JP2009043690A - Fuel cell porous member, fuel cell using the same, and fuel cell porous member manufacturing method - Google Patents

Fuel cell porous member, fuel cell using the same, and fuel cell porous member manufacturing method Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell porous member for compatibly attaining improved gas permeability (less pressure loss) and improved collecting efficiency, resulting that a solid polymeric fuel cell has improved generating efficiency and output, and to provide its manufacturing method and the fuel cell using the fuel cell porous member. <P>SOLUTION: The fuel cell porous member comprises a pore layer arranged on the surface of a metal porous body and including a conductive particle part formed of conductive particles accumulated on the surface of the metal porous body. The existence of the conductive particle part reduces the electronic resistance of the pore layer and suitably smoothes the surface. As a result, the fuel cell porous member simultaneously attains both improved gas permeability (less pressure loss) and improved collecting efficiency. Thus, the fuel cell adopting the fuel cell porous member has improved generating efficiency and output density. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

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: H→2H+2e
カソード電極: (1/2)O+2H+2e→H
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, Patent Documents 1 to 3).

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。
特開平3−295176号公報 特開2003−272638号公報 特開2003−282068号公報
The electrode in which the gas diffusion layer is composed of a metal porous body is superior in gas permeability (gas supply property) and current collection compared to the case where the carbon porous body is a gas diffusion layer, and the output density of the fuel cell is improved. Can be improved.
JP-A-3-295176 JP 2003-272638 A JP2003-282068A

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 claim 1 is composed of a plate-like metal porous body made 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, have conductivity and water repellency, and communicate with each other, and the porous layer is a surface of the porous metal body A conductive particle portion formed from conductive particles deposited on the surface side in the direction, and a plurality of pores formed from a material press-bonded to the metal porous body via the conductive particle portion and interconnected to each other And at least an organic porous part having water repellency.

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 claim 1, wherein the conductive particle portion is deposited on a surface side in a surface direction of the metal porous body. A base composed of first conductive particles having a particle size larger than the pore size of the body, and further deposited in the height direction of deposition of the first conductive particles at the base, and having a particle size smaller than the pore size of the metal porous body And a surface portion composed of second conductive particles.

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 claim 1 or 2, wherein the organic porous portion has water repellency and conductivity. It penetrates from the surface in the surface direction of the porous metal body to the depth corresponding to the diameter of the conductive fiber through the gap between the conductive particles constituting the particle part.

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 claim 4, comprising a solid polymer electrolyte membrane, an anode catalyst layer containing a catalyst in contact with one of the solid polymer electrolyte membranes, and a catalyst in contact with the other of the solid polymer electrolyte membranes. A cathode catalyst layer, a surface of the cathode catalyst layer opposite to the surface in contact with the solid polymer electrolyte membrane, and a surface in contact with the solid polymer electrolyte membrane in the anode catalyst layer Is provided with the porous member for a fuel cell according to any one of claims 1 to 3, which is disposed on the opposite surface in contact with the pore layer.

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 claim 1, a pore layer having a large number of pores communicating with each other is formed on the surface side in the surface direction of the metal porous body. Here, such a pore layer was pressure-bonded to the metal porous body through the conductive particle portion formed from the conductive particles deposited on the surface side in the surface direction of the metal porous body. It includes a plurality of pores formed of a material and communicating with each other, and at least an organic porous portion having water repellency.

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 claim 1, the following effect is exhibited. The conductive particle portion in the pore layer is deposited on the surface side in the surface direction of the metal porous body, and is composed of a first conductive particle having a particle diameter larger than the pore diameter of the metal porous body, and a first portion in the base portion. And a surface portion composed of second conductive particles deposited further in the height direction of the conductive particles. The second conductive particles are conductive particles having a particle size smaller than the pore size of the metal porous body.

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 claim 1 or 2, the following effect is exhibited. The organic porous part, which is part of the pore layer and has water repellency and conductivity, passes through the gap between the conductive particles constituting the conductive particle part, and the diameter of the conductive fiber from the surface in the plane of the metal porous body Since it penetrates to a considerable depth, sufficient contact can be ensured between the pore layer and the porous metal body.

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 claim 4 uses the porous member for fuel cell according to any one of claims 1 to 3, the porous member for fuel cell according to any one of claims 1 to 3 is used. Has the same effect as In particular, since the surface of the pore layer in the fuel cell porous member is suitably smoothed by the presence of the conductive particle layer, the area of action with the catalyst layer is increased and the catalyst utilization rate is improved. There is an effect that power generation efficiency and output density can be improved.

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 fuel cell system 1 including a fuel cell stack 50 including a single fuel cell 10 (hereinafter referred to as “fuel cell 10”) according to an embodiment of the present invention.

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 fuel cell system 1 is connected to a predetermined location (for example, the lower portion) of the fuel cell stack 50 via a fuel cell stack 50, a hydrogen tank 33, an air fan 34, and a circulation pump 36, which will be described later with reference to FIG. The radiator 37 is mainly composed.

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 fuel cell system 1, the hydrogen tank 33 is a tank that stores fuel gas (hydrogen in this embodiment), and a fuel gas supply port 50 c in the fuel cell stack 50 (see FIG. 2) via the valve 32. It is connected to the. By opening the valve 32, the hydrogen stored in the hydrogen tank 33 can be supplied into the fuel cell stack 50.

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 air fan 34 takes in the oxidant gas (air in the present embodiment) from the outside and blows it to the oxidant supply port 50a (see FIG. 2), thereby supplying the oxidant gas into the fuel cell stack 50. Is.

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 air fan 34 is operated to supply the oxidant gas to the oxidant supply port 50a. On the other hand, when the valve 32 is opened, the fuel gas is supplied from the hydrogen tank 33 to the fuel gas supply port 50c. Then, each fuel cell 10 (see FIG. 2) constituting the fuel cell stack 50 generates power.

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 fuel cell stack 50 collects electricity generated by each fuel cell 10 and can extract a direct current from current collecting terminals 50e and 50f (both of which are shown in FIG. 2) as current extraction units. The direct current extracted from the fuel cell stack 50 is supplied to a load 35 (for example, a motor of an automobile) electrically connected to the fuel cell stack 50, and as a result, the load 35 can be driven.

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 fuel cell stack 50 including the fuel cell 10 in the present embodiment. As shown in FIG. 2, the fuel cell stack 50 is a stacked body in which a plurality of fuel cells 10 to be described later are stacked in the direction of arrows XX.

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 fuel cell stack 50, adjacent fuel cells 10 are composed of a conductive cathode-side separator 11 (see FIG. 3) in one fuel cell 10 and a conductive anode-side separator 12 (see FIG. 3) in the other fuel cell 10. Are electrically connected in series.

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 fuel cell stack 50, an oxidant gas communicating with an oxidant gas flow path (not shown) formed in the fuel cell stack 50 is formed on the exposed surface of the fuel cell 10 located on the foremost side in FIG. 2. The supply port 50a is opened.

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 fuel cell stack 50 through the oxidant gas supply port 50a, and an oxidant gas flow path (not shown). To the upstream side of the cathode electrode 13 (see FIG. 3) of each fuel cell 10.

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 fuel cell stack 50 is exposed, and the oxidant gas supplied to the upstream side of the cathode electrode 13 is exposed. Is configured to be discharged from the exposed end to the outside.

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 fuel cell stack 50 is formed on the exposed surface of the fuel cell 10 located on the most front side in the fuel cell stack 50 shown in FIG. A supply port 50b is formed. When the valve 32 (see FIG. 1) is opened, fuel gas is supplied from the hydrogen tank 33 (see FIG. 1) to the inside of the fuel cell stack 50 through the fuel gas supply port 50b, and passes through a fuel gas flow path (not shown). Then, it is supplied to the anode electrode 14 (see FIG. 3) of each fuel cell 10.

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 fuel cell stack 50 on the exposed surface of the fuel cell 10 located on the innermost side in the fuel cell stack 50 shown in FIG. A gas supply port 50c (shown by a hidden line on the front side because it is the back side of the fuel cell stack 50 in FIG. 2) is formed. The fuel gas supplied from the fuel gas supply port 50b to the inside of the fuel cell stack 50 is finally discharged from the fuel gas discharge port 50c.

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 fuel cell 10 can generate electric power by supplying the oxidant gas and the fuel gas from the oxidant gas supply port 50a and the fuel gas supply port 50b to the inside of the fuel cell stack 50, respectively. As a result, a direct current can be taken out from the fuel cell stack 50. The fuel cell stack 50 is provided with current collecting terminals 50d and 50e at the top, and the current generated as a result of the power generation of each fuel cell 10 can be taken out as a direct current from these current collecting terminals 50d and 50e. .

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 fuel cell 10 of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 3 and 4. FIG. 3 is a schematic partial cross-sectional view showing the main part of the fuel cell 10.

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 fuel cell 10 includes a solid polymer electrolyte membrane 15, a cathode electrode 13 and an anode electrode 14 disposed on both surfaces of the solid polymer electrolyte 15, and a pair of these electrodes 13 and 14. It is the laminated body comprised from the electroconductive cathode side separator 11 and the anode side separator 12 which were each distribute | arranged to the outer surface side.

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 polymer electrolyte membrane 15 include solid polymer electrolyte membranes applicable to solid polymer fuel cells such as Nafion (registered trademark: manufactured by DuPont) and Aciplex (registered trademark: manufactured by Asahi Kasei Corporation). Can be used.

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 cathode electrode 13 is a porous electrode composed of a first porous body 23 that contacts the cathode-side separator 11 and a catalyst layer 33 that contacts the solid polymer electrolyte 15.

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 catalyst layer 33 is a layer that is brought into contact with the solid polymer electrolyte membrane 15 to promote an electrode reaction in the cathode electrode 13, and the catalyst layer of the anode electrode 14 that is in contact with the other surface of the solid polymer electrolyte membrane 15. Together with 14c, promotes the electrochemical reaction between oxygen and hydrogen. As the catalyst layer 33, for example, a catalyst layer configured to include a catalyst-supported carbon in which a catalyst such as platinum is supported on carbon particles and an electrolyte can be employed.

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 porous body 23 is formed on the first mesh member 23a that is in contact with the cathode-side separator 11 and on one surface (the left surface in FIG. 3) of the first mesh member 23a. And a plate-like member composed of a microporous layer (MPL) 23b in contact with the catalyst layer 33. Details of the first porous body 23 will be described later with reference to FIG.

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 anode electrode 14 is also a porous electrode similar to the cathode electrode 13 and includes a second porous body 24 that contacts the anode separator 12 and a catalyst layer 34 that contacts the solid polymer electrolyte 15. The catalyst layer 34 is a layer that is brought into contact with the solid polymer electrolyte membrane 15 and promotes an electrode reaction in the anode electrode 14. The catalyst layer 34 is configured similarly to the catalyst layer 33 of the cathode electrode 13.

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 porous body 24 is formed on the second mesh member 24 a that is in contact with the anode-side separator 12 and on one surface (the right-hand surface in FIG. 3) of the second mesh member 24 a. It is a plate-like member composed of the pore layer 24b in contact with the catalyst layer 34. The second porous body 24 is configured in the same manner as the first porous body 23 described later with reference to FIG.

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 porous body 23 will be described in more detail. 4A is a cross-sectional view schematically showing the first porous body 23 of the present embodiment, and FIG. 4B is an enlarged view schematically showing the structure of the E portion in FIG. 4A. It is.

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 net member 23a is a plate-like member that is formed in a three-dimensional network structure from conductive fibers (conductive fibers) and has pores that communicate with each other. As this 1st net | network material 23a, the net | network material of thickness about 500-1500 micrometers comprised by the distance (pitch) between about 90 micrometers-130 micrometers is employable, for example. In addition, as a conductive fiber which comprises the 1st net | network material 23a, metal fibers which have corrosivity and electroconductivity, such as SUS, a tantalum, or hastelloy other than titanium fiber, and electroconductivity, such as nickel or carbon Fiber can be employed.

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 net member 23a having many holes communicating with each other as the cathode electrode 13, the holes function as a part of the flow path of the oxidizing gas (for example, air). That is, the cathode electrode 13 of this embodiment has both a function as a cathode electrode and a function as a gas flow path (oxidant gas flow path).

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 | network material 23a has hydrophilic property on the surface of an electroconductive fiber. By configuring the first net member 23a from conductive fibers having a hydrophilic surface, water generated by the reaction is easily diffused in the thickness direction of the first net member 23a, and the pores of the first porous body 23 are formed. It is possible to prevent clogging with liquid water.

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 pore layer 23b is a layer having many pores communicating with each other as well as having conductivity and water repellency. As shown in FIG. 4B, the pore layer 23b in the present embodiment includes a metal particle portion 23b1 deposited on the surface of the first mesh material 23a, and the first mesh material 23a via the metal particle portion 23b1. The organic porous portion 23b2 is pressure-bonded to the organic porous portion 23b2.

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 net member 23a and on the base layer 23b11 (that is, on the side opposite to the first net member 23a in the base layer 23b11). And a surface layer 23b12 formed by deposition. The metal particles M2 constituting the surface layer 23b12 are smaller than the metal particles M1 constituting the base layer 23b11 and smaller than the inter-fiber distance of the conductive fibers constituting the first net member 23a (or the pore diameter of the first net member 23a). It is a metal particle of a particle size.

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 net member 23a, the resistance in at least the thickness direction (the deposition height direction of the metal particles M1 and M2) in the pore layer 23b is reduced and the conductive property is reduced. Increases nature.

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 pore layer 23b in the present embodiment, the conductivity in the thickness direction of the pore layer 23b is improved by the large-diameter metal particles M1 (base layer 23b11) deposited on the surface of the first netting material 23a. In addition, the small-diameter metal particles M2 (surface layer 23b12) further deposited in the height direction of the metal particles M1 improve the surface conductivity in the pore layer 23b. Therefore, the pore layer 23b in the present embodiment has superior conductivity as compared with a conventional pore layer that does not include a metal particle portion.

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 pore layer 23b are mainly small-diameter metal particles M2 constituting the surface layer 23b12, the pitch of the metal particles located on the surface side of the pore layer 23b is set to The current collection resistance can be reduced and improved as compared with the inter-fiber distance (average distance between fibers) of the conductive fibers constituting one mesh material 23a.

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 first mesh material 23a, the surface roughness of the first mesh material 23a is absorbed, and the smoothness of the surface of the pore layer 23b is improved (improved). Can do. Therefore, even if the surface is roughened by increasing the porosity of the first mesh member 23a, the thickness of the pore layer 23b, in particular, the water-repellent organic porous portion 23b2 that provides electronic resistance. The surface of the pore layer 23b can be smoothed without depending on the increase in thickness.

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 pore layer 23b increases as the thickness thereof increases. Therefore, by forming the metal particle portion 23b1 on the surface of the first net member 23a, the porosity of the first net member 23a is increased (that is, the gas permeability is improved) while suppressing an increase in electronic resistance. be able to. That is, it is possible to achieve both improvement in gas permeability and improvement in current collection efficiency.

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 pore layer 23b is improved by the presence of the metal particle portion 23b1, the contact area (working area) of the catalyst layer 33 is increased, so that the catalyst utilization rate can be improved. In particular, since the particle size of the metal particles M2 constituting the surface layer 23b12 is smaller than the particle size of the metal particles M1 constituting the base layer 23b11, the surface of the pore layer 23b is less likely to be uneven, and the pore layer 23b The surface is preferably smoothed.

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 first mesh member 23a, that is, a particle size (pitch) between the fibers of the first mesh member 23a or more ( Alternatively, it is preferable to mainly use a hole diameter of the first net member 23a or larger. Alternatively, it is preferable that the particle diameter is approximately equal to or larger than the diameter of the pores of the first net member 23a.

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 first mesh member 23a, or a particle size approximately equal to or greater than the diameter of the pores of the first mesh member 23a, the metal particles M1. Functions as a seal for the pores of the first mesh member 23a, and the metal particles (metal particles M1, M2) constituting the metal particle layer 23a pass through the pores of the first mesh member 23a and drop off. Can be suppressed.

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 first mesh member 23a or the diameter of the pores, about half of one particle becomes the pores of the first mesh member 23a. Since the metal particles M1 can be fitted, the surface roughness of the first mesh member 23a is easily absorbed, and as a result, the surface of the first mesh member 23a can be suitably smoothed. Therefore, the particle size of the metal particles M1 is set to about the distance between fibers of the first mesh member 23a (average distance between fibers) or the diameter of the holes of the first mesh member 23a (average diameter of the holes). It is more preferable.

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 first mesh member 23a is a mesh material made of metal fibers. The particles are preferably made of the same metal as the metal fiber. By making the metal particles M1 and M2 into particles made of the same type of metal as the metal fibers constituting the first netting material 23a, corrosion of the metal due to the oxidation-reduction potential difference between the metals can be prevented.

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 net member 23a described above (for example, pores having a minimum inner diameter of about 0.01 μm to several μm).

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 pore layer 23b moves the water in the catalyst layer 33 to the pore layer 23b by the water repellency of the organic porous portion 23b2 and the many pores that the organic porous portion 23b2 communicates with each other. In addition, while maintaining the catalyst layer 33 appropriately, the excess water is discharged out of the system, and the function of suppressing the electrochemical reaction in the catalyst layer 33 by water is suppressed.

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 pore layer 23b is formed from the catalyst layer 33 (see FIG. 3) serving as a reaction field of an electrochemical reaction (electrode reaction) from the metal particle portion 23b1 and the organic porous portion 23b2 to the first net member 23a. Takes the function of making it easy to move electrons. In particular, as described above, the pore layer 23b in the first porous body 23 of the present embodiment includes the metal particle portion 23b1, so that the conductivity in the height direction and the surface direction is improved, and excellent conductivity is achieved. Can be provided.

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 pore layer 23b, the organic porous portion 23b2 is disposed in a state where it penetrates the first netting material 23a by the penetration depth D through the gap between the metal particle portions 23b1. ing. Therefore, sufficient contact can be ensured between the organic porous portion 23b2 and the first net member 23a.

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 first netting material 23a by the penetration depth D, the pores of the organic porous portion 23b2 serving as the water path (water path) of the pore layer 23b, The contact probability of the surface of the conductive fiber that becomes the water path of the first net member 23a can be increased. Therefore, the water path communication between the pore layer 23b and the first net member 23a is enhanced, and as a result, the pore layer 23b (particularly, the organic porous portion 23b2) is blocked by the liquid water. It can suppress suitably.

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 net member 23a is preferably about the fiber diameter of the conductive fibers constituting the first net member 23a (corresponding to the diameter of the conductive fibers) or more. By setting the penetration depth D to be at least about the fiber diameter of the conductive fibers constituting the first mesh member 23a (corresponding to the diameter of the conductive fibers), the organic porous portion 23b2 can conduct the first mesh member 23a. The surroundings of the conductive fiber can be covered, and sufficient contact can be ensured with the first netting material 23a (the conductive fiber). Further, sufficient water path communication and gas permeability are ensured between the pore layer 23b and the first net member 23a.

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 net member 23a is shallower, the required thickness of the pore layer 23b is reduced, and the gas permeability of the pore layer 23b is improved. Therefore, the penetration depth D is particularly preferably about the fiber diameter of the conductive fibers constituting the first net member 23a.

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 pore layer 23b has a total thickness of about 50 to 300 μm including the thickness of the portion that has penetrated into (intruded into) the first netting material 23a, that is, the penetration depth D described above. Is preferred.

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 porous body 23, metal particles of the metal particle portion 23b1 (mainly metal particles M2 constituting the surface layer 23b11) are formed from the organic porous portion 23b2 on the surface on the catalyst layer 33 side of the pore layer 23b. Although it is preferable that it is exposed, the metal particle part 23b1 may be buried in the organic porous part 23b at a predetermined depth as necessary. By exposing the metal particles to the surface of the pore layer 23b, the contact resistance with the catalyst layer 33 can be reduced.

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 porous body 23 has been described above, the second porous body 24 of the anode electrode 14 is also configured similarly to the first porous body 23. That is, in the description of the first porous body 23 described above, (1) “first porous body 23” is read as “second porous body 24”, and (2) “first net member 23a” is replaced with “second net”. (3) “pore layer 23b” as “pore layer 24b”, (4) “catalyst layer 33” as “catalyst layer 34”, (5) “cathode electrode” 13 ”is replaced with“ anode electrode 14 ”, and (6)“ oxidant gas ”is replaced with“ fuel gas ”.

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 pore layer 23 of the cathode electrode 13 can be applied to the pore layer 24 of the anode electrode 14 as they are. That is, the pore layer 24 of the anode electrode 14 also has the same metal particle part (base layer and surface layer) and organic porous part as the pore layer 23 of the cathode electrode 13, and is the same as the pore layer 23. Furthermore, it is excellent in surface smoothness and conductivity.

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 porous body 23 and the second porous body 24 described above will be described with reference to FIGS. In the following, the manufacturing method of the first porous body 23 will be described, but the same applies to the manufacturing method of the second porous body 24.

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 porous body 23. As shown in FIG. 5, when manufacturing the 1st porous body 23, the organic porous part preparation process which prepares the organic porous part 23b2 first is performed (S1).

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 net member 23a has a thickness of, for example, about one layer (that is, an extent that covers the surface of the first net member 23a). Thus, the metal particles M1 are sprayed to form the base layer 23b11.

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 first netting material 23a are deposited in a thickness of about one layer or more. . By setting the thickness of the metal particles M1 deposited on the first mesh member 23a to about one layer or more, the metal particles M1 can sufficiently function as a seal against the pores of the first mesh member 23a, and the first Absorbing the surface roughness of one mesh material 23a contributes to smoothing the surface of the pore layer 23b.

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 pore layer 23b can be suitably smoothed by spraying the metal particles M2 to such an extent that the metal particle layer 23b1 having a smooth surface can be obtained. .

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 net member 23a.

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 pore layer 23b is illustrated in a simplified manner. As shown in FIG. 7, in the joining step (S3), the first net member 23a having the metal particle portion 23b1 disposed on the surface (upper surface) is disposed and formed on the SUS plate from above the metal particle portion 23b1. The organic porous portions 23b2 are combined and subjected to pressure bonding (cold bonding) by applying a load from above the SUS plate to obtain a bonded body of the first netting material 23a and the pore layer 23b.

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 guide 80, is used to control the overall height of the joined body. In this way, by controlling the height of the entire joined body using a member whose height can be specified, it is possible to prevent the first net member 23a from being excessively crushed by a load during crimping (joining). The penetration depth D (see FIG. 4) of the organic porous portion 23b2 into the one net member 23a and the entire thickness of the pore layer 23b can be reliably controlled.

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 first netting material 23a and the pore layer 23b obtained in the joining step (S3) is subjected to heat treatment, and the pore layer 23b (organic porous portion 23b2). PTFE contained in is melted to fix the pore layer 23b. As a result of fixing the pore layer 23b, the first porous body 23 is obtained.

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 net member 23a and the pore layer 23b is subjected to heat treatment at 345 ° C. for 2 hours in a nitrogen atmosphere of 10 Torr.

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 porous body 23 is produced according to the manufacturing flow shown in FIG. 5, next, catalyst-carrying carbon (for example, platinum-carrying carbon) and solid polymer are formed on the surface of the first porous body 23 on the pore layer 23b side. The catalyst layer 33 is formed by applying and drying a catalyst paste containing an electrolyte (for example, Nafion (registered trademark)) by screen printing. Thereby, the cathode electrode 13 which is a porous body electrode is obtained.

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 anode electrode 14 is produced in the same manner as the cathode electrode 13, the catalyst layers 33 and 34 are made to face each other, the solid polymer electrolyte membrane 15 is interposed between the catalyst layers 33 and 34, and pressure bonding is performed by hot pressing. A joined body of a pair of porous electrodes (cathode electrode 13 and anode electrode 14) and the solid polymer electrolyte membrane 15 is obtained.

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 fuel cell 10 is obtained by sandwiching the joined body of the pair of porous electrodes (cathode electrode 13 and anode electrode 14) and the solid polymer electrolyte membrane 15 between the cathode side separator 11 and the anode side separator 12. It is done.

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 first network material 23a and the second network material 24a. And the pore layer (in the case of the 1st porous body 23, the pore layer 23b) was formed in each one side, and the 1st porous body 23 and the 2nd porous body were obtained.

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 net member 23a was set to about the fiber diameter (that is, about 100 μm) of the titanium fiber constituting the first net member 23a. The penetration depth D of the organic porous portion with respect to the second netting material was also the same. The total thickness of the pore layer (pore layer 23b in the case of the first porous body 23) was about 150 μm.

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/cm)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 fuel cell 10 employing the first porous body 23 and the second porous body 24 of the example is evaluated. FIG. 8 is a graph showing IV characteristics. In the graph of FIG. 8, the horizontal axis represents current I (unit: A / cm 2 ) per unit area, and the vertical axis represents voltage (unit: V).

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 fuel cell 10 employing the first porous body 23 and the second porous body 24 of the example is represented by the symbol “■”. On the other hand, as a comparative example, the IV characteristic of a conventional fuel cell having a pore layer not including a metal particle portion is represented by the symbol “シ ン ボ ル”.

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 fuel cell 10 employing the first porous body 23 and the second porous body 24 of the present embodiment than in the conventional fuel cell. Excellent IV characteristics are shown.

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 fuel cell 10 of this embodiment, this is because (1) the pore layers 23b and 24b are caused by the metal particle portions (the metal particle portions 23b1 in the first porous body 23) included in the pore layers 23b and 24b. Smoothing the surface, and (2) improving the conductivity of the pore layers 23b and 24b. As a result, the current collection efficiency of the first porous body 23 and the second porous body 24 is improved. This is thought to be because power generation efficiency and power density are improved. In addition, since the surface of the pore layer 23b of the first porous body 23 and the surface of the pore layer 24b of the second porous body 24 are smoothed, the working area with the catalyst layers 33 and 34 increases, and as a result, This is probably because the power generation efficiency and output density of the fuel cell 10 are improved.

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 pore layer 23b of the first porous body 23 includes the metal particle portion 23b1, the metal particle portion 23b1 has a porosity without relying on the increase in the thickness of the organic porous portion serving as electronic resistance. It is possible to absorb the surface roughness of the first net member 23a due to the increase of. As a result, the surface of the pore layer 23b can be smoothed.

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 porous body 23 increases the porosity of the first netting material 23a to improve the gas permeability (reduction in pressure loss), and on the other hand, is a collection that occurs contrary to the increase in the porosity. The deterioration of the electric efficiency is suppressed, and it is possible to achieve both improvement in gas permeability and improvement in current collection efficiency. The second porous body 24 is the same as the first porous body 23.

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 first netting material 23a and the metal particles M2 having a smaller particle size than the metal particles M1 on the base layer 23b11. Therefore, the conductivity in the thickness direction (deposition height direction) is improved by the large-diameter metal particles M1, and the conductivity in the surface direction is improved by the small-diameter metal particles M2. . Therefore, the conductivity of the pore layer 23b can be preferably improved.

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 fuel cell 10 configured using the first porous body 23 and the second porous body 24, the active area of the catalyst layers 33 and 34 is increased by the smoothed pore layers 23b and 24b. The catalyst utilization rate is improved, and excellent power generation efficiency and output density are exhibited. Furthermore, since the pore layers 23b and 24b are suitably smoothed, the bonding strength with the catalyst layers 33 and 34 can be improved.

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 pore layer 23b is smoothed by providing the metal particle portion 23b1, fluffing does not occur on the surface of the pore layer as in the case of smoothing using conductive fibers. Therefore, in the fuel cell 10 configured using the first porous body 23 including the pore layer 23b having no fluff, the catalyst layer 23 adjacent to the pore layer 23b or the solid polymer electrolyte membrane adjacent to the catalyst layer 23 15 is hardly damaged by the surface state (fluffing etc.) of the pore layer 23b.

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 porous body 23 and the 2nd porous body 24 of this embodiment are excellent in current collection efficiency and gas permeability (gas supply property), this 1st porous body 23 and 2nd porous body By adopting 24 as a part of the fuel cell 10, the power generation efficiency and output density of the fuel cell 10 can be improved. In addition, since the surface of the pore layer (pore layer 23b) is smoothed, the active area (contact area) with the catalyst layer (catalyst layer 23) increases, so that the catalyst utilization rate is improved. In this case, the power generation efficiency and output density of the fuel cell 10 can be improved. Therefore, the first porous body 23 and the second porous body 24 of the present embodiment are useful for application to a fuel cell.

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 first netting material 23a to form the metal particle portion 23b1, but instead of the metal particles, conductive particles (for example, metal Particles imparted with conductivity by coating, particles made of a conductive material, or the like) may be deposited on the first netting material 23a.

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 | network material 23a. . Further, one or more layers composed of metal particles smaller than the metal particles M1 and larger than the metal particles M2 may be interposed between the base layer 23b11 and the surface layer 23b12 constituting the metal particle portion 23b1.

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 pore layer 23b.

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 | network material 23a and the 2nd net | network material 24a, these pore layers 23b and 24b are made into the 1st net | network material 23a and It is good also as a structure formed in both surfaces of the 2nd net | network material 24a.

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.

本発明の一実施形態における燃料電池スタックから構成される燃料電池システムを示す模式図である。It is a mimetic diagram showing a fuel cell system constituted from a fuel cell stack in one embodiment of the present invention. 燃料電池スタックを模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows a fuel cell stack typically. 燃料電池の主要部分を示す模式的な部分断面図である。It is a typical fragmentary sectional view which shows the principal part of a fuel cell. (a)は、本実施形態の第1多孔体を模式的に示す断面図であり、(b)は、(a)におけるE部の構造を模式的に示す拡大図である。(A) is sectional drawing which shows typically the 1st porous body of this embodiment, (b) is an enlarged view which shows typically the structure of the E section in (a). 第1多孔体の製造フローを示す工程図である。It is process drawing which shows the manufacturing flow of a 1st porous body. (a)は、第1散布工程を説明するための模式図であり、(b)は、第2散布工程を説明するための模式図である。(A) is a schematic diagram for demonstrating a 1st spraying process, (b) is a schematic diagram for demonstrating a 2nd spraying process. 接合工程を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating a joining process. I−V特性を示すグラフである。It is a graph which shows an IV characteristic.

符号の説明Explanation of symbols

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 SYMBOLS 10 Fuel cell 15 Solid polymer electrolyte membrane 23 1st porous body (porous member for fuel cells)
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 porous part 24 2nd porous body (porous member for fuel cell)
24a Second mesh material (metal porous body)
24b Pore layer 33 Catalyst layer 34 Catalyst layer 80 Fixed size guide (crimp height control means)
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)

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.
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ことを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池用多孔質部材。   The organic porous part has conductivity as well as water repellency, and the diameter of the conductive fiber from the surface in the planar direction of the metal porous body through the gap between the conductive particles constituting the conductive particle part. The porous member for a fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the porous member penetrates to a considerable depth. 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.
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の製造方法であって、
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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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2013251234A (en) * 2012-06-04 2013-12-12 Honda Motor Co Ltd Electrolyte membrane/electrode structure and manufacturing method of the same

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