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JP5130691B2 - Fuel cell module structure - Google Patents

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JP5130691B2 JP2006289413A JP2006289413A JP5130691B2 JP 5130691 B2 JP5130691 B2 JP 5130691B2 JP 2006289413 A JP2006289413 A JP 2006289413A JP 2006289413 A JP2006289413 A JP 2006289413A JP 5130691 B2 JP5130691 B2 JP 5130691B2
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Description

アノード,電解質膜,カソード,拡散層から構成され、アノードで燃料が酸化され、カソードで酸素が還元される燃料電池に関する。また、このような燃料電池を含む発電装置や、小型の携帯用電源およびこのような電源を用いた電気機器または電子機器に関する。   The present invention relates to a fuel cell that includes an anode, an electrolyte membrane, a cathode, and a diffusion layer, in which fuel is oxidized at the anode and oxygen is reduced at the cathode. The present invention also relates to a power generation device including such a fuel cell, a small portable power source, and an electric device or electronic device using such a power source.

電子技術の進歩によって、電話器,ブックタイプパーソナルコンピュータ,オーディオ・ビジュアル機器、或いは、モバイル用情報端末機器などの電気機器,電子機器及び小型化された携帯用電子機器などの急速な普及が進んでいる。   Advances in electronic technology have led to a rapid spread of electronic devices such as telephones, book-type personal computers, audio / visual devices, or mobile information terminal devices, electronic devices, and miniaturized portable electronic devices. Yes.

従来こうした携帯用電子機器は一次電池または二次電池によって駆動するシステムであった。二次電池では、シール鉛バッテリーからNi/Cd電池,Ni/水素電池、更にはLiイオン電池へと新型二次電池の出現や小型化/軽量化及び高エネルギー密度化技術によって発展してきている。しかし、二次電池は一定量の電力使用後には充電することが必須であり、充電設備と充電時間が必要となるために携帯用電子機器の長時間連続駆動には多くの問題が残されている。今後、携帯用電子機器は増加する情報量とその高速化に対応してより高エネルギー密度の電源、即ち、連続使用時間の長い電源を必要とする方向に向かっており、充電を必要としない小型発電機(マイクロ発電機)の必要性が高まっている。   Conventionally, such portable electronic devices have been driven by primary batteries or secondary batteries. In secondary batteries, new secondary batteries have been developed from sealed lead batteries to Ni / Cd batteries, Ni / hydrogen batteries, and further to Li-ion batteries, and have been developed by miniaturization / lightening and high energy density technologies. However, secondary batteries must be charged after using a certain amount of power, and charging equipment and charging time are required, so many problems remain in long-term continuous driving of portable electronic devices. Yes. In the future, portable electronic devices are moving toward a direction that requires a power source with a higher energy density, that is, a power source with a long continuous use time, corresponding to the increasing amount of information and its speed, and a small size that does not require charging. The need for generators (micro generators) is increasing.

こうした要請に対応するものとして燃料電池電源が提案されている。燃料電池は燃料の持つ化学エネルギーを電気化学的に直接電器エネルギーに変換するものである。通常のエンジン発電機などの内燃機関を用いたような動力部を必要とせず、小型発電デバイスとしての可能性を秘めている。また、燃料電池は燃料を補給するだけで発電を継続することが可能なので、これまでの二次電池に見られるような充電のために使用中の携帯用電子機器の駆動を停止することを不要とできる。   A fuel cell power supply has been proposed as a response to such a demand. A fuel cell converts chemical energy of fuel directly into electric energy electrochemically. It does not require a power unit using an internal combustion engine such as a normal engine generator, and has the potential as a small power generation device. In addition, since fuel cells can continue to generate electricity just by refueling, it is not necessary to stop the driving of portable electronic devices that are in use for charging as seen in conventional secondary batteries. And can.

このような燃料電池の中でパーフルオロカーボンスルフォン酸系の電解質膜を用いてアノードで水素ガスを酸化し、カソードで酸素を還元して発電する固体高分子形燃料電池
(PEFC:Polymer Electrolyte Fuel Cell) は出力密度が高い電池として知られている。
Among such fuel cells, a polymer electrolyte fuel cell that generates power by oxidizing hydrogen gas at the anode and reducing oxygen at the cathode using a perfluorocarbon sulfonic acid electrolyte membrane
(PEFC: Polymer Electrolyte Fuel Cell) is known as a battery having a high output density.

この燃料電池をより小型化するために例えば特許文献1に示されるように、中空糸形の電解質の内面と外面にアノード及びカソード電極を付設した円筒状電池の集合体とし、円筒内部と外部にそれぞれ水素ガスと空気を供給する小型PEFC発電装置が提案されている。   In order to further reduce the size of this fuel cell, for example, as shown in Patent Document 1, a cylindrical battery assembly in which an anode and a cathode electrode are attached to the inner surface and outer surface of a hollow fiber electrolyte is provided inside and outside the cylinder. A small PEFC power generator that supplies hydrogen gas and air has been proposed.

しかしながら、携帯用電子機器の電源に適用する場合には、燃料が水素ガスであるために容積エネルギー密度が低く、燃料タンクの体積を大きくする必要がある。   However, when applied to a power source of a portable electronic device, since the fuel is hydrogen gas, the volumetric energy density is low and the volume of the fuel tank needs to be increased.

また、このシステムでは燃料ガスや酸化剤ガス(空気など)を発電装置に送り込む装置や、電池性能を維持のために電解質膜を加湿する装置などの補機が必要であり、発電システムが複雑な構成で電源を小型化するには十分とは言えない。   In addition, this system requires auxiliary equipment such as a device that sends fuel gas and oxidant gas (such as air) to the power generation device, and a device that humidifies the electrolyte membrane to maintain battery performance, making the power generation system complex. The configuration is not sufficient to reduce the size of the power supply.

燃料の体積エネルギー密度をあげるには液体燃料を用いること、燃料や酸化剤などを電池に供給する補機を無くする単純構成とすることは有効であり、幾つかの提案がなされている。最近の例としては特許文献2,3に示されているようなメタノールと水を燃料とする直接形メタノール燃料電池(DMFC:Direct Methanol Fuel Cell) が提案されている。   In order to increase the volumetric energy density of the fuel, it is effective to use a liquid fuel and to have a simple configuration that eliminates an auxiliary device that supplies fuel, an oxidant, and the like to the battery, and several proposals have been made. As a recent example, a direct methanol fuel cell (DMFC) using methanol and water as fuels as shown in Patent Documents 2 and 3 has been proposed.

特開平9−223507号公報JP-A-9-223507 特開2000−268835号公報JP 2000-268835 A 特開2000−268836号公報JP 2000-268836 A

固体高分子型燃料電池は、一般的に固体高分子電解質膜の両面にアノード,カソードとなる触媒金属を担持した担持カーボンの層(以下、単に電極触媒層と述べる)が配置された構造を中心に構成されており、これを電極/固体高分子電解質膜接合体(MEA:
Membrane Electrode Assembly )と呼ぶ。ここでアノード,カソードの固体高分子電解質膜とは反対の面には、燃料である水素やメタノールあるいは空気や酸素の拡散を円滑に行うために拡散層が配置される。
In general, a polymer electrolyte fuel cell mainly has a structure in which a supported carbon layer (hereinafter simply referred to as an electrode catalyst layer) supporting a catalytic metal serving as an anode and a cathode is disposed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane. The electrode / solid polymer electrolyte membrane assembly (MEA:
Membrane Electrode Assembly). Here, a diffusion layer is disposed on the surface of the anode and cathode opposite to the solid polymer electrolyte membrane in order to smoothly diffuse hydrogen, methanol, air, and oxygen as fuel.

また、さらにその外側には集電のための集電板およびMEAと拡散層と集電板を締め付けるための締付板が配置される。ここで、アノード側の締付板は、メタノールを保持し、アノードへメタノールを供給するメタノールタンクとしての機能を持つ。   Further, a current collecting plate for collecting current and a fastening plate for fastening the MEA, the diffusion layer, and the current collecting plate are arranged on the outer side. Here, the clamping plate on the anode side functions as a methanol tank that holds methanol and supplies methanol to the anode.

例えば、メタノール水溶液を燃料とする燃料電池では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。アノード電極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。   For example, in a fuel cell using a methanol aqueous solution as a fuel, power is generated in such a manner that the chemical energy possessed by methanol is directly converted into electrical energy by the following electrochemical reaction. On the anode electrode side, the supplied aqueous methanol solution reacts according to the equation (1) and dissociates 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を生成し、化学反応式はメタノールの火炎燃焼と同じになる。
6H + + 3 / 2O 2 + 6e → 3H 2 O (2)
Therefore, as shown in the formula (3), the total chemical reaction associated with the power generation is that methanol is oxidized by oxygen to generate carbon dioxide gas and water, and the chemical reaction formula is the same as that of the flame combustion of methanol.

CH3OH+3/2O2 → CO2+3H2O …(3)
従って、DMFCでは、アノードやカソードへのメタノールや酸素の拡散や浸透を円滑に行う必要がある。しかし、発電反応によってカソードで生成された水は、カソードの拡散層中や表面および集電板や締付板のスリットに滞留するために酸素の拡散や浸透を妨げる。これにより、DMFCのセル電圧,出力密度を低下するとともにセル寿命を短くするという課題がある。したがって、カソードで生成した水を効率よく排出する必要がある。
CH 3 OH + 3 / 2O 2 → CO 2 + 3H 2 O (3)
Therefore, in DMFC, it is necessary to smoothly diffuse and permeate methanol and oxygen into the anode and cathode. However, the water generated at the cathode by the power generation reaction stays in the cathode diffusion layer, on the surface, and in the slits of the current collector plate and clamping plate, thereby preventing oxygen diffusion and permeation. As a result, there is a problem that the cell voltage and output density of the DMFC are lowered and the cell life is shortened. Therefore, it is necessary to efficiently discharge the water generated at the cathode.

本発明の目的は、発電反応によってカソードで生成した水の滞留を防止し、高性能で長寿命な燃料電池を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a high-performance and long-life fuel cell that prevents stagnation of water produced at the cathode by a power generation reaction.

PEFCや比較的出力の大きいDMFCは、カソード側の酸素の供給をファンやブロアで空気を送出することに行う。このとき、過剰量の空気をカソードに供給することにより、カソードの拡散層から排出される生成水を搬送または蒸発させて運び出すことができる。   The PEFC and the DMFC having a relatively large output perform the supply of oxygen on the cathode side by sending air with a fan or a blower. At this time, by supplying an excessive amount of air to the cathode, the generated water discharged from the diffusion layer of the cathode can be conveyed or evaporated to be carried out.

しかし、出力が数W程度のDMFCにおいては、ファンやブロア等の補機を動かす電力を電池の出力から賄うと、電池システム全体の発電効率が極端に低下する。このため、出力が小さいDMFCは、カソードへ空気を供給するためのファンやブロア等を排除し、自然拡散のみで発電するシステムが採用されている。   However, in a DMFC with an output of about several watts, the power generation efficiency of the battery system as a whole is drastically reduced if power for operating auxiliary machines such as fans and blowers is supplied from the output of the battery. For this reason, a DMFC with a small output employs a system that eliminates fans, blowers, and the like for supplying air to the cathode and generates power only by natural diffusion.

このようなシステムでは、前述のように過剰量の空気をカソードに供給することによって生成水の処理を行うことができない。   In such a system, the generated water cannot be treated by supplying an excessive amount of air to the cathode as described above.

そこで、本発明ではカソード側の集電板および締付板の表面に親水化処理を施し、カソードからの生成水をカソード側拡散層から集電板および締付板を介して燃料電池外表面へ除去する。   Therefore, in the present invention, the surfaces of the current collector plate and the clamping plate on the cathode side are subjected to a hydrophilic treatment, and the generated water from the cathode is transferred from the cathode side diffusion layer to the outer surface of the fuel cell through the current collector plate and the clamping plate. Remove.

また、燃料電池の外表面にも親水化処理を施し、カソードからの生成水を燃料電池外表面に移動・展開させて水の蒸発面積を増加させることにより生成水の蒸発量を増加する。   In addition, the outer surface of the fuel cell is also subjected to a hydrophilization treatment, and the amount of water generated is increased by moving the water generated from the cathode to the fuel cell outer surface to increase the water evaporation area.

さらに、燃料電池の外表面から繋がる燃料電池発電システム筐体にも親水化処理を施し、カソードからの生成水を燃料電池発電システム筐体表面に移動・展開させて水の蒸発面積を増加させることにより生成水の蒸発量を増加する。   Furthermore, the fuel cell power generation system casing connected from the outer surface of the fuel cell is also subjected to a hydrophilic treatment, and the water generated from the cathode is moved and deployed on the surface of the fuel cell power generation system casing to increase the water evaporation area. As a result, the evaporation amount of the generated water is increased.

このとき、親水化処理を行った部分の水との接触角が50°以下であることが望ましい。   At this time, it is desirable that the contact angle with the water of the part which performed the hydrophilic treatment is 50 degrees or less.

また、燃料電池の外表面から燃料電池発電システム筐体への水の移動を容易にするために、これらの接続部分に保水性基材を設置することが望ましい。   Moreover, in order to facilitate the movement of water from the outer surface of the fuel cell to the fuel cell power generation system casing, it is desirable to install a water-retaining substrate at these connecting portions.

燃料電池の外表面および燃料電池発電システム筐体発電に親水処理を施し、カソードで生成する水の蒸発面積を増やすことによって生成水の蒸発量を増加することにより、カソードで生成する水の処理量を向上してカソードのおける生成水の滞留を防止し、セル電圧,出力密度を向上するとともにセル寿命の長寿命化を達成できる。   The amount of water produced at the cathode is increased by applying hydrophilic treatment to the outer surface of the fuel cell and the fuel cell power generation system casing power generation, and increasing the amount of water produced by increasing the evaporation area of water produced at the cathode. This prevents the water from staying in the cathode, improves the cell voltage and output density, and increases the cell life.

本発明による実施の形態について図面を用いて述べる。   Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1に本形態の燃料電池の一例を示す。図1中、1は締付板、2は集電板、3はガスケットである。また、図2に本形態の燃料電池断面の一例を示す。図2中、4は固体高分子電解質膜、5はアノード、6はカソード、7aはアノード拡散層、7cはカソード拡散層である。   FIG. 1 shows an example of the fuel cell of this embodiment. In FIG. 1, 1 is a clamping plate, 2 is a current collecting plate, and 3 is a gasket. FIG. 2 shows an example of a cross section of the fuel cell of this embodiment. In FIG. 2, 4 is a solid polymer electrolyte membrane, 5 is an anode, 6 is a cathode, 7a is an anode diffusion layer, and 7c is a cathode diffusion layer.

アノード5及びカソード6を固体高分子電解質膜4に形成(接合)し、一体化したものを電極/固体高分子電解質膜接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly) と呼ぶ。   The anode 5 and the cathode 6 formed (joined) on the solid polymer electrolyte membrane 4 and integrated are referred to as an electrode / solid polymer electrolyte membrane assembly (MEA).

締付板1は燃料電池組み立て時に面圧が均一にかかるように平滑であり、集電板2と外部が相互に短絡しないように絶縁された構造となり、メタノール水溶液に腐蝕され難い材質であれば特に限定は無い。高密度塩化ビニル,高密度ポリエチレン,高密度ポリプロピレン,エポキシ樹脂,ポリエーテルエーテルケトン類,ポリエーテルスルフォン類,ポリカーボネート或いはこれらをガラス繊維で繊維強化したものを用いると良い。また、炭素板や鋼,ニッケル、その他軽量なアルミニウム,マグネシウムなどの合金材料、或いは、銅−アルミニウムなどに代表される金属間化合物や各種のステンレススチールを用い、表面を不導体化する方法や樹脂を塗布して絶縁化する方法を用いることが出来る。また、カソード側の締付板は空気極に十分酸素が供給されるように孔を空ける必要がある。この孔の開口率は通常50%であるが、空気極に十分酸素が供給されるように20%以上の開効率があればよい。また、80%以上になると発電パネルの強度が弱くなるので、80%以下が望ましい。   The clamping plate 1 is smooth so that the surface pressure is uniformly applied when the fuel cell is assembled, and the current collector plate 2 and the outside are insulated so as not to be short-circuited with each other. There is no particular limitation. High-density vinyl chloride, high-density polyethylene, high-density polypropylene, epoxy resin, polyether ether ketones, polyether sulfones, polycarbonate, or a fiber reinforced with glass fibers may be used. In addition, carbon plate, steel, nickel, other lightweight alloy materials such as aluminum and magnesium, or intermetallic compounds such as copper-aluminum and various stainless steels, and methods to make the surface nonconductive A method of applying insulation to insulate can be used. Also, the cathode side clamping plate needs to be perforated so that sufficient oxygen is supplied to the air electrode. The opening ratio of this hole is usually 50%, but it is sufficient that the opening efficiency is 20% or more so that oxygen is sufficiently supplied to the air electrode. Moreover, since the intensity | strength of a power generation panel will become weak when it becomes 80% or more, 80% or less is desirable.

集電板2はチタン板を金メッキ処理したものを用いたが、導電性を有し、メタノール水溶液に腐蝕され難い材質であればよく、炭素板やステンレススチール,チタン,タンタルなどの金属系板、或いはこれらの金属系材料と他の金属例えば、炭素鋼,ステンレススチール,銅,ニッケル等のクラッドなどの複合材料などを用いることが出来る。更に、金属系集電板においては、加工された集電板の通電接触部に金などの耐食性貴金属をメッキすることや、導電性炭素塗料などを塗布して実装時の接触抵抗を低減することは電池の出力密度向上と長期性能安定性の確保には有効である。また、締付板1に樹脂材料を使用する場合、締付板の強度向上のために集電板2との一体成形を行うことも可能である。また、カソード側の締付板は空気極に十分酸素が供給されるように孔を空ける必要がある。この孔の開口率は通常50%であるが、空気極に十分酸素が供給されるように20%以上の開効率があればよい。また、80%以上になると発電パネルの強度が弱くなるので、80%以下が望ましい。   The current collector plate 2 is made of a gold-plated titanium plate, but may be any material that has conductivity and is not easily corroded by an aqueous methanol solution. Alternatively, a composite material such as a clad of carbon metal, stainless steel, copper, nickel, or the like can be used with these metal-based materials. In addition, in metal-based current collector plates, the current-carrying contact portions of the processed current collector plates can be plated with corrosion-resistant noble metals such as gold, or conductive carbon paint can be applied to reduce the contact resistance during mounting. Is effective in improving battery power density and ensuring long-term performance stability. Further, when a resin material is used for the fastening plate 1, it is also possible to perform integral molding with the current collector plate 2 in order to improve the strength of the fastening plate. Also, the cathode side clamping plate needs to be perforated so that sufficient oxygen is supplied to the air electrode. The opening ratio of this hole is usually 50%, but it is sufficient that the opening efficiency is 20% or more so that oxygen is sufficiently supplied to the air electrode. Moreover, since the intensity | strength of a power generation panel will become weak when it becomes 80% or more, 80% or less is desirable.

ガスケット3は絶縁性があり、水素やメタノールの透過が少なく、機密性が保たれる材質であればよく、例えばブチルゴム,バイトンゴム,エチレンプロピレンジエン三元共重合体(EPDM)ゴム等が挙げられる。   The gasket 3 may be any material that has insulating properties, has little permeation of hydrogen and methanol, and can maintain confidentiality. Examples thereof include butyl rubber, viton rubber, and ethylene propylene diene terpolymer (EPDM) rubber.

固体高分子電解質膜4には水素イオン導電性材料を用いると大気中の炭酸ガスの影響を受けることなく安定な燃料電池を実現できる。このような材料としてポリパーフルオロスチレンスルフォン酸,パーフルオロカーボン系スルフォン酸などに代表されるスルフォン酸化したフッ素系ポリマーやポリスチレンスルフォン酸,スルフォン酸化ポリエーテルスルフォン類,スルフォン酸化ポリエーテルエーテルケトン類などの炭化水素系ポリマーをスルフォン化した材料或いは炭化水素系ポリマーをアルキルスルフォン酸化した材料を用いることができる。これらの材料を電解質膜として用いれば一般に燃料電池を80℃以下の温度で作動することができる。また、タングステン酸化物水和物,ジルコニウム酸化物水和物,スズ酸化物水和物などの水素イオン導電性無機物を耐熱性樹脂若しくはスルフォン酸化樹脂にミクロ分散した複合電解質膜等を用いることによって、より高温域まで作動する燃料電池とすることもできる。特にスルフォン酸化されたポリエーテルスルフォン類,ポリエーテルエーテルスルフォン類或いは水素イオン導電性無機物を用いた複合電解質類は、ポリパーフルオロカーボンスルフォン酸類に比較して燃料のメタノール透過性の低い電解質膜として好ましい。いずれにしても水素イオン伝導性が高く、メタノール透過性の低い電解質膜を用いると燃料の発電利用率が高くなるため本形態の効果である高性能化及び長時間発電をより高いレベルで達成することができる。   When a hydrogen ion conductive material is used for the solid polymer electrolyte membrane 4, a stable fuel cell can be realized without being affected by carbon dioxide in the atmosphere. As such materials, carbonization of sulfonated fluoropolymers such as polyperfluorostyrene sulfonic acid and perfluorocarbon sulfonic acid, polystyrene sulfonic acid, sulfonated polyether sulfones, sulfonated polyether ether ketones, etc. A material obtained by sulfonating a hydrogen-based polymer or a material obtained by alkylating a hydrocarbon-based polymer can be used. If these materials are used as the electrolyte membrane, the fuel cell can generally be operated at a temperature of 80 ° C. or lower. In addition, by using a composite electrolyte membrane or the like in which hydrogen ion conductive inorganic substances such as tungsten oxide hydrate, zirconium oxide hydrate, tin oxide hydrate and the like are micro-dispersed in a heat resistant resin or a sulfonated resin, A fuel cell that operates to a higher temperature range may also be used. In particular, sulfonated polyether sulphones, polyether ether sulphones, or composite electrolytes using hydrogen ion conductive inorganic substances are preferable as electrolyte membranes having lower methanol permeability of fuel than polyperfluorocarbon sulphonic acids. In any case, if an electrolyte membrane with high hydrogen ion conductivity and low methanol permeability is used, the power generation utilization rate of the fuel increases, so that the high performance and long-time power generation, which are the effects of this embodiment, are achieved at a higher level. be able to.

拡散層7には、撥水化処理したカーボンペーパーあるいはカーボンクロス,金属多孔体などガスや液体の拡散と電子導電性が両立できる材料を用いる。   For the diffusion layer 7, a material that can achieve both diffusion of gas and liquid and electronic conductivity, such as water-repellent carbon paper, carbon cloth, or metal porous body is used.

親水化処理層8は、燃料電池の各部材の一部分のみを親水化する必要がある。すなわち、集電板の端子などを親水化すると短絡する可能性があるため、このような部分は親水化しないほうがよい。   The hydrophilization treatment layer 8 needs to hydrophilize only a part of each member of the fuel cell. That is, if the terminals of the current collector plate are made hydrophilic, there is a possibility of short-circuiting. Therefore, it is better not to make these parts hydrophilic.

この部材親水化層の形成は次の3工程からなる。(1)マスク形成。(2)親水化処理。(3)マスク除去。
(1)マスク成形
親水化する必要のない部分をマスクする。簡易的にはマスキングテープないしはシールによりマスクを行う。また、多量の材料の処理をする場合や微細な位置制御が必要な場合などは印刷法が好適である。印刷方法は燃料電池の部材を用紙の代わりに印刷機ないしはインクジェットプリンタ等に入れ、マスク剤を印刷する方法,マスク剤を孔版印刷する方法等がある。マスク剤は親水処理の後に除去する必要があるので、水ないしは有機溶媒に易溶性で簡便に除去できるものが好適である。また、当該マスク剤を除去した際に発生する廃液が環境に対して負荷が少ないものであればさらに好適である。例えば、有機溶媒に溶解するマスク剤は、オフセット印刷用インクないしはレーザープリンター用トナーの一部等がある。しかしマスク方法は水溶性のインクを用いるオフィスないしは家庭用のインクジェットプリンタが好適である。それは、当該プリンタ用インクが水に易溶性であり且つ吐出の位置精度が高く、また廃液処理が容易なためである。
(2)親水化処理
燃料電池の各部材には金属,プラスチック,ガラス等が用いられる。これらの親水化処理方法について説明する。
1)基材が金属の場合に適用する方法
基材が金属の場合、水との接触角が70°以上のものが多い。アルミの場合、水との接触角は90〜95°程度である。またステンレスは種類にもよるが水との接触角はおおむね70〜95°程度である。これらを親水化する場合は塩酸,硝酸,硫酸等に浸漬することで接触角を低下させることができる。アルミの場合は30重量%の硝酸と5重量%の塩酸の混合液に5〜10分間程度浸漬すると接触角が10〜20°程度に下がる。またステンレスの場合も、SUS304,316等は30重量%の硝酸に5〜10分間程度浸漬すると接触角が10〜20°程度に下がる。その他Fe−42Niでは15重量%の硝酸に1〜2分間程度浸漬すると接触角が10°以下に下がる。
The formation of the member hydrophilic layer is composed of the following three steps. (1) Mask formation. (2) Hydrophilization treatment. (3) Mask removal.
(1) Mask molding Mask the part that does not need to be hydrophilized. In simple terms, masking is performed with masking tape or a seal. Further, the printing method is suitable when a large amount of material is processed or when fine position control is required. As a printing method, there are a method of printing a mask agent and a method of stencil printing a mask agent by putting a member of a fuel cell in a printing machine or an ink jet printer instead of paper. Since it is necessary to remove the masking agent after the hydrophilic treatment, those that are easily soluble in water or an organic solvent and can be easily removed are suitable. Moreover, it is more suitable if the waste liquid generated when the mask agent is removed has a low environmental impact. For example, masking agents that dissolve in organic solvents include offset printing inks or laser printer toners. However, the mask method is preferably an office or home inkjet printer using water-soluble ink. This is because the ink for the printer is easily soluble in water, has a high positional accuracy of discharge, and is easy to dispose of waste liquid.
(2) Hydrophilization treatment Metal, plastic, glass, etc. are used for each member of the fuel cell. These hydrophilic treatment methods will be described.
1) Method applied when the substrate is a metal When the substrate is a metal, the contact angle with water is often 70 ° or more. In the case of aluminum, the contact angle with water is about 90 to 95 °. Stainless steel has a contact angle with water of about 70 to 95 ° although it depends on the type. When these are made hydrophilic, the contact angle can be lowered by immersing them in hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid or the like. In the case of aluminum, the contact angle decreases to about 10 to 20 ° when immersed in a mixed solution of 30% by weight nitric acid and 5% by weight hydrochloric acid for about 5 to 10 minutes. Also in the case of stainless steel, SUS304, 316, etc., when immersed in 30% by weight nitric acid for about 5 to 10 minutes, the contact angle decreases to about 10 to 20 °. In addition, when Fe-42Ni is immersed in 15% by weight of nitric acid for about 1 to 2 minutes, the contact angle decreases to 10 ° or less.

その他の方法としては酸素プラズマで処理する方法が挙げられる。酸素分圧1Torr、高周波電源の出力300W、処理時間3分間でアルミ,ステンレスは水との接触角が20°以下になった。
2)基材がガラス・石英の場合に適用する方法
基材がガラスや石英の場合は酸素プラズマで処理したり、塩基性の溶液に浸漬する等の方法により親水性を向上させることが可能である。酸素プラズマの場合、酸素分圧1Torr,高周波電源の出力300W,処理時間3分間で水との接触角が10°以下になった。また塩基性の溶液として1重量%の水酸化ナトリウムの水溶液を用いた場合、5分間浸漬後、水との接触角は20°以下になった。
3)基材が樹脂の場合に適用する方法
基材が樹脂の場合は酸素プラズマで処理したり、酸・塩基性の溶液に浸漬する等の方法により親水性を向上させることが可能である。
Other methods include a method of treating with oxygen plasma. With an oxygen partial pressure of 1 Torr, a high frequency power output of 300 W, and a treatment time of 3 minutes, the contact angle of aluminum and stainless steel with water was 20 ° or less.
2) Method applied when the substrate is glass or quartz When the substrate is glass or quartz, hydrophilicity can be improved by methods such as treatment with oxygen plasma or immersion in a basic solution. is there. In the case of oxygen plasma, the oxygen partial pressure was 1 Torr, the output of the high-frequency power source was 300 W, and the contact angle with water was 10 ° or less after a treatment time of 3 minutes. When a 1% by weight aqueous solution of sodium hydroxide was used as the basic solution, the contact angle with water became 20 ° or less after immersion for 5 minutes.
3) Method applied when the substrate is a resin When the substrate is a resin, the hydrophilicity can be improved by a method such as treatment with oxygen plasma or immersion in an acid / basic solution.

酸素プラズマを用いる場合、例えばポリスチレン,アクリル樹脂,スチレン/アクリル樹脂,ポリエステル樹脂,アセタール樹脂,ポリカーボネート,ポリエーテルスルホン,ポリサルホン,ポリエーテルサルホン等では、酸素分圧1Torr,高周波電源の出力100W,処理時間1分間の条件で水との接触角が20°以下になった。   When oxygen plasma is used, for example, polystyrene, acrylic resin, styrene / acrylic resin, polyester resin, acetal resin, polycarbonate, polyethersulfone, polysulfone, polyethersulfone, etc., oxygen partial pressure 1 Torr, high-frequency power output 100 W, processing The contact angle with water became 20 ° or less under conditions of 1 minute.

塩基性の溶液への浸漬はアクリル樹脂,スチレン/アクリル樹脂,ポリエステル樹脂,アセタール樹脂,ポリカーボネート等のように分子内にエステル結合を有する材料の場合に特に有効である。これは表面、及びその近傍にあるエステル結合を切断することで親水性の高いカルボン酸塩残基、及び・或いは水酸基が生成することで総じて表面の親水性が高まるためである。またポリイミドやポリアミド等のアミノ基とカルボキシル基の縮合により重合する樹脂の場合は、塩酸等の酸に浸漬することで重合時に反応せず残ったアミノ基を親水性の高いアンモニウム塩構造にしたり、水酸化ナトリウム水溶液に浸漬することで重合時に反応せず残ったカルボキシル基を親水性の高いカルボン酸塩にすることで総じて表面の親水性を高めることができる。酸・塩基性の溶液への浸漬は溶液の温度が高いほど、また濃度が高い親水化が敏速に進行する傾向がある。しかし高温・高濃度化は基材へのダメージを与えやすいので注意が必要である。
4)種々の基材に適用する方法
基材が金属,ガラス、あるいは樹脂であっても処理可能な親水化方法としては親水性を発揮させる塗料を塗布する方法が挙げられる。これら材料は一般にa)〜d)に示すものが挙げられるがこれ以外も特に限定は受けない。また塗料以外の汎用的な方法をe)に示す。
a)水溶性高分子材料の溶液
水溶性の高分子としてはポリエチレングリコール,ポリビニルアルコール,ポリアクリル酸,ポリアクリル酸塩,ポリアリルアミン,ポリアリルアミンの塩酸塩,デンプン等が挙げられる。分子内に水酸基,アミノ基,カルボキシル基,塩構造の残基等親水性の残基を有しているものが挙げられる。これらの水溶液、あるいは有機溶媒の溶液を調製し塗料とする。これをセルの基材に塗布し、乾燥させることで親水塗膜を形成する。これら水溶性高分子の中では特にポリエチレングリコールを塗布した表面の接触角を低下させる傾向が強い。用いる高分子は分子量が大きいほど光散乱の少ない平滑な親水膜が形成できるので好ましい。また処理する表面の撥水性が高い場合は塗料が弾かれてしまうため、結果として平坦な膜を形成できない。これは溶媒が水の場合は用いる高分子の溶液の表面張力が大きくなるためである。そこでこれら塗料を塗布する前に予め酸素プラズマ処理をしておくと、平坦な塗膜が形成しやすい。ところでポリエチレングリコールはテトラヒドロフラン等の有機溶媒に溶解する。そのためこの溶液の表面張力は同じポリエチレングリコールの水溶液に比べて小さく、撥水性の高いアルミ等の表面にも塗布しやすい。
b)親水性粒子を含んだ塗料
親水性アルミナ粒子や親水性シリカ粒子を含んだ分散液とアルコキシシランの溶液を混ぜたものを塗料として用いる。この塗料を用いる場合、セルの基材に塗布後に加熱することで製膜が完了する。この塗料で主に親水性を発揮するのは親水性アルミナ粒子や親水性シリカ粒子であり、アルコキシシランは主にこれら粒子の保持体として機能する。そのため親水性を高めるには親水性アルミナ粒子や親水性シリカ粒子の割合を大きくすることで対処することができる。またアルコキシシランの割合を大きくすることで膜の物理的強度は向上する。アルコキシシランはある程度分子間で架橋していた方が、塗布後の加熱で揮発する割合が減るので好ましい。またアルコキシシランには分子間の重合を促進させるために塩酸等を加えることがあるが、親水性シリカの場合は分散を良好にするため、その分散液は塩基性になっている場合がある。そのため両者を混ぜた場合、親水性シリカが凝集することがあるので混合した場合の液性と親水性シリカの分散の状況には注意する。この点アルミナの場合には分散液は主に酸性であるため混合の際のトラブルが少ない。アルコキシシランとしてはメチルトリメトキシシラン,エチルトリメトキシシラン,ブチルトリメトキシシラン,メチルトリエトキシシラン,エチルトリエトキシシラン,ブチルトリエトキシシラン,テトラメトキシシラン,テトラエトキシシラン等が挙げられる。なお液性や溶媒が合えばアルコキシシランの代わりにアルコキシチタンを用いても良い。アルコキシチタンとしてはテトラ−i−プロピルチタネート,テトラ−n−ブチルチタネート,テトラステアリルチタネート,トリエタノールアミンチタネート,チタニウムアセチルアセトネート,チタニウムエチルアセトアセテート,チタニウムラクテート,テトラオクチレングリコールチタネート等が挙げられる。またこれらの化合物が数分子重合したものも用いることが可能である。
c)水溶性高分子とその架橋剤を含んだ塗料
a)に挙げたような水溶性高分子に架橋剤としてb)に挙げたアルコキシシランやアルコキシチタンを混ぜることによって親水表面を形成する塗料とすることも可能である。この場合、溶媒は水であっても良いが、基材の撥水性が高い場合は塗料を弾いてしまうため、メタノールやエタノール等のアルコール系溶媒が好適である。
d)アルコキシシラン溶液とアルカリ溶液の併用
b)に挙げたアルコキシシランの溶液を基材に塗布後、120〜180℃程度で数分間加熱すると基材表面に酸化ケイ素の被膜が形成する。その後アルカリ性の溶液に浸漬すると表面の親水性が高まる。最後にアルカリ性の溶液を水洗することで親水処理が終了する。アルカリ性の溶液は水酸化ナトリウム,水酸化カリウム等の水酸化物の水溶液、あるいはアルコール溶液,含水アルコール溶液を用いる。濃度は高いほど浸漬時間は短くできるが、用いる水酸化物の種類によっても異なる。水酸化ナトリウムを用いた場合、溶液濃度1重量%では浸漬時間は1〜5分間、5重量%では10〜30秒間程度が好適である。またアルコキシシランの溶液に用いる溶媒としてケトン系のもの(アセトンやメチルエチルケトン等)はアルコキシシランが二酸化ケイ素に変化しやすいので、アルコール系,エステル系、あるいはエーテル系の溶媒が好適である。特にアルコール系は基材が樹脂の場合、樹脂を溶解し難いので特に好適である。
e)補足:塗料以外の方法
金属,ガラス・石英,樹脂等基板材料として考えられるものに紫外線照射,オゾン雰囲気下に放置する等によって、その表面を親水化することも可能である。
The immersion in a basic solution is particularly effective in the case of a material having an ester bond in the molecule such as an acrylic resin, a styrene / acrylic resin, a polyester resin, an acetal resin, or a polycarbonate. This is because the hydrophilicity of the surface is generally enhanced by the formation of a highly hydrophilic carboxylate residue and / or hydroxyl group by cleaving the ester bond in the surface and its vicinity. In addition, in the case of a resin that is polymerized by condensation of amino groups and carboxyl groups such as polyimide and polyamide, the amino group that does not react during polymerization by dipping in an acid such as hydrochloric acid has a highly hydrophilic ammonium salt structure, By immersing in an aqueous sodium hydroxide solution, the remaining carboxyl groups that remain unreacted during polymerization are converted into highly hydrophilic carboxylates, so that the hydrophilicity of the surface can be enhanced as a whole. In soaking in an acid / basic solution, as the temperature of the solution increases, hydrophilicity with a higher concentration tends to proceed more rapidly. However, care should be taken because high temperatures and high concentrations tend to damage the substrate.
4) Method applied to various base materials Examples of the hydrophilization method that can be processed even if the base material is a metal, glass, or resin include a method of applying a paint that exhibits hydrophilicity. These materials generally include those shown in a) to d), but other than these, there is no particular limitation. A general method other than paint is shown in e).
a) Solution of water-soluble polymer material Examples of the water-soluble polymer include polyethylene glycol, polyvinyl alcohol, polyacrylic acid, polyacrylate, polyallylamine, polyallylamine hydrochloride, starch and the like. Those having a hydrophilic residue such as a hydroxyl group, an amino group, a carboxyl group, or a salt structure residue in the molecule. These aqueous solutions or organic solvent solutions are prepared as coatings. This is applied to the base material of the cell and dried to form a hydrophilic coating film. Among these water-soluble polymers, there is a strong tendency to reduce the contact angle of the surface coated with polyethylene glycol. The higher the molecular weight, the higher the molecular weight, so that a smooth hydrophilic film with less light scattering can be formed. Further, when the surface to be treated has high water repellency, the paint is repelled, and as a result, a flat film cannot be formed. This is because when the solvent is water, the surface tension of the polymer solution used increases. Therefore, if an oxygen plasma treatment is performed in advance before applying these paints, a flat coating film is easily formed. By the way, polyethylene glycol is dissolved in an organic solvent such as tetrahydrofuran. For this reason, the surface tension of this solution is smaller than that of the same aqueous solution of polyethylene glycol, and it can be easily applied to the surface of aluminum or the like having high water repellency.
b) Paint containing hydrophilic particles A mixture of a dispersion containing hydrophilic alumina particles or hydrophilic silica particles and an alkoxysilane solution is used as a paint. When this paint is used, film formation is completed by heating after application to the cell substrate. It is hydrophilic alumina particles and hydrophilic silica particles that mainly exhibit hydrophilicity in this paint, and alkoxysilane mainly functions as a support for these particles. Therefore, increasing hydrophilicity can be dealt with by increasing the proportion of hydrophilic alumina particles or hydrophilic silica particles. In addition, increasing the proportion of alkoxysilane improves the physical strength of the film. It is preferable that the alkoxysilane is crosslinked to some extent between molecules because the rate of volatilization by heating after coating decreases. In addition, hydrochloric acid or the like may be added to the alkoxysilane to promote intermolecular polymerization, but in the case of hydrophilic silica, the dispersion may be basic in order to improve the dispersion. Therefore, when both are mixed, the hydrophilic silica may agglomerate. Therefore, attention should be paid to the liquid state and the dispersion of the hydrophilic silica when mixed. In this respect, in the case of alumina, the dispersion is mainly acidic, so there are few troubles during mixing. Examples of the alkoxysilane include methyltrimethoxysilane, ethyltrimethoxysilane, butyltrimethoxysilane, methyltriethoxysilane, ethyltriethoxysilane, butyltriethoxysilane, tetramethoxysilane, and tetraethoxysilane. Note that alkoxy titanium may be used instead of alkoxy silane as long as the liquidity and the solvent match. Examples of the alkoxytitanium include tetra-i-propyl titanate, tetra-n-butyl titanate, tetrastearyl titanate, triethanolamine titanate, titanium acetylacetonate, titanium ethyl acetoacetate, titanium lactate, and tetraoctylene glycol titanate. Further, those obtained by polymerizing several compounds of these compounds can also be used.
c) A paint containing a water-soluble polymer and a crosslinking agent thereof A paint which forms a hydrophilic surface by mixing the water-soluble polymer mentioned in a) with the alkoxysilane or alkoxytitanium listed in b) as a crosslinking agent It is also possible to do. In this case, the solvent may be water, but if the substrate has high water repellency, the paint will be repelled, and therefore alcohol solvents such as methanol and ethanol are preferred.
d) Combined use of alkoxysilane solution and alkali solution After applying the alkoxysilane solution mentioned in b) to the substrate and heating at about 120 to 180 ° C. for several minutes, a silicon oxide film is formed on the surface of the substrate. Subsequent immersion in an alkaline solution increases the hydrophilicity of the surface. Finally, the hydrophilic treatment is completed by washing the alkaline solution with water. As the alkaline solution, an aqueous solution of hydroxide such as sodium hydroxide or potassium hydroxide, an alcohol solution, or a hydrous alcohol solution is used. The higher the concentration, the shorter the immersion time, but it depends on the type of hydroxide used. When sodium hydroxide is used, the immersion time is preferably 1 to 5 minutes at a solution concentration of 1% by weight and about 10 to 30 seconds at 5% by weight. As a solvent used in the alkoxysilane solution, a ketone solvent (acetone, methyl ethyl ketone, etc.) is preferably an alcohol solvent, an ester solvent, or an ether solvent because the alkoxysilane is easily changed to silicon dioxide. In particular, the alcohol type is particularly suitable when the base material is a resin because it is difficult to dissolve the resin.
e) Supplement: Methods other than paint The surface of a substrate such as metal, glass / quartz or resin, which can be considered as a substrate material, can be made hydrophilic by irradiating it with ultraviolet light or leaving it in an ozone atmosphere.

なお紫外線照射量,オゾン処理時間・濃度は基板材料によって異なる。
(3)マスク除去
親水化処理後マスクを除去する。マスクが溶解する溶媒で基材を洗浄する、加熱することによりマスクを溶解して吸引する、マスクを引き剥がす等の方法でマスクを除去する。
The amount of UV irradiation, ozone treatment time and concentration vary depending on the substrate material.
(3) Mask removal The mask is removed after the hydrophilic treatment. The mask is removed by a method such as washing the substrate with a solvent in which the mask dissolves, dissolving and sucking the mask by heating, and peeling off the mask.

このように燃料電池の各部材に親水化処理を施すことにより、本実施形態の燃料電池構造が実現できる。   Thus, the fuel cell structure of the present embodiment can be realized by applying hydrophilic treatment to each member of the fuel cell.

以下に、更に、本形態を詳しく説明するが、本実施例の趣旨とするところは、ここに開示した実施例のみに限定されるものではない。   The present embodiment will be described in detail below, but the scope of the present embodiment is not limited to the embodiment disclosed herein.

(実施例1)
締付板1は集電板2と接する部分およびメタノール溶液が滞留する部分に親水化処理溶液が接しないようにマスキングテープによりマスクした。ここで、メタノールが滞留する部分とは、メタノールタンク11の内部である。集電板2はカソード側の集電板2のみ拡散層7に通じる開口部以外の部分に親水化処理溶液が接しないようにマスキングテープによりマスクした。ガスケット3は集電板2と接する部分およびMEAと拡散層7に接する部分に親水化処理溶液が接しないようにマスキングテープによりマスクした。
Example 1
The fastening plate 1 was masked with a masking tape so that the hydrophilization solution did not come into contact with the portion in contact with the current collector plate 2 and the portion where the methanol solution stayed. Here, the portion where methanol stays is inside the methanol tank 11. The current collector plate 2 was masked with a masking tape so that only the cathode-side current collector plate 2 would not be in contact with the hydrophilic treatment solution at the portion other than the opening that leads to the diffusion layer 7. The gasket 3 was masked with a masking tape so that the hydrophilization solution did not contact the portion in contact with the current collector plate 2 and the portion in contact with the MEA and the diffusion layer 7.

末端がグリシジル基のシランカップリング剤(チッソ社製S−510)(1重量部),親水性アルミナの20重量%分散液(日産化学製No.520)(20重量部)、及びエタノール(250重量部)を混ぜた液を調製する。この液を燃料電池を構成する締付板1,カソード側集電板2,ガスケット3のマスク形成をしなかった部分に塗布した。塗布後、100℃で3時間加熱した。こうして各部材の表面に親水性アルミナを保持した膜が形成される。この膜の水との接触角は10°以下であった。   Glycidyl group-terminated silane coupling agent (S-510 manufactured by Chisso) (1 part by weight), 20% by weight dispersion of hydrophilic alumina (Nissan Chemical No. 520) (20 parts by weight), and ethanol (250 (Part by weight) is prepared. This solution was applied to the portions of the fastening plate 1, the cathode side current collector plate 2, and the gasket 3 that did not form the mask, constituting the fuel cell. After the application, it was heated at 100 ° C. for 3 hours. Thus, a film holding hydrophilic alumina is formed on the surface of each member. The contact angle of this membrane with water was 10 ° or less.

マスキングテープを引き剥がすことによりマスクを除去した。   The mask was removed by peeling off the masking tape.

アノード5にはカーボンブラックに白金とルテニウムを1:1の原子比で、白金担持量50wt%担持した電極触媒を用い、カソード6にはカーボンブラックに白金を50wt%担持した電極触媒を用い、この電極触媒にDuPont社のNafion(登録商標)を溶解した
Nafionの溶液(濃度5wt%、アルドリッチ製)を、電極触媒とNafionの溶液との重量比が1:9となる割合で合せ、溶媒を揮発させながら混合し、粘稠な電極触媒スラリーを調整した。
The anode 5 uses an electrode catalyst in which platinum and ruthenium are supported on carbon black at a 1: 1 atomic ratio and a platinum loading amount of 50 wt%, and the cathode 6 uses an electrode catalyst in which platinum is supported on carbon black at 50 wt%. NaPoion (registered trademark) of DuPont was dissolved in the electrode catalyst
A Nafion solution (concentration 5 wt%, manufactured by Aldrich) was combined at a ratio of 1: 9 by weight of the electrode catalyst and Nafion solution, and mixed while volatilizing the solvent to prepare a viscous electrode catalyst slurry. .

この電極触媒スラリーをテトラフルオロエチレンシートにスクリーン印刷法によって塗布し、電極触媒スラリーの溶媒を乾燥させて触媒層を形成した。触媒層中の白金量は、アノード5では単位面積当り5mg/cm2、カソード6では単位面積当り2mg/cm2とした。 This electrode catalyst slurry was applied to a tetrafluoroethylene sheet by screen printing, and the solvent of the electrode catalyst slurry was dried to form a catalyst layer. The amount of platinum in the catalyst layer was 5 mg / cm 2 per unit area for the anode 5 and 2 mg / cm 2 per unit area for the cathode 6.

上述の触媒層を、固体高分子電解質膜4としてDuPont社のNafionの膜(ナフィオン112(登録商標)、厚さ50μm)を用い、その両面にホットプレスによって圧着してMEAを作製した。   The catalyst layer described above was used as a solid polymer electrolyte membrane 4 from a DuPont Nafion membrane (Nafion 112 (registered trademark), thickness 50 μm), and both sides thereof were pressure-bonded by hot pressing to produce an MEA.

カソード拡散層7cは、撥水性を強めて、カソード近傍の水蒸気圧を高め、生成水蒸気の拡散排気と水の凝集を防ぐための撥水化した多孔質炭素基板から構成される。カソード拡散層7cの多孔質炭素基板には導電性で多孔質な材料が用いられる。一般的には炭素繊維の織布或いは不織布、例えば、炭素繊維織布としてはカーボンクロス(トレカクロス:東レ製)やカーボンペーパー(東レ製:TGP−H−060)などを用い、撥水化には撥水性微粒子,撥水性フィブリル又は撥水性繊維、例えば、ポリテトラフルオロエチレンなどが用いられる。   The cathode diffusion layer 7c is composed of a water-repellent porous carbon substrate for enhancing water repellency, increasing the water vapor pressure in the vicinity of the cathode, and preventing diffusion exhaust of generated water vapor and aggregation of water. A conductive and porous material is used for the porous carbon substrate of the cathode diffusion layer 7c. In general, carbon fiber woven fabric or non-woven fabric, for example, carbon fiber woven fabric (carbon fiber (Torayca cloth: Toray) or carbon paper (Toray: TGP-H-060)) is used for water repellency. Water repellent fine particles, water repellent fibrils or water repellent fibers such as polytetrafluoroethylene are used.

多孔質炭素基板の撥水化についてより詳細に説明すれば、カーボンペーパー(東レ製:TGP−H−060)を所定の寸法に切り出し、予め吸水量を求めた後、このカーボンペーパーを焼き付け後の重量比が20〜60wt%となるように希釈したポリテトラフルオロカーボン/水分散液(D−1:ダイキン工業社製)に浸漬し、120℃で約1時間乾燥し、更に、空気中、270〜360℃の温度で0.5 〜1時間焼き付け操作をする。   The water repellency of the porous carbon substrate will be described in more detail. A carbon paper (manufactured by Toray: TGP-H-060) is cut into a predetermined size, the water absorption amount is obtained in advance, and then the carbon paper is baked. It is immersed in a polytetrafluorocarbon / water dispersion diluted to a weight ratio of 20 to 60 wt% (D-1: manufactured by Daikin Industries, Ltd.), dried at 120 ° C. for about 1 hour, and further 270 to 270 in air. A baking operation is performed at a temperature of 360 ° C. for 0.5 to 1 hour.

カソード拡散層7cの通気性及び透湿性、即ち、供給酸素及び生成水の拡散性は、ポリテトラフルオロエチレンの添加量,分散性,焼き付け温度に大きく依存するので、燃料電池の設計性能,使用環境などを考慮して適正な条件が選定される。   The air permeability and moisture permeability of the cathode diffusion layer 7c, that is, the diffusibility of supplied oxygen and generated water largely depends on the amount of polytetrafluoroethylene added, dispersibility, and baking temperature, so the design performance and operating environment of the fuel cell Appropriate conditions are selected in consideration of such factors.

アノード拡散層7aは導電性と多孔質の条件を満たす炭素繊維の織布或いは不織布、例えば、炭素繊維織布としてはカーボンクロス(トレカクロス:東レ製)やカーボンペーパー(東レ製:TGP−H−060)などの材料は好適なものである。アノード拡散層70aの機能は、水溶液燃料の供給と生成された炭酸ガスの速やかな散逸を促進するものであるため、上記した炭素多孔質基板を緩やかな酸化又は紫外線照射などによって表面を親水化する方法や、炭素多孔質基板に親水性樹脂を分散する方法、酸化チタンなどに代表される強い親水性を有する物質を分散担持する方法は、アノードで生成した炭素多孔質基板内で気泡成長するのを抑制し、燃料電池の出力密度を高めるために有効な方法である。また、アノード拡散層7aは、上記した材料に限定されること無く、実質的に電気化学不活性な金属系材料(例えば、ステンレススチール繊維不織布,多孔質体,多孔質なチタン,タンタルなど)の多孔質材料を用いることも出来る。   The anode diffusion layer 7a is a carbon fiber woven or non-woven fabric that satisfies the requirements of electrical conductivity and porosity. For example, as the carbon fiber woven fabric, carbon cloth (Toray Cross: manufactured by Toray) or carbon paper (Toray: TGP-H- Materials such as 060) are suitable. The function of the anode diffusion layer 70a is to promote the supply of the aqueous fuel and the rapid dissipation of the generated carbon dioxide, so that the surface of the carbon porous substrate is hydrophilized by gradual oxidation or ultraviolet irradiation. The method, the method of dispersing a hydrophilic resin on a carbon porous substrate, and the method of dispersing and supporting a highly hydrophilic substance typified by titanium oxide, etc., cause bubble growth in the carbon porous substrate generated at the anode. This is an effective method for suppressing the above and increasing the output density of the fuel cell. The anode diffusion layer 7a is not limited to the above-described materials, but is substantially made of an electrochemically inactive metal material (for example, stainless steel fiber nonwoven fabric, porous body, porous titanium, tantalum, etc.). A porous material can also be used.

上述のように必要な部分のみを親水化した締付板1,集電板2,ガスケット3と発電部材料であるMEAと拡散層7a,7cを図2に示すように組み立て燃料電池を作製した。   As shown above, the fastening plate 1, the current collector plate 2, the gasket 3, the MEA as the power generation material, and the diffusion layers 7a and 7c are assembled as shown in FIG. .

このようにして作成した燃料電池の燃料室に30wt%メタノール水溶液を注入し、室温で発電試験を実施したところ、時間経過とともに発電により生成した水がカソード側拡散層7c表面から流れ出し、カソード側集電板2と締付板1の開口部の壁面の親水化された部分を伝って燃料電池外表面に広がることを確認した。   When a 30 wt% aqueous methanol solution was injected into the fuel chamber of the fuel cell thus prepared and a power generation test was performed at room temperature, the water generated by the power generation flowed out from the surface of the cathode side diffusion layer 7c as time passed, It was confirmed that it spreads on the outer surface of the fuel cell through the hydrophilic portion of the wall surface of the opening of the electric plate 2 and the fastening plate 1.

なお、少なくとも、カソード側の集電板の開口部とカソード側の締付板の開口部とその外表面が親水化されていることが好ましい。ここで、開口部とは、孔の縁又はその壁面をいう。酸素はカソード側集電板とカソード側の締付板に形成された孔を通ってカソードに供給される。一方、生成水は、カソードで発生し、この孔に滞留するため酸素がカソードに行き着くのを妨害する。カソード側の集電板の開口部とカソード側の締付板の開口部が親水化されていることにより生成水は孔に滞留することなく孔の壁面(開口部)を伝って締付板の外表面に移動する。そして、締付板の外表面も親水化されているので、生成水は締付板の外表面に移動し、表面積が広がり、外気に曝されることにより蒸発しやすくなる。   It is preferable that at least the opening of the current collector on the cathode side, the opening of the clamping plate on the cathode side, and the outer surface thereof are hydrophilized. Here, the opening refers to the edge of the hole or its wall surface. Oxygen is supplied to the cathode through a hole formed in the cathode side current collector plate and the cathode side clamping plate. On the other hand, the generated water is generated at the cathode and stays in the pores, so that oxygen does not reach the cathode. Since the opening of the cathode current collector plate and the opening of the cathode clamping plate are hydrophilized, the generated water does not stay in the hole and travels along the wall surface (opening) of the hole. Move to the outer surface. And since the outer surface of the clamping plate is also made hydrophilic, the generated water moves to the outer surface of the clamping plate, the surface area increases, and it is easy to evaporate when exposed to the outside air.

本実施例によれば、カソードからの生成水がカソード側拡散層から集電板及び締付板を介して燃料電池外部へ流出しやすくなり、カソードでの水の滞留を起こりにくくすることができる。   According to this embodiment, the generated water from the cathode easily flows out from the cathode side diffusion layer to the outside of the fuel cell through the current collector plate and the clamping plate, and the retention of water at the cathode can be made difficult to occur. .

(実施例2)
実施例1で親水化した燃料電池に加え、燃料電池を囲う筐体9の内側について実施例1と同様な方法にてマスクを形成し、親水化処理溶液を調整して親水化し、マスクを除去した。
(Example 2)
In addition to the fuel cell hydrophilized in Example 1, a mask is formed on the inner side of the housing 9 surrounding the fuel cell in the same manner as in Example 1, and the hydrophilization solution is adjusted to make the mask hydrophilic, and the mask is removed. did.

図4は、筐体9を含めた燃料電池システムを示す。筐体9に燃料電池を設置し、燃料電池の燃料室に30wt%メタノール水溶液を注入し、室温で発電試験を実施したところ、時間経過とともに発電により生成した水がカソード側拡散層7c表面から流れ出し、カソード側集電板2と締付板1の開口部の壁面の親水化した部分を伝って燃料電池外表面に広がり、さらに燃料電池と接した筐体9内部の親水化した部分に広がることを確認した。   FIG. 4 shows the fuel cell system including the housing 9. When a fuel cell is installed in the housing 9, a 30 wt% aqueous methanol solution is injected into the fuel chamber of the fuel cell, and a power generation test is performed at room temperature, water generated by power generation flows out from the surface of the cathode side diffusion layer 7c with time. And spreads to the outer surface of the fuel cell through the hydrophilic portion of the wall surface of the opening of the cathode side current collector plate 2 and the clamping plate 1 and further spreads to the hydrophilic portion of the inside of the housing 9 in contact with the fuel cell. It was confirmed.

(実施例3)
実施例1の親水処理で用いる液を以下の2種類の組成のものにする以外は実施例1と同様にしてマイクロファクトリーを作製した。2種類の液の組成は以下の通り。
(Example 3)
A microfactory was produced in the same manner as in Example 1 except that the liquid used in the hydrophilic treatment of Example 1 had the following two compositions. The composition of the two types of liquid is as follows.

1):末端がグリシジル基のシランカップリング剤(チッソ社製S−510)(1重量部)、親水性アルミナの20重量%分散液(日産化学製No.520)(2重量部)、及びエタノール(50重量部)を混ぜた液。   1): A silane coupling agent having a glycidyl group at the end (S-510 manufactured by Chisso) (1 part by weight), a 20% by weight dispersion of hydrophilic alumina (No. 520 manufactured by Nissan Chemical Industries) (2 parts by weight), and A liquid mixed with ethanol (50 parts by weight).

2):末端がグリシジル基のシランカップリング剤(チッソ社製S−510)(1重量部)、親水性アルミナの20重量%分散液(日産化学製No.520)(5重量部)、及びエタノール(50重量部)を混ぜた液。   2): A silane coupling agent having a glycidyl group at the end (S-510 manufactured by Chisso Corporation) (1 part by weight), a 20% by weight dispersion of hydrophilic alumina (No. 520 manufactured by Nissan Chemical Industries) (5 parts by weight), and A liquid mixed with ethanol (50 parts by weight).

また用いた基材の種類はポリカーボネート,ガラス、及びSUS304である。その結果1)の液を用いて親水処理後のこれら基材の水との接触角はいずれも32〜34°であった。これら親水処理を行った基材表面に徐々に水を滴下した場合、材料表面の約90%程度に水が広がった。続いて2)の液を用いて親水処理後のこれら基材の水との接触角はいずれも28〜30°であった。これら親水処理を行った基材表面に徐々に水を滴下した場合、材料表面が完全に水で覆われた。このことから親水部分の水との接触角は30°以下である必要のあることが示された。   Moreover, the kind of base material used is polycarbonate, glass, and SUS304. As a result, the contact angle between these substrates after hydrophilic treatment with the liquid of 1) was 32 to 34 °. When water was gradually dropped onto the surface of the substrate subjected to these hydrophilic treatments, the water spread to about 90% of the material surface. Subsequently, the contact angle of each of the base materials after the hydrophilic treatment with water using the liquid 2) was 28 to 30 °. When water was gradually dropped onto the surface of the substrate subjected to the hydrophilic treatment, the material surface was completely covered with water. This indicates that the contact angle between the hydrophilic portion and water needs to be 30 ° or less.

(実施例4)
実施例2のように燃料電池および燃料電池発電システム筐体9に親水処理を施し、燃料電池から燃料電池システム筐体にカソード生成水が広がるように構成した場合、燃料電池と燃料電池発電システム筐体9の間に隙間が生じると燃料電池から燃料電池システム筐体に円滑にカソード生成水が移動しなくなる現象が確認された。
Example 4
When the fuel cell and the fuel cell power generation system casing 9 are subjected to hydrophilic treatment as in the second embodiment so that the cathode generation water spreads from the fuel cell to the fuel cell system casing, the fuel cell and the fuel cell power generation system casing It was confirmed that when a gap is formed between the bodies 9, the cathode generated water does not move smoothly from the fuel cell to the fuel cell system housing.

そこで、図5に示すように燃料電池および燃料電池発電システム筐体9に接するように水分輸送基材10を設置した。   Therefore, as shown in FIG. 5, the moisture transport base material 10 was installed so as to be in contact with the fuel cell and the fuel cell power generation system housing 9.

水分輸送基材としては毛細管作用を示せば特に制限は無い。そのようなものとして例えば、ポリプロピレン,ポリエチレン,ポリ塩化ビニール,アクリル,芳香族ポリアミド,芳香族ポリアラミド,ポリスルホン,ポリエーテルスルホン,ポリエーテルケトン,ポリフェニレンサルフィッド,ポリアミドイミド,ポリウレタン,ポリスチレン,ポリエステル,エポキシ,フェノール,シリコーン等の有機連通気泡多孔体,連通気泡多孔質セラミックス,焼結法,メッキ法,発泡法,加圧鋳造法によって製造される金属連通気泡多孔体等がある。   The moisture transport substrate is not particularly limited as long as it exhibits a capillary action. For example, polypropylene, polyethylene, polyvinyl chloride, acrylic, aromatic polyamide, aromatic polyaramid, polysulfone, polyethersulfone, polyetherketone, polyphenylene sulfide, polyamideimide, polyurethane, polystyrene, polyester, epoxy There are organic open-cell porous bodies such as phenol and silicone, open-cell porous ceramics, metal open-cell porous bodies manufactured by a sintering method, a plating method, a foaming method, and a pressure casting method.

このようにした場合、燃料電池外表面のカソード生成水が水分輸送基材を通して燃料電池発電システム筐体9内部の親水化した部分に円滑に広がることを確認した。   In this case, it was confirmed that the cathode generated water on the outer surface of the fuel cell spreads smoothly through the moisture transport base material to the hydrophilized portion inside the fuel cell power generation system housing 9.

本発明の燃料電池の一実施例を示す図である。It is a figure which shows one Example of the fuel cell of this invention. 本発明の燃料電池の一実施例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows one Example of the fuel cell of this invention. 本発明の燃料電池の一実施例を示す図である。It is a figure which shows one Example of the fuel cell of this invention. 本発明の燃料電池の一実施例を示す図である。It is a figure which shows one Example of the fuel cell of this invention. 本発明の燃料電池の一実施例を示す図である。It is a figure which shows one Example of the fuel cell of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 締付板
2 集電板
3 ガスケット
4 固体高分子電解質膜
5 アノード
6 カソード
7 拡散層
8 親水化処理層
9 筐体
10 水分輸送基材
11 メタノールタンク
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fastening plate 2 Current collector plate 3 Gasket 4 Solid polymer electrolyte membrane 5 Anode 6 Cathode 7 Diffusion layer 8 Hydrophilization treatment layer 9 Case 10 Moisture transport substrate 11 Methanol tank

Claims (4)

燃料を酸化するアノードと、酸素を還元するカソードと、前記アノードと前記カソードとに挟持される固体高分子電解質とを有する燃料電池において、
前記カソードから電気を集電するカソード側集電板及び前記カソード側集電板を覆うカソード側締付板が、前記カソードに酸素を供給するための開口部を備え、
前記カソード側集電板及びカソード側締付板の開口部と、前記カソード側締付板の外表面が親水化されている燃料電池。
In a fuel cell having an anode for oxidizing fuel, a cathode for reducing oxygen, and a solid polymer electrolyte sandwiched between the anode and the cathode,
The cathode with side clamping plate covering the cathode-side current collecting plate及beauty before Symbol cathode-side current collecting plate to collect the electricity from the cathode, an opening for supplying oxygen to the cathode,
A fuel cell in which openings of the cathode side current collector plate and the cathode side clamping plate and an outer surface of the cathode side clamping plate are hydrophilized.
請求項1記載の燃料電池において、前記カソード側集電板及びカソード側締付板の親水化された表面と水との接触角が0°以上30°以下である燃料電池。 2. The fuel cell according to claim 1 , wherein a contact angle between water and the hydrophilized surfaces of the cathode-side current collecting plate and the cathode-side clamping plate is 0 ° or more and 30 ° or less. 請求項1記載の燃料電池を囲う筐体の内壁面の一部又は全部が親水化されている燃料電池発電システム。 Fuel cell power generation system in which a part or the whole of the inner wall surface of the housing is hydrophilic surrounding the fuel cell according to claim 1. 請求項記載の燃料電池発電システムにおいて、前記カソード側集電板及びカソード側締付板の親水化された表面と、前記燃料電池を囲う筐体の親水化された表面とを接続する保水性基材を有する燃料電池発電システム。 4. The fuel cell power generation system according to claim 3 , wherein the hydrophilic surface of the cathode side current collector plate and the cathode side clamping plate and the hydrophilic surface of the casing surrounding the fuel cell are connected. A fuel cell power generation system having a substrate.
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