mixed in equal amounts. The carbon powder having PTFE adhering to its surface is separated from water by suction filtration or pressure filtration of this suspension.

【0056】この時点で、PTFEが表面に付着したカ
ーボン粉を280℃程度で処理して上記分散剤などを蒸
発させ、撥水カーボンを作製してもよいが、この工程は
省略することができる。以後、このような焼き付けの工
程を省略したものも含めて、カーボンクロスの表面に塗
布するために作製したカーボン粉とPTFEとの混合物
を撥水カーボンと呼ぶことにする。このように作製した
撥水カーボンは、エタノール中に懸濁し、超音波処理な
どによって均一に分散させたうえで、カーボンクロスの
表面に塗布する。撥水カーボンは、カーボンクロスの両
面のそれぞれに、分散剤などを除いた量で4mg/cm
2 を塗布した。撥水カーボンの塗布後、カーボンクロス
は約320℃で焼成する。この焼成の工程によって、P
TEFは周囲のカーボンに結着し、エタノールと分散剤
とは蒸発してカソード23が完成する。カーボンクロス
に撥水カーボンを塗布する前に撥水カーボンの焼き付け
を行なわない場合にも、最終的に焼成を行なうことでこ
のように分散剤を蒸発させることができる。
At this point, the water-repellent carbon may be produced by treating the carbon powder having PTFE adhered to its surface at about 280 ° C. to evaporate the dispersant and the like, but this step can be omitted. . Hereinafter, the mixture of carbon powder and PTFE prepared for coating on the surface of the carbon cloth, including those obtained by omitting the baking step, will be referred to as water-repellent carbon. The water-repellent carbon thus produced is suspended in ethanol, uniformly dispersed by ultrasonic treatment or the like, and then applied to the surface of the carbon cloth. Water-repellent carbon is 4 mg / cm on both sides of the carbon cloth, excluding the dispersant.
2 was applied. After applying the water-repellent carbon, the carbon cloth is fired at about 320 ° C. By this firing process, P
TEF is bound to the surrounding carbon, and the ethanol and dispersant are evaporated to complete the cathode 23. Even when the water-repellent carbon is not baked before applying the water-repellent carbon to the carbon cloth, the dispersant can be evaporated in this way by finally performing the baking.

【0057】このようにして作製したカソード23を用
いて燃料電池20を組み立て、図13の設定条件に従っ
て発電を行なったときの1A/cm2 定電流放電結果
を、図8に符号dのグラフとして示す。カーボンクロス
に0.5%重量のSiO2 を付着させる親水処理を施し
たうえで、その両面に上記撥水カーボンを4mg/cm
2 の割合で塗布したカソード23を用いると、親水処理
を行なわない従来のカソードを用いる場合(符号bのグ
ラフ)や、既述した親水性の縦糸と疎水性の横糸とを編
み込んだカソードを用いる場合(符号cのグラフ)に比
べて、高い電圧を安定して得ることができた。
The fuel cell 20 was assembled using the cathode 23 thus manufactured, and the constant current discharge result of 1 A / cm 2 when power generation was performed according to the set conditions of FIG. 13 is shown in FIG. Show. The carbon cloth is subjected to a hydrophilic treatment in which 0.5% by weight of SiO 2 is adhered, and then the above water-repellent carbon is applied to both surfaces of 4 mg / cm 2.
When the cathode 23 applied at a ratio of 2 is used, when the conventional cathode not subjected to the hydrophilic treatment is used (graph b), the cathode in which the hydrophilic warp yarn and the hydrophobic weft yarn described above are woven is used. As compared with the case (graph c), a high voltage could be stably obtained.

【0058】本実施例の燃料電池20におけるカソード
23での生成水および酸化ガスの移動の様子は、すでに
図1で示した。カソード23は、カーボンクロスを親水
処理してなる親水部60と、親水部60の電解質膜側の
表面に撥水カーボンを塗布してなる電解質膜側撥水部6
2と、同じく親水部60のガス流路側の表面に撥水カー
ボンを塗布してなるガス流路側撥水部64とからなる。
The movement of the produced water and the oxidizing gas at the cathode 23 in the fuel cell 20 of this embodiment has already been shown in FIG. The cathode 23 has a hydrophilic portion 60 formed by hydrophilically treating carbon cloth, and an electrolyte membrane-side water repellent portion 6 formed by coating water repellent carbon on the surface of the hydrophilic portion 60 on the electrolyte membrane side.
2 and a gas channel side water repellent portion 64 which is also formed by applying water repellent carbon to the surface of the hydrophilic portion 60 on the gas channel side.

【0059】本実施例の燃料電池20によれば、カソー
ド23を構成する電極基材に上記親水処理を施して親水
部60を形成したために、カソード23側での電池反応
で生じた生成水は、この親水部60に容易に吸収される
ようになり、ガス拡散電極を通って酸化ガス流路25P
側に蒸散することによって効果的に排水されるようにな
った。これによって、カソード23内に生成水が留まっ
て凝縮し、ガスの流路を塞いでしまうことがなくなっ
た。従って、ガス不足によって電池反応が低下してしま
うことが防止され、安定した電圧の出力が可能になっ
た。また、本実施例の燃料電池20によれば、カソード
23の電解質膜21側の表面に撥水カーボンを塗布して
なる電解質膜側撥水部62を形成しているため、電池反
応で生じた生成水を弾いて電解質層21に押し戻すこと
が可能となっている。このように、生成水を電解質膜2
1に押し戻すことで電解質膜21の湿潤状態を保ち易く
なり、電解質膜21の乾燥による電池抵抗の上昇を防止
することができる。さらに、上記ガス流路側撥水部64
を形成したことによって、蒸散され残った生成水が電極
表面に留まってガスの拡散を妨げてしまうことを防止す
ることができる。
According to the fuel cell 20 of this embodiment, since the electrode base material forming the cathode 23 is subjected to the hydrophilic treatment to form the hydrophilic portion 60, the water produced by the cell reaction on the cathode 23 side is not generated. , The hydrophilic portion 60 is easily absorbed, and passes through the gas diffusion electrode to form the oxidizing gas flow path 25P.
It is effectively drained by transpiration to the side. As a result, the generated water does not remain in the cathode 23 and condense to block the gas passage. Therefore, it is possible to prevent the battery reaction from decreasing due to the lack of gas, and it is possible to output a stable voltage. Further, according to the fuel cell 20 of this embodiment, since the electrolyte membrane-side water repellent portion 62 formed by applying water repellent carbon to the surface of the cathode 23 on the side of the electrolyte membrane 21 is formed, a cell reaction occurs. It is possible to repel the generated water and push it back to the electrolyte layer 21. In this way, the generated water is passed through the electrolyte membrane 2
By pushing back to 1, it becomes easier to keep the wet state of the electrolyte membrane 21, and it is possible to prevent an increase in battery resistance due to drying of the electrolyte membrane 21. Further, the water repellent portion 64 on the gas flow path side
By forming the, it is possible to prevent the generated water remaining after being evaporated from remaining on the electrode surface and hindering gas diffusion.

【0060】本実施例では、親水処理剤としてSiO2
を用いたが、この他にもTiO2 、In23、Zr
2、 Ta25などを用いることができる。このように
電極基材に付着させる親水処理剤は、燃料電池20の動
作を妨げず、カソード23の製造工程の条件や燃料電池
20の運転条件に耐えるものの中から選べばよい。特
に、この親水性物質が導電性を持たず、あるいは電池反
応を阻害する作用を有する場合には、電極基材の親水化
のために必要な量の親水化剤を付着させたときに、電池
性能の低下が許容範囲内であることが望ましい。もとよ
り、充分な導電性を有する親水化剤を用いれば、抵抗値
の上昇を考慮することなく付着させる親水化剤の割合を
決めることが可能となる。
In this embodiment, SiO 2 is used as the hydrophilic treatment agent.
In addition to these, TiO 2 , In 2 O 3 , Zr
O 2 , Ta 2 O 5 or the like can be used. The hydrophilic treatment agent thus attached to the electrode base material may be selected from those that do not interfere with the operation of the fuel cell 20 and can withstand the conditions of the manufacturing process of the cathode 23 and the operating conditions of the fuel cell 20. In particular, when the hydrophilic substance does not have conductivity or has an effect of inhibiting the battery reaction, when the hydrophilic agent in an amount necessary for making the electrode base material hydrophilic is attached, It is desirable that the decrease in performance be within an allowable range. Of course, if a hydrophilic agent having sufficient conductivity is used, it is possible to determine the ratio of the hydrophilic agent to be attached without considering the increase in resistance value.

【0061】電極基材に対して施す親水処理として、上
述したように、親水性を有する物質を電極基材の表面に
付着させる場合には、この親水処理剤を含む液体中に電
極基材を浸漬することによって容易に達成できる。ま
た、電極基材の親水化の方法としてはこの他にも、電極
基材を化学的に処理することによって、電極基材の表面
的な化学的な構造を変化させて親水性を向上させる方法
をとることもできる。この場合にも、上記処理を施すこ
とによって電池性能の低下が生ずるならば、この電池性
能の低下は親水処理によって得られる効果に比べて許容
範囲内とすることが好ましい。
As described above, when a substance having hydrophilicity is attached to the surface of the electrode base material as the hydrophilic treatment applied to the electrode base material, the electrode base material is immersed in a liquid containing the hydrophilic treatment agent. It can be easily achieved by dipping. In addition to the above method of making the electrode base material hydrophilic, a method of chemically treating the electrode base material to change the surface chemical structure of the electrode base material to improve hydrophilicity Can also be taken. Also in this case, if the battery performance is deteriorated by performing the above treatment, it is preferable that the deterioration of the battery performance is within an allowable range as compared with the effect obtained by the hydrophilic treatment.

【0062】また、本実施例では、撥水カーボンを作製
するためにPTFEを用いたが、撥水性物質としては、
ガス拡散電極の表面に撥水層を設けることによる抵抗値
の上昇が許容範囲内である使用量で、充分な撥水性をカ
ソード23に付加することができ、カーボン粉と均一に
混ぜ合わせることが可能であって、カソード23の製作
工程の条件や燃料電池20の運転条件に耐える物質であ
ればよい。さらに本実施例では、分散剤としてTrit
onX−100を用いたが、他種の界面活性剤等を用い
てもよく、カーボン粉と撥水性物質をが均一に分散する
のを助けることができればよい。ただし、焼成などによ
って最終的に除去することが可能であることが望まし
い。
Further, in this embodiment, PTFE was used for producing the water repellent carbon, but as the water repellent substance,
A sufficient amount of water repellency can be added to the cathode 23 with a usage amount such that the increase in the resistance value due to the provision of the water repellent layer on the surface of the gas diffusion electrode is within an allowable range, and the carbon powder can be uniformly mixed. Any substance that is possible and can withstand the manufacturing process conditions of the cathode 23 and the operating conditions of the fuel cell 20 may be used. Furthermore, in this example, as a dispersant, Trit was used.
Although onX-100 is used, other kinds of surfactants may be used as long as they can help the carbon powder and the water-repellent substance to be uniformly dispersed. However, it is desirable that it can be finally removed by firing or the like.

【0063】上記実施例では、カソード23の両面に等
量の撥水カーボンを塗布したが、以下に説明する第2実
施例では、電解質膜21側の撥水カーボン量を酸化ガス
流路25P側の撥水カーボン量よりも多くしてカソード
23aを形成した。カソード23aの各面に塗布する撥
水カーボン量以外は、上記第1実施例と同様に燃料電池
20aおよび燃料電池システム30aを構成した。第2
実施例以下の説明では、燃料電池を構成する各部におい
て、第1実施例と共通するカソード以外の部位について
は第1実施例と同様の符号を付すこととする。
In the above-described embodiment, the same amount of water-repellent carbon is applied to both surfaces of the cathode 23, but in the second embodiment described below, the amount of water-repellent carbon on the electrolyte membrane 21 side is set to the oxidizing gas flow channel 25P side. The cathode 23a was formed with a larger amount of water repellent carbon. The fuel cell 20a and the fuel cell system 30a were constructed in the same manner as in the first embodiment except that the amount of water repellent carbon applied to each surface of the cathode 23a was changed. Second
Example In the following description, in each part constituting the fuel cell, the same parts as those in the first example except for the cathode are denoted by the same reference numerals as those in the first example.

【0064】この第2実施例において、電解質膜21側
の撥水カーボン量を酸化ガス流路25P側の撥水カーボ
ン量よりも多くする際、電解質膜21側の撥水カーボン
量を単に増加させたのでは、カソード23aの両面に塗
布する撥水カーボン量の総量が多くなってしまう。撥水
カーボンを構成するPTFEは導電性を持たないため
に、このような場合には電極抵抗が大きくなってしま
い、電池性能が却って悪化する。そこで、第2実施例で
は、撥水カーボンの総量は第1実施例と同じにして、塗
布する割合だけをカソード23aの両面で変えることと
した。電解質膜21側には6mg/cm2 の割合で塗布
し、酸化ガス流路25P側には2mg/cm2 の割合で
塗布した。
In the second embodiment, when the amount of water-repellent carbon on the electrolyte membrane 21 side is made larger than that on the oxidizing gas flow channel 25P side, the amount of water-repellent carbon on the electrolyte membrane 21 side is simply increased. If so, the total amount of the water-repellent carbon applied to both surfaces of the cathode 23a will increase. Since PTFE that constitutes the water-repellent carbon does not have conductivity, in such a case, the electrode resistance increases and the battery performance rather deteriorates. Therefore, in the second embodiment, the total amount of water-repellent carbon is set to be the same as in the first embodiment, and only the application ratio is changed on both surfaces of the cathode 23a. The electrolyte membrane 21 side was applied at a rate of 6 mg / cm 2, the oxidizing gas passage 25P side was applied at a rate of 2 mg / cm 2.

【0065】以上のように構成した燃料電池20aを用
いて発電し、1A/cm2 定電流放電を行なった結果
を、図8に符号eのグラフとして示す。カソード23の
両面に等量の撥水カーボンを塗布した第1実施例の場合
に比べて、高い電圧を安定して得ることができた。
The result of 1 A / cm 2 constant current discharge generated by power generation using the fuel cell 20a configured as described above is shown in FIG. As compared with the case of the first embodiment in which equal amounts of water-repellent carbon were applied to both surfaces of the cathode 23, a high voltage could be stably obtained.

【0066】第2実施例の燃料電池20aにおけるカソ
ード23aでは、電解質膜側撥水部62の含有する撥水
性物質量をガス流路側撥水部64が含有する撥水性物質
量に比べて多くなるよう形成しているため、第1実施例
でカソード23を親水処理することで得られた効果に加
えて、以下のような効果を奏する。すなわち、カソード
23aにおいて電解質膜側撥水部62の撥水性が向上し
ているため、生成水が弾かれて電解質膜21に押し戻さ
れる作用が強まり、図1で電解質膜側に水を押し戻す矢
印として表わした力がさらに強くなっている。そのた
め、電解質膜21の湿潤状態がさらに良好に維持される
ようになり、電解質膜21の乾燥による電池抵抗の上昇
を防止して高い電圧を得ることが可能となる。また、カ
ソード23aにおいて、電解質膜側撥水部62の撥水性
が向上して生成水が弾かれることによって、この部位で
のガス拡散性がさらに向上し、電池反応が促進されて、
より高い電圧を出力することが可能となった。もとよ
り、撥水カーボンを作製する際に、PTFEの代わりに
導電性を有する撥水性物質を用いるならば、カソード2
3aに塗布する撥水カーボンの総量を増やすことも可能
である。
In the cathode 23a of the fuel cell 20a of the second embodiment, the amount of water repellent substance contained in the electrolyte membrane side water repellent part 62 is larger than the amount of water repellent substance contained in the gas channel side water repellent part 64. Since it is formed as described above, in addition to the effect obtained by hydrophilically treating the cathode 23 in the first embodiment, the following effect is obtained. That is, since the water repellency of the electrolyte membrane-side water-repellent portion 62 is improved in the cathode 23a, the action of the generated water being repelled and pushed back to the electrolyte membrane 21 is strengthened, and as an arrow for pushing water back to the electrolyte membrane side in FIG. The power expressed is becoming stronger. Therefore, the wet state of the electrolyte membrane 21 can be more favorably maintained, and it is possible to prevent an increase in battery resistance due to the drying of the electrolyte membrane 21 and obtain a high voltage. Further, in the cathode 23a, the water repellency of the electrolyte membrane side water repellent portion 62 is improved and the generated water is repelled, so that the gas diffusivity at this portion is further improved and the battery reaction is promoted.
It has become possible to output a higher voltage. Of course, if a water-repellent substance having conductivity is used instead of PTFE when producing water-repellent carbon, the cathode 2
It is also possible to increase the total amount of water-repellent carbon applied to 3a.

【0067】また、第2実施例の燃料電池20aにおけ
るカソード23aは、第1実施例のカソード23に比べ
て酸化ガス流路25P側に塗布した撥水カーボン量が少
ないため、酸化ガス流路25Pから供給される酸化ガス
が透過し易くなり、電池性能が向上するという効果をも
奏する。酸化ガス流路25P側に撥水カーボンを塗布す
ることによって、生成水による水の膜が張ってガスの拡
散が妨げられてしまうのを防止することができるが、同
時に酸化ガス流路25P側に塗布した撥水カーボンは、
酸化ガス流路25Pからのガスの拡散を妨げてもいる。
生成水が生じる電解質膜21側では、既述したように撥
水性を備えることでガスの拡散性が向上するが、乾燥ガ
スが加圧供給される酸化ガス流路25P側では、撥水カ
ーボンの塗布は却ってガスの拡散を妨げている。第2実
施例のカソード23aは、酸化ガス流路25P側におい
て、過剰な生成水を弾く撥水性は維持しながら、撥水カ
ーボンを減らしたことによって酸化ガスの拡散性を向上
させることができた。
Further, since the cathode 23a in the fuel cell 20a of the second embodiment has a smaller amount of water-repellent carbon applied to the oxidizing gas passage 25P side than the cathode 23 of the first embodiment, the oxidizing gas passage 25P is formed. Oxidizing gas supplied from the battery is easily permeated, and the battery performance is also improved. By coating the water repellent carbon on the side of the oxidizing gas flow channel 25P, it is possible to prevent the water film of the generated water from being stretched and hindering the diffusion of the gas. The applied water-repellent carbon is
It also prevents the diffusion of gas from the oxidizing gas channel 25P.
On the side of the electrolyte membrane 21 where the generated water is generated, the diffusibility of gas is improved by providing water repellency as described above, but on the side of the oxidizing gas channel 25P to which the dry gas is supplied under pressure, water repellent carbon is generated. The application on the contrary hinders gas diffusion. The cathode 23a of the second embodiment can improve the diffusivity of the oxidizing gas by reducing the water-repellent carbon while maintaining the water repellency that repels excess generated water on the oxidizing gas flow path 25P side. .

【0068】このように第2実施例では、カソード23
aの両面に塗布する撥水カーボンの割合を変えることに
よってに電解質膜21側の撥水性を強化した。カソード
23aにおいて電解質膜21側の撥水性を強化すること
によって、電解質膜21の乾き防止とカソード23aで
のガス拡散性の向上を図り、出力電圧を上昇させること
が可能であるが、上述したように、充分な導電性を有し
ない撥水性物質を用いる場合には電極抵抗の問題がある
ため、塗布する撥水カーボン量を増やして撥水性を強化
する方法には限界がある。ここで、撥水カーボン量を増
やす以外の方法で電極表面の撥水性を向上させるために
は、撥水カーボン自身の撥水性を向上させる方法が考え
られる。
As described above, in the second embodiment, the cathode 23
The water repellency on the electrolyte membrane 21 side was enhanced by changing the ratio of the water repellent carbon applied to both surfaces of a. By strengthening the water repellency on the electrolyte membrane 21 side of the cathode 23a, it is possible to prevent the electrolyte membrane 21 from drying and improve the gas diffusibility at the cathode 23a, and it is possible to increase the output voltage. In addition, when using a water repellent material that does not have sufficient conductivity, there is a problem of electrode resistance. Therefore, there is a limit to the method of increasing the amount of water repellent carbon to be applied to enhance water repellency. Here, in order to improve the water repellency of the electrode surface by a method other than increasing the amount of the water repellent carbon, a method of improving the water repellency of the water repellent carbon itself can be considered.

【0069】撥水カーボンの撥水性は、カーボン粉に付
着させた撥水性物質(本実施例ではPTFE)によって
与えられており、カーボン粉に付着させるPTFE量を
増やすことによって撥水カーボンの撥水性を向上させる
ことができる。しかし、このような場合には、撥水カー
ボンの総量を増やす場合と同じく導電性を持たないPT
FEの量が増えるため、電極の抵抗値が大きくなって採
用し難い。図9は、撥水カーボン中のPTFE量を変え
てガス拡散電極を形成したときの、ガス拡散電極が示す
抵抗値を測定した結果である。図9から分かるように、
従来撥水カーボンを作製するときの条件であったPTF
E量50%をこえてPTFE量を増やすと、ガス拡散電
極の抵抗値は大きく上昇してしまう。
The water repellency of the water-repellent carbon is given by the water-repellent substance (PTFE in this embodiment) attached to the carbon powder, and the water repellency of the water-repellent carbon is increased by increasing the amount of PTFE attached to the carbon powder. Can be improved. However, in such a case, as in the case of increasing the total amount of water-repellent carbon, PT that does not have conductivity is used.
Since the amount of FE increases, the resistance value of the electrode increases and it is difficult to adopt. FIG. 9 shows the results of measuring the resistance value of the gas diffusion electrode when the gas diffusion electrode was formed by changing the amount of PTFE in the water-repellent carbon. As can be seen from FIG.
PTF, which has been the condition for producing water-repellent carbon in the past
If the PTFE amount is increased to exceed the E amount of 50%, the resistance value of the gas diffusion electrode is greatly increased.

【0070】撥水カーボン自身の撥水性を向上させる他
の方法としては、撥水性物質を付着させるカーボン粉の
撥水性を向上させることも考えられる。従来、撥水カー
ボンを作製するためのカーボン粉は、ファーネスブラッ
クを用いてきた。抵抗値の大きさが許容範囲内で、ファ
ーネスブラックよりも撥水性の強いカーボンを用いるな
らば、これまでよりも撥水カーボン自身の撥水性を向上
できることになる。そこで、他のカーボン種であるアセ
チレンブラックおよび黒鉛化ブラックについて、導電性
と撥水性とに関してファーネスブラックとの比較を行な
った。
As another method for improving the water repellency of the water-repellent carbon itself, it is considered to improve the water repellency of the carbon powder to which the water-repellent substance is attached. Conventionally, furnace black has been used as the carbon powder for producing the water-repellent carbon. If the resistance value is within the allowable range and carbon that is more water repellent than furnace black is used, the water repellency of the water repellent carbon itself can be improved more than before. Therefore, other carbon species, acetylene black and graphitized black, were compared with furnace black in terms of conductivity and water repellency.

【0071】まず、ファーネスブラック、アセチレンブ
ラック、黒鉛化ブラックのそれぞれを用いて既述した実
施例にならって撥水カーボンを作製し、それぞれの撥水
カーボンをカーボンクロスに塗布して電極を作製した。
これら各電極の抵抗値を測定すると、図10に示すよう
に、いずれのカーボン種を用いて撥水カーボンを作製し
た場合にも抵抗値は大差なかった。なお、ここでは、い
ずれのカーボンを用いる場合にも、撥水カーボンの作製
時に混合するPTFE量はカーボン量と等量とした。
First, water-repellent carbon was prepared by using furnace black, acetylene black, and graphitized black in accordance with the above-described examples, and each water-repellent carbon was applied to carbon cloth to prepare an electrode. .
When the resistance value of each of these electrodes was measured, as shown in FIG. 10, there was no great difference in the resistance value regardless of which carbon species was used to produce the water-repellent carbon. In this case, the amount of PTFE mixed when producing the water-repellent carbon was equal to the amount of carbon regardless of which carbon was used.

【0072】次に、これらのカーボン種について撥水性
を比較した。各カーボンは、その構造中にいくらかの官
能基を含んでいると考えられるが、親水性の官能基が多
いほどカーボンの撥水性は低くなると考えられる。そこ
でまず、各カーボンが有する官能基の量の測定を行なっ
た。図11は、逆滴定法によって各カーボンの官能基を
測定した結果である。逆滴定法とは、試料に対して過剰
となるように第1の標準液の既知量を加え、その後、こ
の過剰分を第2の標準液で滴定して最終的に試料を定量
する方法である。特に、試料と標準液との反応速度が遅
い場合や、反応が平衡に達して進行し難くなる場合に有
効である。ここでは、第1の標準液として水酸化ナトリ
ウム溶液を用い、第2の標準液として塩酸溶液を用い
た。このように、図11には酸性の官能基のみを測定し
た結果を示すが、主要な親水基であるカルボキシル基、
フェノール基等は酸性であるため、親水性の目安とな
る。図11の結果から、アセチレンブラックおよび黒鉛
化ブラックは、ファーネスブラックよりも撥水性が強い
と予想される。
Next, the water repellency of these carbon species was compared. It is considered that each carbon contains some functional groups in its structure, but it is considered that the more hydrophilic functional groups are, the lower the water repellency of the carbon is. Therefore, first, the amount of functional groups contained in each carbon was measured. FIG. 11 shows the results of measuring the functional groups of each carbon by the back titration method. The back titration method is a method in which a known amount of the first standard solution is added so that it becomes excessive with respect to the sample, and then this excess amount is titrated with the second standard solution to finally quantify the sample. is there. In particular, it is effective when the reaction rate between the sample and the standard solution is slow, or when the reaction reaches equilibrium and is difficult to proceed. Here, a sodium hydroxide solution was used as the first standard solution, and a hydrochloric acid solution was used as the second standard solution. Thus, FIG. 11 shows the results of measuring only acidic functional groups, but the main hydrophilic group is the carboxyl group,
Since the phenolic group is acidic, it is a measure of hydrophilicity. From the results of FIG. 11, it is expected that acetylene black and graphitized black have stronger water repellency than furnace black.

【0073】また、図12では、種々の濃度のエタノー
ルを滴下したときの接触角を測定することによって、各
カーボンの撥水性を比較した。ここでは、各カーボンに
ついて上記実施例に従って撥水カーボンを作製し、それ
ぞれの撥水カーボンを表面に塗布したガス拡散電極を用
意して、各々のガス拡散電極の上に種々の濃度のエタノ
ールを滴下したうえでその状態を写真撮影して接触角を
測定した。接触角とは、滴下した水滴表面と滴下された
面とがなす角度のことであり、撥水性が強いほど水滴は
強く弾かれるため接触角は大きくなる。ここで、撥水性
を調べる際に水の代わりにエタノールを用いたが、エタ
ノールは水よりも弾かれ易いという性質を有するので接
触角が大きくなり、測定が容易で差異が分かりやすくな
る。そこで、このように種々の濃度のエタノールを用い
て評価を行なうこととした。図12の接触角の測定から
も、アセチレンブラックおよび黒鉛化ブラックは、ファ
ーネスブラックよりも撥水性が強いという結果が得られ
た。
Further, in FIG. 12, the water repellency of each carbon was compared by measuring the contact angle when ethanol of various concentrations was dropped. Here, for each carbon, water-repellent carbon was prepared according to the above-mentioned example, and a gas diffusion electrode having the surface coated with each water-repellent carbon was prepared, and ethanol of various concentrations was dropped on each gas diffusion electrode. After that, the state was photographed and the contact angle was measured. The contact angle is an angle formed by the surface of the dropped water droplet and the surface on which the droplet is dropped, and the stronger the water repellency is, the stronger the water droplet is repelled and the larger the contact angle. Here, ethanol was used in place of water when investigating the water repellency, but since ethanol has a property of being more easily repelled than water, the contact angle becomes large, and the measurement is easy and the difference is easy to understand. Therefore, it was decided to perform evaluation using various concentrations of ethanol in this way. From the measurement of the contact angle shown in FIG. 12, it was also obtained that the acetylene black and the graphitized black had stronger water repellency than the furnace black.

【0074】上記の結果より、従来用いてきたファーネ
スブラックよりも撥水性が強いと考えられるアセチレン
ブラックおよび黒鉛化ブラックを用いて撥水カーボンを
作製し、燃料電池を組み立てた。アセチレンブラックよ
りなる撥水カーボンを塗布したカソード23bを備えた
燃料電池20bと、黒鉛化ブラックよりなる撥水カーボ
ンを塗布したカソード23cを備えた燃料電池20cと
について、1A/cm2 定電流放電を行なった結果を第
3実施例として、図8に符号fおよび符号gのグラフと
して示す。いずれの場合も、ファーネスブラックからな
る撥水カーボンを用いた燃料電池20に比べて高い電圧
を安定して得ることができた。もとより、これらカソー
ド23bおよび23cでは、その電極基材は既述した親
水処理が施されている。
From the above results, water repellent carbon was produced using acetylene black and graphitized black, which are considered to have stronger water repellency than the conventionally used furnace black, and a fuel cell was assembled. A constant current discharge of 1 A / cm 2 was performed on a fuel cell 20b having a cathode 23b coated with water-repellent carbon made of acetylene black and a fuel cell 20c having a cathode 23c coated with water-repellent carbon made of graphitized black. The results obtained are shown in FIG. 8 as a graph of symbols f and g as a third embodiment. In any case, a higher voltage could be stably obtained as compared with the fuel cell 20 using the water repellent carbon made of furnace black. Of course, in the cathodes 23b and 23c, the electrode base material is subjected to the hydrophilic treatment described above.

【0075】上記第3実施例の燃料電池20bおよび2
0cでは、電極表面に塗布する撥水カーボンの撥水性が
さらに向上することによって、電池反応で生じた生成水
がさらに押し戻され易くなり、押し戻された生成水は電
解質膜21における乾燥気味の部位に速やかに伝えられ
るため、電解質膜21の湿潤状態がより一層良好に保持
されるようになった。そのため、燃料電池の発電中に電
解質膜21が乾燥して抵抗値が上昇することで電圧が降
下してしまうのを防止することができる。また、撥水カ
ーボンの撥水性がさらに向上したことで、カソード23
bおよびカソード23cのガス拡散性が向上し、電池反
応が促進されて、さらに高電圧を得ることができるよう
になった。
Fuel cells 20b and 2 of the third embodiment
At 0c, the water repellency of the water-repellent carbon applied to the electrode surface is further improved, so that the generated water generated by the battery reaction is more likely to be pushed back, and the pushed-back generated water is deposited on the dry portion of the electrolyte membrane 21. Since it is transmitted promptly, the wet state of the electrolyte membrane 21 is more favorably maintained. Therefore, it is possible to prevent the voltage from dropping due to the electrolyte membrane 21 drying and the resistance value increasing during the power generation of the fuel cell. Further, since the water repellency of the water repellent carbon is further improved, the cathode 23
The gas diffusivity of b and the cathode 23c was improved, the cell reaction was promoted, and a higher voltage could be obtained.

【0076】以上のように、カソード23bおよび23
cを形成する際、親水処理を施した電極基材上に撥水カ
ーボンを塗布し、このとき特に、電解質膜21側の撥水
性を強化することによって、図13に示した設定条件に
従って酸化ガスを加湿せず空気過剰率も低い設定条件で
発電を行なった場合にも、電解質膜21の湿潤状態を維
持し、高いガス拡散性を実現することが可能となった。
As described above, the cathodes 23b and 23
When forming c, water-repellent carbon is applied onto the electrode substrate that has been subjected to a hydrophilic treatment, and at this time, in particular, by enhancing the water repellency on the electrolyte membrane 21 side, the oxidizing gas according to the set conditions shown in FIG. Even when power generation is performed under a set condition in which the air is not humidified and the excess air ratio is low, it is possible to maintain the wet state of the electrolyte membrane 21 and realize high gas diffusivity.

【0077】上記第1ないし第3実施例では、カソード
23において、その両面に撥水カーボンを塗布する構成
とした。酸化ガス流路24P側の面に塗布する撥水カー
ボンは、この酸化ガス流路24P側で生成水が凝結した
場合にはこれを弾いて排水を促す。しかしながら、カソ
ード23において、酸化ガス流路24P側に塗布した撥
水カーボンがなくても燃料電池20の性能が許容範囲内
である場合には、酸化ガス流路24P側には撥水カーボ
ンを塗布しない構成としてもよい。ただし、カソード2
3を構成するカーボンクロスが、カーボン粉を塗布され
ないまま直接セパレータ25と接触する場合には、従来
のカーボンクロスでは接触面積が足りず、集電不良とな
るおそれがある。そこで、酸化ガス流路24P側には撥
水カーボンを塗布しない構成とする場合には、充分に織
りの細かいカーボンクロスを用いるなどして集電性を確
保することとすればよい。また、酸化ガス流路24P側
には、撥水処理を施していないカーボン粉を塗布して集
電性を確保することとしてもよい。このとき、撥水性の
強いカーボン粉を用いるならば、集電性と共に所定の撥
水性を付与することもできる。
In the first to third embodiments, the cathode 23 has a structure in which water repellent carbon is applied to both surfaces thereof. The water-repellent carbon applied to the surface on the oxidizing gas flow path 24P side repels the generated water when it condenses on the oxidizing gas flow path 24P side to promote drainage. However, in the cathode 23, if the performance of the fuel cell 20 is within the allowable range even if there is no water-repellent carbon applied on the oxidizing gas flow path 24P side, the water-repellent carbon is applied on the oxidizing gas flow path 24P side. It may be configured not to. However, cathode 2
When the carbon cloth constituting No. 3 directly contacts the separator 25 without being coated with carbon powder, the contact area of the conventional carbon cloth is insufficient, which may result in poor current collection. Therefore, in the case where the water repellent carbon is not applied to the oxidizing gas flow path 24P side, it is sufficient to secure the current collecting property by using a carbon cloth having a sufficiently fine weave. Further, carbon powder that has not been subjected to a water repellent treatment may be applied to the oxidizing gas flow path 24P side to secure the current collecting property. At this time, if carbon powder having strong water repellency is used, it is possible to impart a predetermined water repellency together with the current collecting property.

【0078】上記実施例では導電性を持たないPTFE
をカーボン粉に付着させて撥水カーボンを作製し、この
撥水カーボンを塗布することによってカソード23表面
の撥水化を行なったが、もとより充分な導電性を有する
撥水性物質を塗布してカソード23の表面の撥水性を向
上させることとしてもよい。このような場合には、導電
性を有する撥水性物質を直接ペースト化してカソード2
3表面に塗布することが可能となり、撥水性物質を導電
性の担体に付着させる工程を省略することができる。
In the above embodiment, PTFE having no conductivity is used.
Water-repellent carbon was produced by adhering to the carbon powder, and the surface of the cathode 23 was made water-repellent by applying this water-repellent carbon. The water repellency of the surface of 23 may be improved. In such a case, the conductive water-repellent substance is directly made into a paste to form the cathode 2
3 can be applied to the surface, and the step of attaching the water-repellent substance to the conductive carrier can be omitted.

【0079】上記第1ないし第3実施例では、アノード
22は、従来用いてきたガス拡散電極と同様に、無処理
のカーボンクロスの表面に撥水カーボンを塗布したもの
を用いた。第4実施例では、第3実施例で用いたカソー
ド23cとともに、親水処理を施したアノード22dを
用いて燃料電池20dを組み立てた。このアノード22
dは、第1実施例のカソード22と同様に作製した。す
なわち、カーボンクロスを親水化処理してSiO2
0.5%の割合で付着させ、この親水処理したカーボン
クロスの両面に、PTFEを付着させた撥水カーボンを
各面4mg/cm2 の割合で塗布した。
In the first to third embodiments, as the anode 22, as in the case of the conventionally used gas diffusion electrode, an untreated carbon cloth coated with water-repellent carbon was used. In the fourth example, the fuel cell 20d was assembled by using the cathode 23c used in the third example and the hydrophilically treated anode 22d. This anode 22
d was manufactured similarly to the cathode 22 of the first embodiment. That is, the carbon cloth is hydrophilized to have SiO 2 adhered at a rate of 0.5%, and the water-repellent carbon with PTFE adhered to both surfaces of the hydrophilically treated carbon cloth is 4 mg / cm 2 on each side. Was applied.

【0080】このような燃料電池20dを用いて発電を
行ない、1A/cm2 の定電流放電を行なった結果を図
8にグラフhとして示す。第3実施例の燃料電池20c
を用いた場合よりも更に高い電圧で安定して発電を行な
うことができた。ここで得られる電圧のレベルは、従来
の親水処理を施さないガス拡散電極を用いた燃料電池
を、図13に示した従来条件に従って運転したときに得
られる電圧のレベルとほぼ同等である(図15参照)。
A graph h is shown in FIG. 8 as a result of carrying out power generation using such a fuel cell 20d and performing constant current discharge of 1 A / cm 2 . Fuel cell 20c of the third embodiment
It was possible to stably generate power at a voltage higher than that in the case of using. The voltage level obtained here is almost the same as the voltage level obtained when the fuel cell using the conventional gas diffusion electrode not subjected to the hydrophilic treatment is operated according to the conventional condition shown in FIG. 13 (see FIG. 15).

【0081】第4実施例の燃料電池20dによれば、ア
ノード22dの電極基材であるカーボンクロスに対して
SiO2 を用いた親水処理を施したため、アノード22
dは、燃料ガスとともに供給される水蒸気を効率よく吸
収して通過させることができ、このように吸収した水蒸
気を、電池反応が進むにつれて水を失いがちな電解質膜
21に供給することができる。従って、燃料電池20d
では、電解質膜21の乾燥をさらに効果的に防止するこ
とが可能となる。
According to the fuel cell 20d of the fourth embodiment, since the carbon cloth, which is the electrode base material of the anode 22d, is subjected to the hydrophilic treatment using SiO 2 , the anode 22d
d can efficiently absorb and pass the steam supplied together with the fuel gas, and the steam thus absorbed can be supplied to the electrolyte membrane 21 which tends to lose water as the cell reaction proceeds. Therefore, the fuel cell 20d
Then, it becomes possible to prevent the drying of the electrolyte membrane 21 more effectively.

【0082】また、本実施例の燃料電池20dでは、燃
料ガス流路24Pにおいて水蒸気の凝縮が起こっても、
燃料ガス流路24P側のアノード22d表面に塗布され
た撥水カーボンによって水滴が弾かれ、排水が促され
る。従って、燃料ガス流路24P側で水蒸気の凝縮が起
こっても、アノード22dの表面で水の膜が張ってガス
の拡散が妨げられるといったことがない。
Further, in the fuel cell 20d of this embodiment, even if water vapor condenses in the fuel gas passage 24P,
Water droplets are repelled by the water-repellent carbon applied to the surface of the anode 22d on the fuel gas flow path 24P side, and drainage is promoted. Therefore, even if water vapor condenses on the side of the fuel gas flow path 24P, a film of water will not form on the surface of the anode 22d and the diffusion of gas will not be hindered.

【0083】このように、第4実施例の燃料電池20d
においては、アノード22dの基部に対しても親水化の
処理を施すことによって、図13に示した設定条件に基
づいて加湿度60%の燃料ガスをそのまま供給しても、
電解質膜21の湿潤状態を充分に保つことが可能になっ
た。
Thus, the fuel cell 20d of the fourth embodiment is
In the above, even if the base portion of the anode 22d is subjected to the hydrophilic treatment, even if the fuel gas having a humidity of 60% is supplied as it is based on the setting conditions shown in FIG.
It has become possible to sufficiently maintain the wet state of the electrolyte membrane 21.

【0084】第4実施例の燃料電池20dでは、陽電極
においては、第1ないし第3実施例と同じくその電極基
部の親水性を強化すると共に電解質膜21側の撥水性を
強化し、陰電極においては、電極基部の親水性の強化を
行なっている。これによって、図13の設定条件に基づ
いて発電を行なっても、従来用いてきた親水処理を施さ
ない電極によって従来条件に従って発電を行なう場合と
ほぼ同等の電圧レベルを安定して得られるようになっ
た。このように、第4実施例の燃料電池20dは、高い
電圧を安定して出力するという優れた電池性能に加え、
発電のために消費するエネルギ量が発電量の10%であ
る設定条件に基づいた発電が可能になったことから、シ
ステム全体のエネルギ効率を大きく向上させることがで
きるという優れた効果を奏する。
In the fuel cell 20d of the fourth embodiment, in the positive electrode, as in the first to third embodiments, the hydrophilicity of the electrode base is strengthened and the water repellency on the electrolyte membrane 21 side is strengthened, and the negative electrode is used. In, the hydrophilicity of the electrode base is enhanced. As a result, even when power generation is performed based on the set conditions of FIG. 13, it is possible to stably obtain a voltage level that is substantially the same as that when power generation is performed according to the conventional conditions by the conventionally used electrodes that have not been subjected to the hydrophilic treatment. It was As described above, the fuel cell 20d of the fourth embodiment has the excellent cell performance of stably outputting a high voltage,
Since it is possible to generate power based on the setting condition that the amount of energy consumed for power generation is 10% of the amount of power generation, there is an excellent effect that the energy efficiency of the entire system can be greatly improved.

【0085】この図13における設定条件は、燃料電池
システム30において、発電のための消費エネルギが発
電量の10%となるように設定したものであり、供給す
るガスの加湿を積極的には行なわないこととして空気過
剰率を2としたが、消費エネルギ量が許容範囲であれ
ば、燃料電池の発電条件は設定条件ほど厳しくする必要
はない。所定範囲のエネルギを用いて燃料ガスや酸化ガ
スに対する加湿を行なってもよいし、空気過剰率を2以
上の所定の値に設定してもよい。この場合にも、本発明
の第1ないし第4実施例における効果を同様に得ること
ができ、出力電圧の上昇と安定化を図ることができる。
例えば、発電のための消費エネルギが発電量の20%で
も許容する場合には空気過剰率を3に設定することがで
きるため、酸化ガスの供給量の増加によってガスの拡散
性や生成水の排水性がさらに向上して電池性能の向上を
図ることが可能になる。さらに、空気過剰率を3に設定
する場合にも、ポンプ36よりもエネルギ効率の高い圧
縮機を用いることによって、システム全体のエネルギ効
率の低下を抑えることが可能である。
The set conditions in FIG. 13 are set so that the energy consumed for power generation in the fuel cell system 30 is 10% of the amount of power generation, and the humidification of the supplied gas is actively performed. Although the excess air ratio is set to 2 because it does not exist, the power generation condition of the fuel cell does not have to be as strict as the set condition as long as the energy consumption is within the allowable range. The fuel gas or the oxidizing gas may be humidified using energy in a predetermined range, or the excess air ratio may be set to a predetermined value of 2 or more. Also in this case, the effects of the first to fourth embodiments of the present invention can be similarly obtained, and the output voltage can be increased and stabilized.
For example, when the energy consumption for power generation allows even 20% of the power generation amount, the excess air ratio can be set to 3, so that the gas diffusivity and the generated water drainage are increased by increasing the supply amount of the oxidizing gas. It is possible to further improve battery performance and improve battery performance. Further, even when the excess air ratio is set to 3, it is possible to suppress a decrease in energy efficiency of the entire system by using a compressor having higher energy efficiency than the pump 36.

【0086】第4実施例では、第3実施例で用いたカソ
ード23cとともに、上記したアノード22dを用いる
ことによって、図8に示すような効果を得ることができ
た。アノード22dを用いることによって得られた第4
実施例での効果は、カソード側とは独立した効果であ
る。従って、既述した第1または第2実施例で用いたカ
ソード23、カソード23aあるいはカソード23bと
ともに上記アノード22dを用いた場合にも同様の効果
がみられ、その場合には、図8に示した第1実施例や第
2実施例の結果よりも高い電圧を得ることが可能にな
る。
In the fourth embodiment, by using the above-mentioned anode 22d together with the cathode 23c used in the third embodiment, the effect as shown in FIG. 8 can be obtained. Fourth obtained by using the anode 22d
The effect in the embodiment is an effect independent of the cathode side. Therefore, the same effect can be seen when the above-mentioned anode 22d is used together with the cathode 23, the cathode 23a or the cathode 23b used in the above-mentioned first or second embodiment, and in that case, as shown in FIG. It becomes possible to obtain a higher voltage than the results of the first and second embodiments.

【0087】また、第4実施例では、アノード22dの
両面に撥水カーボンを塗布する構成としたが、少なくと
も片面においてはこの様な撥水カーボンの塗布は行なわ
ない構成としてもよい。特に、電解質膜21と接する面
では、カソード側のように生成水が生じることがないた
め、撥水性が電解質膜21の湿潤状態の維持に役立つこ
とがない。撥水カーボンを塗布しない場合には、親水化
した電極基材が直接電解質膜21と接することになり、
この電極基材が吸収した水分を直接電解質膜21に与え
ることが可能となり、電解質膜21の湿潤性の維持にお
いてはかえって有利となることがある。従って、電解質
膜21と接する面では、撥水カーボンを塗布することに
よるガス拡散性の向上がなくなった場合の電池性能の低
下が許容範囲内であるならば、撥水カーボンの塗布を行
なわないこととすることができる。
In the fourth embodiment, the water-repellent carbon is applied to both surfaces of the anode 22d, but such water-repellent carbon may not be applied to at least one surface. In particular, on the surface that is in contact with the electrolyte membrane 21, water is not generated unlike the cathode side, so the water repellency does not help maintain the wet state of the electrolyte membrane 21. When the water repellent carbon is not applied, the hydrophilized electrode base material comes into direct contact with the electrolyte membrane 21,
The water absorbed by the electrode base material can be directly given to the electrolyte membrane 21, which may be rather advantageous in maintaining the wettability of the electrolyte membrane 21. Therefore, on the surface in contact with the electrolyte membrane 21, if the deterioration of the battery performance when the improvement of the gas diffusivity due to the application of the water-repellent carbon is eliminated is within the allowable range, do not apply the water-repellent carbon. Can be

【0088】また、燃料ガス流路24P側の面では、撥
水カーボンを塗布しない場合には、流路内で凝縮した水
滴を親水化した電極基材が直接吸収して電解質膜21に
供給することができるようになり、撥水カーボンによっ
て水滴を弾いて排水を促す場合とは異なる効果が得られ
る。従って、燃料ガス流路24P側の面においても撥水
カーボンの塗布を行なわないこととすることができる。
このように、アノード22dの各表面に撥水性の領域を
設けることは、電解質膜21の湿潤化やガス拡散性の維
持において相反する効果を示すことがあるため、各面に
撥水層を設けるかどうかは、電池の運転条件などに応じ
てそれぞれ適する条件を決めることとすればよい。
On the surface on the fuel gas channel 24P side, when the water-repellent carbon is not applied, the water droplets condensed in the channel are directly absorbed by the hydrophilized electrode substrate and supplied to the electrolyte membrane 21. This makes it possible to obtain an effect different from the case where the water repellent carbon repels water droplets to promote drainage. Therefore, it is possible not to apply the water-repellent carbon to the surface on the fuel gas flow path 24P side.
As described above, providing the water-repellent region on each surface of the anode 22d may have contradictory effects in moistening the electrolyte membrane 21 and maintaining gas diffusivity, and thus a water-repellent layer is provided on each surface. Whether or not to decide whether or not to meet the above conditions may be determined according to the operating conditions of the battery.

【0089】ただし、撥水カーボンの塗布を行なわない
場合には、上記実施例のようにカーボンクロスでガス拡
散電極を構成すると接触面積が不足して集電性が不十分
となるため、織りの細かいカーボンクロスを用いるなど
して集電性を確保する必要がある。あるいは、撥水処理
を行なわないカーボン粉を塗布して集電性を確保するこ
ともできる。さらに、陰電極表面の親水性が強い方が有
利な条件で燃料電池を運転する場合には、SiO2 等に
よって親水化処理したカーボン粉を塗布することで、電
極表面の親水性を高めると共に集電性を確保してもよ
い。
However, when the water-repellent carbon is not applied, if the gas diffusion electrode is formed of carbon cloth as in the above-mentioned embodiment, the contact area becomes insufficient and the current collecting property becomes insufficient. It is necessary to secure the current collecting property by using a fine carbon cloth. Alternatively, it is possible to apply carbon powder that is not subjected to water repellent treatment to ensure current collection. Further, when the fuel cell is operated under the condition that it is advantageous that the surface of the negative electrode has a strong hydrophilicity, the carbon powder hydrophilized by SiO 2 or the like is applied to enhance the hydrophilicity of the electrode surface and to collect the particles. You may secure electric property.

【0090】本実施例においては、固体高分子電解質型
燃料電池について説明したが、その他、リン酸型燃料電
池など、電極の濡れが問題となる他種の燃料電池の電極
に対して本発明を適用しても同様の効果を奏することが
できる。
Although the solid polymer electrolyte fuel cell has been described in this embodiment, the present invention is applied to the electrodes of other types of fuel cells such as phosphoric acid fuel cells in which wetting of the electrodes is a problem. Even if applied, the same effect can be obtained.

【0091】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
様態で実施し得ることは勿論である。
The embodiment of the present invention has been described above.
It is needless to say that the present invention is not limited to these embodiments and can be implemented in various modes without departing from the scope of the present invention.

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

【図1】燃料電池20におけるカソード23での生成水
および酸化ガスの移動の様子を示す模式図である。
FIG. 1 is a schematic diagram showing how the produced water and oxidizing gas move in a cathode 23 of a fuel cell 20.

【図2】燃料電池システム30の構成を例示するブロッ
ク図である。
FIG. 2 is a block diagram illustrating the configuration of a fuel cell system 30.

【図3】単セル28の構成を例示する断面模式図であ
る。
FIG. 3 is a schematic sectional view illustrating the configuration of a single cell 28.

【図4】ガス拡散電極の備える親水性を評価するための
蒸発速度測定装置50の構成を示す説明図である。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a configuration of an evaporation rate measuring device 50 for evaluating hydrophilicity included in a gas diffusion electrode.

【図5】蒸発速度測定装置50によって測定した蒸発水
量と蒸発に要した時間との関係をグラフにした説明図で
ある。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a graph of the relationship between the amount of evaporated water measured by the evaporation rate measuring device 50 and the time required for evaporation.

【図6】親水性物質の付着量とガス拡散電極の示す排水
性との関係を示す説明図である。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing the relationship between the amount of adhesion of a hydrophilic substance and the drainage property of the gas diffusion electrode.

【図7】親水性物質の付着量とガス拡散電極の抵抗値と
の関係を示す説明図である。
FIG. 7 is an explanatory diagram showing the relationship between the adhesion amount of a hydrophilic substance and the resistance value of a gas diffusion electrode.

【図8】各実施例のガス拡散電極を用いて1A/cm2
定電流放電を行なった結果を示す説明図である。
FIG. 8 is 1 A / cm 2 using the gas diffusion electrode of each example.
It is explanatory drawing which shows the result of performing constant current discharge.

【図9】ガス拡散電極を作製するときに付着させるPT
FE量と電極抵抗との関係を示す説明図である。
FIG. 9: PT attached when manufacturing a gas diffusion electrode
It is explanatory drawing which shows the relationship between FE amount and electrode resistance.

【図10】撥水カーボン作製時に用いるカーボン種と、
各撥水カーボンを塗布した電極の有する抵抗値との関係
を示す説明図である。
FIG. 10 is a graph showing carbon species used when producing water-repellent carbon,
It is explanatory drawing which shows the relationship with the resistance value which the electrode which each water-repellent carbon apply | coated has.

【図11】各カーボン種の有する官能基量を定量した結
果を表わす説明図である。
FIG. 11 is an explanatory diagram showing the result of quantifying the amount of functional groups contained in each carbon species.

【図12】各カーボン種の備える撥水性を評価した結果
を示す説明図である。
FIG. 12 is an explanatory diagram showing the results of evaluating the water repellency of each carbon species.

【図13】燃料電池を運転する際の条件を示す説明図で
ある。
FIG. 13 is an explanatory diagram showing conditions for operating the fuel cell.

【図14】空気を加圧供給するためのポンプが消費する
エネルギを示す説明図である。
FIG. 14 is an explanatory diagram showing energy consumed by a pump for pressurizing and supplying air.

【図15】従来の燃料電池について1A/cm2 定電流
放電を行なった結果を示す説明図である。
FIG. 15 is an explanatory diagram showing a result of constant current discharge of 1 A / cm 2 for a conventional fuel cell.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

20、20a、20b、20c、20d…燃料電池 21…電解質膜 22…アノード 22、22d…カソード 23、23a、23b、23c…カソード 24、25…セパレータ 24P…燃料ガス流路 25P…酸化ガス流路 26…集電板 28…単セル 30、30a…燃料電池システム 31…メタノールタンク 32…水タンク 34…改質器 36…ポンプ 37…調圧弁 38…給燃路 39…空気供給路 40…分岐空気路 41…排燃路 50…蒸発速度測定装置 51…水槽 52…窒素ボンベ 54…水位ゲージ 55…ヒータ 56…窒素流路 57…流量調節部 58…ガス拡散電極 60…親水部 62…電解質膜側撥水部 64…ガス流路側撥水部 20, 20a, 20b, 20c, 20d ... Fuel cell 21 ... Electrolyte membrane 22 ... Anode 22, 22d ... Cathode 23, 23a, 23b, 23c ... Cathode 24, 25 ... Separator 24P ... Fuel gas channel 25P ... Oxidizing gas channel 26 ... Current collector plate 28 ... Single cell 30, 30a ... Fuel cell system 31 ... Methanol tank 32 ... Water tank 34 ... Reformer 36 ... Pump 37 ... Pressure regulating valve 38 ... Fuel supply passage 39 ... Air supply passage 40 ... Branched air Channel 41 ... Exhaust path 50 ... Evaporation rate measuring device 51 ... Water tank 52 ... Nitrogen cylinder 54 ... Water level gauge 55 ... Heater 56 ... Nitrogen flow path 57 ... Flow rate adjusting section 58 ... Gas diffusion electrode 60 ... Hydrophilic section 62 ... Electrolyte membrane side Water-repellent part 64 ... Water-repellent part on gas flow path side

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 電解質層と、該電解質層を挟持する陽電
極および陰電極を備える燃料電池において、 前記陽電極は、親水処理を施された電極基材の少なくと
も前記電解質層側の表面に、撥水性物質を有する撥水層
を形成してなる燃料電池。
1. A fuel cell comprising an electrolyte layer and a positive electrode and a negative electrode sandwiching the electrolyte layer, wherein the positive electrode comprises at least a surface of an electrode base material subjected to a hydrophilic treatment on the electrolyte layer side, A fuel cell comprising a water repellent layer having a water repellent substance.
【請求項2】 請求項1記載の燃料電池であって、 前記陽電極はその両面に、導電性を有しない撥水性物質
を用いて前記撥水層を形成し、 前記電解質層と接する側に形成された撥水層は、他面に
形成された撥水層よりも前記撥水性物質を多く含有する
燃料電池。
2. The fuel cell according to claim 1, wherein the positive electrode has the water-repellent layer formed on both sides thereof using a water-repellent substance having no conductivity, and the positive electrode is provided on a side in contact with the electrolyte layer. The formed water-repellent layer is a fuel cell containing more water-repellent substance than the water-repellent layer formed on the other surface.
【請求項3】 前記撥水層は、前記撥水性物質と、親水
性を示す官能基の含有量が所定量以下であるカーボン粉
とを混合した後、前記電極基材表面に塗布してなる請求
項1または2記載の燃料電池。
3. The water-repellent layer is formed by mixing the water-repellent substance and carbon powder having a hydrophilic functional group content of a predetermined amount or less, and then coating the surface of the electrode substrate. The fuel cell according to claim 1 or 2.
【請求項4】 前記陰電極は、親水処理を施された電極
基材よりなる請求項1ないし3記載の燃料電池。
4. The fuel cell according to claim 1, wherein the negative electrode is made of an electrode base material subjected to a hydrophilic treatment.
【請求項5】 所定の導電性とガス透過性とを備える燃
料電池用電極において、 親水処理を施された電極基材の少なくとも片側の表面
に、撥水性物質を備える撥水層を形成した燃料電池用電
極。
5. A fuel cell electrode having predetermined conductivity and gas permeability, wherein a water-repellent layer including a water-repellent substance is formed on at least one surface of a hydrophilically treated electrode base material. Battery electrode.
【請求項6】 請求項5記載の燃料電池用電極であっ
て、 前記電極基材はその両面に、導電性を有しない物質を用
いて前記撥水層を形成し、 該電極基材の両面に形成されたそれぞれの撥水層は、互
いに異なる量の前記撥水性物質を含有する燃料電池用電
極。
6. The electrode for a fuel cell according to claim 5, wherein the water repellent layer is formed on both surfaces of the electrode base material by using a substance having no conductivity, and both surfaces of the electrode base material are formed. The water repellent layers formed on the fuel cell electrode contain different amounts of the water repellent substances.
【請求項7】 前記撥水層は、前記撥水性物質と、親水
性を示す官能基の含有量が所定量以下であるカーボン粉
とを混合した後、前記電極基材表面に塗布してなる請求
項5または6記載の燃料電池用電極。
7. The water-repellent layer is formed by mixing the water-repellent substance and carbon powder having a hydrophilic functional group content of a predetermined amount or less, and then coating the surface of the electrode substrate. The electrode for a fuel cell according to claim 5 or 6.
【請求項8】 電解質層と該電解質層を挟持する陽電極
および陰電極を備える燃料電池と、該燃料電池に燃料ガ
スおよび空気を、所定圧力および所定の空気過剰率で供
給するガス供給手段と を備えた燃料電池システムにおいて、 前記燃料電池の陽電極は、親水処理を施された電極基材
の少なくとも前記電解質層側の表面に、撥水性物質を有
する撥水層を形成し、 前記ガス供給手段により供給される空気の空気過剰率を
3以下としたことを特徴とする燃料電池システム。
8. A fuel cell comprising an electrolyte layer and a positive electrode and a negative electrode sandwiching the electrolyte layer, and gas supply means for supplying fuel gas and air to the fuel cell at a predetermined pressure and a predetermined excess air ratio. In the fuel cell system including: a positive electrode of the fuel cell, a water-repellent layer having a water-repellent substance is formed on at least the surface of the electrode base material subjected to hydrophilic treatment on the electrolyte layer side, A fuel cell system, wherein the excess air ratio of the air supplied by the means is 3 or less.
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