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JP4476558B2 - Fuel cell and manufacturing method thereof - Google Patents
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文晴 岩崎
恒昭 玉地
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオン伝導性を有する固体高分子を電解質とする固体高分子型燃料電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置として、燃料電池が知られている。この燃料電池は、通常、電解質を保持した電解質層を挟んで、燃料極と酸素極とからなる一対の多孔質電極を対向させて燃料電池を形成し、燃料極の背面に水素等の燃料ガスを接触させ、また酸素極の背面に空気等の酸化剤を接触させることにより、このときに生じる電気化学反応を利用して、前記の両極から電気エネルギーを取り出すようにしたものである。燃料電池によれば、燃料ガスと酸化剤が供給されている限り、高い変換効率で電気エネルギーを取り出すことができる。そのため省エネルギー、環境保全等に有利な発電システムとして実用化研究が活発に行われている。この燃料電池は、電解質の種類によりアルカリ型(AFC)、リン酸型(PAFC)、溶融炭酸型(MCFC)、固体酸化型(SOFC)、そして固体高分子型(PEFC)などと称される。
【0003】
中でも、ここ近年、次世代のエネルギー源として、固体高分子型燃料電池が注目されている。この燃料電池は、二種類の電極、つまり、燃料極と酸素極とを有しており、燃料極で燃料を酸化し、正極で酸素を還元することにより、電気を発生させる。尚、正極における生成物は、水を初めとする水溶液である。
【0004】
さて、正極で用いられる酸素は、空気中から供給することが可能である。従って燃料電池内に、反応物として燃料のみを保持しておけば良いため、燃料電池にはエネルギー密度が高くなる利点がある。しかし、このような燃料電池では、正極上で生成する水溶液などが正極上に滞留する為に、酸素拡散を阻害し、燃料電池の効率的な運転の妨げとなっている。この問題を解決するために、ブロアーを用い生成水をとばすという方法が用いられている。(特許文献1参照)
【0005】
【特許文献1】
特開平6−188008号公報(第3−5頁、第42図)
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の方法によると、複雑な構造を有し、体積が増えるため、エネルギー密度が低下する。また、ブロアーにより電力が消費されるため、更にエネルギー密度が低くなるという問題がある。特に小型携帯機器の電源は、寸法が限られ、軽量である必要がある。しかし従来の方法により小型携帯機器向けの燃料電池を構成した場合、燃料をいれる容積が小さくなり、実効的なエネルギーを得ることが困難となる。従って、小型携帯機器向けの電源としては、特に不向きである。
【0007】
本発明は、固体高分子型燃料電池の正極において、電力を消費せず、かつ体積も大きく増やさず、燃料電池のエネルギー密度を落とさすに、電極上に生成する水溶液を除去することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決する為に、本発明の燃料電池は、選択的に酸素を電気化学的還元する機能を有する触媒を付帯する正極と、燃料を電気化学的酸化する触媒を付帯する負極、両極間を隔てるカチオン透過固体高分子膜を具備し、正極周囲に電極上で生成した水溶液を吸収する吸収材を設け、水溶液を吸収材に搬送する構造を正極に備えることとした。これにより、正極上で生成、或いは、凝縮した水溶液が吸収材に搬送され、正極周囲で吸収されるために、正極に水溶液が滞留しないこととなる。従って、正極上で生成した水溶液を除去するために、電力を使わず、複雑な構造を有せず、また、容積をほとんど変えずに水溶液を除去することが可能である。
【0009】
更に、本発明の親水部の親水性材料が電極中心部から外側に向けて濃度が高くなるように配置されている。これにより、正極上で生成した水溶液の液量が、正極の外周部程多くなり、吸収材と水溶液との接触部位が多くなる。従って、吸収材の水溶液吸収効率が向上し、正極からの水溶液除去量を増加することが可能になる。
【0010】
更に、親水性材料形成部には流路が形成してある。これにより、正極上に生成した水溶液は親水部で吸い上げられ吸収材に搬送される。さらに、吸収材で吸収されて正極上から除去される。これにより、親水性材料から形成された流路により、水溶液などの生成物が流路上に滞留、或いは、流路のつまりが起きないという作用がある。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。
【0012】
本発明の燃料電池の概略構造を図1に示す。図示するように、本発明の燃料電池には、イオン伝導性とガス分離機能を有する固体高分子電解質膜1が設けられている。高分子電解質膜1は、プロトンを透過しうるものであればよく、例えばNafion(商標)のようなものが用いられる。この固体高分子電解質膜1を挟持するようにして負極2、正極3からなる一対のガス拡散電極が配置されている。各電極2、3において電解質膜1に接する面には、Pt等の触媒を含有した反応触媒層が形成されている。各電極2、3においてPt等の触媒を保持するために支持体としてカーボンなどが使われる。正極3の表面に生成した水溶液を正極3周囲に設けた吸収材5に搬送する構造として、正極3の高分子電解質膜1と接する面と対向する面に親水部4が配置される。更に、搬送された水溶液を正極3周囲に取り去る構造として、親水部4の外周に吸収材5が配置されている。これらの親水部4、吸収材5、固体高分子電解質膜1及び電極2、3から単電池が構成される。正極3上で生成した水溶液を、正極周囲に設けた吸収材5に搬送する構造を正極3上に配置し、その水溶液を吸収材5で取り去ることにより、燃料電池の発電時に正極3上で酸素拡散の阻害となる生成された水溶液を除去する機能を有する。これにより、電力を使わず、複雑な構造を有せず、また、容積をほとんど変えずに水溶液を除去できるため、高効率の発電が行える。
【0013】
さらに、正極で生成した水溶液を吸収材5に搬送する構造として、親水部4を設けることとした。この親水部4は水溶液を吸収材5に搬送する機能を有している。親水部4を構成する材料としては、濡れ性が高い親水性材料が好ましく、例えば、酸化チタン等の親水性材料から任意に選ぶことができる。吸収材5には吸収性樹脂等の吸収剤を用い、親水部4の外周に配置した。この親水部4は、正極3上に生成した水溶液を吸い上げ、吸収材5に搬送する機能を有する。吸収材5は、親水部4が吸い上げた水溶液を順次吸収し、水溶液を蓄える機能を有する。これにより、正極3上で生成した水溶液が、滞留することがなくなる。よって、酸素拡散の阻害を防ぐことが出来る。
【0014】
固体高分子型燃料電池は、作動温度が比較的低温(室温〜100℃)であるため、加湿用に供給された水分の中、電解質に吸収されなかった水分や、反応によって生成された生成物が、液体の状態で存在することがある。この水溶液は、電極触媒層へのガスの拡散性を阻害し、燃料電池の出力が低下するという問題がある。よって、水溶液によるガス拡散性の阻害が、問題であるような場合には、電極上で生成或いは凝縮した水溶液を除去する構造を正極3と負極2との両方に用いても良い。
【0015】
さらに、正極の構造は、正極3が親水性材料からなる親水部4と反応触媒とが独立の層として構成され、正極3の高分子電解質膜1と接する面と対向する面に親水部を配置する。これにより、正極3上で生成した水溶液を滞留させずに、効率よく吸い上げることが可能となる。よって、電極性能の経時劣化が無くなる。
【0016】
また、親水性材料と結着剤を含んだペーストを、撥水化処理されたカーボンの支持体に保持することにより親水部4を形成した。これにより、適度な強度と柔軟性を持たせることができる。また、正極3上に生成した水溶液を、正極3と親水部4の撥水化処理されたカーボンの支持体、例えばカーボンシートとの間の親水材に保持させることが出来る。よって、カーボンシートの外側、すなわち、燃料電池の外部を水溶液で漏らさずに、吸収材5に速やかに吸収させる効果がある。また、適度な柔軟性を持たせてやることで、高分子電解質膜1を傷つけにくいという効果もある。
【0017】
さらに、結着剤として、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリ−N−ビニルアセトアミド(PNVA)、ポリビニルピロリドン(PVP)、ポリビニルアルコール(PVA)及びスチレンブタジエンラバー(SBR)から成る群のいずれか一つを任意に選ぶことが出来る。この結着剤の含有量としては、親水性材料粉末の重量に対して1.0重量%〜10.0重量%であることが望ましい。これにより、親水性材料同士を互いに結着させる作用が発現する。また、燃料電池において、非運転時及び発電量が小さいとき、親水部4が乾燥することとなる。また、発電量が多いときは、親水部4が湿潤することとなる。このような親水部4の湿度の変化に伴う体積の変化によって、親水部4が型崩れを起こす場合があるが、本発明により親水部4の型崩れを抑える効果がある。
【0018】
さらに、親水部4には流路を形成した。この流路の形状は、渦巻き状でも、蛇行状でも良い。さらに曲線状でも、直線上でも良い。流路の幅は、0.1mm〜20mmが好ましく、流路と流路との間隔も、同じく0.1mm〜20mmが好ましい。但しこれには限らない。これにより、燃料電池を直列に積層させて用いる場合に、親水部4をセパレータとして用いることが出来る。更に、親水性材料により形成された流路であるため、水溶液などの生成物が流路上に滞留したり、或いは、流路をつまらせたりすることが起きない。これにより、生成物が、空気や酸素の流通を妨げることがない。
【0019】
さらに、親水部4と正極3とを別々に設けるのではなく、正極3に粉末状の親水性材料を混ぜ合わせることも可能である。この場合には、図3に示すように、親水性材料粉末を混ぜ合わせた正極6の外周に吸収材5を配置した構造になる。ここで、図3は本発明の一例を示す構造の側面断面図であり、イオン伝導性を有する固体高分子電解質膜1が設けられている。この固体高分子電解質膜1を挟持するようにして負極2、正極6からなる一対のガス拡散電極が配置されている。正極2、6において電解質膜1に接する面には、Pt等の触媒を含有した反応触媒層が形成されている。正極6においてPt等の触媒を保持するために支持体としてカーボンなどが使われる。更に正極6において、水溶液の搬送の為に粉末の親水性材料が混ぜ合わせてある。搬送された水溶液を正極6周囲に取り去る構造として、親水部4の外周に吸収材5が配置されている。これらの親水部4、吸収材5、固体高分子電解質膜1及び電極2、6から単電池が構成される。これにより、従来の正極と略同一の体積とすることが可能である。また、反応触媒で生成した水溶液が反応直後に親水性材料に濡れ、水溶液を吸収材に搬送することが出来るので、より水溶液の滞留を抑えることができる。
【0020】
さらに、親水部4の親水性材料として、例えば、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化錫、酸化ニオブ、酸化タングステン、酸化モリブデン、酸化ジルコニウム、チタン酸ストロンチウム、硫化カリウム、硫化カドミウム、硫化亜鉛などの親水性材料から成る群のいずれか一つを任意に選ぶことが出来る。濡れ性が高い親水性材料を選択することによって、正極3上に生成した水溶液を速やかに吸い上げ、正極3上から水溶液を取り除き、親水部4の外周に配置してある吸収材5に順次水溶液を搬送する機能を有する。これにより、正極3上に生成した水溶液は滞留することなく、酸素拡散が阻害されることがないので、燃料電池の運転が安定化する効果がある。
【0021】
さらに、親水部4の親水性材料を、電極中心部から電極の外周に向けて濃度が高くなるように配置することとした。形状は円形に分布させても、角形に分布させても良い。濃度勾配のある親水部4を作製する方法は、例えば撥水化処理したカーボン粉末と親水性材料の混合比の異なる複数の混合物を作製し、これを濃度の順に並べ、プレスにより膜状とするものである。また、前記カーボン粉末と親水性材料の混合物を正極3上にスピンコートし、中央の凹部に更にカーボン粉末を塗布し、膜とすることも出来る。これにより、親水性材料が吸い上げた水溶液は、親水性材料の濃度の高い親水部4の外周部に多く保持される。そして、その親水部4の外周に配置されている吸収材5と接触する水量を多くでき、効率的に水溶液は吸収材5に順次吸収されていく。これにより、正極3上で生成した水溶液が、滞留することがなく正極上から除去されるので、酸素拡散の阻害の問題を解決でき、低電流密度から高電流密度に至るまで安定して燃料電池を運転することが可能となる。
【0022】
また、本発明による燃料電池の製造方法は、選択的に酸素を電気化学的還元する機能を有する反応触媒をカチオン透過固体高分子膜に膜状に固着する工程と、反応触媒層上に水溶液との濡れ性が高い親水性材料を保持した親水部を固着する工程と、このようにして形成した正極の外周に沿って水溶液の吸収材を固着する工程と、燃料を電気化学的酸化する触媒が付帯された負極を、前記カチオン透過固体高分子膜を介して前記正極と隔てるように形成する工程と、を備えている。固着方法として、熱圧着や接着があげられる。したがって、温度、圧力、固着剤の重量を管理することにより、再現性良く、高直行率で、水溶液を除去する構造を製造することが出来る。
【0023】
さらに、親水性材料と結着剤を含んだペーストを、撥水化処理されたカーボンの支持体に保持することにより親水部を形成することとした。
【0024】
【実施例】
次に、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
【0025】
(実施例1)PEFC
電解質として、高分子電解質膜である陽イオン交換膜(デュポン社製、製品名「ナフィオンNE−112」)からなる高分子電解質膜を用いた。触媒電極−接合体は、白金を1mg/cmの割合で分散させた電極(エレクトロケム社製、製品名「EC−20−10−7」)を正極、負極とし、電極上に0.1mg/cmの割合でNafion溶液(アルドリッチ社製、Nafion溶液)を塗布し、高分子電解質膜の両面にホットプレスして作成した。
【0026】
親水性材料として、酸化チタンを用い、結着剤には、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を用いた。酸化チタンを0.5mg/cm2からなる親水部4を作成するにあたり、結着剤の含有量としては、親水性材料粉末の重量に対して2.0重量%のPTFEを用いた。これら、親水性材料と結着剤とを混ぜ合わせペースト化したものを撥水化処理されたカーボンシート(東レ社製、「製品名TGP−H−030」(110μm))の支持体の片面にホットプレスして作成した。吸収材5には吸収性樹脂(住友精化(株)、商品名「アクアキープ10SH」)を用い親水部4の外周に配置した。更にその外側にはヒーター7を配置した。
【0027】
これらを図4に示すように配置した。図4は実施例1の構造を示す側面断面図であって、イオン伝導性を有する固体高分子電解質膜1が設けられている。この固体高分子電解質膜1を挟持するようにして負極2、正極3からなる一対のガス拡散電極が配置されている。各電極2、3において電解質膜1に接する面には、Pt等の触媒を含有した反応触媒層が形成されている。各電極2、3においてPt等の触媒を保持するために支持体としてカーボンなどが使われる。正極3の表面に生成した水溶液を正極3周囲に設けた吸収材5に搬送する構造として、正極3の高分子電解質膜1と接する面と対向する面に親水部4が配置される。更に、搬送された水溶液を正極3周囲に取り去る構造として、親水部4の外周に吸収材5が配置されている。更に吸収材5の外周にヒーター7が配置されている。これらの親水部4、吸収材5、ヒーター7,固体高分子電解質膜1及び電極2、3から単電池が構成される。これにより、正極3上で生成した水溶液を除去するために、複雑な構造を有せず、また、容積をほとんど変えずに水溶液を除去し高電流密度に至るまで安定して燃料電池を運転することが可能となった。また、ヒーター7を配置したことにより、吸収材5により吸収された水溶液が蒸発し長時間安定して燃料電池を運転することが可能となった。
【0028】
(実施例2)DMFC
電解質として、高分子電解質膜として陽イオン交換膜(デュポン社製、製品名「ナフィオンNE−117」)からなる高分子電解質膜を用いた。触媒電極−接合体は、白金を1mg/cm2の割合で分散させた電極(エレクトロケム社製、製品名「EC−20−10−7」)を正極、負極とし、電極上に0.1mg/cm2の割合でNafion溶液(アルドリッチ社製、Nafion溶液)を塗布し、高分子電解質膜の両面にホットプレスして作成した。吸収材5にはポリ−N−ビニルアセトアミド(PNVA)を用い、親水部4は実施例1と同様に作成し、図1に示すように配置した。
【0029】
本発明による燃料電池においても、メタノールのクロスオーバーは生じているが、吸収材5で生成した水と共にクロスオーバーした燃料を蓄えているので、のちに再利用可能で有り、燃料利用効率の向上につながる。
【0030】
(実施例3)燃料直接型燃料電池
本実施例の概略の断面構造を図2に示す。図示するように、イオン伝導性を有する固体高分子電解質膜21が設けられている。親水部24、吸収材25は、実施例2と同様に作成した。水素吸蔵合金22を負極として、酸素極23としては白金が16wt%担持された白金担持カーボン電極(エレクトロンケム社製)を用い、酸化チタンを0.5mg/cm2からなる親水部24を作成し、電解質として陽イオン交換膜(デュポン社製、製品名「Nafion NE−117」)からなる高分子電解質膜21とを用い、図2に示す構造の燃料電池を作成した。
【0031】
この固体高分子電解質膜を挟持するようにして負極、正極が配置されている。正極の電解質膜に接する面には、Pt等の触媒を含有した反応触媒層が形成されている。正極においてPt等の触媒を保持するために支持体としてカーボンなどが使われる。正極の表面に生成した水溶液を正極の周囲に設けた吸収材に搬送する構造として、正極の高分子電解質膜と接する面と対向する面に親水部が配置される。更に、搬送された水溶液を正極の周囲に取り去る構造として、親水部の外周に吸収材が配置されている。負極には水素吸蔵合金を配置した。これらの親水部、吸収材、固体高分子電解質膜及び電極から単電池が構成される。ついで、20wt%濃度のNaOH水溶液中に10wt%濃度でNaBH4を溶解して調整した溶液を電解液及び燃料供給源として水素極側に供給し、かつ空気を酸素極側に同時に供給して、室温にて水素極と酸素極間の電流−電圧特性を測定した。この結果をグラフとして図5に実線で示した。なお、比較のために親水部24、吸収材25を用いない従来の燃料電池の電流−電圧特性を求めた結果をグラフとして図5に波線で示した。
【0032】
本発明の親水部24を電極上に配置し、生成もしくはクロスオーバーしたアルカリ水を吸収し、アルカリの外部環境に対する影響を改善することができた。
【0033】
【発明の効果】
本発明の電極上で生成或いは凝縮した水溶液を除去する機構によれば、正極上に滞留する生成或いは凝縮した水溶液を除去できるので燃料電池に高負荷を加えた場合、すなわち電流を多く取り出した場合に、電極上で生成或いは凝縮した水溶液を除去する機構を用いない場合に比べ、効率的に発電が行えることが確認できた。このことにより、酸素拡散の阻害の問題を解決でき、低電流密度から高電流密度に至るまで安定して燃料電池を運転することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係わる燃料電池の一例を示す図である。
【図2】本発明に係わる燃料電池の他の例を示す図である。
【図3】本発明に係わる燃料電池の他の例を示す図である。
【図4】この発明の実施の一形態を示す燃料電池の模式的な断面図である。
【図5】本発明の実施例及び比較例の電流−電圧特性曲線。
【符号の説明】
1,21 高分子電解質膜
2 負極
3 正極
4 親水部
5 吸収材
6 親水材が混ぜ合わされた電極
7 ヒーター
22 水素吸蔵合金
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid polymer fuel cell using a solid polymer having ion conductivity as an electrolyte.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a fuel cell is known as a device that directly converts chemical energy of a fuel into electric energy. In this fuel cell, a fuel cell is usually formed with a pair of porous electrodes composed of a fuel electrode and an oxygen electrode facing each other with an electrolyte layer holding an electrolyte interposed therebetween, and a fuel gas such as hydrogen on the back surface of the fuel electrode And an oxidant such as air is brought into contact with the back surface of the oxygen electrode to take out electrical energy from the two electrodes using the electrochemical reaction generated at this time. According to the fuel cell, as long as the fuel gas and the oxidant are supplied, electric energy can be extracted with high conversion efficiency. Therefore, practical research is actively conducted as a power generation system advantageous for energy saving and environmental conservation. This fuel cell is called an alkali type (AFC), a phosphoric acid type (PAFC), a molten carbonic acid type (MCFC), a solid oxide type (SOFC), a solid polymer type (PEFC), or the like depending on the type of electrolyte.
[0003]
Among these, recently, a polymer electrolyte fuel cell has been attracting attention as a next-generation energy source. This fuel cell has two types of electrodes, that is, a fuel electrode and an oxygen electrode. Electricity is generated by oxidizing fuel at the fuel electrode and reducing oxygen at the positive electrode. The product in the positive electrode is an aqueous solution including water.
[0004]
Now, oxygen used in the positive electrode can be supplied from the air. Therefore, since it is sufficient to hold only fuel as a reactant in the fuel cell, the fuel cell has an advantage of high energy density. However, in such a fuel cell, an aqueous solution generated on the positive electrode stays on the positive electrode, which inhibits oxygen diffusion and hinders efficient operation of the fuel cell. In order to solve this problem, a method of using a blower to skip generated water is used. (See Patent Document 1)
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-6-188008 (page 3-5, FIG. 42)
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, according to the conventional method, the energy density is lowered because the structure is complicated and the volume is increased. In addition, since power is consumed by the blower, there is a problem that the energy density is further reduced. In particular, the power source of a small portable device is limited in size and needs to be lightweight. However, when a fuel cell for a small portable device is configured by a conventional method, the volume in which the fuel is put becomes small and it is difficult to obtain effective energy. Therefore, it is not particularly suitable as a power source for small portable devices.
[0007]
An object of the present invention is to remove an aqueous solution generated on an electrode in a positive electrode of a polymer electrolyte fuel cell without consuming electric power and without greatly increasing the volume and reducing the energy density of the fuel cell. To do.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, a fuel cell of the present invention includes a positive electrode attached with a catalyst having a function of selectively reducing oxygen electrochemically, a negative electrode attached with a catalyst for electrochemically oxidizing fuel, and bipolar electrodes. A cation-permeable solid polymer membrane is provided to be spaced apart from each other, an absorbent material that absorbs the aqueous solution generated on the electrode is provided around the positive electrode, and the positive electrode has a structure that transports the aqueous solution to the absorbent material. Thereby, since the aqueous solution produced | generated or condensed on the positive electrode is conveyed by the absorber and absorbed around the positive electrode, the aqueous solution does not stay in the positive electrode. Therefore, in order to remove the aqueous solution generated on the positive electrode, it is possible to remove the aqueous solution without using electric power, having a complicated structure, and hardly changing the volume.
[0009]
Furthermore, the hydrophilic material of the hydrophilic portion of the present invention is arranged so that the concentration increases from the center of the electrode toward the outside. Thereby, the liquid amount of the aqueous solution produced | generated on the positive electrode increases so that the outer peripheral part of a positive electrode, and the contact site | part of an absorber and aqueous solution increases. Therefore, the aqueous solution absorption efficiency of the absorbent material is improved, and the amount of aqueous solution removed from the positive electrode can be increased.
[0010]
Furthermore, a flow path is formed in the hydrophilic material forming portion. Thereby, the aqueous solution produced | generated on the positive electrode is sucked up by a hydrophilic part, and is conveyed to an absorber. Further, it is absorbed by the absorbent and removed from the positive electrode. Accordingly, there is an effect that a product such as an aqueous solution stays on the channel or the channel is not clogged by the channel formed of the hydrophilic material.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0012]
A schematic structure of the fuel cell of the present invention is shown in FIG. As shown in the figure, the fuel cell of the present invention is provided with a solid polymer electrolyte membrane 1 having ion conductivity and a gas separation function. The polymer electrolyte membrane 1 only needs to be capable of transmitting protons, and for example, a material such as Nafion (trademark) is used. A pair of gas diffusion electrodes composed of a negative electrode 2 and a positive electrode 3 are arranged so as to sandwich the solid polymer electrolyte membrane 1. A reaction catalyst layer containing a catalyst such as Pt is formed on the surface of each of the electrodes 2 and 3 in contact with the electrolyte membrane 1. Carbon or the like is used as a support to hold a catalyst such as Pt in each of the electrodes 2 and 3. As a structure for transporting the aqueous solution generated on the surface of the positive electrode 3 to the absorbent 5 provided around the positive electrode 3, the hydrophilic portion 4 is disposed on the surface of the positive electrode 3 that faces the surface in contact with the polymer electrolyte membrane 1. Further, an absorbent 5 is disposed on the outer periphery of the hydrophilic portion 4 as a structure for removing the conveyed aqueous solution around the positive electrode 3. A unit cell is composed of the hydrophilic portion 4, the absorbent 5, the solid polymer electrolyte membrane 1, and the electrodes 2 and 3. A structure for transporting the aqueous solution generated on the positive electrode 3 to the absorbent 5 provided around the positive electrode is disposed on the positive electrode 3, and the aqueous solution is removed by the absorbent 5, whereby oxygen is generated on the positive electrode 3 during power generation of the fuel cell. It has a function of removing the generated aqueous solution that inhibits diffusion. This eliminates the need for electric power, does not have a complicated structure, and can remove the aqueous solution with almost no change in volume, so that highly efficient power generation can be performed.
[0013]
Further, the hydrophilic portion 4 is provided as a structure for transporting the aqueous solution generated at the positive electrode to the absorbent material 5. The hydrophilic portion 4 has a function of transporting the aqueous solution to the absorbent material 5. The material constituting the hydrophilic portion 4 is preferably a hydrophilic material having high wettability, and can be arbitrarily selected from hydrophilic materials such as titanium oxide. An absorbent such as an absorbent resin was used as the absorbent 5 and was arranged on the outer periphery of the hydrophilic portion 4. The hydrophilic portion 4 has a function of sucking up the aqueous solution generated on the positive electrode 3 and transporting it to the absorbent material 5. The absorbent 5 has a function of sequentially absorbing the aqueous solution sucked up by the hydrophilic portion 4 and storing the aqueous solution. Thereby, the aqueous solution produced | generated on the positive electrode 3 does not stay. Therefore, inhibition of oxygen diffusion can be prevented.
[0014]
Since the polymer electrolyte fuel cell has a relatively low operating temperature (room temperature to 100 ° C.), among the water supplied for humidification, the water not absorbed by the electrolyte and the product generated by the reaction May exist in a liquid state. This aqueous solution has a problem that the diffusibility of gas to the electrode catalyst layer is hindered and the output of the fuel cell is lowered. Therefore, in the case where inhibition of gas diffusibility by the aqueous solution is a problem, a structure for removing the aqueous solution generated or condensed on the electrode may be used for both the positive electrode 3 and the negative electrode 2.
[0015]
Further, the structure of the positive electrode is such that the positive electrode 3 is composed of a hydrophilic portion 4 made of a hydrophilic material and the reaction catalyst as independent layers, and the hydrophilic portion is arranged on the surface of the positive electrode 3 facing the surface in contact with the polymer electrolyte membrane 1. To do. As a result, the aqueous solution generated on the positive electrode 3 can be efficiently sucked up without stagnation. Therefore, the electrode performance is not deteriorated with time.
[0016]
Moreover, the hydrophilic part 4 was formed by hold | maintaining the paste containing a hydrophilic material and a binder on the water-repellent-treated carbon support body. Thereby, moderate intensity | strength and a softness | flexibility can be given. Moreover, the aqueous solution produced | generated on the positive electrode 3 can be hold | maintained on the hydrophilic material between the support body of the carbon to which the water repellent process of the positive electrode 3 and the hydrophilic part 4, for example, a carbon sheet. Therefore, there is an effect that the absorbent 5 can quickly absorb the outside of the carbon sheet, that is, the outside of the fuel cell without leaking with the aqueous solution. Moreover, there is also an effect that the polymer electrolyte membrane 1 is hardly damaged by giving appropriate flexibility.
[0017]
Further, as the binder, for example, any of the group consisting of polytetrafluoroethylene (PTFE), poly-N-vinylacetamide (PNVA), polyvinylpyrrolidone (PVP), polyvinyl alcohol (PVA), and styrene butadiene rubber (SBR). You can choose any one. The binder content is desirably 1.0% by weight to 10.0% by weight with respect to the weight of the hydrophilic material powder. Thereby, the effect | action which binds hydrophilic materials mutually is expressed. Further, in the fuel cell, the hydrophilic portion 4 is dried when not in operation and when the power generation amount is small. Moreover, when there is much electric power generation amount, the hydrophilic part 4 will become wet. Although the hydrophilic portion 4 may lose its shape due to the change in volume accompanying the change in humidity of the hydrophilic portion 4, the present invention has an effect of suppressing the loss of shape of the hydrophilic portion 4.
[0018]
Further, a flow path was formed in the hydrophilic portion 4. The shape of this flow path may be spiral or serpentine. Furthermore, it may be curved or straight. The width of the flow path is preferably 0.1 mm to 20 mm, and the distance between the flow paths is also preferably 0.1 mm to 20 mm. However, this is not restrictive. Thereby, when the fuel cells are stacked in series and used, the hydrophilic portion 4 can be used as a separator. Furthermore, since the flow path is formed of a hydrophilic material, a product such as an aqueous solution does not stay on the flow path or clog the flow path. Thereby, the product does not hinder the flow of air and oxygen.
[0019]
Furthermore, the hydrophilic part 4 and the positive electrode 3 may not be provided separately, but a powdery hydrophilic material may be mixed with the positive electrode 3. In this case, as shown in FIG. 3, the absorber 5 is arranged on the outer periphery of the positive electrode 6 mixed with the hydrophilic material powder. Here, FIG. 3 is a side sectional view of a structure showing an example of the present invention, in which a solid polymer electrolyte membrane 1 having ion conductivity is provided. A pair of gas diffusion electrodes composed of a negative electrode 2 and a positive electrode 6 are arranged so as to sandwich the solid polymer electrolyte membrane 1. A reaction catalyst layer containing a catalyst such as Pt is formed on the surfaces of the positive electrodes 2 and 6 that are in contact with the electrolyte membrane 1. In order to hold a catalyst such as Pt in the positive electrode 6, carbon or the like is used as a support. Further, in the positive electrode 6, a powdered hydrophilic material is mixed for conveying the aqueous solution. As a structure for removing the conveyed aqueous solution around the positive electrode 6, an absorbent material 5 is arranged on the outer periphery of the hydrophilic portion 4. These hydrophilic portion 4, absorbent material 5, solid polymer electrolyte membrane 1 and electrodes 2, 6 constitute a single battery. Thereby, it is possible to make it the volume substantially the same as the conventional positive electrode. Moreover, since the aqueous solution produced | generated with the reaction catalyst gets wet with a hydrophilic material immediately after reaction, and aqueous solution can be conveyed to an absorber, retention of aqueous solution can be suppressed more.
[0020]
Further, as the hydrophilic material of the hydrophilic portion 4, for example, hydrophilicity such as titanium oxide, zinc oxide, tin oxide, niobium oxide, tungsten oxide, molybdenum oxide, zirconium oxide, strontium titanate, potassium sulfide, cadmium sulfide, zinc sulfide, etc. Any one of the group of materials can be chosen arbitrarily. By selecting a hydrophilic material having high wettability, the aqueous solution generated on the positive electrode 3 is quickly sucked up, the aqueous solution is removed from the positive electrode 3, and the aqueous solution is sequentially applied to the absorbent 5 disposed on the outer periphery of the hydrophilic portion 4. It has a function to convey. As a result, the aqueous solution produced on the positive electrode 3 does not stay and oxygen diffusion is not inhibited, so that the operation of the fuel cell is stabilized.
[0021]
Furthermore, the hydrophilic material of the hydrophilic portion 4 is arranged so that the concentration increases from the center of the electrode toward the outer periphery of the electrode. The shape may be distributed circularly or squarely. A method of producing the hydrophilic portion 4 having a concentration gradient is, for example, producing a plurality of mixtures having different mixing ratios of the water-repellent carbon powder and the hydrophilic material, arranging them in the order of concentration, and forming a film by pressing. Is. Alternatively, the mixture of the carbon powder and the hydrophilic material may be spin-coated on the positive electrode 3, and the carbon powder may be further applied to the central recess to form a film. Thereby, a large amount of the aqueous solution sucked up by the hydrophilic material is retained on the outer peripheral portion of the hydrophilic portion 4 having a high concentration of the hydrophilic material. And the water quantity which contacts the absorber 5 arrange | positioned on the outer periphery of the hydrophilic part 4 can be increased, and aqueous solution is absorbed in the absorber 5 efficiently one by one. As a result, the aqueous solution produced on the positive electrode 3 is removed from the positive electrode without stagnation, so that the problem of inhibition of oxygen diffusion can be solved, and the fuel cell can be stably produced from a low current density to a high current density. It becomes possible to drive.
[0022]
In addition, the method for producing a fuel cell according to the present invention includes a step of fixing a reaction catalyst having a function of selectively reducing oxygen electrochemically to a cation-permeable solid polymer membrane, an aqueous solution on the reaction catalyst layer, and A step of fixing a hydrophilic portion holding a hydrophilic material having high wettability, a step of fixing an absorbent of an aqueous solution along the outer periphery of the positive electrode formed in this way, and a catalyst for electrochemically oxidizing fuel Forming an attached negative electrode so as to be separated from the positive electrode through the cation-permeable solid polymer membrane. Examples of the fixing method include thermocompression bonding and adhesion. Therefore, by controlling the temperature, pressure, and weight of the fixing agent, it is possible to manufacture a structure that removes the aqueous solution with high reproducibility and high straightness.
[0023]
Furthermore, a hydrophilic part was formed by holding a paste containing a hydrophilic material and a binder on a water-repellent carbon support.
[0024]
【Example】
Next, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
[0025]
(Example 1) PEFC
As the electrolyte, a polymer electrolyte membrane made of a cation exchange membrane (manufactured by DuPont, product name “Nafion NE-112”), which is a polymer electrolyte membrane, was used. The catalyst electrode-conjugate is composed of an electrode in which platinum is dispersed at a rate of 1 mg / cm (product name “EC-20-10-7” manufactured by Electrochem Co., Ltd.) as a positive electrode and a negative electrode, and 0.1 mg / cm on the electrode. A Nafion solution (manufactured by Aldrich, Nafion solution) was applied at a rate of cm, and hot pressing was performed on both sides of the polymer electrolyte membrane.
[0026]
Titanium oxide was used as the hydrophilic material, and polytetrafluoroethylene (PTFE) was used as the binder. In preparing the hydrophilic portion 4 composed of 0.5 mg / cm 2 of titanium oxide, 2.0 wt% PTFE was used as the binder content with respect to the weight of the hydrophilic material powder. On one side of the support of a carbon sheet (manufactured by Toray Industries, Inc., “Product Name TGP-H-030” (110 μm)) obtained by mixing a hydrophilic material and a binder into a paste. Created by hot pressing. An absorbent resin (Sumitomo Seika Co., Ltd., trade name “Aquakeep 10SH”) was used for the absorbent material 5 and arranged on the outer periphery of the hydrophilic portion 4. In addition, a heater 7 was disposed outside thereof.
[0027]
These were arranged as shown in FIG. FIG. 4 is a side sectional view showing the structure of Example 1, in which a solid polymer electrolyte membrane 1 having ion conductivity is provided. A pair of gas diffusion electrodes composed of a negative electrode 2 and a positive electrode 3 are arranged so as to sandwich the solid polymer electrolyte membrane 1. A reaction catalyst layer containing a catalyst such as Pt is formed on the surface of each of the electrodes 2 and 3 in contact with the electrolyte membrane 1. Carbon or the like is used as a support to hold a catalyst such as Pt in each of the electrodes 2 and 3. As a structure for transporting the aqueous solution generated on the surface of the positive electrode 3 to the absorbent 5 provided around the positive electrode 3, the hydrophilic portion 4 is disposed on the surface of the positive electrode 3 that faces the surface in contact with the polymer electrolyte membrane 1. Further, an absorbent 5 is disposed on the outer periphery of the hydrophilic portion 4 as a structure for removing the conveyed aqueous solution around the positive electrode 3. Further, a heater 7 is disposed on the outer periphery of the absorbent material 5. A unit cell is constituted by the hydrophilic portion 4, the absorbent material 5, the heater 7, the solid polymer electrolyte membrane 1, and the electrodes 2 and 3. Thus, in order to remove the aqueous solution generated on the positive electrode 3, the fuel cell is stably operated until the high current density is obtained without removing the aqueous solution without changing the volume almost without changing the volume. It became possible. Further, by arranging the heater 7, the aqueous solution absorbed by the absorbent 5 evaporates, and it becomes possible to operate the fuel cell stably for a long time.
[0028]
(Example 2) DMFC
As the electrolyte, a polymer electrolyte membrane made of a cation exchange membrane (manufactured by DuPont, product name “Nafion NE-117”) was used as the polymer electrolyte membrane. The catalyst electrode-junction was prepared by using an electrode in which platinum was dispersed at a rate of 1 mg / cm 2 (manufactured by Electrochem, product name “EC-20-10-7”) as a positive electrode and a negative electrode, and 0.1 mg / cm on the electrode. A Nafion solution (manufactured by Aldrich, Nafion solution) was applied at a rate of cm2, and hot pressing was performed on both sides of the polymer electrolyte membrane. Poly-N-vinylacetamide (PNVA) was used for the absorbent material 5, and the hydrophilic portion 4 was prepared in the same manner as in Example 1 and arranged as shown in FIG.
[0029]
In the fuel cell according to the present invention, methanol crossover occurs, but the crossover fuel is stored together with the water generated by the absorbent 5, so that it can be reused later, and the fuel utilization efficiency is improved. Connected.
[0030]
(Embodiment 3) Direct fuel cell FIG. 2 shows a schematic cross-sectional structure of this embodiment. As shown, a solid polymer electrolyte membrane 21 having ion conductivity is provided. The hydrophilic portion 24 and the absorbent material 25 were prepared in the same manner as in Example 2. Using a hydrogen storage alloy 22 as a negative electrode and a platinum-supported carbon electrode (manufactured by Electronchem) on which 16 wt% of platinum is supported as an oxygen electrode 23, a hydrophilic portion 24 made of 0.5 mg / cm 2 of titanium oxide was created. Using a polymer electrolyte membrane 21 made of a cation exchange membrane (manufactured by DuPont, product name “Nafion NE-117”) as an electrolyte, a fuel cell having the structure shown in FIG. 2 was prepared.
[0031]
A negative electrode and a positive electrode are arranged so as to sandwich the solid polymer electrolyte membrane. A reaction catalyst layer containing a catalyst such as Pt is formed on the surface of the positive electrode in contact with the electrolyte membrane. In order to hold a catalyst such as Pt in the positive electrode, carbon or the like is used as a support. As a structure for transporting the aqueous solution generated on the surface of the positive electrode to an absorbent provided around the positive electrode, a hydrophilic portion is disposed on the surface of the positive electrode facing the surface in contact with the polymer electrolyte membrane. Furthermore, as a structure for removing the conveyed aqueous solution around the positive electrode, an absorbent material is disposed on the outer periphery of the hydrophilic portion. A hydrogen storage alloy was disposed on the negative electrode. A unit cell is composed of these hydrophilic portion, absorbent material, solid polymer electrolyte membrane and electrode. Next, a solution prepared by dissolving NaBH4 at a concentration of 10 wt% in a 20 wt% NaOH aqueous solution is supplied to the hydrogen electrode side as an electrolyte and a fuel supply source, and air is simultaneously supplied to the oxygen electrode side, The current-voltage characteristics between the hydrogen electrode and the oxygen electrode were measured at. The result is shown as a solid line in FIG. For comparison, the results of obtaining the current-voltage characteristics of a conventional fuel cell that does not use the hydrophilic portion 24 and the absorbent material 25 are shown as wavy lines in FIG. 5 as a graph.
[0032]
The hydrophilic portion 24 of the present invention was disposed on the electrode, and the generated or crossed over alkaline water was absorbed, and the influence of the alkaline water on the external environment could be improved.
[0033]
【The invention's effect】
According to the mechanism for removing the aqueous solution generated or condensed on the electrode of the present invention, the generated or condensed aqueous solution staying on the positive electrode can be removed, so that a high load is applied to the fuel cell, that is, a large amount of current is taken out. In addition, it was confirmed that power generation can be performed more efficiently than when no mechanism for removing the aqueous solution generated or condensed on the electrode is used. As a result, the problem of inhibition of oxygen diffusion can be solved, and the fuel cell can be stably operated from a low current density to a high current density.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows an example of a fuel cell according to the present invention.
FIG. 2 is a view showing another example of a fuel cell according to the present invention.
FIG. 3 is a view showing another example of a fuel cell according to the present invention.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a fuel cell showing an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a current-voltage characteristic curve of an example of the present invention and a comparative example.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,21 Polymer electrolyte membrane 2 Negative electrode 3 Positive electrode 4 Hydrophilic part 5 Absorbent material 6 Electrode mixed with hydrophilic material 7 Heater 22 Hydrogen storage alloy

Claims (8)

酸素を還元する触媒を付帯する正極の電極と、
燃料を酸化する触媒を付帯する負極の電極と、
前記正極の電極と前記負極の電極により挟持された固体高分子電解質膜と、
前記正極の電極の表面に生成した水溶液を該正極の電極の周囲に搬送するように、前記正極の電極の前記固体高分子膜と接する面と対向する面に設けられた親水性材料からなる親水部と、
前記親水部により搬送された前記水溶液を吸収して取り去るように、前記親水部の外周及び前記正極の電極の周囲に設けられた吸収材とを備え、
前記親水性材料の濃度分布が、前記正極の電極の中心部から該電極の外周に向けて高くなるように配置されていることを特徴とする燃料電池。
A positive electrode with a catalyst for reducing oxygen;
A negative electrode with a catalyst for oxidizing the fuel;
A solid polymer electrolyte membrane sandwiched between the positive electrode and the negative electrode;
A hydrophilic material made of a hydrophilic material provided on the surface of the positive electrode facing the surface of the solid polymer film so that the aqueous solution generated on the surface of the positive electrode is transported around the positive electrode. And
In order to absorb and remove the aqueous solution conveyed by the hydrophilic part, comprising an absorbent material provided on the outer periphery of the hydrophilic part and around the electrode of the positive electrode ,
Fuel cell concentration distribution of the hydrophilic material, characterized in the Rukoto from the center of the cathode electrode is arranged to be higher toward the outer periphery of the electrode.
前記親水部は、前記親水性材料と結着剤を含んだペーストと、該ペーストを保持する支持体とからなることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。  The fuel cell according to claim 1, wherein the hydrophilic portion includes a paste containing the hydrophilic material and a binder, and a support body that holds the paste. 前記支持体が撥水化されたカーボンであることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池。  The fuel cell according to claim 2, wherein the support is made of water-repellent carbon. 前記親水部は、前記正極の電極の表面に生成した前記水溶液を吸収して前記吸収材に搬送する流路を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の燃料電池。  The fuel cell according to claim 1, wherein the hydrophilic portion has a flow path that absorbs the aqueous solution generated on the surface of the electrode of the positive electrode and conveys the aqueous solution to the absorbent material. 酸素を還元する触媒と粉末状の親水性材料とが混合されてなる正極の電極と、
燃料を酸化する触媒を付帯する負極の電極と、
前記正極の電極と前記負極の電極により挟持された固体高分子電解質膜と、
前記正極の電極において生成し、且つ前記親水性材料により搬送された水溶液を前記正極の電極周囲に取り去るように、前記正極の電極の外周に設けられた吸収材と、
を備えることを特徴とする燃料電池。
A positive electrode in which a catalyst for reducing oxygen and a powdered hydrophilic material are mixed;
A negative electrode with a catalyst for oxidizing the fuel;
A solid polymer electrolyte membrane sandwiched between the positive electrode and the negative electrode;
An absorbent provided on an outer periphery of the positive electrode so as to remove the aqueous solution generated in the positive electrode and transported by the hydrophilic material around the positive electrode;
A fuel cell comprising:
前記吸収材の外周に配置されたヒーターを備えることを特徴とする請求項1〜のいずれかに記載の燃料電池。The fuel cell according to any one of claims 1 to 5, characterized in that it comprises a arranged a heater on the outer periphery of the absorbent material. 酸素を還元する反応触媒を固体高分子膜に固着して正極の電極を形成する工程と、
濃度分布が前記正極の電極の中心部から該電極の外周に向けて高くなる親水性材料を保持した親水部を前記正極の電極に固着する工程と、
前記正極の電極の外周に沿って吸水材を固着する工程と、
燃料を酸化する触媒が付帯された負極の電極を、前記固体高分子膜を介して前記正極の電極と隔てるように形成する工程と、
を備えることを特徴とする燃料電池の製造方法。
Fixing a reaction catalyst for reducing oxygen to a solid polymer film to form a positive electrode;
A step of fixing a hydrophilic portion holding a hydrophilic material whose concentration distribution is increased from the center portion of the positive electrode toward the outer periphery of the electrode;
Fixing the water absorbing material along the outer periphery of the positive electrode;
Forming a negative electrode attached with a catalyst for oxidizing fuel so as to be separated from the positive electrode through the solid polymer film;
A method of manufacturing a fuel cell comprising:
前記親水性材料と結着剤を含んだペーストを支持体に保持することにより前記親水部を形成する工程を備えることを特徴とする請求項に記載の燃料電池の製造方法。8. The method of manufacturing a fuel cell according to claim 7 , further comprising a step of forming the hydrophilic portion by holding a paste containing the hydrophilic material and a binder on a support.
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