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JP2006156288A - Fuel cell and manufacturing method of fuel cell - Google Patents

Fuel cell and manufacturing method of fuel cell Download PDF

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JP2006156288A
JP2006156288A JP2004348537A JP2004348537A JP2006156288A JP 2006156288 A JP2006156288 A JP 2006156288A JP 2004348537 A JP2004348537 A JP 2004348537A JP 2004348537 A JP2004348537 A JP 2004348537A JP 2006156288 A JP2006156288 A JP 2006156288A
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water
layer
mea
catalyst layer
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JP2004348537A
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Hideyuki Kumei
秀之 久米井
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell capable of easily improving water-draining capability; and to provide a manufacturing method of the fuel cell. <P>SOLUTION: This fuel cell is provided with a layered product composed by stacking unit cells 10 each comprising: an MEA 5 having an electrolyte layer 1 and catalyst layers 2a and 3a arranged on both sides of the electrolyte layer 1; diffusion layers 2b and 3b arranged on both sides of the MEA 5; and separators 7 and 8 arranged on the outside surfaces of the diffusion layers 2b and 3b. The fuel cell is provided with drainage means 6, 6 on the surfaces of the catalyst layers 2a and 3a on the sides of the diffusion layers 2b and 3b. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料電池及び燃料電池の製造方法に関し、特に、排水性を容易に向上させることが可能な燃料電池及び当該燃料電池の製造方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell and a method for manufacturing the fuel cell, and more particularly, to a fuel cell capable of easily improving drainage and a method for manufacturing the fuel cell.

燃料電池は、電解質と、当該電解質の両側に配置される電極(アノード及びカソード)とを備える膜電極接合体(以下において、「MEA(Membrane Electrode Assembly)」と記述する。)における電気化学反応により発生した電気エネルギーを、このMEAの両側に配設されるセパレータを介して外部に取り出している。燃料電池の中でも、家庭用コージェネレーション・システムや自動車等に使用される固体高分子型燃料電池(以下において、「PEFC(Polymer Electrolyte Fuel Cell)」と記述する。)は、低温領域での運転が可能であり、80〜100℃等の運転温度で使用されるのが一般的である。また、PEFCは、30〜40%の高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車や携帯用電源の最適な動力源として注目されている。   A fuel cell is based on an electrochemical reaction in a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as “MEA (Membrane Electrode Assembly)”) including an electrolyte and electrodes (anode and cathode) disposed on both sides of the electrolyte. The generated electric energy is taken out through separators disposed on both sides of the MEA. Among fuel cells, polymer electrolyte fuel cells (hereinafter referred to as “PEFC (Polymer Electrolyte Fuel Cell)”) used in household cogeneration systems and automobiles, etc., operate at low temperatures. It is possible to use it at an operating temperature such as 80 to 100 ° C. In addition, PEFC has shown high energy conversion efficiency of 30 to 40%, has a short start-up time, and has a small and lightweight system. Therefore, PEFC has attracted attention as an optimal power source for electric vehicles and portable power sources.

PEFCの単セルは、電解質膜、触媒層と拡散層とを備えるカソード及びアノード、並びに、セパレータを含み、その理論起電力は1.23Vである。しかし、かかる低起電力では、電気自動車等の動力源として不十分であるため、通常は、単セルを直列に積層して積層体を構成し、この積層体における積層方向の両端にエンドプレート等を配置して構成されるスタック形態の燃料電池が使用されている。   A single cell of PEFC includes an electrolyte membrane, a cathode and an anode including a catalyst layer and a diffusion layer, and a separator, and has a theoretical electromotive force of 1.23V. However, since such low electromotive force is insufficient as a power source for electric vehicles and the like, normally, a single cell is laminated in series to form a laminated body, and end plates or the like are formed at both ends of the laminated body in the lamination direction. A stack-type fuel cell is used.

一方、PEFCの電解質は、陽イオン交換樹脂膜を、カチオン導電性膜として使用するものである。この導電性膜は、分子中にプロトン(水素イオン(H))交換基を有しており、これを飽和状態に含水させることにより、常温で20Ω・cm以下の比抵抗を示し、プロトン導電性電解質として機能している。そして、電解質膜の飽和含水量は、温度によって可逆的に変化する。すなわち、PEFCの運転中においては、電解質膜からの蒸散を防止するために燃料ガス中および酸化ガス中に水蒸気の形で添加された加湿水と、カソード側における電気化学反応によって生成される水とによって常に飽和状態が維持される。 On the other hand, the electrolyte of PEFC uses a cation exchange resin membrane as a cation conductive membrane. This conductive film has a proton (hydrogen ion (H + )) exchange group in the molecule, and when it is saturated with water, it exhibits a specific resistance of 20 Ω · cm or less at room temperature. It functions as a functional electrolyte. The saturated water content of the electrolyte membrane changes reversibly with temperature. That is, during operation of the PEFC, humidified water added in the form of water vapor in the fuel gas and oxidizing gas to prevent transpiration from the electrolyte membrane, and water generated by an electrochemical reaction on the cathode side By means of this, saturation is always maintained.

ところが、カソード側において生成される水が増加するか、あるいは燃料ガスおよび酸化ガスが消費されて残留ガス中の水蒸気が過飽和となり、水が凝結して水の供給が過剰となると、上記電解質膜や電極が水浸しとなって、いわゆる「フラッディング」状態となる。このフラッディングが発生すると、セル内のガス接触面積が減少し、更にはカソードへの酸素ガスの供給が阻害されて、PEFCの発生電圧が低下する。かかる電圧低下は、PEFCの効率低下に繋がるため、PEFCの高いエネルギー変換効率を維持するためには、セル内の排水性を向上させることでフラッディングの発生を抑制することが重要である。   However, if the water produced on the cathode side increases or the fuel gas and the oxidizing gas are consumed and the water vapor in the residual gas becomes supersaturated, the water condenses and the water supply becomes excessive, the electrolyte membrane and The electrode is immersed in water and enters a so-called “flooding” state. When this flooding occurs, the gas contact area in the cell decreases, and further, the supply of oxygen gas to the cathode is hindered, and the generated voltage of PEFC decreases. Since such a voltage drop leads to a decrease in the efficiency of PEFC, it is important to suppress the occurrence of flooding by improving the drainage in the cell in order to maintain the high energy conversion efficiency of PEFC.

他方、電気自動車の用途に対して、燃料電池は、起動後直ちに電気エネルギーを発生すること、すなわち、良好な始動性を有することが要求される。しかし、例えば氷点下の寒冷環境では、カソード内に残存する水の凍結等が生じる結果、良好な始動性が得られ難い。かかる水の凍結は、特に、外気により冷却されやすいスタックの端部に配置された単セル(以下において、「端部セル」と記述することがある。)内で発生しやすいことが知られている。したがって、端部セルの寒冷環境下における始動性(以下において、「低温始動性」と記述する。)を向上させることで、燃料電池の効率を向上させることが望まれている。   On the other hand, for electric vehicle applications, fuel cells are required to generate electrical energy immediately after startup, that is, to have good startability. However, for example, in a cold environment below freezing, it is difficult to obtain good startability as a result of freezing of water remaining in the cathode. It is known that such water freezing is particularly likely to occur in a single cell (hereinafter referred to as an “end cell”) arranged at the end of the stack that is easily cooled by outside air. Yes. Therefore, it is desired to improve the efficiency of the fuel cell by improving the startability of the end cells in the cold environment (hereinafter referred to as “low temperature startability”).

セル内の排水性を向上させることを目的とした技術は、これまでにいくつか開示されてきている。例えば、特許文献1には、電極層中におけるフッ素樹脂微粒子の混合量をガス入口側と出口側とで変化させたPEFC、及びガス流れ方向の上流側に位置するセルと下流側に位置するセルとで上記フッ素樹脂微粒子の混合量を変化させたPEFCに関する技術が開示されている。この技術によれば、水が多く溜まる部位の撥水性を向上させることで水分の管理を容易に行うことができ、さらに、ガス流れ方向の上流側に位置するセルにおける性能の低下を抑えることができる、とされている。なお、特許文献1にかかる電極層は、本発明における触媒層と対応する概念である。また、特許文献2には、カソード電極及びアノード電極の触媒層と拡散層との間にフッ素樹脂とカーボンブラックからなる混合層を備えるPEFCに関する技術が開示されている。この技術によれば、電解質膜の部分的な乾燥や過剰な濡れによるガス拡散阻害が防止でき、電池性能の低下を防止することができる、とされている。
特開平9−283153号公報 特開2001−135326号公報
Several techniques aimed at improving drainage in the cell have been disclosed so far. For example, Patent Document 1 discloses PEFC in which the mixing amount of fluororesin fine particles in the electrode layer is changed between the gas inlet side and the outlet side, and a cell located on the upstream side and a cell located on the downstream side in the gas flow direction. And a technology relating to PEFC in which the mixing amount of the fluororesin fine particles is changed. According to this technology, it is possible to easily manage the moisture by improving the water repellency of the portion where water is accumulated, and further, it is possible to suppress the performance degradation in the cell located upstream in the gas flow direction. It can be done. In addition, the electrode layer concerning patent document 1 is the concept corresponding to the catalyst layer in this invention. Patent Document 2 discloses a technique related to PEFC including a mixed layer made of a fluororesin and carbon black between a catalyst layer and a diffusion layer of a cathode electrode and an anode electrode. According to this technique, gas diffusion inhibition due to partial drying or excessive wetting of the electrolyte membrane can be prevented, and deterioration of battery performance can be prevented.
JP-A-9-283153 JP 2001-135326 A

しかし、特許文献1に開示されている技術では、電極層の面内でフッ素樹脂微粒子の混合量を変化させる必要があるが、このように面内で組成が傾斜している電極層を作製することは困難であるため、かかる技術により電極層の排水性を向上させることは困難であるという問題があった。また、特許文献2に開示されている技術によっても、燃料電池の効率を効果的に向上させることは困難であるという問題があった。   However, in the technique disclosed in Patent Document 1, it is necessary to change the mixing amount of the fluororesin fine particles in the plane of the electrode layer. In this way, an electrode layer whose composition is inclined in the plane is produced. Therefore, there is a problem that it is difficult to improve the drainage of the electrode layer by such a technique. In addition, even with the technique disclosed in Patent Document 2, it is difficult to effectively improve the efficiency of the fuel cell.

そこで本発明は、排水性を容易に向上させることが可能な燃料電池及び当該燃料電池の製造方法を提供することを課題とする。   Then, this invention makes it a subject to provide the fuel cell which can improve drainage easily, and the manufacturing method of the said fuel cell.

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
請求項1に記載の発明は、電解質層及び当該電解質層の両側に配設される触媒層を備えるMEAと、MEAの両側に配設される拡散層と、拡散層の外側に配設されるセパレータと、を備える単セルを積層した、積層体を備える燃料電池であって、触媒層の、拡散層側の面に、排水手段が付与されていることを特徴とする、燃料電池により、上記課題を解決する。
In order to solve the above problems, the present invention takes the following means. That is,
The invention according to claim 1 is an MEA including an electrolyte layer and a catalyst layer disposed on both sides of the electrolyte layer, a diffusion layer disposed on both sides of the MEA, and disposed outside the diffusion layer. A fuel cell comprising a laminate, in which a single cell comprising a separator is laminated, wherein a drainage means is provided on the surface of the catalyst layer on the diffusion layer side. Solve the problem.

ここに、本発明において、触媒層の拡散層側の面とは、MEAの少なくとも一方の積層面という意味である。なお、積層面とは、単セルの積層方向を法線方向とする面のことであり、MEAは、カソード側の積層面とアノード側の積層面とを有している。MEAの積層面に排水手段が付与されていれば、その後、排水手段が付与されたMEAの積層面の両側に拡散層を配設することで、拡散層側の面に排水手段が付与された触媒層を備える燃料電池とすることが可能になる。また、排水手段とは、触媒層の拡散層側の面において液滴の水を排水し得る手段であれば特に限定されるものではなく、その具体例としては、当該面の表面に凹凸形状を形成することで排水性を向上させる手段や、当該面の表面に塗布される撥水剤等を挙げることができる。   Here, in the present invention, the surface on the diffusion layer side of the catalyst layer means at least one laminated surface of the MEA. The laminated surface is a surface whose normal direction is the lamination direction of the single cells, and the MEA has a laminated surface on the cathode side and a laminated surface on the anode side. If drainage means is applied to the laminated surface of the MEA, then the drainage means is applied to the surface on the diffusion layer side by disposing a diffusion layer on both sides of the laminated surface of the MEA to which the drainage means is applied. It becomes possible to set it as a fuel cell provided with a catalyst layer. Further, the drainage means is not particularly limited as long as it is a means capable of draining water droplets on the surface of the catalyst layer on the diffusion layer side. As a specific example, the surface of the surface has an uneven shape. A means for improving drainage by forming, a water repellent applied to the surface of the surface, and the like can be mentioned.

請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の燃料電池において、排水手段は、拡散層側の面の、単セル内にて液滴の水が滞留しやすい部位に付与されていることを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, in the fuel cell according to the first aspect, the drainage means is applied to a portion of the surface on the diffusion layer side where the droplet water tends to stay in the single cell. It is characterized by.

ここに、単セル内にて液滴の水が滞留しやすい部位の具体例としては、当該単セルが積層体の中央に配置される場合には、カソードに供給される反応ガスの出口や当該反応ガスの下流部(例えば、反応ガス流路の後半等)等を挙げることができ、さらに、セパレータにサーペンタイン形状の反応ガス流路が形成されている場合には、当該流路の曲部等を挙げることができる。他方、単セルが積層体の端部(例えば、両端)に配置される場合には、上記拡散層側の面の全面を挙げることができる。すなわち、本発明において排水手段が備えられ得る部位の具体例としては、これらの部位と対向する、触媒層の拡散層側の部位等を挙げることができる。   Here, as a specific example of the portion where water of droplets is likely to stay in the single cell, when the single cell is arranged at the center of the laminate, the outlet of the reactive gas supplied to the cathode or the The downstream part of the reaction gas (for example, the second half of the reaction gas channel, etc.) can be mentioned. Further, when a serpentine-shaped reaction gas channel is formed in the separator, the curved part of the channel, etc. Can be mentioned. On the other hand, when the single cell is disposed at an end portion (for example, both ends) of the laminated body, the entire surface on the diffusion layer side can be exemplified. That is, specific examples of the part where the drainage means can be provided in the present invention include a part on the diffusion layer side of the catalyst layer facing these parts.

請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の燃料電池において、排水手段が、撥水剤であることを特徴とする。   The invention according to claim 3 is the fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the drainage means is a water repellent.

ここに、本発明において、撥水剤は、気体を透過させる一方で液滴の水を透過させない性質(以下において、「撥水性」と記述する。)を備えていれば、特に限定されるものではない。   Here, in the present invention, the water repellent is particularly limited as long as it has a property of allowing gas to permeate but not permeating droplet water (hereinafter referred to as “water repellency”). is not.

請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の燃料電池において、撥水剤が、5〜50nmの厚さで塗布されていることを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, in the fuel cell according to the third aspect, the water repellent is applied in a thickness of 5 to 50 nm.

請求項5に記載の発明は、請求項3又は4に記載の燃料電池において、撥水剤が、フッ素系の表面処理剤であることを特徴とする。   The invention according to claim 5 is the fuel cell according to claim 3 or 4, wherein the water repellent is a fluorine-based surface treatment agent.

ここに、本発明において、フッ素系の表面処理剤は、撥水性を有していれば特に限定されるものではないが、触媒層の表面に5〜50nmの厚さで塗布可能であることが好ましく、当該表面処理剤の具体例としては、フッ素系撥水剤等を挙げることができる。   Here, in the present invention, the fluorine-based surface treatment agent is not particularly limited as long as it has water repellency, but it may be applied to the surface of the catalyst layer at a thickness of 5 to 50 nm. Preferably, specific examples of the surface treatment agent include a fluorine-based water repellent.

請求項6に記載の発明は、請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池において、排水手段が付与されている触媒層を備える単セルが、積層体の端部に備えられていることを特徴とする。   A sixth aspect of the present invention is the fuel cell according to any one of the first to fifth aspects, wherein a single cell including a catalyst layer to which drainage means is provided is provided at an end of the laminate. It is characterized by being.

ここに、積層体の端部とは、定常状態における燃料電池の性能を重視するという観点からは、積層体の両端に配置されている2セルを基本とする一方、当該両端の2セルのみでは燃料電池の低温始動性の向上が不十分である場合には、積層体の両端から順にセル数を増加させた両端の複数セルとすることもできる。   Here, from the viewpoint of emphasizing the performance of the fuel cell in a steady state, the end portion of the stacked body is based on two cells arranged at both ends of the stacked body, but only at the two cells at both ends. In the case where the low temperature startability of the fuel cell is insufficiently improved, a plurality of cells at both ends can be formed by increasing the number of cells in order from both ends of the laminate.

請求項7に記載の発明は、電解質層及び当該電解質層の両側に配設される触媒層を備えるMEAと、MEAの両側に配設される拡散層と、拡散層の外側に配設されるセパレータと、を備える単セルを積層した、積層体を備える燃料電池の製造方法であって、MEAを作製した後、MEAの積層面の少なくとも一方に撥水剤を塗布する、撥水剤塗布工程を有することを特徴とする、燃料電池の製造方法により、上記課題を解決する。   The invention according to claim 7 is an MEA comprising an electrolyte layer and a catalyst layer disposed on both sides of the electrolyte layer, a diffusion layer disposed on both sides of the MEA, and disposed outside the diffusion layer. A process for producing a fuel cell comprising a laminate, comprising a single cell comprising a separator, wherein a water repellent is applied to at least one of the laminated surfaces of the MEA after the MEA is produced. The above-described problem is solved by a method for manufacturing a fuel cell.

請求項1に記載の発明によれば、触媒層の拡散層側の面に排水手段が付与されている。かかる面に排水手段が付与されていれば、拡散層側から触媒層の内部へ浸入しようとする液滴の水の移動を防止することが可能になり、当該液滴の水を単セル外へ容易に排出することが可能になる。したがって、かかる構成とすることで、排水性を容易に向上させることが可能な燃料電池を提供することが可能になる。   According to invention of Claim 1, the drainage means is provided to the surface at the side of the diffusion layer of a catalyst layer. If a drainage means is provided on such a surface, it becomes possible to prevent the movement of the water of the droplets entering the inside of the catalyst layer from the diffusion layer side, and the water of the droplets is moved out of the single cell. It becomes possible to discharge easily. Therefore, it becomes possible to provide the fuel cell which can improve drainage easily by setting it as this structure.

請求項2に記載の発明によれば、触媒層の拡散層側の面において液滴の水が滞留しやすい部位に排水手段が付与されているので、液滴の水を単セル外へと効果的に排出することが可能になる。したがって、かかる構成とすることで、効果的に排水性を向上させ得る燃料電池を提供することが可能になる。   According to the second aspect of the present invention, since the drainage means is provided in the portion where the water of the droplet tends to stay on the diffusion layer side surface of the catalyst layer, the water of the droplet is effectively removed to the outside of the single cell. Can be discharged. Therefore, it becomes possible to provide the fuel cell which can improve drainage effectively by setting it as this structure.

請求項3に記載の発明によれば、触媒層の拡散層側の面に撥水剤を塗布することで、当該触媒層の排水性を向上させる。すなわち、かかる形態とすることで、簡易な方法により排水性を向上させ得る燃料電池用触媒層を提供することが可能になる。   According to invention of Claim 3, the drainage property of the said catalyst layer is improved by apply | coating a water repellent to the surface at the side of the diffusion layer of a catalyst layer. That is, it becomes possible to provide the catalyst layer for fuel cells which can improve drainage by a simple method by setting it as this form.

請求項4に記載の発明によれば、触媒層の拡散層側の面に5〜50nmの厚みで撥水剤が塗布されている。50nm以下の厚みで撥水剤が塗布されていれば、発電性能を維持することが可能になる。したがって、かかる構成とすることで、発電性能を維持しつつ、排水性を効果的に向上させ得る燃料電池を提供することが可能になる。   According to the fourth aspect of the present invention, the water repellent is applied to the surface of the catalyst layer on the diffusion layer side with a thickness of 5 to 50 nm. If the water repellent is applied with a thickness of 50 nm or less, the power generation performance can be maintained. Therefore, with this configuration, it is possible to provide a fuel cell that can effectively improve drainage while maintaining power generation performance.

請求項5に記載の発明によれば、撥水剤はフッ素系の表面処理剤である。特にフッ素系撥水剤等を用いれば、触媒層の拡散層側の面に、例えば5〜50nmの均一な厚みを有する撥水剤層を形成することが可能になる。したがって、かかる構成とすることで、排水性を向上させることが可能な燃料電池を容易に提供することが可能になる。   According to the invention described in claim 5, the water repellent is a fluorine-based surface treatment agent. In particular, when a fluorine-based water repellent or the like is used, a water repellent layer having a uniform thickness of, for example, 5 to 50 nm can be formed on the surface of the catalyst layer on the diffusion layer side. Therefore, it becomes possible to provide easily the fuel cell which can improve drainage by setting it as this structure.

請求項6に記載の発明によれば、良好な排水性を有する単セルが、積層体の端部に備えられている。ここに、端部セルは、外気に触れやすいため、外気によって冷却されて液滴の水が生成されやすく、フラッディング状態になりやすい。他方、端部セルは生成水が滞留しやすいため、例えば、運転後の燃料電池が氷点下環境に置かれると、端部セル内の滞留水が凍結しやすく、低温始動性の低下を招く。したがって、請求項6に記載の発明により、端部セルの排水性を向上させれば、フラッディングの発生を抑制することが可能であるとともに低温始動性を向上させることが可能な、燃料電池を提供することが可能になる。   According to invention of Claim 6, the single cell which has favorable drainage property is provided in the edge part of the laminated body. Here, since the end cells are easily exposed to the outside air, the end cells are easily cooled by the outside air, so that droplet water is easily generated, and the end cells are easily flooded. On the other hand, since the generated water tends to stay in the end cells, for example, when the fuel cell after operation is placed in a sub-freezing environment, the staying water in the end cells easily freezes, resulting in a decrease in low temperature startability. Therefore, the invention according to claim 6 provides a fuel cell that can suppress flooding and improve low-temperature startability by improving drainage of the end cells. It becomes possible to do.

請求項7に記載の発明によれば、MEAの作製後に、MEAの積層面の少なくとも一方の面に撥水剤が塗布される。ここに、MEAは電解質層の両側に触媒層が配設されて構成されるため、MEAの積層面は触媒層の面に相当し、MEAの両側には拡散層が配設される。そのため、かかる形態の製造方法とすれば、触媒層の拡散層側の面に撥水剤が塗布されている燃料電池を製造することが可能になる。したがって、請求項7に記載の発明によれば、排水性を向上させることが可能な燃料電池の製造方法を提供することが可能になる。   According to the seventh aspect of the present invention, the water repellent is applied to at least one of the MEA laminated surfaces after the MEA is manufactured. Here, since the MEA is configured by disposing a catalyst layer on both sides of the electrolyte layer, the laminated surface of the MEA corresponds to the surface of the catalyst layer, and a diffusion layer is disposed on both sides of the MEA. Therefore, with the manufacturing method of this form, it becomes possible to manufacture a fuel cell in which a water repellent is applied to the surface of the catalyst layer on the diffusion layer side. Therefore, according to the seventh aspect of the present invention, it is possible to provide a method for manufacturing a fuel cell capable of improving drainage.

以下に図面を参照しつつ、本発明の燃料電池についてさらに具体的に説明する。   Hereinafter, the fuel cell of the present invention will be described more specifically with reference to the drawings.

図1は、本発明にかかる燃料電池を構成する単セルの形態例を概略的に示す断面図である。図1において、図の左右方向が単セルの積層方向である。
図示のように、第1実施形態にかかる本発明の単セル10は、電解質膜1、並びに、当該電解質膜1の両側に配設されるアノード触媒層2a及びカソード触媒層3aを備えるMEA5、を備え、MEA5の両側には、アノード拡散層2b及びカソード拡散層3bが配設されている。当該拡散層2b、3bの外側には、さらに、アノードセパレータ7及びカソードセパレータ8が配設され、セパレータ7及び8の拡散層2b、3b側の面には、それぞれ反応ガス供給路7a、7a、…、及び8a、8a、…が形成される一方、これらの反対側の面には、冷却水流路7b、7b、…、及び8b、8b、…が形成されている。図示の単セル10において、アノード2は、アノード触媒層2a及びアノード拡散層2bを備える一方、カソード3は、カソード触媒層3a及びカソード拡散層3bを備えている。そして、アノードセパレータ7の反応ガス流路7a、7a、…には、マニホールド(不図示)を介して水素含有ガス(以下において、「水素」と記述することがある。)が、カソードセパレータ8の反応ガス流路8a、8a、…には、マニホールド(不図示)を介して酸素含有ガス(以下において、「酸素」と記述することがある。)が、それぞれ供給されている。ここに、本実施形態にかかる単セル10では、カソード触媒層3aのカソード拡散層3b側の面、及び、アノード触媒層2aのアノード拡散層2b側の面(以下において、これらの面をあわせて「第1の面」と記述することがある。)に、フッ素系撥水剤(Novec(Novecは米国スリーエム社の登録商標))を備える撥水剤層6、6が形成されている。このような構成とすることで、本発明にかかる単セル10では、MEA5の両面(拡散層2b、3b側の面)の排水性を向上させている。
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an example of a single cell constituting a fuel cell according to the present invention. In FIG. 1, the horizontal direction in the figure is the stacking direction of the single cells.
As illustrated, the unit cell 10 of the present invention according to the first embodiment includes an electrolyte membrane 1 and an MEA 5 including an anode catalyst layer 2a and a cathode catalyst layer 3a disposed on both sides of the electrolyte membrane 1. The anode diffusion layer 2b and the cathode diffusion layer 3b are disposed on both sides of the MEA 5. An anode separator 7 and a cathode separator 8 are further disposed outside the diffusion layers 2b and 3b. Reactive gas supply paths 7a, 7a, and 7a, respectively, are provided on the surfaces of the separators 7 and 8 on the diffusion layers 2b and 3b side. .. And 8a, 8a,... Are formed, and cooling water flow paths 7b, 7b,... And 8b, 8b,. In the illustrated unit cell 10, the anode 2 includes an anode catalyst layer 2a and an anode diffusion layer 2b, while the cathode 3 includes a cathode catalyst layer 3a and a cathode diffusion layer 3b. The reaction gas channels 7a, 7a,... Of the anode separator 7 are supplied with hydrogen-containing gas (hereinafter sometimes referred to as “hydrogen”) via a manifold (not shown). The reaction gas flow paths 8a, 8a,... Are each supplied with an oxygen-containing gas (hereinafter sometimes referred to as “oxygen”) via a manifold (not shown). Here, in the single cell 10 according to the present embodiment, the surface of the cathode catalyst layer 3a on the cathode diffusion layer 3b side and the surface of the anode catalyst layer 2a on the anode diffusion layer 2b side (hereinafter, these surfaces are combined). The water repellent layers 6 and 6 including a fluorine-based water repellent (Novec (Novec is a registered trademark of 3M USA)) are formed on the “first surface”. With such a configuration, in the single cell 10 according to the present invention, the drainage performance of both surfaces of the MEA 5 (the surfaces on the diffusion layers 2b and 3b side) is improved.

図示の単セル10において、アノード側の反応ガス流路7a、7a、…から供給される水素は、アノード拡散層2bを介してアノード触媒層2aへと達し、当該触媒層2a内の触媒上にて水素から電子と水素イオンとが生成される。そして、上記アノード触媒層2aにて発生した水素イオンは、電解質膜1を通ってカソード触媒層3aへと到達する。一方、カソード側の反応ガス流路8a、8a、…から供給される酸素は、カソード拡散層3bを介してカソード触媒層3aへと供給され、当該触媒層3aの触媒上において、水素イオン、酸素、及び電子が反応する(以下において、「電気化学反応」と記述することがある。)ことにより水(水蒸気)が生成される。このようにして生成された水蒸気の一部は、反応ガス流路8a、8a、…内を流れるガスにより外部へと排出される一方、残りの一部は、流路8b、8b、…内を流れる冷却水により冷却されているセパレータ8に触れることにより、結露して液滴の水となる。かかる水の一部は、上記水蒸気と同様に、流路8a、8a、…内を流れるガスにより外部へと排出され得る。そのため、例えば、流路8a、8a、…の下流部や当該流路8a、8a、…の出口では液滴の水が特に滞留しやすく、さらに、流路がいわゆるサーペンタイン形状に形成されている場合には、反応ガスによって液滴の水が押し出され難い当該流路の曲部(図2(C)参照)にも水が滞留しやすい。このようにして生成された液滴の水の滞留が触媒層3a、2aにまで及び、触媒層3a、2aがフラッディング状態になると、電気化学反応に寄与すべき触媒が当該水中に浸漬され、単セル10の発電効率低下を招く。そこで、本発明では、上記第1の面に上記撥水剤層6、6を形成することにより、拡散層3b、2bから触媒層3a、2aへ向かう液滴の水の移動を防止し、発電効率の低下を防止し得る単セル10としている。   In the single cell 10 shown in the figure, hydrogen supplied from the reaction gas flow paths 7a, 7a,... On the anode side reaches the anode catalyst layer 2a via the anode diffusion layer 2b, and on the catalyst in the catalyst layer 2a. Thus, electrons and hydrogen ions are generated from hydrogen. The hydrogen ions generated in the anode catalyst layer 2a pass through the electrolyte membrane 1 and reach the cathode catalyst layer 3a. On the other hand, oxygen supplied from the reaction gas flow paths 8a, 8a,... On the cathode side is supplied to the cathode catalyst layer 3a via the cathode diffusion layer 3b, and on the catalyst of the catalyst layer 3a, hydrogen ions, oxygen And water react with each other (hereinafter sometimes referred to as “electrochemical reaction”) to generate water (water vapor). A part of the water vapor thus generated is discharged to the outside by the gas flowing in the reaction gas flow paths 8a, 8a,..., While the remaining part of the water vapor is flown in the flow paths 8b, 8b,. By touching the separator 8 that is cooled by the flowing cooling water, dew condensation forms water of droplets. A part of the water can be discharged to the outside by the gas flowing in the flow paths 8a, 8a,. Therefore, for example, the water in the droplets tends to stay particularly at the downstream portion of the flow paths 8a, 8a,... And the outlet of the flow paths 8a, 8a,..., And the flow path is formed in a so-called serpentine shape. In this case, the water tends to stay in a curved portion (see FIG. 2C) of the flow channel where the water of the droplet is hardly pushed out by the reaction gas. When the water in the droplets thus generated reaches the catalyst layers 3a and 2a and the catalyst layers 3a and 2a are flooded, the catalyst that should contribute to the electrochemical reaction is immersed in the water. The power generation efficiency of the cell 10 is reduced. Therefore, in the present invention, by forming the water repellent layers 6 and 6 on the first surface, the movement of water droplets from the diffusion layers 3b and 2b toward the catalyst layers 3a and 2a is prevented, thereby generating power. The single cell 10 is capable of preventing a decrease in efficiency.

ここで、拡散層3b、2bから触媒層3a、2aへと向かう液滴の水の移動を防止することを目的として拡散層3b、2bと触媒層3a、2aとの界面に撥水剤層を形成する場合、形式的には、拡散層3b、2bの触媒層3a、2a側の面(以下において、「第2の面」と記述することがある。)に撥水剤層を形成することも考えられる。しかし、微視的に見れば、拡散層3b、2b、及び触媒層3a、2aの表面には凹凸が存在するので、第2の面に撥水剤層が形成されると、第1の面と第2の面との間に存在する液滴の水の移動が撥水剤層によって阻害される。そのため、かかる構成とすると、液滴の水が反応ガス流路内を流れるガスによって持ち去られ難い。第1の面と第2の面との間に存在する液滴の水がガスによって持ち去られずに残存すると、当該水は触媒層内に留まりやすくなるため、触媒層がフラッディング状態になりやすい。そこで、本発明では、上記第1の面に撥水剤層を形成し、第1の面と第2の面との間に存在する液滴の水が反応ガス流路内のガスによって持ち去られやすい形態の単セル10としている。   Here, a water repellent layer is provided at the interface between the diffusion layers 3b and 2b and the catalyst layers 3a and 2a for the purpose of preventing the movement of the water droplets from the diffusion layers 3b and 2b toward the catalyst layers 3a and 2a. When forming, a water repellent layer is formally formed on the surfaces of the diffusion layers 3b and 2b on the catalyst layers 3a and 2a side (hereinafter, sometimes referred to as “second surface”). Is also possible. However, microscopically, since there are irregularities on the surfaces of the diffusion layers 3b and 2b and the catalyst layers 3a and 2a, when the water repellent layer is formed on the second surface, the first surface Movement of droplets existing between the first surface and the second surface is hindered by the water repellent layer. Therefore, with such a configuration, it is difficult for water in the droplets to be taken away by the gas flowing in the reaction gas flow path. If water droplets existing between the first surface and the second surface remain without being taken away by the gas, the water tends to stay in the catalyst layer, and the catalyst layer is likely to be flooded. Therefore, in the present invention, a water repellent layer is formed on the first surface, and water droplets existing between the first surface and the second surface are carried away by the gas in the reaction gas channel. The single cell 10 has an easy form.

本発明において、撥水剤層が形成される部位は、上記第1の面であれば特に限定されるものではなく、例えば、単セル10が積層体の端部以外(例えば、積層体の中央)に配置される場合には、反応ガス流路の出口と対向すべき部位や、反応ガス流路の下流部と対向すべき部位等を挙げることができ、反応ガス流路がサーペンタイン形状(図2(C)参照)に形成されている場合には、さらに、当該反応ガス流路の曲部と対向すべき部位等を挙げることができる。他方、後述するように、積層体の端部に配置される単セル10の場合には、上記第1の面の全面等に形成することができる。これらの部位に撥水剤層が形成されていれば、例えば、液滴の水が滞留しやすい部位と滞留し難い部位とで、触媒層の組成を変えたり触媒層に塗布する撥水剤の組成を変えたりする従来手法よりも簡易な方法によって、効果的に排水性を向上させ得る単セルとすることが可能になる。   In the present invention, the portion where the water repellent layer is formed is not particularly limited as long as it is the first surface. For example, the single cell 10 is other than the end of the laminate (for example, the center of the laminate). ), A site that should face the outlet of the reaction gas channel, a site that should face the downstream part of the reaction gas channel, and the like. 2 (C)), a portion to be opposed to the curved portion of the reaction gas flow path can be further exemplified. On the other hand, as will be described later, in the case of the single cell 10 disposed at the end of the laminate, it can be formed on the entire surface of the first surface or the like. If the water repellent layer is formed in these parts, for example, the composition of the catalyst layer may be changed or the water repellent agent applied to the catalyst layer may be changed between the part where the water of the droplet is likely to stay and the part where the water is difficult to stay. By a simpler method than the conventional method of changing the composition, it becomes possible to obtain a single cell that can effectively improve drainage.

図2に、反応ガス流路の出口、反応ガス流路の下流部、及び、サーペンタイン形状に形成された反応ガス流路の曲部を概略的に示す。これらの反応ガス流路は、セパレータの拡散層側の面に形成されている。なお、図2は、セパレータを拡散層側から示す概略図であり、紙面に垂直な方向が積層方向である。図2において、直線の矢印は、反応ガスの進行方向を示している。   FIG. 2 schematically shows the outlet of the reactive gas channel, the downstream portion of the reactive gas channel, and the curved portion of the reactive gas channel formed in a serpentine shape. These reaction gas flow paths are formed on the surface of the separator on the diffusion layer side. FIG. 2 is a schematic view showing the separator from the diffusion layer side, and the direction perpendicular to the paper surface is the stacking direction. In FIG. 2, the straight arrow indicates the traveling direction of the reaction gas.

図2(A)は、反応ガス流路の出口を破線で囲んで示す概略図、図2(B)は、反応ガス流路の下流部を破線で囲んで示す概略図、図2(C)は、サーペンタイン形状に形成された反応ガス流路の曲部を破線で囲んで示す概略図である。図2(A)及び(B)において破線で囲んだ部位は、電気化学反応により生成され移動してきた水が集まるため液滴の水が滞留しやすく、一方、図2(C)において破線で囲んだ部位は、液滴の水が反応ガス流路を流れるガスにより押し出され難いため液滴の水が滞留しやすい。したがって、これらの部位と対向する上記第1の面の部位に撥水剤層が形成されていれば、滞留しやすい液滴の水を効果的に単セル外へと排出することが可能になる。   2A is a schematic diagram showing the outlet of the reaction gas channel surrounded by a broken line, FIG. 2B is a schematic diagram showing the downstream part of the reaction gas channel surrounded by a broken line, and FIG. FIG. 3 is a schematic view showing a curved portion of a reaction gas channel formed in a serpentine shape surrounded by a broken line. 2 (A) and 2 (B), the portion surrounded by the broken line is likely to retain the water of the droplets because the water generated and moved by the electrochemical reaction collects, while the portion surrounded by the broken line in FIG. 2 (C). In such a portion, the droplet water is difficult to be pushed out by the gas flowing through the reaction gas flow path, so that the droplet water tends to stay. Therefore, if the water repellent layer is formed on the portion of the first surface opposite to these portions, it becomes possible to effectively discharge the water of the liquid droplets that tend to stay out of the single cell. .

図3は、本発明にかかる単セルを備える積層体、を備える燃料電池の形態例を概略的に示す外観図である。図3において、図の左右方向が単セルの積層方向であり、図3にかかる燃料電池は上記単セル10を備えている。なお、以下の説明では、積層方向を法線方向とする面を積層面と記述する。   FIG. 3 is an external view schematically showing an example of a fuel cell including a laminate including a single cell according to the present invention. In FIG. 3, the horizontal direction in the drawing is the stacking direction of the single cells, and the fuel cell according to FIG. 3 includes the single cell 10. In the following description, a surface whose normal direction is the stacking direction is described as a stacking surface.

一般に、燃料電池単セルの起電力のみでは、電気自動車等の動力源として不十分である。そのため、通常は、図3に示すように、スタック形態の燃料電池100が使用されている。図示の燃料電池100は、単セル10、10、…を直列に積層して構成される積層体50と、当該積層体50の両側に配設される集電板60、60及び電気絶縁板70、70を備え、外気に触れやすい端部セル10A、10Aは、中央部セル10B、10B、…よりも放熱しやすい。したがって、特に、端部セル10A、10Aでは、反応ガス中の水分が凝集して液滴の水が生成されやすいほか、電気化学反応によって生成された水蒸気も凝集しやすいため、積層面全面に亘って液滴の水が生成されやすく、フラッディング状態になりやすい。そこで、本発明にかかる単セルが積層体の端部に配置される場合には、上記第1の面の全面に亘って撥水剤層を形成することが好ましい。かかる構成とすることで、端部セル10A、10Aの排水性を向上させることが可能になり、端部セル10A、10Aにおけるフラッディングの発生を抑制することが可能になる。また、このようにして、良好な排水性を有する端部セル10A、10Aとすれば、運転停止時に端部セル10A、10A内に残存している液滴の水を低減することが可能になる。そのため、運転停止状態の燃料電池が氷点下の寒冷環境に置かれた場合であっても、端部セル10A、10Aで生じやすい水の凍結を抑制することが可能になり、燃料電池の低温始動性を向上することが可能になる。したがって、本発明にかかる単セルを積層体の端部に配置すれば、フラッディングの発生を抑制することが可能であるとともに低温始動性を向上することが可能な、燃料電池100を提供することが可能になる。   In general, only the electromotive force of a single fuel cell is not sufficient as a power source for an electric vehicle or the like. Therefore, normally, as shown in FIG. 3, a fuel cell 100 in a stack form is used. The illustrated fuel cell 100 includes a stacked body 50 formed by stacking single cells 10, 10,... In series, current collector plates 60, 60 and an electrical insulating plate 70 disposed on both sides of the stacked body 50. , 70, and the end cells 10 </ b> A and 10 </ b> A that are easily exposed to the outside air radiate heat more easily than the center cells 10 </ b> B, 10 </ b> B. Therefore, in particular, in the end cells 10A and 10A, moisture in the reaction gas is easily aggregated to generate droplet water, and water vapor generated by the electrochemical reaction is also easily aggregated. As a result, water droplets are easily generated and flooding is likely to occur. Therefore, when the single cell according to the present invention is disposed at the end of the laminate, it is preferable to form a water repellent layer over the entire surface of the first surface. By adopting such a configuration, it becomes possible to improve drainage of the end cells 10A, 10A, and it is possible to suppress the occurrence of flooding in the end cells 10A, 10A. In addition, if the end cells 10A and 10A have good drainage properties in this way, it becomes possible to reduce the water of the droplets remaining in the end cells 10A and 10A when the operation is stopped. . Therefore, even when the stopped fuel cell is placed in a cold environment below freezing, it is possible to suppress freezing of water that is likely to occur in the end cells 10A and 10A. It becomes possible to improve. Therefore, by disposing the single cell according to the present invention at the end of the laminated body, it is possible to provide the fuel cell 100 that can suppress the occurrence of flooding and improve the low-temperature startability. It becomes possible.

上記説明では、便宜上、積層体の両端1セルずつの2セルに、本発明にかかる単セルが配置される形態について記述したが、積層体の端部は、両端1セルずつの計2セルが含まれていれば、当該形態に限定されるものではなく、燃料電池が使用される環境に応じて、例えば、両端から数セル(例えば、3セル程度)の幅があっても良い。かかる構成とすることで、例えば、マイナス20℃以下等の極低温環境にて燃料電池が使用され、端部の数セルずつが放熱しやすい場合等であっても、端部セルの排水性を効果的に向上させることが可能になるため、フラッディングの発生を抑制可能であるとともに低温始動性を向上させ得る燃料電池を提供することが可能になる。   In the above description, for the sake of convenience, a mode in which a single cell according to the present invention is arranged in two cells of one cell at both ends of the laminate is described. However, the end of the laminate has two cells, one cell at both ends. If it is included, it is not limited to the said form, For example, according to the environment where a fuel cell is used, there may be a width | variety of several cells (for example, about 3 cells) from both ends, for example. By adopting such a configuration, for example, even when a fuel cell is used in a cryogenic environment such as minus 20 ° C. or less and a few cells at the end are likely to dissipate heat, the drainage of the end cell is reduced. Since it becomes possible to improve effectively, it becomes possible to provide the fuel cell which can suppress generation | occurrence | production of flooding and can improve low temperature startability.

また、上記形態で形成される撥水剤層の厚みは、単セルの排水性を向上させ得る厚みであれば、特に限定されるものではないが、均一な塗布を可能とする観点から、5nm以上の厚みとすることが好ましく、発電性能の低下を抑制するという観点から、50nm以下の厚みとすることが好ましい。さらに、上記第1の面に形成される撥水剤層は、撥水剤層が形成される全ての部位において同じ厚みを有する形態に限定されるものではない。排水性の向上効果や発電性能等を総合的に勘案して、形成部位毎や同一形成領域内において厚みに差が設けられていても良い。   In addition, the thickness of the water repellent layer formed in the above form is not particularly limited as long as it can improve the drainage of the single cell, but from the viewpoint of enabling uniform coating, it is 5 nm. It is preferable to set it as the above thickness, and it is preferable to set it as thickness of 50 nm or less from a viewpoint of suppressing the fall of electric power generation performance. Furthermore, the water repellent layer formed on the first surface is not limited to a form having the same thickness in all the portions where the water repellent layer is formed. In consideration of the drainage improvement effect, power generation performance, and the like, a difference in thickness may be provided for each formation site or in the same formation region.

加えて、上記説明では、便宜上、アノード触媒層2a及びカソード触媒層3aの第1の面に撥水剤層が形成されている形態の単セルについて記述したが、本発明にかかる単セルは、当該形態に限定されるものではなく、電気化学反応によって水蒸気が生成されるカソード触媒層3aの上記第1の面にのみ撥水剤層が形成されている形態であっても良い。他方、上記スタック形態にかかる燃料電池に関する説明では、端部セル10A、10Aにのみ本発明にかかる単セルが配置される形態について記述したが、スタック形態の燃料電池で本発明にかかる単セルが配置され得る部位は端部に限定されるものではない。積層体の中央部の一部及び端部に配置されていても良く、積層体を構成する全ての単セルを本発明にかかる単セルとしても良い。   In addition, in the above description, for the sake of convenience, a single cell having a form in which a water repellent layer is formed on the first surface of the anode catalyst layer 2a and the cathode catalyst layer 3a has been described. It is not limited to the said form, The form by which the water repellent layer is formed only in the said 1st surface of the cathode catalyst layer 3a in which water vapor | steam is produced | generated by an electrochemical reaction may be sufficient. On the other hand, in the description of the fuel cell according to the stack form, the form in which the single cell according to the present invention is arranged only in the end cells 10A and 10A is described. However, the single cell according to the present invention is a stack form fuel cell. The site | part which can be arrange | positioned is not limited to an edge part. It may be arranged at a part and an end of the central part of the laminated body, and all the single cells constituting the laminated body may be the single cells according to the present invention.

また、本発明において、撥水剤層を形成する方法は、上記効果を奏するような形態で上記第1の面に撥水剤層を形成し得る形態であれば、特に限定されるものではなく、その具体例としては、浸漬、スピンコート、又はスプレー塗布等の方法を挙げることができる。   In the present invention, the method for forming the water repellent layer is not particularly limited as long as the water repellent layer can be formed on the first surface in a form that exhibits the above effects. Specific examples thereof include methods such as dipping, spin coating, and spray coating.

さらに、本発明において、上記第1の面に撥水剤層が形成される場合、当該撥水剤は、気体を透過可能であるとともに液滴の水を透過させない性質を備え、上記厚みにて塗布され得る形態を備えていれば、特に限定されるものではない。本発明にて使用可能な撥水剤の具体例としては、フッ素系撥水剤等を挙げることができ、当該フッ素系撥水剤の具体例としては、上記Novecのほか、FS−7010(株式会社フロロテクノロジー製)、又は、サイトップ(サイトップは旭硝子株式会社の登録商標)等を挙げることができる。   Furthermore, in the present invention, when the water repellent layer is formed on the first surface, the water repellent has a property of allowing gas to pass and not allowing water of droplets to pass through, and having the above thickness. If it has the form which can be apply | coated, it will not specifically limit. Specific examples of the water repellent that can be used in the present invention include a fluorine-based water repellent, and specific examples of the fluorine-based water repellent include FS-7010 (stock) in addition to the above-mentioned Novec. And CYTOP (Cytop is a registered trademark of Asahi Glass Co., Ltd.).

なお、上記説明では、便宜上、上記第1の面に排水手段としての撥水剤層が形成されている形態について説明したが、本発明にかかる上記第1の面に付与され得る排水手段は、撥水剤層に限定されるものではなく、当該第1の面の排水性を向上させ得る手段であれば、他の手段が付与されていても良い。当該他の手段の具体例としては、上記第1の面の表面に微細な(nmオーダ)凹凸を形成することで撥水性を付与し、当該第1の面における液滴の水を排水する手段等を挙げることができる。   In the above description, for the sake of convenience, the embodiment in which the water repellent layer as the drainage means is formed on the first surface has been described, but the drainage means that can be applied to the first surface according to the present invention is: It is not limited to the water repellent layer, and other means may be provided as long as it can improve the drainage of the first surface. As a specific example of the other means, means for imparting water repellency by forming fine (nm order) irregularities on the surface of the first surface, and draining water of droplets on the first surface. Etc.

上記説明では、便宜上、セパレータに反応ガス流路が形成されている形態の単セルを備える燃料電池について説明したが、本発明を適用し得る燃料電池の形態は、当該形態に限定されるものではない。セパレータに反応ガス流路が形成されておらず、めっき法や発泡法等により製造されるステンレス鋼、チタン又はニッケル等の発泡金属、あるいは焼結金属等の多孔体により形成される拡散層に反応ガスが供給される形態の単セルを備える燃料電池であっても、本発明を好適に適用することが可能である。   In the above description, for convenience, a fuel cell including a single cell in which a reaction gas flow path is formed in the separator has been described. However, the form of the fuel cell to which the present invention can be applied is not limited to the form. Absent. No reaction gas flow path is formed in the separator, and it reacts with a diffusion layer formed by a porous material such as stainless steel, titanium or nickel, or a sintered metal produced by plating or foaming. The present invention can be preferably applied even to a fuel cell including a single cell in a form in which gas is supplied.

カソード触媒層及びアノード触媒層における上記第1の面の全面に、浸漬により排水手段としての撥水剤(住友スリーエム社製のNovec)層を形成させた触媒層、を備える単セル(実施例)と、拡散層側の面に排水手段が付与されていない触媒層を備える単セル(比較例)とを用い、セル電圧と電流密度との関係を調査した。調査結果を図4に示す。図4において、実線は実施例の結果を、破線は比較例の結果を、それぞれ示している。なお、図4の縦軸はセル電圧(V)、横軸は電流密度(A/cm)である。 A single cell comprising a catalyst layer in which a water repellent (Novec manufactured by Sumitomo 3M) layer as a drainage means is formed on the entire surface of the first surface of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer by dipping (Example) And the relationship between cell voltage and current density was investigated using a single cell (comparative example) provided with a catalyst layer to which no drainage means was provided on the surface on the diffusion layer side. The survey results are shown in FIG. In FIG. 4, the solid line indicates the result of the example, and the broken line indicates the result of the comparative example. In FIG. 4, the vertical axis represents the cell voltage (V), and the horizontal axis represents the current density (A / cm 2 ).

一般に、電流密度を高くすると、電気化学反応が盛んに起こり、多くの水蒸気が生成される。そのため、電流密度を高くすればするほど、液滴の水が生じやすくなり、フラッディング状態が発生しやすい。セル内の排水が滞ってフラッディング状態が発生すると、反応ガスの拡散が阻害されるとともに電気化学反応に寄与し得る触媒が減少することから、起電力(セル電圧)が低下する。そのため、セル電圧の値はフラッディング状態の発生の有無、及び単セルにおける排水性の指標となる。   In general, when the current density is increased, electrochemical reactions occur actively and a lot of water vapor is generated. For this reason, the higher the current density, the easier it is for droplet water to be generated, and the flooding state is more likely to occur. If the drainage in the cell stagnates and a flooding state occurs, the diffusion of the reaction gas is inhibited and the number of catalysts that can contribute to the electrochemical reaction decreases, so the electromotive force (cell voltage) decreases. For this reason, the value of the cell voltage is an indicator of whether or not a flooding state has occurred and the drainability of a single cell.

図4に示すように、実施例にかかるセルは、比較例にかかるセルよりもセル電圧の低下が抑制され、比較例にかかるセルよりも高電流密度下で安定して発電することが可能であった。これは、触媒層の第1の面に撥水剤を塗布することで、実施例にかかるセルの排水性が向上し、フラッディング状態の発生が抑制されたためであると考えられる。すなわち、本調査から、触媒層の拡散層側の面に排水手段を付与することで、燃料電池の排水性を向上させ得ることが確認された。   As shown in FIG. 4, the cell according to the example has a lower cell voltage than the cell according to the comparative example, and can stably generate power at a higher current density than the cell according to the comparative example. there were. This is presumably because the drainage of the cell according to the example was improved by applying a water repellent to the first surface of the catalyst layer, and the occurrence of flooding was suppressed. That is, from this investigation, it was confirmed that the drainage performance of the fuel cell can be improved by providing drainage means on the surface of the catalyst layer on the diffusion layer side.

本発明にかかる燃料電池を構成する単セルの形態例を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows roughly the example of the form of the single cell which comprises the fuel cell concerning this invention. 反応ガス流路の出口、下流部、及び曲部の形態例を示す概略図である。It is the schematic which shows the example of the exit of a reactive gas flow path, a downstream part, and a curved part. 本発明にかかる単セルを備える積層体、を備える燃料電池の形態例を概略的に示す外観図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is an external view schematically showing a form example of a fuel cell including a laminate including a single cell according to the present invention. セル電圧と電流密度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a cell voltage and a current density.

符号の説明Explanation of symbols

1 電解質膜
2 アノード
2a アノード触媒層
2b アノード拡散層
3 カソード
3a カソード触媒層
3b カソード拡散層
5 MEA
6 排水手段(撥水剤層)
7 アノードセパレータ
8 カソードセパレータ
10 単セル
10A 端部セル(積層体の端部)
10B 中央部セル
50 積層体
100 燃料電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electrolyte membrane 2 Anode 2a Anode catalyst layer 2b Anode diffusion layer 3 Cathode 3a Cathode catalyst layer 3b Cathode diffusion layer 5 MEA
6 Drainage means (water repellent layer)
7 Anode separator 8 Cathode separator 10 Single cell 10A End cell (end of laminate)
10B Central cell 50 Laminated body 100 Fuel cell

Claims (7)

電解質層及び該電解質層の両側に配設される触媒層を備えるMEAと、該MEAの両側に配設される拡散層と、該拡散層の外側に配設されるセパレータと、を備える単セルを積層した、積層体を備える燃料電池であって、
前記触媒層の、前記拡散層側の面に、排水手段が付与されていることを特徴とする、燃料電池。
A single cell comprising an MEA comprising an electrolyte layer and a catalyst layer disposed on both sides of the electrolyte layer, a diffusion layer disposed on both sides of the MEA, and a separator disposed on the outside of the diffusion layer A fuel cell comprising a laminate,
A fuel cell, wherein a drainage means is provided on a surface of the catalyst layer on the diffusion layer side.
前記排水手段は、前記拡散層側の面の、前記単セル内にて液滴の水が滞留しやすい部位に付与されていることを特徴とする、請求項1に記載の燃料電池。 2. The fuel cell according to claim 1, wherein the drainage unit is provided at a portion of the surface on the diffusion layer side where droplet water tends to stay in the single cell. 前記排水手段が、撥水剤であることを特徴とする、請求項1又は2に記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the drainage means is a water repellent. 前記撥水剤が、5〜50nmの厚さで塗布されていることを特徴とする、請求項3に記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 3, wherein the water repellent is applied in a thickness of 5 to 50 nm. 前記撥水剤が、フッ素系の表面処理剤であることを特徴とする、請求項3又は4に記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 3 or 4, wherein the water repellent is a fluorine-based surface treatment agent. 前記排水手段が付与されている前記触媒層を備える前記単セルが、前記積層体の端部に備えられていることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein the single cell including the catalyst layer to which the drainage unit is provided is provided at an end of the laminated body. . 電解質層及び該電解質層の両側に配設される触媒層を備えるMEAと、該MEAの両側に配設される拡散層と、該拡散層の外側に配設されるセパレータと、を備える単セルを積層した、積層体を備える燃料電池の製造方法であって、
前記MEAを作製した後、該MEAの積層面の少なくとも一方に撥水剤を塗布する、撥水剤塗布工程を有することを特徴とする、燃料電池の製造方法。
A single cell comprising an MEA comprising an electrolyte layer and a catalyst layer disposed on both sides of the electrolyte layer, a diffusion layer disposed on both sides of the MEA, and a separator disposed on the outside of the diffusion layer A method for producing a fuel cell comprising a laminate,
A method for producing a fuel cell, comprising: a step of applying a water repellent to at least one of the stacked surfaces of the MEA after producing the MEA.
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