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JP5044940B2 - Fuel cell - Google Patents
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Description

この発明は、燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell.

燃料電池、例えば固体高分子型燃料電池では、アノードに水素を含有する燃料ガスが供給されると共に、カソードに酸素を含有する酸化ガスが供給されることで電気化学反応が進行し、電気化学反応の進行に伴って、カソードで水が生じる。このようにカソードで生じた水がカソード近傍に留まると、カソードに対するガスの給排が妨げられる可能性がある。そのため、燃料電池における発電を良好に継続させるためには、カソードからの排水を支障なく進行させて、カソードへのガス供給が確保されることが必要である。なお、カソードで生じた水が、電解質膜を介してアノード側へと移動する場合には、アノード側においても同様の問題が生じる。   In a fuel cell, for example, a polymer electrolyte fuel cell, a fuel gas containing hydrogen is supplied to the anode and an oxidizing gas containing oxygen is supplied to the cathode, whereby the electrochemical reaction proceeds, and the electrochemical reaction As the process proceeds, water is generated at the cathode. If the water generated in the cathode stays in the vicinity of the cathode in this way, there is a possibility that the supply and discharge of gas to and from the cathode may be hindered. Therefore, in order to continue the power generation in the fuel cell satisfactorily, it is necessary to ensure that gas supply to the cathode is ensured by allowing drainage from the cathode to proceed without hindrance. In addition, when the water generated at the cathode moves to the anode side through the electrolyte membrane, the same problem occurs on the anode side.

ここで、カソードで生じた生成水によるガス流路の閉塞を防ぐ目的で、カソードに隣接するガス拡散層におけるカソードとの接触面において、撥水層を設ける構成が知られている。また、さらにカソードへと酸化ガスを均一に供給するために、撥水層における平均空孔径と、カソードにおける平均空孔径とを実質的に等しくする構成が知られている(例えば、特許文献1参照)。   Here, in order to prevent clogging of the gas flow path due to generated water generated at the cathode, a configuration in which a water repellent layer is provided on the contact surface of the gas diffusion layer adjacent to the cathode with the cathode is known. Further, in order to uniformly supply the oxidizing gas to the cathode, a configuration is known in which the average pore diameter in the water repellent layer and the average pore diameter in the cathode are substantially equal (see, for example, Patent Document 1). ).

特開2001−52717号公報JP 2001-52717 A

しかしながら、ガス拡散層上に撥水層を設けても、発電量が増加して生じる生成水量が増える時には、生成水の滞留量が増加して、生成水によってガス流れが妨げられる場合があった。このように、生成水によってガス流れが妨げられると、撥水層における平均空孔径の制御によって酸化ガスの流れを適正化しようとしても、電池性能を充分に向上させることは困難となる。そのため、生成水がより多く生じる場合にも、ガス流れを確保できる技術が望まれていた。   However, even when a water-repellent layer is provided on the gas diffusion layer, when the amount of generated water increases due to an increase in the amount of power generation, the amount of generated water increases, and the generated water may hinder gas flow. . As described above, when the gas flow is hindered by the generated water, it is difficult to sufficiently improve the battery performance even if the flow of the oxidizing gas is optimized by controlling the average pore diameter in the water repellent layer. Therefore, there has been a demand for a technique that can secure a gas flow even when more product water is generated.

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池の電極近傍において、生成水によるガス流れの阻害を抑えることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to suppress inhibition of gas flow caused by generated water in the vicinity of an electrode of a fuel cell.

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池は、
電解質層と、
前記電解質層上に形成されて、触媒金属を備える触媒層と、
前記触媒層上に配置され、導電性多孔質体から成るガス拡散層と、
前記ガス拡散層と前記触媒層との界面に設けられ、カーボン粒子を備えるカーボン層と
を備え、
記カーボン粒子は平均粒径が1〜50μmであり、多孔質ポリイミドを焼成して成り、三次元的に連通して広がる微細路を内部に有する多孔質カーボン粒子であることを要旨とする。
To achieve the above object, fuel cells of the present invention,
An electrolyte layer;
Wherein is formed on the electrolyte layer, a catalyst layer to obtain Bei the catalytic metal,
A gas diffusion layer disposed on the catalyst layer and made of a conductive porous body;
Provided on the interface between the catalyst layer and the gas diffusion layer, and a carbon layer with a mosquito Bon particles,
Before hear Bon particles children had an average particle size of 1 to 50 [mu] m, summarized in that made by calcining a porous polyimide, porous carbon particles having fine channels extending communicated three-dimensionally therein And

以上のように構成された本発明の燃料電池によれば、上記多孔質カーボン粒子を備えるカーボン層において、多孔質カーボン粒子の粒子間に形成される空隙によって排水を確保すると共に、三次元的に連通して拡がる微細路によって、ガス流れを確保することができる。従って、水によるガス流路の閉塞に起因する電池性能の低下を抑制することができる。また、多孔質カーボン粒子の平均粒径を上記した範囲にすることで、多孔質カーボン粒子の粒子間に形成される空隙の大きさを、特に排水性の確保に適した大きさとすることができるとともに、粒子内の微細路の連続性を良好に確保することができるため、電池性能を高めることができる。 According to fuel cell of the present invention configured as described above, in Luke Bon layer comprising said porous carbon particles, while ensuring the drainage by voids formed between the particles of porous carbon particles, tertiary The gas flow can be ensured by a fine path that communicates and expands originally. Accordingly, it is possible to suppress a decrease in battery performance due to the blockage of the gas flow path by water. Further, by setting the average particle diameter of the porous carbon particles in the above-described range, the size of the void formed between the porous carbon particles can be made particularly suitable for ensuring drainage. At the same time, since the continuity of the fine paths in the particles can be ensured well, the battery performance can be improved.

本発明の燃料電池において、前記多孔質カーボン粒子は、球状であることとしても良い。 In fuel cells of the present invention, the porous carbon particles may be spherical.

このような構成とすれば、多孔質カーボン粒子の粒子間に、排水のための空間を良好に確保することができると共に、多孔質カーボン粒子間の接触を良好に確保することによって、多孔質カーボン粒子内の微細路を全体として連通させることができる。   With such a configuration, it is possible to ensure a good space for drainage between the porous carbon particle particles, and to ensure good contact between the porous carbon particles. Fine paths in the particles can be communicated as a whole.

本発明の燃料電池において、前記多孔質カーボン粒子は、粒子表面および前記微細路表面に撥水性物質を備えることとしても良い。 In fuel cells of the present invention, the porous carbon particles, may be on the particle surface and the fine passage surface comprises a water repellent material.

このような構成とすれば、微細路内への水の侵入に起因する微細路の閉塞が抑制されるため、ガス流路を確保し易くなる。   With such a configuration, since the blockage of the fine path due to the intrusion of water into the fine path is suppressed, it is easy to secure the gas flow path.

本発明の第1の燃料電池において、
前記触媒層は、前記触媒金属を表面に担持する触媒担持カーボン粒子と、電解質とを備え、
前記触媒担持カーボン粒子は、多孔質ポリイミドを焼成して成り、三次元的に連通して広がる微細路を内部に有し、前記カーボン層が備える前記多孔質カーボン粒子よりも平均粒径が小さいこととしても良い。
In the first fuel cell of the present invention,
The catalyst layer includes catalyst-supporting carbon particles that support the catalyst metal on the surface, and an electrolyte.
The catalyst-carrying carbon particles are formed by firing porous polyimide, have a fine path extending in a three-dimensional communication inside, and have an average particle size smaller than the porous carbon particles provided in the carbon layer. It is also good.

このような構成とすれば、触媒層において、触媒層を厚くすることなく充分量の触媒金属を担持するための表面積を確保することができると共に、カーボン層における粒子間の空隙をより大きくして、カーボン層における排水性を確保することができる。   With such a configuration, in the catalyst layer, a surface area for supporting a sufficient amount of the catalyst metal can be secured without increasing the thickness of the catalyst layer, and the voids between the particles in the carbon layer can be increased. The drainage property in the carbon layer can be ensured.

本発明の燃料電池において、前記多孔質カーボン粒子は、少なくともカソード側に備えられていることとしても良い。 In fuel cells of the present invention, the porous carbon particles, may be provided in at least the cathode side.

このような構成とすれば、電気化学反応の進行と共に水が生じるカソード側において、排水性とガスの流通性を共に確保することができ、電池性能を向上させることができる。   With such a configuration, both drainage and gas flow can be ensured on the cathode side where water is generated as the electrochemical reaction proceeds, and battery performance can be improved.

本発明の燃料電池において、
前記多孔質カーボン粒子の粒径は、前記導電性多孔質体が備える細孔の細孔径よりも小さいこととしても良い
In the fuel cell of the present invention,
The particle size of the porous carbon particles may be smaller Ikoto than pore size of pores in which the conductive porous body is provided.

このような構成とすれば、触媒層とガス拡散層との間の集電を良好に確保できると共に、毛管現象による触媒層側からガス拡散層側への吸水効率を向上させることができる。With such a configuration, it is possible to satisfactorily secure current collection between the catalyst layer and the gas diffusion layer, and to improve water absorption efficiency from the catalyst layer side to the gas diffusion layer side due to capillary action.

本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池の製造方法や、多孔質カーボン粒子の製造方法などの形態で実現することが可能である。   The present invention can be realized in various forms other than those described above. For example, the present invention can be realized in a form such as a fuel cell manufacturing method and a porous carbon particle manufacturing method.

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
A.燃料電池の構成:
B.カーボン層の構成:
C.第1実施例の実験結果:
D.第2実施例:
E.第2実施例の実験結果:
F.第3実施例:
G.第3実施例の実験結果:
H.変形例:
Next, embodiments of the present invention will be described in the following order based on examples.
A. Fuel cell configuration:
B. Carbon layer configuration:
C. Experimental results of the first example:
D. Second embodiment:
E. Experimental results of the second embodiment:
F. Third embodiment:
G. Experimental results of the third example:
H. Variations:

A.燃料電池の構成:
図1は、本発明の実施例である燃料電池の概略構成を表わす断面模式図である。本実施例の燃料電池は、例えば固体高分子電解質型燃料電池とすることができ、単セル10を複数積層したスタック構造を有している。単セル10は、電解質層21と、電解質層21上に形成されると共に電気化学反応が進行する触媒金属を備えた触媒層であるカソード22およびアノード23と、から成るMEA24を備える。また、単セル10は、MEA24を挟持すると共に、MEA24との界面にカーボン層31,32を備えるガス拡散層33,34と、このサンドイッチ構造をさらに両側から挟持するガスセパレータ35,36と、を備えている。
A. Fuel cell configuration:
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a fuel cell according to an embodiment of the present invention. The fuel cell of the present embodiment can be a solid polymer electrolyte fuel cell, for example, and has a stack structure in which a plurality of single cells 10 are stacked. The unit cell 10 includes an MEA 24 including an electrolyte layer 21 and a cathode 22 and an anode 23 which are catalyst layers formed on the electrolyte layer 21 and including a catalyst metal that undergoes an electrochemical reaction. The single cell 10 sandwiches the MEA 24, gas diffusion layers 33 and 34 having carbon layers 31 and 32 at the interface with the MEA 24, and gas separators 35 and 36 that sandwich the sandwich structure from both sides. I have.

電解質層21は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す。電解質層21の表面には、触媒層として、白金または白金と他の金属からなる合金を有する電極層であるカソード22およびアノード23が設けられ、MEA24を形成している。   The electrolyte layer 21 is a proton conductive ion exchange membrane formed of a solid polymer material such as a fluorine resin, and exhibits good proton conductivity in a wet state. On the surface of the electrolyte layer 21, a cathode 22 and an anode 23, which are electrode layers having platinum or an alloy made of platinum and another metal, are provided as a catalyst layer, and an MEA 24 is formed.

ガス拡散層33,34は、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパ等のカーボン多孔質体や、金属メッシュや発泡金属などの金属多孔質体によって形成することができる。このガス拡散層33,34におけるMEA24と接する側の表面には、カーボン層31,32が形成されている。カーボン層31,32は、撥水性物質を表面に備えた多孔質カーボン粒子を備えている。この多孔質カーボン粒子は、ガス拡散層を構成する多孔質な導電性部材の有する細孔よりも、小さな粒径を有することが望ましい。これにより、触媒層とガス拡散層との間の集電を良好に確保できると共に、毛管現象による触媒層側からガス拡散層側への吸水効率を向上させることができる。カーボン層の詳しい構成については、後述する。   The gas diffusion layers 33 and 34 can be formed of a conductive member having gas permeability, for example, a carbon porous body such as carbon paper, or a metal porous body such as a metal mesh or a foam metal. Carbon layers 31 and 32 are formed on the surfaces of the gas diffusion layers 33 and 34 on the side in contact with the MEA 24. The carbon layers 31 and 32 include porous carbon particles having a water repellent material on the surface. It is desirable that the porous carbon particles have a particle size smaller than the pores of the porous conductive member constituting the gas diffusion layer. Thereby, current collection between the catalyst layer and the gas diffusion layer can be secured satisfactorily, and the water absorption efficiency from the catalyst layer side to the gas diffusion layer side by capillary action can be improved. The detailed configuration of the carbon layer will be described later.

ガスセパレータ35,36は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、プレス成形した金属板によって形成することができる。ガスセパレータ35,36の表面には、単セル10に供給された燃料ガスあるいは酸化ガスの流路を形成するための凹凸形状が形成されている。すなわち、カソード22側のガス拡散層33とガスセパレータ35との間には、カソードでの電気化学反応に供される酸化ガスが通過する単セル内酸化ガス流路37が形成されている。また、アノード23側のガス拡散層34とガスセパレータ36との間には、アノードでの電気化学反応に供される燃料ガスが通過する単セル内燃料ガス流路38が形成されている。なお、図1のガスセパレータ35,36は、平行な複数の溝からなる凹凸形状を有しているが、異なる形状としても良く、ガスセパレータ35,36とMEA24との間に、ガスの流路を形成するための空間を形成可能であればよい。   The gas separators 35 and 36 can be formed of a gas-impermeable conductive member, for example, dense carbon that is compressed by gas and made impermeable to gas, or a press-molded metal plate. On the surfaces of the gas separators 35 and 36, an uneven shape for forming a flow path for the fuel gas or the oxidizing gas supplied to the single cell 10 is formed. That is, between the gas diffusion layer 33 on the cathode 22 side and the gas separator 35, there is formed an in-single cell oxidizing gas flow path 37 through which an oxidizing gas used for an electrochemical reaction at the cathode passes. Further, between the gas diffusion layer 34 on the anode 23 side and the gas separator 36, an in-single cell fuel gas flow path 38 is formed through which a fuel gas used for an electrochemical reaction at the anode passes. The gas separators 35 and 36 in FIG. 1 have an uneven shape including a plurality of parallel grooves. However, the gas separators 35 and 36 may have different shapes, and a gas flow path is provided between the gas separators 35 and 36 and the MEA 24. It suffices if a space for forming can be formed.

単セル10の外周部には、単セル内酸化ガス流路37および単セル内燃料ガス流路38におけるガスシール性を確保するための図示しないシール部材が配設されている。また、本実施例の燃料電池は、単セル10を複数積層したスタック構造を有しているが、このスタック構造の外周部には、単セル10の積層方向と平行であって燃料ガスあるいは酸化ガスが流通する複数のガスマニホールドが設けられている(図示せず)。これら複数のガスマニホールドのうちの酸化ガス供給マニホールドを流れる酸化ガスは、各単セル10に分配され、電気化学反応に供されつつ各単セル内酸化ガス流路37内を通過し、その後、酸化ガス排出マニホールドに集合する。同様に、燃料ガス供給マニホールドを流れる燃料ガスは、各単セル10に分配され、電気化学反応に供されつつ各単セル内燃料ガス流路38内を通過し、その後、燃料ガス排出マニホールドに集合する。   On the outer periphery of the unit cell 10, a sealing member (not shown) for ensuring gas sealing performance in the unit cell oxidizing gas channel 37 and the unit cell fuel gas channel 38 is disposed. In addition, the fuel cell of this embodiment has a stack structure in which a plurality of single cells 10 are stacked. The outer periphery of the stack structure is parallel to the stacking direction of the single cells 10 and is fuel gas or oxidation. A plurality of gas manifolds through which gas flows are provided (not shown). The oxidizing gas flowing through the oxidizing gas supply manifold among the plurality of gas manifolds is distributed to each single cell 10 and passes through each single cell oxidizing gas flow path 37 while being subjected to an electrochemical reaction. Collect in the gas exhaust manifold. Similarly, the fuel gas flowing through the fuel gas supply manifold is distributed to each single cell 10, passes through each single cell fuel gas flow path 38 while being subjected to an electrochemical reaction, and then collects in the fuel gas discharge manifold. To do.

燃料電池に供給される酸化ガスとしては、例えば空気を用いることができる。また、燃料電池に供給される燃料ガスとしては、炭化水素系燃料を改質して得られる水素リッチガスを用いても良いし、純度の高い水素ガスを用いても良い。   For example, air can be used as the oxidizing gas supplied to the fuel cell. Further, as the fuel gas supplied to the fuel cell, a hydrogen rich gas obtained by reforming a hydrocarbon-based fuel may be used, or a high purity hydrogen gas may be used.

なお、図示は省略しているが、スタック構造の内部温度を調節するために、各単セル間に、あるいは所定数の単セルを積層する毎に、冷媒の通過する冷媒流路を設けても良い。冷媒流路は、隣り合う単セル間において、一方の単セルが備えるガスセパレータ35と、これに隣接して設けられる他方の単セルのガスセパレータ36との間に設ければよい。   Although illustration is omitted, in order to adjust the internal temperature of the stack structure, a refrigerant flow path through which the refrigerant passes may be provided between the single cells or every time a predetermined number of single cells are stacked. good. The refrigerant flow path may be provided between the adjacent single cells and between the gas separator 35 provided in one single cell and the gas separator 36 of the other single cell provided adjacent thereto.

B.カーボン層の構成:
図2は、カソード22とガス拡散層33との界面に設けられたカーボン層31の様子を模式的に表わす説明図である。図2に示すように、カーボン層31は、多孔質カーボン粒子40によって構成されている。多孔質カーボン粒子40は、三次元的に連通して広がる微細路を内部に有する球状の多孔質カーボン粒子であり、粒子の表面および内部の微細路の表面に、撥水性物質を備えている。
B. Carbon layer configuration:
FIG. 2 is an explanatory view schematically showing the state of the carbon layer 31 provided at the interface between the cathode 22 and the gas diffusion layer 33. As shown in FIG. 2, the carbon layer 31 is composed of porous carbon particles 40. The porous carbon particle 40 is a spherical porous carbon particle having therein a fine path that communicates three-dimensionally and expands, and a water repellent material is provided on the surface of the particle and on the surface of the internal fine path.

本実施例では、カーボン層31をガス拡散層33上に形成した後に、このガス拡散層33をMEA24と重ね合わせることによって、カソード22とガス拡散層33との界面にカーボン層31を配置している。図3は、燃料電池の製造時に実行されるカーボン層31を有するガス拡散層33の製造工程を表わす説明図である。カーボン層31を作製するには、まず、多孔質カーボン粒子40を用意する(ステップS100)。多孔質カーボン粒子40は、本実施例では、球状の多孔質ポリイミドを不活性雰囲気下(ヘリウム、アルゴン、ネオンなどの希ガスや窒素ガスから成る不活性ガス雰囲気下)で、1000〜2800℃の温度条件にて焼成することによって作製している。焼成により得られる多孔質カーボン粒子40の粒径は、例えば1〜50μmとすることができる。   In this embodiment, after the carbon layer 31 is formed on the gas diffusion layer 33, the carbon diffusion layer 33 is overlapped with the MEA 24 so that the carbon layer 31 is disposed at the interface between the cathode 22 and the gas diffusion layer 33. Yes. FIG. 3 is an explanatory view showing a manufacturing process of the gas diffusion layer 33 having the carbon layer 31 which is executed when the fuel cell is manufactured. In order to produce the carbon layer 31, first, porous carbon particles 40 are prepared (step S100). In this embodiment, the porous carbon particles 40 are made of spherical porous polyimide at 1000 to 2800 ° C. in an inert atmosphere (in an inert gas atmosphere made of a rare gas such as helium, argon, neon or nitrogen gas). It is produced by firing under temperature conditions. The particle size of the porous carbon particles 40 obtained by firing can be set to 1 to 50 μm, for example.

次に、ステップS100で用意した多孔質カーボン粒子40を、撥水化処理する(ステップS110)。撥水化処理は、例えばフッ素ガスを用いることにより、多孔質カーボン粒子40の粒子表面および内部の微細路表面を撥水化させるための処理である。具体的には、フッ素ガス中、300〜600℃で数十分〜数時間処理すればよい。その後、撥水化処理した多孔質カーボン粒子40と、撥水性物質とを含む分散液を調製する(ステップS120)。撥水性物質としては、例えば、フッ素樹脂を用いることができる。その後、分散液を、ガス拡散層33として用いる導電性多孔質体表面に塗布する(ステップS130)。塗布は、例えばドクターブレイドを用いて行なうことができる。導電性多孔質体表面に分散液を塗布した後は、乾燥・焼成を行なうことで、多孔質カーボン粒子40を備えると共に撥水性を有するカーボン層31が表面に形成されたガス拡散層33を得ることができる(ステップS140)。なお、本実施例では、カーボン層32を表面に備えるガス拡散層34も、同様にして製造している。   Next, the water-repellent treatment is performed on the porous carbon particles 40 prepared in step S100 (step S110). The water repellent treatment is a treatment for making the particle surfaces of the porous carbon particles 40 and the surface of the internal micro roads water repellent by using, for example, fluorine gas. Specifically, the treatment may be performed in a fluorine gas at 300 to 600 ° C. for several tens of minutes to several hours. Thereafter, a dispersion containing the water-repellent porous carbon particles 40 and a water-repellent substance is prepared (step S120). As the water repellent substance, for example, a fluororesin can be used. Thereafter, the dispersion is applied to the surface of the conductive porous body used as the gas diffusion layer 33 (step S130). Application | coating can be performed using a doctor blade, for example. After the dispersion is applied to the surface of the conductive porous body, drying and firing are performed to obtain a gas diffusion layer 33 having porous carbon particles 40 and a carbon layer 31 having water repellency formed on the surface. (Step S140). In this embodiment, the gas diffusion layer 34 having the carbon layer 32 on the surface is manufactured in the same manner.

以上のように構成された本実施例の燃料電池によれば、触媒層とガス拡散層との界面に、多孔質カーボン粒子40を備えるカーボン層を形成しているため、触媒層からの排水を確保すると共に、生成水に起因するガス流れの阻害を抑制して、触媒層に対するガスの給排を確保することができる。すなわち、排水は、多孔質カーボン粒子40の粒子間に形成される空隙によって確保することができる。図2では、多孔質カーボン粒子40の粒子間の空隙を水が通過する様子を、太い実線で示している。また、ガスの給排は、多孔質カーボン粒子40内に形成される三次元的に連通して拡がる微細路によって確保することができる。内部に微細路を有する多孔質カーボン粒子40が集まることで、各多孔質カーボン粒子内の微細路が互いに連通し、カーボン層全体としてガスの通路が形成されるためである。図2では、上記全体として三次元的に連通して拡がる微細路内にガスが流れる様子を、細い破線で示している。したがって、ガスの給排は、粒子間の空隙が水で塞がれる場合であっても、互いに連通する微細路によって確保することができる。このように、触媒層(特にカソード22)で生じた生成水が速やかに触媒層から単セル内ガス流路側へと排水されると共に、単セル内ガス流路から触媒層に対してガスがスムーズに給排されるため、燃料電池の電池性能を高く維持することが可能になる。   According to the fuel cell of the present embodiment configured as described above, the carbon layer including the porous carbon particles 40 is formed at the interface between the catalyst layer and the gas diffusion layer. In addition to ensuring, it is possible to suppress gas flow inhibition caused by the generated water, and to secure supply and discharge of gas to the catalyst layer. That is, the drainage can be ensured by voids formed between the porous carbon particles 40. In FIG. 2, a state in which water passes through the voids between the porous carbon particles 40 is indicated by a thick solid line. In addition, gas supply / discharge can be ensured by a three-dimensionally communicating fine path formed in the porous carbon particles 40. This is because the collection of the porous carbon particles 40 having the fine paths therein allows the fine paths in the respective porous carbon particles to communicate with each other, thereby forming a gas passage as the entire carbon layer. In FIG. 2, the manner in which gas flows in a fine path that expands by communicating three-dimensionally as a whole is indicated by a thin broken line. Therefore, gas supply / discharge can be ensured by fine paths communicating with each other even when the voids between the particles are blocked with water. In this way, the generated water generated in the catalyst layer (especially the cathode 22) is quickly drained from the catalyst layer to the gas flow path side in the single cell, and the gas smoothly flows from the gas flow path in the single cell to the catalyst layer. Therefore, the battery performance of the fuel cell can be kept high.

特に、本実施例では、多孔質カーボン粒子40において、粒子表面および微細路内部が撥水性物質を用いて撥水化処理されている。したがって、生成水が、微細路内に侵入できなくなるため、ガスの流路となる微細路が水によって閉塞されることがない。また、カーボン層全体が撥水性を有することにより、一旦ガス拡散層33側に排出された生成水がカーボン層31側へと押し戻されるため、生成水のカソード22側への逆戻りを抑えることができる。なお、多孔質カーボン粒子40の撥水化処理やカーボン層への撥水性物質の添加により、隣り合う多孔質カーボン粒子間の接触抵抗は増加するが、粒子間の接触に起因する過電圧よりも、一般的には、ガスの拡散効率に起因する拡散過電圧の方がはるかに大きいため、撥水処理を行なうことで、全体としては電池性能を高めることができる。   In particular, in the present embodiment, in the porous carbon particles 40, the particle surface and the inside of the fine path are subjected to a water repellent treatment using a water repellent substance. Accordingly, since the generated water cannot enter the fine path, the fine path serving as the gas flow path is not blocked by water. Further, since the entire carbon layer has water repellency, the generated water once discharged to the gas diffusion layer 33 side is pushed back to the carbon layer 31 side, so that the return of the generated water to the cathode 22 side can be suppressed. . Although the contact resistance between adjacent porous carbon particles is increased by the water-repellent treatment of the porous carbon particles 40 and the addition of a water-repellent substance to the carbon layer, it is more than the overvoltage caused by the contact between the particles. In general, since the diffusion overvoltage due to the gas diffusion efficiency is much larger, the battery performance as a whole can be improved by performing the water repellent treatment.

ここで、用いる多孔質カーボン粒子40の平均粒径は、あまり小さすぎると粒子間の空隙が小さくなるため、水による閉塞の問題が生じやすくなる可能性がある。また、多孔質カーボン粒子40の平均粒径があまり大きすぎると、粒子間の接点が少なくなり、粒子間にわたって形成される微細路の三次元的な広がりが少なくなるため、ガスの給排効率が確保し難くなる。そのため、多孔質カーボン粒子40の平均粒径は、1〜50μm、好ましくは10〜30μmとしている。   Here, if the average particle diameter of the porous carbon particles 40 to be used is too small, voids between the particles are reduced, and thus there is a possibility that the problem of blockage by water tends to occur. Further, if the average particle diameter of the porous carbon particles 40 is too large, the number of contact points between the particles is reduced, and the three-dimensional expansion of the fine path formed between the particles is reduced. It becomes difficult to secure. Therefore, the average particle diameter of the porous carbon particles 40 is 1 to 50 μm, preferably 10 to 30 μm.

C.第1実施例の実験結果:
本実施例の燃料電池において、カーボン層31,32を構成する多孔質カーボン粒子40の粒径を変更して燃料電池を組み立て、電池性能を比較した実験結果を図4に示す。ここでは、カーボン層31,32を形成するために、実験例1では粒径10μmの多孔質カーボン粒子を用い、実験例2では粒径30μmの多孔質カーボン粒子を用い、実験例3では粒径100μmの多孔質カーボン粒子を用いた。また、比較例では、多孔質ではないカーボン粒子を用いてカーボン層31,32を形成した。以下に、実験に用いた燃料電池の製造工程として、各燃料電池のカーボン層の製造工程、および、燃料電池全体の製造工程について説明する。
C. Experimental results of the first example:
FIG. 4 shows an experimental result in which the fuel cell was assembled by changing the particle size of the porous carbon particles 40 constituting the carbon layers 31 and 32 and the cell performance was compared in the fuel cell of this example. Here, in order to form the carbon layers 31 and 32, porous carbon particles having a particle diameter of 10 μm are used in Experimental Example 1, porous carbon particles having a particle diameter of 30 μm are used in Experimental Example 2, and particle diameters are measured in Experimental Example 3. 100 μm porous carbon particles were used. In the comparative example, the carbon layers 31 and 32 are formed using carbon particles that are not porous. Below, the manufacturing process of the carbon layer of each fuel cell and the manufacturing process of the whole fuel cell are demonstrated as a manufacturing process of the fuel cell used for experiment.

実験例1〜3の燃料電池のカーボン層31,32を形成する際には、図3のステップS100において、三次元的に連通して広がる微細路が形成された球状の多孔質ポリイミドを不活性雰囲気下で1000〜1500℃にて焼成し、それぞれ、平均粒径が10μm、30μm、100μmの多孔質カーボン粒子40を用意した。なお、用意した各多孔質カーボン粒子40の多孔度は、水銀ポロシメータによる測定で、約50%であった。比較例の燃料電池のカーボン層31,32を形成する際には、ステップS100において、多孔質カーボン粒子40に代えて、三次元的に連通して広がる微細路を有しないカーボン粒子(電気化学工業製、デンカブラック)を用意した。なお、この比較例で用いたカーボン粒子は、表面を酸化して賦活することで表面は多孔質化されており、1次粒径40nm、水銀ポロシメータによる測定で多孔度約70%である。そして、実験例1〜3および比較例共に、ステップS110では、温度350℃、フッ素ガス圧0.1MPa以下で1時間、ステップS100で用意したカーボン粒子の撥水化処理を行なった。その後、ステップS120で、上記撥水処理したカーボン粒子と共に、フッ素樹脂FEPの分散液(ダイキン工業(株)製、ND−1)と、水およびイソプロピルアルコールとを用いて、遊星ボールミルにて分散液を調製した。その際、カーボン粒子とフッ素樹脂の質量比は、4対6とした。   When the carbon layers 31 and 32 of the fuel cells of Experimental Examples 1 to 3 are formed, in step S100 of FIG. 3, the spherical porous polyimide in which fine paths that extend three-dimensionally are formed is inactivated. Firing was performed at 1000 to 1500 ° C. in an atmosphere to prepare porous carbon particles 40 having average particle diameters of 10 μm, 30 μm, and 100 μm, respectively. In addition, the porosity of each prepared porous carbon particle 40 was about 50% as measured with a mercury porosimeter. When forming the carbon layers 31 and 32 of the fuel cell of the comparative example, in step S100, instead of the porous carbon particles 40, carbon particles that do not have a fine path extending in three dimensions (electrochemical industry). Manufactured by Denka Black). The carbon particles used in this comparative example are oxidized by activating the surface to make the surface porous. The primary particle size is 40 nm, and the porosity is about 70% as measured by a mercury porosimeter. In each of Experimental Examples 1 to 3 and Comparative Example, in step S110, the water repellent treatment of the carbon particles prepared in step S100 was performed at a temperature of 350 ° C. and a fluorine gas pressure of 0.1 MPa or less for 1 hour. Thereafter, in step S120, together with the water-repellent treated carbon particles, a dispersion liquid of fluororesin FEP (manufactured by Daikin Industries, Ltd., ND-1), water and isopropyl alcohol is used. Was prepared. At that time, the mass ratio of the carbon particles to the fluororesin was 4 to 6.

ステップS130でドクターブレイドを用いて分散液を塗布する導電性多孔質体としては、厚さ約170μmのカーボンペーパ(SGL社製、GDL−31BA)を用いた。また、ステップS140では、300℃で8時間焼成を行ない、厚さ30μmのカーボン層が形成されたガス拡散層を得た。なお、厚さ30μmのカーボン層は、その一部が、導電性多孔質体であるカーボンペーパ内に染み込んだ状態となっている。   As the conductive porous body on which the dispersion liquid is applied using a doctor blade in step S130, carbon paper (SDL, GDL-31BA) having a thickness of about 170 μm was used. In Step S140, baking was performed at 300 ° C. for 8 hours to obtain a gas diffusion layer in which a carbon layer having a thickness of 30 μm was formed. A part of the carbon layer having a thickness of 30 μm is infiltrated into carbon paper which is a conductive porous body.

図5は、燃料電池の製造工程の概要を表わす工程図である。燃料電池を製造する際には、まず、触媒層を構成するための触媒金属を担持したカーボン粒子と、電解質と、電解質層21を構成する固体高分子電解質膜とを用意する(ステップS200)。ここでは、カソード22を形成する触媒担持カーボン粒子として、45質量%の白金を担持した炭素粒子(ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製、ケッチェンブラックEC)を用意した。また、アノード23を形成する触媒担持カーボン粒子として、30質量%の白金を担持した炭素粒子(日本キャボット社製、バルカンXC−72R)を用意した。また、触媒層を形成する電解質としては、高分子電解質を含む電解液(デュポン社製、SE20092)を用意した。さらに、電解質膜としては、フッ素系固体高分子膜(デュポン社製、Nafion112)を用意した。   FIG. 5 is a process diagram showing an outline of a fuel cell manufacturing process. When manufacturing a fuel cell, first, carbon particles supporting a catalyst metal for constituting a catalyst layer, an electrolyte, and a solid polymer electrolyte membrane constituting an electrolyte layer 21 are prepared (step S200). Here, carbon particles (Ketjen Black International Co., Ltd., Ketjen Black EC) carrying 45% by mass of platinum were prepared as the catalyst-carrying carbon particles forming the cathode 22. Moreover, as catalyst-supporting carbon particles forming the anode 23, carbon particles supporting 30% by mass of platinum (Valkan XC-72R manufactured by Nippon Cabot Co., Ltd.) were prepared. In addition, as an electrolyte for forming the catalyst layer, an electrolytic solution containing polymer electrolyte (manufactured by DuPont, SE20092) was prepared. Furthermore, as an electrolyte membrane, a fluorine-based solid polymer membrane (manufactured by DuPont, Nafion 112) was prepared.

その後、固体高分子電解質膜上に触媒層を形成し、MEA24を作製する(ステップS210)。触媒層は、例えば、白金担持カーボン粒子と電解質とを混合してスラリを形成し、このスラリを用いて予め所定の基材上に成膜を行ない、作製した膜を電解質膜上に熱転写することにより作製することができる。あるいは、上記スラリを用いて電解質膜上に直接スプレーすることにより触媒層を作製しても良い。実験例および比較例の燃料電池では、白金担持カーボン粒子と電解質とを溶媒でスラリ化して所定の基材上に塗布し、その後電解質膜上に熱転写した。スラリ化の際には、カソード22を作製するには、上記白金担持カーボン粒子1gと、上記電解液を2.2g用いた。また、アノード23を作製するには、上記白金担持カーボン粒子を1gと、上記電解液を3.5g用いた。このとき、各触媒層における単位面積当たりの白金担持量は、0.2mg/cm2 とした。なお、触媒層における触媒と電解質膜との間でプロトンが移動する際の距離は短い方が望ましいため、触媒層は、例えば5〜50μmの厚さとすればよく、実験例および比較例の燃料電池では、10μmとした。 Thereafter, a catalyst layer is formed on the solid polymer electrolyte membrane to produce the MEA 24 (step S210). For example, the catalyst layer is formed by mixing platinum-supported carbon particles and an electrolyte to form a slurry, and using this slurry, a film is formed on a predetermined substrate in advance, and the produced film is thermally transferred onto the electrolyte film. Can be produced. Or you may produce a catalyst layer by spraying directly on an electrolyte membrane using the said slurry. In the fuel cells of the experimental example and the comparative example, the platinum-supported carbon particles and the electrolyte were slurried with a solvent and applied onto a predetermined substrate, and then thermally transferred onto the electrolyte membrane. At the time of slurrying, 1 g of the platinum-supporting carbon particles and 2.2 g of the electrolytic solution were used to produce the cathode 22. In order to produce the anode 23, 1 g of the platinum-supporting carbon particles and 3.5 g of the electrolytic solution were used. At this time, the platinum carrying amount per unit area in each catalyst layer was set to 0.2 mg / cm 2 . In addition, since it is desirable that the distance at which protons move between the catalyst and the electrolyte membrane in the catalyst layer is short, the catalyst layer may have a thickness of, for example, 5 to 50 μm. Then, it was 10 μm.

次に、図3の製造工程に従って作製したカーボン層を備えるガス拡散層33,34を用いて、MEA24を挟持する(ステップS220)。その際、ガス拡散層上に形成されたカーボン層31,32が触媒層に接するように、ガス拡散層33,34を配置する。そして、ガス拡散層33,34のさらに外側から挟持するように、カーボン製のガスセパレータ35,36を配置して(ステップS230)、単セル10を完成させる。   Next, the MEA 24 is sandwiched by using the gas diffusion layers 33 and 34 including the carbon layer produced according to the manufacturing process of FIG. 3 (step S220). At this time, the gas diffusion layers 33 and 34 are arranged so that the carbon layers 31 and 32 formed on the gas diffusion layer are in contact with the catalyst layer. Then, carbon gas separators 35 and 36 are arranged so as to be sandwiched from the outside of the gas diffusion layers 33 and 34 (step S230), and the single cell 10 is completed.

実際の燃料電池は、単セルを複数積層した構造を有しているが、図4に示す実験結果は、図3および図5に従って作製した燃料電池について、単セルの状態で発電を行なわせたときの結果である。発電の際には、燃料ガスとしては純度の高い水素ガスを大過剰量用い、酸化ガスとしては空気を大過剰量用いた。このとき、燃料ガスおよび酸化ガスは、それぞれ、燃料電池の運転温度と同じ温度のバブラを用いて、略飽和蒸気圧となるように加湿した。各燃料電池における電極面積は25cm2 であり、1A/cm2 の条件を維持している時の電圧を測定した。発電は、80℃および40℃の温度条件で行なわせた。 The actual fuel cell has a structure in which a plurality of single cells are stacked. However, the experimental results shown in FIG. 4 show that the fuel cell manufactured according to FIGS. Is the result of when. During power generation, a large excess of high purity hydrogen gas was used as the fuel gas, and a large excess of air was used as the oxidizing gas. At this time, the fuel gas and the oxidant gas were each humidified using a bubbler having the same temperature as the operating temperature of the fuel cell so as to obtain a substantially saturated vapor pressure. The electrode area in each fuel cell was 25 cm 2 , and the voltage when the condition of 1 A / cm 2 was maintained was measured. The power generation was performed at 80 ° C. and 40 ° C. temperature conditions.

図4に示すように、平均粒径10μmおよび30μmの多孔質カーボン粒子40を用いて形成したカーボン層を備える実験例1および実験例2の燃料電池では、運転温度が80℃であっても40℃であっても、高い電圧を維持することができた。これに対して、平均粒径100μmの多孔質カーボン粒子40を用いて形成したカーボン層を備える実施例3の燃料電池、および、微細路を有しないカーボン粒子を用いて形成したカーボン層を備える比較例の燃料電池では、より低い電圧を示した。このように、平均粒径10〜30μmの多孔質カーボン粒子40を用いて形成したカーボン層を備える燃料電池では、40℃という水が凝縮しやすい低い温度条件下であっても、生成水の排水効率が維持されることによってガスの供給効率が確保され、電池性能を高く保つことができた。   As shown in FIG. 4, in the fuel cells of Experimental Example 1 and Experimental Example 2 including carbon layers formed using porous carbon particles 40 having an average particle diameter of 10 μm and 30 μm, even if the operating temperature is 80 ° C., 40 A high voltage could be maintained even at ℃. In contrast, the fuel cell of Example 3 comprising a carbon layer formed using porous carbon particles 40 having an average particle size of 100 μm, and a comparison comprising a carbon layer formed using carbon particles having no fine path The example fuel cell showed a lower voltage. Thus, in a fuel cell including a carbon layer formed using porous carbon particles 40 having an average particle diameter of 10 to 30 μm, the generated water is discharged even under low temperature conditions such as 40 ° C. where water is likely to condense. By maintaining the efficiency, the gas supply efficiency was ensured, and the battery performance could be kept high.

D.第2実施例:
図6は、第2実施例の燃料電池の要部の構成を模式的に表わす説明図である。第2実施例の燃料電池は、触媒層およびカーボン層以外は第1実施例の燃料電池と同様の構成を有しているため、共通する部分には同じ参照番号を付して詳しい説明を省略する。
D. Second embodiment:
FIG. 6 is an explanatory view schematically showing the configuration of the main part of the fuel cell of the second embodiment. Since the fuel cell of the second embodiment has the same configuration as that of the fuel cell of the first embodiment except for the catalyst layer and the carbon layer, common portions are denoted by the same reference numerals and detailed description thereof is omitted. To do.

第2実施例の燃料電池は、第1実施例の燃料電池におけるカソード22およびアノード23に代えて、カソード122およびアノード123を備えており、カーボン層31,32に代えて、カーボン層131,132を備えている。このような本実施例の燃料電池では、カーボン層ではなく、触媒層であるカソード122およびアノード123が、球状の多孔質カーボン粒子140を備えることを特徴としている。   The fuel cell of the second embodiment includes a cathode 122 and an anode 123 instead of the cathode 22 and the anode 23 in the fuel cell of the first embodiment, and the carbon layers 131 and 132 instead of the carbon layers 31 and 32. It has. The fuel cell of this embodiment is characterized in that the cathode 122 and the anode 123 which are catalyst layers, not the carbon layer, include spherical porous carbon particles 140.

第2実施例の燃料電池は、図5に示した第1実施例の燃料電池の製造工程と同様の製造工程によって製造することができる。このとき、ステップS200で触媒担持カーボン粒子を用意する際には、触媒金属を担持した球状の多孔質カーボン粒子を用意すればよい。図7は、ステップS200で用意する触媒担持多孔質カーボン粒子の製造工程を表わす説明図である。触媒担持多孔質カーボン粒子を製造するには、まず、多孔質カーボン粒子を用意する(ステップS300)。この工程は、図3のステップS100と同様に行なうことができる。なお、ステップS300で用意する多孔質カーボン粒子は、触媒金属を担持する担体となるものであるため、触媒層を厚くすることなく触媒金属を担持する表面積を確保するために、粒径は充分に小さくすることが望ましい。ステップS300で用意する多孔質カーボン粒子の平均粒径は、例えば、40〜1000nmとすることができる。   The fuel cell of the second embodiment can be manufactured by the same manufacturing process as the manufacturing process of the fuel cell of the first embodiment shown in FIG. At this time, when the catalyst-carrying carbon particles are prepared in step S200, spherical porous carbon particles carrying a catalyst metal may be prepared. FIG. 7 is an explanatory diagram showing a manufacturing process of the catalyst-supporting porous carbon particles prepared in step S200. In order to manufacture catalyst-supporting porous carbon particles, first, porous carbon particles are prepared (step S300). This step can be performed in the same manner as step S100 in FIG. In addition, since the porous carbon particles prepared in step S300 serve as a carrier for supporting the catalyst metal, the particle size is sufficient to ensure a surface area for supporting the catalyst metal without increasing the thickness of the catalyst layer. It is desirable to make it smaller. The average particle diameter of the porous carbon particles prepared in step S300 can be set to 40 to 1000 nm, for example.

その後、用意した多孔質カーボン粒子に対して、撥水化処理を施す(ステップS310)。この撥水化処理は、図3のステップS110と同様にして行なうことができる。撥水処理を行なうことで、多孔質カーボン粒子の粒子表面および内部の微細路表面が撥水化される。撥水化処理を行なうと、次に、撥水化処理した多孔質カーボン粒子の表面に、触媒金属を担持させる(ステップS320)。本実施例では、触媒金属の担持は、湿式法により行なっている。例えば、塩化白金酸溶液などの白金含有溶液中に、撥水化処理した多孔質カーボン粒子を浸漬させればよい。その後、乾燥・焼成の工程によって白金を還元させ(ステップS330)、多孔質カーボン粒子上に白金を析出させることによって、触媒担持多孔質カーボン粒子を完成する。この触媒金属を担持させる工程は、ステップS310の撥水化処理の後であるので、微細路内に白金含有溶液が入り込むことがなく、内部の微細路表面において触媒金属が実質的に担持されることはない。   Thereafter, the prepared porous carbon particles are subjected to water repellency treatment (step S310). This water repellent process can be performed in the same manner as in step S110 of FIG. By performing the water repellent treatment, the particle surface of the porous carbon particles and the surface of the internal micro road are made water repellent. Once the water repellent treatment is performed, the catalyst metal is then supported on the surface of the water repellent porous carbon particles (step S320). In this embodiment, the catalyst metal is supported by a wet method. For example, the water-repellent porous carbon particles may be immersed in a platinum-containing solution such as a chloroplatinic acid solution. Thereafter, platinum is reduced by a drying / firing process (step S330), and platinum is deposited on the porous carbon particles to complete the catalyst-supporting porous carbon particles. Since the step of supporting the catalyst metal is after the water repellency treatment in step S310, the platinum-containing solution does not enter the fine path and the catalyst metal is substantially supported on the surface of the fine path. There is nothing.

図5に従って本実施例の燃料電池を製造する際に、ステップS220において用いるカーボン層を備えるガス拡散層は、第1実施例の多孔質カーボン粒子に代えて、内部に微細路を有しない通常のカーボン粒子を用いて、図3に示す製造工程に従って製造すればよい。   When the fuel cell of this embodiment is manufactured according to FIG. 5, the gas diffusion layer including the carbon layer used in step S220 is replaced with the porous carbon particles of the first embodiment and does not have a fine path inside. What is necessary is just to manufacture using a carbon particle according to the manufacturing process shown in FIG.

以上のように構成された第2実施例の燃料電池によれば、触媒金属を担持する多孔質カーボン粒子を用いて触媒層を構成しているため、触媒層における排水を良好に行なわせると共に、生成水に起因するガス流れの阻害を抑制して、触媒層内におけるガスの給排を確保することができる。すなわち、触媒金属上で生じた生成水の排水は、多孔質カーボン粒子140の粒子間に形成される空隙によって確保することができる。図6では、多孔質カーボン粒子140の粒子間の空隙を水が通過する様子を、太い実線で示している。また、ガスの給排は、多孔質カーボン粒子140内に形成される三次元的に連通して拡がる微細路によって確保することができる。内部に微細路を有する多孔質カーボン粒子140が集まることで、各多孔質カーボン粒子内の微細路が互いに連通し、触媒層全体としてガスの通路が形成されるためである。図6では、上記全体として三次元的に連通して拡がる微細路内にガスが流れる様子を、細い破線で示している。したがって、ガスの給排は、粒子間の空隙が水で塞がれる場合であっても、互いに連通する微細路によって確保することができる。このように、生じた生成水が、速やかに触媒層から単セル内ガス流路側へと排水されると共に、触媒層内において触媒金属に対してガスがスムーズに給排されるため、燃料電池の電池性能を高く維持することが可能になる。   According to the fuel cell of the second embodiment configured as described above, the catalyst layer is formed using the porous carbon particles supporting the catalyst metal, so that the drainage in the catalyst layer is performed well, Inhibition of the gas flow caused by the generated water can be suppressed, and supply / discharge of gas in the catalyst layer can be secured. That is, the generated water drainage generated on the catalyst metal can be secured by the voids formed between the porous carbon particles 140. In FIG. 6, a state in which water passes through voids between the porous carbon particles 140 is indicated by a thick solid line. In addition, gas supply / discharge can be ensured by a three-dimensionally communicating fine path formed in the porous carbon particles 140. This is because the porous carbon particles 140 having the fine paths inside gather, the fine paths in each porous carbon particle communicate with each other, and a gas passage is formed as the entire catalyst layer. In FIG. 6, the manner in which the gas flows in the fine path that expands by communicating three-dimensionally as a whole is indicated by a thin broken line. Therefore, gas supply / discharge can be ensured by fine paths communicating with each other even when the voids between the particles are blocked with water. In this way, the generated water is quickly drained from the catalyst layer to the gas flow path in the single cell, and gas is smoothly supplied to and discharged from the catalyst metal in the catalyst layer. Battery performance can be kept high.

特に、本実施例では、多孔質カーボン粒子140において、粒子表面および微細路内部が撥水性物質を用いて撥水化処理されると共に、触媒金属は、実質的に粒子表面にのみ担持されている。したがって、生成水が、微細路内に侵入することがなく、微細路内で生成水が生じることもないため、ガスの流路となる微細路が水によって閉塞されることがない。   In particular, in the present embodiment, in the porous carbon particles 140, the particle surface and the inside of the fine path are subjected to water repellency treatment using a water-repellent substance, and the catalyst metal is substantially supported only on the particle surface. . Therefore, the generated water does not enter the fine path and the generated water does not occur in the fine path, so that the fine path serving as the gas flow path is not blocked by water.

E.第2実施例の実験結果:
第2実施例の燃料電池を組み立て、電池性能を調べた実験結果を図8に示す。ここでは、触媒層122,123を形成するために、実験例では粒径平均100nmの多孔質カーボン粒子を用いた。また、比較例では、多孔質ではないカーボン粒子を用いて触媒層を形成した。以下に、実験に用いた燃料電池の製造工程の具体的な条件について、図5に示した燃料電池の製造工程に即して説明する。
E. Experimental results of the second embodiment:
FIG. 8 shows the experimental results of assembling the fuel cell of the second example and examining the cell performance. Here, in order to form the catalyst layers 122 and 123, porous carbon particles having an average particle size of 100 nm were used in the experimental example. In the comparative example, the catalyst layer was formed using carbon particles that were not porous. Hereinafter, specific conditions of the manufacturing process of the fuel cell used in the experiment will be described with reference to the manufacturing process of the fuel cell shown in FIG.

燃料電池を製造する際には、まず、電解質および電解質膜と共に、触媒担持カーボン粒子を用意するが(ステップS200)、実験例では、既述した図7の製造工程によって製造した触媒担持多孔質カーボン粒子を用意した。実験例の燃料電池の触媒層を構成する触媒担持多孔質カーボン粒子を作製する際には、図7のステップS300において、球状の多孔質ポリイミドを不活性雰囲気下で1000〜1500℃にて焼成し、平均粒径が100nmであって、水銀ポロシメータによる測定で多孔度が約50%のカーボン粒子を用意した。また、ステップS310の撥水化処理は、温度350℃、フッ素ガス圧0.1MPa以下で1時間の条件で行なった。また、ステップS320およびステップS330によって多孔質カーボン粒子上に白金を担持させる際には、30質量%の白金を担持させた。なお、比較例の燃料電池を製造する際には、図5のステップS200において、第1実施例の実験例1〜3および比較例と同様にして、微細路を有しないカーボン粒子に白金を担持させたものを用意した。実施例および比較例において、各触媒層での単位面積当たりの白金担持量は、0.2mg/cm2 としており、各触媒層の厚さは10μmとした。 When manufacturing a fuel cell, first, catalyst-supporting carbon particles are prepared together with an electrolyte and an electrolyte membrane (step S200). In the experimental example, the catalyst-supporting porous carbon manufactured by the manufacturing process shown in FIG. Particles were prepared. When preparing the catalyst-supporting porous carbon particles constituting the catalyst layer of the fuel cell of the experimental example, the spherical porous polyimide is fired at 1000 to 1500 ° C. in an inert atmosphere in step S300 of FIG. Carbon particles having an average particle diameter of 100 nm and a porosity of about 50% as measured by a mercury porosimeter were prepared. Further, the water repellent treatment in step S310 was performed under conditions of a temperature of 350 ° C. and a fluorine gas pressure of 0.1 MPa or less for 1 hour. In addition, when platinum was supported on the porous carbon particles by Step S320 and Step S330, 30% by mass of platinum was supported. When manufacturing the fuel cell of the comparative example, in step S200 of FIG. 5, platinum is supported on the carbon particles having no fine path in the same manner as in Experimental Examples 1 to 3 of the first example and the comparative example. I prepared something. In Examples and Comparative Examples, the amount of platinum supported per unit area in each catalyst layer was 0.2 mg / cm 2, and the thickness of each catalyst layer was 10 μm.

図5のステップS210で、MEA24を作製する際には、触媒層を構成する電解質として、高分子電解質を含む電解液(デュポン社製、SE20092)を用いると共に、電解質膜としては、フッ素系固体高分子膜(デュポン社製、Nafion112)を用いた。MEA24を作製したときの条件は、第1実施例の実験例および比較例の作製条件と同様である。   In step S210 of FIG. 5, when the MEA 24 is manufactured, an electrolytic solution containing a polymer electrolyte (SE20092, manufactured by DuPont) is used as an electrolyte constituting the catalyst layer. A molecular film (manufactured by DuPont, Nafion 112) was used. The conditions for producing the MEA 24 are the same as those for the experimental example of the first example and the comparative example.

図5のステップS220で用いるカーボン層を備えるガス拡散層としては、第1実施例の比較例と同様のものを用いた。すなわち、図3のステップS100において、多孔質カーボン粒子に代えて、三次元的に連通して広がる微細路を有しないカーボン粒子(電気化学工業製、デンカブラック)を用いて作製したカーボン層を備えるガス拡散層を利用した。その他の製造工程は、第1実施例における実験例および比較例と同様の条件で行なった。   As the gas diffusion layer including the carbon layer used in step S220 in FIG. 5, the same gas diffusion layer as that in the comparative example of the first example was used. That is, in step S100 of FIG. 3, a carbon layer is used that is produced using carbon particles (Denka Black, manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) that do not have a fine path that extends three-dimensionally instead of porous carbon particles. A gas diffusion layer was used. Other manufacturing steps were performed under the same conditions as those of the experimental example and the comparative example in the first example.

図8に示す実験結果を得る際の発電の条件は、図4の実験結果を得る際のものと同様である。すなわち、電極面積が25cm2 である単セルの状態で、燃料ガスとしては純度の高い水素ガスを大過剰量用い、酸化ガスとしては空気を大過剰量用いて発電を行なわせた。このとき、燃料ガスおよび酸化ガスは、それぞれ、燃料電池の運転温度と同じ温度のバブラを用いて略飽和蒸気圧となるように加湿しつつ、1A/cm2 の条件を維持している時の電圧を測定した。温度条件は、80℃および40℃の2種類である。 The power generation conditions for obtaining the experimental results shown in FIG. 8 are the same as those for obtaining the experimental results of FIG. That is, in a single cell state with an electrode area of 25 cm 2 , power generation was performed using a large excess amount of high purity hydrogen gas as the fuel gas and a large excess amount of air as the oxidizing gas. At this time, the fuel gas and the oxidizing gas are respectively humidified so as to have a substantially saturated vapor pressure using a bubbler having the same temperature as the operating temperature of the fuel cell, while maintaining the condition of 1 A / cm 2 . The voltage was measured. There are two temperature conditions, 80 ° C. and 40 ° C.

図8に示すように、平均粒径100nmの多孔質カーボン粒子を用いて形成した触媒層を備える実験例の燃料電池では、運転温度が80℃であっても40℃であっても、高い電圧を維持することができた。これに対して、微細路を有しないカーボン粒子を用いて形成した触媒層を備える比較例の燃料電池では、より低い電圧を示した。このように、多孔質カーボン粒子を用いて形成した触媒層を備える燃料電池では、40℃という水が凝縮しやすい低い温度条件下であっても、生成水の排水効率が維持されることによってガスの供給効率が確保され、電池性能を高く保つことができた。   As shown in FIG. 8, in the fuel cell of the experimental example including a catalyst layer formed using porous carbon particles having an average particle diameter of 100 nm, a high voltage is applied regardless of whether the operation temperature is 80 ° C. or 40 ° C. Could be maintained. On the other hand, the fuel cell of the comparative example provided with the catalyst layer formed using the carbon particles having no fine path showed a lower voltage. As described above, in a fuel cell including a catalyst layer formed using porous carbon particles, the drainage efficiency of generated water is maintained even under low temperature conditions where water at 40 ° C. is likely to condense. As a result, the battery efficiency was kept high.

F.第3実施例:
図9は、第3実施例の燃料電池の概略構成を表わす断面模式図である。第3実施例の燃料電池は、第1実施例と同様に多孔質カーボン粒子を備えるカーボン層31,32と、第2実施例と同様に触媒金属を担持した多孔質カーボン粒子を備える触媒層であるカソード122およびアノード123とを有することを特徴としている。そのため第1および第2実施例と共通する部分には同じ参照番号を付して詳しい説明を省略する。
F. Third embodiment:
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of the fuel cell of the third embodiment. The fuel cell of the third embodiment includes carbon layers 31 and 32 including porous carbon particles as in the first embodiment, and a catalyst layer including porous carbon particles supporting a catalyst metal as in the second embodiment. It has a certain cathode 122 and anode 123. For this reason, the same reference numerals are assigned to portions common to the first and second embodiments, and detailed description thereof is omitted.

第3実施例の燃料電池は、図5に示した第1実施例の燃料電池の製造工程と同様の製造工程によって製造することができる。このとき、ステップS200で触媒担持カーボン粒子を用意する際には、第2実施例と同様に図7に従って、触媒金属を担持した球状の多孔質カーボン粒子を用意すればよい。また、ステップS220においてカーボン層を備えるガス拡散層を用いる際には、第1実施例と同様に図3に従って、多孔質カーボン粒子を備えるカーボン層31,32を表面に形成したガス拡散層33,34を用いればよい。   The fuel cell of the third embodiment can be manufactured by the same manufacturing process as the manufacturing process of the fuel cell of the first embodiment shown in FIG. At this time, when the catalyst-carrying carbon particles are prepared in step S200, spherical porous carbon particles carrying a catalyst metal may be prepared according to FIG. 7 as in the second embodiment. Further, when the gas diffusion layer including the carbon layer is used in step S220, the gas diffusion layer 33, the carbon layers 31 and 32 including the porous carbon particles formed on the surface according to FIG. 3 as in the first embodiment. 34 may be used.

以上のように構成された第3実施例の燃料電池によれば、第1実施例および第2実施例双方の効果を奏することができる。触媒層とガス拡散層との界面に、多孔質カーボン粒子40を備えるカーボン層を形成しているため、第1実施例と同様に、触媒層からの排水を確保すると共に、生成水の滞留に起因するガス流れの阻害を抑制して、触媒層に対するガスの給排を確保することができる。また、触媒金属を担持する多孔質カーボン粒子を用いて触媒層を構成しているため、第2実施例と同様に、触媒層における排水を確保すると共に、生成水の滞留に起因するガス流れの阻害を抑制して、触媒層内におけるガスの給排を確保することができる。すなわち、カーボン層および触媒層において、排水は、多孔質カーボン粒子の粒子間に形成される空隙によって確保することができると共に、ガス流れは、多孔質カーボン粒子が集まることで全体として形成される三次元的に連通して広がる微細路によって確保することができる。このように、カーボン層および触媒層において、生成水が速やかに単セル内ガス流路側へと排水されると共に、ガスがスムーズに給排されるため、燃料電池の電池性能を高く維持することが可能になる。   According to the fuel cell of the third embodiment configured as described above, the effects of both the first embodiment and the second embodiment can be achieved. Since the carbon layer including the porous carbon particles 40 is formed at the interface between the catalyst layer and the gas diffusion layer, the drainage from the catalyst layer is secured and the generated water is retained as in the first embodiment. Inhibition of the resulting gas flow can be suppressed, and supply / discharge of gas to / from the catalyst layer can be ensured. Further, since the catalyst layer is composed of porous carbon particles supporting the catalyst metal, as in the second embodiment, the drainage in the catalyst layer is ensured and the gas flow caused by the retention of the produced water is prevented. Inhibition can be suppressed, and supply and discharge of gas in the catalyst layer can be ensured. That is, in the carbon layer and the catalyst layer, drainage can be secured by voids formed between the porous carbon particle particles, and the gas flow is a tertiary formed as a whole by collecting the porous carbon particles. It can be ensured by a fine road that communicates and spreads. As described above, in the carbon layer and the catalyst layer, the generated water is quickly drained to the gas flow path side in the single cell and the gas is smoothly supplied and discharged, so that the battery performance of the fuel cell can be maintained high. It becomes possible.

なお、第3実施例の燃料電池のように、触媒層とカーボン層の双方が多孔質カーボン粒子を備える場合には、触媒層を構成する多孔質カーボン粒子の平均粒径を、カーボン層を構成する多孔質カーボン粒子の平均粒径よりも小さくすることが望ましい。触媒層を構成する多孔質カーボン粒子は、触媒層を厚くすることなく充分量の触媒金属を担持するための表面積を確保するには、粒径をより小さくする必要があるためである。また、カーボン層では、生成水の排水性を確保するためには、多孔質カーボン粒子の粒径を大きくして粒子間の空隙をより大きくすることが有利だからである。ここで、触媒層では、電気化学反応の進行に伴って熱が生じてカーボン層よりも温度が高くなるため、水は気体の状態で存在し易くなり、粒径を小さくして粒子間の空隙がより小さくなっても、上記空隙を介した排水性の悪化が問題となることはない。 In the case where both the catalyst layer and the carbon layer are provided with porous carbon particles as in the fuel cell of the third embodiment, the average particle diameter of the porous carbon particles constituting the catalyst layer is set as the carbon layer. It is desirable to make it smaller than the average particle diameter of the porous carbon particles. This is because the porous carbon particles constituting the catalyst layer need to have a smaller particle size in order to secure a surface area for supporting a sufficient amount of the catalyst metal without increasing the thickness of the catalyst layer . Also, in the carbon layer, in order to ensure the drainage of the generated water, it is advantageous to increase the particle size of the porous carbon particles and further increase the voids between the particles. Here, in the catalyst layer, heat is generated as the electrochemical reaction proceeds and the temperature becomes higher than that of the carbon layer, so that water is likely to exist in a gaseous state, and the particle size is reduced to reduce the voids between the particles. Even if becomes smaller, deterioration of drainage through the voids does not become a problem.

G.第3実施例の実験結果:
本実施例の燃料電池を組み立て、電池性能を調べた実験結果を図10に示す。実験例の燃料電池では、触媒層122,123を形成するために、第2実施例の実験例と同様に、平均粒径100nmの多孔質カーボン粒子を用いた。比較例では、第2実施例の比較例と同様に、三次元的に連通して広がる微細路を有しないカーボン粒子を用いて触媒層を形成した。また、実験例の燃料電池では、カーボン層31,32を形成するために、第1実施例の実験例1と同様に、平均粒径10μmの多孔質カーボン粒子を用いた、比較例では、第1実施例の比較例と同様に、微細路を有しないカーボン粒子を用いてカーボン層を形成した。
G. Experimental results of the third example:
FIG. 10 shows the experimental results of assembling the fuel cell of this example and examining the cell performance. In the fuel cell of the experimental example, in order to form the catalyst layers 122 and 123, porous carbon particles having an average particle diameter of 100 nm were used as in the experimental example of the second example. In the comparative example, as in the comparative example of the second example, the catalyst layer was formed using carbon particles that do not have a fine path that communicates three-dimensionally and expands. Further, in the fuel cell of the experimental example, in order to form the carbon layers 31 and 32, the porous carbon particles having an average particle diameter of 10 μm were used as in the experimental example 1 of the first example. As in the comparative example of one example, a carbon layer was formed using carbon particles having no fine path.

実験例および比較例の燃料電池は、図5に示した燃料電池の製造工程に従って製造した。その際、実験例の燃料電池を製造するには、ステップS200では、第2実施例の実験例と同様にして、触媒担持カーボン粒子を用意した。そして、ステップS220では、第1実施例の実験例1と同様にして、カーボン層を備えるガス拡散層を作製した。また、比較例の燃料電池を製造するには、ステップS200では、第1実施例の比較例と同様にして、触媒担持多孔質カーボン粒子を用意した。そして、ステップS220では、第1実施例の比較例と同様にして、カーボン層を備えるガス拡散層を作製した。その他の製造工程は、第1実施例における実験例および比較例と同様の条件で行なった。   The fuel cells of the experimental example and the comparative example were manufactured according to the manufacturing process of the fuel cell shown in FIG. At that time, in order to manufacture the fuel cell of the experimental example, in step S200, catalyst-supporting carbon particles were prepared in the same manner as in the experimental example of the second example. And in step S220, the gas diffusion layer provided with a carbon layer was produced like the experiment example 1 of 1st Example. In order to manufacture the fuel cell of the comparative example, in step S200, catalyst-supporting porous carbon particles were prepared in the same manner as in the comparative example of the first example. And in step S220, the gas diffusion layer provided with a carbon layer was produced like the comparative example of 1st Example. Other manufacturing steps were performed under the same conditions as those of the experimental example and the comparative example in the first example.

図10に示す実験結果を得る際の発電の条件は、図4の実験結果を得る際のものと同様である。すなわち、電極面積が25cm2 である単セルの状態で、燃料ガスとしては純度の高い水素ガスを大過剰量用い、酸化ガスとしては空気を大過剰量用いて発電を行なわせた。このとき、燃料ガスおよび酸化ガスは、それぞれ、燃料電池の運転温度と同じ温度のバブラを用いて略飽和蒸気圧となるように加湿しつつ、1A/cm2 の条件を維持している時の電圧を測定した。温度条件は、80℃および40℃の2種類である。 The power generation conditions for obtaining the experimental results shown in FIG. 10 are the same as those for obtaining the experimental results of FIG. That is, in a single cell state with an electrode area of 25 cm 2 , power generation was performed using a large excess amount of high purity hydrogen gas as the fuel gas and a large excess amount of air as the oxidizing gas. At this time, the fuel gas and the oxidizing gas are respectively humidified so as to have a substantially saturated vapor pressure using a bubbler having the same temperature as the operating temperature of the fuel cell, while maintaining the condition of 1 A / cm 2 . The voltage was measured. There are two temperature conditions, 80 ° C. and 40 ° C.

図10に示すように、平均粒径100nmの多孔質カーボン粒子を用いて形成した触媒層と共に、平均粒径10μmの多孔質カーボン粒子を用いて形成したカーボン層を備える実験例の燃料電池では、運転温度が80℃であっても40℃であっても、高い電圧を維持することができた。これに対して、微細路を有しないカーボン粒子を用いて形成した触媒層およびカーボン層を備える比較例の燃料電池では、より低い電圧を示した。このように、多孔質カーボン粒子を用いて形成した触媒層およびカーボン層を備える燃料電池では、40℃という水が凝縮しやすい低い温度条件下であっても、生成水の排水効率が維持されることによってガスの供給効率が確保され、電池性能を高く保つことができた。   As shown in FIG. 10, in the fuel cell of the experimental example including a carbon layer formed using porous carbon particles having an average particle diameter of 10 μm together with a catalyst layer formed using porous carbon particles having an average particle diameter of 100 nm, Whether the operating temperature was 80 ° C. or 40 ° C., a high voltage could be maintained. On the other hand, the fuel cell of the comparative example provided with the catalyst layer and carbon layer formed using the carbon particles having no fine path showed a lower voltage. As described above, in the fuel cell including the catalyst layer and the carbon layer formed using the porous carbon particles, the drainage efficiency of the generated water is maintained even under a low temperature condition of 40 ° C. where water is likely to condense. As a result, gas supply efficiency was secured, and battery performance could be kept high.

H.変形例:
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
H. Variations:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.

H1.変形例1:
第1ないし第3実施例では、用いる多孔質カーボン粒子は球状としたが、異なる形状の多孔質カーボン粒子を用いても良い。多孔質カーボン粒子が集合してカーボン層や触媒層を構成したときに、粒子間に、生成水の通路となる空隙が形成されると共に、粒子同士が接触することで、粒子内部に形成される微細路が全体として三次元的に連通して拡がる状態となればよい。多孔質カーボン粒子の形状の他の例としては、例えば、円柱状とすることができる。円柱状の多孔質カーボン粒子を用いて触媒層あるいはカーボン層を構成すれば、円柱の側壁間に水が通過する流路が形成されると共に、円柱の側壁同士が接触することによって、内部の微細路が三次元的に連通可能となる。図11は、円柱状の多孔質カーボン粒子の集合体の様子を模式的に表わす説明図である。図11では、円柱状の多孔質カーボン粒子間の空隙を水が通過する様子を太い実線で表わしており、三次元的に連通して拡がる微細路内にガスが流れる様子を細い破線で示している。また、触媒層やカーボン層を構成する多孔質カーボン粒子の形状の他の例としては、例えば、円柱状に代えて、円柱の上下の底面が湾曲した凸状面になった、いわゆるカプセル状としても良い。
H1. Modification 1:
In the first to third embodiments, the porous carbon particles used are spherical, but porous carbon particles having different shapes may be used. When porous carbon particles gather to form a carbon layer or a catalyst layer, voids are formed between the particles as passages for the generated water, and the particles are in contact with each other to form inside the particles. It suffices if the fine road as a whole communicates and expands in three dimensions. As another example of the shape of the porous carbon particles, for example, a cylindrical shape can be used. If a catalyst layer or a carbon layer is formed using cylindrical porous carbon particles, a flow path through which water passes is formed between the side walls of the cylinder, and the side walls of the cylinder come into contact with each other, so The road can communicate three-dimensionally. FIG. 11 is an explanatory view schematically showing a state of an aggregate of cylindrical porous carbon particles. In FIG. 11, a state in which water passes through the voids between the cylindrical porous carbon particles is represented by a thick solid line, and a state in which the gas flows in a fine path that extends in a three-dimensional manner is illustrated by a thin broken line. Yes. Further, as another example of the shape of the porous carbon particles constituting the catalyst layer and the carbon layer, for example, instead of a columnar shape, as a so-called capsule shape in which the upper and lower bottom surfaces of the column are curved convex surfaces Also good.

H2.変形例2:
第1ないし第3実施例では、カーボン層は、カーボン粒子と撥水性物質を含む分散液をカーボンペーパなどの導電性多孔質体上に塗布し、一部を導電性多孔質体内に染み込ませて形成したが、異なる構成としても良い。例えば、上記分散液を、導電性多孔質体とは別体の基材膜上に塗布することによって成膜し、成膜して得たカーボン層を、ガス拡散層となる導電性多孔質体上に熱転写などにより固着させることとしても良い。
H2. Modification 2:
In the first to third embodiments, the carbon layer is obtained by applying a dispersion containing carbon particles and a water repellent material onto a conductive porous body such as carbon paper, and soaking a part of the carbon layer into the conductive porous body. Although formed, a different configuration may be used. For example, the dispersion liquid is formed on a base film separate from the conductive porous body, and the carbon layer obtained by the film formation is used as a gas diffusion layer. It may be fixed on the top by thermal transfer or the like.

H3.変形例3:
第1ないし第3実施例では、カーボン層あるいは触媒層を形成する多孔質カーボン粒子を、フッ素ガス等を用いて撥水化処理しているが、異なる構成としても良い。例えば、用いる多孔質カーボン粒子自体が充分な撥水性を示すならば、撥水化処理を省略することができる。
H3. Modification 3:
In the first to third embodiments, the porous carbon particles forming the carbon layer or the catalyst layer are subjected to water repellency treatment using fluorine gas or the like, but may have different configurations. For example, if the porous carbon particles used exhibit sufficient water repellency, the water repellency treatment can be omitted.

H4.変形例4:
また、ガス拡散層やガスセパレータの形状を、第1ないし第3実施例の燃料電池とは異なる形状としても良い。例えば、ガスセパレータ表面において、単セル内ガス流路を形成するための凹凸形状を設けない形状とすると共に、ガスセパレータとMEAとの間に導電性多孔質部材を配置して、この導電性多孔質部材内に形成される空隙によって、単セル内ガス流路を形成することとしても良い。単セル内ガス流路の形状を他の任意の形状とする場合であっても、触媒層や、触媒層に隣接するカーボン層を多孔質カーボン粒子を用いて構成することにより、多孔質カーボン粒子を備える層において、ガスの経路と水の経路とを分離して、生成水増大時にも排水効率を維持し、ガスの流通を確保する効果を得ることができる。
H4. Modification 4:
Further, the shape of the gas diffusion layer and the gas separator may be different from those of the fuel cells of the first to third embodiments. For example, the surface of the gas separator is not provided with a concavo-convex shape for forming the gas flow path in the single cell, and a conductive porous member is disposed between the gas separator and the MEA, and this conductive porous It is good also as forming the gas flow path in a single cell by the space | gap formed in the quality member. Even when the shape of the gas flow path in the single cell is any other shape, the porous carbon particles can be formed by forming the catalyst layer and the carbon layer adjacent to the catalyst layer with porous carbon particles. In the layer comprising the above, the gas route and the water route can be separated to maintain the drainage efficiency even when the generated water is increased, and the effect of ensuring the gas circulation can be obtained.

H5.変形例5:
第1ないし第3実施例では、カソード側とアノード側の両方において、触媒層および/またはカーボン層を多孔質カーボン粒子を用いて構成しているが、いずれか一方の側でのみ、多孔質カーボン粒子を用いることとしても良い。特に、電気化学反応の進行に伴い水が生じるカソード側において、触媒層および/またはカーボン層を多孔質カーボン粒子を用いて形成することで、排水性を確保しつつガス流通性を維持して電池性能を高める効果を顕著に得ることができる。アノード側において本発明を適用する場合には、特に、単セル内で酸化ガスと燃料ガスとを対向する向きに流す構成を採用する場合(いわゆるカウンターフロー型燃料電池)に、より高い効果が得られる。すなわち、酸化ガスと燃料ガスとを対向流にすると、酸化ガス中の水蒸気圧が高くなる下流側領域と、燃料ガス中の水蒸気圧がより低い上流側領域とが重なることで、電解質膜を介した水蒸気圧差が極めて大きくなり、カソード側からアノード側への水の移動量が増大する。従って、アノード近傍において本発明を適用し、排水性を維持してガス流通を確保することにより、電池性能が向上する。
H5. Modification 5:
In the first to third embodiments, on both the cathode side and the anode side, the catalyst layer and / or the carbon layer is configured by using porous carbon particles, but the porous carbon is formed only on one side. It is good also as using particles. In particular, by forming the catalyst layer and / or the carbon layer using porous carbon particles on the cathode side where water is generated as the electrochemical reaction proceeds, the battery maintains the gas flowability while ensuring drainage. The effect of enhancing the performance can be remarkably obtained. When the present invention is applied on the anode side, a higher effect is obtained particularly when a configuration in which the oxidizing gas and the fuel gas are flowed in opposite directions in a single cell (so-called counter flow type fuel cell) is employed. It is done. That is, when the oxidizing gas and the fuel gas are made to counter flow, the downstream region in which the water vapor pressure in the oxidizing gas increases and the upstream region in which the water vapor pressure in the fuel gas is lower overlap, thereby interposing the electrolyte membrane. The difference in water vapor pressure becomes extremely large, and the amount of water transferred from the cathode side to the anode side increases. Therefore, the battery performance is improved by applying the present invention in the vicinity of the anode and maintaining the drainage and ensuring the gas flow.

H6.変形例6:
また、第1実施例のようにカーボン層31,32を多孔質カーボン粒子を用いて形成する場合に、触媒層の構成を、第1実施例のカソード22およびアノード23とは異なる構成としても良い。例えば、白金などの触媒金属を、カーボン粒子上に担持させることなく、電解質膜上に直接担持させることも可能である。
H6. Modification 6:
Further, when the carbon layers 31 and 32 are formed using porous carbon particles as in the first embodiment, the structure of the catalyst layer may be different from the cathode 22 and the anode 23 of the first embodiment. . For example, a catalyst metal such as platinum can be directly supported on the electrolyte membrane without being supported on the carbon particles.

あるいは、第2実施例のようにカソード122およびアノード123を多孔質カーボン粒子を用いて形成する場合に、触媒層とガス拡散層との界面の構成を、第2実施例とは異なる構成としても良い。例えば、ガス拡散層上に、カーボン粒子を備えるカーボン層を形成することなく、ガス拡散層上に撥水性物質のみを塗布することとしても良い。   Alternatively, when the cathode 122 and the anode 123 are formed using porous carbon particles as in the second embodiment, the configuration of the interface between the catalyst layer and the gas diffusion layer may be different from that of the second embodiment. good. For example, it is possible to apply only a water-repellent substance on the gas diffusion layer without forming a carbon layer including carbon particles on the gas diffusion layer.

第1実施例の燃料電池の概略構成を表わす断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram showing schematic structure of the fuel cell of 1st Example. カーボン層の様子を模式的に表わす説明図である。It is explanatory drawing which represents the mode of a carbon layer typically. ガス拡散層の製造工程を表わす説明図である。It is explanatory drawing showing the manufacturing process of a gas diffusion layer. 第1実施例の実験結果を表わす説明図である。It is explanatory drawing showing the experimental result of 1st Example. 燃料電池の製造工程の概要を表わす工程図である。It is process drawing showing the outline | summary of the manufacturing process of a fuel cell. 第2実施例の燃料電池の要部の構成を模式的に表わす説明図である。It is explanatory drawing which represents typically the structure of the principal part of the fuel cell of 2nd Example. 触媒担持多孔質カーボン粒子の製造工程を表わす説明図である。It is explanatory drawing showing the manufacturing process of a catalyst carrying | support porous carbon particle. 第2実施例の実験結果を表わす説明図である。It is explanatory drawing showing the experimental result of 2nd Example. 第3実施例の燃料電池の概略構成を表わす断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram showing schematic structure of the fuel cell of 3rd Example. 第3実施例の実験結果を表わす説明図である。It is explanatory drawing showing the experimental result of 3rd Example. 変形例の多孔質カーボン粒子を模式的に表わす説明図である。It is explanatory drawing which represents typically the porous carbon particle of a modification.

符号の説明Explanation of symbols

21…電解質層
22…カソード
23…アノード
24…MEA
31,32…カーボン層
33,34…ガス拡散層
35,36…ガスセパレータ
37…単セル内酸化ガス流路
38…単セル内燃料ガス流路
40…多孔質カーボン粒子
122…カソード
123…アノード
131,132…カーボン層
140…多孔質カーボン粒子
21 ... Electrolyte layer 22 ... Cathode 23 ... Anode 24 ... MEA
31, 32 ... carbon layer 33, 34 ... gas diffusion layer 35, 36 ... gas separator 37 ... single cell oxidizing gas flow path 38 ... single cell fuel gas flow path 40 ... porous carbon particles 122 ... cathode 123 ... anode 131 132 ... carbon layer 140 ... porous carbon particles

Claims (6)

燃料電池であって、
電解質層と、
前記電解質層上に形成されて、触媒金属を備える触媒層と、
前記触媒層上に配置され、導電性多孔質体から成るガス拡散層と、
前記ガス拡散層と前記触媒層との界面に設けられ、カーボン粒子を備えるカーボン層と
を備え、
記カーボン粒子は平均粒径が1〜50μmであり、多孔質ポリイミドを焼成して成り、三次元的に連通して広がる微細路を内部に有する多孔質カーボン粒子である
燃料電池。
A fuel cell,
An electrolyte layer;
Wherein is formed on the electrolyte layer, a catalyst layer to obtain Bei the catalytic metal,
A gas diffusion layer disposed on the catalyst layer and made of a conductive porous body;
Provided on the interface between the catalyst layer and the gas diffusion layer, and a carbon layer with a mosquito Bon particles,
Before hear Bon particles children had an average particle size of 1 to 50 [mu] m, made by firing a porous polyimide, the fuel cell is porous carbon particles having fine channels extending communicated three-dimensionally therein.
請求項1記載の燃料電池であって、
前記多孔質カーボン粒子は、球状である
燃料電池。
The fuel cell according to claim 1, wherein
The porous carbon particles are spherical. A fuel cell.
請求項1または2記載の燃料電池であって、
前記多孔質カーボン粒子は、粒子表面および前記微細路表面に撥水性物質を備える
燃料電池。
The fuel cell according to claim 1 or 2,
The porous carbon particle includes a water-repellent material on a particle surface and a surface of the fine road.
請求項1ないしいずれか記載の燃料電池であって、
前記触媒層は、前記触媒金属を表面に担持する触媒担持カーボン粒子と、電解質とを備え、
前記触媒担持カーボン粒子は、多孔質ポリイミドを焼成して成り、三次元的に連通して広がる微細路を内部に有し、前記カーボン層が備える前記多孔質カーボン粒子よりも平均粒径が小さい
燃料電池。
A fuel cell according to any one of claims 1 to 3 ,
The catalyst layer includes catalyst-supporting carbon particles that support the catalyst metal on the surface, and an electrolyte.
The catalyst-supported carbon particles are formed by firing porous polyimide, have a fine path that extends in a three-dimensional manner inside, and have a smaller average particle diameter than the porous carbon particles provided in the carbon layer battery.
請求項1ないしいずれか記載の燃料電池であって、
前記多孔質カーボン粒子は、少なくともカソード側に備えられている
燃料電池。
A fuel cell according to any one of claims 1 to 4 ,
The porous carbon particles are provided at least on the cathode side.
請求項1ないし5いずれか記載の燃料電池であって、
前記多孔質カーボン粒子の粒径は、前記導電性多孔質体が備える細孔の細孔径よりも小さいことを特徴とする
燃料電池。
A fuel cell according to any one of claims 1 to 5,
The porous carbon particles having a particle size of the fuel cell, wherein the smaller Ikoto than pore size of pores in which the conductive porous body is provided.
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JP5391968B2 (en) * 2009-09-29 2014-01-15 株式会社Gsユアサ Gas diffusion layer for polymer electrolyte fuel cell and method for producing the same
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0854502A (en) * 1994-08-11 1996-02-27 Catalysts & Chem Ind Co Ltd Coating solution for forming colored low resistance film, colored low resistance film and glass article on which colored low resistance film is formed
JP4195299B2 (en) * 2001-03-19 2008-12-10 日本電気株式会社 Fuel cell electrode and fuel cell using the same
JP2002343403A (en) * 2001-05-16 2002-11-29 Mitsubishi Chemicals Corp Operating method of fuel cell
JP2004349076A (en) * 2003-05-21 2004-12-09 Matsushita Electric Ind Co Ltd Electrode material for polymer electrolyte fuel cell and method for producing the same
KR100708642B1 (en) * 2003-11-21 2007-04-18 삼성에스디아이 주식회사 Medium porous carbon molecular sieve and supported catalyst using the same

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