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JP2007280860A - Membrane-electrode junction and fuel cell - Google Patents

Membrane-electrode junction and fuel cell Download PDF

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JP2007280860A
JP2007280860A JP2006108203A JP2006108203A JP2007280860A JP 2007280860 A JP2007280860 A JP 2007280860A JP 2006108203 A JP2006108203 A JP 2006108203A JP 2006108203 A JP2006108203 A JP 2006108203A JP 2007280860 A JP2007280860 A JP 2007280860A
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JP
Japan
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fuel cell
layer
region
flow path
reaction
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Application number
JP2006108203A
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Japanese (ja)
Inventor
Hiroyuki Satake
弘之 佐竹
Osamu Kubota
修 久保田
Kenichi Soma
憲一 相馬
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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  • Inert Electrodes (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell which can reduce the number of flooding phenomena and maintaining stable output. <P>SOLUTION: This fuel cell comprises a polymer polyelectrolyte membrane, a pair of conductive, diffusible diffusion layers having the polyelectrolyte membrane between two catalysis layers and a pair of conductive power collectors positioned in a way that it corresponds to the pair of conductive, diffusible diffusion layers. In addition, this fuel cell comprises a channel connected to the catalysis layers so that oxidation agent and fuel can be supplied via the channel. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、酸化剤を自然対流にてカソード電極層に供給する燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell that supplies an oxidant to a cathode electrode layer by natural convection.

現在、分散電源としては、リチウム二次電池鉛蓄電池に代表される二次電池が主流である。この二次電池と燃料電池とを比較した場合には、燃料電池は充電時間が要らず、原理的には燃料を燃料電池に補給するのみで半永久的に発電できるという利点がある。   At present, secondary batteries represented by lithium secondary battery lead-acid batteries are the mainstream as distributed power sources. When the secondary battery and the fuel cell are compared, the fuel cell does not require charging time, and in principle, there is an advantage that power can be generated semi-permanently only by replenishing the fuel cell.

燃料電池に供給する燃料は、水素を含むガスまたは液体が主流である。例えばメタノールを燃料とし、酸素を酸化剤とした場合、以下に示す電気化学反応でメタノールの持っている化学エネルギーが直接電気エネルギーに変換される形で発電される。アノード側では供給されたメタノール水溶液が(1)式にしたがって反応して炭酸ガスと水素イオンと電子に解離する。   The fuel supplied to the fuel cell is mainly a gas or liquid containing hydrogen. For example, when methanol is used as fuel and oxygen is used as oxidant, the chemical energy possessed by methanol is directly converted into electrical energy by the following electrochemical reaction. On the anode side, the supplied aqueous methanol solution reacts according to the equation (1) to dissociate into carbon dioxide, hydrogen ions, and electrons.

CH3OH+H2O → CO2+6H++6e- …(1)
生成された水素イオンは電解質膜中をアノードからカソード側に移動し、カソード電極上で空気中から拡散してきた酸素ガスと電極上の電子と(2)式に従って反応して水を生成する。
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e (1)
The generated hydrogen ions move in the electrolyte membrane from the anode to the cathode side, and react with oxygen gas diffused from the air on the cathode electrode and electrons on the electrode according to the formula (2) to generate water.

6H++3/2O2+6e- → 3H2O …(2)
従って発電に伴う全化学反応は(3)式に示すようにメタノールが酸素によって酸化されて炭酸ガスと水とを生成する。
6H + + 3 / 2O 2 + 6e → 3H 2 O (2)
Accordingly, in the entire chemical reaction accompanying power generation, methanol is oxidized by oxygen as shown in the formula (3) to generate carbon dioxide gas and water.

CH3OH+3/2O2 → CO2+3H2O …(3)
また、これらの電極反応とは別に、アノード側の燃料が電解質膜を直接透過するクロスオーバ現象も生じる。クロスオーバ現象によりカソード側に到達した燃料は、(3)式に表される反応により電気化学反応に寄与せず燃焼し、熱を発生する。
CH 3 OH + 3 / 2O 2 → CO 2 + 3H 2 O (3)
In addition to these electrode reactions, a crossover phenomenon occurs in which fuel on the anode side directly permeates the electrolyte membrane. The fuel that has reached the cathode side due to the crossover phenomenon burns without contributing to the electrochemical reaction due to the reaction expressed by the equation (3), and generates heat.

燃料電池は、燃料を供給する方式により、アクティブ型とパッシブ型に分けられる。アクティブ型は、ブロアやファン,ポンプなどの補機を用いて、強制対流により燃料または酸化剤を燃料電池に供給する。一方、パッシブ型はこれらの補機を用いず、自然拡散または自然対流により燃料または酸化剤を燃料電池に供給するものである。よって、パッシブ型の燃料電池の場合、カソードを外気に触れさせる構造とすることで、発電が可能である。パッシブ型の燃料電池として特許文献1に開示がある。   Fuel cells are classified into an active type and a passive type depending on the fuel supply system. The active type supplies fuel or oxidant to the fuel cell by forced convection using auxiliary equipment such as a blower, a fan, and a pump. On the other hand, the passive type does not use these auxiliary machines and supplies fuel or oxidant to the fuel cell by natural diffusion or natural convection. Therefore, in the case of a passive fuel cell, power generation is possible by adopting a structure in which the cathode is in contact with the outside air. Patent Document 1 discloses a passive fuel cell.

特開2000−268836号公報JP 2000-268836 A

自然拡散または自然対流により酸化剤をカソードに供給する場合、反応(2)式で表されるカソードにおける反応により生じた生成水がカソード内または表面で凝集水となり、酸素の供給が妨げられる現象(フラッディング現象)が生じる。   When the oxidant is supplied to the cathode by natural diffusion or natural convection, the water produced by the reaction expressed by the reaction (2) in the cathode becomes condensed water in the cathode or on the surface, which prevents the supply of oxygen ( Flooding phenomenon).

生成水は、(2)式の反応直後は水蒸気として存在し、拡散により外界へ排出されると考えられるが、燃料電池が発電を継続すると、水蒸気の拡散が水蒸気の生成にまにあわなくなり、フラッディング現象が生じる。   The generated water exists as water vapor immediately after the reaction of the formula (2), and is considered to be discharged to the outside by diffusion. However, when the fuel cell continues to generate electricity, the diffusion of water vapor does not match the generation of water vapor, and the flooding phenomenon Occurs.

フラッディング現象が生じると酸化剤がカソードに届きにくくなり、(2)式の電極反応が妨げられ、燃料電池の出力が落ちてしまうという課題がある。   When the flooding phenomenon occurs, it is difficult for the oxidant to reach the cathode, the electrode reaction of the formula (2) is hindered, and the output of the fuel cell is reduced.

本発明の目的は、フラッディング現象を低減させ、安定した出力を維持できる燃料電池を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a fuel cell capable of reducing flooding and maintaining stable output.

酸化剤がカソードに到達する通路と生成水が排出される通路とを分けることにより、酸化剤をカソードにスムーズに供給し、また、生成された水蒸気をスムーズに排出できる燃料電池である。   By separating the passage through which the oxidant reaches the cathode and the passage through which generated water is discharged, the fuel cell can smoothly supply the oxidant to the cathode and smoothly discharge the generated water vapor.

本発明によれば、フラッディング現象を低減させ、安定した出力を維持できる燃料電池を提供できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the flooding phenomenon can be reduced and the fuel cell which can maintain the stable output can be provided.

アクティブな方法は強制循環のための装置が必要になり、燃料電池の小型化に対応できない。一方、拡散のメカニズムに基づくパッシブな方法では、反応生成物の排出と電気化学反応に必要な燃料や酸化剤の供給を、拡散層を通して行っており、排出と供給の流れが相殺し、結果として反応生成物の排出が十分に実現できていない。また、触媒反応層や拡散層と接近して熱可塑性樹脂製多孔質膜層や吸水性シートを配置して、反応生成水を排出する手法は、熱可塑性樹脂製多孔質膜層や吸水性シートに反応生成水が蓄積されてしまい、吸水性が飽和した時点から触媒反応層付近の湿度が増加し、結果として反応生成水の結露による障害を本質的に解決していない。   The active method requires a device for forced circulation, and cannot cope with downsizing of the fuel cell. On the other hand, in the passive method based on the diffusion mechanism, the reaction product is discharged and the fuel and oxidant necessary for the electrochemical reaction are supplied through the diffusion layer. As a result, the flow of discharge and supply is offset. The reaction product is not sufficiently discharged. In addition, a method of discharging a reaction product water by arranging a thermoplastic resin porous membrane layer or water absorbent sheet close to the catalyst reaction layer or diffusion layer is a thermoplastic resin porous membrane layer or water absorbent sheet. The reaction product water is accumulated in the water and the humidity in the vicinity of the catalyst reaction layer increases from the time when the water absorption is saturated. As a result, the obstacle due to condensation of the reaction product water is not essentially solved.

本実施形態によれば、燃料電池において、反応の際、生成される不要物を効率よく排出し、燃料や酸化剤の供給を的確に行うための手段を提供し、安定した出力が得られるようにすることができる。   According to the present embodiment, in the fuel cell, it is possible to efficiently discharge unnecessary substances generated during the reaction, provide a means for accurately supplying the fuel and the oxidant, and obtain a stable output. Can be.

本実施形態は、水素イオン伝導性の高分子電解質膜と、前記高分子電解質薄膜の両面に触媒反応層を挟んで、それぞれ対向して配される導電性と拡散性を兼ね備えた一対の拡散層と、前記拡散層に酸化剤および燃料を供給し、それぞれ対向して配される一対の導電性の集電体とを備えた燃料電池において、触媒反応層に接続する酸化剤および燃料を供給するための流路を設けたことを特徴とする燃料電池である。   In this embodiment, a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane and a pair of diffusion layers having both conductivity and diffusivity arranged opposite to each other with a catalytic reaction layer sandwiched between both surfaces of the polymer electrolyte thin film And a pair of conductive current collectors disposed opposite to each other, and supplying an oxidant and fuel connected to the catalytic reaction layer in the fuel cell The fuel cell is characterized in that a flow path is provided.

酸化剤および燃料を供給するための流路を設けたことにより、拡散層で排出のみの流れが生じやすくなり、この結果、拡散層で供給と排出の流れが相殺する影響を軽減できる。また、先に示した化学反応式(3)から、触媒反応層では反応熱が生成される。酸化剤および燃料を供給するための流路は、反応熱に基づく自然対流を発生させ、自然対流により、反応性生物の排出および、酸化剤または燃料の供給の効率を向上させる。また、自然対流による反応性生物の排出および、酸化剤または燃料の供給をさらに効果的に行わせるために、触媒反応層に厚みのある部分と薄い部分とで構成し、反応熱による温度格差を生成させ、触媒反応層で薄い部分もしくは触媒反応層で触媒が存在しない部分に、前記酸化剤および燃料を供給するための流路を接続させる。こうすることで、反応熱の高いところから反応生成物が拡散層を通して流出し、反応熱の低いところから流路を通して酸化剤および燃料の流入がしやすくなる。ここで、拡散層からの排出の流れを増すために排気用のダクトをもうければさらに効果的である。また、酸化剤として空気を取り入れる場合、流路の入り口に除湿剤を置けば、乾燥した空気を供給することができ、反応生成水による弊害を軽減できる。   By providing the flow path for supplying the oxidant and the fuel, it becomes easy for the flow of only the discharge to occur in the diffusion layer, and as a result, the influence of the supply and discharge flow canceling each other in the diffusion layer can be reduced. Further, from the chemical reaction formula (3) shown above, reaction heat is generated in the catalytic reaction layer. The flow path for supplying the oxidant and the fuel generates a natural convection based on the heat of reaction, and the natural convection improves the discharge of the reactive organism and the efficiency of the supply of the oxidant or the fuel. In addition, in order to more effectively discharge reactive organisms by natural convection and supply oxidant or fuel, the catalytic reaction layer is composed of a thick part and a thin part, and the temperature difference due to reaction heat is reduced. A flow path for supplying the oxidant and fuel is connected to a thin portion of the catalyst reaction layer or a portion of the catalyst reaction layer where no catalyst is present. By doing so, the reaction product flows out through the diffusion layer from the place where the reaction heat is high, and the oxidant and the fuel easily flow through the flow path from the place where the reaction heat is low. Here, in order to increase the flow of exhaust from the diffusion layer, it is more effective if an exhaust duct is provided. In addition, when air is taken in as an oxidant, if a dehumidifying agent is placed at the entrance of the flow path, dry air can be supplied and adverse effects caused by the reaction product water can be reduced.

ところで、触媒反応層は反応熱により相対温度が高く、気圧も高くなる。この結果、触媒反応層で生成された反応性生物は、拡散層からのみではなく、酸化剤および燃料を供給するために設けた流路からも排出される危険性がある。この場合、反応性生物が流路を塞ぎ、酸化剤および燃料が供給されなくなる可能性がある。これを防止するために、流路と触媒反応層とが接続する部分において、撥水剤または親水剤を加える。供給されるものがガスで排出されるものが水蒸気ならば、接続部分に撥水剤を加えれば、水蒸気は、撥水部分を通り抜けて流路に流れることは困難になるが、供給されるガスは影響を受けない。一方、供給されるものがメタノール水溶液で排出されるものが二酸化炭素等のガスである場合、接続部分に親水剤を加えれば、メタノール水溶液は通過しやすいが、反面、ガスは通過しにくくなる。   Meanwhile, the catalytic reaction layer has a high relative temperature and a high atmospheric pressure due to reaction heat. As a result, there is a risk that the reactive organisms generated in the catalytic reaction layer are discharged not only from the diffusion layer but also from the flow path provided for supplying the oxidant and fuel. In this case, the reactive organism may block the flow path, and the oxidant and fuel may not be supplied. In order to prevent this, a water repellent or a hydrophilic agent is added at a portion where the flow path and the catalytic reaction layer are connected. If what is supplied is a gas that is discharged as water vapor, adding a water repellent to the connection part makes it difficult for water vapor to flow through the water repellent part and flow into the flow path. Is not affected. On the other hand, when what is supplied is a gas such as carbon dioxide that is discharged as an aqueous methanol solution, adding a hydrophilic agent to the connecting portion allows the aqueous methanol solution to pass easily, but makes it difficult for the gas to pass therethrough.

図14は、カソード側(空気極)における、供給と排出の流れを説明する概念モデル図である。従来の供給と排出の流れを説明する概念モデル図141では、酸素の供給と水の排出を拡散層の面を通して行っている。その結果、供給と排出の流れが相殺し、効率に問題がある。流路を設けた場合の流れを説明する概念モデル図142と概念モデル図144とでは、供給と排出が別ルートになり、流れが生じる。また、撥水剤または親水剤を拡散層に施し、撥水領域または親水領域を設け、これらの領域を流路とした場合の流れを説明する概念モデル図143においても、供給と排出が別ルートになり、流れが生じる。   FIG. 14 is a conceptual model diagram illustrating the flow of supply and discharge on the cathode side (air electrode). In the conventional conceptual model 141 illustrating the flow of supply and discharge, oxygen is supplied and water is discharged through the surface of the diffusion layer. As a result, supply and discharge flows are offset and there is a problem with efficiency. In the conceptual model diagram 142 and the conceptual model diagram 144 for explaining the flow when the flow path is provided, the supply and the discharge are different routes, and the flow is generated. Also in the conceptual model diagram 143 for explaining the flow when a water repellent or hydrophilic agent is applied to the diffusion layer to provide a water repellent region or a hydrophilic region and these regions are used as flow paths, supply and discharge are different routes. And a flow occurs.

本発明にかかる膜電極接合体80の一実施形態を図1に示す。電解質膜1は、プロトン導電性の電解質を有する膜である。機械的強度を保つために多孔質体等の芯材にプロトン導電性の電解質を含浸させたものでも良い。本実施形態にかかる膜電極接合体80は、電解質膜1の両面に略中心を厚く縁を薄くしたカソード電極層81とアノード電極層82とを形成させたものである。図1には、カソード電極層81とアノード電極層82とをそれぞれ覆うように、カソード拡散層83とアノード拡散層84とが配置される。拡散層は、燃料または酸化剤を各電極にできるだけ均一に供給するための部材である。図1の左図において、電極上に描かれている同心円は電極層の等高線を意味しており、電極の縁から略中心に向かい徐々に電極の厚みが増していることを意味している。   One embodiment of a membrane electrode assembly 80 according to the present invention is shown in FIG. The electrolyte membrane 1 is a membrane having a proton conductive electrolyte. In order to maintain mechanical strength, a core material such as a porous body may be impregnated with a proton conductive electrolyte. The membrane electrode assembly 80 according to the present embodiment is formed by forming a cathode electrode layer 81 and an anode electrode layer 82 with a substantially thick center and a thin edge on both surfaces of the electrolyte membrane 1. In FIG. 1, a cathode diffusion layer 83 and an anode diffusion layer 84 are disposed so as to cover the cathode electrode layer 81 and the anode electrode layer 82, respectively. The diffusion layer is a member for supplying the fuel or the oxidant to each electrode as uniformly as possible. In the left diagram of FIG. 1, concentric circles drawn on the electrodes mean the contour lines of the electrode layer, which means that the thickness of the electrodes gradually increases from the edge of the electrode toward the substantial center.

本実施形態においては、電極層はカーボン粒子に触媒粒子を担持させバインダーで混練した材料を用いている。触媒粒子としては、カソード電極層81には、白金粒子を、アノード電極層82は、白金とルテニウムとの合金をそれぞれ用いている。   In this embodiment, the electrode layer uses a material in which catalyst particles are supported on carbon particles and kneaded with a binder. As the catalyst particles, platinum particles are used for the cathode electrode layer 81, and an alloy of platinum and ruthenium is used for the anode electrode layer 82.

本実施形態のごとく、膜電極接合体の中央近傍の厚みを縁の厚みよりも厚くすることにより、中央近傍における電極反応を活性化させ、中央近傍に比べ縁は電気化学反応を不活性にすることができる。ただし、この現象は、電極層に電気化学反応の原因である触媒粒子がほぼ均一に存在している場合に起こる。本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、電極層で行われる電気化学反応の活性度に偏りを持たせるところにある。すなわち、触媒粒子の分布を制御し触媒粒子の存在量に偏りを持たせることにより、電極反応の活性度を偏らせることができる。   As in this embodiment, by making the thickness in the vicinity of the center of the membrane electrode assembly thicker than the thickness of the edge, the electrode reaction in the vicinity of the center is activated, and the edge makes the electrochemical reaction inactive compared to the vicinity of the center. be able to. However, this phenomenon occurs when catalyst particles that cause an electrochemical reaction are present almost uniformly in the electrode layer. The present invention is not limited to this embodiment, and is to bias the activity of the electrochemical reaction performed in the electrode layer. That is, the activity of the electrode reaction can be biased by controlling the distribution of the catalyst particles and biasing the abundance of the catalyst particles.

一方、従来の膜電極接合体は、電極の厚さと触媒粒子の分布とはほぼ均一に作成されており電極反応も電極前面でほぼ均一に行われるため、酸化剤が供給される通路と水蒸気が排出される通路とが同じくしているため、それぞれの逆方向の流れがぶつかり合いスムーズな供給・排出が行われていないと考えられる。   On the other hand, in the conventional membrane electrode assembly, the thickness of the electrode and the distribution of the catalyst particles are substantially uniform, and the electrode reaction is also performed substantially uniformly on the front surface of the electrode. Since the passages to be discharged are the same, it is considered that the flow in the opposite directions collides with each other and smooth supply / discharge is not performed.

本実施形態による膜電極接合体は、電極反応が生じる領域に偏りを持たせているため、カソード側の電極反応が活性な領域では、(2)式の電気化学反応が活発に行われ、水蒸気を生成すると共に、クロスーバ現象によりカソード側に到達した燃料を燃焼させ熱を発生させる。その結果、カソード側の電極反応が活性な領域近傍では、上昇気流が生じ水蒸気が排出され易くなる。一方で、電極反応が不活性な領域は活性な領域に酸化剤を供給するための流路として働く。   In the membrane electrode assembly according to the present embodiment, the region where the electrode reaction occurs is biased. Therefore, in the region where the electrode reaction on the cathode side is active, the electrochemical reaction of formula (2) is actively performed, And the fuel that has reached the cathode due to the crossover phenomenon is burned to generate heat. As a result, in the vicinity of the region where the electrode reaction on the cathode side is active, an ascending air current is generated and water vapor is easily discharged. On the other hand, the region where the electrode reaction is inactive serves as a flow path for supplying the oxidizing agent to the active region.

このとき、酸化剤が酸素などのガスの場合、電極反応が不活性な領域の一部または全部は、撥水処理されていることが好ましい。電極反応が不活性な領域は酸素の通り道となるためできるだけ生成水の侵入を防ぐ必要があるからである。本実施形態の場合、カソード電極層の縁に沿って撥水処理部87を設けている。   At this time, when the oxidizing agent is a gas such as oxygen, it is preferable that a part or all of the region where the electrode reaction is inactive is subjected to water repellent treatment. This is because the region where the electrode reaction is inactive is a passage for oxygen, so that it is necessary to prevent the generated water from entering as much as possible. In the case of this embodiment, the water repellent treatment part 87 is provided along the edge of the cathode electrode layer.

酸化剤の供給路と生成された水蒸気の排出路をわける方法としては、図2に示す実施形態でも良い。   The embodiment shown in FIG. 2 may be used as a method for dividing the supply path for the oxidant and the discharge path for the generated water vapor.

すなわち、固体高分子電解質膜1の両面にカソード電極層91とアノード電極層92とを形成させ、それぞれの電極を覆うようにカソード拡散層93とアノード拡散層94とを形成する。拡散層には、複数の貫通孔を形成している。貫通孔の壁面と貫通孔と接する電極表面に撥水処理を施す。これにより生成された水蒸気は、拡散層に設けられた貫通孔からは排出されにくくなり貫通孔以外の拡散層の中を通って外界に排出される。一方、酸化剤は生成水に妨げられることなく撥水処理をされた部分を通ってカソード電極層91に供給される。   That is, the cathode electrode layer 91 and the anode electrode layer 92 are formed on both surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 1, and the cathode diffusion layer 93 and the anode diffusion layer 94 are formed so as to cover the respective electrodes. A plurality of through holes are formed in the diffusion layer. Water repellent treatment is applied to the wall surface of the through hole and the electrode surface in contact with the through hole. The water vapor thus generated is less likely to be discharged from the through hole provided in the diffusion layer, and is discharged to the outside through the diffusion layer other than the through hole. On the other hand, the oxidizing agent is supplied to the cathode electrode layer 91 through the water-repellent treated portion without being hindered by the generated water.

また、拡散層に形成された孔には撥水性の材料を詰めても良い。   The holes formed in the diffusion layer may be filled with a water repellent material.

以下に、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。   An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

本実施例の燃料電池は、水素やメタノールなどの燃料を酸素と電気化学的に反応させ、電力を供給するものである。その中心的な部品は図1に示す電極電解質膜接合体(MEA15)と呼ばれているものである。MEA15は、スルホン基を含んだフッ素樹脂よりなる高分子電解質膜1と、高分子電解質膜1を挟持する形でカソード側電極6およびアノード側電極7とで構成され、一体化したものである。またカソード側電極6およびアノード側電極7は、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒反応層2および3、ガス通気性と導電性を兼ね備えたカソード側拡散層4およびアノード側拡散層5で構成される。図2は、このMEA15を用いて作製した直接メタノール燃料電池セル20である。また、図3は、直接メタノール燃料電池セル20の構成および組み立て方法を説明する図である、図3に示すように、燃料電池セル20は、MEA15の固体高分子電解質膜1を、MEA15のカソード側電極6およびアノード側電極7が被らないように窓を開けた2枚のガスシール材10,11で挟み、さらにガスシール材10,11の外側をカソード側集電板8とアノード側集電板9とで挟み、アノード側集電板9の外側には燃料が漏れないためのガスシール材12を置き、MEA15,ガスシール材10,11,集電板8,9,ガスシール材12の4すみに穴を開け、4本のボルト13とナット14で締め付けて固定したものである。ガスシール材12には、燃料が供給されるためのマニホールド12aと使用済み燃料が排出されるためのマニホールド12bが設けられている。カソード側集電板8およびアノード側集電板9は、スリット8aおよび9aが設けられており、カソード側およびアノード側電極へ、酸化剤および水素やメタノール水溶液などの燃料を供給し、各電極から電気化学反応で生成された反応生成物を排出する。   The fuel cell of this embodiment supplies power by causing a fuel such as hydrogen or methanol to react electrochemically with oxygen. The central part is what is called the electrode electrolyte membrane assembly (MEA 15) shown in FIG. The MEA 15 is composed of a polymer electrolyte membrane 1 made of a fluororesin containing a sulfone group and a cathode side electrode 6 and an anode side electrode 7 sandwiching the polymer electrolyte membrane 1 and integrated. The cathode side electrode 6 and the anode side electrode 7 are the catalytic reaction layers 2 and 3 mainly composed of carbon powder supporting a platinum-based metal catalyst, the cathode side diffusion layer 4 and the anode having both gas permeability and conductivity. The side diffusion layer 5 is used. FIG. 2 shows a direct methanol fuel cell 20 produced using this MEA 15. FIG. 3 is a diagram for explaining the configuration and assembly method of the direct methanol fuel cell 20. As shown in FIG. 3, the fuel cell 20 includes the solid polymer electrolyte membrane 1 of the MEA 15 and the cathode of the MEA 15. It is sandwiched between two gas sealing materials 10 and 11 having windows opened so that the side electrode 6 and the anode side electrode 7 are not covered, and the outside of the gas sealing materials 10 and 11 is further connected to the cathode side current collector plate 8 and the anode side current collector. A gas seal material 12 is disposed between the current collector plate 9 and the anode side current collector plate 9 so that fuel does not leak. The MEA 15, the gas seal materials 10 and 11, the current collector plates 8 and 9, and the gas seal material 12. A hole is made in the four corners, and fixed by tightening with four bolts 13 and nuts 14. The gas seal material 12 is provided with a manifold 12a for supplying fuel and a manifold 12b for discharging spent fuel. The cathode-side current collector plate 8 and the anode-side current collector plate 9 are provided with slits 8a and 9a. The cathode-side current collector plate 9 and the anode-side current collector plate 9 supply an oxidant and fuel such as hydrogen or methanol aqueous solution to the cathode-side and anode-side electrodes. The reaction product produced by the electrochemical reaction is discharged.

次に、図2を用いて、直接メタノール燃料電池セル20の仕組みを説明する。図2は、本実施例にかかる直接メタノール燃料電池セル20を図示した概念図であり、カソード側を上面にした平面図と、直線Aで本燃料電池セルを切断し、矢印の方向から見た場合の断面図がその下に示されている。図2において、燃料は、ガスシール材12に設けられたマニホールド12aから供給され、アノード側集電板9のスリッド9aを通過し、アノード側電極7中のアノード側触媒反応層3に達する。   Next, the mechanism of the direct methanol fuel cell 20 will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating a direct methanol fuel cell 20 according to the present embodiment, which is a plan view with the cathode side as an upper surface, and the fuel cell is cut along a straight line A and viewed from the direction of the arrow. A cross-sectional view of the case is shown below. In FIG. 2, the fuel is supplied from a manifold 12 a provided in the gas seal material 12, passes through the slide 9 a of the anode side current collector plate 9, and reaches the anode side catalytic reaction layer 3 in the anode side electrode 7.

本発明にかかる実施例を以下に示す。   Examples of the present invention will be described below.

(実施例1)
図4は本発明に関する第1の実施の形態を示した直接メタノール燃料電池セル30の概念図であり、図5は、直接メタノール燃料電池セル30の構成および組み立て方法を示した見取り図である。直接メタノール燃料電池セル30は、燃料にメタノール水溶液を酸化剤に空気を使用し、反応生成物としてアノード極からは二酸化炭素が、カソード極からは水が排出される。この直接メタノール燃料電池セル30は、中心的部品の電極電解質膜接合体(MEA)に、図8に示すMEA80を使用する。初めに、MEA80の作製方法について、図8を用いて説明する。
Example 1
FIG. 4 is a conceptual diagram of the direct methanol fuel cell 30 showing the first embodiment relating to the present invention, and FIG. 5 is a sketch showing the configuration and assembly method of the direct methanol fuel cell 30. The direct methanol fuel cell 30 uses an aqueous methanol solution as fuel and air as an oxidant, and carbon dioxide is discharged from the anode electrode and water is discharged from the cathode electrode as reaction products. The direct methanol fuel cell 30 uses an MEA 80 shown in FIG. 8 as an electrode electrolyte membrane assembly (MEA) as a central part. First, a method for manufacturing the MEA 80 will be described with reference to FIGS.

図8において、MEA80は固体高分子電解質膜1の両側にカソード側電極85およびアノード側電極86が挟み込む形で構成されている。固体高分子電解質膜1は、プロトン伝導性を有するイオン交換膜、例えば、パーフロロスルホン酸/PTFE共重合体117(175μm,Du pont 社製)等を用いたフッ素系イオン交換膜が用いられる他、メタノールクロスオーバーの抑制が良好なもの、例えば、ゼオライトとスチレン−ブタジエン系ラバーからなる複合膜,炭化水素系グラフト膜なども用いることができる。ここではパーフロロスルホン酸/PTFE共重合体117を使用した。   In FIG. 8, the MEA 80 is configured such that a cathode side electrode 85 and an anode side electrode 86 are sandwiched between both sides of the solid polymer electrolyte membrane 1. As the solid polymer electrolyte membrane 1, an ion exchange membrane having proton conductivity, for example, a fluorine-based ion exchange membrane using perfluorosulfonic acid / PTFE copolymer 117 (175 μm, manufactured by Du Pont) or the like is used. Those having good suppression of methanol crossover, for example, composite membranes made of zeolite and styrene-butadiene rubber, hydrocarbon graft membranes and the like can also be used. Here, perfluorosulfonic acid / PTFE copolymer 117 was used.

一方、カソード側電極85およびアノード側電極86は、それぞれ触媒反応層81,
82と拡散層83,84とで形成される。カソード側拡散層83およびアノード側拡散層84は、燃料または酸素含有気体の拡散性,発電により発生した二酸化炭素および反応生成水の排出機能、および電子伝導性を併せ持つ必要があり、例えば、カーボンペーパ,カーボンクロス等の導電性多孔質材料に撥水処理を施したものを適用することができる。ここでは、導電性多孔質材料に厚さ250μmのカーボン不織布 (東レ社製TGP−H060)を用いた。カーボン不織布を3センチ角に切り取り、撥水処理を施すためフッ素系撥水剤のエマルジョン液(ダイキン製D1)に浸し、乾燥後350℃で10分間熱処理し、拡散層83,84を形成した。
On the other hand, the cathode side electrode 85 and the anode side electrode 86 are respectively composed of the catalyst reaction layer 81,
82 and diffusion layers 83 and 84. The cathode side diffusion layer 83 and the anode side diffusion layer 84 must have both the diffusibility of the fuel or oxygen-containing gas, the discharge function of carbon dioxide and reaction product water generated by power generation, and the electronic conductivity. It is possible to apply a conductive porous material such as carbon cloth which has been subjected to water repellent treatment. Here, a carbon nonwoven fabric (TGP-H060 manufactured by Toray Industries, Inc.) having a thickness of 250 μm was used as the conductive porous material. The carbon nonwoven fabric was cut into 3 cm square, immersed in a fluorine-based water repellent emulsion (Daikin D1) for water repellent treatment, dried and then heat treated at 350 ° C. for 10 minutes to form diffusion layers 83 and 84.

触媒反応層81,82は、触媒金属を担持した導電性炭素粒子と高分子電解質を主成分とした厚さ30〜80μm程度の薄膜である。アノード側触媒反応層82には、平均一次粒子径30nmを持つ導電性炭素粒子であるケッチェンブラック(AKZOChemie社製)に、白金とルテニウムを、それぞれ25重量%担持させたアノード用触媒担持粒子を使用した。また、カソード側触媒反応層81には、ケッチェンブラックに、白金を50重量%担持させたカソード用触媒担持粒子を使用した。カソード側触媒反応層81およびアノード側触媒反応層82は、それぞれの触媒担持粒子をイソプロパノール水溶液に分散させた溶液と、高分子電解質、例えばパーフロロスルホン酸/PTFE共重合体117をエタノールに分散させた溶液とを、触媒担持粒子と高分子電解質との重量比を1:1になるように混合した後、ビーズミルで高分散させることによりカソード用とアノード用のスラリーを作製し、先に作成した拡散層83,84にスプレークオーターを用いて塗布し、これを大気中常温で6時間乾燥させることで形成させた。このようにして、拡散層83,84上にカソード側触媒反応層81およびアノード側触媒反応層82を形成させることで、カソード側電極85とアノード側電極86を作成した。   The catalytic reaction layers 81 and 82 are thin films having a thickness of about 30 to 80 μm mainly composed of conductive carbon particles supporting a catalytic metal and a polymer electrolyte. In the anode side catalyst reaction layer 82, anode catalyst-supported particles in which 25% by weight of platinum and ruthenium are supported on Ketjen Black (manufactured by AKZO Chemie), which is conductive carbon particles having an average primary particle diameter of 30 nm, are provided. used. The cathode-side catalyst reaction layer 81 was made of cathode catalyst-supporting particles in which 50% by weight of platinum was supported on ketjen black. The cathode side catalyst reaction layer 81 and the anode side catalyst reaction layer 82 are obtained by dispersing each catalyst-supporting particle in an isopropanol aqueous solution and a polymer electrolyte, for example, perfluorosulfonic acid / PTFE copolymer 117, in ethanol. The catalyst solution and the polymer electrolyte were mixed so that the weight ratio of the catalyst-supporting particles and the polymer electrolyte was 1: 1, and then the slurry for the cathode and the anode was prepared by high dispersion using a bead mill. The diffusion layers 83 and 84 were applied using a spray quarter and formed by drying in the atmosphere at room temperature for 6 hours. Thus, the cathode side electrode 85 and the anode side electrode 86 were formed by forming the cathode side catalyst reaction layer 81 and the anode side catalyst reaction layer 82 on the diffusion layers 83 and 84.

このとき、燃料もしくは酸素含有気体(空気)の供給を効果的に行わせるために、図8に示すように、カソード側触媒反応層81とアノード側触媒反応層82に厚みのある部分と薄い部分とで構成し、反応熱による温度格差を生成させ、自然対流を起こしやすくした。たとえば、カソード側触媒反応層81において、3センチ角に切り出した拡散層の中心部の直径1センチの円領域81aに対し、厚さ80μmの触媒反応層を形成し、中心部から直径1センチから2センチのドーナツ状の領域81bには厚さ50μmの触媒反応層を、中心部から直径2センチから3センチのドーナツ状の領域81cには厚さ30μmの触媒反応層を形成した。アノード側触媒反応層82についても同様な方法で厚みのある部分と薄い部分を構成した。   At this time, in order to effectively supply the fuel or oxygen-containing gas (air), as shown in FIG. 8, the cathode-side catalyst reaction layer 81 and the anode-side catalyst reaction layer 82 have thick and thin portions. The temperature difference due to reaction heat is generated, and natural convection is easily caused. For example, in the cathode side catalyst reaction layer 81, a catalyst reaction layer having a thickness of 80 μm is formed on a circular region 81 a having a diameter of 1 cm at the center of the diffusion layer cut into a 3 cm square, and the diameter from the center is 1 cm. A catalytic reaction layer having a thickness of 50 μm was formed in a 2-cm donut-shaped region 81b, and a catalytic reaction layer having a thickness of 30 μm was formed in a donut-shaped region 81c having a diameter of 2 to 3 cm from the center. The anode-side catalytic reaction layer 82 was also formed with a thick portion and a thin portion by the same method.

ここで、触媒反応層81,82は、他の部分より、反応熱により相対温度が高く、気圧も高くなる。この結果、触媒反応層81,82で生成された反応生成物は、拡散層83,84からのみではなく、酸化剤および燃料を供給するために設る流路からも排出される恐れがある。そこで、これを防止するために、流路と触媒反応層とが接続する部分において、撥水処理または親水処理を施す。撥水処理は、3センチ角のカソード側拡散層83を作成する際、外辺から3mmまでの撥水処理部87を再びフッ素系撥水剤のエマルジョン液
(ダイキン製D1)に浸し、乾燥後350℃で10分間熱処理する。こうすることで、カソード側拡散層83の撥水処理部87は強い撥水効果が得られる。親水処理は、3センチ角のアノード側拡散層84を作成する際、外辺から3mmまでの領域88を高分子電解質、例えばパーフロロスルホン酸/PTFE共重合体117をエタノールに分散させた溶液に浸し、大気中常温で6時間乾燥させる。こうすることで、アノード側拡散層84の親水処理部88は親水効果が得られる。
Here, the catalyst reaction layers 81 and 82 have a higher relative temperature and higher atmospheric pressure than other portions due to reaction heat. As a result, the reaction product generated in the catalyst reaction layers 81 and 82 may be discharged not only from the diffusion layers 83 and 84 but also from a flow path provided for supplying an oxidant and fuel. Therefore, in order to prevent this, water repellent treatment or hydrophilic treatment is performed at the portion where the flow path and the catalytic reaction layer are connected. For the water repellent treatment, when the cathode side diffusion layer 83 of 3 cm square is formed, the water repellent treatment portion 87 from the outer side to 3 mm is again immersed in the emulsion liquid (D1 made by Daikin) of the fluorinated water repellent and dried. Heat treatment at 350 ° C. for 10 minutes. By doing so, the water repellent treatment part 87 of the cathode side diffusion layer 83 can obtain a strong water repellent effect. In the hydrophilic treatment, when the anode side diffusion layer 84 of 3 cm square is formed, a region 88 from the outer side to 3 mm is formed into a solution in which a polymer electrolyte, for example, perfluorosulfonic acid / PTFE copolymer 117 is dispersed in ethanol. Immerse and dry at ambient temperature in the atmosphere for 6 hours. By doing so, the hydrophilic treatment portion 88 of the anode side diffusion layer 84 can obtain a hydrophilic effect.

最後に、カソード用に作成した電極85とアノード用に作成した電極86をそれぞれ用意し、5センチ角に切り取った高分子電解質膜1(デュポン社製,パーフロロスルホン酸/PTFE共重合体117,175μm)の両面に、中心を合わせて、ホットプレス
(125℃,4MPa,10分間)により一体化し、MEA80を作成した。
Finally, the electrode 85 prepared for the cathode and the electrode 86 prepared for the anode were prepared, respectively, and the polymer electrolyte membrane 1 (perfluorosulfonic acid / PTFE copolymer 117 manufactured by DuPont, 175 μm), the centers were aligned and integrated by hot pressing (125 ° C., 4 MPa, 10 minutes) to produce MEA80.

次に、MEA80を用いて、本発明に関する第1の実施の形態を示した直接メタノール燃料電池セル30の作成方法を説明する。   Next, a method for producing the direct methanol fuel cell 30 showing the first embodiment of the present invention using the MEA 80 will be described.

図5に示すようにMEA80の固体高分子電解質膜の部分を、外寸が5cm×5cmで、
MEA80のカソード側電極およびアノード側電極が被らないように3センチ角の窓を開けた厚さ250μmの2枚のガスシール材31,32で挟み、さらにガスシール材31,32の外側を、同じく外寸が5cm×5cmで厚み4mmの2枚の集電板34,35とで挟み、アノード側集電板35の外側には同じく外寸が5cm×5cmで厚み4mmの燃料が漏れないためのガスシール材36を置き、MEA80,ガスシール材31,32,集電板34,35,ガスシール材36の4すみに穴を開け、4本のボルト13とナット14で締め付けて固定する。このときの締結圧は、集電板の面積あたり10kgf/cm2とした。なお、集電板
34,35には幅1mm,長さ30.0mm のスリット34s,35sが形成されており、スリット34s,35sを通して、燃料や空気の供給または、反応生成物の排出を行う。集電板34,35は金メッキ処理を施したステンレス板を使用している。
As shown in FIG. 5, the solid polymer electrolyte membrane part of MEA 80 has an outer dimension of 5 cm × 5 cm,
It is sandwiched between two gas seal materials 31 and 32 having a thickness of 250 μm with a 3 cm square window so as not to cover the cathode side electrode and the anode side electrode of the MEA 80, and the outside of the gas seal materials 31 and 32 is further Similarly, it is sandwiched between two current collector plates 34 and 35 with an outer dimension of 5 cm x 5 cm and a thickness of 4 mm, and the fuel of 4 mm thickness with an outer dimension of 5 cm x 5 cm does not leak outside the current collector plate 35 on the anode side. The gas seal material 36 is placed, holes are made in four corners of the MEA 80, the gas seal materials 31 and 32, the current collector plates 34 and 35, and the gas seal material 36, and are fastened with four bolts 13 and nuts 14 and fixed. The fastening pressure at this time was 10 kgf / cm 2 per area of the current collector plate. The current collecting plates 34 and 35 are formed with slits 34s and 35s having a width of 1 mm and a length of 30.0 mm, and supply of fuel and air or discharge of reaction products is performed through the slits 34s and 35s. The current collector plates 34 and 35 are made of stainless steel plates subjected to gold plating.

ガスシール材36には、燃料が供給されるためのマニホールド36a,36bと、外辺から10mmの位置に外辺と平行に一周するように幅1mm,深さ1mmの溝36dが設けられており、使用済み燃料が排出されるためのマニホールド36cが設けられている。   The gas seal material 36 is provided with manifolds 36a and 36b for supplying fuel, and a groove 36d having a width of 1 mm and a depth of 1 mm so as to make a round parallel to the outer side at a position 10 mm from the outer side. A manifold 36c for discharging spent fuel is provided.

集電板34,35およびガスシール材31,32には、幅1mm,長さ30.0mm のスリットが4辺に平衡して外辺から10mmの位置に設けられ、MEAの触媒反応層に燃料もしくは酸素含有気体を供給するための流路を形成した。   The current collector plates 34 and 35 and the gas seal materials 31 and 32 are provided with slits having a width of 1 mm and a length of 30.0 mm at positions 10 mm from the outer side in equilibrium with the four sides. Or the flow path for supplying oxygen-containing gas was formed.

次に、この流路について図4を用いて説明する。図4は、MEA80を用いて、本発明に関する第1の実施の形態を示した直接メタノール燃料電池セル30を図示した概念図である。カソード側を上面にした平面図と、直線Aで直接メタノール燃料電池セル30を切断し、矢印の方向から見た場合の断面図がその下に示されている。外辺に沿って流路38a,流路38b,流路38c,流路38dが設けられており、たとえば、流路38aは、集電板34に設けられた幅1mm,長さ30.0mm のスリット34aと、ガスシール材31に設けられた幅1mm,長さ30.0mm のスリット31aで構成されている。スリット31aは、断面図から分かるように、深さ125μm(中心付近)まで切り込まれ、その後、幅
100μmのスリットが面に沿って設けられ、MEA80のカソード側電極まで達している。
Next, this flow path will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating a direct methanol fuel cell 30 using the MEA 80 according to the first embodiment of the present invention. A plan view with the cathode side as the upper surface and a sectional view when the methanol fuel cell 30 is cut directly along the straight line A and viewed from the direction of the arrow are shown below. A flow path 38a, a flow path 38b, a flow path 38c, and a flow path 38d are provided along the outer side. For example, the flow path 38a has a width of 1 mm and a length of 30.0 mm provided on the current collector plate 34. The slit 34a and the slit 31a provided in the gas sealing material 31 have a width of 1 mm and a length of 30.0 mm. As can be seen from the sectional view, the slit 31 a is cut to a depth of 125 μm (near the center), and then a slit having a width of 100 μm is provided along the surface and reaches the cathode side electrode of the MEA 80.

一方、図11は、カソード側における流路の別の形式を説明する模式図である。この図にあるように、先に説明した図11aの流路802の他に、図11bや図11cにある様に、ガスケットにスリット814を設け、流路811や流路812のような形状を構成してもよい。   On the other hand, FIG. 11 is a schematic diagram illustrating another form of the flow path on the cathode side. As shown in this figure, in addition to the flow path 802 of FIG. 11a described above, as shown in FIGS. 11b and 11c, a slit 814 is provided in the gasket, and a shape like the flow path 811 and the flow path 812 is formed. It may be configured.

同様にして、アノード側にも外辺に沿った流路が設けられており、例えば流路39aは、ガスシール材36に設けられた幅1mmの溝36dと、集電板35に設けられた幅1mm,長さ30.0mmのスリット35aと、ガスシール材32に設けられた幅1mm,長さ30.0mmのスリット32aで構成されている。スリット32aは、断面図から分かるように、深さ125μm(中心付近)まで切り込まれ、その後、幅100μmのスリットが面に沿って設けられ、MEA80のアノード側電極まで達している。各流路は、触媒反応層の外側、つまり厚さ30μm以下の触媒反応層が薄い場所で接続され、反応熱を利用した自然対流の効果を得やすいように工夫した。このような流路を設けることにより、燃料はマニホールド36a,36bから流入し、溝36dを満たし、アノード側流路、例えば流路39aを経由し、MEA80のアノード側電極に到達し、触媒反応層で消費される。触媒反応層で生じた反応生成物(二酸化炭素)は、スリット35sを経由しマニホールド36cから排出される。一方、カソード側では、空気がカソード側流路、例えば流路38a,38b,38c,38dを経由し、MEA80のカソード側電極に到達し、触媒反応層で消費される。触媒反応層で生じた反応生成物(水)は、スリット34sを経由し外界に排出される。   Similarly, a flow path along the outer side is also provided on the anode side. For example, the flow path 39a is provided in the groove 36d having a width of 1 mm provided in the gas seal material 36 and the current collecting plate 35. A slit 35a having a width of 1 mm and a length of 30.0 mm and a slit 32a having a width of 1 mm and a length of 30.0 mm provided in the gas sealing material 32 are configured. As can be seen from the cross-sectional view, the slit 32 a is cut to a depth of 125 μm (near the center), and then a slit having a width of 100 μm is provided along the surface and reaches the anode side electrode of the MEA 80. Each channel is connected to the outside of the catalyst reaction layer, that is, in a place where the catalyst reaction layer having a thickness of 30 μm or less is thin, and is devised so as to easily obtain the effect of natural convection utilizing reaction heat. By providing such a flow path, the fuel flows in from the manifolds 36a and 36b, fills the groove 36d, reaches the anode side electrode of the MEA 80 via the anode side flow path, for example, the flow path 39a, and the catalytic reaction layer. Consumed at. The reaction product (carbon dioxide) generated in the catalytic reaction layer is discharged from the manifold 36c through the slit 35s. On the other hand, on the cathode side, air reaches the cathode side electrode of the MEA 80 via the cathode side flow path, for example, the flow paths 38a, 38b, 38c, 38d, and is consumed in the catalytic reaction layer. The reaction product (water) generated in the catalytic reaction layer is discharged to the outside through the slit 34s.

ここで、カソード側において、MEA80の触媒反応層と拡散層と集電板のスリット
34sを一つの排出管として考えた場合、例えば、図12に示すダクト120を集電板
34上に排出のために設置すれば、触媒反応層からの排出の流れが向上する。また、図
13に示すように、空気を取り入れる流路38a,流路38b,流路38c,流路38dの入り口にそれぞれ除湿剤、例えばシリカゲルの粉末を通気性の良いパッケージに入れたもの130a,130b,130c,130dを置けば、乾燥した空気を供給することができ、反応生成水による弊害を軽減できる。
Here, on the cathode side, when the catalyst reaction layer of MEA 80, the diffusion layer, and the slit 34s of the current collector plate are considered as one discharge pipe, for example, the duct 120 shown in FIG. If it is installed, the flow of exhaust from the catalytic reaction layer is improved. Further, as shown in FIG. 13, a dehumidifying agent, for example, silica gel powder in a package having good air permeability at the entrances of the flow path 38a, the flow path 38b, the flow path 38c, and the flow path 38d for taking in air 130a, If 130b, 130c, and 130d are placed, dry air can be supplied and adverse effects caused by the reaction product water can be reduced.

以上のような方法で得られた燃料電池を電池A(ダクトおよび除湿剤は付かない)とした。   The fuel cell obtained by the above method was designated as cell A (without a duct and a dehumidifying agent).

(実施例2)
図6は本発明に関する第2の実施の形態を示した直接メタノール燃料電池セル40の概念図であり、カソード側を上面にした平面図と、直線Aで直接メタノール燃料電池セル
40を切断し、矢印の方向から見た場合の断面図がその下に示されている。図7は、直接メタノール燃料電池セル40の構成および組み立て方法示した見取り図である。
(Example 2)
FIG. 6 is a conceptual diagram of a direct methanol fuel cell 40 showing a second embodiment relating to the present invention, in which the methanol fuel cell 40 is cut directly by a plan view with the cathode side as the upper surface and a straight line A, A cross-sectional view as seen from the direction of the arrow is shown below. FIG. 7 is a sketch showing the configuration and assembly method of the direct methanol fuel cell 40.

図6に示す直接メタノール燃料電池セル40は、実施例1で示した直接メタノール燃料電池セル30を、常にカソード極を上側に、アノード極を下側にして用いた場合に、自然対流の効果が得られるように改良を加えたものである。すなわち、直接メタノール燃料電池セル30では、アノード極側において、燃料の流れが流路→触媒反応層→拡散層→排出用マニホールドであったのに対し、供給用マニホールド→拡散層→触媒反応層→流路→排出用マニホールドとした。これによって、燃料は下から上に向かって流れることになり、触媒反応層で反応熱により加熱された反応生成物が排出されやすくなり、アノード極側での自然対流の効果が得られる。   The direct methanol fuel cell 40 shown in FIG. 6 has a natural convection effect when the direct methanol fuel cell 30 shown in Example 1 is always used with the cathode electrode on the upper side and the anode electrode on the lower side. It has been improved so that it can be obtained. That is, in the direct methanol fuel battery cell 30, on the anode side, the flow of fuel is flow path → catalyst reaction layer → diffusion layer → discharge manifold, whereas supply manifold → diffusion layer → catalyst reaction layer → Flow path → Discharge manifold. Accordingly, the fuel flows from the bottom to the top, and the reaction product heated by the reaction heat in the catalytic reaction layer is easily discharged, so that the effect of natural convection on the anode electrode side can be obtained.

直接メタノール燃料電池セル40の作成方法は、実施例1で示した直接メタノール燃料電池セル30の作成方法と同様であるが、使用するMEAと、ガスシール材,集電板,ガスシール材とで構成される流路が異なる。直接メタノール燃料電池セル40に使用した
MEAはMEA80において、アノード側電極86に親水処理を施した領域88に対して、カソード側電極85と同様な撥水処理を行った。こうすることで、燃料が後で説明する排出の流路に浸入するのを防ぐことができる。こうして作成したMEAをMEA80−1とする。
The production method of the direct methanol fuel battery cell 40 is the same as the production method of the direct methanol fuel battery cell 30 shown in Example 1, but the MEA used, the gas seal material, the current collector plate, and the gas seal material are used. The configured flow path is different. The MEA used in the direct methanol fuel cell 40 was subjected to the same water repellent treatment as the cathode side electrode 85 in the MEA 80 on the region 88 where the anode side electrode 86 was subjected to hydrophilic treatment. By doing so, it is possible to prevent the fuel from entering the discharge channel described later. The MEA thus created is referred to as MEA 80-1.

次に流路の説明を図6,図7を用いて説明する。図7において、実施例1で使用したガスシール材32,集電板35,ガスシール材36の代わりにガスシール材41,集電板9,ガスシール材42を使用する。図6にあるようにガスシール材41は、各辺に排出用マニホールド41e,41f,41g,41hと、辺と平行して4本のスリットが設けられている。このスリットは、41iに示すように幅1mm,長さ30.0mm のスリットで、断面図から分かるように、深さ125μm(中心付近)まで切り込まれ、その後、幅100μmのスリットが面に沿って設けられ、MEA80−1のカソード側電極まで達している。集電板9は、従来の技術で説明した直接メタノール燃料電池セル20に使用したもので、外寸が5cm×5cm,厚み4mmの金メッキ処理を施したステンレス板を使用している。   Next, the flow path will be described with reference to FIGS. In FIG. 7, a gas seal material 41, a current collector plate 9, and a gas seal material 42 are used instead of the gas seal material 32, the current collector plate 35, and the gas seal material 36 used in the first embodiment. As shown in FIG. 6, the gas seal material 41 is provided with discharge manifolds 41e, 41f, 41g, and 41h on each side, and four slits parallel to the sides. This slit is a slit having a width of 1 mm and a length of 30.0 mm as shown in 41i. As can be seen from the sectional view, the slit is cut to a depth of 125 μm (near the center), and then a slit having a width of 100 μm extends along the surface. And reaches the cathode side electrode of the MEA 80-1. The current collector plate 9 is used for the direct methanol fuel battery cell 20 described in the prior art, and uses a stainless steel plate subjected to gold plating with an outer dimension of 5 cm × 5 cm and a thickness of 4 mm.

ガスシール材42は、同じく外寸が5cm×5cm,厚み4mmで、燃料供給用のマニホールド42zが中心に設けられている。   Similarly, the gas seal material 42 has an outer dimension of 5 cm × 5 cm and a thickness of 4 mm, and a fuel supply manifold 42z is provided at the center.

以上のような方法で得られた燃料電池を電池Bとした。   The fuel cell obtained by the method as described above was designated as battery B.

実施例1や実施例2では、集電板やガスケットにスリットを設け、流路を形成していたが、次に示す実施例3および実施例4では、MEAの中に小さな穴を開け、この穴を流路として自然対流を発生させ、触媒反応層に酸化剤および燃料を供給し、触媒反応層から反応生成物の排出を行うものである。   In Example 1 and Example 2, the current collector plate and the gasket were provided with slits to form the flow path. However, in Examples 3 and 4 shown below, a small hole was formed in the MEA. Natural convection is generated using a hole as a flow path, an oxidizing agent and fuel are supplied to the catalytic reaction layer, and the reaction product is discharged from the catalytic reaction layer.

(実施例3)
図9は本発明に関する第3の実施の形態を示したMEA90の概念図である。
(Example 3)
FIG. 9 is a conceptual diagram of the MEA 90 showing a third embodiment relating to the present invention.

1は固体高分子電解質膜であり、その両側に触媒反応層91,92及び拡散層93,
94からなる電極95,96が形成されている。
1 is a solid polymer electrolyte membrane, on both sides of which a catalytic reaction layer 91, 92 and a diffusion layer 93,
Electrodes 95 and 96 made of 94 are formed.

拡散層93,94は、導電性多孔質材料に厚さ250μmのカーボン不織布(東レ社製TGP−H060)を3センチ角に切り取り、撥水処理を施すためフッ素系撥水剤のエマルジョン液(ダイキン製D1)に浸し、乾燥させた後350℃で10分間熱処理した。   Diffusion layers 93 and 94 are made of a conductive porous material, a carbon non-woven fabric having a thickness of 250 μm (TGP-H060 manufactured by Toray Industries, Inc.), cut into 3 cm squares, and subjected to a water repellent treatment. After dipping in D1) and drying, heat treatment was performed at 350 ° C. for 10 minutes.

図9に示すように拡散層93,94の上面から直径2mm,深さ220μmの穴を5mm間隔で開け、燃料もしくは酸素含有気体を供給するための流路93a,94bとする。   As shown in FIG. 9, holes with a diameter of 2 mm and a depth of 220 μm are opened from the upper surfaces of the diffusion layers 93 and 94 at intervals of 5 mm to form flow paths 93 a and 94 b for supplying fuel or oxygen-containing gas.

ここで、触媒反応層は反応熱により相対温度が高く、気圧も高くなり、この結果、触媒反応層で生成された反応性生物は、拡散層からのみではなく、酸化剤および燃料を供給するために設けた流路93a,94bからも排出される恐れがある。そこで、これを防止するために、直径2mm,深さ220μmの穴の周囲93b,94bに、撥水処理または親水処理を施す。ここでは、カソード側電極95に撥水処理を、アノード側電極96に親水処理を施すが、MEAの形状や、アノード側を上にして用いる場合などは、適時使い分ける。カソード側電極95の撥水処理は、穴を作成したあと、穴の周囲93bに再びフッ素系撥水剤のエマルジョン液(ダイキン製D1)を上塗りし、フッ素系撥水剤が濃く乗るようにする。その後、乾燥させ350℃で10分間熱処理する。こうすることで、穴の周囲
93bは強い撥水効果が得られる。アノード側電極96の親水処理は、穴を作成したあと、穴の周囲94bを高分子電解質、例えばパーフロロスルホン酸/PTFE共重合体117をエタノールに分散させた溶液をぬり、大気中常温で6時間乾燥させる。こうすることで、穴の周囲94bは親水効果が得られる。
Here, the catalytic reaction layer has a high relative temperature and a high atmospheric pressure due to the reaction heat, and as a result, the reactive organisms generated in the catalytic reaction layer supply not only the diffusion layer but also the oxidant and fuel. There is also a risk of discharge from the flow paths 93a, 94b provided in. Therefore, in order to prevent this, water repellent treatment or hydrophilic treatment is applied to the periphery 93b, 94b of the hole having a diameter of 2 mm and a depth of 220 μm. Here, the water repellent treatment is applied to the cathode side electrode 95 and the hydrophilic treatment is applied to the anode side electrode 96. However, when the MEA shape or the anode side is used upward, it is properly used. In the water-repellent treatment of the cathode side electrode 95, after making a hole, the periphery 93b of the hole is again coated with an emulsion solution of a fluorinated water repellent (D1 made by Daikin) so that the fluorinated water repellent is densely applied. . Then, it is dried and heat-treated at 350 ° C. for 10 minutes. By doing so, a strong water repellent effect can be obtained around the hole 93b. In the hydrophilic treatment of the anode side electrode 96, after forming a hole, the periphery 94b of the hole is wetted with a polymer electrolyte, for example, a solution in which perfluorosulfonic acid / PTFE copolymer 117 is dispersed in ethanol. Let dry for hours. By doing so, a hydrophilic effect is obtained around the hole 94b.

触媒反応層91,92は、アノード側用に、平均一次粒子径30nmを持つ導電性炭素粒子であるケッチェンブラック(AKZOChemie社製)に、白金とルテニウムを、それぞれ
25重量%担持させた触媒担持粒子を使用し、カソード側用には、ケッチェンブラックに、白金を50重量%担持させた触媒担持粒子を使用し、実施例1のMEA80と同様にして、カソード用とアノード用のスラリーを作製した。
The catalyst reaction layers 91 and 92 have catalyst supports in which platinum and ruthenium are supported by 25% by weight on Ketjen Black (manufactured by AKZOChemie), which is conductive carbon particles having an average primary particle diameter of 30 nm, for the anode side. For the cathode side, catalyst-carrying particles in which 50% by weight of platinum is supported on ketjen black are used, and slurry for cathode and anode is prepared in the same manner as MEA80 of Example 1. did.

次に、拡散層93,94に先に作成したカソード用スラリーとアノード用スラリーを、スプレークオーターを用いて塗布し、これを大気中常温で6時間乾燥させることで触媒反応層91,92を形成させ、カソード用電極95とアノード用電極96を作成した。   Next, the cathode slurry and the anode slurry prepared previously are applied to the diffusion layers 93 and 94 using a spray quarter, and the catalyst reaction layers 91 and 92 are formed by drying the slurry for 6 hours at room temperature in the atmosphere. Thus, a cathode electrode 95 and an anode electrode 96 were prepared.

このとき、触媒反応層91,92の厚みが50μmになるように均一に形成した。   At this time, the catalyst reaction layers 91 and 92 were uniformly formed so as to have a thickness of 50 μm.

次に、カソード用拡散電極95とアノード用拡散電極96をそれぞれ用意し、5センチ角に切り取った高分子電解質膜1(デュポン社製,パーフロロスルホン酸/PTFE共重合体117,175μm)の両面に、中心を合わせて、ホットプレス(125℃,4MPa,10分間) により一体化し、MEA90を作成した。   Next, a cathode diffusion electrode 95 and an anode diffusion electrode 96 were prepared, and both surfaces of a polymer electrolyte membrane 1 (manufactured by DuPont, perfluorosulfonic acid / PTFE copolymer 117, 175 μm) cut to 5 cm square were prepared. The MEA 90 was made by aligning the centers and integrating them by hot pressing (125 ° C., 4 MPa, 10 minutes).

次に、MEA90を使用して直接メタノール燃料電池セルを作成する。作成方法は、従来の技術で説明した直接メタノール燃料電池セル20と同様にして、MEA90の周囲に固体高分子電解質膜1を挟んで、外寸が5cm×5cmで、MEA90の電極95と電極96が被らないように3センチ角の窓を開けた厚さ250μmの2枚のガスシール材10,
11と、外寸が5cm×5cm,厚み4mmの2枚の集電板8,9で両側から挟み込み、ボルト13およびナット14で固定した。このときの締結圧は、集電板の面積あたり10kgf/
cm2 とした。なお、集電板8,9には幅1.5mm,長さ30.0mmのスリットが形成されており、集電板8,9は金メッキ処理を施したステンレス板を使用している。燃料側には、燃料が漏れないためのガスシール材12が集電板9の外側に設置されている。ガスシール材12には、燃料となるメタノール水溶液が入る入り口12aとMEA90で消費された燃料が排出される出口12bとが設けられている。
Next, a methanol fuel cell is directly produced using MEA90. The production method is the same as that of the direct methanol fuel battery cell 20 described in the prior art. The solid polymer electrolyte membrane 1 is sandwiched around the MEA 90, the outer dimension is 5 cm × 5 cm, and the electrodes 95 and 96 of the MEA 90 are used. Two gas seals 10 with a thickness of 250 μm, with a 3 cm square window opened so as not to cover
11 and two current collector plates 8 and 9 each having an outer dimension of 5 cm × 5 cm and a thickness of 4 mm, and fixed with bolts 13 and nuts 14. The fastening pressure at this time is 10 kgf / per area of the current collector plate.
It was cm 2. The current collecting plates 8 and 9 are formed with slits having a width of 1.5 mm and a length of 30.0 mm, and the current collecting plates 8 and 9 are made of a stainless steel plate subjected to gold plating. On the fuel side, a gas seal material 12 for preventing fuel from leaking is installed outside the current collector plate 9. The gas seal material 12 is provided with an inlet 12a into which an aqueous methanol solution serving as fuel enters and an outlet 12b through which fuel consumed by the MEA 90 is discharged.

以上のような方法で得られた燃料電池を電池Cとした。   The fuel cell obtained by the method as described above was designated as cell C.

(実施例4)
図10は本発明に関する第3の実施の形態を示したMEA100の概念図である。
Example 4
FIG. 10 is a conceptual diagram of the MEA 100 showing a third embodiment relating to the present invention.

1は固体高分子電解質膜であり、その両側に触媒反応層101,102及び拡散層103,104からなる電極105,106が形成されている。   Reference numeral 1 denotes a solid polymer electrolyte membrane on which electrodes 105 and 106 composed of catalytic reaction layers 101 and 102 and diffusion layers 103 and 104 are formed.

拡散層103,104および触媒反応層101,102の作成方法は実施例3と同じなので説明を省略する。次に流路107および108の形成方法を説明する。   The method for creating the diffusion layers 103 and 104 and the catalyst reaction layers 101 and 102 is the same as that in the third embodiment, and a description thereof will be omitted. Next, a method for forming the flow paths 107 and 108 will be described.

図10に示すように拡散層103,104の上面から直径2mm,深さ220μmの穴を5mm間隔で開け、この穴に、直径2mm,長さ220μmの円筒形で、撥水処理または親水処理を施したカーボン不織布(東レ社製TGP−H060)を埋め込む。   As shown in FIG. 10, holes having a diameter of 2 mm and a depth of 220 μm are formed from the upper surfaces of the diffusion layers 103 and 104 at intervals of 5 mm, and the holes are formed in a cylindrical shape having a diameter of 2 mm and a length of 220 μm, and are subjected to water repellent treatment or hydrophilic treatment. The applied carbon nonwoven fabric (TGP-H060 manufactured by Toray Industries, Inc.) is embedded.

ここでは、カソード側電極105に撥水処理を、アノード側電極106に親水処理を施したカーボン不織布を埋め込むが、MEAの形状や、アノード側を上にして用いる場合などは、適時使い分ける。撥水処理または親水処理の方法は、実施例3と同じである。   Here, a carbon non-woven fabric having a water repellent treatment applied to the cathode-side electrode 105 and a hydrophilic treatment applied to the anode-side electrode 106 is embedded. However, the MEA shape or the case where the anode side is used upward is properly used. The method of water repellent treatment or hydrophilic treatment is the same as in Example 3.

こうすることで、カソード側電極105の撥水処理した流路107は、カソード電極層91で生成される反応生成水が通りにくく、代わりに外界からの空気が流入しやすくなる。また、アノード側電極108の親水処理した流路108は、カソード電極層91で生成される二酸化炭層が通りにくく、代わりに燃料であるメタンノール水溶液が流入しやすくなる。   By doing so, the reaction-generated water generated in the cathode electrode layer 91 does not easily pass through the water repellent flow path 107 of the cathode side electrode 105, and air from the outside easily flows in instead. In addition, the channel 108 subjected to the hydrophilic treatment of the anode electrode 108 is difficult to pass through the carbon dioxide layer generated in the cathode electrode layer 91, and instead, the methanol aqueous solution, which is the fuel, easily flows in.

従来技術のMEAを示した模式図。The schematic diagram which showed MEA of the prior art. 従来技術のMEAを用いた直接メタノール燃料電池を示した模式図。The schematic diagram which showed the direct methanol fuel cell using MEA of a prior art. 従来技術の直接メタノール燃料電池を示した模式図。The schematic diagram which showed the direct methanol fuel cell of the prior art. 本発明の一実施の形態の直接メタノール燃料電池を示した模式図。The schematic diagram which showed the direct methanol fuel cell of one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態の直接メタノール燃料電池を示した模式図。The schematic diagram which showed the direct methanol fuel cell of one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態の直接メタノール燃料電池を示した模式図。The schematic diagram which showed the direct methanol fuel cell of one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態の直接メタノール燃料電池を示した模式図。The schematic diagram which showed the direct methanol fuel cell of one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態のMEAを示した模式図。The schematic diagram which showed MEA of one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態のMEAを示した模式図。The schematic diagram which showed MEA of one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態のMEAを示した模式図。The schematic diagram which showed MEA of one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態の流路を示した模式図。The schematic diagram which showed the flow path of one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態の排気装置を示した模式図。The schematic diagram which showed the exhaust apparatus of one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態の乾燥させた空気を供給する例を示した模式図。The schematic diagram which showed the example which supplies the dried air of one embodiment of this invention. 供給と排出の流れを説明する概念モデル図。The conceptual model figure explaining the flow of supply and discharge | emission.

符号の説明Explanation of symbols

1…固体高分子電解質膜、2,101…カソード側触媒反応層、3,102…アノード側触媒反応層、4…カソード側拡散層、5…アノード側拡散層、6,105…カソード側電極、7,106…アノード側電極、8,9…集電板、10,11,12,31,32,36,41,42…ガスシール材、13…ボルト、14…ナット、15…MEA、20,30,40…直接メタノール燃料電池セル、34,35…流路付き集電板、80…膜電極接合体、80−1…実施例2で説明するMEA、81,91…カソード電極層、82,
92…アノード電極層、83,93…カソード拡散層、84,94…アノード拡散層、
85…中心部を厚くした触媒反応層を用いたカソード側電極、86…中心部を厚くした触媒反応層を用いたアノード側電極、87…撥水処理部、88…親水処理部、90…実施例3で説明するMEA、95…カソード用拡散電極、96…アノード用拡散電極、100…実施例4で拡散層の表面に多数の小径の穴を開け、その穴に撥水または親水処理したカーボンペーパをはめ込んだMEA、103…多数の小径穴を開け、撥水処理したカーボンペーパをはめ込んだカソード側拡散層、104…多数の小径穴を開け、親水処理したカーボンペーパをはめ込んだアノード側拡散層、120…排気用ダクト、141…従来の供給と排出の流れを説明する概念モデル図、142…流路を設けた場合の流れを説明する概念モデル図、143…領域を流路とした場合の流れを説明する概念モデル図、144…流路を設けた場合の流れを説明する概念モデル図。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Solid polymer electrolyte membrane, 2,101 ... Cathode side catalyst reaction layer, 3,102 ... Anode side catalyst reaction layer, 4 ... Cathode side diffusion layer, 5 ... Anode side diffusion layer, 6,105 ... Cathode side electrode, 7, 106 ... anode side electrode, 8, 9 ... current collector plate, 10, 11, 12, 31, 32, 36, 41, 42 ... gas seal material, 13 ... bolt, 14 ... nut, 15 ... MEA, 20, 30, 40 ... Direct methanol fuel cell, 34, 35 ... Current collector plate with flow path, 80 ... Membrane electrode assembly, 80-1 ... MEA described in Example 2, 81, 91 ... Cathode electrode layer, 82,
92 ... Anode electrode layer, 83, 93 ... Cathode diffusion layer, 84,94 ... Anode diffusion layer,
85... Cathode side electrode using a catalyst reaction layer having a thick central part, 86... Anode side electrode using a catalyst reaction layer having a thick central part, 87... Water-repellent treatment part, 88. MEA explained in Example 3, 95 ... diffusion electrode for cathode, 96 ... diffusion electrode for anode, 100 ... carbon in which a number of small-diameter holes were made on the surface of the diffusion layer in Example 4 and water repellent or hydrophilic treatment was made in the holes MEA fitted with paper, 103 ... Cathode side diffusion layer with many small-diameter holes and water repellent treated carbon paper, 104 ... Anode side diffusion layer with many small-diameter holes and fitted with carbon paper treated with hydrophilic treatment 120 ... exhaust duct, 141 ... conceptual model diagram explaining the flow of conventional supply and discharge, 142 ... conceptual model diagram explaining the flow when a flow path is provided, 143 ... flow path through the region Conceptual model diagram for explaining a flow in the case of the concept model diagram for explaining a flow in a case in which a 144 ... flow path.

Claims (18)

高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両面に触媒反応層を挟んで、それぞれ対向して配される導電性と拡散性を兼ね備えた一対の拡散層と、それぞれ対向して配される一対の導電性の集電体とを備えた燃料電池において、前記触媒反応層に接続し、酸化剤および燃料を供給するための流路を設けたことを特徴とする燃料電池。   A polymer electrolyte membrane, a pair of diffusion layers having both conductivity and diffusivity arranged opposite to each other with a catalyst reaction layer sandwiched between both sides of the polymer electrolyte membrane, and a pair arranged opposite to each other A fuel cell comprising a conductive current collector provided with a flow path connected to the catalytic reaction layer for supplying an oxidant and fuel. 前記燃料電池において、前記触媒反応層に接続し、前記触媒反応層で生じた反応生成物を排出するための流路を設けたことを特徴とする燃料電池。   In the fuel cell, a fuel cell is provided which is connected to the catalyst reaction layer and has a flow path for discharging a reaction product generated in the catalyst reaction layer. 前記触媒反応層において、触媒の厚みのある部分と薄い部分もしくは触媒が存在しない部分とで構成し、前記触媒の薄い部分もしくは触媒が存在しない部分に、前記流路を接続させたことを特徴とする燃料電池。   The catalyst reaction layer is composed of a thick portion of the catalyst and a thin portion or a portion where no catalyst exists, and the flow path is connected to the thin portion of the catalyst or a portion where no catalyst exists. Fuel cell. 前記流路と前記触媒反応層とが接続する部分において、撥水剤または親水剤を加えたことを特徴とする燃料電池。   A fuel cell, wherein a water repellent or a hydrophilic agent is added to a portion where the flow path and the catalytic reaction layer are connected. 前記反応生成物を排出するための流路において、排気ダクトを設けたことを特徴とする燃料電池。   A fuel cell, wherein an exhaust duct is provided in a flow path for discharging the reaction product. 前記酸化剤を供給する流路において、除湿剤を設置したことを特徴とする燃料電池。   A fuel cell, wherein a dehumidifying agent is installed in the flow path for supplying the oxidizing agent. 高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜の両面に触媒反応層を挟んで、それぞれ対向して配される導電性と拡散性を兼ね備えた一対の拡散層とを備えたMEAにおいて、前記拡散層に多数の穴を開け、穴の周囲を撥水処理もしくは親水処理をし、前記穴を、前記触媒反応層に接続する流路としたことを特徴とするMEA。   In the MEA, comprising: a polymer electrolyte membrane; and a pair of diffusion layers having both conductivity and diffusivity arranged opposite to each other with a catalyst reaction layer sandwiched between both surfaces of the polymer electrolyte membrane, the diffusion layer A MEA comprising a plurality of holes formed in a hole, water-repellent treatment or hydrophilic treatment around the holes, and the holes serving as flow paths connected to the catalyst reaction layer. 前記MEAにおいて、前記拡散層に撥水処理領域もしくは親水処理領域とを設け、前記撥水処理領域もしくは前記親水処理領域を、前記触媒反応層に接続する流路としたことを特徴とするMEA。   In the MEA, the MEA is characterized in that a water repellent treatment region or a hydrophilic treatment region is provided in the diffusion layer, and the water repellent treatment region or the hydrophilic treatment region is used as a flow path connecting to the catalyst reaction layer. 前記電解質膜を、
電極反応が活性な第1の領域と前記第1の領域よりも電極反応が不活性な第2の領域とを有するカソード電極層と
アノード電極層と、
前記カソード電極層と前記アノード電極層との間に形成されるプロトン導電性を有する電解質を有する電解質膜とを有する膜電極接合体。
The electrolyte membrane,
A cathode electrode layer having a first region in which an electrode reaction is active and a second region in which an electrode reaction is more inactive than the first region; an anode electrode layer;
A membrane electrode assembly comprising an electrolyte membrane having an electrolyte having proton conductivity formed between the cathode electrode layer and the anode electrode layer.
前記第1の領域は、前記第2の領域よりも厚い請求項9記載の膜電極接合体。   The membrane electrode assembly according to claim 9, wherein the first region is thicker than the second region. 前記第1の領域は、前記第2の領域よりも触媒粒子の密度が高い請求項9記載の膜電極接合体。   The membrane electrode assembly according to claim 9, wherein the first region has a higher density of catalyst particles than the second region. 前記第2の領域は、前記第1の領域よりも撥水性が高い請求項9記載の膜電極接合体。   The membrane electrode assembly according to claim 9, wherein the second region has higher water repellency than the first region. 前記電解質膜を、
電極反応が活性な第1の領域と前記第1の領域よりも電極反応が不活性な第2の領域とを有するカソード電極層と
アノード電極層と、
前記カソード電極層と前記アノード電極層との間に形成されるプロトン導電性を有する電解質を有する電解質膜とを有する燃料電池。
The electrolyte membrane,
A cathode electrode layer having a first region in which an electrode reaction is active and a second region in which an electrode reaction is more inactive than the first region; an anode electrode layer;
A fuel cell comprising: an electrolyte membrane having an electrolyte having proton conductivity formed between the cathode electrode layer and the anode electrode layer.
前記燃料電池の筐体は、孔が形成されたカソード端板と燃料を保持する燃料容器とを有し、
前記カソード電極層は、前記カソード端板と対向して設置されることを特徴とする請求項13記載の燃料電池。
The casing of the fuel cell has a cathode end plate with a hole and a fuel container for holding fuel,
The fuel cell according to claim 13, wherein the cathode electrode layer is disposed to face the cathode end plate.
前記燃料電池の筐体が、前記第2の領域に通じる流路を有する請求項13記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 13, wherein a housing of the fuel cell has a flow path leading to the second region. 前記流路は、除湿剤を有することを特徴とする請求項13記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 13, wherein the flow path includes a dehumidifying agent. 前記カソード電極層は多孔質の拡散層で覆われ、前記拡散層は前記第13の領域に通じる貫通孔を有する請求項5記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 5, wherein the cathode electrode layer is covered with a porous diffusion layer, and the diffusion layer has a through hole communicating with the thirteenth region. 前記貫通孔の壁面は撥水処理がされていることを特徴とする請求項13記載の燃料電池。
14. The fuel cell according to claim 13, wherein the wall surface of the through hole is subjected to water repellent treatment.
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