JP2009099362A - Catalyst carrying electrode and unit cell of fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a catalyst carrying electrode having a high gas diffusion property. <P>SOLUTION: Catalyst carrying electrodes 10, 11 each includes: a metal sheet 20 having many holes 22; a porous carrier 15 supported with the metal sheet; and a particulate catalyst 12 carried with the porous carrier. The porous carrier is arranged at least inside a hole 22 of the metal sheet. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池用の触媒担持電極に係り、とりわけ、優れたガス拡散機能を有する触媒担持電極に関する。   The present invention relates to a catalyst-carrying electrode for a fuel cell, and more particularly to a catalyst-carrying electrode having an excellent gas diffusion function.

また、触媒担持電極を備えた燃料電池セルに係り、とりわけ、優れたガス拡散機能を有する触媒担持電極を備えた燃料電池セルに関する。   The present invention also relates to a fuel cell having a catalyst-carrying electrode, and more particularly to a fuel cell having a catalyst-carrying electrode having an excellent gas diffusion function.

今日、燃料としての水素を酸素と反応させることによって電力と水とを発生させる燃料電池が、現存する発電システムに置き換わり得る発電器として、注目されている。燃料電池は、通常、供給された水素と酸素とを反応させる膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)と、膜電極接合体の両側に配置されたセパレータと、を有する燃料電池セルを多数含んでいる。   Today, fuel cells that generate electricity and water by reacting hydrogen as fuel with oxygen are attracting attention as power generators that can replace existing power generation systems. 2. Description of the Related Art A fuel cell usually includes a number of fuel cells each having a membrane electrode assembly (MEA) that reacts supplied hydrogen and oxygen and separators disposed on both sides of the membrane electrode assembly. It is out.

文献1にも開示されているように、膜電極接合体と各セパレータとの間には、燃料となる水素ガスや、水素ガスと反応する酸素ガスまたは空気等を流すための、ガス流路が形成されている。そして、膜電極接合体は、電解質膜と、電解質膜の両側にそれぞれ配置された一対の触媒層(電極)と、各触媒層と各セパレータとの間にそれぞれ配置された一対のガス拡散層と、を有している。   As disclosed in Document 1, there is a gas flow path between the membrane electrode assembly and each separator for flowing hydrogen gas as fuel, oxygen gas that reacts with hydrogen gas, air, or the like. Is formed. The membrane electrode assembly includes an electrolyte membrane, a pair of catalyst layers (electrodes) disposed on both sides of the electrolyte membrane, and a pair of gas diffusion layers respectively disposed between the catalyst layers and the separators. ,have.

例えば文献2の第45頁に記載されているように、触媒層は、ガス流路から供給されるガスを反応させるための電極触媒を担持した層であって、一般的に、数十μmの厚みを有している。一方、ガス拡散層は、文献2の第46頁に記載されているように、例えば、直径が5μm程度のカーボン繊維から構成された厚さ100μm〜300μm程度の層である。このガス拡散層は、ガス流路からのガスを拡散させて触媒層にガスを供給するための層であり、例えば、孔径が数十μm〜数百μm程度の気孔を有している。ガス流路からのガスを触媒層の全面へ十分に拡散させることができれば、高価な電極触媒を有効利用して、燃料電池セルを優れた効率で動作させることができるようになる。
特開2007−12325号公報 「図解燃料電池のすべて」(監修:本間琢也氏、発行:株式会社工業調査会)
For example, as described on page 45 of Document 2, the catalyst layer is a layer supporting an electrode catalyst for reacting the gas supplied from the gas flow path, and generally has a thickness of several tens of μm. It has a thickness. On the other hand, the gas diffusion layer is a layer having a thickness of about 100 μm to 300 μm made of carbon fibers having a diameter of about 5 μm, as described on page 46 of Document 2. This gas diffusion layer is a layer for diffusing gas from the gas flow path and supplying gas to the catalyst layer, and has pores with a pore diameter of about several tens to several hundreds of μm, for example. If the gas from the gas flow path can be sufficiently diffused over the entire surface of the catalyst layer, the fuel cell can be operated with excellent efficiency by effectively using an expensive electrode catalyst.
JP 2007-12325 A “All of illustrated fuel cells” (supervised by Mr. Shinya Honma, published by Kogyo Kenkyukai)

文献1では、電極の材料を改良することにより、耐久性を維持しながらガス拡散性を向上させ、電極触媒を有効利用することが提案されている。しかしながら、今日において、燃料電池セルの動作効率に対する要求はさらに高まっている。   In literature 1, it is proposed to improve the gas diffusivity while maintaining durability by improving the electrode material, and to effectively use the electrode catalyst. However, today, the demand for operating efficiency of fuel cells is further increased.

すなわち、本発明は、優れたガス拡散性を有する触媒担持電極(触媒層)を提供することを目的とする。また、本発明は、優れたガス拡散性を有する触媒担持電極(触媒層)を備えた燃料電池セルを提供することを目的とする。   That is, an object of the present invention is to provide a catalyst-carrying electrode (catalyst layer) having excellent gas diffusibility. Another object of the present invention is to provide a fuel cell having a catalyst-carrying electrode (catalyst layer) having excellent gas diffusibility.

ところで、燃料電池は、例えば、数十個〜数百個の燃料電池セルを積み重ねることによって構成され、所望の起電力を有するようになる。このような燃料電池においては、燃料電池セルの薄型化を図り、燃料電池の小型化を達成することも、今日における一つの重要な課題となっている。したがって、本発明による触媒担持電極が優れたガス拡散機能を有し、これにより、従来のガス拡散層を省略して燃料電池セルの厚みを薄くすることができれば、非常に都合が良い。   By the way, the fuel cell is configured by stacking several tens to several hundreds of fuel cells, for example, and has a desired electromotive force. In such a fuel cell, it is an important subject today to achieve a reduction in the thickness of the fuel cell and a reduction in the size of the fuel cell. Therefore, it is very convenient if the catalyst-carrying electrode according to the present invention has an excellent gas diffusion function, and thereby the thickness of the fuel cell can be reduced by omitting the conventional gas diffusion layer.

本発明による触媒担持電極は、多数の孔を形成された金属シートと、前記金属シートに支持された多孔質担体であって、少なくとも前記孔内に配置された多孔質担体と、前記多孔質担体に担持された粒子状の電極触媒と、を備えることを特徴とする。   The catalyst-supporting electrode according to the present invention includes a metal sheet having a large number of pores, a porous carrier supported by the metal sheet, at least a porous carrier disposed in the pores, and the porous carrier. And a particulate electrode catalyst supported on the substrate.

本発明による触媒担持電極において、前記金属シートの一方の面から他方の面に向け、前記金属シートのシート面に沿った孔の断面積はしだいに小さくなっていくようにしてもよい。   In the catalyst-carrying electrode according to the present invention, the cross-sectional area of the hole along the sheet surface of the metal sheet may gradually decrease from one surface of the metal sheet to the other surface.

また、本発明による触媒担持電極において、前記金属シートの開孔率は40%以上であり、前記金属シートの孔の平均孔径は60μm以下であるようにしてもよい。   In the catalyst-carrying electrode according to the present invention, the metal sheet may have an open area ratio of 40% or more, and an average hole diameter of the holes of the metal sheet may be 60 μm or less.

さらに、本発明による触媒担持電極において、前記多孔質担体は互いに接合された複数の担体粒子を含み、前記粒子状電極触媒は前記担体粒子に担持されているようにしてもよい。このような本発明による触媒担持電極において、前記担体粒子は、カーボン粒子、カーボン繊維、カーボンナノホーン、および、カーボンナノチューブのうちの少なくともいずれか一つを含むようにしてもよい。   Furthermore, in the catalyst-carrying electrode according to the present invention, the porous carrier may include a plurality of carrier particles bonded to each other, and the particulate electrode catalyst may be carried on the carrier particles. In such a catalyst-carrying electrode according to the present invention, the carrier particles may include at least one of carbon particles, carbon fibers, carbon nanohorns, and carbon nanotubes.

さらに、本発明による触媒担持電極において、前記多孔質担体は、前記金属シートの少なくともいずれか一方の面上にも配置されているようにしてもよい。このような本発明による触媒担持電極において、前記粒子状電極触媒は、白金または白金合金からなるようにしてもよい。   Furthermore, in the catalyst-carrying electrode according to the present invention, the porous carrier may be disposed on at least one surface of the metal sheet. In such a catalyst-carrying electrode according to the present invention, the particulate electrode catalyst may be made of platinum or a platinum alloy.

本発明による燃料電池セルは、上述したいずれか一項に記載された触媒担持電極を備えることを特徴とする。   A fuel cell according to the present invention includes the catalyst-supporting electrode described in any one of the above.

本発明によれば、優れたガス拡散機能を有する触媒担持電極、および、優れたガス拡散機能を有する触媒担持電極を備えた燃料電池セルが得られる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell provided with the catalyst carrying electrode which has the outstanding gas diffusion function, and the catalyst carrying electrode which has the outstanding gas diffusion function is obtained.

発明を実施するための形態BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION

以下、図面を参照して本発明の一実施の形態について説明する。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1乃至図11は本発明による触媒担持電極および燃料電池セルの一実施の形態を説明するための図である。このうち図1は触媒担持電極の断面図であり、図2は触媒担持電極が組み込まれた燃料電池セルを示す分解斜視図であり、図3は多数の燃料電池セルからなる燃料電池を示す斜視図である。なお、図1に示された断面は、図2におけるI−I線に沿った断面に相当する。   FIG. 1 to FIG. 11 are diagrams for explaining an embodiment of a catalyst-carrying electrode and a fuel cell according to the present invention. 1 is a cross-sectional view of a catalyst-carrying electrode, FIG. 2 is an exploded perspective view showing a fuel cell in which the catalyst-carrying electrode is incorporated, and FIG. 3 is a perspective view showing a fuel cell composed of a large number of fuel cells. FIG. The cross section shown in FIG. 1 corresponds to the cross section taken along the line II in FIG.

図2に示すように、燃料電池セル50は、膜電極接合体(MEA)35と、膜電極接合体35の両側に配置された一対のセパレータ40,41と、を有している。膜電極接合体35は、電解質膜30と、電解質膜30の両側に配置された一対の触媒担持電極10,11と、を有している。そして、図3に示すように、この燃料電池セル50が積み重ねられ、所望の起電力を有する燃料電池55(スタック55a)が形成される。以下、燃料電池セル50の各構成について説明していく。   As shown in FIG. 2, the fuel cell 50 has a membrane electrode assembly (MEA) 35 and a pair of separators 40 and 41 disposed on both sides of the membrane electrode assembly 35. The membrane electrode assembly 35 includes an electrolyte membrane 30 and a pair of catalyst-carrying electrodes 10 and 11 disposed on both sides of the electrolyte membrane 30. As shown in FIG. 3, the fuel cells 50 are stacked to form a fuel cell 55 (stack 55a) having a desired electromotive force. Hereinafter, each structure of the fuel cell 50 will be described.

まず、セパレータ40,41について説明する。図2に示すように、セパレータ40,41は、直角四辺形の板状に形成されている。セパレータ40,41には、四隅のそれぞれの近傍に一つずつ貫通孔42が形成されている。また、図2に示されているように、各セパレータ40,41の膜電極接合体35に対面する側の面に、サーペンタイン状(曲がりくねって蛇行した形状、serpentine)の溝43が形成されている。溝43の両端は、それぞれ一つの貫通孔42に通じている。そして、この溝43が、膜電極接合体35とセパレータ40,41との間に設けられたガス流路を形成するようになる。このガス流路43には、膜電極接合体35の触媒担持電極10,11へ供給されるガスが流れる。   First, the separators 40 and 41 will be described. As shown in FIG. 2, the separators 40 and 41 are formed in a rectangular quadrangular plate shape. In the separators 40 and 41, one through hole 42 is formed in the vicinity of each of the four corners. Further, as shown in FIG. 2, serpentine-shaped grooves 43 are formed on the surfaces of the separators 40 and 41 facing the membrane electrode assembly 35 on the side facing the membrane electrode assembly 35. . Both ends of the groove 43 communicate with one through hole 42. The groove 43 forms a gas flow path provided between the membrane electrode assembly 35 and the separators 40 and 41. A gas supplied to the catalyst-carrying electrodes 10 and 11 of the membrane electrode assembly 35 flows through the gas flow path 43.

このようなセパレータ40,41は、カーボンと樹脂との混合物であるカーボン樹脂や、ステンレス、アルミニウムまたは銅等の金属を用いることができる。ただし、金属からセパレータ40,41を形成する場合には、耐食性を向上させることを目的として、セパレータ40,41の表面を金めっきすることが好ましい。   Such separators 40 and 41 may be made of carbon resin, which is a mixture of carbon and resin, or metal such as stainless steel, aluminum or copper. However, when the separators 40 and 41 are formed from metal, it is preferable that the surfaces of the separators 40 and 41 are plated with gold for the purpose of improving the corrosion resistance.

次に、膜電極接合体35について説明する。上述したように、膜電極接合体35は、電解質膜30と、電解質膜30の両側に配置された一対の触媒担持電極10,11と、を有している。電解質膜30は、プロトンH+が透過可能な膜、例えばパーフルオロスルホン酸イオン交換膜から構成され得る。 Next, the membrane electrode assembly 35 will be described. As described above, the membrane / electrode assembly 35 includes the electrolyte membrane 30 and the pair of catalyst-supporting electrodes 10 and 11 disposed on both sides of the electrolyte membrane 30. The electrolyte membrane 30 may be composed of a membrane that is permeable to proton H + , such as a perfluorosulfonic acid ion exchange membrane.

次に、触媒担持電極10,11について詳述する。触媒担持電極は、電解質膜30の一方の側(図2における右側)に配置された水素極(燃料極)10と、電解質膜30の他方の側に配置された酸素極(空気極)11と、を含んでいる。この二つの触媒担持電極10,11は、略同一の構成を有している。以下における触媒担持電極の説明は、特筆しない限りにおいて、両方の触媒担持電極10,11に関する説明である。   Next, the catalyst carrying electrodes 10 and 11 will be described in detail. The catalyst-carrying electrode includes a hydrogen electrode (fuel electrode) 10 disposed on one side (right side in FIG. 2) of the electrolyte membrane 30, and an oxygen electrode (air electrode) 11 disposed on the other side of the electrolyte membrane 30. , Including. The two catalyst-carrying electrodes 10 and 11 have substantially the same configuration. The description of the catalyst-carrying electrode in the following description is for both the catalyst-carrying electrodes 10 and 11 unless otherwise specified.

図1に示すように、触媒担持電極10,11は、所定のピッチで多数の孔22を形成された金属シート20と、金属シート20に支持された多孔質担体15と、多孔質担体15に担持された粒子状の電極触媒12と、を有している。このうちまず、主に図4乃至図8を参照して、金属シート20について詳述する。ここで、図4は金属シート20を示す部分平面図であり、図5は図4のV−V線に沿った断面図である。また、ここでいう粒子とは、球状、多角形状、繊維状等の種々の形状を有した微小片を含む概念である。   As shown in FIG. 1, the catalyst-carrying electrodes 10 and 11 include a metal sheet 20 having a large number of holes 22 formed at a predetermined pitch, a porous carrier 15 supported by the metal sheet 20, and a porous carrier 15. And a particulate electrode catalyst 12 supported thereon. First, the metal sheet 20 will be described in detail mainly with reference to FIGS. 4 to 8. 4 is a partial plan view showing the metal sheet 20, and FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line V-V in FIG. In addition, the term “particle” as used herein is a concept including minute pieces having various shapes such as a spherical shape, a polygonal shape, and a fibrous shape.

金属シート20は、多数の孔22を形成された金属製のシートである。金属シート20は、例えば、ステンレス、アルミニウム、銅等から形成することができる。ただし、上述したセパレータ10,11と同様に、耐食性を向上させることを目的として、金属シートの表面を金めっきしておくことが好ましい。ところで、触媒担持電極10,11が燃料電池セル50に組み込まれる場合、使用時の強度(耐久性)を確保することができる限りにおいて、金属シート20の厚みは薄い方が好ましい。燃料電池セル50の小型化を図ることができ、また、燃料電池セル50の単位体積あたりの起電力を高めることができるためである。このことから、金属シート20の厚みを、例えば20μm以上100μm以下とすることができ、さらに好ましくは、20μm以上50μm以下とすることができる。   The metal sheet 20 is a metal sheet in which a large number of holes 22 are formed. The metal sheet 20 can be formed from, for example, stainless steel, aluminum, copper, or the like. However, like the separators 10 and 11 described above, the surface of the metal sheet is preferably gold-plated for the purpose of improving the corrosion resistance. By the way, when the catalyst-carrying electrodes 10 and 11 are incorporated in the fuel cell 50, it is preferable that the metal sheet 20 is thin as long as strength (durability) during use can be ensured. This is because the fuel cell 50 can be downsized and the electromotive force per unit volume of the fuel cell 50 can be increased. From this, the thickness of the metal sheet 20 can be, for example, 20 μm or more and 100 μm or less, and more preferably 20 μm or more and 50 μm or less.

図4に示すように、本実施の形態において、各孔22は、金属シート20の平面視において(金属シート20のシート面に直交する方向から見た場合において)、略円形状の輪郭を有している。また、多数の孔22は、略同一形状(±5μm以下)に形成されている。   As shown in FIG. 4, in the present embodiment, each hole 22 has a substantially circular outline in a plan view of the metal sheet 20 (when viewed from a direction orthogonal to the sheet surface of the metal sheet 20). is doing. The many holes 22 are formed in substantially the same shape (± 5 μm or less).

図4に示すように、本実施の形態において、金属シート20の孔22は、その配置中心が、周囲に配置された隣り合う孔22の配置中心から等距離Pだけ離間するよう、それぞれ配設されている。このため、孔22の径が同一であれば、隣り合う孔22との離間間隔(図5のW1,W2に相当)も同一となる。また、図5に示すように、孔22のシート面に平行な面における孔径(内径)は、金属シート20の一方の面20a上において最も大きく、他方の面20b上において最も小さくなっている。さらに厳密には、金属シート20のシート面と平行な面における孔22の孔径(内径)は、一方の面20aから他方の面20bに向けて徐々に小さくなっていっている。言い換えると、金属シート20の一方の面20aから他方の面20bに向け、金属シート20のシート面に沿った孔22の断面積はしだいに小さくなっていっている。   As shown in FIG. 4, in the present embodiment, the holes 22 of the metal sheet 20 are arranged such that the arrangement center is separated by an equal distance P from the arrangement center of adjacent holes 22 arranged around the hole. Has been. For this reason, if the diameters of the holes 22 are the same, the spacing between adjacent holes 22 (corresponding to W1 and W2 in FIG. 5) is also the same. Further, as shown in FIG. 5, the hole diameter (inner diameter) of the hole 22 in the plane parallel to the sheet surface is the largest on one surface 20a of the metal sheet 20 and the smallest on the other surface 20b. More strictly, the hole diameter (inner diameter) of the hole 22 in a plane parallel to the sheet surface of the metal sheet 20 gradually decreases from one surface 20a to the other surface 20b. In other words, the cross-sectional area of the hole 22 along the sheet surface of the metal sheet 20 is gradually decreasing from one surface 20a of the metal sheet 20 to the other surface 20b.

次に、このような金属シート20の製造方法の一例について、主に図6乃至図8を用いて説明する。このうち図6は、金属シートの製造方法を説明するための図である。   Next, an example of a method for manufacturing such a metal sheet 20 will be described mainly with reference to FIGS. Among these, FIG. 6 is a figure for demonstrating the manufacturing method of a metal sheet.

図6に例示された金属シートの製造方法は、金属シート20をなすようになる金属製フィルム(金属製シート)64と、金属製フィルム64上に積層された樹脂製フィルム(樹脂製シート)62とを有する積層体60を供給する工程と、フォトリソグラフィー技術を用いたエッチングを積層体60の金属製フィルム64に施して、金属製フィルム64に多数の孔22を形成する工程と、エッチング工程の後に、積層体60から樹脂製フィルム62を除去する工程と、を含んでいる。   The metal sheet manufacturing method illustrated in FIG. 6 includes a metal film (metal sheet) 64 that forms the metal sheet 20 and a resin film (resin sheet) 62 laminated on the metal film 64. A step of supplying a laminated body 60 including: a step of performing etching using a photolithography technique on the metal film 64 of the laminated body 60 to form a large number of holes 22 in the metal film 64; The process of removing the resin-made film 62 from the laminated body 60 later is included.

図6に示す例においては、積層体60を供給コア61に巻き取った積層体の巻体59が準備される。そして、この供給コア61が回転して巻体59が巻き戻されることにより、図6に示すように帯状に延びる積層体60が供給される。ここで、積層体60は、金属製フィルム64が下方に位置するとともに樹脂製フィルム62が上方に位置するようにして、供給される。   In the example illustrated in FIG. 6, a laminated body 59 obtained by winding the laminated body 60 around a supply core 61 is prepared. Then, when the supply core 61 rotates and the wound body 59 is rewound, the laminated body 60 extending in a strip shape is supplied as shown in FIG. Here, the laminated body 60 is supplied so that the metal film 64 is located below and the resin film 62 is located above.

なお、積層体60の金属製フィルム64は、以下に説明するように孔22を形成されて金属シート20をなすようになる。したがって、上述したように、金属製フィルム64は、例えばステンレス、アルミニウムまたは銅からなる。   In addition, the metal film 64 of the laminated body 60 is formed with the holes 22 as described below to form the metal sheet 20. Therefore, as described above, the metal film 64 is made of, for example, stainless steel, aluminum, or copper.

一方、樹脂製フィルム62としては、例えば、50μm〜150μm程度の厚さを有するポリエチレンテレフタレートやポリプロピレンからなるシートを用いることができる。本実施の形態においては、UV光を照射されると金属製フィルム64に対する接合力が低下するようになされた樹脂製フィルム62が用いられている。具体的には、樹脂製フィルム62が、ポリエチレンテレフタレートからなる基材フィルム(基材シート)62aと、基材フィルム62a上に積層された層であって金属製フィルム64と対面するUV剥離層62bと、を有するようにすることができる(図6および図7参照)。UV剥離層62bは、UV光を照射されると金属製フィルム64に対する接合力が低下するようになされた樹脂層である。   On the other hand, as the resin film 62, for example, a sheet made of polyethylene terephthalate or polypropylene having a thickness of about 50 μm to 150 μm can be used. In the present embodiment, a resin film 62 is used in which the bonding force to the metal film 64 is reduced when irradiated with UV light. Specifically, the resin film 62 is a base film (base sheet) 62a made of polyethylene terephthalate, and a UV layer 62b that is a layer laminated on the base film 62a and faces the metal film 64. (See FIGS. 6 and 7). The UV release layer 62b is a resin layer that is configured such that the bonding strength to the metal film 64 is reduced when irradiated with UV light.

供給された積層体60はエッチング装置(エッチング手段)70によってエッチング処理を施される。具体的には、まず、積層体60の金属製フィルム64の面上に感光性レジスト材料を塗布し、金属製フィルム64上にレジスト膜を形成する。次に、レジスト膜のうちの除去したい領域のみに、光を透過させるようにした、あるいは、光を透過させないようにしたガラス乾板を準備し、ガラス乾板をレジスト膜上に配置する。その後、レジスト膜をガラス乾板越しに露光し、さらにレジスト膜を現像する。以上のようにして、積層体60の金属製フィルム64上にレジストパターン66(図7参照)が形成される。   The supplied laminated body 60 is subjected to an etching process by an etching apparatus (etching means) 70. Specifically, first, a photosensitive resist material is applied on the surface of the metal film 64 of the laminate 60, and a resist film is formed on the metal film 64. Next, a glass dry plate in which light is transmitted only to a region to be removed of the resist film or light is not transmitted is prepared, and the glass dry plate is disposed on the resist film. Thereafter, the resist film is exposed through a glass dry plate, and the resist film is further developed. As described above, a resist pattern 66 (see FIG. 7) is formed on the metal film 64 of the laminate 60.

次に、図7に示すように、金属製フィルム64上に形成されたレジストパターン66をマスクとして、積層体60をエッチング液(例えば塩化第二鉄溶液)68でエッチングする。本実施の形態において、エッチング液68は、搬送されてきた積層体60の下方に位置するように配置されたエッチング装置70のノズル71から、レジストパターン66越しに金属製フィルム64の一方の面64aに向けて噴射される。このとき、図7に点線で示すように、金属製フィルム64のうちのレジストパターン66によって覆われていない領域で、エッチング液による浸食が始まる。その後、浸食は、金属製フィルム64の厚み方向だけでなく、金属製フィルム64のフィルム面(シート面)に沿った方向にも進んでいく。以上のようにして、エッチング液による浸食が金属製フィルム64の一方の面64aから他方の面64bまで進み、金属製フィルム64を貫通する孔22が形成される。   Next, as shown in FIG. 7, the laminate 60 is etched with an etching solution (for example, ferric chloride solution) 68 using the resist pattern 66 formed on the metal film 64 as a mask. In the present embodiment, the etching solution 68 is passed through the resist pattern 66 from the nozzle 71 of the etching apparatus 70 disposed so as to be positioned below the transported laminate 60, and the one surface 64 a of the metal film 64. It is injected toward At this time, as shown by a dotted line in FIG. 7, erosion by the etching solution starts in a region of the metal film 64 that is not covered with the resist pattern 66. Thereafter, erosion proceeds not only in the thickness direction of the metal film 64 but also in the direction along the film surface (sheet surface) of the metal film 64. As described above, erosion by the etching solution proceeds from one surface 64a of the metal film 64 to the other surface 64b, and the hole 22 penetrating the metal film 64 is formed.

その後、積層体60上のレジストパターン66が除去され、さらに積層体60が水洗いされる。このようにエッチングよって孔22が形成された積層体60は、次に、除去装置(除去手段)74内に搬送される。   Thereafter, the resist pattern 66 on the stacked body 60 is removed, and the stacked body 60 is further washed with water. The stacked body 60 in which the holes 22 are thus formed by etching is then conveyed into a removing device (removing means) 74.

図8に示すように、本実施の形態における除去装置74は、積層体60の搬送経路に沿って配置されたUV光照射手段75を有している。UV光照射手段75は、積層体60の移動経路に沿って設けられ、積層体60を樹脂製フィルム62側から覆うシェード75aと、シェード75a内に配置されたUV光源75bと、を有している。そして、搬送されてきた積層体60は樹脂製フィルム62側からUV光を照射され、樹脂製フィルム62の基材フィルム62aを透過するUV光によって、基材フィルム62aと金属シート20(金属製フィルム64)とを接着するUV剥離層64bの接着力が大幅に弱められる。この結果、積層体60をなす樹脂製フィルム62と金属製フィルム64(金属シート20)とが分離可能となり、図8に示すように、樹脂製フィルム62が、金属製フィルム64から剥がされ、巻取コア58に巻き取られていく。   As shown in FIG. 8, the removal device 74 in the present embodiment has UV light irradiation means 75 arranged along the transport path of the stacked body 60. The UV light irradiation means 75 is provided along the movement path of the laminate 60, and includes a shade 75a that covers the laminate 60 from the resin film 62 side, and a UV light source 75b disposed in the shade 75a. Yes. And the laminated body 60 conveyed is irradiated with UV light from the resin film 62 side, and the base film 62a and the metal sheet 20 (metal film) are transmitted by the UV light transmitted through the base film 62a of the resin film 62. 64) is strongly weakened. As a result, the resin film 62 and the metal film 64 (metal sheet 20) forming the laminate 60 can be separated, and the resin film 62 is peeled off from the metal film 64 as shown in FIG. It is wound around the take-up core 58.

このようにして、多数の孔22が形成された金属製フィルム64が得られ、図6に示すように、切断装置(切断手段)79を用いて所定の長さに切断していくことにより、枚葉状の金属シート20が得られる。   In this way, a metal film 64 in which a large number of holes 22 are formed is obtained, and as shown in FIG. 6, by cutting into a predetermined length using a cutting device (cutting means) 79, A sheet-like metal sheet 20 is obtained.

ところで、このような製造方法の例とは異なり樹脂製フィルム62が設けられていなかったとすると、金属製フィルム64が貫通されて孔22が形成されると同時に、当該孔22を介して金属製フィルム64の一方の面64a側から他方の面64b側へ向けてエッチング液68が流れ込み始める。このような方法においては、最後にフレッシュなエッチング液68が孔22を内方から浸食してしまうことと、エッチング液が流れ込み始めることによって孔22に大きな圧力がかかってしまうことと、エッチング液が金属製フィルム64の他方の面64b上に滞留してしまうことと、により、エッチング工程の最終段階において、孔22の径が急激に大きくなってしまう。とりわけ、他方の面側において、孔22をなす壁面がだれてしまい、局所的に孔22の孔径が大きくなってしまう。このため、孔22の形状や大きさを所望の形状や大きさに制御することが、非常に困難となる。また、孔22の断面積は、金属製フィルム64の他方の面64b上で最も小さくなるのではなく、金属製フィルム64の一方の面64aと他方の面64bとの中間の厚さ方向位置において最も小さくなる。   By the way, unlike the example of such a manufacturing method, if the resin film 62 is not provided, the metal film 64 is penetrated and the hole 22 is formed, and at the same time, the metal film is passed through the hole 22. The etching solution 68 starts to flow from the one surface 64a side of 64 toward the other surface 64b side. In such a method, finally, the fresh etching solution 68 erodes the hole 22 from the inside, the etching solution starts to flow, a large pressure is applied to the hole 22, and the etching solution By staying on the other surface 64b of the metal film 64, the diameter of the hole 22 is rapidly increased in the final stage of the etching process. In particular, on the other surface side, the wall surface forming the hole 22 is displaced, and the hole diameter of the hole 22 is locally increased. For this reason, it becomes very difficult to control the shape and size of the hole 22 to a desired shape and size. Further, the cross-sectional area of the hole 22 is not the smallest on the other surface 64b of the metal film 64, but at a position in the thickness direction between the one surface 64a and the other surface 64b of the metal film 64. The smallest.

加えて、金属製フィルム64をエッチングする場合、金属製フィルム64は間欠的に移動するようにして搬送される。上述した例とは異なり樹脂製フィルム62が設けられていなかったとすると、間欠的な搬送にともなって発生する間欠的なテンションが金属製フィルム64のみに加えられるようになる。そして、この間欠的なテンションにより、金属製フィルム64が孔22と孔22との間において切断されてしまう虞がある。   In addition, when the metal film 64 is etched, the metal film 64 is conveyed so as to move intermittently. If the resin film 62 is not provided unlike the above-described example, intermittent tension generated with intermittent conveyance is applied only to the metal film 64. The intermittent tension may cause the metal film 64 to be cut between the holes 22.

これらのことから、従来のエッチングを用いた金属シートの製造方法(樹脂製フィルム62を用いない製造方法)によれば、小さな孔を高い開孔率で形成することができず、孔の平均孔径は大きくなり、金属シート20の開孔率が小さくなっていた。一方、上述した金属シートの製造方法(樹脂製フィルム62を用いる製造方法)によれば、従来の不具合を解消して、微細な孔22を高い開孔率で金属製フィルム64に形成することができる。   From these facts, according to the conventional metal sheet manufacturing method using etching (a manufacturing method not using the resin film 62), small holes cannot be formed with a high hole area ratio, and the average hole diameter of the holes And the hole area ratio of the metal sheet 20 was reduced. On the other hand, according to the above-described metal sheet manufacturing method (manufacturing method using the resin film 62), the conventional defects can be solved and the fine holes 22 can be formed in the metal film 64 with a high aperture ratio. it can.

なお、ここでいう開孔率とは、金属シート20の任意領域についての孔22が形成されていなかったとした場合での表面面積に対する、当該任意領域中に存在する各孔22が金属シート20のシート面に沿った面において占める最小面積の和の比を意味する。したがって、図示する例においては、金属シート20の任意領域についての孔が形成されていなかったとした場合での表面面積に対する、金属シート20の他方の面20bにおいて孔22が占める領域の表面面積の比が、当該金属シート20の開孔率となる。また、ここでいう平均孔径とは、金属シート20のシート面に沿った面における孔22の最小孔径の平均値を意味する。したがって、図5に示す金属シート20の開孔率は、図示された金属シート20の任意領域についての孔22が形成されていなかったとした場合での表面面積に対する、金属シート20の他方の面20bにおいて孔22が占める領域の面積の比となる。また、図5に示す金属シート20の平均孔径は、金属シート20の他方の面20bにおける孔22の径の平均値となる。   In addition, with the hole area ratio here, each hole 22 which exists in the said arbitrary area | region with respect to the surface area in the case where the hole 22 about the arbitrary area | regions of the metal sheet 20 was not formed is the metal sheet 20's. It means the ratio of the sum of the minimum areas that occupy the surface along the sheet surface. Therefore, in the illustrated example, the ratio of the surface area of the region occupied by the holes 22 in the other surface 20b of the metal sheet 20 to the surface area when no hole is formed in any region of the metal sheet 20 However, the hole area ratio of the metal sheet 20 is obtained. Moreover, the average hole diameter here means the average value of the minimum hole diameters of the holes 22 in the surface along the sheet surface of the metal sheet 20. Therefore, the hole area ratio of the metal sheet 20 shown in FIG. 5 is the other surface 20b of the metal sheet 20 with respect to the surface area when the hole 22 is not formed in an arbitrary region of the illustrated metal sheet 20. The ratio of the area occupied by the holes 22 in FIG. Further, the average hole diameter of the metal sheet 20 shown in FIG. 5 is an average value of the diameters of the holes 22 in the other surface 20 b of the metal sheet 20.

ここで、表1乃至3および図9乃至図11に、上述した方法で製造した金属シート20の寸法測定結果および測定された寸法から算出された開孔率を示す。なお、金属製フィルムとして、耐熱SUSを採用した。そして、表1および図9は金属製フィルムの厚みが20μmであった場合の結果を示し、表2および図10は金属製フィルムの厚みが25μmであった場合の結果を示し、表3および図11は金属製フィルムの厚みが30μmであった場合の結果を示している。また、図9中には、樹脂製フィルム62を用いない従来の製造方法で製造可能な金属シートの範囲を斜線で示している。

Figure 2009099362
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Here, Tables 1 to 3 and FIGS. 9 to 11 show the dimension measurement results of the metal sheet 20 manufactured by the above-described method and the hole area ratio calculated from the measured dimensions. In addition, heat resistant SUS was adopted as the metal film. Table 1 and FIG. 9 show the results when the thickness of the metal film is 20 μm, Tables 2 and 10 show the results when the thickness of the metal film is 25 μm, and Table 3 and FIG. 11 shows the result when the thickness of the metal film was 30 μm. Moreover, in FIG. 9, the range of the metal sheet which can be manufactured with the conventional manufacturing method which does not use the resin film 62 is shown with the oblique line.
Figure 2009099362
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なお、表1乃至表3中における記号は、図4および図5における記号に対応している。ここで、図4および図5において、Pは孔22の配置ピッチであり、D1は金属シート20の一方の面20aにおける孔22の平均孔径であり、D2は金属シート20の他方の面20bにおける孔22の平均孔径であり、W1は金属シート20の一方の面20aにおける隣り合う二つの孔22の平均離間距離であり、W2は金属シート20の他方の面20bにおける隣り合う二つの孔22の平均離間距離である。   The symbols in Tables 1 to 3 correspond to the symbols in FIGS. 4 and 5. 4 and 5, P is the arrangement pitch of the holes 22, D1 is the average hole diameter of the holes 22 in one surface 20a of the metal sheet 20, and D2 is in the other surface 20b of the metal sheet 20. The average hole diameter of the holes 22, W 1 is the average distance between two adjacent holes 22 on one surface 20 a of the metal sheet 20, and W 2 is the two adjacent holes 22 on the other surface 20 b of the metal sheet 20. The average separation distance.

これらの結果から、金属シートの厚みが20μm以上30μm以下である場合に、少なくとも、孔の平均孔径が50μm以上60μm以下の範囲内であり、開孔率が40%以上44%以下の範囲内である金属シート20を作製することが可能である、ことが確認された。   From these results, when the thickness of the metal sheet is 20 μm or more and 30 μm or less, at least the average pore diameter is in the range of 50 μm or more and 60 μm or less, and the opening ratio is in the range of 40% or more and 44% or less. It was confirmed that a certain metal sheet 20 can be produced.

次に、多孔質担体15について詳述する。多孔質担体15は、金属シート20とともに集電機能を発揮することができるよう、導電性を有している。図1に示すように、本実施の形態において、多孔質担体15は、金属シート20の孔22内、金属シート20の一方の面20a上、および、金属シート20の他方の面20b上に配置されている。また、多孔質担体15は、多数の担体粒子(担体粉体)16を互いに接合することによって形成されている。なお、ここでいう粒子とは、球状、多角形状、繊維状等の種々の形状を有した微小片を含む概念である。   Next, the porous carrier 15 will be described in detail. The porous carrier 15 has conductivity so that the current collecting function can be exhibited together with the metal sheet 20. As shown in FIG. 1, in the present embodiment, the porous carrier 15 is disposed in the hole 22 of the metal sheet 20, on one surface 20 a of the metal sheet 20, and on the other surface 20 b of the metal sheet 20. Has been. The porous carrier 15 is formed by joining a large number of carrier particles (carrier powder) 16 to each other. In addition, the particle | grain here is the concept containing the micro piece which has various shapes, such as spherical shape, polygonal shape, and fibrous shape.

担体粒子16は、例えば、カーボン粒子、カーボン繊維、カーボンナノホーン、および、カーボンナノチューブのうちの少なくともいずれいか一つを含むようにしてもよい。担体粒子16の粒径(楕円状粒子であれば長径、繊維状であれば直径)は、比表面積(単位重量あたりの表面積)の値を大きくして電極触媒12を高分散担持することを可能とするため、小さい方が好ましく、例えば数十nmとすることができる。   The carrier particles 16 may include, for example, at least one of carbon particles, carbon fibers, carbon nanohorns, and carbon nanotubes. The particle size of the carrier particles 16 (long diameter if elliptical particles, diameter if fibrous) can increase the specific surface area (surface area per unit weight) and carry the electrode catalyst 12 in a highly dispersed manner. Therefore, the smaller one is preferable, for example, several tens of nm.

多孔質担体15は、既知の種々の方法により、金属シート20上に形成することができる。例えば、以下のようにして、金属シート20上に金属シート20に保持された多孔質担体15を形成することができる。まず、金属シート20の孔22内に担体粒子16を充填するとともに、さらに、金属シート20の一方の面20a上、および、金属シート20の他方の面20b上にも担体粒子16を配置する。次に、焼成により、担体粒子16を焼結するとともに、金属シート20に対して担体粒子16を固定する。これにより、多数の担体粒子16からなる多孔質担体15が金属シート20上に形成される。   The porous carrier 15 can be formed on the metal sheet 20 by various known methods. For example, the porous carrier 15 held on the metal sheet 20 can be formed on the metal sheet 20 as follows. First, the carrier particles 16 are filled in the holes 22 of the metal sheet 20, and the carrier particles 16 are also arranged on one surface 20 a of the metal sheet 20 and on the other surface 20 b of the metal sheet 20. Next, the carrier particles 16 are sintered by firing, and the carrier particles 16 are fixed to the metal sheet 20. Thereby, a porous carrier 15 composed of a large number of carrier particles 16 is formed on the metal sheet 20.

なお、上述したように、本実施の形態において、多孔質担体15を支持する金属シート20の孔22の断面積は、金属シート20の一方の面20aから他方の面20bに向け、しだいに小さくなっていく。したがって、金属シート20の孔22内に多孔質担体15を安定して保持することができる。これにより、触媒担持電極10が、優れた耐久性を有するようになる。   As described above, in the present embodiment, the cross-sectional area of the hole 22 of the metal sheet 20 that supports the porous carrier 15 gradually decreases from one surface 20a of the metal sheet 20 to the other surface 20b. It will become. Therefore, the porous carrier 15 can be stably held in the holes 22 of the metal sheet 20. Thereby, the catalyst carrying electrode 10 comes to have excellent durability.

次に、粒子状(粉状)の電極触媒12について詳述する。電極触媒12は、触媒層での電気化学反応にともなった活性化過電圧を小さくして起電力を高める材料、例えば白金や白金合金が用いられる。ただし、白金および白金合金に限られることなく、活性化過電圧を小さくして起電力を高めることができるその他の材料、例えば、その他の貴金属を電極触媒として用いることができる。   Next, the particulate (powder) electrode catalyst 12 will be described in detail. The electrode catalyst 12 is made of a material that increases the electromotive force by reducing the activation overvoltage associated with the electrochemical reaction in the catalyst layer, such as platinum or a platinum alloy. However, the present invention is not limited to platinum and platinum alloys, and other materials that can reduce the activation overvoltage and increase the electromotive force, such as other noble metals, can be used as the electrode catalyst.

また、電極触媒12は一般的に高価である。そして、この高価な電極触媒12を効果的に利用するためには、粒子状電極触媒12の粒径を小さくして、粒子状電極触媒12の比表面積(単位重量あたりの表面積)の値を大きくすることが有効である。とりわけ、本実施の形態においては、多孔質担体15が互いに接続された多数の担体粒子16を含み、粒子状電極触媒12は担体粒子16上に担持される。すなわち、多孔質担体15の比表面積を非常に大きくすることができ、これにより、多孔質担体15によって、粒子状触媒12をむらなく分散させた状態で担持することができる。したがって、粒子状電極触媒12を大幅に小径化して、電極触媒12を効率的に用いることが可能となる。   The electrode catalyst 12 is generally expensive. In order to effectively use this expensive electrode catalyst 12, the particle size of the particulate electrode catalyst 12 is reduced, and the value of the specific surface area (surface area per unit weight) of the particulate electrode catalyst 12 is increased. It is effective to do. In particular, in the present embodiment, the porous support 15 includes a large number of support particles 16 connected to each other, and the particulate electrode catalyst 12 is supported on the support particles 16. That is, the specific surface area of the porous carrier 15 can be made very large, whereby the porous catalyst 15 can carry the particulate catalyst 12 in a uniformly dispersed state. Therefore, it becomes possible to use the electrode catalyst 12 efficiently by greatly reducing the diameter of the particulate electrode catalyst 12.

なお、粒子状電極触媒12を多孔質担体15に担持させる方法としては、種々の既知な方法、例えば含浸法を用いることができる。   In addition, as a method for supporting the particulate electrode catalyst 12 on the porous carrier 15, various known methods such as an impregnation method can be used.

以上のような構成からなる燃料電池セル50は、図3に示すように、重ねられてスタック55aを構成し、スタック55aとして燃料電池55に組み込まれる。スタック55aにおいて、例えば導電性のセパレータ40,41を介し、隣り合う燃料電池セル50の触媒担持電極10,11が直列接続されている。これにより、燃料電池55は高い起電力を有するようになる。また、各燃料電池セル50のセパレータ40,41に形成された貫通孔42は、互いに接続されている。これにより、一列に並べられた貫通孔42を介し、各燃料電池セル50へ水素および酸素を供給することができ、また使用されなかった水素および酸素、並びに、生成された水を回収することができる。   As shown in FIG. 3, the fuel cells 50 having the above-described configuration are stacked to form a stack 55a, and are assembled into the fuel cell 55 as the stack 55a. In the stack 55a, for example, the catalyst-carrying electrodes 10 and 11 of adjacent fuel cells 50 are connected in series via conductive separators 40 and 41, for example. As a result, the fuel cell 55 has a high electromotive force. Further, the through holes 42 formed in the separators 40 and 41 of each fuel cell 50 are connected to each other. Thereby, hydrogen and oxygen can be supplied to each fuel cell 50 through the through-holes 42 arranged in a line, and hydrogen and oxygen that have not been used, and generated water can be recovered. it can.

次にこのような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。   Next, the operation of the present embodiment having such a configuration will be described.

まず、各燃料電池セル50の水素極(一方の触媒担持電極)10側のセパレータ40に形成されたガス流路43の一端に通じる貫通孔42のうちの一つへ、水素ガスを送り込む。水素ガスは、貫通孔42を介して、各燃料電池セル50のガス流路43内に流れ込む。ガス流路43内において、水素ガスの一部は水素極10内へ流れ込み、その他の水素ガスは、未反応ガスとして、貫通孔42を介して燃料電池セル50から排出される。   First, hydrogen gas is fed into one of the through holes 42 communicating with one end of the gas flow path 43 formed in the separator 40 on the hydrogen electrode (one catalyst carrying electrode) 10 side of each fuel cell 50. The hydrogen gas flows into the gas flow path 43 of each fuel cell 50 through the through hole 42. In the gas flow path 43, a part of the hydrogen gas flows into the hydrogen electrode 10, and the other hydrogen gas is discharged from the fuel cell 50 through the through hole 42 as an unreacted gas.

水素極(一方の触媒担持電極)10へ進んだ水素ガスは、多孔質担体15の空隙内を進み、電解質膜30側へと移動する。上述したように、多孔質担体15は金属シート20によって支持されており、水素極10を横断して電解質膜30側へと移動する際、水素ガスは金属シート20の孔22内を通過する。したがって、本実施の形態によれば、ガス流路43から供給される水素ガスを、金属シート20の孔22内を通過させることによって、十分に拡散させることができる。そして、ガス流路43の構成に起因した水素極10の面内におけるガス供給量のばらつきを打ち消すことができる。とりわけ、上述したように、金属シート20には、微細な孔22が高い開孔率で形成されている。したがって、ガス供給量の面内ばらつきを抑制して、水素極10の略全面に水素ガスを行き渡らせることができる。なお、ガスを十分に拡散させるためには、金属シート20に形成される孔22の平均孔径が60μm以下であることが好ましく、金属シート20の開孔率が40%以上であることが好ましい。   The hydrogen gas that has traveled to the hydrogen electrode (one catalyst-supporting electrode) 10 travels through the voids of the porous carrier 15 and moves to the electrolyte membrane 30 side. As described above, the porous carrier 15 is supported by the metal sheet 20, and the hydrogen gas passes through the holes 22 of the metal sheet 20 when moving to the electrolyte membrane 30 side across the hydrogen electrode 10. Therefore, according to the present embodiment, the hydrogen gas supplied from the gas flow path 43 can be sufficiently diffused by passing through the holes 22 of the metal sheet 20. And the variation in the gas supply amount in the surface of the hydrogen electrode 10 resulting from the structure of the gas flow path 43 can be canceled. In particular, as described above, the fine holes 22 are formed in the metal sheet 20 with a high opening ratio. Therefore, the in-plane variation of the gas supply amount can be suppressed and the hydrogen gas can be spread over substantially the entire surface of the hydrogen electrode 10. In order to sufficiently diffuse the gas, the average hole diameter of the holes 22 formed in the metal sheet 20 is preferably 60 μm or less, and the opening ratio of the metal sheet 20 is preferably 40% or more.

水素極10内において、多孔質担体15に担持された電極触媒12では、水素分子H2が、電子e-を放出してプロトン化(イオン化)H+する。プロトンH+は、電解質膜30を透過して、酸素極11へ到達する。一方、本実施の形態において、電子e-は、導電性の多孔質担体15および金属シート20を介し、セパレータ41へ回収される。 In the hydrogen electrode 10, in the electrode catalyst 12 supported on the porous carrier 15, the hydrogen molecule H 2 releases electrons e and becomes protonated (ionized) H + . Proton H + passes through the electrolyte membrane 30 and reaches the oxygen electrode 11. On the other hand, in the present embodiment, the electrons e are collected by the separator 41 via the conductive porous carrier 15 and the metal sheet 20.

本実施の形態によれば、上述したように、触媒担持電極10,11が有する優れた拡散性により、水素ガスを金属シート20の略全面に拡散させることができる。また、本実施の形態によれば、微細な電極触媒12が多孔質担体15によって高分散担持されている。したがって、高価な電極触媒12を有効に利用して、水素を反応させることができる。また、とりわけ、本実施の形態によれば、上述したように、水素は金属シート20の孔22内を通過する。そして、金属シート20の孔22内には多孔質担体15が支持されており、この多孔質担体15によって電極触媒12が担持されている。すなわち、高価な電極触媒12がガスの通過領域に配置されているので、高価な電極触媒12を極めて有効に活用することができる。   According to the present embodiment, as described above, hydrogen gas can be diffused over substantially the entire surface of the metal sheet 20 due to the excellent diffusibility of the catalyst-carrying electrodes 10 and 11. Further, according to the present embodiment, the fine electrode catalyst 12 is highly dispersedly supported by the porous carrier 15. Accordingly, hydrogen can be reacted by effectively using the expensive electrode catalyst 12. In particular, according to the present embodiment, as described above, hydrogen passes through the holes 22 of the metal sheet 20. A porous carrier 15 is supported in the holes 22 of the metal sheet 20, and the electrode catalyst 12 is supported by the porous carrier 15. That is, since the expensive electrode catalyst 12 is disposed in the gas passage region, the expensive electrode catalyst 12 can be used very effectively.

また、上述したように、本実施の形態によれば、粒子状触媒12を担持した多孔質担体15が、金属シート20の孔22内だけでなく、両方の面20a,20b上にも配置されている。したがって、触媒担持電極10において、より安定して水素を反応させることができる。   Further, as described above, according to the present embodiment, the porous carrier 15 carrying the particulate catalyst 12 is disposed not only in the hole 22 of the metal sheet 20 but also on both surfaces 20a and 20b. ing. Therefore, hydrogen can be reacted more stably in the catalyst-supporting electrode 10.

ところで、ガス流路43から電解質膜30へ向けた水素の移動は、触媒担持電極10の両側における圧力差を駆動力としている。そして、金属シート20の一方の面20aがガス流路43(セパレータ41)側に位置し、金属シート20の他方の面20bが電解質膜30側に位置するよう、触媒担持電極10が配置されることが好ましい。上述したように、金属シート20の孔22は、一方の面20a側から他方の面20b側に向け、しだいに先細りするようになっている。したがって、粒子状電極触媒12を担持する多孔質担体15が、セパレータ41側から電解質膜30膜側へ向け、ガス圧によって押圧されたとしても、多孔質担体15が金属シート20の孔22から抜け落ちてしまうことがない。このようにして、触媒担持電極10が優れた耐久性を発揮する。   By the way, the movement of hydrogen from the gas flow path 43 toward the electrolyte membrane 30 uses a pressure difference between both sides of the catalyst-carrying electrode 10 as a driving force. The catalyst-carrying electrode 10 is disposed so that one surface 20a of the metal sheet 20 is positioned on the gas flow path 43 (separator 41) side and the other surface 20b of the metal sheet 20 is positioned on the electrolyte membrane 30 side. It is preferable. As described above, the hole 22 of the metal sheet 20 gradually tapers from the one surface 20a side to the other surface 20b side. Therefore, even if the porous carrier 15 supporting the particulate electrode catalyst 12 is pressed by the gas pressure from the separator 41 side to the electrolyte membrane 30 side, the porous carrier 15 falls out of the holes 22 of the metal sheet 20. There is no end. In this way, the catalyst-carrying electrode 10 exhibits excellent durability.

一方、水素ガスの供給と並行し、酸素ガスが、各燃料電池セル50の酸素極11側のセパレータ41に形成されたガス流路43の一端に通じる貫通孔22のうちの一つへ送り込まれる。酸素ガスは、孔22を介して、各燃料電池セル50のガス流路43内に流れ込む。上述した水素ガスと同様に、酸素ガスの一部は酸素極11内へ流れ込み、その他の酸素ガスは、未反応ガスとして、貫通孔42を介して燃料電池セル50から排出される。   On the other hand, in parallel with the supply of the hydrogen gas, the oxygen gas is sent into one of the through holes 22 leading to one end of the gas flow path 43 formed in the separator 41 on the oxygen electrode 11 side of each fuel cell 50. . The oxygen gas flows into the gas flow path 43 of each fuel cell 50 through the hole 22. Similar to the hydrogen gas described above, part of the oxygen gas flows into the oxygen electrode 11, and the other oxygen gas is discharged from the fuel cell 50 through the through hole 42 as an unreacted gas.

酸素極11内へ流れ込んだ酸素ガスは、水素ガスと同様に、酸素極11の優れた拡散性により、酸素極11の略全面に行き渡るようになる。また、酸素極11内において、多孔質担体15に担持された電極触媒12では、酸素O2が、電子e-と、電解質膜50を透過してきたプロトンH+と、を取り込み、水H2Oが生成される。このような水の生成にともない、水素極10および酸素極11の間で電子の移動が生じることによって電力が生成される。酸素極11で生成された水は、ガス流路43へ移動し、未反応の酸素ガスとともに貫通孔42を介して燃料電池セル50から排出される。なお、水素極10と同様に酸素極11においても、高価な電極触媒12が極めて有効に活用され、効率的かつ安定して反応が進む。 The oxygen gas that has flowed into the oxygen electrode 11 reaches almost the entire surface of the oxygen electrode 11 due to the excellent diffusibility of the oxygen electrode 11, as in the case of hydrogen gas. Further, in the electrode catalyst 12 supported on the porous carrier 15 in the oxygen electrode 11, oxygen O 2 takes in electrons e and protons H + that have permeated through the electrolyte membrane 50, and water H 2 O. Is generated. Along with the generation of such water, electric power is generated by the movement of electrons between the hydrogen electrode 10 and the oxygen electrode 11. Water generated at the oxygen electrode 11 moves to the gas flow path 43 and is discharged from the fuel cell 50 through the through hole 42 together with unreacted oxygen gas. In addition, like the hydrogen electrode 10, the expensive electrode catalyst 12 is also effectively used in the oxygen electrode 11, and the reaction proceeds efficiently and stably.

このようにして各燃料電池セル50において電力が生成される。そして、上述したように、燃料電池15のスタック15aにおいて、複数の燃料電池セル50は互いに直列に接続されている。これにより、燃料電池15は所望の起電力を有するようになる。   In this way, electric power is generated in each fuel cell 50. As described above, in the stack 15a of the fuel cell 15, the plurality of fuel cells 50 are connected to each other in series. As a result, the fuel cell 15 has a desired electromotive force.

なお、水素極10で放出された電子e-は、水素極10、水素極10に当接するセパレータ40、並びに、セパレータ40および酸素極11に当接するセパレータ41を介して、隣接する燃料電池セル50の酸素極16へと移動する。上述したように、本実施の形態において、触媒担持電極10,11は、カーボン粒子よりも導電性の高い金属シート20を含んでいる。したがって、触媒担持電極10,11の電気抵抗に起因した起電力の損失を低減することができる。 The electrons e emitted from the hydrogen electrode 10 pass through the adjacent fuel cell 50 via the hydrogen electrode 10, the separator 40 in contact with the hydrogen electrode 10, and the separator 41 in contact with the separator 40 and the oxygen electrode 11. To the oxygen electrode 16. As described above, in the present embodiment, the catalyst-carrying electrodes 10 and 11 include the metal sheet 20 having higher conductivity than the carbon particles. Therefore, the loss of electromotive force due to the electric resistance of the catalyst-carrying electrodes 10 and 11 can be reduced.

以上のような本実施の形態によれば、金属シート20の孔22内に多孔質担体15が支持されている。したがって、ガス流路43から供給されるガスを、金属シート20の孔22内を通過させることによって、十分に拡散させることができる。これにより、触媒担持電極10,11とセパレータ40,41との間に形成されたガス流路43の構成に起因した触媒担持電極10,11の面内におけるガス供給量のばらつきを大幅に打ち消すことができる。   According to the present embodiment as described above, the porous carrier 15 is supported in the holes 22 of the metal sheet 20. Therefore, the gas supplied from the gas flow path 43 can be sufficiently diffused by passing through the holes 22 of the metal sheet 20. Thereby, the variation in the gas supply amount in the surface of the catalyst carrying electrodes 10 and 11 due to the configuration of the gas flow path 43 formed between the catalyst carrying electrodes 10 and 11 and the separators 40 and 41 is largely canceled. Can do.

また、金属シート20の孔22内には、電極触媒12を担持した多孔質担体15が配置されている。すなわち、高価な電極触媒12がガスの移動経路に配置されているので、高価な電極触媒12を有効に活用することができる。さらに、粒子状の電極触媒12が多孔質担体15に担持されていることから、粒子状電極触媒12の粒径を小さくして粒子状電極触媒12の比表面積を大きくすることができ、これによって、高価な電極触媒12をさらに有効利用することができる。すなわち、同じ体積の電極触媒12用いる場合に、電極触媒12の表面積を大きくすることができ、コスト面においても非常に有用である。   A porous carrier 15 carrying the electrode catalyst 12 is disposed in the hole 22 of the metal sheet 20. That is, since the expensive electrode catalyst 12 is disposed in the gas movement path, the expensive electrode catalyst 12 can be effectively used. Further, since the particulate electrode catalyst 12 is supported on the porous carrier 15, the particle diameter of the particulate electrode catalyst 12 can be reduced and the specific surface area of the particulate electrode catalyst 12 can be increased. Further, the expensive electrode catalyst 12 can be used more effectively. That is, when the electrode catalyst 12 having the same volume is used, the surface area of the electrode catalyst 12 can be increased, which is very useful in terms of cost.

さらに、触媒担持電極10,11が優れた拡散機能を有しているので、従来用いられていた別途のガス拡散層を省くことも可能となる。したがって、酸素極10および水素極11のそれぞれからガス拡散層を省き、燃料電池セル50を積み重ねることによって構成される燃料電池55(スタック55a)の小型化を図ることが可能となる。また、ガス拡散層を省くことは、燃料電池セル50(燃料電池55、燃料電池スタック55a)のコスト面においても極めて有用である。   Furthermore, since the catalyst-carrying electrodes 10 and 11 have an excellent diffusion function, it is possible to omit a separate gas diffusion layer that has been conventionally used. Accordingly, it is possible to reduce the size of the fuel cell 55 (stack 55a) configured by omitting the gas diffusion layer from each of the oxygen electrode 10 and the hydrogen electrode 11 and stacking the fuel cells 50. Further, omitting the gas diffusion layer is extremely useful in terms of the cost of the fuel cell 50 (the fuel cell 55, the fuel cell stack 55a).

さらに、高い剛性および優れた導電性を有する金属シート20によって、電極触媒12を担持した多孔質担体15が支持されている。したがって、触媒担持電極10,11が優れた耐久性を有し、破損し辛くなっている。   Further, the porous carrier 15 carrying the electrode catalyst 12 is supported by the metal sheet 20 having high rigidity and excellent conductivity. Therefore, the catalyst-carrying electrodes 10 and 11 have excellent durability and are hardly damaged.

なお、上述した実施の形態に関し、本発明の要旨の範囲内で種々の変更が可能である。   Various modifications can be made to the above-described embodiment within the scope of the present invention.

例えば、上述した実施の形態において、粒子状電極触媒12を担持する多孔質担体15が、金属シート20の孔22内だけでなく、金属シート20の一方の面20a上および金属シート20の他方の面20a上にも配置されている例を示したが、これに限られない。例えば、粒子状電極触媒12を担持する多孔質担体15を金属シート20の孔22内だけに配置するようにしてもよい。あるいは、粒子状電極触媒12を担持する多孔質担体15を、金属シート20の孔22内と、金属シート20の一方の面20aおよび金属シート20の他方の面20bのうちのいずれか一方上と、に配置するようにしてもよい。   For example, in the above-described embodiment, the porous carrier 15 supporting the particulate electrode catalyst 12 is not only in the hole 22 of the metal sheet 20, but also on one surface 20 a of the metal sheet 20 and the other of the metal sheet 20. Although the example arrange | positioned also on the surface 20a was shown, it is not restricted to this. For example, the porous carrier 15 that supports the particulate electrode catalyst 12 may be disposed only in the holes 22 of the metal sheet 20. Alternatively, the porous carrier 15 carrying the particulate electrode catalyst 12 is placed in the hole 22 of the metal sheet 20 and on one of the one surface 20a of the metal sheet 20 and the other surface 20b of the metal sheet 20. , May be arranged.

また、上述した実施の形態において、触媒担持電極10,11がセパレータ40,41に当接する例を示したが、これに限られない。触媒担持電極10,11とセパレータ40,41との間に、例えばカーボン繊維からなる多孔質構造を有したガス拡散層が設けるようにしても良い。   In the above-described embodiment, the example in which the catalyst-carrying electrodes 10 and 11 are in contact with the separators 40 and 41 has been described, but the present invention is not limited thereto. A gas diffusion layer having a porous structure made of, for example, carbon fiber may be provided between the catalyst-carrying electrodes 10 and 11 and the separators 40 and 41.

図1は、本発明による一実施の形態を示す図であって、触媒担持電極を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of the present invention and showing a catalyst-carrying electrode. 図2は、本発明による一実施の形態を示す図であって、図1に示された触媒担持電極が組み込まれた燃料電池セルを示す分解斜視図である。FIG. 2 is a diagram showing an embodiment according to the present invention, and is an exploded perspective view showing a fuel battery cell in which the catalyst-carrying electrode shown in FIG. 1 is incorporated. 図3は、本発明による一実施の形態を示す図であって、図2に示された燃料電池セルを含む燃料電池(スタック)を示す斜視図である。FIG. 3 is a view showing an embodiment according to the present invention, and is a perspective view showing a fuel cell (stack) including the fuel cell shown in FIG. 図4は、図1の触媒担持電極に含まれた金属シート20を示す部分平面図である。FIG. 4 is a partial plan view showing the metal sheet 20 included in the catalyst-carrying electrode of FIG. 図5は、図4のV−V線に沿った断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line VV in FIG. 図6は、図4に示された金属シートの製造方法の一例を説明するための図である。FIG. 6 is a diagram for explaining an example of a method of manufacturing the metal sheet shown in FIG. 図7は、図6に示された製造方法における金属製フィルムをエッチングする方法を説明するための図である。FIG. 7 is a view for explaining a method of etching a metal film in the manufacturing method shown in FIG. 図8は、図6に示された製造方法における樹脂製フィルムを除去する方法を説明するための図である。FIG. 8 is a diagram for explaining a method of removing the resinous film in the manufacturing method shown in FIG. 図9は、図6に示された製造方法によって製造された厚さ20μmの金属シートの平均孔径と開孔率とを示すグラフである。FIG. 9 is a graph showing an average pore diameter and a hole area ratio of a metal sheet having a thickness of 20 μm manufactured by the manufacturing method shown in FIG. 図10は、図6に示された製造方法によって製造された厚さ25μmの金属シートの平均孔径と開孔率とを示すグラフである。FIG. 10 is a graph showing an average pore diameter and a hole area ratio of a metal sheet having a thickness of 25 μm manufactured by the manufacturing method shown in FIG. 図11は、図6に示された製造方法によって製造された厚さ30μmの金属シートの平均孔径と開孔率とを示すグラフである。FIG. 11 is a graph showing an average pore diameter and an opening ratio of a metal sheet having a thickness of 30 μm manufactured by the manufacturing method shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

10,11 触媒担持電極
12 電極触媒(粒子状電極触媒)
15 多孔質担体
16 担体粒子
20 金属シート
20a 一方の面
20b 他方の面
22 孔
50 燃料電池セル
10, 11 Catalyst supported electrode 12 Electrode catalyst (particulate electrode catalyst)
15 Porous carrier 16 Carrier particle 20 Metal sheet 20a One side 20b The other side 22 Hole 50 Fuel cell

Claims (8)

多数の孔を形成された金属シートと、
前記金属シートに支持された多孔質担体であって、少なくとも前記孔内に配置された多孔質担体と、
前記多孔質担体に担持された粒子状の電極触媒と、を備える
ことを特徴とする触媒担持電極。
A metal sheet formed with a large number of holes;
A porous carrier supported by the metal sheet, the porous carrier disposed at least in the pores;
A catalyst-supporting electrode comprising: a particulate electrode catalyst supported on the porous carrier.
前記金属シートの一方の面から他方の面に向け、前記金属シートのシート面に沿った孔の断面積はしだいに小さくなっていく
ことを特徴とする請求項1に記載の触媒担持電極。
2. The catalyst-carrying electrode according to claim 1, wherein the cross-sectional area of the holes along the sheet surface of the metal sheet gradually decreases from one surface of the metal sheet to the other surface.
前記金属シートの開孔率は40%以上であり、
前記金属シートの孔の平均孔径は60μm以下である
ことを特徴とする請求項1または2に記載の触媒担持電極。
The porosity of the metal sheet is 40% or more,
3. The catalyst-carrying electrode according to claim 1, wherein an average hole diameter of the holes of the metal sheet is 60 μm or less.
前記多孔質担体は互いに接合された複数の担体粒子を含み、
前記粒子状電極触媒は前記担体粒子に担持されている
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の触媒担持電極。
The porous carrier includes a plurality of carrier particles joined together,
The catalyst-carrying electrode according to any one of claims 1 to 3, wherein the particulate electrode catalyst is carried on the carrier particles.
前記担体粒子は、カーボン粒子、カーボン繊維、カーボンナノホーン、および、カーボンナノチューブのうちの少なくともいずれか一つを含む
ことを特徴とする請求項4に記載の触媒担持電極。
The catalyst-supporting electrode according to claim 4, wherein the carrier particles include at least one of carbon particles, carbon fibers, carbon nanohorns, and carbon nanotubes.
前記多孔質担体は、前記金属シートの少なくともいずれか一方の面上にも配置されている
ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の触媒担持電極。
The catalyst-carrying electrode according to any one of claims 1 to 5, wherein the porous carrier is also disposed on at least one surface of the metal sheet.
前記粒子状電極触媒は、白金または白金合金からなることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項に記載の触媒担持電極。   The catalyst-carrying electrode according to any one of claims 1 to 6, wherein the particulate electrode catalyst is made of platinum or a platinum alloy. 請求項1乃至7のいずれか一項に記載された触媒担持電極を備える
ことを特徴とする燃料電池セル。
A fuel cell comprising the catalyst-carrying electrode according to any one of claims 1 to 7.
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