JP2006164947A - Polymer electrolyte type fuel cell - Google Patents

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Tsuneaki Tamachi
恒昭 玉地
Fumiharu Iwasaki
文晴 岩崎
Kazutaka Yuzurihara
一貴 譲原
Takashi Sarada
孝史 皿田
Toru Ozaki
徹 尾崎
Takamasa Yanase
考応 柳瀬
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problem that an output power of a solid polymer electrolyte fuel cell is lowered because of low electron conductivity, as far as a conventional current collection method through a gas diffusion layer is used. <P>SOLUTION: The current collector layer is made of a metallic porous body having gas permeability. A contact layer is formed by arranging the porous body made of carbon on a face contacting an electrode of the metallic porous body, and by the contact of an electrode of the metallic porous body 100 and a textile made of long carbon fiber. The formation of the contact layer is promoted by making the diameter of a warp 102 and weft 103 of the aggregated carbon fiber smaller than the diameter of the pore 101 of the metallic porous body. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、携帯機器等の電源に用いる高分子電解質型燃料電池、特にその電極に関する。   The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell used for a power source of a portable device or the like, particularly to an electrode thereof.

近年、ノート型パソコンや携帯電話等のモバイル機器の電源として燃料電池の可能性が検討されている。そこで、“携帯形の燃料電池装置”は高圧の水素をボンベに詰めて用いる方法(例えば特許文献1参照。)。   In recent years, the possibility of a fuel cell as a power source for mobile devices such as notebook computers and mobile phones has been studied. Therefore, a “portable fuel cell device” is a method in which high-pressure hydrogen is packed in a cylinder (see, for example, Patent Document 1).

また、メタノールを直接電極上で反応(DMFC)させる方法が提案されている(例えば特許文献2参照。)。   In addition, a method of reacting methanol directly on an electrode (DMFC) has been proposed (see, for example, Patent Document 2).

これらの燃料電池の反応性は三相界面の状態が支配的であるとされている(尚、三相界面とは、電解質−触媒電極−反応ガスの3者が接する界面である。)、(例えば非特許文献1参照。)。   The reactivity of these fuel cells is said to be dominated by the state of the three-phase interface (the three-phase interface is the interface where the electrolyte, catalyst electrode, and reaction gas are in contact with each other) ( For example, refer nonpatent literature 1.).

そのため効率的に発電するためには、良好な三相界面を常に維持しなければならず、触媒層に隣接する集電体を兼ねたガス拡散層(GDL)には、(1)電子導電性が高いこと、(2)ガスの拡散性・通気性が高いこと、(3)反応で生成した水または水蒸気を効率的に排出する、(4)電気化学的に安定である等の機能が求められる。これらの機能を満たすGDLとして従来は、カーボンペーパー等のカーボン製の支持集電体が多く用いられてきた。   Therefore, in order to generate electricity efficiently, a good three-phase interface must always be maintained. The gas diffusion layer (GDL) that also serves as a current collector adjacent to the catalyst layer has (1) electronic conductivity. It is required to have functions such as (2) high gas diffusibility and air permeability, (3) efficient discharge of water or water vapor generated by the reaction, and (4) electrochemical stability. It is done. Conventionally, carbon support current collectors such as carbon paper have been widely used as GDLs that satisfy these functions.

そこで、GDLにカーボンペーパー等の材料を用いた場合、発電セルの内部抵抗を低減するためには、GDLと触媒層との密着性を向上するために、押し付けなければならない。しかし、従来からあるカーボンペーパー等のカーボン製多孔質体を用いる場合、面方向に繊維が発達しており、押し付けることによって空隙が潰れてしまい、上記のガスあるいは生成水の通気性能が低減するなどといった課題があった。これを解決するために、空孔率の高い発泡金属等を使用することも検討されている(例えば特許文献3参照。)。
特開平09−092318号公報 特開2001−313046号公報 特開2004−140001号公報 表面技術、46巻、1995年、702項
Therefore, when a material such as carbon paper is used for the GDL, in order to reduce the internal resistance of the power generation cell, it must be pressed to improve the adhesion between the GDL and the catalyst layer. However, when using a conventional carbon porous body such as carbon paper, the fibers are developed in the surface direction, the gaps are crushed by pressing, and the ventilation performance of the gas or generated water is reduced. There was a problem. In order to solve this, the use of a foam metal having a high porosity has been studied (for example, see Patent Document 3).
JP 09-092318 A JP 2001-313046 A JP 2004-140001 A Surface Technology, 46, 1995, paragraph 702

従来のカーボンペーパーを用いた場合は、カソード極において、水の蒸発が十分ではなくフラッディングを起こしやすかった。しかし、カーボンペーパーに変わり発泡金属を用いた場合は空孔度が高く水を蒸発させる場合に有利ではあるが、発泡金属の端面は凹凸であり、発泡金属と触媒層が接触する面積が小さくなり、電子伝導性が高く取れないため、所望の出力が得られない。   When conventional carbon paper was used, water evaporation was not sufficient at the cathode electrode, and flooding was likely to occur. However, when foam metal is used instead of carbon paper, the porosity is high and it is advantageous when water is evaporated, but the end surface of the foam metal is uneven, and the area where the foam metal and the catalyst layer come into contact is reduced. Since the electron conductivity is not high, a desired output cannot be obtained.

上記に示す課題を解決するために、プロトン導電性の樹脂からなる電解質層の両面にそれぞれ触媒層を形成したアノード極及びカソード極を有し、各電極の電解質層と反対側の面に集電体層を有する固体高分子電解質型燃料電池において、集電体層がガス透過性を有する金属多孔質体からなり、金属多孔質体の電極と接する面にカーボン製の多孔質体を配置する構造とした。さらに、前記ガス透過性を有する金属多孔質体は、2種類以上の孔径の異なる金属多孔質体を組み合わせて用いる。特に、カーボン製の多孔質体と接する面の側には孔径の小さい金属多孔質体を用い、カーボン製の多孔質体と接する面の反対側には、孔径の大きな金属多孔質体を組み合わせて用いる。この時、孔径の大きな金属多孔質体として、曲げ強度が高い材料が好ましく、発泡金属体を用いる以外にも、開孔率が40%以上を有するパンチングメタルやエキスパンドメタルなどを用いる。   In order to solve the above-described problems, each of the electrolyte layers made of proton conductive resin has an anode electrode and a cathode electrode on which catalyst layers are formed, and current collecting is performed on the surface of each electrode opposite to the electrolyte layer. In a solid polymer electrolyte fuel cell having a body layer, the current collector layer is made of a gas-permeable metal porous body, and the carbon porous body is disposed on the surface of the metal porous body in contact with the electrode It was. Further, the metal porous body having gas permeability is used in combination of two or more kinds of metal porous bodies having different pore diameters. In particular, use a metal porous body with a small pore size on the side that contacts the carbon porous body, and a metal porous body with a large pore size on the opposite side of the surface that contacts the carbon porous body. Use. At this time, as the metal porous body having a large pore diameter, a material having a high bending strength is preferable. Besides using a foam metal body, a punching metal or an expanded metal having an open area ratio of 40% or more is used.

金属多孔質体は骨格が海綿の様に3次元の網目状になっており、その端面は無数の開放端を有する球の集合体である様に近似できる。この時の球と近似される1つを単位空孔104とする。金属多孔質体をカーボン製の多孔質体へ押し付ける。図3(a)に、長繊維糸のカーボン繊維が集合してなる緯糸102と経糸103とで構成される織物と単位空孔104を示す。図3(b)に、金属多孔質体がカーボン製の多孔質体に接した状態を示す。図3(b)の状態では、長繊維糸のカーボン繊維が集合してなる緯糸102と経糸103はその結束を保った状態である。図3(c)に、金属多孔質体をカーボン製の多孔質体に矢印110の方向で押し付けた場合を示す。図3(c)に示す状態では、単位空孔104を押し付けることで、緯糸102と経糸103を外に押し出す力111が生じ、単位空孔104の開放部に位置する緯糸102または経糸103のいずれか、またはその両方の結束が緩む。これらの過程によって、コンタクト層が形成される。このコンタクト層はカーボン製の多孔質体とカソード極に開放された外気の2相で構成される“固−気界面層”を形成し、繊維と繊維の間隔が広がり、空気を取り入れた小空間が、固−気界面層を増大させる。さらに、コンタクト層は、金属多孔質体の断面に生じた矩形でその先端がクサビ状の端面を有する突起が長繊維糸のカーボン繊維が集合してなる緯糸102と経糸103に突き刺さり、炭素繊維の束に深く入り込み強固で、接触面積を増大させた接触界面部つまり固−固界面層を形成する。   The porous metal body has a three-dimensional network structure like a sponge, and its end face can be approximated to be an aggregate of spheres having numerous open ends. One approximated to a sphere at this time is defined as a unit hole 104. The metal porous body is pressed against the carbon porous body. FIG. 3A shows a woven fabric composed of weft yarns 102 and warp yarns 103 formed by collecting carbon fibers of long fiber yarns, and unit holes 104. FIG. 3B shows a state in which the metal porous body is in contact with the carbon porous body. In the state of FIG. 3B, the weft 102 and the warp 103 formed by aggregating the carbon fibers of the long fiber yarn are in a state in which the binding is maintained. FIG. 3C shows a case where the metal porous body is pressed against the carbon porous body in the direction of the arrow 110. In the state shown in FIG. 3C, pressing the unit hole 104 generates a force 111 that pushes the weft 102 and the warp 103 outward, and either the weft 102 or the warp 103 positioned at the open portion of the unit hole 104. Either or both of these bonds loosen. A contact layer is formed by these processes. This contact layer forms a “solid-gas interface layer” composed of a carbon porous body and two phases of the open air open to the cathode electrode. Increases the solid-gas interface layer. Further, the contact layer has a rectangular shape formed in the cross section of the metal porous body, and a protrusion having a wedge-shaped end surface pierces the weft 102 and the warp 103 in which carbon fibers of long fiber yarns are gathered, and the carbon fiber A contact interface portion, that is, a solid-solid interface layer that penetrates into the bundle deeply and is strong and has an increased contact area is formed.

このようなコンタクト層を発達させることで、固−気界面層を増大させることにより、燃料電池の電気化学反応によって、カソード極の触媒層で生じた水の蒸発を促進する効果がある。   By developing such a contact layer, increasing the solid-gas interface layer has an effect of promoting the evaporation of water generated in the cathode catalyst layer by the electrochemical reaction of the fuel cell.

これによって、従来のカーボンペーパーを用いた場合は、カソード極において、水の蒸発が十分ではなくフラッディングを起こしやすかったが、回避が可能となる。また、所望の出力を維持できる。   As a result, when conventional carbon paper is used, water evaporation is not sufficient at the cathode electrode and flooding is likely to occur, but it can be avoided. Moreover, a desired output can be maintained.

また、“固−固界面層”が増大することで、電子伝導性に影響を及ぼす接触抵抗を低減する効果がある。このとき、前記ガス透過性を有する金属多孔質体に、2種類以上の孔径の異なる金属多孔質体を組み合わせ、且つ、孔径の大きな金属多孔質体として、曲げ強度が高い材料を用いることで、前記コンタクト層を面方向対して均質に形成することで、面内の接触抵抗のばらつきを抑制する効果により、最大出力も向上することが期待できる。   In addition, an increase in the “solid-solid interface layer” has an effect of reducing the contact resistance affecting the electron conductivity. At this time, by combining the metal porous body having gas permeability with two or more kinds of metal porous bodies having different pore diameters, and using a metal porous body having a large pore diameter, a material having high bending strength, By forming the contact layer uniformly with respect to the surface direction, it can be expected that the maximum output is also improved due to the effect of suppressing variations in in-plane contact resistance.

さらに、コンタクト層を形成することで、クサビ状の端面を有する金属多孔質体の先端が触媒層及び電解質膜と直接接することを防ぎ、貫通や短絡による信頼性低減を抑制するような効果がある。また、コンタクト層を形成することで、金属多孔質と異なる金属材料で構成された触媒金属が直接接することがないため、局所電池の働き等による腐食等の発生を抑制する効果がある。   Furthermore, by forming the contact layer, it is possible to prevent the tip of the porous metal body having a wedge-shaped end face from coming into direct contact with the catalyst layer and the electrolyte membrane, and to suppress the reduction in reliability due to penetration or short circuit. . Further, by forming the contact layer, the catalyst metal made of a metal material different from the metal porous material is not in direct contact with each other, so that it is effective to suppress the occurrence of corrosion or the like due to the action of the local battery.

本発明のカーボン製の多孔質体は長繊維糸のカーボン繊維が集合してなる緯糸102と経糸103とで構成される織物等を用いる事ができ、その模式図を図2に示す。このとき、金属多孔質体100の電極と長繊維糸のカーボン繊維で構成される織物が接することで、コンタクト層が形成される。ここで、金属多孔質体として発泡金属を用いた場合、その単位となる空孔は針状の金属で形成された内部に空隙を有する球状の構造である。コンタクト層の形成に用いる金属多孔質体の断面を、図1に模式する。この時、多孔度が80%以上で100%に近い金属多孔質の内部存在する空隙を擬似的に球とした場合に、球の直径に相当する値を孔径101とする。そのため、カーボン繊維が集合してなる糸の緯糸102と経糸103の直径は金属多孔質体の孔径101よりも小さくすることで、コンタクト層の形成が促進される構成とする。   The carbon porous body of the present invention can use a woven fabric or the like composed of weft yarns 102 and warp yarns 103 in which carbon fibers of long fiber yarns are aggregated, and a schematic diagram thereof is shown in FIG. At this time, the contact layer is formed by contacting the electrode of the metal porous body 100 and the fabric composed of the carbon fibers of the long fiber yarn. Here, when a foam metal is used as the metal porous body, the pores serving as the unit have a spherical structure having a void inside the needle-shaped metal. A cross section of the porous metal body used for forming the contact layer is schematically shown in FIG. At this time, when the void inside the porous metal having a porosity of 80% or more and close to 100% is assumed to be a pseudo sphere, the value corresponding to the diameter of the sphere is defined as the pore diameter 101. For this reason, the diameters of the weft yarn 102 and the warp yarn 103 formed by collecting carbon fibers are made smaller than the hole diameter 101 of the metal porous body, so that the formation of the contact layer is promoted.

図4に本発明の実施例を示す。ここで、本発明のカソード極の場合において、プロトン導電性の樹脂からなる電解質層107の配置してある面から外気に向かって外側と呼び、外気から電解質層107の存在する側へ向かって内側と呼ぶ。この時、プロトン導電性の樹脂からなる電解質層107に接する外側の位置に微粒子状の触媒を担持したカーボン粒子を含む触媒層108を配置する。触媒層108とカーボン製の多孔質体102および103の間にPTFEなどで撥水処理を施したカーボン粒子で構成される導電性を有する撥水層109を形成する。この撥水層109の外側に隣接する位置に長繊維糸のカーボン繊維が集合してなる緯糸102と経糸103とで構成される織物であるカーボン製の多孔質体を配置する。更に、長繊維糸のカーボン繊維が集合してなる緯糸102と経糸103とで構成される織物であるカーボン製の多孔質体の外側の位置に、ガス透過性を有する金属多孔質体100からなる集電体層を配置する構造とした。   FIG. 4 shows an embodiment of the present invention. Here, in the case of the cathode electrode of the present invention, it is called the outside from the surface on which the electrolyte layer 107 made of proton conductive resin is arranged to the outside, and the inside from the outside to the side where the electrolyte layer 107 exists. Call it. At this time, a catalyst layer 108 containing carbon particles carrying fine particles of catalyst is disposed at an outer position in contact with the electrolyte layer 107 made of proton conductive resin. Between the catalyst layer 108 and the carbon porous bodies 102 and 103, a water-repellent layer 109 having conductivity made of carbon particles subjected to water-repellent treatment with PTFE or the like is formed. A porous body made of carbon, which is a woven fabric composed of weft yarns 102 and warp yarns 103 formed by collecting carbon fibers of long fiber yarns, is disposed at a position adjacent to the outside of the water repellent layer 109. Further, the metal porous body 100 having gas permeability is formed at a position outside the carbon porous body, which is a woven fabric composed of weft yarns 102 and warp yarns 103 formed by gathering carbon fibers of long fiber yarns. The current collector layer is arranged.

本発明の燃料電池で用いるプロトン導電性の樹脂からなる電解質層107は、常温で、プロトン導電性を示すパーフルオロ樹脂膜やエンジニアリングプラスチックの複合化等のグラフト重合膜、部分フッ素化膜を用いることが出来るが、それらの材質に限定されない。   The electrolyte layer 107 made of a proton conductive resin used in the fuel cell of the present invention is made of a perfluoro resin film that exhibits proton conductivity at room temperature, a graft polymer film such as a composite of engineering plastic, or a partially fluorinated film. However, it is not limited to those materials.

カソード極の触媒層108、及び、アノード極の触媒層に用いる触媒は白金を担持したカーボンを用いることが出来る。また、電極の触媒元素として、白金に限らず各種合金や酸化物を用いる事が出来る。   As the catalyst used for the cathode electrode catalyst layer 108 and the anode electrode catalyst layer, platinum-supported carbon can be used. The catalyst element of the electrode is not limited to platinum, and various alloys and oxides can be used.

金属製多孔質体100は通気性能や通液性能以外にも、電子伝導性に富み、耐食性が高く、機械的強度を有することが要求される。そのため、機械的強度を持たせた骨格と電子伝導性を持たせた伝導層と耐食性の保護層の3つの機能をそれぞれ異なる種類の材料で構成されていても良いが、3つの異なる機能を金属の単体または合金で行なうことも可能である。例えば、金属チタン、金属ニッケル、又は、ニッケルークロムの合金、又は、ステンレス鋼を使用することができる。   The metal porous body 100 is required to have a high electron conductivity, a high corrosion resistance, and a mechanical strength, in addition to the air permeability and the liquid permeability. Therefore, the three functions of the skeleton with mechanical strength, the conductive layer with electron conductivity, and the protective layer with corrosion resistance may be composed of different types of materials, but the three different functions are It is also possible to carry out with the simple substance or alloy. For example, metal titanium, metal nickel, nickel-chromium alloy, or stainless steel can be used.

金属製多孔質体は、金属繊維の焼結体、粉末金属の焼結体等にすることができる。金属製多孔質体100として、金属製ワイヤーを編んだ網やエキスパンドメタル、パンチングメタル(孔形状:丸穴、スリット、ヘリボン、角穴、スリット出窓スクリーン)を組み合わせて用いることができる。多孔率や通気の連通孔を考慮すると、金属多孔質体として発泡金属体を用いることが最も望ましい。金属製多孔質体として、発泡金属体を用いた場合、骨格が海綿のように3次元の網目状になっているため、非常に高い多孔率により高い通気性能または通液性能を有する。発泡金属体の製法は、原粉粉末と、水溶性樹脂バインダーと、非水溶性炭化水素系有機溶剤である発泡剤と、必要に応じて添加される界面活性剤と、残部の水および不可避不純物とを混合してなる発泡スラリーを原料として、焼成された発泡焼結金属によって構成された発泡金属体でも良い。あるいは、発泡ウレタンに導電性処理を行ってからメッキをし、必要に応じて熱処理を行うメッキプロセスで製造したものによって構成された発泡金属体でも良い。さらに、金属製多孔質体は、2種類以上の孔径の異なる金属多孔質体を組み合わせて用いることが良い。特に、カーボン製の多孔質体と接する面の側には孔径の小さい金属多孔質体を用い、カーボン製の多孔質体と接する面の反対側には、孔径の大きな金属多孔質体を組み合わせて用いる。この時、孔径の大きな金属多孔質体として、曲げ強度が高い材料が好ましく、発泡金属体を用いる以外にも、開孔率が40%以上を有するパンチングメタルやエキスパンドメタルなどを用いることが出来る。   The metal porous body can be a sintered body of metal fibers, a sintered body of powder metal, or the like. As the metal porous body 100, a net woven with metal wire, an expanded metal, or a punching metal (hole shape: round hole, slit, herribbon, square hole, slit bay window screen) can be used in combination. In consideration of the porosity and vent holes, it is most desirable to use a metal foam body as the metal porous body. When a foam metal body is used as the metal porous body, the skeleton has a three-dimensional network like a sponge, and therefore has a high air permeability or liquid permeability due to a very high porosity. The method for producing the foam metal body is as follows: raw powder, water-soluble resin binder, foaming agent which is a water-insoluble hydrocarbon-based organic solvent, surfactant added as necessary, remaining water and inevitable impurities It is also possible to use a foamed metal body composed of a fired foamed sintered metal using a foamed slurry obtained by mixing the above as a raw material. Alternatively, it may be a metal foam body formed by a plating process in which urethane foam is subjected to electroconductive treatment and then subjected to heat treatment as necessary. Furthermore, the metal porous body is preferably used in combination of two or more kinds of metal porous bodies having different pore diameters. In particular, use a metal porous body with a small pore size on the side that contacts the carbon porous body, and a metal porous body with a large pore size on the opposite side of the surface that contacts the carbon porous body. Use. At this time, as the metal porous body having a large pore diameter, a material having high bending strength is preferable, and besides using a foam metal body, a punching metal or an expanded metal having an open area ratio of 40% or more can be used.

金属多孔質体100はカソードにおいて生成した水蒸気が大気中に拡散し易いように、空孔度が60%以上の金属製多孔質体を厚さ0.5mm以上で用いる。より好ましくは、空孔度が90〜98%の金属製多孔質体を厚さ0.5mm以上2mm以下で用いる。また、圧縮強度は0.01〜0.15Kg/mm3が好ましい。発泡金属体100を用いる場合、金属製の単位空孔104の平均直径、つまり孔径101は炭素製の多孔質材料の炭素繊維の径より大きければ良く、0.3mm以上3.2mm以下が好ましい。より好ましくは孔径が0.6mm以上1mm以下である。これは、カソード極の触媒層108で必要とする空気の通気性を高めるには孔径が大きい方が好ましい。しかし、発泡金属体の孔径101が大き過ぎる場合、炭素製の多孔質は機械的強度が低く、炭素製多孔質体との接点が減少すると同時に、荷重110を強めると押し付けた部分のみが局所的に圧縮され、潰れる。この時、炭素製多孔質体でガスの拡散する通路の(パス)の連続性が失われ、通気性が低下する。また逆に、発泡金属体の孔径101が小さ過ぎる場合、繊維が孔密着、または孔を塞ぎ、炭素製多孔質体でガスの拡散する通路の(パス)の連続性が失われ、通気性が低下することにより、生成した水蒸気や水の排出においても阻害する。これら通気性の低下や生成物の排出性の阻害は燃料電池の発電において、連続発電時に出力の低下を招く。このときの通気性を圧力損失で換算すると0.5m/sの風速において、10mmaq以下、より好ましくは、5mmaq以下となる。水分を蒸発させる際に、必要となる比表面積は500以上15000m2/m3である。 For the metal porous body 100, a metal porous body having a porosity of 60% or more is used with a thickness of 0.5 mm or more so that water vapor generated at the cathode is easily diffused into the atmosphere. More preferably, a metal porous body having a porosity of 90 to 98% is used with a thickness of 0.5 mm to 2 mm. The compressive strength is preferably 0.01 to 0.15 kg / mm 3 . In the case of using the metal foam body 100, the average diameter of the metal unit holes 104, that is, the hole diameter 101 may be larger than the diameter of the carbon fiber of the carbon porous material, and is preferably 0.3 mm or more and 3.2 mm or less. More preferably, the hole diameter is 0.6 mm or more and 1 mm or less. In order to improve the air permeability required for the catalyst layer 108 of the cathode electrode, it is preferable that the hole diameter is large. However, when the pore diameter 101 of the metal foam body is too large, the carbon porous material has low mechanical strength, and the contact with the carbon porous material decreases. At the same time, when the load 110 is increased, only the pressed portion is localized. Compressed and crushed. At this time, the continuity of the path in which the gas diffuses in the carbon porous body is lost, and the air permeability is lowered. On the other hand, if the pore diameter 101 of the metal foam body is too small, the fibers are in close contact with the pores or block the pores, and the continuity of the path in which the gas diffuses in the carbon porous body is lost, and the air permeability is lost. By lowering, the generated steam and water are also inhibited from being discharged. Such a decrease in air permeability and inhibition of product discharge properties cause a decrease in output during continuous power generation in power generation of the fuel cell. When the air permeability at this time is converted into pressure loss, it becomes 10 mmaq or less, more preferably 5 mmaq or less at a wind speed of 0.5 m / s. When evaporating water, the required specific surface area is 500 or more and 15000 m 2 / m 3 .

上記金属製多孔質体100を電極に組み込む際は、酸化防止のためのメッキや金属溶射等を行なうことが望ましい。メッキ材料としては金やタンタルを用いることが望ましい。また、カーボン製多孔質体と接することでコンタクト層を形成する面は酸化皮膜の除去を行なうことが好ましい。酸化皮膜の除去はサンドペーパーやサンブラストなどの物理的除去や塩酸、硫酸、硝酸等の酸性溶液で酸洗処理を行う方法を用いることが出来る。   When the metal porous body 100 is incorporated into an electrode, it is desirable to perform plating for preventing oxidation, metal spraying, or the like. It is desirable to use gold or tantalum as the plating material. Further, it is preferable to remove the oxide film on the surface on which the contact layer is formed by being in contact with the carbon porous body. The removal of the oxide film can be performed by physical removal of sandpaper or sunblast, or by pickling with an acidic solution such as hydrochloric acid, sulfuric acid, or nitric acid.

本発明ではカソードまたはアノード少なくとも1方の極に発泡金属体100とカーボン製の多孔質体を同時に用いるという構成にした。   In the present invention, the foamed metal body 100 and the carbon porous body are used simultaneously for at least one of the cathode and the anode.

カーボン製多孔質体として、紙状の“カーボンファイバーペーパー(以下、CFPと略す)”を用いることができる。カーボンファイバーペーパーは、短繊維をバインダーで結着させて作製したカーボン材料においては短繊維の10mm以上を用いることができる。   As the carbon porous body, paper-like “carbon fiber paper (hereinafter abbreviated as CFP)” can be used. Carbon fiber paper can use 10 mm or more of short fiber in the carbon material produced by binding short fiber with a binder.

コンタクト層を形成するためには、複数本の炭素繊維 が集合してなる緯糸と経糸とで構成される織物を用いることが好ましい。この複数本の炭素繊維 が集合してなる緯糸と経糸とで構成される織物を “カーボンクロス(以下、CLと略す)”と呼ぶことがある。カーボン材料の純度は85%以上が好ましく、その密度は1.72〜2.1g/ccが好ましい。繊維径は1〜20μmが好ましい。緯糸と経糸とで構成される織物の場合、緯糸および経糸の密度は15〜25本/cmが好ましく。カーボン材料の密度は8〜200g/m2を有することが好ましく、より好ましくは、80〜200g/m2を有することが好ましい。そのカーボン材料を無加重における厚さは180〜450μmが好ましく、より好ましくは、280〜400μmである。その生地は、平編、フライス編、鹿の子編等を用いることができるが、平編みが好まれる。炭素材料の空孔度は70〜90%が好ましい。 In order to form the contact layer, it is preferable to use a woven fabric composed of wefts and warps formed by aggregating a plurality of carbon fibers. A fabric composed of wefts and warps formed by aggregating a plurality of carbon fibers is sometimes referred to as “carbon cloth (hereinafter abbreviated as CL)”. The purity of the carbon material is preferably 85% or more, and its density is preferably 1.72 to 2.1 g / cc. The fiber diameter is preferably 1 to 20 μm. In the case of a woven fabric composed of weft and warp, the density of the weft and the warp is preferably 15 to 25 yarns / cm. The density of the carbon material is preferably 8 to 200 g / m 2 , more preferably 80 to 200 g / m 2 . The thickness of the carbon material without load is preferably 180 to 450 μm, more preferably 280 to 400 μm. As the fabric, flat knitting, milling knitting, Kanoko knitting and the like can be used, but flat knitting is preferred. The porosity of the carbon material is preferably 70 to 90%.

ここで、PTFEなどで撥水処理を施したカーボン粒子で構成される導電性を有する撥水層109とその外側に隣接する長繊維糸のカーボン繊維が集合してなる緯糸102と経糸103を合わせてカーボン製多孔質体111とする。この通気性の低下や生成物の排出性に影響の度合いから、カーボン製多孔質体111および金属製多孔質体100の積層方向の総厚さは3.1mm以下が好ましい。また、カーボン製多孔質体111は0.9mm以下が好ましく、上記金属製多孔質体100の厚みも、3.0mm以下が好ましい。よって、図5に前記カーボン製多孔質体111の厚みをt1、前記金属製多孔質体100の厚みをt2の関係を示す。このt2/t1の比が7.5[−]以下であることがのぞましい。また、図6にカーボン製の多孔質体111と金属多孔質体100を外側から観察した鳥瞰図を示す。このとき、カーボン製の多孔質体111の面積112をS1、前記金属多孔質体100の面積113をS2とする。この時の、S2/S1の比が1以上であることが好ましい。 Here, the conductive water-repellent layer 109 composed of carbon particles subjected to water-repellent treatment with PTFE or the like and the weft 102 and the warp 103 formed by aggregating the carbon fibers of the long fiber yarn adjacent to the outside are combined. The carbon porous body 111 is obtained. The total thickness in the stacking direction of the carbon porous body 111 and the metal porous body 100 is preferably 3.1 mm or less in view of the degree of influence on the decrease in air permeability and the product dischargeability. The carbon porous body 111 is preferably 0.9 mm or less, and the thickness of the metal porous body 100 is preferably 3.0 mm or less. Therefore, FIG. 5 shows the relationship between the thickness of the carbon porous body 111 as t1 and the thickness of the metallic porous body 100 as t2. The ratio of t2 / t1 is preferably 7.5 [−] or less. FIG. 6 shows a bird's-eye view of the carbon porous body 111 and the metal porous body 100 observed from the outside. At this time, the area 112 of the carbon porous body 111 is S 1 , and the area 113 of the metal porous body 100 is S 2 . At this time, the ratio of S 2 / S 1 is preferably 1 or more.

さらに、金属製多孔質体100の表面を撥水化処理することで、反応によって生じた水蒸気や水を速やかに排出するため、前記金属製多孔質体100の表面の少なくとも一部に撥水処理を施すことが望ましい。または、前記金属製多孔質体100の表面の少なくとも一部に親水処理を施すことが望ましい。さらに、前記金属製多孔質体100の表面に撥水処理と親水処理を区分して同時に施すことが望ましい。撥水化処理は純金をコートする方法、黒鉛等のカーボンをコートする方法、フッ素を含有する有機物をコートする方法、を用いることで可能となる。金をコートする方法は電解メッキ、無電解メッキ、溶射、蒸着、スッパリング等のいずれの方法を用いることができる。カーボンの場合は前述の方法のほかにバインダーと混合した溶液やスラリーを塗布することも可能である。フッ素を含有する有機物をコートの方法として、フッ素含有物を加熱炉中に配置し、前記のフッ素を含有する有機物の分解温度近傍(400℃以下)まで熱処理し、その分解蒸気を当てることで被覆することができる。または、おおよそ粒径が1〜15μmに揃ったフッ素を含有する有機物の微粒子を水、アルコール又はその他の有機溶剤に分散させた分散溶剤中に、金属製多孔質体100を浸漬後、金属製多孔質体100を引き上げ、金属製多孔質体100の表面に付着した余分な溶剤を除去後、金属製多孔質体100にコートされたフッ素を含有する有機物の分散溶剤の溶媒の沸点以上の温度に加熱することにより乾燥除去し、その後、フッ素を含有する有機物の分解温度近傍以下の温度(400℃以下)を用い加熱炉内で、熱処理することが出来る。ここで、フッ素を含有する有機物として、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合樹脂(PFA)、エチレン-テトラフルオロエチレンコポリマー(ETFE)、パーフルオロエチレン-プロペンコポリマー(FEP)、ポリビニリデンフルオライド(PVdF)、エチレン-クロロトリフルオロエチレンコポリマー(ECTFE)などを用いることができる。   Furthermore, water repellent treatment is performed on at least a part of the surface of the metal porous body 100 in order to quickly discharge water vapor and water generated by the reaction by performing water repellency treatment on the surface of the metal porous body 100. It is desirable to apply. Alternatively, it is desirable to perform a hydrophilic treatment on at least a part of the surface of the metal porous body 100. Furthermore, it is desirable that the surface of the metal porous body 100 is subjected to water repellent treatment and hydrophilic treatment separately. The water repellent treatment can be performed by using a method of coating pure gold, a method of coating carbon such as graphite, or a method of coating an organic substance containing fluorine. As a method for coating gold, any method such as electrolytic plating, electroless plating, thermal spraying, vapor deposition, and sputtering can be used. In the case of carbon, in addition to the method described above, it is also possible to apply a solution or slurry mixed with a binder. Coating with fluorine-containing organic material as a coating method, placing the fluorine-containing material in a heating furnace, heat-treating it to near the decomposition temperature of the organic material containing fluorine (400 ° C. or less), and applying the decomposition vapor can do. Or, after immersing the metal porous body 100 in a dispersion solvent in which organic fine particles containing fluorine having a particle diameter of approximately 1 to 15 μm are dispersed in water, alcohol or other organic solvent, the metal porous After pulling up the solid body 100 and removing excess solvent adhering to the surface of the metal porous body 100, the temperature is equal to or higher than the boiling point of the organic dispersion solvent containing fluorine coated on the metal porous body 100. It can be dried and removed by heating, and then heat-treated in a heating furnace at a temperature not higher than the decomposition temperature of organic matter containing fluorine (400 ° C. or lower). Here, as an organic substance containing fluorine, polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer resin (PFA), ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), perfluoroethylene-propene copolymer ( FEP), polyvinylidene fluoride (PVdF), ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), and the like can be used.

さらに、特に、ポリビニリデンフルオライド(PVdF)を用いる場合は、N−メチルピロリドン等の有機溶媒に希釈後、金属製多孔質体100を浸漬後、前出の方法を用いて、コートする方法を用いることができる。
フッ素を含有する有機物のコートに伴う熱処理は大気中、または、真空中の何れかで実施することが出来るが、真空中で行なうことがより望ましい。
Furthermore, in particular, when polyvinylidene fluoride (PVdF) is used, a method of coating using the above-described method after immersing the metal porous body 100 after being diluted in an organic solvent such as N-methylpyrrolidone. Can be used.
The heat treatment accompanying the coating of the organic substance containing fluorine can be performed in the air or in vacuum, but it is more preferable to perform it in vacuum.

さらに、撥水性のカーボン層109は導電性を有するカーボンと上述したフッ素を含有する有機物の混合物を用いて、形成することができる。撥水性のカーボン層109に用いる導電性を有するカーボンとして、ファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルブラック、ランプブラックで分類されるカ−ボンブラック類は特異な粒子形状により比表面積が大きく好ましい。比表面積は用いる炭素質材料の種類によっても異なるが、同一炭素質材料であっても粉砕工程を経た後の粒径の分布の度合いによっても異なる。本発明でもちいる炭素質材料は比表面積(BET法)が5〜50m2/gに分布していることが好ましく、より好ましくは10〜35m2/gに分布しているものがよい。   Further, the water-repellent carbon layer 109 can be formed using a mixture of conductive carbon and the above-described organic material containing fluorine. Carbon blacks classified as furnace black, channel black, thermal black, and lamp black as conductive carbon used for the water-repellent carbon layer 109 preferably have a large specific surface area due to their unique particle shape. The specific surface area varies depending on the type of carbonaceous material used, but also varies depending on the degree of particle size distribution after the pulverization step even if the same carbonaceous material is used. The carbonaceous material used in the present invention preferably has a specific surface area (BET method) distributed in a range of 5 to 50 m <2> / g, more preferably 10 to 35 m <2> / g.

ここで、図7に発電セルの全体について説明する。発電素子114は金属多孔質体100を除き、構成される。その構成要素とは、プロトン導電性の樹脂からなる電解質層107、カソードの触媒層108、アノードの触媒層、押さえ部110、カーボン製多孔質体111、および燃料の漏れを防ぐためのパッキンで構成される。カソード極の発電素子1114の外側に金属製多孔質体100を配置し、この金属製多孔質体100に荷重をくわえるために押さえ板110を配置する。押さえ板110は金属製多孔質体100に外気を供給するためのスリットまたはそれ以外の形状の貫通孔があいている。この押さえ板110はアノード集電部117に発電素子114に荷重を加え、アノード極の導通をとる。ここで、押さえ板に荷重を加える方法として、押さえ板110にボルト116を貫通させ筐体119に締め付ける方法を用いることができる。更に、筐体119には、アノード極に燃料となる水素を供給するための燃料供給部118を配置することが出来る。   Here, the whole power generation cell will be described with reference to FIG. The power generation element 114 is configured except for the metal porous body 100. The constituent elements include an electrolyte layer 107 made of proton conductive resin, a cathode catalyst layer 108, an anode catalyst layer, a holding portion 110, a carbon porous body 111, and a packing for preventing leakage of fuel. Is done. A metal porous body 100 is disposed outside the power generation element 1114 at the cathode electrode, and a pressing plate 110 is disposed in order to add a load to the metal porous body 100. The holding plate 110 has a slit for supplying outside air to the metal porous body 100 or a through-hole having another shape. The holding plate 110 applies a load to the power generation element 114 to the anode current collector 117 and establishes conduction of the anode electrode. Here, as a method of applying a load to the pressing plate, a method of passing the bolt 116 through the pressing plate 110 and fastening it to the housing 119 can be used. Further, the housing 119 can be provided with a fuel supply unit 118 for supplying hydrogen as fuel to the anode electrode.

金属製多孔質体100から直接電極のリード115を接続することが好ましい。特に、2種類以上の金属製多孔質体(2)からリードを出す場合は少なくとも一方と電気的接続を保てば良い。金属製多孔質体にリードを接続する方法は接触による電気的接続を用いることができるが、抵抗溶接、レーザー溶接、超音波溶接等の手段を用いることができる。   It is preferable to connect the electrode leads 115 directly from the metal porous body 100. In particular, when a lead is taken out from two or more kinds of metallic porous bodies (2), it is only necessary to maintain electrical connection with at least one of them. As a method of connecting the lead to the metal porous body, electrical connection by contact can be used, but means such as resistance welding, laser welding, and ultrasonic welding can be used.

金属製多孔質体100を加重する押さえ部113の材質として、ポリエキレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリフェニレンスルファイドなどの高分子ポリマー、酸化アルミナなどのセラミックス、金属製多孔質体110と同様な金属材料、フェライト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレスステンレス鋼、スプロン等の耐食性のバネ性金属材料を用いることができる。特に、高分子ポリマーを用いる場合は、ガラスで繊維を強化した材料を用いることが良い。   As a material of the pressing portion 113 for applying weight to the metal porous body 100, polymer polymers such as polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, polyphenylene sulfide, ceramics such as alumina oxide, metal materials similar to the metal porous body 110, Corrosion-resistant spring-like metal materials such as ferritic stainless steel, martensitic stainless steel, austenitic stainless stainless steel, and spron can be used. In particular, when a polymer is used, it is preferable to use a material in which fibers are reinforced with glass.

燃料とする水素は水素発生物質と発生を促進する物質を組み合わせることで発生させる。ここに、水素発生物質と発生を促進する物質の組み合わせの例をそれぞれ括弧で括り、次に列挙する。(水酸化ナトリウム、金属アルミニウム)、(水素化ホウ素ナトリウム、水)、(水素化ホウ素ナトリウム、硫酸)、(水素化ホウ素ナトリウム、リンゴ酸)、(水素化ホウ素ナトリウム、クエン酸)、(水素化ホウ素ナトリウム、シュウ酸)、(水素化ホウ素ナトリウム、)、(水素化ホウ素ナトリウム、塩化コバルト)、(水素化ホウ素ナトリウム、塩化ニッケル)、(水素化ホウ素ナトリウム、金属コバルト粉末)、(水素化ホウ素ナトリウム、ニッケル粉末)、(水素化ホウ素ナトリウム、ホウ酸)、(水素化リチウム、水)、(水素化ナトリウム、水)、(水素化マグネシウム,水)、(水素化カルシウム、水)、(水素化アルミリチウム、水)。これらの水素発生物質として水素化ホウ素ナトリウムを用いる場合、水以外に、各種無機酸、有機酸、遷移金属の塩化物等を用いることができる。   Hydrogen as a fuel is generated by combining a hydrogen generating substance and a substance that promotes generation. Here, examples of combinations of hydrogen generating substances and substances that promote generation are enclosed in parentheses and listed below. (Sodium hydroxide, metallic aluminum), (sodium borohydride, water), (sodium borohydride, sulfuric acid), (sodium borohydride, malic acid), (sodium borohydride, citric acid), (hydrogenated) Sodium borohydride, oxalic acid), (sodium borohydride), (sodium borohydride, cobalt chloride), (sodium borohydride, nickel chloride), (sodium borohydride, cobalt metal powder), (borohydride) Sodium, nickel powder), (sodium borohydride, boric acid), (lithium hydride, water), (sodium hydride, water), (magnesium hydride, water), (calcium hydride, water), (hydrogen Aluminum aluminium, water). When sodium borohydride is used as these hydrogen generating substances, various inorganic acids, organic acids, transition metal chlorides, and the like can be used in addition to water.

本発明の電源を応用が可能な機器を下記の通り、分類して例示する。〔1〕2〜20級Wの機器として、ノートパソコン,タッチパネル入力パソコン,映像機器用外付け電源,照明機器,ハンディクリーナをあげることができ、〔2〕1〜2W程度を必要とする機器として、デジタルスチルカメラ,ヘルス機器,携帯電話,ウェアラブル携帯電話,オーダーエントリーシステム端末,携帯プリンタ,電動工具,自動車電話,トランシーバ,ペン入力パソコン,電子ブックプレーヤ,液晶テレビ,ウェアラブルテレビ,電気シェーバ,を上げることができる。更に、〔3〕1W以下で動作できる機器、ウェアラブルパソコン,腕型PHS,電子辞書,玩具,医療機器,ウェアラブル医療機器,ページャ,ウェアラブル電卓,ウェアラブルGPSシステム,音声入力機器,メモリカード,テープレコーダ,ラジオ,ヘッドホンステレオ,ポータブルDVD,電子手帳,コードレスフォン子機,ポータブルMD,ポータブルCD,カムコーダー,ゲーム機器,を例示することができる。特に、本発明は〔2〕、〔3〕に示す小型または薄型が求められ、さらに軽量であることが必要なアプリケーションにおいて、有効な電源として最も寄与する。   Devices that can be applied with the power supply of the present invention are classified and exemplified as follows. [1] Examples of 2 to 20 class W equipment include notebook computers, touch panel input personal computers, external power supplies for video equipment, lighting equipment, and handy cleaners. [2] Equipment requiring about 1 to 2 W , Digital still cameras, health equipment, mobile phones, wearable mobile phones, order entry system terminals, mobile printers, power tools, car phones, transceivers, pen input PCs, electronic book players, LCD TVs, wearable TVs, electric shavers be able to. [3] Devices capable of operating at 1 W or less, wearable personal computers, arm-type PHSs, electronic dictionaries, toys, medical devices, wearable medical devices, pagers, wearable calculators, wearable GPS systems, voice input devices, memory cards, tape recorders, Examples include a radio, a headphone stereo, a portable DVD, an electronic notebook, a cordless phone, a portable MD, a portable CD, a camcorder, and a game machine. In particular, the present invention contributes most effectively as an effective power source in applications that require a small size or a thin shape as shown in [2] and [3] and further require a light weight.

本発明に基づき、カソード触媒層108およびアノード触媒層が予め固体電解質膜107に形成された市販の膜電極接合体の両側から繊維状のカーボン製多孔質体を用いて挟持した。そのとき、カソードの触媒層108とカーボン製多孔質体111の外周部にスペーサーの役目を兼ねたパッキンを配置する。同様にアノード触媒層とカーボン製多孔質体の外周部にスペーサーの役目を兼ねたパッキンを配置する。
この電解質膜107の厚みは30μmである。この電解質膜のカソード極側およびアノード極側の両極を共に、触媒として白金を0.3mg/cm2で分散(担持)させたカーボン粒子とプロトン導電性のフッ素系固体電解質により触媒層が構成されている。触媒層の寸法は20mm×25mmとした。パッキンに用いたゴム硬度は約50%で、厚さ200μmを所望の寸法に切り出して使用した。この膜電極接合体の両側から挟持するカーボン製多孔質体111の厚さは300〜440μmの厚さを有した。このカーボン製多孔質体111の表面に撥水性を有する導電性のカーボンを含む層109を予め形成し、撥水性を有する導電性のカーボンを含む層109と触媒層が電気的に接続するように配置した。このカーボン製多孔質体111の面積112は、触媒層よりも面積比で約30%の割合で面積が大きい。
In accordance with the present invention, the cathode catalyst layer 108 and the anode catalyst layer were sandwiched from both sides of a commercially available membrane electrode assembly formed in advance on the solid electrolyte membrane 107 using a fibrous carbon porous body. At that time, packing that also serves as a spacer is disposed on the outer periphery of the cathode catalyst layer 108 and the carbon porous body 111. Similarly, packing that also serves as a spacer is disposed on the outer periphery of the anode catalyst layer and the carbon porous body.
The thickness of the electrolyte membrane 107 is 30 μm. A catalyst layer is composed of carbon particles in which platinum is dispersed (supported) at 0.3 mg / cm 2 as a catalyst on both the cathode electrode side and the anode electrode side of this electrolyte membrane and a proton conductive fluorine-based solid electrolyte. ing. The size of the catalyst layer was 20 mm × 25 mm. The rubber hardness used for the packing was about 50%, and a thickness of 200 μm was cut into a desired dimension and used. The carbon porous body 111 sandwiched from both sides of the membrane electrode assembly had a thickness of 300 to 440 μm. A layer 109 containing conductive carbon having water repellency is formed in advance on the surface of the carbon porous body 111 so that the layer 109 containing conductive carbon having water repellency and the catalyst layer are electrically connected. Arranged. The area 112 of the carbon porous body 111 is larger than the catalyst layer at an area ratio of about 30%.

このカーボン製多孔質体111と金属製多孔質体100をもちいて、コンタクト層を形成した。この金属製多孔質体100として、厚さ2.0mmのニッケル製の発泡金属体(富山住友電工製、セルメット、品番#4)を金属ハサミにより、30mm×42mmの寸法に切り出した。この金属多孔質体は、セル数が27〜33個/インチ、孔径が0.8mm、比表面積が約2500m2/m3の特性を有する。この金属多孔質体に電子を取り出すために厚さ0.1mm、幅7.0mmのニッケル製の帯び状のリード線を抵抗溶接により直接溶接した。金属製多孔質体100でリード115と溶接部は予め圧延し、平面を出すものとする。リード115の溶接は3.0mm間隔で、約30mmに渡って行なった。
このリード115のついた金属製多孔質体100の表面に撥水処理を行なった。撥水処理は、このリードのついた金属製多孔質体100を、フッ素を含有する樹脂の微粉末の分散溶液(デュポン製、DryFilm、RA)に浸漬し、金属製多孔質体100の表面の全面をPTFE微粉末によって被覆し、120℃の温風乾燥庫にて20分間、溶媒の除去を実施した。さらに、300℃に加熱し、フッ素を含む樹脂による皮膜を発泡金属の全面に渡って広げた。
Using this carbon porous body 111 and metal porous body 100, a contact layer was formed. As this metal porous body 100, a nickel foam metal body (manufactured by Sumitomo Electric, Celmet, product number # 4) having a thickness of 2.0 mm was cut into a size of 30 mm × 42 mm with metal scissors. This metal porous body has the characteristics that the number of cells is 27 to 33 / inch, the pore diameter is 0.8 mm, and the specific surface area is about 2500 m 2 / m 3 . In order to take out electrons from the porous metal body, nickel-like lead wires having a thickness of 0.1 mm and a width of 7.0 mm were directly welded by resistance welding. In the metal porous body 100, the lead 115 and the welded portion are rolled in advance to obtain a flat surface. The lead 115 was welded at intervals of 3.0 mm over about 30 mm.
The surface of the metal porous body 100 with the leads 115 was subjected to water repellent treatment. In the water-repellent treatment, the metallic porous body 100 with the leads is dipped in a fine powder dispersion solution of fluorine-containing resin (DuPont, DryFilm, RA), and the surface of the metallic porous body 100 is immersed. The entire surface was covered with PTFE fine powder, and the solvent was removed in a hot air drying oven at 120 ° C. for 20 minutes. Furthermore, it heated at 300 degreeC and the film | membrane by the resin containing a fluorine was spread over the whole surface of the foam metal.

撥水処理により、この金属製多孔質体100の表面が絶縁性の高い樹脂によりコートされるので、絶縁され、電子導電性を失う。そこで、金属製多孔質体100のカーボン製多孔質体111と接する面をサンドペーパー(1000番)により、研磨することで、前記フッ素を含有する樹脂の皮膜を除去し、更に、金属製多孔質体110の表面の酸化皮膜も除去した。金属製多孔質体110を、1mm間隔で凸凹形状の水素供給部118を有するアノード極の集電体117に、ステンレススチール製の押さ部110を用い、ボルト116により締めつけた。このとき発電素子114の周囲に配置されたボルト116はトルクドライバー(東日製、RTD120CN型)にて、50CNm以下のトルクで締め付けた。そして、上述したパラメータとして、t1=0.2mm、t2=2.0mm、t2/t1=10[−]なるセルを作成した。このとき、発泡金属はカーボン製の多孔質体を3kgf/cm2の荷重で押しつけている。このように作成したセルを実施例1とする。このセルに純度99.99%で、24℃なる水素を単位面積あたり、10cc/min・cm2の流量で、出口のガス圧が概ね大気圧になるように調整供給した。カソード側は約40%RH、25℃の大気に暴露した。このとき、電子負荷装置(菊水電子工業製、KFM2030型)を使用し、セルに対する負荷を0A/cm2〜0.8A/cm2の間で変化させ、その時の電圧を記録計にて記録した。その際の結果を図8に示す。 By the water repellent treatment, the surface of the metal porous body 100 is coated with a highly insulating resin, so that it is insulated and loses its electronic conductivity. Therefore, the surface of the metal porous body 100 in contact with the carbon porous body 111 is polished with sandpaper (# 1000) to remove the resin film containing fluorine, and further the metal porous body The oxide film on the surface of the body 110 was also removed. The metal porous body 110 was fastened with a bolt 116 to a current collector 117 of an anode electrode having uneven hydrogen supply portions 118 at intervals of 1 mm, using a pressed portion 110 made of stainless steel. At this time, the bolt 116 disposed around the power generation element 114 was tightened with a torque driver (Tohichi, RTD120CN type) with a torque of 50 CNm or less. Then, cells having t 1 = 0.2 mm, t 2 = 2.0 mm, and t 2 / t 1 = 10 [−] were created as the parameters described above. At this time, the foam metal presses the porous body made of carbon with a load of 3 kgf / cm 2 . The cell created in this way is referred to as Example 1. 99.99% pure in this cell, per unit area of hydrogen comprising 24 ° C., at a flow rate of 10cc / min · cm 2, and regulated supply such that the gas pressure at the outlet is substantially atmospheric pressure. The cathode side was exposed to an atmosphere of about 40% RH and 25 ° C. At this time, an electronic load device (KFM2030, manufactured by Kikusui Electronics Co., Ltd.) was used, the load on the cell was changed between 0 A / cm 2 and 0.8 A / cm 2 , and the voltage at that time was recorded with a recorder. . The result at that time is shown in FIG.

グラフより、0.3A/sqcmにおける電圧は約0.7V近傍であることがわかる。次に、このセルに上述したガス供給条件にて、0.3A/sqcmの出力を維持しながら、電圧の変化を記録した。この結果を図.10に記載する。時間の経過と共に、電圧が変化し、その変化の度合いを図6に実施例1として示す。この時、0.6Vの電圧を18時間以上に渡り、維持しつづけた。18時間時点の電圧は0.636Vであった。   From the graph, it can be seen that the voltage at 0.3 A / sqcm is around 0.7V. Next, a change in voltage was recorded in this cell while maintaining an output of 0.3 A / sqcm under the gas supply conditions described above. Fig. 10. The voltage changes over time, and the degree of the change is shown as Example 1 in FIG. At this time, the voltage of 0.6 V was maintained for 18 hours or more. The voltage at 18 hours was 0.636V.

上記実施例1で、PTFE微粉末を用いた撥水処理を行なわなかったが、金属製多孔質体の表面の酸化皮膜の除去を一面のみ行なった以外は全て同じ条件で作製した燃料電池を実施例7とする。上述した条件と同じく、0.3A/sqcmの出力を維持しながら、電圧の変化を記録した。この結果を図9に実施例2として、記載する。これより、本発明の固体電解質型燃料電池用電極を用いた燃料電池は優れた電圧維持特性を示すことが解かる。18時間時点の電圧は0.628Vであった。   In Example 1 above, the water-repellent treatment using the PTFE fine powder was not performed, but the fuel cell produced under the same conditions was used except that only one surface of the metal porous body was removed of the oxide film. Example 7 is used. Similar to the conditions described above, the change in voltage was recorded while maintaining an output of 0.3 A / sqcm. The results are shown as Example 2 in FIG. From this, it can be seen that the fuel cell using the solid oxide fuel cell electrode of the present invention exhibits excellent voltage maintaining characteristics. The voltage at 18 hours was 0.628V.

上記実施例1で、PTFE微粉末を用いた撥水処理を行なわず、酸化皮膜の除去も行なわなかった以外は全て同じ条件で作製した燃料電池を実施例3とする。上述した条件と同じく、0.3A/sqcmの出力を維持しながら、電圧の変化を記録した。この結果を図9に実施例3として、記載する。これより、本発明の固体電解質型燃料電池用電極を用いた燃料電池は優れた電圧維持特性を示すことが解かる。18時間時点の電圧は0.546Vであった。   A fuel cell manufactured in the same manner as in Example 1 except that the water-repellent treatment using the PTFE fine powder was not performed and the oxide film was not removed is referred to as Example 3. Similar to the conditions described above, the change in voltage was recorded while maintaining an output of 0.3 A / sqcm. The results are shown as Example 3 in FIG. From this, it can be seen that the fuel cell using the solid oxide fuel cell electrode of the present invention exhibits excellent voltage maintaining characteristics. The voltage at 18 hours was 0.546V.

本発明に基づき、カソード触媒層204およびアノード触媒層202が予め固体電解質膜203に形成された市販の膜電極接合体の両側から繊維状のカーボン製多孔質体201およびカーボン製多孔質体205を用いて挟持した。そのとき、カソードの触媒層204とカーボン製多孔質体205の外周部にスペーサーの役目を兼ねたパッキンを配置する。同様にアノード触媒層202とカーボン製多孔質体の外周部にスペーサーの役目を兼ねたパッキンを配置する。
この電解質膜203の厚みは30μmである。この電解質膜のカソード極側およびアノード極側の両極を共に、触媒として白金を0.3mg/cm2で分散(担持)させたカーボン粒子とプロトン導電性のフッ素系固体電解質により触媒層が構成されている。触媒層の寸法は直径11mmの円形とした。パッキンに用いたゴム硬度は約50%で、厚さ200μmを所望の寸法に切り出して使用した。この膜電極接合体の両側から挟持するカーボン製多孔質体201とカーボン製多孔質体205の厚さは300〜440μmの厚さを有した。このカーボン製多孔質体201とカーボン製多孔質体205の表面に撥水性を有する導電性のカーボンを含む層を予め形成し、撥水性を有する導電性のカーボンを含む層と触媒層が電気的に接続するように配置した。
In accordance with the present invention, fibrous carbon porous body 201 and carbon porous body 205 are formed from both sides of a commercially available membrane electrode assembly in which cathode catalyst layer 204 and anode catalyst layer 202 are previously formed on solid electrolyte membrane 203. Used to pinch. At this time, packing that also serves as a spacer is disposed on the outer periphery of the cathode catalyst layer 204 and the carbon porous body 205. Similarly, a packing that also serves as a spacer is disposed on the outer periphery of the anode catalyst layer 202 and the carbon porous body.
The thickness of the electrolyte membrane 203 is 30 μm. A catalyst layer is composed of carbon particles in which platinum is dispersed (supported) at 0.3 mg / cm 2 as a catalyst on both the cathode electrode side and the anode electrode side of this electrolyte membrane and a proton conductive fluorine-based solid electrolyte. ing. The size of the catalyst layer was a circle having a diameter of 11 mm. The rubber hardness used for the packing was about 50%, and a thickness of 200 μm was cut into a desired dimension and used. The carbon porous body 201 and the carbon porous body 205 sandwiched from both sides of the membrane electrode assembly had a thickness of 300 to 440 μm. A layer containing water-repellent conductive carbon is formed in advance on the surfaces of the carbon porous body 201 and the carbon porous body 205, and the water-repellent conductive carbon-containing layer and the catalyst layer are electrically connected. Arranged to connect to.

このカーボン製多孔質体205と金属製多孔質体206をもちいて、コンタクト層を形成した。この金属製多孔質体206として、厚さ1.0mmのニッケル製の発泡金属体(三菱マテリアル製)を金属ハサミにより、直径20mmの円形に切り出した。この金属多孔質体は、平均孔径は、300μmである。   Using this carbon porous body 205 and metal porous body 206, a contact layer was formed. As the metal porous body 206, a nickel foam metal body (manufactured by Mitsubishi Materials) having a thickness of 1.0 mm was cut into a circle having a diameter of 20 mm using metal scissors. This metal porous body has an average pore diameter of 300 μm.

1mm間隔でスリット部を有する燃料供給部、兼アノード極の集電体200と、ステンレススチール製の押さ板207を用い、ボルト208により、上述した発電要素を締めつけた。このステンレススチール製の押さ板207には、通気性の穴を有し、電子を取り出すためリード接続した。また、このステンレススチール製の押さ板207とボルト部は絶縁を施してある。このとき発電素子の周囲に配置されたボルト208はトルクドライバー(東日製、RTD120CN型)にて、50CNm以下のトルクで締め付けた。そして、上述したパラメータとして、t1=0.2mm、t2=1.0mm、t2/t1=5[−]なるセルを作成した。このように作成したセルを実施例4とする。また、図10に本発明の実施の形態を模式的に示した。このときの、このセルに純度99.99%で、24℃なる水素を単位面積あたり、10cc/min・cm2の流量で、出口のガス圧が概ね大気圧になるように調整し供給した。カソード側は約40%RH、25℃の大気に暴露した。このとき、電子負荷装置(菊水電子工業製、KFM2030型)を使用し、セルに対する負荷を0A/cm2〜1.0A/cm2の間で変化させ、その時の電圧を記録計にて記録した。図13に実施例1、および実施例4で作製された燃料電池の電流/電圧特性をしめす。 The above-described power generating element was fastened with bolts 208 using a fuel supply portion having slit portions at intervals of 1 mm, a current collector 200 serving as an anode, and a pressing plate 207 made of stainless steel. This stainless steel pressing plate 207 had a breathable hole and was connected by lead to take out electrons. The stainless steel pressing plate 207 and the bolt are insulated. At this time, the bolt 208 arranged around the power generation element was tightened with a torque driver (Tohnichi, RTD120CN type) with a torque of 50 CNm or less. Then, as the parameters described above, t 1 = 0.2mm, t 2 = 1.0mm, t 2 / t 1 = 5 - was created consisting Cell []. The cell created in this way is referred to as Example 4. FIG. 10 schematically shows an embodiment of the present invention. At this time, hydrogen having a purity of 99.99% and a temperature of 24 ° C. was supplied to the cell at a flow rate of 10 cc / min · cm 2 at a flow rate of 10 cc / min · cm 2 so that the gas pressure at the outlet was approximately atmospheric pressure. The cathode side was exposed to an atmosphere of about 40% RH and 25 ° C. At this time, an electronic load device (KFM2030 type, manufactured by Kikusui Electronics Co., Ltd.) was used, and the load on the cell was changed between 0 A / cm2 and 1.0 A / cm2, and the voltage at that time was recorded with a recorder. FIG. 13 shows the current / voltage characteristics of the fuel cells produced in Example 1 and Example 4.

本発明に基づき、カソード触媒層204およびアノード触媒層202が予め固体電解質膜203に形成された市販の膜電極接合体の両側から繊維状のカーボン製多孔質体201およびカーボン製多孔質体205を用いて挟持した。そのとき、カソードの触媒層204とカーボン製多孔質体205の外周部にスペーサーの役目を兼ねたパッキンを配置する。同様にアノード触媒層202とカーボン製多孔質体の外周部にスペーサーの役目を兼ねたパッキンを配置する。   In accordance with the present invention, fibrous carbon porous body 201 and carbon porous body 205 are formed from both sides of a commercially available membrane electrode assembly in which cathode catalyst layer 204 and anode catalyst layer 202 are previously formed on solid electrolyte membrane 203. Used to pinch. At this time, packing that also serves as a spacer is disposed on the outer periphery of the cathode catalyst layer 204 and the carbon porous body 205. Similarly, a packing that also serves as a spacer is disposed on the outer periphery of the anode catalyst layer 202 and the carbon porous body.

この電解質膜203の厚みは30μmである。この電解質膜のカソード極側およびアノード極側の両極を共に、触媒として白金を0.3mg/cm2で分散(担持)させたカーボン粒子とプロトン導電性のフッ素系固体電解質により触媒層が構成されている。触媒層の寸法は直径11mmの円形とした。パッキンに用いたゴム硬度は約50%で、厚さ200μmを所望の寸法に切り出して使用した。この膜電極接合体の両側から挟持するカーボン製多孔質体201とカーボン製多孔質体205の厚さは300〜440μmの厚さを有した。このカーボン製多孔質体201とカーボン製多孔質体205の表面に撥水性を有する導電性のカーボンを含む層を予め形成し、撥水性を有する導電性のカーボンを含む層と触媒層が電気的に接続するように配置した。 The thickness of the electrolyte membrane 203 is 30 μm. A catalyst layer is composed of carbon particles in which platinum is dispersed (supported) at 0.3 mg / cm 2 as a catalyst on both the cathode electrode side and the anode electrode side of this electrolyte membrane and a proton conductive fluorine-based solid electrolyte. ing. The size of the catalyst layer was a circle having a diameter of 11 mm. The rubber hardness used for the packing was about 50%, and a thickness of 200 μm was cut into a desired dimension and used. The carbon porous body 201 and the carbon porous body 205 sandwiched from both sides of the membrane electrode assembly had a thickness of 300 to 440 μm. A layer containing water-repellent conductive carbon is formed in advance on the surfaces of the carbon porous body 201 and the carbon porous body 205, and the water-repellent conductive carbon-containing layer and the catalyst layer are electrically connected. Arranged to connect to.

このカーボン製多孔質体205と金属製多孔質体206をもちいて、コンタクト層を形成した。この金属製多孔質体206として、厚さ1.0mmのニッケル製の発泡金属体(三菱マテリアル製)を金属ハサミにより、直径20mmの円形に切り出した。この金属多孔質体は、平均孔径は、300μmである。   Using this carbon porous body 205 and metal porous body 206, a contact layer was formed. As the metal porous body 206, a nickel foam metal body (manufactured by Mitsubishi Materials) having a thickness of 1.0 mm was cut into a circle having a diameter of 20 mm using metal scissors. This metal porous body has an average pore diameter of 300 μm.

さらに、このコンタクト層を安定に形成するため、金属製多孔質体206に接し、炭素製の多孔質体の反対側の面に、金属製多孔質体206とは、孔径の異なる金属製多孔質体210を配置した。この金属製多孔質体210とは、板厚さ0.3mmのニッケルから作製したエキスパンドメタルであり、網の短目方向の中心距離(SW)1.8mm、網の長目方向の中心距離(LW)3.0mm、刻み幅(W)0.5mmの特性を有する。   Further, in order to stably form this contact layer, a metal porous body 206 that is in contact with the metal porous body 206 and has a pore diameter different from that of the metal porous body 206 on the opposite surface of the carbon porous body. The body 210 was placed. The metal porous body 210 is an expanded metal made of nickel having a plate thickness of 0.3 mm. The center distance (SW) of the mesh in the short direction is 1.8 mm, and the center distance in the long direction of the mesh ( LW) 3.0 mm, step width (W) 0.5 mm.

1mm間隔でスリット部を有する燃料供給部、兼アノード極の集電体200と、ステンレススチール製の押さ板207を用い、ボルト208により、上述した発電要素を締めつけた。このステンレススチール製の押さ板207には、通気性の穴を有し、電子を取り出すためリードを接続した。また、このステンレススチール製の押さ板207とボルト部は絶縁を施してある。このとき発電素子の周囲に配置されたボルト208はトルクドライバー(東日製、RTD120CN型)にて、50CNm以下のトルクで締め付けた。そして、上述したパラメータとして、t1=0.2mm、t2=1.0mm、t2/t1=5[−]なるセルを作成した。このように作成したセルを実施例4とする。また、図10に本発明の実施の形態を模式的に示した。このときの、このセルに純度99.99%で、24℃なる水素を単位面積あたり、10cc/min・cm2の流量で、出口のガス圧が概ね大気圧になるように調整し供給した。カソード側は約40%RH、25℃の大気に暴露した。このとき、電子負荷装置(菊水電子工業製、KFM2030型)を使用し、セルに対する負荷を0A/cm2〜1.0A/cm2の間で変化させ、その時の電圧を記録計にて記録した。図13に実施例1、実施例4および、実施例5で作製された燃料電池の単位面積当たりの最大出力を比較して示す。 The above-described power generating element was fastened with bolts 208 using a fuel supply portion having slit portions at intervals of 1 mm, a current collector 200 serving as an anode, and a pressing plate 207 made of stainless steel. This stainless steel pressing plate 207 had a breathable hole, and a lead was connected to take out electrons. The stainless steel pressing plate 207 and the bolt are insulated. At this time, the bolt 208 arranged around the power generation element was tightened with a torque driver (Tohichi, RTD120CN type) with a torque of 50 CNm or less. Then, as the parameters described above, t 1 = 0.2mm, t 2 = 1.0mm, t 2 / t 1 = 5 - was created consisting Cell []. The cell created in this way is referred to as Example 4. FIG. 10 schematically shows an embodiment of the present invention. At this time, hydrogen having a purity of 99.99% and a temperature of 24 ° C. was supplied to the cell at a flow rate of 10 cc / min · cm 2 at a flow rate of 10 cc / min · cm 2 so that the gas pressure at the outlet was approximately atmospheric pressure. The cathode side was exposed to an atmosphere of about 40% RH and 25 ° C. At this time, an electronic load device (KFM2030, manufactured by Kikusui Electronics Co., Ltd.) was used, and the load on the cell was changed between 0 A / cm 2 and 1.0 A / cm 2 , and the voltage at that time was recorded with a recorder. . FIG. 13 shows a comparison of the maximum output per unit area of the fuel cells produced in Example 1, Example 4, and Example 5.

本発明に基づき、カソード触媒層204およびアノード触媒層202が予め固体電解質膜203に形成された市販の膜電極接合体の両側から繊維状のカーボン製多孔質体201およびカーボン製多孔質体205を用いて挟持した。そのとき、カソードの触媒層204とカーボン製多孔質体205の外周部にスペーサーの役目を兼ねたパッキンを配置する。同様にアノード触媒層202とカーボン製多孔質体の外周部にスペーサーの役目を兼ねたパッキンを配置する。   In accordance with the present invention, fibrous carbon porous body 201 and carbon porous body 205 are formed from both sides of a commercially available membrane electrode assembly in which cathode catalyst layer 204 and anode catalyst layer 202 are previously formed on solid electrolyte membrane 203. Used to pinch. At this time, packing that also serves as a spacer is disposed on the outer periphery of the cathode catalyst layer 204 and the carbon porous body 205. Similarly, a packing that also serves as a spacer is disposed on the outer periphery of the anode catalyst layer 202 and the carbon porous body.

この電解質膜203の厚みは30μmである。この電解質膜のカソード極側およびアノード極側の両極を共に、触媒として白金を0.3mg/cm2で分散(担持)させたカーボン粒子とプロトン導電性のフッ素系固体電解質により触媒層が構成されている。触媒層の寸法は直径11mmの円形とした。パッキンに用いたゴム硬度は約50%で、厚さ200μmを所望の寸法に切り出して使用した。この膜電極接合体の両側から挟持するカーボン製多孔質体201とカーボン製多孔質体205の厚さは300〜440μmの厚さを有した。このカーボン製多孔質体201とカーボン製多孔質体205の表面に撥水性を有する導電性のカーボンを含む層を予め形成し、撥水性を有する導電性のカーボンを含む層と触媒層が電気的に接続するように配置した。 The thickness of the electrolyte membrane 203 is 30 μm. A catalyst layer is composed of carbon particles in which platinum is dispersed (supported) at 0.3 mg / cm 2 as a catalyst on both the cathode electrode side and the anode electrode side of this electrolyte membrane and a proton conductive fluorine-based solid electrolyte. ing. The size of the catalyst layer was a circle having a diameter of 11 mm. The rubber hardness used for the packing was about 50%, and a thickness of 200 μm was cut into a desired dimension and used. The carbon porous body 201 and the carbon porous body 205 sandwiched from both sides of the membrane electrode assembly had a thickness of 300 to 440 μm. A layer containing water-repellent conductive carbon is formed in advance on the surfaces of the carbon porous body 201 and the carbon porous body 205, and the water-repellent conductive carbon-containing layer and the catalyst layer are electrically connected. Arranged to connect to.

このカーボン製多孔質体205と金属製多孔質体206をもちいて、コンタクト層を形成した。この金属製多孔質体206として、厚さ1.0mmのニッケル製の発泡金属体(三菱マテリアル製)を金属ハサミにより、直径20mmの円形に切り出した。この金属多孔質体は、平均孔径は、300μmである。   Using this carbon porous body 205 and metal porous body 206, a contact layer was formed. As the metal porous body 206, a nickel foam metal body (manufactured by Mitsubishi Materials) having a thickness of 1.0 mm was cut into a circle having a diameter of 20 mm using metal scissors. This metal porous body has an average pore diameter of 300 μm.

さらに、このコンタクト層を安定に形成するため、金属製多孔質体206に接し、炭素製の多孔質体の反対側の面に、金属製多孔質体206とは孔径の異なる金属製多孔質体210を配置した。この金属製多孔質体210とは、板厚さ0.3mmのニッケルから作製したエキスパンドメタルであり、網の短目方向の中心距離(SW)1.8mm、網の長目方向の中心距離(LW)3.0mm、刻み幅(W)0.5mmの特性を有する。   Further, in order to stably form this contact layer, a metal porous body that is in contact with the metal porous body 206 and has a pore diameter different from that of the metal porous body 206 on the opposite surface of the carbon porous body. 210 was placed. The metal porous body 210 is an expanded metal made of nickel having a plate thickness of 0.3 mm. The center distance (SW) of the mesh in the short direction is 1.8 mm, and the center distance in the long direction of the mesh ( LW) 3.0 mm, step width (W) 0.5 mm.

また、さらに、金属製多孔質体210に接し、金属製多孔質体206と反対の面に、さらに孔径の異なる金属製多孔質体211を配置した。この金属製多孔質体とは、厚さ1mmで、孔径2mmのステンレススチール製のパンチングメタルであり、孔のピッチは3.0mm、開孔率は約40.6%とした。   Further, a metal porous body 211 having a different pore diameter was disposed on the surface opposite to the metal porous body 206 in contact with the metal porous body 210. This metal porous body is a punching metal made of stainless steel having a thickness of 1 mm and a hole diameter of 2 mm, the hole pitch is 3.0 mm, and the opening ratio is about 40.6%.

1mm間隔でスリット部を有する燃料供給部、兼アノード極の集電体200と、ステンレススチール製の押さ板207を用い、ボルト208により、上述した発電要素を締めつけた。このステンレススチール製の押さ板207には、通気性の穴を有し、電子を取り出すためリード接続した。また、このステンレススチール製の押さ板207とボルト部は絶縁を施してある。このとき発電素子の周囲に配置されたボルト208はトルクドライバー(東日製、RTD120CN型)にて、50CNm以下のトルクで締め付けた。そして、上述したパラメータとして、t1=0.2mm、t2=1.0mm、t2/t1=5[−]なるセルを作成した。このように作成したセルを実施例4とする。また、図10に本発明の実施の形態を模式的に示した。このときの、このセルに純度99.99%で、24℃なる水素を単位面積あたり、10cc/min・cm2の流量で、出口のガス圧が概ね大気圧になるように調整し供給した。カソード側は約40%RH、25℃の大気に暴露した。このとき、電子負荷装置(菊水電子工業製、KFM2030型)を使用し、セルに対する負荷を0A/cm2〜1.0A/cm2の間で変化させ、その時の電圧を記録計にて記録した。
(比較例)
本発明に基づき、カソード触媒層204およびアノード触媒層202が予め固体電解質膜203に形成された市販の膜電極接合体の両側から繊維状のカーボン製多孔質体201およびカーボン製多孔質体205を用いて挟持した。そのとき、カソードの触媒層204とカーボン製多孔質体205の外周部にスペーサーの役目を兼ねたパッキンを配置する。同様にアノード触媒層202とカーボン製多孔質体の外周部にスペーサーの役目を兼ねたパッキンを配置する。
この電解質膜203の厚みは30μmである。この電解質膜のカソード極側およびアノード極側の両極を共に、触媒として白金を0.3mg/cm2で分散(担持)させたカーボン粒子とプロトン導電性のフッ素系固体電解質により触媒層が構成されている。触媒層の寸法は直径11mmの円形とした。パッキンに用いたゴム硬度は約50%で、厚さ200μmを所望の寸法に切り出して使用した。この膜電極接合体の両側から挟持するカーボン製多孔質体201とカーボン製多孔質体205の厚さは300〜440μmの厚さを有した。このカーボン製多孔質体201とカーボン製多孔質体205の表面に撥水性を有する導電性のカーボンを含む層を予め形成し、撥水性を有する導電性のカーボンを含む層と触媒層が電気的に接続するように配置した。
The above-described power generating element was fastened with bolts 208 using a fuel supply portion having slit portions at intervals of 1 mm, a current collector 200 serving as an anode, and a pressing plate 207 made of stainless steel. This stainless steel pressing plate 207 had a breathable hole and was connected by lead to take out electrons. The stainless steel pressing plate 207 and the bolt are insulated. At this time, the bolt 208 arranged around the power generation element was tightened with a torque driver (Tohichi, RTD120CN type) with a torque of 50 CNm or less. Then, cells having t 1 = 0.2 mm, t 2 = 1.0 mm, and t 2 / t 1 = 5 [−] were created as the parameters described above. The cell created in this way is referred to as Example 4. FIG. 10 schematically shows an embodiment of the present invention. At this time, hydrogen having a purity of 99.99% and a temperature of 24 ° C. was supplied to the cell at a flow rate of 10 cc / min · cm 2 per unit area so that the gas pressure at the outlet was approximately atmospheric pressure. The cathode side was exposed to an atmosphere of about 40% RH and 25 ° C. At this time, an electronic load device (KFM2030, manufactured by Kikusui Electronics Co., Ltd.) was used, and the load on the cell was changed between 0 A / cm 2 and 1.0 A / cm 2 , and the voltage at that time was recorded with a recorder. .
(Comparative example)
In accordance with the present invention, fibrous carbon porous body 201 and carbon porous body 205 are formed from both sides of a commercially available membrane electrode assembly in which cathode catalyst layer 204 and anode catalyst layer 202 are previously formed on solid electrolyte membrane 203. Used to pinch. At this time, packing that also serves as a spacer is disposed on the outer periphery of the cathode catalyst layer 204 and the carbon porous body 205. Similarly, a packing that also serves as a spacer is disposed on the outer periphery of the anode catalyst layer 202 and the carbon porous body.
The thickness of the electrolyte membrane 203 is 30 μm. A catalyst layer is composed of carbon particles in which platinum is dispersed (supported) at 0.3 mg / cm 2 as a catalyst on both the cathode electrode side and the anode electrode side of the electrolyte membrane and a proton conductive fluorine-based solid electrolyte. Yes. The size of the catalyst layer was a circle having a diameter of 11 mm. The rubber hardness used for the packing was about 50%, and a thickness of 200 μm was cut into a desired dimension and used. The carbon porous body 201 and the carbon porous body 205 sandwiched from both sides of the membrane electrode assembly had a thickness of 300 to 440 μm. A layer containing water-repellent conductive carbon is formed in advance on the surfaces of the carbon porous body 201 and the carbon porous body 205, and the water-repellent conductive carbon-containing layer and the catalyst layer are electrically connected. Arranged to connect to.

1mm間隔でスリット部を有する燃料供給部、兼アノード極の集電体200と、金メッキを施したステンレススチール製の押さ板212を用い、ボルト208により、実施例と同様に発電要素を締めつけた。このステンレススチール製の押さ板212には、通気性の穴213を有し、電子を取り出すためリード接続した。また、このステンレススチール製の押さ板212とボルト部は絶縁を施してある。このとき発電素子の周囲に配置されたボルト208はトルクドライバー(東日製、RTD120CN型)にて、50CNm以下のトルクで締め付けた。そして、上述したパラメータとして、t1=0.2mm、t2=1.0mm、t2/t1=5[−]なるセルを作成した。このように作成したセルを実施例4とする。また、図14に本発明の実施の形態を模式的に示した。このときの、このセルに純度99.99%で、24℃なる水素を単位面積あたり、10cc/min・cm2の流量で、出口のガス圧が概ね大気圧になるように調整し供給した。カソード側は約40%RH、25℃の大気に暴露した。このとき、電子負荷装置(菊水電子工業製、KFM2030型)を使用し、セルに対する負荷を0A/cm2〜1.0A/cm2の間で変化させ、その時の電圧を記録計にて記録した。図15に実施例1、および、従来例で作製された燃料電池の電流/電圧特性を示す。これより、いかなる電流においても、実施例1の燃料電池の電圧は、従来例の燃料電池の電圧よりも高く、性能が優れていることが明らかである。 A power supply element having a slit portion at 1 mm intervals, a current collector 200 serving as an anode electrode, and a push plate 212 made of stainless steel plated with gold were used to fasten a power generation element with bolts 208 in the same manner as in the example. This stainless steel pressing plate 212 has a breathable hole 213 and is connected to lead to take out electrons. Further, the stainless steel pressing plate 212 and the bolt portion are insulated. At this time, the bolt 208 arranged around the power generation element was tightened with a torque driver (Tohichi, RTD120CN type) with a torque of 50 CNm or less. Then, cells having t 1 = 0.2 mm, t 2 = 1.0 mm, and t 2 / t 1 = 5 [−] were created as the parameters described above. The cell created in this way is referred to as Example 4. FIG. 14 schematically shows an embodiment of the present invention. At this time, hydrogen having a purity of 99.99% and a temperature of 24 ° C. was supplied to the cell at a flow rate of 10 cc / min · cm 2 per unit area so that the gas pressure at the outlet was approximately atmospheric pressure. The cathode side was exposed to an atmosphere of about 40% RH and 25 ° C. At this time, an electronic load device (KFM2030, manufactured by Kikusui Electronics Co., Ltd.) was used, and the load on the cell was changed between 0 A / cm 2 and 1.0 A / cm 2 , and the voltage at that time was recorded with a recorder. . FIG. 15 shows current / voltage characteristics of the fuel cells manufactured in Example 1 and the conventional example. From this, it is clear that at any current, the voltage of the fuel cell of Example 1 is higher than the voltage of the fuel cell of the conventional example, and the performance is excellent.

本発明は固体電解質型燃料電池用の電極に用いることで、発電部のガス拡散と生成水の排出を容易とし、MEAの損壊を抑制し、アノード極での水分不足を抑制できる電極構成を提供することが可能となり、各種携帯型の電子機器用の燃料電池に利用できる。   The present invention provides an electrode configuration that can be used as an electrode for a solid oxide fuel cell to facilitate gas diffusion and discharge of generated water in the power generation unit, suppress MEA damage, and suppress moisture shortage at the anode electrode. And can be used for fuel cells for various portable electronic devices.

本発明の実施の形態における金属多孔質体を模式的に示した図。The figure which showed typically the metal porous body in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態におけるカーボン繊維が集合してなる緯糸と経糸で構成される織物を模式的に示した図。The figure which showed typically the textile fabric comprised by the weft formed by the carbon fiber in embodiment of this invention, and a warp. 本発明の実施の形態におけるコンタクト層の形成の様子を模式的に示した図。The figure which showed typically the mode of formation of the contact layer in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態におけるカソード極の発電要素の一部を横から観察した際の断面図。Sectional drawing at the time of observing a part of electric power generation element of the cathode pole in embodiment of this invention from the side. 本発明の実施の形態におけるカソード極側の発電要素の一部を横から観察した際の断面図。Sectional drawing at the time of observing a part of electric power generation element by the side of a cathode pole in embodiment of this invention from the side. カーボン製の多孔質体と金属多孔質体を外側から観察した鳥瞰図。The bird's-eye view which observed the porous body made from carbon, and the porous metal body from the outside. 本発明の実施の形態における発電要素を模式的に示した断面図。Sectional drawing which showed typically the electric power generation element in embodiment of this invention. 本発明の燃料電池の出力性能を測定したグラフ。The graph which measured the output performance of the fuel cell of this invention. 本発明の燃料電池の出力性能を測定し、比較したグラフ。The graph which measured and compared the output performance of the fuel cell of this invention. 本発明の実施の形態を模式的に示した図。The figure which showed embodiment of this invention typically. 本発明の実施の形態を模式的に示した図。The figure which showed embodiment of this invention typically. 本発明の実施の形態を模式的に示した図。The figure which showed embodiment of this invention typically. 実施例1、4、5に関る最大出力密度を示した図。The figure which showed the maximum output density regarding Example 1, 4, 5. FIG. 従来例の形態を模式的に示した図。The figure which showed the form of the prior art example typically. 実施例1と従来例に関る電流/電圧特性図。FIG. 3 is a current / voltage characteristic diagram related to Example 1 and a conventional example.

符号の説明Explanation of symbols

100 金属多孔質体
101 孔径
102 長繊維糸の結束状態の緯糸
103 長繊維糸の結束状態の経糸
104 単位空孔
105 金属多孔質体に荷重
106 カーボンの多孔質体の応力
107 プロトン導電性の樹脂からなる電解質層
108 触媒層
109 撥水性のカーボン層
110 押さえ部
111 カーボン製多孔質体
112 カーボン製の多孔質体111の面積
113 金属多孔質体100の面積
114 発電素子
115 リード
116 ボルト
117 アノード集電部
118 燃料供給部
119 アノード極筐体
t2 金属多孔質体の厚み
t1 カーボン製多孔質体の厚み
200 燃料供給部、兼アノード集電部
201 カーボン製多孔質体
202 アノード触媒層
203 プロトン導電性の樹脂からなる電解質層
204 カソード触媒層
205 カーボン製多孔質体
206 金属製多孔質体
207 押さえ板
208 ボルト
209 押さえ板
210 金属製多孔質体
211 金属製多孔質体
212 押さえ板
213 押さえ板の開口部
301 実施例5で作製された燃料電池の性能
302 従来例を用いて作製された燃料電池の性能
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Metal porous body 101 Pore diameter 102 Weft yarn 103 of long fiber yarns in a bundled state Warp yarn 104 in a bundled state of long fiber yarns 104 Unit void 105 Load on metal porous material 106 Stress on carbon porous material 107 Proton conductive resin Electrolyte layer 108 Catalyst layer 109 Water-repellent carbon layer 110 Holding portion 111 Carbon porous body 112 Area of carbon porous body 111 Area of metal porous body 100 114 Power generation element 115 Lead 116 Bolt 117 Anode collection Electrical section 118 Fuel supply section 119 Anode pole housing t2 Metal porous body thickness t1 Carbon porous body thickness 200 Fuel supply section and anode current collector 201 Carbon porous body 202 Anode catalyst layer 203 Proton conductivity Electrolyte layer 204 made of the above resin Cathode catalyst layer 205 Carbon porous body 206 Metal porous body 207 Presser plate 208 Bolt 209 Presser plate 210 Metal porous body 211 Metal porous body 212 Presser plate 213 Presser plate opening 301 Performance of fuel cell fabricated in Example 5 302 Conventional example Of a fuel cell fabricated using

Claims (18)

プロトン導電性の樹脂からなる電解質層の一方の面に触媒層を有するアノード極を他方の面に触媒層を有するカソード極を有し、前記アノード極及び前記カソード極の電解質層と接する面の反対側の面にそれぞれ集電体層を有する固体高分子電解質型燃料電池において、
前記集電体層がガス透過性の金属多孔質体からなり、前記金属多孔質体と前記アノード極が接する面もしくは前記金属多孔質体と前記カソード極が接する面にカーボン製の多孔質体を有する高分子電解質型燃料電池。
An anode having a catalyst layer on one side of an electrolyte layer made of proton conductive resin and a cathode having a catalyst layer on the other side, opposite to the surfaces of the anode and the cathode in contact with the electrolyte layer In a solid polymer electrolyte fuel cell having a current collector layer on each side surface,
The current collector layer is made of a gas-permeable metal porous body, and a carbon porous body is formed on a surface where the metal porous body and the anode electrode are in contact with each other or a surface where the metal porous body and the cathode electrode are in contact with each other. A polymer electrolyte fuel cell.
前記金属多孔質体と前記カーボン製の多孔質体の接する部分に、前記多孔質体と長繊維糸のカーボン繊維からなるコンタクト層を有する請求項1に記載の高分子電解質型燃料電池。   2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, further comprising a contact layer made of carbon fibers of the porous body and long fiber yarns at a portion where the metal porous body and the carbon porous body are in contact with each other. 前記カーボン製の多孔質体は長繊維糸のカーボン繊維が集合してなる緯糸と経糸とで構成される織物である請求項1または2に記載の高分子電解質型燃料電池。   3. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the carbon porous body is a woven fabric composed of wefts and warps formed by collecting carbon fibers of long fiber yarns. 前記金属製多孔質が、発泡金属である請求項1〜3のいずれか一項に記載の高分子電解質型燃料電池。   The polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the metal porous is a foam metal. 前記金属製多孔質体が、孔径の異なる2種類以上の金属製多孔質を組み合わせて構成している請求項2〜4のいずれか一項に記載の高分子電解質型燃料電池。   The polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 2 to 4, wherein the metal porous body is constituted by combining two or more kinds of metal porous bodies having different pore diameters. 前記金属製多孔質体が、少なくとも発泡金属体及び、エキスパンドメタルである請求項2〜5のいずれか一項に記載の高分子電解質型燃料電池。   The polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 2 to 5, wherein the metal porous body is at least a foam metal body and an expanded metal. 前記金属製多孔質体が少なくとも発泡金属体及び、パンチングメタルである請求項2〜6のいずれか一項に記載の高分子電解質型燃料電池。   The polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 2 to 6, wherein the metal porous body is at least a foam metal body and a punching metal. 前記金属製多孔質体表面の一部に金メッキ処理が施された部分を有する請求項2〜7のいずれか一項に記載の高分子電解質型燃料電池。   The polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 2 to 7, wherein a part of the surface of the metallic porous body is subjected to gold plating. 前記長繊維糸を構成するカーボン繊維の繊維径が1以上20μm以下のカーボン繊維の集合体である請求項2〜8のいずれか一項に記載の高分子電解質型燃料電池。   The polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 2 to 8, wherein the carbon fiber constituting the long fiber yarn is an aggregate of carbon fibers having a fiber diameter of 1 to 20 µm. 前記発泡金属の平均孔径が0.3mm以上3.2mm以下である請求項1〜9のいずれか一項に記載の高分子電解質型燃料電池。   The polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 9, wherein an average pore diameter of the foam metal is 0.3 mm or more and 3.2 mm or less. 前記発泡金属の体積あたりの空孔度が80以上98%以下である請求項1〜10のいずれか一項に記載の高分子電解質型燃料電池。   The polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 10, wherein the porosity per volume of the foam metal is 80% to 98%. 前記金属多孔質体表面に撥水処理が施された部分を有する請求項1〜11のいずれか一項に記載の高分子電解質型燃料電池。   The polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 11, wherein the metal porous body has a surface subjected to a water repellent treatment. 前記金属多孔質体の表面の酸化皮膜の一部を除去した請求項1〜12のいずれか一項に記載の高分子電解質型燃料電池。   The polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 12, wherein a part of the oxide film on the surface of the porous metal body is removed. 前記カーボン製の多孔質体の厚みをt1、前記金属多孔質体の厚みをt2とした場合、t2/t1が10以下である請求項1〜13のいずれか一項に記載の高分子電解質型燃料電池。 The carbon-made porous body thickness of t 1 of, according to the metal when the porous material thickness of the set to t 2, any one of claims 1 to 13 t 2 / t 1 is equal to or less than 10 Polymer electrolyte fuel cell. 前記カーボン製の多孔質体の厚みをt1、前記金属多孔質体の厚みをt2とした場合、t2/t1が10以下である請求項1〜14のいずれか一項に記載の高分子電解質型燃料電池。 The thickness of the carbon porous body is t 1 , and the thickness of the metal porous body is t 2 , t 2 / t 1 is 10 or less. 15. Polymer electrolyte fuel cell. 前記カーボン製の多孔質体の面積をS1、前記金属多孔質体の面積をS2とした場合、S2/S1が1以上2以下である請求項1〜15のいずれか一項に記載の高分子電解質型燃料電池。 The area of the porous body made of carbon is S 1 , and the area of the porous metal body is S 2 , S 2 / S 1 is 1 or more and 2 or less. The polymer electrolyte fuel cell as described. 前記燃料電池は、前記アノード極の燃料が水素ガスである請求項1〜16のいずれか一項に記載の固体高分子電解質型燃料電池。   17. The solid polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the fuel of the anode electrode is hydrogen gas. 前記燃料電池は、前記アノード極の燃料がホウ素の水素化物から得られた水素ガスである請求項1〜17のいずれか一項に記載の固体高分子電解質型燃料電池。   18. The solid polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the fuel of the anode electrode is hydrogen gas obtained from boron hydride.
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