JP2009193845A - Fuel cell - Google Patents

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Noriyuki Kobayashi
宣之 小林
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell with drainage of generated water improved, as well as excellent in power generation performance. <P>SOLUTION: A flow channel forming material 5b at an air electrode side consists of an expanded metal 50 containing a plurality of meshes 51 communicating between a diffusion layer 23b and a separator 6b and wall parts 52 partitioning between adjacent meshes 51. The wall part 52 repeats convexoconcave in its thickness direction, and made by arraying an inclination part 56c regularly with a bottom part 56a at one end and a top part 56b at the other end. The separator 6b includes a top contact part 6c in contact with the top part 56b. From an edge part 23f of a bottom contact part 23c in contact with the bottom part 56a on the diffusion layer 23b to at least a part of a projection area 23g when the inclination part 56c is projected onto the diffusion layer 23b, a water-repellent treatment part 8 is formed. At a part between adjacent bottom contact parts 23c and other than the water-repellent treatment part 8, a non-water-repellent treatment part 9 without water-repellent treatment is provided. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池、特に燃料電池の排水構造に関する。   The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a drainage structure for a fuel cell.

燃料電池は、水素ガスと酸素との電気化学反応によって発電を行うものであり、複数の電池セルを積層したものである。電池セルは、固体高分子電解質膜の両面に触媒層及び拡散層を配設してなる膜電極接合体と、セパレータと、膜電極接合体とセパレータとの間に配置され、水素ガス、酸素、水などの流体の流路を構成する流路形成材とからなる。電解質膜の両面に形成された触媒層のうち燃料極(アノード)側の触媒層では、水素ガスから水素イオンと電子が生成し、空気極(カソード)側の触媒層では、外部回路を通じて受け取った電子が、電解質膜を通過した水素イオンと、供給された空気中の酸素と反応して、水を生成する。燃料電池は、外部回路を通る電子の流れによって電気エネルギを発生させる。生成した水は、空気極側の触媒層から拡散層を経て流路形成材を通って電池セルの外部に排出される。   A fuel cell generates power by an electrochemical reaction between hydrogen gas and oxygen, and is a stack of a plurality of battery cells. The battery cell is disposed between a membrane electrode assembly in which a catalyst layer and a diffusion layer are disposed on both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane, a separator, and the membrane electrode assembly and the separator. Hydrogen gas, oxygen, And a flow path forming material constituting a flow path of a fluid such as water. Of the catalyst layers formed on both sides of the electrolyte membrane, hydrogen ions and electrons are generated from hydrogen gas in the catalyst layer on the fuel electrode (anode) side, and received through an external circuit in the catalyst layer on the air electrode (cathode) side. Electrons react with hydrogen ions that have passed through the electrolyte membrane and oxygen in the supplied air to generate water. Fuel cells generate electrical energy by the flow of electrons through an external circuit. The produced water is discharged from the catalyst layer on the air electrode side to the outside of the battery cell through the diffusion layer and the flow path forming material.

かかる生成水は、固体高分子電解質膜を湿潤状態に保つ一方、拡散層に過剰に存在すると、拡散層のガス流路を塞ぎ、ガス拡散性が低下し、発電効率が低下するおそれがある。そこで、拡散層の排水性を改良する工夫が従来からなされている。   While the generated water keeps the solid polymer electrolyte membrane in a wet state, if it is excessively present in the diffusion layer, the gas flow path of the diffusion layer may be blocked, gas diffusibility may be reduced, and power generation efficiency may be reduced. In view of this, attempts have been made to improve the drainage of the diffusion layer.

たとえば、特許文献1(特開2005−327609号公報、明細書「0019」)では、拡散層(カーボン層)をフッ素樹脂で被覆した後に、触媒層やカーボンペーパと接する面に存在するフッ素樹脂を除去することが開示されている。即ち、拡散層は、電気が流れる部位のフッ素樹脂を除去して導電性を発揮させ、それ以外の部分はフッ素樹脂の被覆で撥水性を確保している。   For example, in Patent Document 1 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-327609, specification “0019”), after coating a diffusion layer (carbon layer) with a fluororesin, a fluororesin present on a surface in contact with a catalyst layer or carbon paper is used. It is disclosed to remove. That is, the diffusion layer removes the fluororesin in the portion where electricity flows to exhibit conductivity, and the other portions are covered with the fluororesin to ensure water repellency.

特許文献2(特開2005−93167号公報、明細書「0007」)では、拡散層(ガス拡散電極基材)の撥水処理を施したい部分にのみ、フッ素含有化合物を含む撥水材を形成することが開示されている。   In Patent Document 2 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-93167, specification “0007”), a water repellent material containing a fluorine-containing compound is formed only on a portion of the diffusion layer (gas diffusion electrode base material) to be subjected to water repellent treatment. Is disclosed.

特許文献3(特開2000−251900号公報、明細書「0010」)では、燃料極側の拡散層は撥水性材料を含んでおり、燃料極側のガス室の凸部に接触する拡散層の領域の撥水性を、ガス室の凹部に対向する拡散層の撥水性よりも小さくしている。これにより、ガス室の凸部に接触する領域においても、ガス室の凹部と対向する領域と同程度に、加湿水が拡散層を透過することができ、電解質膜の湿潤状態を確保でき、所望の電池性能を確保することができる。   In Patent Document 3 (Japanese Patent Laid-Open No. 2000-251900, specification “0010”), the diffusion layer on the fuel electrode side includes a water-repellent material, and the diffusion layer in contact with the convex portion of the gas chamber on the fuel electrode side is disclosed. The water repellency of the region is made smaller than the water repellency of the diffusion layer facing the recess of the gas chamber. As a result, even in the region in contact with the convex portion of the gas chamber, the humidified water can permeate the diffusion layer to the same extent as the region facing the concave portion of the gas chamber, so that the wet state of the electrolyte membrane can be ensured. Battery performance can be ensured.

特許文献4(特開平6−84529号公報、明細書「0015」)では、カーボン繊維焼結体からなる空気極側の拡散層の表面部に撥水剤を付着させ、リブ付きセパレータのリブに当接するリブ面に付着した撥水剤を除去することにより、リブ面とリブ付きセパレータとの間での電気導通性を確保している。   In Patent Document 4 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-84529, specification “0015”), a water repellent is attached to the surface portion of the diffusion layer on the air electrode side made of a carbon fiber sintered body, and the ribs of the ribbed separator are adhered to the surface. By removing the water repellent adhering to the abutting rib surface, electrical conductivity between the rib surface and the ribbed separator is ensured.

一方、流路形成材として、近年、エキスパンドメタルが用いられている。例えば、特許文献5(特開2006−294327号公報、明細書「0004」)に記載されているように、エキスパンドメタルは、多数の貫通穴が形成されているとともに、その表面に多数の凹凸形状をもつ。この凹凸厚みを調整することにより、拡散層とエキスパンドメタルとの接触を良好にすることができ、発電効率を向上させることができる。
特開2005−327609号公報 特開2005−93167号公報 特開2000−251900号公報 特開平6−84529号公報 特開2006−294327号公報
On the other hand, expanded metal has recently been used as a flow path forming material. For example, as described in Patent Document 5 (Japanese Patent Laid-Open No. 2006-294327, specification “0004”), an expanded metal has a large number of through holes and a large number of concave and convex shapes on the surface thereof. It has. By adjusting the uneven thickness, the contact between the diffusion layer and the expanded metal can be improved, and the power generation efficiency can be improved.
JP 2005-327609 A JP 2005-93167 A JP 2000-251900 A JP-A-6-84529 JP 2006-294327 A

しかしながら、特許文献1〜4では、電気化学反応で生じた生成水が、拡散層のどの部位に溜まりやすいかが十分に検討されていない。また、特許文献5では、流路形成材としてエキスパンドメタルを用いたときに、効果的な排水構造は検討されていない。そこで、発明者は、拡散層の生成水が溜まりやすい部位に着目して鋭意探求をしたところ、本発明に相当するに至った。   However, Patent Documents 1 to 4 do not sufficiently examine in which part of the diffusion layer the generated water generated by the electrochemical reaction tends to accumulate. Moreover, in patent document 5, when an expanded metal is used as a flow-path formation material, the effective drainage structure is not examined. Then, when the inventor diligently investigated paying attention to the site | part where the produced | generated water of a diffused layer tends to accumulate, it came to correspond to this invention.

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、生成水の排水性を向上させるとともに発電性能に優れた燃料電池を提供することを課題とする。   This invention is made | formed in view of this situation, and makes it a subject to provide the fuel cell which was excellent in the power generation performance while improving the drainage property of generated water.

前記課題を解決するため、請求項1に係る発明は、電解質膜の燃料極側及び空気極側の両面に触媒層及び拡散層を配設してなる膜電極接合体と、該膜電極接合体の燃料極側及び空気極側の両面に配設された流路形成材と、該流路形成材の表面に配設されたセパレータと、を含む燃料電池であって、前記膜電極接合体の両面に配設された前記流路形成材のうち少なくとも空気極側の前記流路形成材は、前記拡散層と前記セパレータとの間を連通する網目状に配列した複数の貫通穴と、隣り合う前記貫通穴の間を仕切る壁部とをもつ導電性多孔体からなり、前記壁部は、その厚み方向に凹凸を繰り返して、一端に底部をもち他端に頂部をもつ傾斜部を規則的に配列してなり、前記拡散層は前記底部に接する底部接触部をもち、前記セパレータは前記頂部に接する頂部接触部をもち、前記拡散層における前記底部接触部の縁部から、前記拡散層に対して前記流路形成材の前記傾斜部を投影してなる投影領域の少なくとも一部までの間には、撥水処理部が形成されており、前記底部接触部、及び隣り合う前記底部接触部同士の間であって前記撥水処理部以外の部分には、撥水処理がされていない非撥水処理部を有していることを特徴とする。   In order to solve the above problems, the invention according to claim 1 is a membrane electrode assembly in which a catalyst layer and a diffusion layer are disposed on both the fuel electrode side and the air electrode side of an electrolyte membrane, and the membrane electrode assembly. A fuel cell comprising a flow path forming material disposed on both sides of the fuel electrode side and the air electrode side, and a separator disposed on a surface of the flow path forming material, wherein the membrane electrode assembly Of the flow path forming materials disposed on both sides, at least the flow path forming material on the air electrode side is adjacent to a plurality of through holes arranged in a mesh shape communicating between the diffusion layer and the separator. The wall portion is formed of a conductive porous body having a wall partitioning the through holes, and the wall portion has irregularities in the thickness direction, and regularly has an inclined portion having a bottom at one end and a top at the other end. The diffusion layer has a bottom contact portion in contact with the bottom, and the separator is in front From the edge of the bottom contact portion in the diffusion layer to the projection region formed by projecting the inclined portion of the flow path forming material with respect to the diffusion layer. A water repellent portion is formed between the bottom contact portion and the adjacent bottom contact portions, and a portion other than the water repellent portion is not subjected to water repellent treatment. It has a non-water-repellent treatment part.

請求項2に係る発明は、前記拡散層と前記傾斜部とのなす傾斜角度をθ、前記傾斜部の長さをLとしたときに、前記撥水処理部は、前記底部接触部の縁部から、前記投影領域の長手方向に向かって1/2×L×cosθ以上L×cosθ未満の長さをもつ部分に形成されていることを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, when the inclination angle formed by the diffusion layer and the inclined portion is θ and the length of the inclined portion is L, the water repellent treatment portion is an edge portion of the bottom contact portion. To the longitudinal direction of the projection area, and is formed in a portion having a length of ½ × L × cos θ or more and less than L × cos θ.

請求項3に係る発明は、前記導電性多孔体は、エキスパンドメタルであることを特徴とする。   The invention according to claim 3 is characterized in that the conductive porous body is an expanded metal.

請求項4に係る発明は、燃料極側の前記流路形成材と前記膜電極接合体との間にのみ、クッション材が介設されていることを特徴とする。   The invention according to claim 4 is characterized in that a cushion material is interposed only between the flow path forming material on the fuel electrode side and the membrane electrode assembly.

前記請求項1に係る発明によれば、拡散層の流路形成材と対向する表面には、流路形成材の底部が接触している底部接触部の縁部から、流路形成材の傾斜部を拡散層に投影したときの投影領域の少なくとも一部までの間に、撥水処理部が形成されている。空気極側の拡散層の底部接触部は、空気極側のセパレータ及び流路形成材を通じて取り込まれる電子の流路に位置している。このため、電子が底部接触部から拡散層を経て触媒層に供給され、触媒層における電気化学反応で生じた生成水は、電子が供給された経路とほぼ同じ経路をたどって拡散層の表面に拡散する。このため、拡散層の底部接触部の縁部周辺には、多くの生成水が流通する傾向にある。そして、底部接触部の縁部周辺の中でも、傾斜部を拡散層に投影した投影領域は、傾斜部によって生成水の流れが遮られて、生成水の流れが滞りやすい部位である。   According to the first aspect of the present invention, the surface of the diffusion layer facing the flow path forming material is inclined from the edge of the bottom contact portion where the bottom of the flow path forming material is in contact with the surface of the diffusion layer. A water repellent portion is formed between at least a part of the projection region when the portion is projected onto the diffusion layer. The bottom contact portion of the air electrode side diffusion layer is located in the flow path of electrons taken in through the air electrode side separator and the flow path forming material. For this reason, electrons are supplied from the bottom contact portion to the catalyst layer through the diffusion layer, and the generated water generated by the electrochemical reaction in the catalyst layer follows substantially the same path as the electron is supplied to the surface of the diffusion layer. Spread. For this reason, a lot of generated water tends to circulate around the edge of the bottom contact portion of the diffusion layer. And the projection area | region which projected the inclination part on the diffused layer also in the periphery of the edge part of a bottom part contact part is a site | part with which the flow of generated water tends to be blocked | interrupted by the inclination part.

そこで、本発明によれば、拡散層における底部接触部の縁部から、傾斜部の投影領域の少なくとも一部までの間に、撥水処理部を形成している。このため、生成水を撥水させて効率よく電池系外へ排出させることができる。また、底部接触部の縁部から傾斜部の投影領域の少なくとも一部までの間に撥水処理部が形成され、電子の流通経路である底部接触部には撥水処理がされていない非撥水処理部を有している。ゆえに、流路形成材と拡散層との間の電子の流れは、撥水処理部によって遮られない。また、隣り合う底部接触部同士の間にも、撥水処理部を除く部分に、非撥水処理部を有している。このため、反応ガスや生成水は、隣り合う底部接触部同士の間の非撥水処理部を通って、拡散層と流路形成材との間を流通することができる。したがって、本発明によれば、燃料電池の発電性能が向上する。   Therefore, according to the present invention, the water repellent portion is formed between the edge of the bottom contact portion in the diffusion layer and at least a part of the projection region of the inclined portion. For this reason, generated water can be made water-repellent and efficiently discharged out of the battery system. In addition, a water repellent treatment portion is formed between the edge of the bottom contact portion and at least a part of the projected area of the inclined portion, and the bottom contact portion, which is an electron distribution path, is not repellent. It has a water treatment section. Therefore, the flow of electrons between the flow path forming material and the diffusion layer is not blocked by the water repellent portion. Further, a non-water repellent treatment part is provided between adjacent bottom contact parts in a portion excluding the water repellent treatment part. For this reason, reaction gas and produced water can distribute | circulate between a diffusion layer and a flow-path formation material through the non-water-repellent treatment part between adjacent bottom part contact parts. Therefore, according to the present invention, the power generation performance of the fuel cell is improved.

前記請求項2に係る発明によれば、撥水処理部は、底部接触部の縁部から、投影領域の長手方向に向かって1/2×L×cosθ以上L×cosθ未満の長さをもつ部分に形成されている。ここで、「投影領域の長手方向」とは、傾斜部の底部に接触する底部接触部から、傾斜部の頂部の拡散層に投影した部分に向かう方向をいう。生成水は、傾斜部の投影領域の中の特に底部接触部に近い部位、即ち、底部接触部の縁部から投影領域の長手方向に向かって1/2×cosθの間の部分に溜まりやすい。この部分は、電子の流路である底部接触部に近く、活発に生成水が生じやすい部分であり、しかも、傾斜部の陰になって狭い空間であり、特に生成水が溜まりやすい部分である。したがって、当該部分に撥水処理部を形成することにより、生成水を効果的に排水させることができる。また、撥水処理部は、底部接触部の縁部から投影領域の長手方向に向かってL×cosθ未満の部分に形成されている。このため、拡散層の表面には撥水処理部が形成されていない部分が残り、反応ガスの流通経路が確保される。したがって、反応ガスの流通を妨げることなく、排水性を効果的に高めることができる。   According to the second aspect of the present invention, the water repellent treatment part has a length of ½ × L × cos θ or more and less than L × cos θ from the edge of the bottom contact part toward the longitudinal direction of the projection region. It is formed in the part. Here, the “longitudinal direction of the projection region” refers to a direction from the bottom contact portion in contact with the bottom of the inclined portion toward the portion projected on the diffusion layer at the top of the inclined portion. The generated water tends to accumulate in a portion near the bottom contact portion in the projection region of the inclined portion, that is, a portion between ½ × cos θ from the edge of the bottom contact portion in the longitudinal direction of the projection region. This part is close to the bottom contact part, which is an electron flow path, and is a part where water is easily generated actively, and is a narrow space behind the inclined part, particularly where water is easily collected. . Therefore, the generated water can be effectively drained by forming the water-repellent treatment portion in the portion. Further, the water repellent treatment part is formed in a portion less than L × cos θ from the edge of the bottom contact part in the longitudinal direction of the projection region. For this reason, the part in which the water-repellent treatment part is not formed remains on the surface of the diffusion layer, and the flow path of the reaction gas is secured. Therefore, the drainage can be effectively enhanced without hindering the flow of the reaction gas.

前記請求項3に係る発明よれば、エキスパンドメタルにより流路形成材が構成されている。エキスパンドメタルは、平板状の薄肉金属板に千鳥配置の切れ目を加工するとともに切れ目を押し延ばすことにより、網目状の貫通穴を規則的に連続的に形成したものである。このため、例えば、貫通穴を打ち抜き加工によって形成する場合に比べて、歩留まりがよい。したがって、燃料電池の製造コストを低減できる。   According to the third aspect of the present invention, the flow path forming material is constituted by the expanded metal. The expanded metal is formed by regularly and continuously forming mesh-like through holes by processing staggered cuts on a flat thin metal plate and extending the cuts. For this reason, a yield is good compared with the case where a through-hole is formed by punching, for example. Therefore, the manufacturing cost of the fuel cell can be reduced.

前記請求項4に係る発明によれば、燃料極側の流路形成材と燃料極側の膜電極接合体との間にのみクッション材が介設され、空気極側の流路形成材と空気極側の膜電極接合体との間にはクッション材が介設されていない。そして、空気極側の流路形成材を導電性多孔体から構成するとともに、拡散層の底部接触部の縁部から投影領域の少なくとも一部までの間に撥水処理部を形成している。これにより、空気極側の流路形成材の排水経路を長くすることなく、熱膨張などの寸法変化を燃料極側のクッション材で吸収することができる。したがって、燃料電池の排水性及び寸法安定性の双方を向上させることができる。   According to the fourth aspect of the present invention, the cushion material is interposed only between the fuel electrode side flow path forming material and the fuel electrode side membrane electrode assembly, and the air electrode side flow path forming material and air A cushion material is not interposed between the membrane electrode assembly on the pole side. The air-electrode-side flow path forming material is made of a conductive porous body, and a water-repellent treatment portion is formed between the edge of the bottom contact portion of the diffusion layer and at least a part of the projection region. Thereby, a dimensional change such as thermal expansion can be absorbed by the cushioning material on the fuel electrode side without lengthening the drainage path of the flow path forming material on the air electrode side. Therefore, both drainage and dimensional stability of the fuel cell can be improved.

本発明に係る燃料電池は、複数の電池セルが積層されたものである。図1に示すように、電池セル1は、膜電極接合体2と、膜電極接合体2の外側に配置された流路形成材5a、5bと、流路形成材5a、5bの外側に形成されたセパレータ6a、6bとをもつ。   The fuel cell according to the present invention is a stack of a plurality of battery cells. As shown in FIG. 1, the battery cell 1 is formed on the outside of the membrane electrode assembly 2, the flow path forming materials 5a and 5b disposed outside the membrane electrode assembly 2, and the flow path forming materials 5a and 5b. Separators 6a and 6b.

膜電極接合体2は、電解質膜21と、電解質膜21の燃料極側及び空気極側の両方に配置された触媒層22a、22bと、触媒層22a、22bの外側に配置されたガス拡散性をもつ拡散層23a、23bとからなる。電解質膜21は、イオン伝導性能をもつ材料、例えば、ナフィオンからなる。触媒層22a、22bは、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金が担持されている。電解質膜21の両面に形成された触媒層22a、22bのうち燃料極側の触媒層22aでは、水素ガスから水素イオンと電子が生成する。空気極側の触媒層22bでは、外部回路を通じて受け取った電子が、電解質膜21を通過した水素イオンと酸素と反応して、水を生成する。   The membrane electrode assembly 2 includes an electrolyte membrane 21, catalyst layers 22a and 22b arranged on both the fuel electrode side and the air electrode side of the electrolyte membrane 21, and gas diffusibility arranged outside the catalyst layers 22a and 22b. The diffusion layers 23a and 23b having The electrolyte membrane 21 is made of a material having ion conduction performance, for example, Nafion. The catalyst layers 22a and 22b carry a catalyst that promotes an electrochemical reaction, for example, platinum. Of the catalyst layers 22 a and 22 b formed on both surfaces of the electrolyte membrane 21, hydrogen ions and electrons are generated from hydrogen gas in the catalyst layer 22 a on the fuel electrode side. In the catalyst layer 22b on the air electrode side, electrons received through the external circuit react with hydrogen ions and oxygen that have passed through the electrolyte membrane 21 to generate water.

拡散層23a、23bは、ガスや水をその厚み方向に通過可能にする孔をもつ多孔質体であり、たとえば、カーボン多孔体からなる。カーボン多孔体は、ポリイミドを炭化したもの、カーボンブラックとフッ素樹脂との混合物、カーボン不織布にフッ素をコートしたものである。燃料極側の拡散層23aは、燃料ガス(水素ガス)及び触媒層での電気化学反応により生成した電子をその厚み方向に拡散させ、空気極側の拡散層23bは、空気(酸素ガス)並びに触媒層での電気化学反応により生成した水及び電子をその厚み方向に拡散させる。   The diffusion layers 23a and 23b are porous bodies having pores that allow gas and water to pass in the thickness direction, and are made of, for example, a carbon porous body. The carbon porous body is obtained by carbonizing polyimide, a mixture of carbon black and a fluororesin, or a carbon non-woven fabric coated with fluorine. The diffusion layer 23a on the fuel electrode side diffuses electrons generated by the electrochemical reaction in the fuel gas (hydrogen gas) and the catalyst layer in the thickness direction, and the diffusion layer 23b on the air electrode side contains air (oxygen gas) and Water and electrons generated by the electrochemical reaction in the catalyst layer are diffused in the thickness direction.

膜電極接合体2の燃料極側及び空気極側の両方の表面には流路形成材5a、6b及びセパレータ6a、6bが積層されている。ここで、燃料極側及び空気極側の流路形成材5a、5bのうち少なくとも空気極側の流路形成材5bは、拡散層23bとセパレータ6bとの間を連通する網目状に配列した同一形状の複数のメッシュ51と、隣り合うメッシュ51の間を仕切る壁部52とをもつ導電性多孔体からなる。壁部52は、その厚み方向に凹凸を繰り返して、一端に底部56aをもち他端に頂部56bをもつ傾斜部56cを規則的に配列させている。底部56aは、拡散層23bの底部接触部23cに接している。頂部56bは、セパレータ6bの頂部接触部6cに接している。そして、拡散層23bにおける底部接触部23cの縁部23fから、流路形成材5bの傾斜部56cを拡散層23bに投影してなる投影領域23gの少なくとも一部までの間には、撥水処理部8が形成されている。   On both surfaces of the membrane electrode assembly 2 on the fuel electrode side and the air electrode side, flow path forming materials 5a and 6b and separators 6a and 6b are laminated. Here, among the flow path forming materials 5a and 5b on the fuel electrode side and the air electrode side, at least the flow path forming material 5b on the air electrode side is the same arranged in a mesh shape communicating between the diffusion layer 23b and the separator 6b. It consists of a conductive porous body having a plurality of shaped meshes 51 and wall portions 52 that partition between adjacent meshes 51. The wall portion 52 has irregularities in the thickness direction and is regularly arranged with inclined portions 56c having a bottom portion 56a at one end and a top portion 56b at the other end. The bottom portion 56a is in contact with the bottom contact portion 23c of the diffusion layer 23b. The top portion 56b is in contact with the top contact portion 6c of the separator 6b. The water repellent treatment is performed between the edge 23f of the bottom contact portion 23c in the diffusion layer 23b and at least a part of the projection region 23g formed by projecting the inclined portion 56c of the flow path forming member 5b onto the diffusion layer 23b. Part 8 is formed.

空気極側及び燃料極側の流路形成材5a、5bのうち少なくとも空気極側の流路形成材5bとしては、たとえば、エキスパンドメタル50を用いるとよい。エキスパンドメタル50は、導電性をもつ金属、例えば、ステンレス鋼、チタン、またはチタン合金により形成されている。空気極側に限らず燃料極側の流路形成材5a、5bについてもエキスパンドメタル50により構成することができる。図2〜図4に示すように、エキスパンドメタル50は、複数の菱形ないし六角の貫通穴としてのメッシュ51と、メッシュ51を囲む壁部52とからなる導電性多孔体である。壁部52は、メッシュ51の4辺を構成するストランド部55と、隣り合うストランド部55同士が連結されているボンド部56とをもつ。ボンド部56の幅Hが大きい場合には、メッシュ51が六角形となり、ボンド部56の幅Hが狭い場合には菱形(四角形)となる。図2には、ボンド部56の幅Hが大きく、メッシュ51が六角形になる場合を例示した。   For example, an expanded metal 50 may be used as at least the air electrode side flow path forming material 5b of the air electrode side and fuel electrode side flow path forming materials 5a and 5b. The expanded metal 50 is made of a conductive metal, such as stainless steel, titanium, or a titanium alloy. The flow path forming materials 5a and 5b on the fuel electrode side as well as on the air electrode side can be constituted by the expanded metal 50. As shown in FIGS. 2 to 4, the expanded metal 50 is a conductive porous body including a mesh 51 as a plurality of rhombus or hexagonal through holes and a wall portion 52 surrounding the mesh 51. The wall portion 52 has a strand portion 55 constituting the four sides of the mesh 51 and a bond portion 56 in which adjacent strand portions 55 are connected to each other. When the width H of the bond portion 56 is large, the mesh 51 has a hexagonal shape, and when the width H of the bond portion 56 is narrow, the mesh 51 has a rhombus (rectangle). FIG. 2 illustrates the case where the width H of the bond portion 56 is large and the mesh 51 is hexagonal.

エキスパンドメタル50は、金属プレートに千鳥状に切り込みを入れ、切り込みに対して平面垂直方向に金属プレートを延ばして形成される。金属プレートを延ばすときに、切り込みをつなぐボンド部が厚み方向に傾斜する。このため、エキスパンドメタル50には、厚み方向に規則的な凹凸が形成される。そして、ボンド部56は、傾斜部56cからなる。傾斜部56cの一端は底部56aをもち、傾斜部56cの他端は頂部56bをもつ。傾斜部56cは、底部56aと頂部56bとの間を所定角度θで傾斜している。エキスパンドメタル50のボンド部56の傾斜部56cは、すべて略同一の所定角度θで傾斜している。ボンド部56の傾斜部56cは、エキスパンドメタル50の中の空間を通過する流体の流通性の観点から、10〜80°の傾斜角度θであるとよい。隣り合うボンド部56同士を連結しているストランド部55は、一方のボンド部56の底部56aと、他方のボンド部56の頂部56bとの間を連結して、底部56aと頂部56bとをそれぞれ山部と谷部とする波形状を形成している。   The expanded metal 50 is formed by cutting a metal plate in a zigzag manner and extending the metal plate in a direction perpendicular to the cut. When extending a metal plate, the bond part which connects a notch inclines in the thickness direction. For this reason, regular irregularities are formed in the expanded metal 50 in the thickness direction. And the bond part 56 consists of the inclination part 56c. One end of the inclined portion 56c has a bottom portion 56a, and the other end of the inclined portion 56c has a top portion 56b. The inclined portion 56c is inclined at a predetermined angle θ between the bottom portion 56a and the top portion 56b. The inclined portions 56c of the bond portion 56 of the expanded metal 50 are all inclined at substantially the same predetermined angle θ. The inclined portion 56 c of the bond portion 56 is preferably an inclined angle θ of 10 to 80 ° from the viewpoint of fluidity of the fluid passing through the space in the expanded metal 50. The strand part 55 which connects adjacent bond parts 56 connects between the bottom part 56a of one bond part 56, and the top part 56b of the other bond part 56, and each of the bottom part 56a and the top part 56b is connected. It forms a wave shape with peaks and valleys.

図5に示すように、空気極側の拡散層23bは、エキスパンドメタル50のボンド部56の底部56aに接する底部接触部23cをもつ。空気極側のセパレータ6bは、ボンド部56の頂部56bに接する頂部接触部6cをもつ。拡散層23bのエキスパンドメタル50と対向する表面には、底部接触部23cの縁部23fから投影領域23gの少なくとも一部までの間に、撥水処理部8が形成されている。投影領域23gは、拡散層23bに対して傾斜部56cを垂直方向に投影したときに傾斜部56cの陰となる領域である。そして、撥水処理部8は、底部接触部23cには形成されていない。   As shown in FIG. 5, the diffusion layer 23 b on the air electrode side has a bottom contact portion 23 c that contacts the bottom portion 56 a of the bond portion 56 of the expanded metal 50. The separator 6 b on the air electrode side has a top contact portion 6 c that contacts the top portion 56 b of the bond portion 56. On the surface of the diffusion layer 23b facing the expanded metal 50, a water repellent treatment portion 8 is formed between the edge 23f of the bottom contact portion 23c and at least a part of the projection region 23g. The projection region 23g is a region that is behind the inclined portion 56c when the inclined portion 56c is projected in the vertical direction with respect to the diffusion layer 23b. The water repellent treatment portion 8 is not formed on the bottom contact portion 23c.

図6に示すように、撥水処理部8は、拡散層23bにおけるエキスパンドメタル50の底部56aと接している底部接触部23cの縁部23fから投影領域23gの一部までの間に、少なくとも底部接触部23cの幅H全体にわたって形成されていることが好ましい。エキスパンドメタル50は、底部56aの幅H全体にわたって拡散層23bと接している。このため、拡散層23bにおける底部接触部23cの幅H全体の周縁で生成水が溜まりやすい。そこで、底部接触部56cの幅H全体にわたって撥水処理部8を形成することで、生成水を効果的に排水させることができる。   As shown in FIG. 6, the water repellent treatment unit 8 has at least a bottom portion between the edge portion 23f of the bottom contact portion 23c in contact with the bottom portion 56a of the expanded metal 50 in the diffusion layer 23b and a part of the projection region 23g. It is preferably formed over the entire width H of the contact portion 23c. The expanded metal 50 is in contact with the diffusion layer 23b over the entire width H of the bottom portion 56a. For this reason, the generated water tends to accumulate at the periphery of the entire width H of the bottom contact portion 23c in the diffusion layer 23b. Therefore, by forming the water repellent treatment portion 8 over the entire width H of the bottom contact portion 56c, the generated water can be drained effectively.

図5に示すように、拡散層23bとエキスパンドメタル50のボンド部56の傾斜部56cとのなす傾斜角度をθ、傾斜部56cの長さをLとしたときに、撥水処理部8は、拡散層23bの底部接触部23cの縁部23fから、投影領域23gの長手方向(図5、図6のY矢印方向)に向かって1/2×L×cosθ以上L×cosθ未満の長さをもつ部分に形成されていることが好ましい。即ち、撥水処理部8は、底部接触部23cの縁部23fを基点として、投影領域23gの長手方向に向かって形成されており、撥水処理部8の長さaは、傾斜部56cの投影領域23gの長手方向Yの長さであるL×cosθに対して1/2以上1未満の大きさをもつことが好ましい。この場合には、拡散層23bに反応ガスの流通に十分な開口面積を確保しつつ、生成水の排水性を効果的に向上させることができる。   As shown in FIG. 5, when the inclination angle formed between the diffusion layer 23b and the inclined portion 56c of the bond portion 56 of the expanded metal 50 is θ and the length of the inclined portion 56c is L, the water repellent treatment portion 8 is From the edge 23f of the bottom contact portion 23c of the diffusion layer 23b, a length of ½ × L × cos θ or more and less than L × cos θ toward the longitudinal direction of the projection region 23g (the arrow Y direction in FIGS. 5 and 6). It is preferable to form in the part which has. That is, the water repellent treatment part 8 is formed toward the longitudinal direction of the projection region 23g with the edge 23f of the bottom contact part 23c as a base point, and the length a of the water repellent treatment part 8 is the length of the inclined part 56c. It is preferable that the projection region 23g has a size of ½ or more and less than 1 with respect to L × cos θ, which is the length in the longitudinal direction Y. In this case, the drainage of the generated water can be effectively improved while ensuring a sufficient opening area for the reaction gas to flow in the diffusion layer 23b.

撥水処理部を形成するに当たっては、例えば、拡散層の表面における撥水処理部形成部分以外の部分をマスクして、撥水剤を塗工する。塗工方法は、スプレー、スクリーン印刷、アプリケータ、インクジェットなどがある。撥水剤は、ポリテトラフルオロエチレン(以下、「PTFE」という。)、四フッ化エチレン−六フッ化プロピレン共重合体(FEP)、四フッ化エチレン−パーフルオロビニルエーテル共重合体(PFA)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)などのフッ素樹脂を用いることができる。   In forming the water repellent portion, for example, a portion other than the water repellent portion forming portion on the surface of the diffusion layer is masked and a water repellent is applied. Examples of the coating method include spraying, screen printing, applicator, and inkjet. The water repellent is polytetrafluoroethylene (hereinafter referred to as “PTFE”), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluorovinyl ether copolymer (PFA), A fluororesin such as polyvinylidene fluoride (PVdF) can be used.

また、拡散層23bの底部接触部23cと、隣り合う底部接触部23c同士の間であって撥水処理部8以外の部分には、撥水処理が施されない非撥水処理部9を有している。したがって、拡散層23bの表面には、非撥水処理部9と撥水処理部8とが、交互に配列することになる。ここで、「隣り合う底部接触部同士」とは、一方向に隣り合う底部接触部との間(第1のケース)、または二方向に隣り合う底部接触部との間(第2のケース)のいずれかという意味である。第1のケースの場合、拡散層の平面方向における一方向に隣り合う底部接触部との間に非撥水処理部が配置されており、他方向に隣り合う底部接触部の間には非接触部が配置されておらず撥水処理部が他方向に部分的に又はすべて連続している。第2のケースの場合には、二方向に隣り合う底部接触部との間に非撥水処理部が配置されており、各撥水処理部が非連続的に、格子状に配置されている。図6,図7には、第2のケースの具体例を示す。両図には、投影領域23gの長手方向Yと、長手方向Yと直交する幅方向Xの双方に、格子状に撥水処理部8が配列しており、隣り合う撥水処理部8同士の間には、非撥水処理部9が介在している。図6では、各撥水処理部8が隣り合う他の撥水処理部8と非接触状態で配置されている。図7では、各撥水処理部8が隣り合う他の撥水処理部8と、コーナー部8cにおいて接触した状態で配置されている。   In addition, the non-water-repellent treatment portion 9 that is not subjected to the water-repellent treatment portion is provided between the bottom contact portion 23c of the diffusion layer 23b and the adjacent bottom contact portions 23c other than the water-repellent treatment portion 8. ing. Therefore, the non-water-repellent treatment portion 9 and the water-repellent treatment portion 8 are alternately arranged on the surface of the diffusion layer 23b. Here, “adjacent bottom contact portions” means between the bottom contact portions adjacent in one direction (first case) or between the bottom contact portions adjacent in two directions (second case). It means either. In the case of the first case, the non-water-repellent treatment part is disposed between the bottom contact parts adjacent in one direction in the planar direction of the diffusion layer, and is not in contact between the bottom contact parts adjacent in the other direction. No part is arranged, and the water repellent part is partially or entirely continuous in the other direction. In the case of the second case, the non-water-repellent treatment portions are disposed between the bottom contact portions adjacent to each other in two directions, and the water-repellent treatment portions are discontinuously disposed in a lattice shape. . 6 and 7 show specific examples of the second case. In both figures, the water-repellent treatment parts 8 are arranged in a lattice pattern in both the longitudinal direction Y of the projection region 23g and the width direction X orthogonal to the longitudinal direction Y, and the adjacent water-repellent treatment parts 8 are adjacent to each other. A non-water-repellent treatment part 9 is interposed therebetween. In FIG. 6, each water repellent treatment unit 8 is arranged in a non-contact state with another adjacent water repellent treatment unit 8. In FIG. 7, each water repellent treatment unit 8 is arranged in contact with another adjacent water repellent treatment unit 8 at a corner portion 8 c.

セパレータ6a、6bは、水素と酸素による電気化学反応により発生した電子を集電し、隣り合う電池セル間の電気的なコネクタとして良好な導電性を有している。また、セパレータ6a、6bは、電池セルを積層する場合に電池セル同士を隔離し且つ酸素と水素を隔離する役目を果たしている。セパレータ6a、6bは、凹凸のない平板からなり、たとえば、緻密体のカーボン板あるいはメタル板(例えば、ステンレス鋼、チタン、チタン合金など)を用いることができる。   The separators 6a and 6b collect electrons generated by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen and have good conductivity as an electrical connector between adjacent battery cells. Further, the separators 6a and 6b serve to separate the battery cells and separate oxygen and hydrogen when the battery cells are stacked. Separator 6a, 6b consists of a flat plate without an unevenness | corrugation, For example, a dense carbon plate or a metal plate (for example, stainless steel, titanium, titanium alloy etc.) can be used.

燃料極側の流路形成材5aと膜電極接合体2との間にのみクッション材3が介設され、空気極側の流路形成材5bと膜電極接合体2との間にはクッション材3が介設されていない構成とするとよい。これにより、空気極側で生成水を効果的に排水させることができるとともに、燃料極側で燃料電池の寸法安定性を高めることができる。   The cushion material 3 is interposed only between the fuel electrode side flow path forming member 5a and the membrane electrode assembly 2, and between the air electrode side flow path forming member 5b and the membrane electrode assembly 2, the cushion material is provided. It is good to set it as the structure by which 3 is not interposed. Thereby, the generated water can be effectively drained on the air electrode side, and the dimensional stability of the fuel cell can be enhanced on the fuel electrode side.

クッション材3は、厚み方向に弾性をもち、反応ガスや水を通過可能な多孔性を有しており、例えば、金属、カーボン、導電性樹脂からなる導電性繊維の織布又は不織布、若しくは通気性を有する程度に気孔が連通した導電性発泡シートなどを用いることができる。更に好ましくは、クッション材3は、カーボンクロスまたはカーボンペーパからなる。クッション材3の厚みは、50〜600μmであるとよく、更には200〜300μmであるとよい。これにより、膜電極接合体2と空気極側の流路形成材5bとの間の反応ガスや水の拡散距離を大きくすることなく、熱膨張などによる燃料電池の厚み方向の寸法変化を弾性吸収することができる。   The cushion material 3 has elasticity in the thickness direction and has a porosity through which reaction gas and water can pass. For example, a conductive fiber woven or non-woven fabric made of metal, carbon, or conductive resin, or aeration For example, a conductive foam sheet having pores communicating to such an extent that it has a property can be used. More preferably, the cushion material 3 is made of carbon cloth or carbon paper. The thickness of the cushion material 3 is preferably 50 to 600 μm, and more preferably 200 to 300 μm. As a result, the dimensional change in the thickness direction of the fuel cell due to thermal expansion or the like is elastically absorbed without increasing the diffusion distance of the reaction gas and water between the membrane electrode assembly 2 and the flow path forming material 5b on the air electrode side. can do.

実施例1
本例の燃料電池は、複数の電池セルを積層したものである。図1に示すように、電池セル1は、膜電極接合体2と、膜電極接合体2の空気極側及び燃料極側の両面に配置された流路形成材5a、5b及びセパレータ6a、6bとをもつ。膜電極接合体2は、電解質膜21と、電解質膜21の空気極側及び燃料極側の両面に配置された触媒層22a、22b及び拡散層23a、23bとからなる。燃料極側の拡散層23aと燃料極側の流路形成材5aとの間にのみクッション材3が介設されている。空気極側及び燃料極側の流路形成材5a、5bは、メッシュ状のエキスパンドメタル50からなる。
Example 1
The fuel cell of this example is a stack of a plurality of battery cells. As shown in FIG. 1, the battery cell 1 includes a membrane electrode assembly 2, flow path forming materials 5 a and 5 b and separators 6 a and 6 b arranged on both the air electrode side and the fuel electrode side of the membrane electrode assembly 2. And have. The membrane electrode assembly 2 includes an electrolyte membrane 21, and catalyst layers 22a and 22b and diffusion layers 23a and 23b disposed on both the air electrode side and the fuel electrode side of the electrolyte membrane 21. The cushion material 3 is interposed only between the diffusion layer 23a on the fuel electrode side and the flow path forming material 5a on the fuel electrode side. The air electrode side and fuel electrode side flow path forming members 5 a and 5 b are made of a mesh-like expanded metal 50.

図2〜図4に示すように、エキスパンドメタル50は、拡散層23a、23bとセパレータ6a、6bとの間を連通する網目状に配列した複数の六角形のメッシュ51と、隣り合うメッシュ51同士を仕切る壁部52とをもつ。壁部52は、六角形のメッシュ51の4辺を構成するストランド部55と、メッシュ51の2辺を構成するとともに隣り合うストランド部55同士を連結するボンド部56とをもつ。壁部52は、その厚み方向に凹凸を繰り返して規則的な凹凸が形成されている。ボンド部56は、厚み方向に傾斜する傾斜部56cからなる。傾斜部56cの一端は底部56aをもち、傾斜部56cの他端は頂部56bをもつ。ボンド部56の傾斜部56cは、すべて略同一の角度θで傾斜している。隣り合うボンド部56同士を連結しているストランド部55は、一方のボンド部56の底部56aと、他方のボンド部56の頂部56bとの間を連結して、底部56aと頂部56bとをそれぞれ山部と谷部とする波形状を形成している。拡散層23bとエキスパンドメタル50の傾斜部56cとのなす傾斜角度θは、45°である。傾斜部56cの長さL、即ち底部56aから頂部56bまでの長さは、2mmである。図2に示すように、エキスパンドメタル50の板厚cは、0.1mmで、幅dが1mm、長さeが2mmのメッシュ51が開口している。   As shown in FIGS. 2 to 4, the expanded metal 50 includes a plurality of hexagonal meshes 51 arranged in a mesh shape that communicates between the diffusion layers 23 a and 23 b and the separators 6 a and 6 b, and adjacent meshes 51. And a wall portion 52 for partitioning. The wall portion 52 includes a strand portion 55 that forms four sides of the hexagonal mesh 51 and a bond portion 56 that forms two sides of the mesh 51 and connects adjacent strand portions 55 to each other. The wall 52 has regular irregularities by repeating irregularities in the thickness direction. The bond portion 56 includes an inclined portion 56c that is inclined in the thickness direction. One end of the inclined portion 56c has a bottom portion 56a, and the other end of the inclined portion 56c has a top portion 56b. All the inclined portions 56c of the bond portion 56 are inclined at substantially the same angle θ. The strand part 55 which connects adjacent bond parts 56 connects between the bottom part 56a of one bond part 56, and the top part 56b of the other bond part 56, and each of the bottom part 56a and the top part 56b is connected. It forms a wave shape with peaks and valleys. The inclination angle θ formed by the diffusion layer 23b and the inclined portion 56c of the expanded metal 50 is 45 °. The length L of the inclined portion 56c, that is, the length from the bottom portion 56a to the top portion 56b is 2 mm. As shown in FIG. 2, the expanded metal 50 has a plate thickness c of 0.1 mm, a mesh 51 having a width d of 1 mm and a length e of 2 mm.

図5に示すように、空気極側の拡散層23bは、エキスパンドメタル50のボンド部56の底部56aに接する底部接触部23cをもつ。空気極側のセパレータ6bは、ボンド部56の頂部56bに接する頂部接触部6cをもつ。拡散層23bのエキスパンドメタル50と対向する表面には、底部接触部23cの縁部23fから投影領域23gの一部までの間に、撥水処理部8が形成されている。そして、底部接触部23c、及び隣り合う底部接触部23c同士の間であって撥水処理部8以外の部分には、撥水処理がされていない非撥水処理部9を有している。具体的には、拡散層23bと傾斜部56cとのなす傾斜角度をθ(45°)、傾斜部56cの長さをL(2mm)としたときに、撥水処理部8は四角形状を呈しており、拡散層23bの底部接触部23cの縁部23fから、投影領域23gの長手方向Yに向かって1/2×L×cosθの長さa(0.71mmをもつ部分23h、すなわち投影領域23gの長手方向Yの中央部分までの間に形成されている。また、図6に示すように、撥水処理部8は、ボンド部56の幅Hの中心からその両側に向かってそれぞれ0.5mmずつ延びて1mmの幅bをもつ。撥水処理部8は、空気極側の拡散層23bにおけるすべてのボンド部56の投影領域23gに同形状に形成され、平面方向に規則的に配列している。撥水処理部8の面積は、0.71mmである。拡散層23bの表面全体面積に対する撥水処理部8の合計面積の比率は、22%である。 As shown in FIG. 5, the diffusion layer 23 b on the air electrode side has a bottom contact portion 23 c that contacts the bottom portion 56 a of the bond portion 56 of the expanded metal 50. The separator 6 b on the air electrode side has a top contact portion 6 c that contacts the top portion 56 b of the bond portion 56. On the surface of the diffusion layer 23b facing the expanded metal 50, a water repellent treatment portion 8 is formed between the edge 23f of the bottom contact portion 23c and a part of the projection region 23g. And in the part other than the water-repellent process part 8 between the bottom part contact parts 23c and the adjacent bottom part contact parts 23c, it has the non-water-repellent process part 9 which is not water-repellent-treated. Specifically, the water-repellent treatment portion 8 has a square shape when the inclination angle formed by the diffusion layer 23b and the inclined portion 56c is θ (45 °) and the length of the inclined portion 56c is L (2 mm). From the edge 23f of the bottom contact portion 23c of the diffusion layer 23b toward the longitudinal direction Y of the projection region 23g, a length a of ½ × L × cos θ (a portion 23h having 0.71 mm, ie, the projection region 23 g is formed between the center part of the longitudinal direction Y. Moreover, as shown in FIG. Extending by 5 mm and having a width of 1 mm, the water repellent portion 8 is formed in the same shape in the projection region 23g of all the bond portions 56 in the diffusion layer 23b on the air electrode side, and is regularly arranged in the plane direction. and are. the area of the water-repellent processing unit 8, 0.71 mm In a. The ratio of the total area of the water repellent portion 8 with respect to the entire surface area of the diffusion layer 23b is 22%.

非撥水処理部9は、拡散層23bにおける底部接触部23cの縁部23fから投影領域23gの長手方向に向かって1/2×L×cosθの長さaを越える部分から、隣設する底部接触部23cまでの間に配置されている。また、非撥水処理部9は、ボンド部56の幅Hの方向の幅Hの中心から0.5mm離れた部位から、隣設するボンド部56の幅Hの方向の幅Hの中心から0.5mm離れた部位までの間に位置している。したがって、非撥水処理部9は、メッシュ51の開口近傍に位置することになる。   The non-water-repellent treatment portion 9 has a bottom portion adjacent to the diffusion layer 23b from a portion exceeding the length a of ½ × L × cos θ from the edge portion 23f of the bottom contact portion 23c toward the longitudinal direction of the projection region 23g. It arrange | positions between the contact parts 23c. Further, the non-water-repellent treatment part 9 has a distance of 0.5 mm from the center of the width H in the direction of the width H of the bond part 56, and is 0 from the center of the width H in the direction of the width H of the adjacent bond part 56. It is located in the area up to 5mm away. Accordingly, the non-water-repellent treatment part 9 is located in the vicinity of the opening of the mesh 51.

クッション材3は、厚み300μmのカーボンクロスからなる。カーボンクロスは、カーボン繊維の織布である。セパレータ6a、6bは、流路形成用の凹凸のないステンレス平板からなる。   The cushion material 3 is made of a carbon cloth having a thickness of 300 μm. Carbon cloth is a woven fabric of carbon fibers. Separator 6a, 6b consists of a stainless steel flat plate without the unevenness | corrugation for flow-path formation.

本例の燃料電池の製造方法について説明する。まず、45重量%の白金を担持した炭素微粒子(ケッチェン・ブラック・インターナショナル社製、ケッチェンブラックEC)1gと高分子電解質(デュポン社製、SE20092)2.2gとからなる空気極側の触媒層22bと、30質量%の白金を担持した炭素微粒子(日本キャボット社製、バルカンXC−72R)1gと高分子電解質(デュポン社製、SE20092)3.5gとからなる燃料極側の触媒層22aとを、高分子電解質膜(デュポン社製、Nafion112)からなる電解質膜21に、熱プレスした。これにより、電解質膜21の空気極側及び燃料極側に触媒層22a、22bを形成した。   A method for manufacturing the fuel cell of this example will be described. First, a catalyst layer on the air electrode side composed of 1 g of carbon fine particles (Ketjen Black International Co., Ltd., Ketjen Black EC) supporting 45% by weight of platinum and 2.2 g of a polymer electrolyte (DuPont SE20092). 22b, a catalyst layer 22a on the fuel electrode side composed of 1 g of carbon fine particles (Nippon Cabot, Vulcan XC-72R) loaded with 30% by mass of platinum and 3.5 g of a polymer electrolyte (DuPont, SE20092) Was hot-pressed onto an electrolyte membrane 21 made of a polymer electrolyte membrane (Nafion 112, manufactured by DuPont). Thus, catalyst layers 22a and 22b were formed on the air electrode side and the fuel electrode side of the electrolyte membrane 21.

次に、カーボンクロス上にカーボンブラックとPTFE分散液(ディスパージョン)とを混合した溶液を塗布し、乾燥、焼成して、触媒層22a、22bの表面に拡散層23a、23bを形成した。   Next, a mixed solution of carbon black and PTFE dispersion (dispersion) was applied onto the carbon cloth, dried, and fired to form diffusion layers 23a and 23b on the surfaces of the catalyst layers 22a and 22b.

次に、燃料極側の拡散層23aの表面に、カーボンクロスからなるクッション材3を配設した。   Next, the cushion material 3 made of carbon cloth was disposed on the surface of the diffusion layer 23a on the fuel electrode side.

次に、空気極側の拡散層23bの流路形成材5b側の表面に、幅(b)1mm×長さ(a)0.71mm=0.71mmの面積で、長さaの方向にピッチPが2mmの撥水処理部8を形成した。撥水処理は、拡散層の撥水処理を形成しない部分をマスクした後に、マスクの開口部にPTFEディスパージョン(三井・デュポンフロロケミカル株式会社製31−JR)をスプレーにて塗工した。その後、撥水処理部8の乾燥、焼成を行った。燃料極側の拡散層23aの表面には、撥水処理部は形成しなかった。 Next, on the surface on the flow path forming material 5b side of the diffusion layer 23b on the air electrode side, the area of width (b) 1 mm × length (a) 0.71 mm = 0.71 mm 2 in the direction of length a A water repellent portion 8 having a pitch P of 2 mm was formed. In the water repellent treatment, after masking the portion of the diffusion layer where the water repellent treatment is not formed, PTFE dispersion (Mitsui / Dupont Fluoro Chemical Co., Ltd. 31-JR) was applied to the opening of the mask by spraying. Thereafter, the water repellent portion 8 was dried and fired. No water repellent portion was formed on the surface of the diffusion layer 23a on the fuel electrode side.

次に、燃料極側のクッション材3及び空気極側の拡散層23bを、エキスパンドメタル50からなる流路形成材5a、5bで挟み込み、その外側からセパレータ6a、6bで挟み込み、電池セル1を作製した。
実施例2
実施例1と同様の製造方法で空気極側の拡散層の流路形成材側に撥水処理部を形成した。図7に、本例の撥水処理部8と非撥水処理部9の配置を示す。撥水処理部8は、投影領域23gの長手方向Y及び幅方向Xの双方に、非撥水処理部9を介在させて、配列している。撥水処理部8の長さaは1.42mm、幅bは1mmとした。撥水処理部8の長さaは、投影領域23gの長手方向Yの長さに等しい。撥水処理部8は、拡散層23bの底部接触部23cの縁部23fから、投影領域23gの長手方向Yに向かってL×cosθの長さa(1.42mm)をもつ部分23iに形成されている。撥水処理部8の面積は1.42mmである。拡散層23bの表面全体面積に対する撥水処理部8の合計面積の比率は、44%である。その他は、実施例1と同様である。
実施例3
実施例1と同様の製造方法で空気極側の拡散層の流路形成材側に撥水処理部を形成した。撥水処理部の長さaは0.35mm、幅bは1mmとした。撥水処理部8は、拡散層23bの底部接触部23cの縁部23fから、投影領域23gの長手方向に向かって1/4×L×cosθの長さa(0.35mm)をもつ部分に形成されている。撥水処理部8の面積は0.35mmである。拡散層23bの表面全体面積に対する撥水処理部8の合成面積の比率は、11%である。その他は、実施例1と同様である。
比較例1
空気極側の拡散層の流路形成材側には、撥水処理部を形成していない点が実施例1と相違する。その他は、実施例1と同様である。
実験例
実施例1〜3及び比較例1で作製した電池セルを、セル温度60℃、フル加湿(湿度100%)条件で、0.2A/cmの放電条件で、放電を行った。このときの平均電圧と電圧偏差を、表1に示した。
Next, the fuel electrode-side cushion material 3 and the air electrode-side diffusion layer 23b are sandwiched between the flow path forming materials 5a and 5b made of the expanded metal 50, and are sandwiched between the separators 6a and 6b from the outside to produce the battery cell 1. did.
Example 2
A water repellent treatment part was formed on the flow path forming material side of the diffusion layer on the air electrode side by the same production method as in Example 1. FIG. 7 shows the arrangement of the water-repellent treatment unit 8 and the non-water-repellent treatment unit 9 of this example. The water repellent treatment portions 8 are arranged with the non-water repellent treatment portions 9 interposed in both the longitudinal direction Y and the width direction X of the projection region 23g. The water repellent portion 8 has a length a of 1.42 mm and a width b of 1 mm. The length a of the water repellent treatment unit 8 is equal to the length in the longitudinal direction Y of the projection region 23g. The water repellent portion 8 is formed in a portion 23i having a length a (1.42 mm) of L × cos θ from the edge 23f of the bottom contact portion 23c of the diffusion layer 23b toward the longitudinal direction Y of the projection region 23g. ing. The area of the water repellent treatment part 8 is 1.42 mm 2 . The ratio of the total area of the water repellent portion 8 to the entire surface area of the diffusion layer 23b is 44%. Others are the same as in the first embodiment.
Example 3
A water repellent treatment part was formed on the flow path forming material side of the diffusion layer on the air electrode side by the same production method as in Example 1. The length a of the water repellent portion was 0.35 mm, and the width b was 1 mm. The water repellent treatment portion 8 is formed on a portion having a length a (0.35 mm) of 1/4 × L × cos θ from the edge portion 23f of the bottom contact portion 23c of the diffusion layer 23b toward the longitudinal direction of the projection region 23g. Is formed. The area of the water repellent treatment part 8 is 0.35 mm 2 . The ratio of the combined area of the water repellent portion 8 to the entire surface area of the diffusion layer 23b is 11%. Others are the same as in the first embodiment.
Comparative Example 1
The difference from the first embodiment is that a water repellent portion is not formed on the flow path forming material side of the diffusion layer on the air electrode side. Others are the same as in the first embodiment.
Experimental Example The battery cells produced in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 were discharged under a discharge condition of 0.2 A / cm 2 under a cell temperature of 60 ° C. and full humidification (humidity of 100%). The average voltage and voltage deviation at this time are shown in Table 1.

Figure 2009193845
Figure 2009193845

同表より知られるように、実施例1〜3では、比較例1に比べて、平均電圧が高く、電圧偏差が小さかった。これは、空気極側の拡散層23bにおけるエキスパンドメタル50の底部接触部23cの縁部23fから、傾斜部56cの投影領域23gの少なくとも一部に撥水処理部8を形成したことによって、当該部分に撥水性が付与されて生成水が溜まらなくなり、排水性が向上したためであると推定される。また、電子の流通経路である底部接触部23cには非撥水処理部9が配置されているため電子の流通性は確保されていること、また、拡散層23bの表面のメッシュ51直下近傍には非撥水処理部9が残っているため、この部分を経由して反応ガスが十分に流通可能であることも、発電性能が高くなった要因の一つとして考えられる。   As is known from the table, in Examples 1 to 3, the average voltage was higher and the voltage deviation was smaller than in Comparative Example 1. This is because the water repellent treatment portion 8 is formed on at least a part of the projection region 23g of the inclined portion 56c from the edge portion 23f of the bottom contact portion 23c of the expanded metal 50 in the diffusion layer 23b on the air electrode side. It is presumed that the water repellency was imparted to the water and the generated water did not accumulate, resulting in improved drainage. In addition, since the non-water-repellent treatment part 9 is arranged in the bottom contact part 23c which is an electron distribution path, the electron distribution is ensured, and the surface of the diffusion layer 23b is in the vicinity immediately below the mesh 51. Since the non-water-repellent treatment part 9 remains, the fact that the reaction gas can be sufficiently circulated through this part is also considered as one of the factors that increase the power generation performance.

特に、実施例1、2は、実施例3に比べて、平均電圧が高く、電圧偏差は小さかった。実施例1,2では、撥水処理部を形成している部分が、底部接触部23cの縁部23fから、傾斜部56cの投影領域23gの長手方向に向かって1/2×L×cosθ以上L×cosθ未満の長さをもつ部分に形成されている。この部分は、傾斜部56cの投影領域23gの中でも特に、電子の流路である底部接触部23cに近く、活発に生成水が生じやすい部分であり、また、傾斜部56cの陰になり狭い空間である。したがって、この部分は、拡散層23bの表面の中で特に生成水が溜まりやすい部分である。実施例1,2では、この部分に撥水処理部8が形成されており、しかも、生成水を撥水し得る撥水処理部の面積が、実施例3に比べて大きく、撥水性が高くなったためであると考えられる。   In particular, Examples 1 and 2 had a higher average voltage and a smaller voltage deviation than Example 3. In Examples 1 and 2, the portion forming the water repellent treatment portion is ½ × L × cos θ or more from the edge portion 23f of the bottom contact portion 23c toward the longitudinal direction of the projection region 23g of the inclined portion 56c. It is formed in a portion having a length less than L × cos θ. This portion is a portion close to the bottom contact portion 23c, which is an electron flow path, in the projection region 23g of the inclined portion 56c, and is a portion where generated water is actively generated, and is a narrow space behind the inclined portion 56c. It is. Therefore, this portion is a portion where generated water tends to accumulate particularly on the surface of the diffusion layer 23b. In Examples 1 and 2, the water-repellent treatment part 8 is formed in this portion, and the area of the water-repellent treatment part capable of repelling the generated water is larger than that in Example 3, and the water repellency is high. This is thought to be because of

一方、比較例1では、発電性能が低かった。これは、撥水処理部が形成されておらず、拡散層23bの表面における、特に傾斜部56cの投影領域23gの中の底部接触部23cの近傍に、水が溜まったためであると推定される。   On the other hand, in Comparative Example 1, the power generation performance was low. This is presumably because the water repellent portion was not formed, and water accumulated on the surface of the diffusion layer 23b, particularly in the vicinity of the bottom contact portion 23c in the projection region 23g of the inclined portion 56c. .

本発明に係る実施例1における、燃料電池の電池セルの断面説明図である。It is sectional explanatory drawing of the battery cell of the fuel cell in Example 1 which concerns on this invention. 実施例1のエキスパンドメタルの平面図である。2 is a plan view of an expanded metal of Example 1. FIG. 図2のA−A矢視線断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 2. 図2のB−B矢視線断面図である。It is a BB arrow line sectional view of Drawing 2. 実施例1における、空気極側の流路形成材の断面説明図である。FIG. 3 is a cross-sectional explanatory view of a flow path forming material on the air electrode side in Example 1. 実施例1における、撥水処理部とエキスパンドメタルとの配置関係を示す拡散層の平面図である。FIG. 3 is a plan view of a diffusion layer showing a positional relationship between a water repellent treatment part and an expanded metal in Example 1. 実施例2における、撥水処理部とエキスパンドメタルとの配置関係を示す拡散層の平面図である。In Example 2, it is a top view of the diffusion layer which shows the arrangement | positioning relationship between the water-repellent process part and an expanded metal.

符号の説明Explanation of symbols

1:電池セル、2:膜電極接合体、3:クッション材、5a:燃料極側の流路形成材、5b:空気極側の流路形成材、6a:燃料極側のセパレータ、6b:空気極側のセパレータ、6c:頂部接触部、8:撥水処理部、9:非撥水処理部、21:電解質膜、22a:燃料極側の触媒層、22b:空気極側の触媒層、23a:燃料極側の拡散層、23b:空気極側の拡散層、23c:底部接触部、23f:縁部、23g:投影領域、50:エキスパンドメタル、51:メッシュ、52:壁部、55:ストランド部、56:ボンド部、56a:底部、56b:頂部、56c:傾斜部。 1: battery cell, 2: membrane electrode assembly, 3: cushion material, 5a: fuel electrode side flow path forming material, 5b: air electrode side flow path forming material, 6a: fuel electrode side separator, 6b: air Electrode side separator, 6c: top contact part, 8: water repellent treatment part, 9: non-water repellent treatment part, 21: electrolyte membrane, 22a: fuel electrode side catalyst layer, 22b: air electrode side catalyst layer, 23a : Diffusion layer on the fuel electrode side, 23b: diffusion layer on the air electrode side, 23c: bottom contact portion, 23f: edge, 23g: projection region, 50: expanded metal, 51: mesh, 52: wall, 55: strand Part, 56: bond part, 56a: bottom part, 56b: top part, 56c: inclined part.

Claims (4)

電解質膜の燃料極側及び空気極側の両面に触媒層及び拡散層を配設してなる膜電極接合体と、該膜電極接合体の燃料極側及び空気極側の両面に配設された流路形成材と、該流路形成材の表面に配設されたセパレータと、を含む燃料電池であって、
前記膜電極接合体の両面に配設された前記流路形成材のうち少なくとも空気極側の前記流路形成材は、前記拡散層と前記セパレータとの間を連通する網目状に配列した複数の貫通穴と、隣り合う前記貫通穴の間を仕切る壁部とをもつ導電性多孔体からなり、
前記壁部は、その厚み方向に凹凸を繰り返して、一端に底部をもち他端に頂部をもつ傾斜部を規則的に配列してなり、
前記拡散層は前記底部に接する底部接触部をもち、前記セパレータは前記頂部に接する頂部接触部をもち、
前記拡散層における前記底部接触部の縁部から、前記拡散層に対して前記流路形成材の前記傾斜部を投影してなる投影領域の少なくとも一部までの間には、撥水処理部が形成されており、
前記底部接触部、及び隣り合う前記底部接触部同士の間であって前記撥水処理部以外の部分には、撥水処理がされていない非撥水処理部を有していることを特徴とする燃料電池。
A membrane electrode assembly in which a catalyst layer and a diffusion layer are disposed on both the fuel electrode side and the air electrode side of the electrolyte membrane, and disposed on both the fuel electrode side and the air electrode side of the membrane electrode assembly. A fuel cell comprising a flow path forming material and a separator disposed on a surface of the flow path forming material,
Among the flow path forming materials provided on both surfaces of the membrane electrode assembly, at least the flow path forming material on the air electrode side is a plurality of meshes arranged in communication with the diffusion layer and the separator. It consists of a conductive porous body having a through hole and a wall part that partitions between the adjacent through holes,
The wall portion is formed by repeating irregularities in the thickness direction and regularly arranging inclined portions having a bottom portion at one end and a top portion at the other end,
The diffusion layer has a bottom contact portion in contact with the bottom portion, and the separator has a top contact portion in contact with the top portion,
Between the edge portion of the bottom contact portion of the diffusion layer and at least a part of the projection region formed by projecting the inclined portion of the flow path forming material onto the diffusion layer, a water repellent treatment portion is provided. Formed,
The non-water-repellent treatment portion that is not subjected to water-repellent treatment is provided between the bottom contact portion and the adjacent bottom contact portions other than the water-repellent treatment portion. Fuel cell.
前記拡散層と前記傾斜部とのなす傾斜角度をθ、前記傾斜部の長さをLとしたときに、
前記撥水処理部は、前記底部接触部の縁部から、前記投影領域の長手方向に向かって1/2×L×cosθ以上L×cosθ未満の長さをもつ部分に形成されていることを特徴とする請求項1記載の燃料電池。
When the inclination angle formed by the diffusion layer and the inclined portion is θ and the length of the inclined portion is L,
The water repellent portion is formed in a portion having a length of ½ × L × cos θ or more and less than L × cos θ from the edge of the bottom contact portion toward the longitudinal direction of the projection region. The fuel cell according to claim 1.
前記導電性多孔体は、エキスパンドメタルである請求項1又は請求項2に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, wherein the conductive porous body is an expanded metal. 燃料極側の前記流路形成材と前記膜電極接合体との間にのみ、クッション材が介設されていることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池。   The fuel according to any one of claims 1 to 3, wherein a cushion material is interposed only between the flow path forming material on the fuel electrode side and the membrane electrode assembly. battery.
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