JP2009043690A - Fuel cell porous member, fuel cell using the same, and fuel cell porous member manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体高分子型の燃料電池に使用可能な多孔質部材に関し、特に、固体高分子型燃料電池の発電効率及び出力密度を向上できる多孔質部材に関するものである。また、本発明は、かかる多孔質部材を用いた固体高分子型の燃料電池、及び、該多孔質部材の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a porous member that can be used in a polymer electrolyte fuel cell, and more particularly to a porous member that can improve power generation efficiency and output density of a polymer electrolyte fuel cell. The present invention also relates to a solid polymer fuel cell using such a porous member, and a method for producing the porous member.
固体高分子型燃料電池の単位セルは、アノード電極(燃料極)とカソード電極(酸化剤極)との間に固体高分子電解質膜を挟持した構成を有し、アノード電極へ供給される燃料ガス(例えば、水素)とカソード電極へ供給される酸化剤ガス(例えば、空気)とを電気化学的に反応させることにより発電を行う。 A unit cell of a polymer electrolyte fuel cell has a configuration in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between an anode electrode (fuel electrode) and a cathode electrode (oxidant electrode), and fuel gas supplied to the anode electrode Power generation is performed by electrochemically reacting (for example, hydrogen) and an oxidant gas (for example, air) supplied to the cathode electrode.
具体的には、固体高分子型燃料電池の単位セルは、アノード電極及びカソード電極でそれぞれ生じる以下の電極反応の結果として、全体として、水素と酸素とによる水生成反応が進行して起電力を発生する。 Specifically, as a result of the following electrode reactions that occur at the anode electrode and the cathode electrode, the unit cell of the polymer electrolyte fuel cell, as a whole, undergoes water generation reaction with hydrogen and oxygen to generate electromotive force. appear.
アノード電極: H2→2H++2e−
カソード電極: (1/2)O2+2H++2e−→H2O
Anode electrode: H 2 → 2H + + 2e −
Cathode electrode: (1/2) O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O
かかる固体高分子型燃料電池における電極(アノード電極、カソード電極)は、一般的に、電極反応の反応場となる触媒層と、その触媒層に当接し、外部から供給されるガス(燃料ガス、酸化剤ガス)を各触媒層へ拡散させるガス拡散層とを含んで構成されている(例えば、特許文献1〜3)。
An electrode (anode electrode, cathode electrode) in such a polymer electrolyte fuel cell is generally a catalyst layer serving as a reaction field for electrode reaction, and a gas (fuel gas, Gas diffusion layers that diffuse (oxidant gas) into each catalyst layer (for example,
ここで、特許文献2及び3には、ガス拡散層として金属多孔体を使用した電極が記載されている。例えば、特許文献2は、ガス拡散層として利用可能な多孔体部材として、3次元網目構造を有する金属多孔体と、撥水性を有する有機多孔体膜とを積層して成り、有機多孔体膜の表面の一部に金属多孔体が露出する多孔質部材を記載している。また、特許文献3は、ガス拡散層として利用可能な金属多孔体として、触媒層に接触する側に、中心側の気孔率より低気孔率となる層を設けた金属多孔体を記載している。 Here, Patent Documents 2 and 3 describe electrodes using a porous metal body as a gas diffusion layer. For example, Patent Document 2 is formed by laminating a metal porous body having a three-dimensional network structure and an organic porous film having water repellency as a porous member usable as a gas diffusion layer. The porous member in which the metal porous body is exposed on a part of the surface is described. Patent Document 3 describes a metal porous body in which a layer having a lower porosity than the central porosity is provided on the side in contact with the catalyst layer as a metal porous body that can be used as a gas diffusion layer. .
ガス拡散層を金属多孔体から構成した電極は、カーボン多孔体をガス拡散層とする場合に比べて、ガス透過性(ガス供給性)及び集電性に優れており、燃料電池の出力密度を向上させることができる。
しかしながら、特許文献2に記載される多孔質部材は、集電抵抗が金属多孔体の繊維間距離(ピッチ)に依存することになる。金属多孔体の気孔率の増大は、ガス透過性を向上する(ガスの圧力損失を抑制する)という点において有効であるが、その一方で、繊維間距離が増大することとなり、集電抵抗が増大して集電効率を低下させる。よって、特許文献2に記載される多孔質部材は、ガス透過性の向上と集電効率の向上との両立が困難であるという問題点があった。 However, in the porous member described in Patent Document 2, the current collection resistance depends on the inter-fiber distance (pitch) of the metal porous body. The increase in the porosity of the metal porous body is effective in improving gas permeability (suppressing gas pressure loss), but on the other hand, the distance between fibers is increased, and the current collecting resistance is reduced. Increase to lower current collection efficiency. Therefore, the porous member described in Patent Document 2 has a problem that it is difficult to achieve both improvement in gas permeability and improvement in current collection efficiency.
また、特許文献3に記載される金属多孔体は、触媒層に接触する側の層が低気孔率に構成されているので、集電抵抗を低減することができる。しかし、その一方で、金属から構成されている金属多孔体は、その全体が親水性を有しているので、当然、触媒層と接触する低気孔率層もまた親水性を有している。そのため、かかる金属多孔体は、触媒層にて生成された水の排出性に劣っており、金属多孔体の空孔内に水膜が形成され易いという問題点があった。金属多孔体の空孔内に水膜が形成されると、該空孔内に水の滞留が生じるので、ガス透過性を悪化させて、燃料電池の発電性能を低下させる。 Moreover, since the metal porous body described in patent document 3 is comprised by the low porosity in the layer which contacts the catalyst layer, current collection resistance can be reduced. However, on the other hand, since the whole metal porous body made of metal has hydrophilicity, naturally, the low porosity layer in contact with the catalyst layer also has hydrophilicity. For this reason, such a metal porous body is inferior in discharging of water generated in the catalyst layer, and there is a problem that a water film is easily formed in the pores of the metal porous body. When a water film is formed in the pores of the metal porous body, water stays in the pores, so that the gas permeability is deteriorated and the power generation performance of the fuel cell is lowered.
これに対し、特許文献3に記載される金属多孔体とは異なり、表面に撥水性の細孔層が形成された金属多孔体は、触媒層にて生成された水を金属多孔体側へ排出し易く、水膜の形成によるガス透過性の悪化を抑制できる。しかし、金属多孔体の気孔率が増大する程、金属多孔体の表面はより粗くなる。そして、一般的には、細孔層を厚くすることによって表面粗さを吸収し、細孔層表面(触媒層と接触される側の表面)を平滑化することが行われている。 On the other hand, unlike the metal porous body described in Patent Document 3, the metal porous body having a water-repellent pore layer formed on the surface discharges water generated in the catalyst layer to the metal porous body side. It is easy to suppress deterioration of gas permeability due to the formation of a water film. However, as the porosity of the metal porous body increases, the surface of the metal porous body becomes rougher. In general, the surface roughness is absorbed by increasing the thickness of the pore layer, and the surface of the pore layer (the surface on the side in contact with the catalyst layer) is smoothed.
撥水性の細孔層は、組成分である疎水性樹脂(例えば、ポリテトラフルオロエチレン)に起因して、その厚みが厚くなるに従って電子抵抗も大きくなるので、金属多孔体の気孔率を増大させると、背反的に電子抵抗が増大して集電効率を低下させてしまうことになる。よって、表面に撥水性の細孔層が形成された金属多孔体は、水の排出性に優れるものの、ガス透過性の向上と集電効率の向上との両立が困難であるという問題点があった。 The water-repellent pore layer is caused by the hydrophobic resin (for example, polytetrafluoroethylene) as a component, and the electronic resistance increases as the thickness increases, thereby increasing the porosity of the metal porous body. In contrast, the electronic resistance increases and the current collection efficiency decreases. Therefore, although a metal porous body having a water-repellent pore layer formed on the surface has excellent water discharging properties, there is a problem that it is difficult to achieve both improved gas permeability and improved current collection efficiency. It was.
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、ガス透過性の向上(圧力損失の抑制)と集電効率の向上とを両立でき、その結果として、固体高分子型燃料電池の発電効率及び出力密度を向上できる燃料電池用多孔質部材を提供することを目的としている。さらに、本発明は、該燃料電池用多孔質部材を用いた固体高分子型の燃料電池、及び、該燃料電池用多孔質部材の製造方法を提供することもまた目的としている。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and can achieve both improvement in gas permeability (inhibition of pressure loss) and improvement in current collection efficiency. As a result, solid polymer fuel It aims at providing the porous member for fuel cells which can improve the power generation efficiency and output density of a battery. Another object of the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell using the fuel cell porous member and a method for producing the fuel cell porous member.
この目的を達成するために、請求項1記載の燃料電池用多孔質部材は、導電性繊維から構成され、3次元網目構造により多数の空孔が形成されている板状の金属多孔体と、その金属多孔体における面方向の表面側に接触され、導電性及び撥水性を有すると共に相互連通する多数の細孔を有する細孔層とを備え、前記細孔層は、前記金属多孔体における面方向の表面側に堆積された導電性粒子から形成される導電性粒子部と、その導電性粒子部を介して前記金属多孔体に圧着された材料から形成され相互連通する多数の細孔を有すると共に少なくとも撥水性を有する有機多孔質部とを含んでいる。
In order to achieve this object, the porous member for a fuel cell according to
請求項2記載の燃料電池用多孔質部材は、請求項1記載の燃料電池用多孔質部材において、前記導電性粒子部は、前記金属多孔体における面方向の表面側に堆積され、前記金属多孔体の孔径より大きな粒径の第1導電性粒子から構成される基部と、その基部における前記第1導電性粒子の堆積高さ方向にさらに堆積され、前記金属多孔体の孔径より小さな粒径の第2導電性粒子から構成される表面部とを有している。
The porous member for a fuel cell according to claim 2 is the porous member for a fuel cell according to
請求項3記載の燃料電池用多孔質部材は、請求項1又は2に記載の燃料電池用多孔質部材において、前記有機多孔質部は、撥水性と共に導電性を有しており、前記導電性粒子部を構成する導電性粒子の間隙を経て、前記金属多孔体における面方向の表面から前記導電性繊維の直径相当の深さまで侵入している。
The porous member for a fuel cell according to claim 3 is the porous member for a fuel cell according to
請求項4記載の燃料電池は、固体高分子電解質膜と、その固体高分子電解質膜の一方に当接し触媒を含有するアノード触媒層と、前記固体高分子電解質膜の他方に当接し触媒を含有するカソード触媒層と、そのカソード触媒層における前記固体高分子電解質膜に当接される面とは反対側の面、及び、前記アノード触媒層における前記固体高分子電解質膜に当接される面とは反対側の面に、それぞれ、前記細孔層を接触させて配置される請求項1から3のいずれかに記載の燃料電池用多孔質部材とを備えている。
5. The fuel cell according to
請求項5記載の製造方法は、親水性表面を有する導電性繊維から構成され、3次元網目構造により多数の空孔が形成されている板状の金属多孔体と、その金属多孔体における面方向の表面側に接触され、導電性及び撥水性を有すると共に相互連通する多数の細孔を有する細孔層とを備えている燃料電池用多孔質部材を製造するための方法であって、前記金属多孔体における面方向の表面に、導電性粒子を散布して堆積させる導電性粒子堆積工程と、その導電性粒子堆積工程による前記導電性粒子の堆積によって形成された導電性粒子部と少なくとも撥水性を有し相互連通する多数の細孔を有する有機多孔質部を形成可能な材料とを圧着し、前記導電性粒子部及び前記有機多孔質部を含んで構成される前記細孔層と前記金属多孔体との接合体を得る接合工程とを備えている。 The manufacturing method according to claim 5 is a plate-like metal porous body made of conductive fibers having a hydrophilic surface and having a plurality of pores formed by a three-dimensional network structure, and a plane direction in the metal porous body A porous member for a fuel cell comprising a plurality of pore layers having electrical conductivity and water repellency and communicating with each other. Conductive particle deposition step of spreading and depositing conductive particles on the surface in the surface direction of the porous body, and the conductive particle portion formed by the deposition of the conductive particles by the conductive particle deposition step and at least water repellency A material capable of forming an organic porous part having a plurality of pores communicating with each other, and the pore layer configured to include the conductive particle part and the organic porous part and the metal Join the porous body And a bonding step that.
請求項6記載の製造方法は、請求項5記載の燃料電池用多孔質部材の製造方法において、前記導電性粒子堆積工程は、前記金属多孔体における面方向の表面に堆積可能な粒径の第1導電性粒子を所定厚さに堆積させて基部を形成する第1堆積工程と、その第1堆積工程による前記基部の形成後、前記金属多孔体の孔径より小さな粒径の第2導電性粒子をさらに堆積させて表面部を形成する第2堆積工程とを含む。 According to a sixth aspect of the present invention, in the method for manufacturing a porous member for a fuel cell according to the fifth aspect, the conductive particle depositing step has a particle size that can be deposited on a surface in a surface direction of the metal porous body. A first deposition step of depositing one conductive particle to a predetermined thickness to form a base, and a second conductive particle having a particle size smaller than the pore diameter of the metal porous body after the formation of the base by the first deposition step Is further deposited to form a surface portion.
請求項7記載の製造方法は、請求項5又は6に記載の燃料電池用多孔質部材の製造方法において、前記材料は、相互連通する多数の細孔を有し撥水性及び導電性を有する有機多孔質部を形成可能な材料であり、前記接合工程では、前記導電性粒子部を構成する導電性粒子の間隙を経て該金属多孔体へ侵入する前記材料の侵入深さを制御する圧着高さ制御手段を使用する。 The manufacturing method according to claim 7 is the method for manufacturing the porous member for a fuel cell according to claim 5 or 6, wherein the material has a plurality of pores communicating with each other and has water repellency and conductivity. A material capable of forming a porous portion, and in the joining step, a pressure height for controlling a penetration depth of the material that penetrates into the metal porous body through a gap between the conductive particles constituting the conductive particle portion. Use control means.
請求項1記載の燃料電池用多孔質部材によれば、導電性繊維から3次元網目構造に形成され、相互に連通する多数の空孔を有する金属多孔体を有している。よって、かかる金属多孔体を有する燃料電池用多孔質部材を燃料電池の一部として採用した場合、即ち、金属多孔体を有する燃料電池用多孔質部材を反応場となる触媒層とガス遮断性を有する導電性のプレートとの間に配設された場合には、金属多孔体の内部に存在する多数の空孔をガス(酸化剤ガス、燃料ガス)の流路として機能させることができる。 According to the porous member for a fuel cell of the first aspect, the metal porous body is formed in a three-dimensional network structure from conductive fibers and has a large number of pores communicating with each other. Therefore, when the fuel cell porous member having such a metal porous body is adopted as a part of the fuel cell, that is, the fuel cell porous member having the metal porous body has a catalyst layer and a gas barrier property as a reaction field. When disposed between the conductive plate and the conductive plate, a large number of pores existing inside the porous metal body can function as gas (oxidant gas, fuel gas) flow paths.
また、請求項1記載の燃料電池用多孔質部材によれば、金属多孔体における面方向の表面側には、相互連通する多数の細孔を有する細孔層が形成されている。ここで、かかる細孔層は、金属多孔体における面方向の表面側に堆積された導電性粒子から形成される導電性粒子部と、その導電性粒子部を介して金属多孔体に圧着された材料から形成され相互連通する多数の細孔を有すると共に少なくとも撥水性を有する有機多孔質部とを含んでいる。
According to the porous member for a fuel cell according to
かかる細孔層を有する燃料電池用多孔質部材を燃料電池の一部として採用した場合には、その導電性によって電極反応の反応場となる触媒層と金属多孔体との間における電子移動を可能とする。また、有機多孔質部が有する撥水性により、電極反応の反応場となる触媒層にて生成された水が金属多孔体の側へ移動(排出)され易い。よって、集電性及びガス透過性(ガス供給性)に優れており、かかる細孔層を有する燃料電池用多孔質部材を燃料電池の一部として採用した場合には、燃料電池の発電効率及び出力密度を向上させることができる。 When a porous member for a fuel cell having such a pore layer is adopted as a part of the fuel cell, electron transfer between the catalyst layer serving as a reaction field of the electrode reaction and the metal porous body is possible due to its conductivity. And In addition, due to the water repellency of the organic porous portion, water generated in the catalyst layer serving as a reaction field for the electrode reaction is easily moved (discharged) to the metal porous body side. Therefore, it is excellent in current collecting property and gas permeability (gas supply property), and when the porous member for a fuel cell having such a pore layer is adopted as a part of the fuel cell, the power generation efficiency of the fuel cell and The power density can be improved.
よって、気孔率を増大させてガス透過性を向上(圧力損失の低減)させたとしても、気孔率の増大に背反して生じる集電効率の悪化が抑制されるので、ガス透過性の向上と集電効率の向上とを両立させることができるという効果がある。 Therefore, even if the porosity is increased to improve the gas permeability (reduction of pressure loss), the deterioration of the current collection efficiency that occurs contrary to the increase in the porosity is suppressed, so that the gas permeability can be improved. There is an effect that it is possible to simultaneously improve the current collection efficiency.
請求項2記載の燃料電池用多孔質部材によれば、請求項1記載の燃料電池用多孔質部材の奏する効果に加えて、次の効果を奏する。細孔層における導電性粒子部は、金属多孔体における面方向の表面側に堆積され、金属多孔体の孔径より大きな粒径の第1導電性粒子から構成される基部と、その基部における第1導電性粒子の堆積高さ方向にさらに堆積された第2導電性粒子から構成される表面部とを含んでいる。なお、第2導電性粒子は、金属多孔体の孔径より小さい粒径の導電性粒子である。
According to the porous member for a fuel cell according to claim 2, in addition to the effect exhibited by the porous member for fuel cell according to
まず、基部を構成する第1導電性粒子が、金属多孔体の表面粗さを吸収すると共に、細孔層における厚さ方向の導電性を高める。そして、表面部を構成する第2導電性粒子が、金属多孔体の孔径より小さな粒径の導電性粒子であるので、基部を構成する導電性粒子の面方向の電気的な接続を補強し、その結果として、細孔層における面方向の導電性を高める(面方向の抵抗を低減する)。このように、請求項2記載の燃料電池用多孔質部材によれば、細孔層における高さ方向及び面方向の導電性を向上させることができる。 First, the 1st electroconductive particle which comprises a base absorbs the surface roughness of a metal porous body, and improves the electroconductivity of the thickness direction in a pore layer. And since the 2nd electroconductive particle which comprises a surface part is an electroconductive particle of a particle size smaller than the hole diameter of a metal porous body, the electrical connection of the surface direction of the electroconductive particle which comprises a base is reinforced, As a result, the conductivity in the surface direction in the pore layer is increased (resistance in the surface direction is reduced). Thus, according to the porous member for a fuel cell according to claim 2, the conductivity in the height direction and the surface direction in the pore layer can be improved.
また、導電性粒子部における表面部は、金属多孔体の孔径より小さな粒径の第2導電性粒子から構成されているので、導電性粒子部の表面に位置する導電性粒子(主に、表面部を構成する第2導電性粒子)の頂部間のピッチが、金属多孔体の繊維間距離に比べて短いピッチとされる。よって、集電抵抗が改善される。さらに、導電性粒子部の表面には、表面部を構成する小径の第2導電性粒子が主に並ぶので、凹凸が生じ難く、細孔層表面は好適に平滑化される。 Moreover, since the surface part in the electroconductive particle part is comprised from the 2nd electroconductive particle of a particle size smaller than the hole diameter of a metal porous body, the electroconductive particle (mainly surface is mainly located in the surface of an electroconductive particle part. The pitch between the tops of the second conductive particles constituting the part is shorter than the distance between the fibers of the metal porous body. Therefore, the current collecting resistance is improved. Furthermore, since the second conductive particles having a small diameter constituting the surface portion are mainly arranged on the surface of the conductive particle portion, unevenness is hardly generated and the surface of the pore layer is preferably smoothed.
従って、請求項2記載の燃料電池用多孔質部材によれば、集電効率に優れると共に、触媒層との作用面積を増大させることができるという効果がある。かかる燃料電池用多孔質部材を燃料電池の一部として採用することによって、燃料電池の発電効率及び出力密度を向上させることができるので、燃料電池への適用に有用である。 Therefore, according to the porous member for a fuel cell according to claim 2, there is an effect that it is excellent in current collection efficiency and can increase the working area with the catalyst layer. By adopting such a porous member for a fuel cell as a part of the fuel cell, the power generation efficiency and output density of the fuel cell can be improved, which is useful for application to a fuel cell.
また、基部を構成する第1導電性粒子が金属多孔体の孔径より大きな粒径であることにより、導電性粒子部を構成する導電性粒子(第1導電性粒子、及び、第1導電性粒子の上に堆積される第2導電性粒子)が金属多孔体の空孔を通過して脱落することを抑制できる。 In addition, since the first conductive particles constituting the base portion have a particle size larger than the pore size of the metal porous body, the conductive particles constituting the conductive particle portion (the first conductive particles and the first conductive particles). 2nd electroconductive particle deposited on the metal can be prevented from dropping through the pores of the metal porous body.
請求項3記載の燃料電池用多孔質部材によれば、請求項1又は2に記載の燃料電池用多孔質部材の奏する効果に加えて、次の効果を奏する。細孔層の一部であり撥水性と共に導電性を有する有機多孔質部が、導電性粒子部を構成する導電性粒子の間隙を経て、金属多孔体における面方向の表面から導電性繊維の直径相当の深さまで侵入されているので、細孔層と金属多孔体との間に十分な接触を確保することができる。
According to the porous member for a fuel cell according to claim 3, in addition to the effect exhibited by the porous member for fuel cell according to
また、有機多孔質部が金属多孔体における面方向の表面から導電性繊維の直径相当の深さまで侵入されたことにより、細孔層における水パス(水の経路)となる有機多孔質部の細孔と、金属多孔体の水パスとなる導電性繊維表面との接触確率を高めることができるので、細孔層と金属多孔体との間において水パスの連通性が高まり、細孔層が液体水によって閉塞されることを好適に防止できる。 In addition, since the organic porous portion penetrates from the surface in the plane direction of the metal porous body to a depth corresponding to the diameter of the conductive fiber, the organic porous portion becomes a water path (water path) in the pore layer. Since the probability of contact between the pores and the surface of the conductive fiber that becomes the water path of the metal porous body can be increased, the communication of the water path between the pore layer and the metal porous body is increased, and the pore layer is liquid. It is possible to suitably prevent clogging with water.
よって、請求項3記載の燃料電池用多孔質部材によれば、細孔層が、触媒層と金属多孔体との間における電子移動を好適に中継できると共に、液体水を好適に金属多孔体側へ排出することができるので、かかる燃料電池用多孔質部材を燃料電池の一部として採用することにより、燃料電池の発電効率及び出力効率を向上させることができるという効果がある。 Therefore, according to the porous member for a fuel cell according to claim 3, the pore layer can suitably relay the electron transfer between the catalyst layer and the metal porous body, and the liquid water can be suitably transferred to the metal porous body side. Since it can discharge | emit, there exists an effect that the electric power generation efficiency and output efficiency of a fuel cell can be improved by employ | adopting this porous member for fuel cells as a part of fuel cell.
請求項4記載の燃料電池は、請求項1から3のいずれかに記載される燃料電池用多孔質部材を使用するので、請求項1から3のいずれかに記載される燃料電池用多孔質部材が奏する効果と同様の効果を奏する。特に、燃料電池用多孔質部材における細孔層表面が、導電性粒子層の存在によって好適に平滑化されていることにより、触媒層との作用面積が増大して触媒利用率が向上するので、発電効率及び出力密度を向上できるという効果がある。
Since the fuel cell according to
請求項5記載の製造方法(燃料電池用多孔部材の製造方法)によれば、導電性粒子堆積工程によって、親水性表面を有する導電性繊維から構成され3次元網目構造により多数の空孔が形成されている板状の金属多孔体における面方向の表面に導電性粒子を散布して、該導電性粒子を金属多孔体における面方向の表面に堆積させてから、導電性粒子の堆積によって形成された導電性粒子部と、少なくとも撥水性を有し相互連通する多数の細孔を有する有機多孔質部を形成可能な材料とを、接合工程によって圧着させて、導電性粒子部及び有機多孔質部を含んで構成される細孔層と金属多孔体との接合体を得る。 According to the manufacturing method of claim 5 (a manufacturing method of a porous member for a fuel cell), a plurality of pores are formed by a three-dimensional network structure composed of conductive fibers having a hydrophilic surface by a conductive particle deposition step. It is formed by depositing conductive particles after spreading conductive particles on the surface in the planar direction of the plate-like metal porous body and depositing the conductive particles on the surface in the planar direction of the metal porous body. The conductive particle part and the material that can form an organic porous part having a plurality of pores having at least water repellency and communicating with each other are pressure-bonded by a joining process, and the conductive particle part and the organic porous part To obtain a joined body of a porous layer and a porous metal body.
ここで、金属多孔体における面方向の表面に導電性粒子(例えば、金属粒子や、金属の被覆によって導電性が付与された粒子や、導電性材料から構成される粒子など)を予め堆積させるので、金属多孔体の表面粗さを導電性粒子によって吸収させることができ、その結果として、細孔層表面を好適に平滑化することができる。従って、金属多孔体の気孔率を増大させた場合であっても、電子抵抗となる有機多孔質部の厚さの増大に頼ることなく細孔層表面を平滑化することができる。 Here, conductive particles (for example, metal particles, particles provided with conductivity by metal coating, particles made of a conductive material, etc.) are deposited in advance on the surface in the surface direction of the metal porous body. The surface roughness of the metal porous body can be absorbed by the conductive particles, and as a result, the pore layer surface can be suitably smoothed. Therefore, even when the porosity of the metal porous body is increased, the surface of the pore layer can be smoothed without depending on the increase in the thickness of the organic porous portion that becomes the electronic resistance.
よって、気孔率を増大させてガス透過性を向上(圧力損失の低減)させたとしても、気孔率の増大に背反して生じる集電効率の悪化が抑制されるので、ガス透過性の向上と集電効率の向上とを両立させることができるという効果がある。 Therefore, even if the porosity is increased to improve the gas permeability (reduction of pressure loss), the deterioration of the current collection efficiency that occurs contrary to the increase in the porosity is suppressed, so that the gas permeability can be improved. There is an effect that it is possible to simultaneously improve the current collection efficiency.
また、導電性粒子が金属多孔体における面方向の表面側に堆積されることにより、細孔層における厚さ方向の抵抗が低減されて導電性が高まるという効果がある。 In addition, since the conductive particles are deposited on the surface side of the metal porous body in the surface direction, there is an effect that the resistance in the thickness direction of the pore layer is reduced and the conductivity is increased.
従って、請求項5記載の製造方法によって製造された燃料電池用多孔質部材は、集電効率及びガス透過性(ガス供給性)に優れているので、かかる燃料電池用多孔質部材を燃料電池の一部として採用することによって、燃料電池の発電効率及び出力密度を向上させることができる。また、細孔層表面が平滑化されたことにより、触媒層との作用面積(接触面積)が増大するので、触媒利用率が向上し、その点においても、燃料電池の発電効率及び出力密度を向上させることができる。よって、燃料電池への適用に有用である。 Therefore, since the porous member for a fuel cell manufactured by the manufacturing method according to claim 5 is excellent in current collection efficiency and gas permeability (gas supply property), the porous member for a fuel cell is used as a fuel cell. By adopting as a part, the power generation efficiency and output density of the fuel cell can be improved. Further, since the surface of the pore layer is smoothed, the working area (contact area) with the catalyst layer is increased, so that the catalyst utilization rate is improved. Also in this respect, the power generation efficiency and output density of the fuel cell are reduced. Can be improved. Therefore, it is useful for application to a fuel cell.
請求項6記載の製造方法(燃料電池用多孔部材の製造方法)によれば、請求項5記載の製造方法の奏する効果に加えて、次の効果を奏する。導電性粒子堆積工程によって導電性粒子を金属多孔体における面方向の表面に堆積させる場合には、まず、第1堆積工程により、金属多孔体における面方向の表面に堆積可能な粒径の第1導電性粒子を所定厚さに堆積させて基部の形成を行った後、第2堆積工程により、金属多孔体の孔径より小さな粒径の第2導電性粒子をさらに堆積させて表面部の形成を行う。 According to the manufacturing method of claim 6 (manufacturing method of the porous member for a fuel cell), in addition to the effect of the manufacturing method of claim 5, the following effect is obtained. In the case where conductive particles are deposited on the surface in the surface direction of the metal porous body by the conductive particle deposition step, first, the first particle size of the first particle size that can be deposited on the surface of the metal porous body in the surface direction is deposited. After the conductive particles are deposited to a predetermined thickness to form the base, the second deposition step further deposits second conductive particles having a particle size smaller than the pore size of the metal porous body to form the surface portion. Do.
ここで、第1堆積工程によって先に散布され、金属多孔体における面方向の表面側に形成された基部を構成する第1導電性粒子が、金属多孔体の表面粗さを吸収すると共に、細孔層における厚さ方向の導電性を高める。一方で、第1堆積工程の後に行われる第2堆積工程によって形成される表面部は、金属多孔体の孔径より小さな粒径の第2導電性粒子から構成されているので、基部を構成する導電性粒子の面方向の電気的な接続を補強し、その結果として、細孔層における面方向の導電性を高める(面方向の抵抗を低減する)。従って、請求項6記載の製造方法によって製造される燃料電池用多孔質部材によれば、細孔層における高さ方向及び面方向の導電性に優れている。 Here, the first conductive particles, which are first dispersed by the first deposition step and form the base formed on the surface side in the surface direction of the metal porous body, absorb the surface roughness of the metal porous body and The conductivity in the thickness direction in the pore layer is increased. On the other hand, since the surface portion formed by the second deposition step performed after the first deposition step is composed of the second conductive particles having a particle size smaller than the pore size of the metal porous body, the conductive portion constituting the base portion is formed. The electrical connection in the surface direction of the conductive particles is reinforced, and as a result, the surface conductivity in the pore layer is increased (resistance in the surface direction is reduced). Therefore, according to the porous member for a fuel cell manufactured by the manufacturing method according to the sixth aspect, the conductivity in the height direction and the surface direction in the pore layer is excellent.
また、表面部を構成する第2導電性粒子は、金属多孔体の孔径より小さな粒径の導電性粒子であるので、導電性粒子部の表面に位置する導電性粒子(主に、表面部を構成する第2導電性粒子)の頂部間のピッチを、金属多孔体の繊維間距離に比べて短いピッチにすることができ、集電抵抗を改善することができる。さらに、導電性粒子部の表面には、表面部を構成する小径の第2導電性粒子が主に並ぶので、凹凸が生じ難く、細孔層表面は好適に平滑化される。 In addition, since the second conductive particles constituting the surface portion are conductive particles having a particle size smaller than the pore diameter of the porous metal body, the conductive particles located on the surface of the conductive particle portion (mainly the surface portion The pitch between the tops of the second conductive particles) can be made shorter than the distance between the fibers of the metal porous body, and the current collection resistance can be improved. Furthermore, since the second conductive particles having a small diameter constituting the surface portion are mainly arranged on the surface of the conductive particle portion, unevenness is hardly generated and the surface of the pore layer is preferably smoothed.
よって、導電性粒子の粒径に応じて、導電性粒子堆積工程を2段階の工程(第1堆積工程、第2堆積工程)に分けることによって、集電効率を向上させることができると共に、触媒層との作用面積を増大させることができるという効果がある。かかる燃料電池用多孔質部材を燃料電池の一部として採用することによって、燃料電池の発電効率及び出力密度を向上させることができるので、燃料電池への適用に有用である。 Therefore, by dividing the conductive particle deposition step into two steps (first deposition step and second deposition step) according to the particle size of the conductive particles, the current collection efficiency can be improved and the catalyst can be improved. There is an effect that the active area with the layer can be increased. By adopting such a porous member for a fuel cell as a part of the fuel cell, the power generation efficiency and output density of the fuel cell can be improved, which is useful for application to a fuel cell.
また、第1堆積工程において散布する第1導電性粒子の粒径が、金属多孔体における面方向の表面側に堆積可能な粒径、即ち、金属多孔体の繊維間距離程度(もしくは、金属多孔体の空孔の直径程度)又はそれ以上の粒径であることにより、導電性粒子部を構成する導電性粒子(第1導電性粒子、及び、第1導電性粒子の上に堆積される第2導電性粒子)が金属多孔体の空孔を通過して脱落することを抑制できる。 Further, the particle diameter of the first conductive particles dispersed in the first deposition step is the particle diameter that can be deposited on the surface side in the surface direction of the metal porous body, that is, the distance between fibers of the metal porous body (or the metal porous body). The diameter of the particle is approximately equal to or larger than the diameter of the pores of the body), or larger, the conductive particles constituting the conductive particle portion (the first conductive particles and the first conductive particles deposited on the first conductive particles). (2 conductive particles) can be prevented from dropping through the pores of the metal porous body.
請求項7記載の製造方法(燃料電池用多孔部材の製造方法)によれば、請求項5又は6に記載の製造方法の奏する効果に加えて、次の効果を奏する。接合工程では、金属多孔体と、相互連通する多数の細孔を有し撥水性及び導電性を有する有機多孔質部を形成可能な材料とを圧着する際に、圧着高さ制御手段を使用し、導電性粒子層の間隙を経て該金属多孔体へ侵入する該材料の侵入深さの制御を行う。 According to the manufacturing method (manufacturing method of the porous member for a fuel cell) according to claim 7, in addition to the effect exhibited by the manufacturing method according to claim 5 or 6, the following effect is achieved. In the joining process, when a metal porous body and a material that has a large number of interconnecting pores and can form an organic porous part having water repellency and conductivity are used, pressure bonding height control means is used. Then, the penetration depth of the material that penetrates into the porous metal body through the gap between the conductive particle layers is controlled.
よって、細孔層の一部である有機多孔質部を、導電性粒子部を構成する導電性粒子の間隙を経て、金属多孔体における面方向の表面から侵入させる深さを最適な侵入深さに制御できるので、細孔層と金属多孔体との間における接触抵抗と、細孔層から金属多孔層への水の移動を最適に制御できるという効果がある。その結果、かかる製造方法によって製造された燃料電池用多孔質部材を燃料電池の一部として採用することにより、燃料電池の発電効率及び出力効率を向上させることができる。 Therefore, the depth of penetration of the organic porous part, which is a part of the pore layer, from the surface of the metal porous body through the gap between the conductive particles constituting the conductive particle part is optimal. Therefore, the contact resistance between the pore layer and the metal porous body and the movement of water from the pore layer to the metal porous layer can be optimally controlled. As a result, the power generation efficiency and the output efficiency of the fuel cell can be improved by employing the porous member for a fuel cell manufactured by such a manufacturing method as a part of the fuel cell.
以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照して説明する。図1は、本発明の一実施形態における燃料電池単セル10(以下、「燃料電池10」と称する)を含む燃料電池スタック50から構成される燃料電池システム1を示す模式図である。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a schematic diagram showing a
燃料電池システム1は、図2を参照しつつ後述する燃料電池スタック50と、水素タンク33と、空気ファン34と、循環ポンプ36を介して燃料電池スタック50の所定箇所(例えば、下部)に接続されるラジエータ37とから主に構成される。
The
この燃料電池システム1において、水素タンク33は、燃料ガス(本実施形態では、水素)を貯蔵するタンクであり、バルブ32を介して、燃料電池スタック50における燃料ガス供給口50c(図2参照)に接続されている。バルブ32を開放することにより、水素タンク33に貯蔵されている水素を燃料電池スタック50の内部へ供給することができる。
In this
空気ファン34は、酸化剤ガス(本実施形態では、空気)を外界から取り込み、酸化剤供給口50a(図2参照)へ送風することにより、酸化剤ガスを燃料電池スタック50の内部へ供給するものである。
The
詳細は後述するが、空気ファン34を作動させて酸化剤ガスが酸化剤供給口50aへ供給され、一方で、バルブ32の開放によって水素タンク33から燃料ガスが燃料ガス供給口50cへ供給されると、燃料電池スタック50を構成する各燃料電池10(図2参照)が発電する。
As will be described in detail later, the
燃料電池スタック50は、各燃料電池10で発電された電気を集電し、電流取り出し部である集電端子50e,50f(いずれも図2参照)から直流電流を取り出すことができる。燃料電池スタック50から取り出された直流電流は、燃料電池スタック50と電気的に接続される負荷35(例えば、自動車のモータなど)へ供給され、その結果として、負荷35を駆動することができる。
The
図2は、本実施形態における燃料電池10を含む燃料電池スタック50を模式的に示す斜視図である。図2に示すように、燃料電池スタック50は、後述する燃料電池10の複数個が矢印X−X方向に積層された積層体である。
FIG. 2 is a perspective view schematically showing a
燃料電池スタック50において、隣接する燃料電池10は、一方の燃料電池10における導電性のカソード側セパレータ11(図3参照)と、他方の燃料電池10における導電性のアノード側セパレータ12(図3参照)との接触によって、電気的に直列接続されている。
In the
燃料電池スタック50において、図2における最も手前側に位置する燃料電池10の露出表面には、燃料電池スタック50の内部に形成される酸化剤ガス流路(図示せず)に連通する酸化剤ガス供給口50aが開口されている。
In the
空気ファン34(図1参照)の作動により外界から取り込まれた酸化剤ガス(空気)は、この酸化剤ガス供給口50aを介して燃料電池スタック50内部へ供給され、図示されない酸化剤ガス流路を経由して、各燃料電池10のカソード電極13(図3参照)の上流側へ供給される。
The oxidant gas (air) taken from the outside by the operation of the air fan 34 (see FIG. 1) is supplied into the
なお、図示はしないが、燃料電池スタック50におけるカソード電極13(図3参照)の下流側の端部が露出されるように構成されており、カソード電極13の上流側へ供給された酸化剤ガスは、その露出端から外界へ排出されるように構成されている。
Although not shown, the downstream end of the cathode electrode 13 (see FIG. 3) in the
また、図2に示す燃料電池スタック50における最も手前側に位置する燃料電池10の露出表面には、燃料電池スタック50の内部に形成される燃料ガス流路(図示せず)に連通する燃料ガス供給口50bが形成されている。バルブ32(図1参照)を開放すると、燃料ガスが、水素タンク33(図1参照)から燃料ガス供給口50bを介して燃料電池スタック50内部へ供給され、図示されない燃料ガス流路を経由して、各燃料電池10のアノード電極14(図3参照)へ供給される。
Further, a fuel gas communicating with a fuel gas flow path (not shown) formed inside the
一方で、図2に示す燃料電池スタック50における最も奥側に位置する燃料電池10の露出表面には、燃料電池スタック50の内部に形成される燃料ガス流路(図示せず)に連通する燃料ガス供給口50c(図2では燃料電池スタック50の裏面側となるため、手前側に隠れ線により図示)が形成されている。燃料ガス供給口50bから燃料電池スタック50の内部へ供給された燃料ガスは、最終的に、この燃料ガス排出口50cから排出される。
On the other hand, the fuel communicated with a fuel gas flow path (not shown) formed inside the
よって、酸化剤ガス供給口50a及び燃料ガス供給口50bから、それぞれ、酸化剤ガス及び燃料ガスを燃料電池スタック50の内部へ供給することにより、各燃料電池10を発電させることができ、その結果として、燃料電池スタック50から直流電流を取り出すことができる。燃料電池スタック50には、上部に集電端子50d,50eが設けられており、各燃料電池10の発電の結果生じた電流は、これらの集電端子50d,50eから直流電流として取り出すことができる。
Therefore, each
次に、図3及び図4を参照して、本実施形態の燃料電池10について説明する。図3は、燃料電池10の主要部分を示す模式的な部分断面図である。
Next, the
図3に示すように、燃料電池10は、固体高分子電解質膜15と、その固体高分子電解質15の両面に配設されたカソード電極13及びアノード電極14と、これらの一対の電極13,14の外面側にそれぞれ配された導電性のカソード側セパレータ11及びアノード側セパレータ12とから構成される積層体である。
As shown in FIG. 3, the
固体高分子電解質膜15としては、例えば、Nafion(登録商標:デュポン社製)やAciplex(登録商標:旭化成(株)製)など、固体高分子型燃料電池に適用可能な固体高分子電解質膜を使用することができる。
Examples of the solid
カソード電極13は、図3に示すように、カソード側セパレータ11に当接する第1多孔体23と、固体高分子電解質15に当接する触媒層33とから構成される多孔体電極である。
As shown in FIG. 3, the
触媒層33は、固体高分子電解質膜15に当接されてカソード電極13における電極反応を促進するための層であり、固体高分子電解質膜15における他方の面に当接するアノード電極14の触媒層14cと共に、酸素と水素との電気化学反応を促進する。この触媒層33としては、例えば、カーボン粒子にプラチナなどの触媒が担持された触媒担持カーボンと電解質とを含んで構成された触媒層を採用することができる。
The
第1多孔体23は、図3に示すように、カソード側セパレータ11に当接される第1網材23aと、その第1網材23aにおける一方の面(図3における左側の面)に形成され、触媒層33に当接される細孔層(MPL:Micro Porous Layer)23bとから構成される板状の部材である。この第1多孔体23の詳細については、図4を参照しつつ後述する。
As shown in FIG. 3, the first
アノード電極14もまた、カソード電極13と同様の多孔体電極であり、アノード側セパレータ12に当接する第2多孔体24と、固体高分子電解質15に当接する触媒層34とから構成される。触媒層34は、固体高分子電解質膜15に当接されてアノード電極14における電極反応を促進するための層である。なお、この触媒層34は、カソード電極13の触媒層33と同様に構成されている。
The
第2多孔体24は、図3に示すように、アノード側セパレータ12に当接される第2網材24aと、その第2網材24aにおける一方の面(図3における右側の面)に形成され、触媒層34に当接される細孔層24bとから構成される板状の部材である。なお、この第2多孔体24は、図4を参照しつつ後述する第1多孔体23と同様に構成されている。
As shown in FIG. 3, the second
ここで、図4(a)及び図4(b)を参照して、第1多孔体23についてより詳細に説明する。図4(a)は、本実施形態の第1多孔体23を模式的に示す断面図であり、図4(b)は、図4(a)におけるE部の構造を模式的に示す拡大図である。
Here, with reference to FIG. 4A and FIG. 4B, the first
第1網材23aは、導電性を有する繊維(導電性繊維)から3次元網目構造に形成され、相互に連通する空孔を有する板状の部材である。この第1網材23aとしては、例えば、90μm〜130μm程度の繊維間距離(ピッチ)に構成された、厚さ500〜1500μm程度の網材を採用できる。なお、第1網材23aを構成する導電性繊維としては、チタン繊維以外にも、例えば、SUS、タンタル、又はハステロイなどの腐食性及び導電性を有する金属繊維や、ニッケル又はカーボンなどの導電性繊維を採用することができる。
The first
相互の連通する多くの空孔を有する第1網材23aをカソード電極13に採用することによって、かかる空孔が、酸化剤ガス(例えば、空気)の流路の一部として機能する。即ち、本実施形態のカソード電極13は、カソード電極としての機能と、気体流路(酸化剤ガス流路)としての機能との両方を兼ね備えている。
By employing the first
また、第1網材23aは、導電性繊維の表面に親水性を有することが好ましい。第1網材23aを、親水性表面を有する導電性繊維から構成することによって、反応により生成した水が第1網材23aの厚さ方向に拡散し易くなり、第1多孔体23の孔が液体水によって閉塞されることを防止できる。
Moreover, it is preferable that the 1st net |
細孔層23bは、導電性及び撥水性を有すると共に、相互に連通する多くの空孔を有する層である。本実施形態における細孔層23bは、図4(b)に示すように、第1網材23aの表面に堆積された金属粒子部23b1と、その金属粒子部23b1を介して第1網材23aに圧着された有機多孔質部23b2とから構成される。
The
金属粒子部23b1は、第1網材23aの表面に金属粒子M1が堆積されて形成された基層23b11と、その基層23b11の上(即ち、基層23b11における第1網材23aとは反対側)に堆積されて形成された表層23b12とから構成されている。なお、表層23b12を構成する金属粒子M2は、基層23b11を構成する金属粒子M1より小さく、第1網材23aを構成する導電性繊維の繊維間距離(又は第1網材23aの孔径)より小さな粒径の金属粒子である。
The metal particle portion 23b1 is formed on the base layer 23b11 formed by depositing the metal particles M1 on the surface of the first
このように、第1網材23aの表面に金属粒子部23b1を形成することにより、細孔層23bにおける少なくとも厚さ方向(金属粒子M1,M2の堆積高さ方向)の抵抗が低減されて導電性が高まる。
As described above, by forming the metal particle portion 23b1 on the surface of the first
特に、本実施形態における細孔層23bでは、第1網材23aの表面に堆積された大径の金属粒子M1(基層23b11)によって、細孔層23bにおける厚さ方向の導電性が向上されている上に、その金属粒子M1の堆積高さ方向にさらに堆積された小径の金属粒子M2(表層23b12)によって、細孔層23bにおける面方向の導電性が向上されている。よって、本実施形態における細孔層23bは、金属粒子部を含まない従来の細孔層に比べ、優れた導電性を有している。
In particular, in the
また、細孔層23bの表面側に位置する金属粒子は、主に、表層23b12を構成する小径の金属粒子M2であるので、細孔層23bの表面側に位置する金属粒子のピッチを、第1網材23aを構成する導電性繊維の繊維間距離(繊維間の平均距離)に比べ、集電抵抗を低減し改善することができる。
Further, since the metal particles located on the surface side of the
さらに、第1網材23aの表面に金属粒子部23b1を形成することによって、第1網材23aの表面粗さが吸収され、細孔層23bの表面の平滑性を向上させる(改善する)ことができる。従って、第1網材23aの気孔率を増大させたことによって表面がより粗面化されたとしても、細孔層23bの厚さ、特に、電子抵抗となる撥水性の有機多孔質部23b2の厚さの増大に頼ることなく、細孔層23bの表面を平滑化することができる。
Furthermore, by forming the metal particle portion 23b1 on the surface of the
一般的に、細孔層23bは、その厚さが厚くなるに従って電子抵抗が増大する。よって、第1網材23aの表面に金属粒子部23b1を形成することにより、電子抵抗の増大を抑制しつつ、第1網材23aの気孔率を増大する(即ち、ガス透過性を向上する)ことができる。即ち、ガス透過性の向上と集電効率の向上とを両立させることができる。
In general, the electronic resistance of the
また、金属粒子部23b1の存在によって細孔層23bの表面の平滑性が向上された結果、触媒層33の接触面積(作用面積)が増大するので、触媒利用率を向上させることができる。特に、表層23b12を構成する金属粒子M2の粒径が、基層23b11を構成する金属粒子M1の粒径より小さくされているので、細孔層23bの表面に凹凸が生じ難く、細孔層23bの表面が好適に平滑化される。
Further, since the smoothness of the surface of the
なお、基層23b11を構成する金属粒子M1の粒径は、第1網材23aの表面に堆積可能な粒径、即ち、第1網材23aの繊維間距離(ピッチ)又はそれ以上の粒径(又は、第1網材23aの孔径又はそれ以上)を主とすることが好ましい。あるいは、第1網材23aの空孔の直径程度又はそれ以上の粒径を主とすることが好ましい。
In addition, the particle size of the metal particles M1 constituting the base layer 23b11 is a particle size that can be deposited on the surface of the
金属粒子M1の粒径を、第1網材23aの繊維間距離又はそれ以上の粒径や、第1網材23aの空孔の直径程度又はそれ以上の粒径とすることによって、金属粒子M1が第1網材23aの空孔に対する目止めとして機能し、金属粒子層23aを構成する金属粒子(金属粒子M1、金属粒子M2)が第1網材23aの空孔を通過して脱落することを抑制できる。
By setting the particle size of the metal particles M1 to a particle size greater than or equal to the inter-fiber distance of the
ここで、基層23b11を構成する金属粒子M1の粒径を第1網材23aの繊維間距離程度又は空孔の直径程度とした場合、1粒子の半分程度を第1網材23aの空孔に嵌合させることができるので、金属粒子M1が第1網材23aの表面粗さが吸収され易くなり、結果として、第1網材23aの表面を好適に平滑化できる。よって、金属粒子M1の粒径を、第1網材23aの繊維間距離(繊維間の平均距離)程度、あるいは、第1網材23aの空孔の直径(空孔の平均直径)程度とすることがより好ましい。
Here, when the particle size of the metal particles M1 constituting the base layer 23b11 is about the distance between the fibers of the
金属粒子部23b1(基層23b11,表層23b12)を構成する金属粒子M1,M2としては、種々の金属からなる粒子を採用できるが、第1網材23aが金属繊維からなる網材である場合には、その金属繊維と同種の金属からなる粒子とすることが好ましい。金属粒子M1,M2を、第1網材23aを構成する金属繊維と同種の金属からなる粒子とすることにより、金属間の酸化還元電位差による金属の腐食を防止することができる。
As the metal particles M1 and M2 constituting the metal particle portion 23b1 (base layer 23b11, surface layer 23b12), particles made of various metals can be adopted, but when the
また、金属粒子M1及び金属粒子M2は、同種の金属粒子であっても異種の金属粒子であってもよいが、金属間に酸化還元電位差が生じないように同種の金属粒子であることが好ましい。 The metal particles M1 and the metal particles M2 may be the same type of metal particles or different types of metal particles, but are preferably the same type of metal particles so that no redox potential difference occurs between the metals. .
有機多孔質部23b2は、相互に連通する多くの空孔を有する多孔質体である。本実施形態では、有機多孔質部23b2として、例えば、カーボン粒子とPTFE(ポリテトラフルオロエチレン(Polytetrafluoroethylene))とを含んで構成される多孔質体を使用した。よって、本実施形態の有機多孔質部23b2は、カーボン粒子に起因する導電性と、PTFEに起因する撥水性とを有する。なお、有機多孔質部23b2における空孔は、上述した第1網材23aの空孔より小さい細孔(例えば、最小内径が0.01μm〜数μm程度の空孔)である。
The organic porous part 23b2 is a porous body having many pores communicating with each other. In the present embodiment, for example, a porous body including carbon particles and PTFE (Polytetrafluoroethylene) is used as the organic porous portion 23b2. Therefore, the organic porous part 23b2 of the present embodiment has conductivity due to the carbon particles and water repellency due to PTFE. The pores in the organic porous portion 23b2 are pores smaller than the pores of the first
よって、細孔層23bは、有機多孔質部23b2の撥水性と有機多孔質部23b2が有する相互に連通する多くの細孔とによって、触媒層33内の水を細孔層23bへ移動させて、適度に触媒層33を保水しつつ余剰水を系外に排出し、水によって触媒層33での電気化学反応が阻害されることを抑制する機能を担う。
Therefore, the
また、細孔層23bは、金属粒子部23b1及び有機多孔質部23b2の導電性によって、電気化学反応(電極反応)の反応場となる触媒層33(図3参照)から第1網材23aへ電子を移動させ易くする機能を担う。特に、本実施形態の第1多孔体23における細孔層23bは、上述したように、金属粒子部23b1を含むことによって高さ方向及び面方向の導電性が改善されており、優れた導電性を提供することができる。
In addition, the
さらに、図4(b)に示すように、細孔層23bでは、有機多孔質部23b2が、金属粒子部23b1の間隙を経て第1網材23aに侵入深さDだけ侵入した状態で配置されている。よって、有機多孔質部23b2と第1網材23aとの間に十分な接触を確保することができる。
Further, as shown in FIG. 4B, in the
また、有機多孔質部23b2が第1網材23aに侵入深さDだけ侵入されていることにより、細孔層23bの水パス(水の経路)となる有機多孔質部23b2の細孔と、第1網材23aの水パスとなる導電性繊維表面の接触確率を高めることができる。よって、細孔層23bと第1網材23aとの間において水パスの連通性が高まり、その結果として、細孔層23b(特に、有機多孔質部23b2)が液体水によって閉塞されることを好適に抑制できる。
Further, since the organic porous portion 23b2 has penetrated into the
第1網材23aに対する有機多孔質部23b2の侵入深さDは、第1網材23aを構成する導電性繊維の繊維直径程度(導電性繊維の直径相当)又はそれ以上であることが好ましい。侵入深さDを、少なくとも、第1網材23aを構成する導電性繊維の繊維直径程度(導電性繊維の直径相当)とすることにより、有機多孔質部23b2が、第1網材23aの導電性繊維の周囲を覆い、第1網材23a(の導電性繊維)との間に十分な接触を確保することができる。また、細孔層23bと第1網材23aとの間における水パスの連通性及びガス透過性を十分に確保される。
The penetration depth D of the organic porous portion 23b2 with respect to the first
その一方で、第1網材23aに対する有機多孔質部23b2の侵入深さDが浅い程、細孔層23bの必要厚みが薄くなり、細孔層23bのガス透過性が向上する。よって、侵入深さDは、第1網材23aを構成する導電性繊維の繊維直径程度とすることが特に好ましい。
On the other hand, as the penetration depth D of the organic porous portion 23b2 into the first
なお、細孔層23bは、第1網材23aに侵入している(食い込んでいる)部分の厚み、即ち、上述した侵入深さDを含め、全体の厚さが50〜300μm程度であることが好ましい。
The
第1多孔体23において、細孔層23bにおける触媒層33側となる表面には、有機多孔質部23b2から、金属粒子部23b1の金属粒子(主に、表層23b11を構成する金属粒子M2)が露出していることが好ましいが、必要に応じて、金属粒子部23b1が所定の深さで有機多孔質部23bに埋没されている構成であってもよい。細孔層23bの表面に金属粒子が露出することにより、触媒層33との接触抵抗を低減できる。
In the first
以上、第1多孔体23について説明したが、アノード電極14の第2多孔体24もまた、第1多孔体23と同様に構成されている。即ち、上述した第1多孔体23の説明における、(1)「第1多孔体23」を「第2多孔体24」に読み換え、(2)「第1網材23a」を「第2網材24a」に読み換え、(3)「細孔層23b」を「細孔層24b」に読み替え、(4)「触媒層33」を「触媒層34」に読み換え、(5)「カソード電極13」を「アノード電極14」に読み換え、(6)「酸化剤ガス」を「燃料ガス」と読み換えればよい。
Although the first
また、カソード電極13の細孔層23を構成する、金属粒子部23b1(基層23b11、表層12b12)及び有機多孔質部23b2は、そのまま、アノード電極14の細孔層24に適用できる。即ち、アノード電極14の細孔層24もまた、カソード電極13の細孔層23と同様の金属粒子部(基層及び表層)と有機多孔質部とを有しており、細孔層23と同様に、表面の平滑性及び導電性に優れている。
Further, the metal particle portion 23b1 (base layer 23b11, surface layer 12b12) and the organic porous portion 23b2 constituting the
次に、図5から図7を参照し、上述した第1多孔体23及び第2多孔体24の製造方法について説明する。なお、以下では、第1多孔体23について製造方法の説明を行うが、第2多孔体24の製造方法についても同様である。
Next, a method for manufacturing the first
図5は、第1多孔体23の製造フローを示す工程図である。図5に示すように、第1多孔体23を製造する場合には、まず、有機多孔質部23b2を準備する有機多孔質部準備工程を行う(S1)。
FIG. 5 is a process diagram showing a manufacturing flow of the first
この有機多孔質部準備工程(S1)は、原料混合工程(S1a)と、有機多孔質部形成工程(S1b)と、乾燥工程(S1c)とから構成される。原料混合工程(S1a)では、有機多孔質部23b2の原料となるPTFEの微粉末とカーボン粉末とを、所定の割合(例えば、PTEFがカーボンに対して20〜60重量部%程度)で投入し、ハイブリッドミキサーなどの攪拌機によって所定時間(例えば、4〜8分程度)攪拌して、混合物(有機多孔質部23b2を形成可能な材料)を得る。 This organic porous part preparation process (S1) is comprised from a raw material mixing process (S1a), an organic porous part formation process (S1b), and a drying process (S1c). In the raw material mixing step (S1a), PTFE fine powder as a raw material for the organic porous portion 23b2 and carbon powder are charged at a predetermined ratio (for example, PTEF is about 20 to 60 parts by weight with respect to carbon). Then, the mixture (a material capable of forming the organic porous portion 23b2) is obtained by stirring with a stirrer such as a hybrid mixer for a predetermined time (for example, about 4 to 8 minutes).
原料混合工程(S1a)に次いで行われる有機多孔質部形成工程(S1b)では、原料混合工程(S1a)によって得られた混合物を、片面にポリイミドシートなどの離型シートが配設されたSUS板上にスクリーン印刷し、有機多孔質部23b2のシートを形成する。 In the organic porous part forming step (S1b) performed next to the raw material mixing step (S1a), the mixture obtained in the raw material mixing step (S1a) is made of a SUS plate having a release sheet such as a polyimide sheet disposed on one side. Screen printing is performed thereon to form a sheet of the organic porous portion 23b2.
有機多孔質部形成工程(S1b)に次いで行われる乾燥工程(S1c)では、形成された有機多孔質部23b2のシートを熱風乾燥に供する。このように、SUS板上に形成された有機多孔質部23b2のシートを乾燥させることによって、有機多孔質部23b2の流動性が低下するので、有機多孔質部23b2の流出を防止できる。 In the drying step (S1c) performed after the organic porous portion forming step (S1b), the formed sheet of the organic porous portion 23b2 is subjected to hot air drying. Thus, since the fluidity | liquidity of the organic porous part 23b2 falls by drying the sheet | seat of the organic porous part 23b2 formed on the SUS board, the outflow of the organic porous part 23b2 can be prevented.
上述のように有機多孔質部準備工程(S1)を行った後は、金属粒子散布工程を行う(S2)。ここで、図6を参照して、この金属粒子散布工程(S2)について説明する。図6(a)は、金属粒子散布工程(S2)においてまず行われる第1散布工程(S2a)を説明するための模式図であり、図6(b)は、第1散布工程(S2a)に続いて行われる第2散布工程(S2b)を説明するための模式図である。 After performing the organic porous part preparation process (S1) as described above, a metal particle spraying process is performed (S2). Here, with reference to FIG. 6, this metal particle dispersion | distribution process (S2) is demonstrated. Fig.6 (a) is a schematic diagram for demonstrating the 1st dispersion | distribution process (S2a) first performed in a metal particle dispersion | distribution process (S2), FIG.6 (b) is a 1st dispersion | distribution process (S2a). It is a mimetic diagram for explaining the 2nd spreading process (S2b) performed subsequently.
図6(a)に示すように、第1散布工程(S2a)では、第1網材23aの表面に、例えば1層程度(即ち、第1網材23aの表面を覆う程度)の厚さとなるように金属粒子M1を散布し、基層23b11を形成する。
As shown in FIG. 6A, in the first spraying step (S2a), the surface of the first
ここで、第1散布工程(S2a)による金属粒子M1の散布量は、第1網材23aに堆積される金属粒子M1が1層程度またはそれ以上の厚みに堆積される量であることが好ましい。第1網材23aに堆積される金属粒子M1の厚みを1層程度以上とすることによって、金属粒子M1を第1網材23aの空孔に対する目止めとして十分に機能させることができると共に、第1網材23aの表面粗さを吸収して細孔層23bの表面の平滑化に貢献する。
Here, the amount of metal particles M1 applied in the first application step (S2a) is preferably an amount in which the metal particles M1 deposited on the
図6(b)に示すように、第2散布工程(S2b)では、第1散布工程(S2a)において形成された基層23b11の表面に、金属粒子M1より小さな粒径の金属粒子M2を、平滑な表面の金属粒子層23b1が得られる程度に散布して表層23b12を形成する。なお、この第2散布工程(S2b)において、金属粒子M2を少なくとも平滑な表面の金属粒子層23b1が得られる程度に散布することによって、細孔層23bの表面を好適に平滑化することができる。
As shown in FIG. 6B, in the second spraying step (S2b), the surface of the base layer 23b11 formed in the first spraying step (S2a) is smoothed with metal particles M2 having a particle diameter smaller than that of the metal particles M1. The surface layer 23b12 is formed by spraying to such an extent that the surface metal particle layer 23b1 is obtained. In this second spraying step (S2b), the surface of the
なお、この金属粒子散布工程(S2)を始め、金属粒子M1及び金属粒子M2を取り扱う工程では、金属粒子M1及び金属粒子M2の表面に酸化皮膜が形成されることを抑制するために、雰囲気温度を150℃以下に保つか、必要に応じて、窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気下とする。金属粒子M1及び金属粒子M2の取り扱いを、粒子表面への酸化皮膜の形成が抑制される雰囲気下で行うことによって、酸化皮膜の成長を抑制でき、酸化皮膜に起因する接触抵抗の増大を抑制することができる。 In addition, in this metal particle dispersion | distribution process (S2) and the process of handling the metal particle M1 and the metal particle M2, in order to suppress that an oxide film is formed on the surface of the metal particle M1 and the metal particle M2, atmospheric temperature Is kept at 150 ° C. or lower, or under an inert gas atmosphere such as nitrogen gas, if necessary. By handling the metal particles M1 and the metal particles M2 in an atmosphere in which the formation of an oxide film on the particle surface is suppressed, the growth of the oxide film can be suppressed and the increase in contact resistance due to the oxide film can be suppressed. be able to.
再び、図5に戻って説明する。金属粒子散布工程(S2)を行った後は、接合工程を行う(S3)。この接合工程(S3)では、有機多孔質部準備工程(S1)においてSUS板上に形成された有機多孔質部23b2のシートと、金属粒子散布工程(S2)において金属粒子部23b1が表面に配置された第1網材23aとを圧着する工程である。
Returning again to FIG. After performing a metal particle dispersion | distribution process (S2), a joining process is performed (S3). In this joining step (S3), the sheet of the organic porous portion 23b2 formed on the SUS plate in the organic porous portion preparation step (S1) and the metal particle portion 23b1 on the surface in the metal particle spraying step (S2). This is a step of crimping the first
図7は、接合工程(S3)を説明するための模式図である。なお、図7において、細孔層23bは簡略的に図示している。図7に示すように、接合工程(S3)では、表面(上面)に金属粒子部23b1が配置された第1網材23aを配置し、金属粒子部23b1の上方から、SUS板上に形成された有機多孔質部23b2を合わせ、SUS板の上方から荷重をかけて圧着(コールド接合)し、第1網材23aと細孔層23bとの接合体を得る。
FIG. 7 is a schematic diagram for explaining the joining step (S3). In FIG. 7, the
図7に示すように、この接合工程(S3)では、定寸ガイド80などの高さ指定可能な部材を使用し、接合体全体の高さを制御している。このように、高さ指定可能な部材を使用して接合体全体の高さを制御することによって、圧着(接合)時に、荷重によって第1網材23aが過大に潰れることを防止できると共に、第1網材23aへの有機多孔質部23b2の侵入深さD(図4参照)及び細孔層23b全体の厚みを確実に制御することができる。
As shown in FIG. 7, in this joining step (S3), a member whose height can be specified, such as a sizing
再び、図5に戻って説明する。接合工程(S3)を行った後は、PTFE溶融固定工程を行う(S4)。このPTFE溶融固定工程(S4)では、接合工程(S3)において得られた、第1網材23aと細孔層23bとの接合体を熱処理に供し、細孔層23b(有機多孔質部23b2)に含まれるPTFEを溶融して、細孔層23bを固定する。細孔層23bが固定された結果、第1多孔体23が得られる。
Returning again to FIG. After performing the joining step (S3), a PTFE melting and fixing step is performed (S4). In this PTFE melt-fixing step (S4), the joined body of the
なお、このPTFE溶融固定工程(S4)では、金属粒子M1及び金属粒子M2の表面上に酸化皮膜が形成され成長することを抑制するために、低酸素雰囲気下で熱処理を行う。例えば、第1網材23aと細孔層23bとの接合体を、10Torrの窒素雰囲気下で、2時間、345℃の熱処理に供する。
In the PTFE melting and fixing step (S4), heat treatment is performed in a low oxygen atmosphere in order to suppress the formation and growth of oxide films on the surfaces of the metal particles M1 and the metal particles M2. For example, the joined body of the first
図5に示す製造フローに従って第1多孔体23が作製されると、次に、第1多孔体23における細孔層23b側の表面に、触媒担持カーボン(例えば、白金担持カーボン)と固体高分子電解質(例えば、Nafion(登録商標))とを含む触媒ペーストをスクリーン印刷により塗布して乾燥することによって触媒層33を形成する。これによって、多孔体電極であるカソード電極13が得られる。
When the first
カソード電極13と同様にアノード電極14を作製し、触媒層33,34を対向させ、これらの触媒層33,34の間に固体高分子電解質膜15を介在させて、ホットプレスにより圧着することにより、一対の多孔体電極(カソード電極13,アノード電極14)と固体高分子電解質膜15との接合体が得られる。
The
そして、一対の多孔体電極(カソード電極13,アノード電極14)と固体高分子電解質膜15との接合体を、カソード側セパレータ11とアノード側セパレータ12とによって挟持することにより、燃料電池10が得られる。
Then, the
以下に、実施例に基づいて本発明を詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に基づいて限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail based on examples, but the present invention is not limited to the following examples.
第1網材23a及び第2網材24aとして、親水的なチタン繊維(繊維直径:約100μm)から形成されるチタン繊維焼結板(繊維間距離:約100μm,厚さ:約1000μm)を使用し、各片面に細孔層(第1多孔体23の場合には細孔層23b)を形成し、第1多孔体23及び第2多孔体を得た。
A titanium fiber sintered plate (distance between fibers: about 100 μm, thickness: about 1000 μm) formed from hydrophilic titanium fibers (fiber diameter: about 100 μm) is used as the
なお、細孔層の金属粒子部(第1多孔体23の場合には金属粒子部23b1)を構成する金属粒子M1として、粒径が繊維間距離に略等しい約100μmであるチタン粒子(Ti粒子)を使用し、金属粒子M2として、金属粒子M1の粒径の1/2程度の粒径のチタン粒子を使用した。 As the metal particles M1 constituting the metal particle part of the pore layer (the metal particle part 23b1 in the case of the first porous body 23), titanium particles (Ti particles having a particle diameter of about 100 μm which is substantially equal to the interfiber distance) ) And titanium particles having a particle size of about ½ of the particle size of the metal particles M1 were used as the metal particles M2.
また、細孔層の有機多孔質部(第1多孔体23の場合には有機多孔質部23b2)を構成するカーボン粉末として、カーボンの一次粒子径が30μmであり、二次粒子径が一次粒子径の30〜50倍程度であるものを使用した。PTFEの微粉末は、カーボン粉末に対して35重量%となるように混合した。 Further, as a carbon powder constituting the organic porous part of the pore layer (organic porous part 23b2 in the case of the first porous body 23), the primary particle diameter of carbon is 30 μm, and the secondary particle diameter is the primary particle. What was about 30-50 times the diameter was used. The fine powder of PTFE was mixed at 35% by weight with respect to the carbon powder.
第1網材23aに対する有機多孔質部23b2の侵入深さDを、第1網材23aを構成するチタン繊維の繊維直径(即ち、約100μm)程度とした。また、第2網材に対する有機多孔質部の侵入深さDもまた同様とした。また、細孔層(第1多孔体23の場合には細孔層23b)の全体の厚みを約150μmとした。
The penetration depth D of the organic porous portion 23b2 with respect to the first
ここで、図8を参照して、実施例の第1多孔体23及び第2多孔体24を採用した燃料電池10のIV性能を評価する。図8は、I−V特性を示すグラフである。図8のグラフにおいて、横軸は、単位面積あたりの電流I(単位:A/cm2)を示し、縦軸は、電圧(単位:V)を示す。
Here, with reference to FIG. 8, the IV performance of the
なお、図8のグラフにおいて、実施例の第1多孔体23及び第2多孔体24を採用した燃料電池10のI−V特性をシンボル「■」によって表している。一方で、比較例として、金属粒子部を含まない細孔層を有する従来の燃料電池のI−V特性をシンボル「◇」によって表している。
In the graph of FIG. 8, the IV characteristic of the
図8のグラフから明らかなように、本実施形態の第1多孔体23及び第2多孔体24を採用した燃料電池10の方が、従来の燃料電池に比べ、高電流領域における電圧降下が小さく、優れたI−V特性を示している。
As is apparent from the graph of FIG. 8, the voltage drop in the high current region is smaller in the
これは、本実施形態の燃料電池10では、細孔層23b,24bに含まれている金属粒子部(第1多孔体23では金属粒子部23b1)によって、(1)細孔層23b,24bの表面の平滑化、及び(2)細孔層23b,24bの導電性が向上し、その結果として、第1多孔体23及び第2多孔体24の集電効率が向上して、燃料電池10の発電効率及び出力密度が向上するためであると考えられる。また、第1多孔体23の細孔層23b及び第2多孔体24の細孔層24bの表面が平滑化されたことによって、触媒層33,34との作用面積が増大し、その結果として、燃料電池10の発電効率及び出力密度が向上するためであると考えられる。
In the
以上説明したように、第1多孔体23の細孔層23bが金属粒子部23b1を含むので、電子抵抗となる有機多孔質部の厚さの増大に頼ることなく、金属粒子部23b1が気孔率の増大に伴う第1網材23aの表面粗さを吸収することができる。その結果として、細孔層23bの表面を平滑化できる。
As described above, since the
よって、かかる第1多孔体23は、第1網材23aの気孔率を増大させてガス透過性を向上(圧力損失の低減)させる一方で、そのような気孔率の増大に背反して生じる集電効率の悪化が抑制され、ガス透過性の向上と集電効率の向上との両立を図ることができる。なお、第2多孔体24についても、第1多孔体23と同様である。
Therefore, the first
また、金属粒子部23b1が、金属粒子M1を第1網材23aに堆積させて形成される基層23b11と、その金属粒子M1より小さな粒径の金属粒子M2を基層23b11にさらに堆積させて形成される表層23b12とから構成されるので、大径の金属粒子M1によって厚さ方向(堆積高さ方向)の導電性が向上されると共に、小径の金属粒子M2によって面方向の導電性が向上される。よって、細孔層23bの導電性を好適に向上させることができる。
Further, the metal particle portion 23b1 is formed by further depositing the base layer 23b11 formed by depositing the metal particles M1 on the
従って、かかる第1多孔体23及び第2多孔体24を用いて構成される燃料電池10は、平滑化されている細孔層23b,24bによって触媒層33,34の作用面積が増大するので、触媒利用率が向上し、優れた発電効率及び出力密度を発揮する。さらに、細孔層23b,24bが好適に平滑化されていることによって、触媒層33,34との接合強度を向上させることができる。
Accordingly, in the
また、金属粒子部23b1を設けることによって細孔層23bの表面の平滑化を図るので、導電性繊維を用いて平滑化を図る場合のように毛羽立ちが細孔層の表面に生じることがない。よって、毛羽立ちのない細孔層23bを含む第1多孔体23を用いて構成される燃料電池10では、細孔層23bに隣接する触媒層23や、触媒層23に隣接する固体高分子電解質膜15が、細孔層23bの表面状態(毛羽立ちなど)によって損傷され難い。
Further, since the surface of the
このように、本実施形態の第1多孔体23及び第2多孔体24は、集電効率及びガス透過性(ガス供給性)に優れているので、かかる第1多孔体23及び第2多孔体24を燃料電池10の一部として採用することによって、燃料電池10の発電効率及び出力密度を向上させることができる。また、細孔層(細孔層23b)の表面が平滑化されたことにより、触媒層(触媒層23)との作用面積(接触面積)が増大するので、触媒利用率が向上し、その点においても、燃料電池10の発電効率及び出力密度を向上させることができる。よって、本実施形態の第1多孔体23及び第2多孔体24は、燃料電池への適用に有用である。
Thus, since the 1st
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。 As described above, the present invention has been described based on the embodiments, but the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various improvements and modifications can be easily made without departing from the spirit of the present invention. It can be guessed.
例えば、上記実施形態では、第1網材23aに金属粒子M1,M2を堆積させて金属粒子部23b1を形成する構成としたが、金属粒子に換えて、導電性を有する粒子(例えば、金属の被覆によって導電性が付与された粒子や、導電性材料から構成される粒子など)を第1網材23aに堆積させてもよい。
For example, in the above embodiment, the metal particles M1 and M2 are deposited on the
また、上記実施形態では、金属粒子部23b1を、異なる粒径の金属粒子M1,M2から構成したが、第1網材23aに堆積可能な金属粒子M1のみで金属粒子部を構成してもよい。また、金属粒子部23b1を構成する基層23b11と表層23b12との間に、金属粒子M1より小さく金属粒子M2より大きな金属粒子から構成される層を1層以上介在する構成であってもよい。
Moreover, in the said embodiment, although the metal particle part 23b1 was comprised from metal particle M1, M2 of a different particle size, you may comprise a metal particle part only with the metal particle M1 which can be deposited on the 1st net |
また、上記実施形態では、カーボン粒子とPTFEとを含んで構成される有機多孔質部23b2を使用したが、カーボン粒子を含まずPTFEのみから構成される有機多孔質部を使用してもよい。即ち、撥水性及び導電性を有する有機多孔質部23b2に換えて、相互に連通する多くの細孔を有する撥水性の有機多孔質部を採用することもできる。この場合、金属粒子部23b1が、細孔層23bの導電性を担う。
Moreover, in the said embodiment, although the organic porous part 23b2 comprised including a carbon particle and PTFE was used, you may use the organic porous part comprised only from PTFE without a carbon particle. That is, instead of the organic porous part 23b2 having water repellency and conductivity, a water repellent organic porous part having many pores communicating with each other may be employed. In this case, the metal particle part 23b1 bears the conductivity of the
また、上記実施形態では、第1網材23a及び第2網材24aのそれぞれ片面に細孔層23b,24bを形成する構成としたが、かかる細孔層23b,24bを第1網材23a及び第2網材24aの両面に形成する構成としてもよい。
Moreover, in the said embodiment, although it was set as the structure which forms the pore layers 23b and 24b in each one side of the 1st net |
なお、上記実施形態として例示した本発明の燃料電池及び本発明の燃料電池から構成される燃料電池スタックは、電気自動車などの移動用電源、屋外据え置き用電源、ポータブル電源、携帯電子機器用電源などの各種電源として利用可能である。 The fuel cell of the present invention exemplified as the above embodiment and the fuel cell stack composed of the fuel cell of the present invention include a power source for movement of an electric vehicle, an outdoor stationary power source, a portable power source, a portable electronic device power source, etc. It can be used as various power sources.
10 燃料電池
15 固体高分子電解質膜
23 第1多孔体(燃料電池用多孔性部材)
23a 第1網材(金属多孔体)
23b 細孔層
23b1 金属粒子部
23b11 基層(基部)
23b12 表層(表面部)
23b2 有機多孔質部
24 第2多孔体(燃料電池用多孔性部材)
24a 第2網材(金属多孔体)
24b 細孔層
33 触媒層
34 触媒層
80 定寸ガイド(圧着高さ制御手段)
M1 金属粒子(導電性粒子、第1導電性粒子)
M2 金属粒子(導電性粒子、第2導電性粒子)
S2 金属粒子堆積工程
S2a 第1散布工程(第1堆積工程)
S2b 第2散布工程(第2堆積工程)
S3 接合工程
DESCRIPTION OF
23a First mesh material (metal porous body)
23b Pore layer 23b1 Metal particle part 23b11 Base layer (base part)
23b12 surface layer (surface part)
23b2 Organic
24a Second mesh material (metal porous body)
M1 metal particles (conductive particles, first conductive particles)
M2 metal particles (conductive particles, second conductive particles)
S2 Metal particle deposition step S2a First spraying step (first deposition step)
S2b Second spraying step (second deposition step)
S3 Joining process
Claims (7)
その金属多孔体における面方向の表面側に接触され、導電性及び撥水性を有すると共に相互連通する多数の細孔を有する細孔層とを備え、
前記細孔層は、前記金属多孔体における面方向の表面側に堆積された導電性粒子から形成される導電性粒子部と、その導電性粒子部を介して前記金属多孔体に圧着された材料から形成され相互連通する多数の細孔を有すると共に少なくとも撥水性を有する有機多孔質部とを含んでいることを特徴とする燃料電池用多孔質部材。 A plate-like metal porous body composed of conductive fibers and having a plurality of pores formed by a three-dimensional network structure;
A porous layer having a large number of pores that are in contact with the surface side in the surface direction of the porous metal body and have electrical conductivity and water repellency and communicate with each other;
The pore layer is made of conductive particles formed from conductive particles deposited on the surface side in the surface direction of the metal porous body, and a material pressure-bonded to the metal porous body via the conductive particle parts. A porous member for a fuel cell, comprising a plurality of pores formed from the above and communicating with each other and at least an organic porous portion having water repellency.
前記金属多孔体における面方向の表面側に堆積され、前記金属多孔体の孔径より大きな粒径の第1導電性粒子から構成される基部と、
その基部における前記第1導電性粒子の堆積高さ方向にさらに堆積され、前記金属多孔体の孔径より小さな粒径の第2導電性粒子から構成される表面部とを有していることを特徴とする請求項1記載の燃料電池用多孔質部材。 The conductive particle part is
A base composed of first conductive particles deposited on the surface side in the surface direction of the porous metal body and having a particle diameter larger than the pore diameter of the porous metal body;
And a surface portion composed of second conductive particles having a particle diameter smaller than the pore diameter of the metal porous body, further deposited in the height direction of deposition of the first conductive particles at the base portion. The porous member for a fuel cell according to claim 1.
その固体高分子電解質膜の一方に当接し触媒を含有するアノード触媒層と、
前記固体高分子電解質膜の他方に当接し触媒を含有するカソード触媒層と、
そのカソード触媒層における前記固体高分子電解質膜に当接される面とは反対側の面、及び、前記アノード触媒層における前記固体高分子電解質膜に当接される面とは反対側の面に、それぞれ、前記細孔層を接触させて配置される請求項1から3のいずれかに記載の燃料電池用多孔質部材とを備えていることを特徴とする燃料電池。 A solid polymer electrolyte membrane;
An anode catalyst layer containing a catalyst in contact with one of the solid polymer electrolyte membranes;
A cathode catalyst layer containing a catalyst in contact with the other side of the solid polymer electrolyte membrane;
The surface of the cathode catalyst layer opposite to the surface in contact with the solid polymer electrolyte membrane, and the surface of the anode catalyst layer opposite to the surface in contact with the solid polymer electrolyte membrane A fuel cell comprising the fuel cell porous member according to any one of claims 1 to 3, wherein the fuel cell porous member is disposed in contact with the pore layer.
前記金属多孔体における面方向の表面に、導電性粒子を散布して堆積させる導電性粒子堆積工程と、
その導電性粒子堆積工程による前記導電性粒子の堆積によって形成された導電性粒子部と少なくとも撥水性を有し相互連通する多数の細孔を有する有機多孔質部を形成可能な材料とを圧着し、前記導電性粒子部及び前記有機多孔質部を含んで構成される前記細孔層と前記金属多孔体との接合体を得る接合工程とを備えていることを特徴とする燃料電池用多孔質部材の製造方法。 A plate-like metal porous body composed of conductive fibers having a hydrophilic surface and having a large number of pores formed by a three-dimensional network structure, and contacted with the surface side in the surface direction of the metal porous body to be electrically conductive And a porous member for a fuel cell comprising a pore layer having a plurality of pores having water repellency and communicating with each other,
Conductive particle deposition step of spreading and depositing conductive particles on the surface in the planar direction of the metal porous body,
The conductive particle portion formed by depositing the conductive particles by the conductive particle deposition step and the material capable of forming an organic porous portion having at least water repellency and having many pores communicating with each other are pressure-bonded. A porous structure for a fuel cell, comprising: a bonding step of obtaining a bonded body of the porous layer including the conductive particle portion and the organic porous portion and the porous metal body. Manufacturing method of member.
前記金属多孔体における面方向の表面に堆積可能な粒径の第1導電性粒子を所定厚さに堆積させて基部を形成する第1堆積工程と、
その第1堆積工程による前記基部の形成後、前記金属多孔体の孔径より小さな粒径の第2導電性粒子をさらに堆積させて表面部を形成する第2堆積工程とを含むことを特徴とする請求項5記載の燃料電池用多孔質部材の製造方法。 The conductive particle deposition step includes:
A first deposition step of depositing first conductive particles having a particle diameter that can be deposited on a surface in a planar direction of the porous metal body to a predetermined thickness to form a base;
A second deposition step of forming a surface portion by further depositing second conductive particles having a particle size smaller than the pore size of the porous metal body after the formation of the base portion by the first deposition step. The manufacturing method of the porous member for fuel cells of Claim 5.
前記接合工程では、前記導電性粒子部を構成する導電性粒子の間隙を経て該金属多孔体へ侵入する前記材料の侵入深さを制御する圧着高さ制御手段を使用することを特徴とする請求項5又は6に記載の燃料電池用多孔質部材の製造方法。 The material is a material capable of forming an organic porous part having a plurality of pores communicating with each other and having water repellency and conductivity,
The pressure bonding height control means for controlling a penetration depth of the material that penetrates into the metal porous body through a gap between conductive particles constituting the conductive particle portion is used in the joining step. Item 7. A method for producing a porous member for a fuel cell according to Item 5 or 6.
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