JP3982356B2

JP3982356B2 - Current collector plate of polymer electrolyte fuel cell

Info

Publication number: JP3982356B2
Application number: JP2002215709A
Authority: JP
Inventors: 正弘和田; 公明加藤; 博規上野
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2002-07-24
Filing date: 2002-07-24
Publication date: 2007-09-26
Anticipated expiration: 2022-07-24
Also published as: JP2004063098A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質膜の両側に積層された燃料電極層と酸化剤電極層のうち、少なくとも酸化剤電極層に積層される固体高分子型燃料電池の集電板に関するものであって、特に携帯電話やデジタルカメラなどの携帯機器用の電池に適した集電板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の固体高分子型燃料電池としては、例えば図７に示すように、固体高分子の電解質膜１の両側に水素電極層（燃料電極層）２および空気電極層（酸化剤電極層）３が積層され、これらの水素電極層２および空気電極層３のそれぞれの外面に沿って設置されたセパレータ４、５を備えたものを単位セルとし、この単位セルを複数積層させたスタック構造のものが知られている。
【０００３】
電解質膜１は、例えば０．１ｍｍ程度の厚さのもので構成されている。
水素電極層２および空気電極層３は、図８に示すように、触媒としてＰｔ担持カーボンブラックＡを有する多孔質のカーボンペーパによって形成されている。
【０００４】
一方のセパレータ４には、図７に示すように、燃料ガス（水素を有する）を水素電極層２の表面全体に供給するための溝４ａが形成されており、他方のセパレータ５には、酸化剤ガス（酸素を有する）を空気電極層３の表面全体に供給するための溝５ａが形成されている。燃料ガスとしては、例えばほぼ１００％の水素が用いられ、酸化剤ガスとしては、例えば空気が用いられる。
上記のように構成された固体高分子型燃料電池においては、図８に示すような化学反応により電気を作ることができる。燃料となる水素（Ｈ₂）は、水素電極層２側の触媒Ａの作用で水素イオン（Ｈ⁺）と電子（ｅ^-）に分かれる。すなわち、
Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（１）
となる。
【０００５】
水素イオンは、電解質膜１中を空気電極層３側に移動し、触媒Ａの作用によって、外部電気回路から供給される電子とともに、空気電極層３に供給される酸素の還元に使われる。すなわち、
１／２Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ …（２）
の電気化学反応が生じ、水が生成される（以下、この水を生成水という）。そして、水素電極層２側の電子が例えば外部の負荷を通って空気電極層３側に流れることから、これを電気エネルギとして使うことができる。
上記電気化学反応は、主に電解質膜１と空気電極層３との境界部で発生することになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記固体高分子型燃料電池においては、連続して運転を行うと、上述した生成水が空気電極３の表面に液膜となって覆うことになり、酸素が電解質膜１に供給されにくくなる。このため、起電力が急激に低下するという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、生成水を酸化剤電極層から効率よく取り除くことによって、高出力で安定した電力を発生させることのできる固体高分子型燃料電池の集電板を提供することを課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の固体高分子型燃料電池の集電板は、電解質膜の一方の面に積層され、水素を有する燃料ガスが上記電解質膜とは反対側の表面に供給される燃料電極層と、上記電解質膜の他方の面に積層され、酸素を有する酸化剤ガスが上記電解質膜とは反対側の表面に供給される酸化剤電極層とのうち、少なくとも上記酸化剤電極層の上記表面に積層される固体高分子型燃料電池の集電板であって、上記酸化剤電極層側に位置する緻密吸水層と、この緻密吸水層に積層される発泡焼結金属層とを備えてなり、上記緻密吸水層は、上記酸化剤電極層側および上記発泡焼結金属層側に開口するとともに上記酸化剤電極層側で発生した水を毛管作用により吸引可能な大きさの複数の細孔を有し、かつ上記酸化剤電極層に向かう方向に貫通する上記酸化剤ガスが通過可能で上記細孔より大径の複数の貫通孔を有しており、上記発泡焼結金属層は、上記緻密吸水層側に開口して上記貫通孔との連通がなされ、かつ少なくとも上記緻密吸水層に沿う方向に互いに連通する上記酸化剤ガスが通過可能で上記細孔より大径の複数の発泡空孔を有していることを特徴としている。
【０００９】
請求項２に記載の固体高分子型燃料電池の集電板は、請求項１に記載の発明において、上記発泡焼結金属層は、上記緻密吸水層側に開口して上記細孔との連通がなされ、かつ上記発泡空孔側に開口する上記水を毛管作用により吸引可能で上記発泡空孔および上記貫通孔より小径の複数の細孔を有しており、上記発泡焼結金属層の細孔は、当該発泡焼結金属層を構成する粉末金属の粒子間空孔によって形成されていることを特徴としている。
【００１０】
請求項３に記載の固体高分子型燃料電池の集電板は、請求項１または２に記載の発明において、上記緻密吸水層は、粉末金属を主原料とする焼結金属によって形成されており、上記緻密吸水層の細孔は、当該緻密吸水層を構成する粉末金属の粒子間空孔によって形成されていることを特徴としている。
【００１１】
請求項４に記載の固体高分子型燃料電池の集電板は、請求項１〜３の何れかに記載の発明において、上記細孔の平均孔径が０．１〜４０μｍであり、上記貫通孔および上記発泡空孔の平均孔径が０．１５〜３ｍｍであることを特徴としている。
【００１２】
請求項１〜４に記載の発明においては、電解質膜と酸化剤電極層との間に生じて酸化剤電極層の表面に流出した生成水が緻密吸水層の各細孔に吸引されることになる。この場合、緻密吸水層が酸化剤電極層に接触する面積は発泡焼結金属層をそのまま酸化剤電極層に積層させる場合に比べて広くなるので、上記生成水を効率よく緻密吸水層側に吸引することができる。
【００１３】
また、細孔が貫通孔や発泡空孔より小径のもので形成されているので、生成水が貫通孔や発泡空孔よりも細孔側に吸い寄せられることになる。このため、生成水が貫通孔や発泡空孔側に滞留するのを防止することができる。すなわち、酸化剤ガスを、発泡空孔や貫通孔を介して酸化剤電極層に確実に供給することができる。
【００１４】
しかも、発泡空孔が緻密吸水層側に開口していることから、緻密吸水層の各細孔によって吸い上げられた生成水が発泡空孔を通る酸化剤ガス中に効率よく蒸発して、当該酸化剤ガスとともに集電板から運び出されることになる。
【００１５】
したがって、生成水が酸化剤電極層内やその表面に滞留するのを防止することができるとともに、発泡空孔や貫通孔に滞留するのも防止することができるので、酸化剤ガスを発泡空孔および貫通孔を介して酸化剤電極層に確実に供給することができるとともに、当該酸化剤電極層から電解質膜側に間断なく供給することができる。よって、高出力で安定した電力を発生させることができる。
【００１６】
しかも、集電板と酸化剤電極層との接触面積が増大されることになることから、集電板と酸化剤電極層との接触抵抗を低減することができる。したがって、酸化剤電極層側の内部抵抗を低減することができるので、固体高分子型燃料電池の起電力の向上を図ることができる。
【００１７】
また、固体高分子型燃料電池を、その方向を特定せずに使用するような場合、例えば携帯電話やデジタルカメラなど、携帯用のものとして使用した場合でも、生成水を効率よく排出することができる。すなわち、固体高分子型燃料電池の使用環境によっては、酸化剤電極層の表面が斜め上方を向いたり、水平方向の上方を向いたりすることがあり得るが、このような場合でも、生成水を間断なく排出して、安定した高出力の電力を維持することができる。
【００１８】
請求項２に記載の発明においては、緻密吸水層によって効率よく吸引した生成水が発泡焼結金属層の各細孔に吸引されて、各発泡空孔側に移動することになる。この場合、各発泡空孔の表面積が極めて大きいことから、各発泡空孔まで吸い上げられた生成水は酸化剤ガスに極めて効率よく蒸発して、当該酸化剤ガスとともに集電板から運び出されることになる。
したがって、生成水が酸化剤電極層内やその表面に滞留するのを確実に防止することができるので、より高出力でかつより安定した電力を供給することができる。
【００１９】
また、発泡焼結金属層の細孔を粉末金属の粒子間空孔によって形成しているので、当該細孔を有する発泡焼結金属層のコストの低減を図ることができる。
【００２０】
請求項３に記載の発明においては、緻密吸水層が焼結金属によって形成され、当該緻密吸水層の細孔が粉末金属の粒子間空孔によって形成されているので、当該細孔を有する緻密吸水層を低コストで製造することができる。したがって、緻密吸水層のコストの低減を図ることができる。
【００２１】
請求項４に記載の発明においては、細孔の平均孔径が０．１〜４０μｍであるので、酸化剤電極層の表面に流出した生成水を毛管現象によって効率よく吸引することができる。
また、貫通孔および発泡空孔の平均孔径が０．１５〜３ｍｍであるので、酸化剤ガスが酸化剤電極層の表面に沿って流通可能になるとともに、当該酸化剤ガスを酸化剤電極層の表面に確実に供給することができる。また、発泡空孔によって適度の流体抵抗が生じることから、酸化剤ガスを所定の圧力で酸化剤電極層の表面の全体的に満遍なく供給することができる。したがって、出力の向上を図ることができる。
【００２２】
なお、細孔の平均孔径としては、０．１〜２０μｍにすることが、毛管現象による生成水の吸引性を良くする上でより好ましい。
一方、貫通孔および発泡空孔の平均孔径としては、０．２〜２ｍｍにすることが、酸化剤ガスの流通性を良くし、かつ酸化剤電極層の表面に所定の圧力の酸化剤ガスを供給する上でより好ましい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。ただし、従来例で示した構成要素と共通する要素には同一の符号を付しその説明を簡略化する。
【００２４】
この実施の形態で示す集電板６は、図１に示すように、固体高分子型燃料電池における他方のセパレータ５と空気電極層（酸化剤電極層）３との間に設置されるようになっている。
【００２５】
すなわち、固体高分子型燃料電池は、電解質膜１の一方の面に積層され、水素を有する燃料ガス（この実施の形態の場合はほぼ１００％の水素）が電解質膜１とは反対側の表面２ａに供給される水素電極層（燃料電極層）２と、電解質膜１の他方の面に積層され、酸素を有する酸化剤ガス（この実施の形態の場合は空気）が上記電解質膜１とは反対側の表面３ａに供給される空気電極層（酸化剤電極層）３とを備えている。
【００２６】
水素電極層２側には、当該水素電極層２の表面２ａに積層するように一方のセパレータ４が設置されている。
また、空気電極層３側には、当該空気電極層３の表面３ａに集電板６が積層されているとともに、この集電板６にさらに積層するようにして他方のセパレータ５が設置されている。
【００２７】
集電板６は、図１および図２に示すように、空気電極層３側に位置する緻密吸水層６１と、この緻密吸水層６１に積層される発泡焼結金属層６２とを一体に成形したもので構成されている。
【００２８】
緻密吸水層６１と発泡焼結金属層６２とを一体化するための製造方法としては、緻密吸水層６１および発泡焼結金属層６２をそれぞれ別々に成形、焼結し、それぞれの焼結体を重ね合わせた後、拡散接合等の手法により、接合することも可能である。しかしながら、好ましくは、緻密吸水層６１を成形し、その上に発泡焼結金属スラリーを塗工した後、当該スラリーを焼結等させることによって、一体成形することがよい。これにより、接合部は、連続した焼結組織を有し、電気伝導性により優れた集電板となる。
【００２９】
緻密吸水層６１は、図２に示すように、空気電極層３側および発泡焼結金属層６２側に開口するとともに空気電極層３側で発生した生成水を毛管作用により吸引可能な大きさの複数の細孔を有し、かつ空気電極層３に向かう方向に貫通する複数の貫通孔６１ａを有している。各貫通孔６１ａは、酸化剤ガスが通過可能でかつ上記細孔より大径の円形の孔によって形成されている。また、上記細孔は、各貫通孔６１ａ側にも開口している。
【００３０】
発泡焼結金属層６２は、緻密吸水層６１側に開口して貫通孔６１ａとの連通がなされているとともに、他方のセパレータ５側に開口して、溝５ａとの連通がなされ、かつ緻密吸水層６１に沿う方向および緻密吸水層６１に向かう方向等に互いに連通する複数の発泡空孔６２ａを有している。この発泡空孔６２ａは、酸化剤ガスが通過可能な大きさで上記細孔より小径のもので形成されている。
【００３１】
また、集電板６は、空気電極層３と同一の大きさの四角形の薄板状に形成されており、緻密吸水層６１の厚さが０．０２〜０．２ｍｍ、発泡焼結金属層６２の厚さが０．０３〜１．０ｍｍに形成されている。なお、この実施の形態で示す発泡空孔６２ａは、３次元方向に枝分かれするように広がる骨格６２ｂによって、四方八方に網目状に連通している。したがって、発泡空孔６２ａは、発泡焼結金属層６２の周縁部の各端面にも開口している。
【００３２】
緻密吸水層６１は、鉄基合金粉末であるステンレス鋼（本実施の形態ではＪＩＳ記号でＳＵＳ３１６Ｌを使用）粉末を原料粉末（粉末金属）とし、この原料粉末を４０〜６０重量％、水溶性樹脂バインダーとしてのメチルセルロースを５〜１５重量％、残部を水および不可避不純物とするものを混練機で混合してなる無発泡性スラリーを原料として焼結により成形されたものである。上記原料粉末は、粒径が５μｍ以下および１５μｍ以上を除いた平均粒径が１０μｍのものである。そして、上記細孔は、緻密吸水層６１を構成する原料粉末の粒子間空孔によって形成されている。
【００３３】
一方、発泡焼結金属層６２は、鉄基合金粉末であるステンレス鋼（本実施の形態ではＪＩＳ記号でＳＵＳ３１６Ｌを使用）粉末を原料粉末（粉末金属）とし、この原料粉末を４０〜６０重量％、水溶性樹脂バインダーとしてのメチルセルロースを５〜１５重量％、界面活性剤としてのアルキルベンゼンスルホン酸塩を１〜３重量％、発泡剤としてのヘキサンを０．５〜３重量％、残部を水および不可避不純物とするものを混練機で混合してなる発泡性スラリーを原料として発泡後の焼結により成形されたものである。上記原料粉末は、粒径が５μｍ以下および１５μｍ以上を除いた平均粒径が１０μｍのものである。
【００３４】
そして、発泡焼結金属層６２の骨格６２ｂには、当該発泡焼結金属層６２を構成する原料粉末の粒子間空孔からなる複数の細孔が形成されている。この細孔は、緻密吸水層６１側に開口しており、発泡焼結金属層６２が緻密吸水層６１に積層されることによって、当該緻密吸水層６１の細孔と連通がなされているととも、他方のセパレータ５側、発泡焼結金属層６２の周縁部の各端面、各発泡空孔６２ａ側に開口されている。そして、発泡焼結金属層６２の細孔は、緻密吸水層６１の細孔と同等の孔径に形成されており、上記生成水を毛管作用により吸引可能な大きさで発泡空孔６２ａおよび貫通孔６１ａより小径のもので形成されている。
【００３５】
また、上記緻密吸水層６１および発泡焼結金属層６２の細孔の平均孔径は、０．１〜４０μｍに形成され、貫通孔６１ａおよび発泡空孔６２ａの平均孔径は、０．１５〜３ｍｍに形成されている。そして、発泡焼結金属層６２全体の気孔率は、４０〜９９容量％になっている。なお、気孔率は、発泡空孔６２ａの合計容積を発泡焼結金属層６２の全容積で割ったものに１００を掛けてパーセントで表示したものである。
【００３６】
なお、図１等においては、電解質膜１等を水平方向に向けた状態のものを示しているが、通常は電解質膜１等を垂直方向に立てた状態にして使用することになる。
【００３７】
また、上記集電板６は、図３に示すドクターブレード法を用いた成形装置によって成形されるようになっている。この成形装置は、キャリヤーシート７、第１のドクターブレード８１、第２のドクターブレード８２、緻密吸水層６１の原料である無発泡性スラリーを投入する第１のホッパ９１、発泡焼結金属層６２の原料である発泡スラリーを投入する第２のホッパ９２、恒温・高湿度槽１０、第１の乾燥槽１１１、第２の乾燥槽１１２、巻き出しリール１２、巻取リール１３、支持ロール１４、１５、パンチングロール１６を備えたもので構成されている。
【００３８】
次に、上記成形装置を用いて集電板６を製造する方法を説明する。まず、第１のホッパ９１に投入した無泡性スラリーを当該第１のホッパ９１の下端開口部からキャリヤーシート７上に供給する。この際、第１のドクターブレード８１によって、無泡性スラリーを例えば０．１４ｍｍの厚さの薄板状に成形しながら、キャリヤーシート７に供給する。このようにして薄板状に形成された無泡性スラリーを、第１の乾燥度槽１１１内を通過させることにより、例えば温度５０〜７０℃、滞留時間１０分の条件下で乾燥させる。これにより、無泡性スラリーが緻密成形層６１１になる。
【００３９】
そして、上記緻密成形層６１１に、パンチングロール１６によって直径が例えば０．４２ｍｍの貫通孔を千鳥状に形成する。パンチングロール１６は、円筒ロール面から上記貫通孔を形成するための複数の針１６ａが突出したもので構成されている。
【００４０】
次に、上記貫通孔が開けられた後、キャリヤーシート７によって連続して送られてくる緻密成形層６１１の上に、第２のホッパ９２に投入されていた発泡性スラリーを当該第２のホッパ９２の下端開口部から供給する。この際、第２のドクターブレード８２によって、泡性スラリーを例えば０．２ｍｍの厚さの薄板状に成形しながら、緻密成形層６１１上に供給する。
【００４１】
そして、恒温・高湿度槽１０において、湿度が７５〜９５％、温度が３０〜４０℃、滞留時間が１０〜２０分の条件の下で発泡性スラリーをスポンジ状に発泡させる。さらに、第２の乾燥槽１１２において、温度が５０〜７０℃、滞留時間が５０〜７０分の条件の下で乾燥させることによって、０．１４ｍｍの厚さの緻密成形層６１１の上に、発泡により０．５７ｍｍの厚さとなった発泡成形層６２１を積層させる。
【００４２】
次に、上記緻密成形層６１１と発泡成形層６２１との積層板を、真空中において、５５０〜６５０℃、２５〜３５分の条件の下で、バインダー成分を除去する脱脂を行い、さらに真空中で、１２００〜１３００℃、６０〜１２０分の条件の下で焼結することにより、緻密吸水層６１の厚さが０．１ｍｍ、発泡焼結金属層６２の厚さが０．４ｍｍ、貫通孔６１ａの直径が０．６ｍｍの層状燒結金属板が得られる。
【００４３】
この層状焼成金属板を所定の大きさに切断することにより、緻密吸水層６１と発泡焼結金属層６２とが層状に一体に形成された集電板６が製造されることになる。なお、上記切断は、発泡空孔６２ａ等をそのまま維持した状態で開口させるため、放電加工によって行うことが好ましい。
そして、得られた集電板６は、緻密吸水層６１および発泡焼結金属層６２の細孔に対して毛管作用を確実に発揮させる目的で、室温において、約３〜１０％塩酸水溶液中で７〜１３分間酸洗処理を行う。酸洗処理の代わりに、紫外光やプラズマを照射してもよい。これにより、固体高分子型燃料電池に設置すべき集電板６が完成する。
【００４４】
上記のように構成された固体高分子型燃料電池においては、一方のセパレータ４における溝４ａの一端部に供給された水素が当該溝４ａ内を流れるとともに、当該溝４ａの他端部から流出する。これによって、水素電極層２の表面２ａの全体に水素が供給されることになることから、水素イオンが水素電極層２から電解質膜１を通って空気電極層３側に効率よく移動する。
【００４５】
一方、他方のセパレータ５における溝５ａの一端部に供給された空気は、当該溝５ａ内を通って溝５ａの他端部に流れ、当該他端部から排出される。これによって、空気が集電板６の表面の全体にわたって供給されるとともに、集電板６における発泡空孔６２ａおよび貫通孔６１ａを介して、空気電極層３の表面３ａの全体的に供給されることになる。また、集電板６内に供給された空気は、緻密吸水層６１に沿って流通した後、上記溝５ａの他端部から流出することになる。
【００４６】
そして、空気電極層３の表面３ａに供給された空気は、当該多孔質の空気電極層３内を電解質膜１側に移動する。このため、上述した（２）式の電気化学反応によって生成水が生じるとともに、この生成水が空気電極層３の毛管現象によって表面３ａ側に移動することになる。
【００４７】
そうすると、集電板６は、空気電極層３の表面３ａに移動した生成水を緻密吸水層６１における細孔の毛管作用によって吸引することになる。この場合、緻密吸水層６１が空気電極層３に接触する面積は発泡焼結金属層６２をそのまま空気電極層３に積層させる場合に比べて広くなるので、上記生成水を効率よく緻密吸水層６１側に吸引することができる。
【００４８】
そして、発泡空孔６２ａには空気が流通し、各発泡空孔６２ａが緻密吸水層６１側に開口していることから、緻密吸水層６１に吸引された生成水が発泡空孔６２ａ内を通る空気中に効率よく蒸発して、当該空気とともに集電板６から運び出されることになる。
【００４９】
また、緻密吸水層６１に吸引された生成水の一部は、発泡焼結金属層６２の細孔に吸引されて各発泡空孔６２ａまで移動することになる。この場合、各発泡空孔６２ａの表面積が極めて大きいことから、各発泡空孔６２ａまで吸い上げられた生成水は空気中に極めて効率よく蒸発して、当該空気とともに集電板６から運び出されることになる。
【００５０】
さらに、緻密吸水層６１および発泡焼結金属層６２の細孔が貫通孔６１ａや発泡空孔６２ａより小径に形成されていることから、生成水が貫通孔６１ａや発泡空孔６２ａより細孔側に吸い寄せられることになる。すなわち、生成水が貫通孔６１ａや発泡空孔６２ａに滞留することがなくなる。
【００５１】
したがって、生成水が空気電極層３内やその表面３ａに滞留するのを防止することができるとともに、発泡空孔６２ａや貫通孔６１ａに滞留するのも防止することができるので、発泡空孔６２ａおよび貫通孔６１ａを介して供給された空気中の酸素を空気電極層３から電解質膜１側に間断なく供給することができる。よって、高出力で安定した電力を発生させることができる。
【００５２】
しかも、緻密吸水層６１によって、集電板６と空気電極層３との接触面積が増大されることになることから、集電板６と空気電極層３との接触抵抗を低減することができる。したがって、空気電極層３側の内部抵抗を低減することができるので、固体高分子型燃料電池の起電力の向上を図ることができる。
【００５３】
また、固体高分子型燃料電池を、その方向を特定せずに使用するような場合、例えば携帯電話やデジタルカメラなど、携帯用のものとして使用した場合でも、生成水を効率よく排出することができる。すなわち、固体高分子型燃料電池の使用環境によっては、空気電極層３の表面３ａが斜め上方を向いたり、水平方向の上方を向いたりすることがあり得るが、このような場合でも、生成水を間断なく排出して、安定した高出力の電力を維持することができる。
【００５４】
さらに、緻密吸水層６１および発泡焼結金属層６２の細孔の平均孔径が０．１〜４０μｍであるので、空気電極層３の表面に流出した生成水を毛管現象によって効率よく吸引することができる。
しかも、貫通孔６１ａおよび発泡空孔６２ａの平均孔径が０．１５〜３ｍｍであるので、空気が空気電極層３の表面に沿って流通可能になるとともに、当該空気を空気電極層３の表面３ａに効率よく供給することができる。また、発泡空孔６２ａによって適度の流体抵抗が生じることから、空気を所定の圧力で空気電極層３の表面３ａの全体に供給することができる。したがって、出力の向上を図ることができる。
【００５５】
なお、発泡焼結金属層６２を製造するために用いた原料粉末は４５〜５５重量％、メチルセルロースは７．５〜１２．５重量％、アルキルベンゼンスルホン酸塩は１．５〜２．５重量％、ヘキサンは１〜２重量％とすることがより好ましい。また、原料粉末は、粒径が５μｍ以下および１５μｍ以上を除いた平均粒径が１０μｍとすることがより好ましい。
【００５６】
また、緻密吸水層６１および発泡焼結金属層６２の細孔の平均孔径としては、０．１〜２０μｍにすることが、毛管現象による生成水の吸引性を良くする上でより好ましい。
一方、貫通孔６１ａおよび発泡空孔６２ａの平均孔径としては、０．２〜２ｍｍにすることが、空気の流通性を良くし、かつ空気電極層３の表面３ａに所定の圧力の空気を供給する上でより好ましい。そして、発泡焼結金属層６２の気孔率は、６０〜９８容量％にすることが、より好ましい。
【００５７】
また、上記実施の形態においては、緻密吸水層６１および発泡焼結金属層６２の製造に当たって、鉄基合金粉末であるステンレス鋼粉末を原料粉末として用いた例を示したが、この原料粉末としては、耐食性の良い金属およびその合金、例えばニッケル基耐食合金の粉末等を用いたものであってもよい。
【００５８】
一方、集電板６は、図４に示すように、緻密吸水層６１を水素電極層２の表面２ａに向けた状態で、水素電極層２と一方のセパレータ４との間に積層させるようにして設置してもよい。この場合には、水素とともに供給した水を緻密吸水層６１を介して水素電極層２に供給し、当該多孔質の水素電極層２を適度に湿潤させることができるので、水素イオンを効率よく発生させることができる。また、集電板６と水素電極層２との接触抵抗の低減も図ることができる。したがって、固体高分子型燃料電池の出力の向上を図ることができる。
【００５９】
また、水素や空気を、それぞれセパレータ４、５の溝４ａ、５ａの一端部に供給して他端部から排出するように構成したが、当該水素や空気を、図５に示すように、集電板６における一方の端面に供給して、各電極層２、３の表面２ａ、３ａに沿って移動させ、当該一方の端面とは反対側に位置する他方の端面から排出するように構成してもよい。
【００６０】
この場合には、空気が集電板６内を空気電極層３の表面３ａに沿って一定の方向に流れるので、生成水を発泡空孔６２ａ等を介して効率よく排出することができる。また、この場合、セパレータ４、５における溝４ａ、５ａが不要になることから、当該セパレータ４、５の製造コストの低減を図ることができる。
【００６１】
【実施例】
次に、上述した集電板６と空気電極層３との接触抵抗に関する実験を行ったので以下に示す。
１．実験条件
実験は、図６に示す装置を用いて行った。
すなわち、空気電極層３の上下に集電板６を積層し、さらにその上下にセパレータ４、５を積層して、これらが互いに３ＭＰａとなるような面圧で密着するように荷重を加えた。そして、セパレータ４、５の間に定電流（１５Ａ）を流し、各セパレータ４、５間の電圧を測定することによって、各セパレータ４、５間の抵抗Ｒを測定した。
上記抵抗Ｒは概ね次の式で表すことができる。
Ｒ＝Ｒ１×２＋Ｒ２＋Ｒ３×２＋Ｒ４×２＋Ｒ５×２
【００６２】
なお、Ｒ１は集電板６の体積抵抗、Ｒ２は空気電極３の体積抵抗、Ｒ３はセパレータ４（または５）の体積抵抗、Ｒ４は空気電極層３と集電板６との界面での抵抗、Ｒ５は集電板６とセパレータ４（または５）との界面での抵抗である。
ここで、Ｒ１、Ｒ２は、別途測定が可能であり、Ｒ３は、他の抵抗成分に比べて極めて小さいので無視できる。
したがって、上記抵抗Ｒを検出することによって、Ｒ４＋Ｒ５が求まる。これは、空気電極層３と集電板６との界面での抵抗と、セパレータ４（または５）と集電板６との界面での抵抗の和に相当する。
接触抵抗は、界面での抵抗値に測定面積を乗じた［Ω・ｃｍ^２］値が一般的に用いられるため、（Ｒ４＋Ｒ５）に測定面積を乗じ、優劣を比較する。
【００６３】

【００６４】
実施例における集電板６は、
緻密吸水層６１：厚さ×縦×横＝０．０５×３０×３０ｍｍ
発泡焼結金属層６２：厚さ×縦×横＝０．１×３０×３０ｍｍ
である。
なお、実施例における集電板６は緻密吸水層６１を空気電極層３側に向けて設置した。
比較例における集電板６は、
緻密吸水層６１：無し
発泡焼結金属層６２：厚さ×縦×横＝０．１５×３０×３０ｍｍ
である。
【００６５】
２．実験結果
実験結果を表１に示す。なお、表１中の接触抵抗は、上記（Ｒ４＋Ｒ５）に測定面積を乗じて得たものである。
【表１】

【００６６】
３．考察
上記表１に示す通り、緻密吸水層６１を有する集電板６を用いた実施例は当該緻密吸水層６１の無い集電板６を用いた比較例より接触抵抗が小さくなることが確認できた。すなわち、緻密吸水層６１と発泡焼結金属層６２とを備えた集電板６を用いることによって、空気電極層３と集電板６との間の接触抵抗と、セパレータ４（または５）と集電板６との接触抵抗の和を低減することができる。なお、実施例において、空気電極層３と集電板６との間の接触抵抗と、セパレータ４（または５）と集電板６との接触抵抗との内訳を測定することは難しいが、前者の方が小さくなっていると容易に推測される。
【００６７】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１〜４に記載の発明によれば、生成水が酸化剤電極層内やその表面に滞留するのを防止することができるとともに、発泡空孔や貫通孔に滞留するのも防止することができるので、酸化剤ガスを発泡空孔および貫通孔を介して酸化剤電極層に確実に供給することができるとともに、当該酸化剤電極層から電解質膜側に間断なく供給することができる。よって、高出力で安定した電力を発生させることができる。
【００６８】
しかも、集電板と酸化剤電極層との接触面積が増大されることになることから、集電板と酸化剤電極層との接触抵抗を低減することができる。したがって、酸化剤電極層側の内部抵抗を低減することができるので、固体高分子型燃料電池の起電力の向上を図ることができる。
【００６９】
また、固体高分子型燃料電池を、その方向を特定せずに使用するような場合、例えば携帯電話やデジタルカメラなど、携帯用のものとして使用した場合でも、生成水を効率よく排出することができる。すなわち、固体高分子型燃料電池の使用環境によっては、酸化剤電極層の表面が斜め上方を向いたり、水平方向の上方を向いたりすることがあり得るが、このような場合でも、生成水を間断なく排出して、安定した高出力の電力を維持することができる。
【００７０】
請求項２に記載の発明によれば、緻密吸水層によって効率よく吸引した生成水が発泡焼結金属層の各細孔に吸引されて、各発泡空孔側に移動することになる。この場合、各発泡空孔の表面積が極めて大きいことから、各発泡空孔まで吸い上げられた生成水は酸化剤ガスに極めて効率よく蒸発して、当該酸化剤ガスとともに集電板から運び出されることになる。
したがって、生成水が酸化剤電極層内やその表面に滞留するのを確実に防止することができるので、より高出力でかつより安定した電力を供給することができる。
【００７１】
また、発泡焼結金属層の細孔を粉末金属の粒子間空孔によって形成しているので、当該細孔を有する発泡焼結金属層のコストの低減を図ることができる。
【００７２】
請求項３に記載の発明によれば、緻密吸水層が焼結金属によって形成され、当該緻密吸水層の細孔が粉末金属の粒子間空孔によって形成されているので、当該細孔を有する緻密吸水層を低コストで製造することができる。したがって、緻密吸水層のコストの低減を図ることができる。
【００７３】
請求項４に記載の発明においては、細孔の平均孔径が０．１〜４０μｍであるので、酸化剤電極層の表面に流出した生成水を毛管現象によって効率よく吸引することができる。
また、貫通孔および発泡空孔の平均孔径が０．１５〜３ｍｍであるので、酸化剤ガスが酸化剤電極層の表面に沿って流通可能になるとともに、当該酸化剤ガスを酸化剤電極層の表面に確実に供給することができる。また、発泡空孔によって適度の流体抵抗が生じることから、酸化剤ガスを所定の圧力で酸化剤電極層の表面の全体的に満遍なく供給することができる。したがって、出力の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施の形態としての集電板を備えた固体高分子型燃料電池の単位セルを示す断面図である。
【図２】同集電板の要部を示す説明図である。
【図３】同集電板の成形装置を示す説明図である。
【図４】同集電板を用いた他の固体高分子型燃料電池の単位セルを示す断面図である。
【図５】同集電板を用いたさらに他の固体高分子型燃料電池の単位セルを示す断面図である。
【図６】同集電板の効果を実験するために用いた装置の概念図である。
【図７】従来の固体高分子型燃料電池の単位セルを示す断面図である。
【図８】同固体高分子型燃料電池の原理を示す説明図である。
【符号の説明】
１電解質膜
２水素電極層（燃料電極層）
２ａ表面
３空気電極層（酸化剤電極層）
３ａ表面
６集電板
６１緻密吸水層
６１ａ貫通孔
６２発泡焼結金属層
６２ａ発泡空孔[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a current collector plate of a polymer electrolyte fuel cell that is laminated on at least an oxidant electrode layer among a fuel electrode layer and an oxidant electrode layer laminated on both sides of an electrolyte membrane. The present invention relates to a current collector plate suitable for batteries for portable devices such as telephones and digital cameras.
[0002]
[Prior art]
As this type of polymer electrolyte fuel cell, for example, as shown in FIG. 7, a hydrogen electrode layer (fuel electrode layer) 2 and an air electrode layer (oxidant electrode layer) 3 are formed on both sides of a solid polymer electrolyte membrane 1. Of a stack structure in which a unit cell is provided with

separators

4 and 5 disposed along the outer surfaces of the hydrogen electrode layer 2 and the air electrode layer 3, respectively. It has been known.
[0003]
The electrolyte membrane 1 is made of, for example, a thickness of about 0.1 mm.
As shown in FIG. 8, the hydrogen electrode layer 2 and the air electrode layer 3 are formed of porous carbon paper having Pt-supported carbon black A as a catalyst.
[0004]
As shown in FIG. 7, a groove 4 a for supplying fuel gas (having hydrogen) to the entire surface of the hydrogen electrode layer 2 is formed in one separator 4, and an oxidation is provided in the other separator 5. A groove 5a for supplying the agent gas (having oxygen) to the entire surface of the air electrode layer 3 is formed. As the fuel gas, for example, almost 100% hydrogen is used, and as the oxidant gas, for example, air is used.
In the polymer electrolyte fuel cell configured as described above, electricity can be produced by a chemical reaction as shown in FIG. Hydrogen as fuel (H ₂ ) Is a hydrogen ion (H) due to the action of the catalyst A on the hydrogen electrode layer 2 side. ⁺ ) And electrons (e ^- ). That is,
H ₂ → 2H ⁺ + 2e ^- ... (1)
It becomes.
[0005]
The hydrogen ions move in the electrolyte membrane 1 to the air electrode layer 3 side, and are used for reduction of oxygen supplied to the air electrode layer 3 together with electrons supplied from the external electric circuit by the action of the catalyst A. That is,
1 / 2O ₂ + 2H ⁺ + 2e ^- → H ₂ O ... (2)
Then, water is produced (hereinafter, this water is referred to as produced water). Then, since electrons on the hydrogen electrode layer 2 side flow to the air electrode layer 3 side through an external load, for example, this can be used as electric energy.
The electrochemical reaction occurs mainly at the boundary between the electrolyte membrane 1 and the air electrode layer 3.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the polymer electrolyte fuel cell, when the operation is continuously performed, the generated water covers the surface of the air electrode 3 as a liquid film, and oxygen is not easily supplied to the electrolyte membrane 1. Become. For this reason, there exists a problem that an electromotive force falls rapidly.
[0007]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and is a current collector for a polymer electrolyte fuel cell capable of generating high power and stable power by efficiently removing generated water from the oxidant electrode layer. The challenge is to provide a board.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, the current collector plate of the polymer electrolyte fuel cell according to claim 1 is laminated on one surface of the electrolyte membrane, and the fuel gas containing hydrogen is on the surface opposite to the electrolyte membrane. At least among the fuel electrode layer supplied to the electrolyte membrane and the oxidizer electrode layer stacked on the other surface of the electrolyte membrane and supplied with an oxygen-containing oxidant gas on the surface opposite to the electrolyte membrane. A current collector plate of a polymer electrolyte fuel cell laminated on the surface of the oxidant electrode layer, the dense water-absorbing layer located on the oxidant electrode layer side, and the foamed sintered laminated on the dense water-absorbent layer The dense water-absorbing layer is open to the oxidant electrode layer side and the foamed sintered metal layer side and has a size capable of sucking water generated on the oxidant electrode layer side by capillary action. A plurality of pores, and the oxidant electrode layer The oxidant gas penetrating in this direction can pass through and has a plurality of through-holes larger in diameter than the pores, and the foamed sintered metal layer opens to the dense water-absorbing layer side and opens the through-holes. And the oxidant gas communicating with each other at least in the direction along the dense water-absorbing layer can pass therethrough and has a plurality of foaming pores larger in diameter than the pores.
[0009]
The current collector plate of the polymer electrolyte fuel cell according to claim 2 is the invention according to claim 1, wherein the foamed sintered metal layer opens to the dense water absorption layer side and communicates with the pores. And the water that opens to the side of the foamed pores can be sucked by capillary action and has a plurality of pores smaller in diameter than the foamed pores and the through-holes. The holes are characterized by being formed by intergranular pores of the powder metal constituting the foam sintered metal layer.
[0010]
The current collecting plate of the polymer electrolyte fuel cell according to claim 3 is the invention according to

claim

1 or 2, wherein the dense water-absorbing layer is formed of a sintered metal whose main material is powder metal. The pores of the dense water-absorbing layer are characterized by being formed by pores between powder metal particles constituting the dense water-absorbing layer.
[0011]
The collector plate of the polymer electrolyte fuel cell according to claim 4 is the invention according to any one of claims 1 to 3, wherein the pores have an average pore diameter of 0.1 to 40 μm, and the through holes And the average hole diameter of the said foaming void | hole is 0.15-3 mm, It is characterized by the above-mentioned.
[0012]
In the inventions according to claims 1 to 4, the generated water generated between the electrolyte membrane and the oxidant electrode layer and flowing out to the surface of the oxidant electrode layer is sucked into each pore of the dense water absorption layer. Become. In this case, the area where the dense water-absorbing layer is in contact with the oxidant electrode layer is larger than when the foamed sintered metal layer is laminated on the oxidant electrode layer as it is, so that the generated water is efficiently sucked toward the dense water-absorbing layer. can do.
[0013]
In addition, since the pores are formed with a smaller diameter than the through holes and the foam holes, the generated water is sucked closer to the pores than the through holes and the foam holes. For this reason, it is possible to prevent the generated water from staying on the through hole or the foaming hole side. That is, the oxidant gas can be reliably supplied to the oxidant electrode layer through the foaming holes and the through holes.
[0014]
In addition, since the foaming holes are opened to the dense water-absorbing layer side, the generated water sucked up by the pores of the dense water-absorbing layer is efficiently evaporated into the oxidant gas passing through the foaming pores, and the oxidation It will be carried out of the current collector plate together with the agent gas.
[0015]
Therefore, the generated water can be prevented from staying in or on the surface of the oxidant electrode layer, and can also be prevented from staying in the foaming holes or through holes. In addition, it can be reliably supplied to the oxidant electrode layer through the through-hole, and can be supplied without interruption from the oxidant electrode layer to the electrolyte membrane side. Therefore, high power and stable power can be generated.
[0016]
Moreover, since the contact area between the current collector plate and the oxidant electrode layer is increased, the contact resistance between the current collector plate and the oxidant electrode layer can be reduced. Therefore, since the internal resistance on the oxidant electrode layer side can be reduced, the electromotive force of the solid polymer fuel cell can be improved.
[0017]
Also, when the polymer electrolyte fuel cell is used without specifying its direction, for example, when it is used as a portable device such as a mobile phone or a digital camera, the generated water can be efficiently discharged. it can. In other words, depending on the usage environment of the polymer electrolyte fuel cell, the surface of the oxidant electrode layer may be directed obliquely upward or horizontally upward. It is possible to discharge without interruption and maintain stable high output power.
[0018]
In the invention according to the second aspect, the generated water efficiently sucked by the dense water-absorbing layer is sucked into each pore of the foamed sintered metal layer and moved to each foaming hole side. In this case, since the surface area of each foaming hole is extremely large, the generated water sucked up to each foaming hole evaporates very efficiently into the oxidant gas and is carried out of the current collector plate together with the oxidant gas. Become.
Accordingly, it is possible to reliably prevent the generated water from staying in or on the surface of the oxidant electrode layer, so that higher output and more stable power can be supplied.
[0019]
Moreover, since the pores of the foamed sintered metal layer are formed by the inter-particle voids of the powder metal, the cost of the foamed sintered metal layer having the pores can be reduced.
[0020]
In the invention according to claim 3, since the dense water-absorbing layer is formed of a sintered metal, and the pores of the dense water-absorbing layer are formed by the interparticle pores of the powder metal, the dense water-absorbing layer having the pores The layer can be manufactured at low cost. Therefore, the cost of the dense water absorbing layer can be reduced.
[0021]
In the fourth aspect of the invention, since the average pore diameter is 0.1 to 40 μm, the generated water that has flowed out to the surface of the oxidant electrode layer can be efficiently sucked by capillary action.
Moreover, since the average hole diameter of the through hole and the foaming hole is 0.15 to 3 mm, the oxidant gas can flow along the surface of the oxidant electrode layer, and the oxidant gas is allowed to flow through the oxidant electrode layer. It can be reliably supplied to the surface. In addition, since moderate fluid resistance is generated by the foaming pores, the oxidant gas can be supplied uniformly over the entire surface of the oxidant electrode layer at a predetermined pressure. Therefore, the output can be improved.
[0022]
In addition, it is more preferable that the average pore diameter of the pores is 0.1 to 20 μm in order to improve the suction of generated water due to capillary action.
On the other hand, the average pore diameter of the through holes and the foamed pores is set to 0.2 to 2 mm to improve the flowability of the oxidant gas and oxidant gas at a predetermined pressure is applied to the surface of the oxidant electrode layer. It is more preferable in supplying.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, elements common to the constituent elements shown in the conventional example are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is simplified.
[0024]
As shown in FIG. 1, the current collector plate 6 shown in this embodiment is disposed between the other separator 5 and the air electrode layer (oxidant electrode layer) 3 in the solid polymer fuel cell. It has become.
[0025]
That is, the polymer electrolyte fuel cell is laminated on one surface of the electrolyte membrane 1, and the fuel gas containing hydrogen (in this embodiment, almost 100% hydrogen) is on the surface opposite to the electrolyte membrane 1. A hydrogen electrode layer (fuel electrode layer) 2 supplied to 2a and an oxidant gas (air in this embodiment) which is laminated on the other surface of the electrolyte membrane 1 and has the above-mentioned electrolyte membrane 1 And an air electrode layer (oxidant electrode layer) 3 supplied to the surface 3a on the opposite side.
[0026]
On the hydrogen electrode layer 2 side, one separator 4 is disposed so as to be laminated on the surface 2 a of the hydrogen electrode layer 2.
On the air electrode layer 3 side, a current collector plate 6 is laminated on the surface 3 a of the air electrode layer 3, and the other separator 5 is installed so as to be further laminated on the current collector plate 6. Yes.
[0027]
As shown in FIGS. 1 and 2, the current collector plate 6 is integrally formed with a dense water-absorbing layer 61 positioned on the air electrode layer 3 side and a foamed sintered metal layer 62 laminated on the dense water-absorbing layer 61. Is made up of.
[0028]
As a manufacturing method for integrating the dense water-absorbing layer 61 and the foamed sintered metal layer 62, the dense water-absorbing layer 61 and the foamed sintered metal layer 62 are separately molded and sintered. After superposition, it is also possible to join by a technique such as diffusion bonding. However, preferably, the dense water-absorbing layer 61 is formed, and after the foamed sintered metal slurry is applied thereon, the slurry is sintered and the like is integrally formed. Thereby, a joined part has a continuous sintered structure and becomes a current collector plate that is more excellent in electrical conductivity.
[0029]
As shown in FIG. 2, the dense water-absorbing layer 61 opens to the air electrode layer 3 side and the foamed sintered metal layer 62 side and has a size capable of sucking generated water generated on the air electrode layer 3 side by capillary action. It has a plurality of through holes 61 a that have a plurality of pores and penetrate in the direction toward the air electrode layer 3. Each through hole 61a is formed by a circular hole through which the oxidant gas can pass and which has a larger diameter than the above-mentioned pore. The fine holes are also opened on the side of each through hole 61a.
[0030]
The foamed sintered metal layer 62 opens to the dense water absorbing layer 61 side and communicates with the through-hole 61a, and opens to the other separator 5 side to communicate with the groove 5a and dense water absorbing layer. It has a plurality of foaming holes 62 a communicating with each other in the direction along the layer 61 and the direction toward the dense water-absorbing layer 61. The foaming holes 62a are formed with a size that allows the oxidant gas to pass therethrough and a smaller diameter than the pores.
[0031]
The current collecting plate 6 is formed in a rectangular thin plate shape having the same size as the air electrode layer 3, the dense water absorbing layer 61 has a thickness of 0.02 to 0.2 mm, and the foam sintered metal layer 62. Is formed in a thickness of 0.03 to 1.0 mm. It should be noted that the foam holes 62a shown in this embodiment are connected in a mesh shape in all directions by a skeleton 62b that spreads so as to branch in a three-dimensional direction. Therefore, the foam holes 62 a are also opened at the respective end faces of the peripheral edge portion of the foam sintered metal layer 62.
[0032]
The dense water-absorbing layer 61 is made of stainless steel (in this embodiment, SUS316L is used as a JIS symbol) powder as raw material powder (powder metal), and this raw material powder is 40 to 60% by weight, water-soluble resin. It is formed by sintering using as a raw material an unfoamable slurry obtained by mixing 5 to 15% by weight of methylcellulose as a binder and the balance of water and inevitable impurities with a kneader. The raw material powder has an average particle diameter of 10 μm excluding 5 μm or less and 15 μm or more. The pores are formed by interparticle pores of the raw material powder that constitutes the dense water-absorbing layer 61.
[0033]
On the other hand, the sintered foam metal layer 62 is made of an iron-based alloy powder, stainless steel (in this embodiment, SUS316L is used as a JIS symbol) powder as raw material powder (powder metal), and this raw material powder is 40 to 60% by weight. 5 to 15% by weight of methylcellulose as a water-soluble resin binder, 1 to 3% by weight of alkylbenzene sulfonate as a surfactant, 0.5 to 3% by weight of hexane as a foaming agent, the balance being water and inevitable It is formed by sintering after foaming using a foamable slurry obtained by mixing impurities as a starting material. The raw material powder has an average particle diameter of 10 μm excluding 5 μm or less and 15 μm or more.
[0034]
In the skeleton 62 b of the foamed sintered metal layer 62, a plurality of pores made up of interparticle pores of the raw material powder constituting the foamed sintered metal layer 62 are formed. The pores are open to the dense water-absorbing layer 61 side, and the foamed sintered metal layer 62 is stacked on the dense water-absorbing layer 61 to communicate with the pores of the dense water-absorbing layer 61. The other separator 5 side, each end face of the peripheral portion of the foam sintered metal layer 62, and each foam hole 62a side are opened. The pores of the foamed sintered metal layer 62 are formed to have the same diameter as the pores of the dense water-absorbing layer 61, and the foamed pores 62a and the through-holes are sized to suck the generated water by capillary action. It is formed with a smaller diameter than 61a.
[0035]
Moreover, the average pore diameter of the fine water-absorbing layer 61 and the foamed sintered metal layer 62 is 0.1 to 40 μm, and the average pore diameter of the through hole 61a and the foamed pore 62a is 0.15 to 3 mm. Is formed. And the porosity of the foam sintering metal layer 62 whole is 40-99 volume%. The porosity is expressed as a percentage by multiplying 100 by the total volume of the foam voids 62a divided by the total volume of the foam sintered metal layer 62.
[0036]
1 and the like show a state in which the electrolyte membrane 1 and the like are oriented in the horizontal direction, but usually the electrolyte membrane 1 and the like are used in a state in which they are erected in the vertical direction.
[0037]
The current collector plate 6 is formed by a forming apparatus using a doctor blade method shown in FIG. This molding apparatus includes a carrier sheet 7, a first doctor blade 81, a second doctor blade 82, a first hopper 91 for introducing a non-foaming slurry as a raw material of the dense water-absorbing layer 61, and a foamed sintered metal layer 62. A second hopper 92, a constant temperature and high humidity tank 10, a first drying tank 111, a second drying tank 112, an unwinding reel 12, a take-up reel 13, a

support roll

14, 15 and a punching roll 16.
[0038]
Next, a method for manufacturing the current collector plate 6 using the molding apparatus will be described. First, the non-foamed slurry charged into the first hopper 91 is supplied onto the carrier sheet 7 from the lower end opening of the first hopper 91. At this time, the first doctor blade 81 supplies the non-foamed slurry to the carrier sheet 7 while forming it into a thin plate having a thickness of, for example, 0.14 mm. The non-foamed slurry thus formed in a thin plate shape is dried under conditions of, for example, a temperature of 50 to 70 ° C. and a residence time of 10 minutes by passing through the first dryness tank 111. Thereby, the non-foamed slurry becomes the densely formed layer 611.
[0039]
Then, through holes having a diameter of, for example, 0.42 mm are formed in a staggered pattern in the dense molding layer 611 by the punching roll 16. The punching roll 16 is composed of a plurality of needles 16a protruding from the cylindrical roll surface to form the through holes.
[0040]
Next, after the through hole is opened, the foamable slurry that has been put in the second hopper 92 is put on the dense molding layer 611 continuously fed by the carrier sheet 7. It supplies from the lower end opening part of 92. At this time, the foaming slurry is supplied onto the dense molding layer 611 while being formed into a thin plate having a thickness of 0.2 mm, for example, by the second doctor blade 82.
[0041]
Then, in the constant temperature / high humidity tank 10, the foamable slurry is foamed in a sponge shape under conditions of a humidity of 75 to 95%, a temperature of 30 to 40 ° C., and a residence time of 10 to 20 minutes. Furthermore, in the second drying tank 112, foaming is performed on the dense molding layer 611 having a thickness of 0.14 mm by drying under conditions of a temperature of 50 to 70 ° C. and a residence time of 50 to 70 minutes. Thus, the foam molding layer 621 having a thickness of 0.57 mm is laminated.
[0042]
Next, the laminated plate of the dense molding layer 611 and the foam molding layer 621 is degreased to remove the binder component under conditions of 550 to 650 ° C. and 25 to 35 minutes in vacuum, and further in vacuum By sintering under conditions of 1200 to 1300 ° C. and 60 to 120 minutes, the dense water-absorbing layer 61 has a thickness of 0.1 mm, the foamed sintered metal layer 62 has a thickness of 0.4 mm, and a through hole A layered sintered metal plate having a diameter of 61a of 0.6 mm is obtained.
[0043]
By cutting the layered fired metal plate into a predetermined size, the current collector plate 6 in which the dense water-absorbing layer 61 and the foamed sintered metal layer 62 are integrally formed in a layer shape is manufactured. The above cutting is preferably performed by electric discharge machining in order to open the foamed holes 62a and the like while maintaining them as they are.
The obtained current collecting plate 6 is used in an aqueous solution of about 3 to 10% hydrochloric acid at room temperature for the purpose of surely exerting the capillary action on the pores of the dense water absorbing layer 61 and the foamed sintered metal layer 62. Pickling treatment is performed for 7 to 13 minutes. Instead of the pickling treatment, ultraviolet light or plasma may be irradiated. Thereby, the current collector plate 6 to be installed in the polymer electrolyte fuel cell is completed.
[0044]
In the polymer electrolyte fuel cell configured as described above, hydrogen supplied to one end of the groove 4a in one separator 4 flows in the groove 4a and flows out from the other end of the groove 4a. . As a result, hydrogen is supplied to the entire surface 2a of the hydrogen electrode layer 2, so that hydrogen ions efficiently move from the hydrogen electrode layer 2 through the electrolyte membrane 1 to the air electrode layer 3 side.
[0045]
On the other hand, the air supplied to one end of the groove 5a in the other separator 5 flows through the groove 5a to the other end of the groove 5a and is discharged from the other end. As a result, air is supplied over the entire surface of the current collector plate 6, and is also supplied to the entire surface 3 a of the air electrode layer 3 through the foaming holes 62 a and the through holes 61 a in the current collector plate 6. It will be. Further, the air supplied into the current collector plate 6 flows along the dense water absorption layer 61 and then flows out from the other end of the groove 5a.
[0046]
And the air supplied to the surface 3a of the air electrode layer 3 moves in the porous air electrode layer 3 to the electrolyte membrane 1 side. For this reason, generated water is generated by the electrochemical reaction of the above-described formula (2), and the generated water moves to the surface 3 a side by capillary action of the air electrode layer 3.
[0047]
Then, the current collector 6 sucks the generated water that has moved to the surface 3 a of the air electrode layer 3 by the capillary action of the pores in the dense water absorption layer 61. In this case, the area where the dense water-absorbing layer 61 contacts the air electrode layer 3 is larger than the case where the foamed sintered metal layer 62 is laminated on the air electrode layer 3 as it is. Can be sucked to the side.
[0048]
And since air flows through the foaming holes 62a and each foaming hole 62a is open to the dense water absorbing layer 61, the generated water sucked into the dense water absorbing layer 61 passes through the inside of the foaming holes 62a. It efficiently evaporates into the air and is carried out of the current collector plate 6 together with the air.
[0049]
A part of the generated water sucked into the dense water-absorbing layer 61 is sucked into the pores of the foam sintered metal layer 62 and moves to the respective foam holes 62a. In this case, since the surface area of each foaming hole 62a is extremely large, the generated water sucked up to each foaming hole 62a evaporates very efficiently into the air and is carried out of the current collector plate 6 together with the air. Become.
[0050]
Furthermore, since the fine water-absorbing layer 61 and the foamed sintered metal layer 62 have pores smaller in diameter than the through-holes 61a and the foamed pores 62a, the generated water is closer to the pores than the through-holes 61a and the foamed pores 62a. Will be sucked into. That is, the generated water does not stay in the through hole 61a or the foaming hole 62a.
[0051]
Therefore, the generated water can be prevented from staying in the air electrode layer 3 or the surface 3a thereof, and can also be prevented from staying in the foaming holes 62a and the through holes 61a. And oxygen in the air supplied through the through-hole 61a can be supplied from the air electrode layer 3 to the electrolyte membrane 1 side without interruption. Therefore, high power and stable power can be generated.
[0052]
In addition, since the contact area between the current collector plate 6 and the air electrode layer 3 is increased by the dense water absorbing layer 61, the contact resistance between the current collector plate 6 and the air electrode layer 3 can be reduced. . Therefore, since the internal resistance on the air electrode layer 3 side can be reduced, the electromotive force of the polymer electrolyte fuel cell can be improved.
[0053]
Also, when the polymer electrolyte fuel cell is used without specifying its direction, for example, when it is used as a portable device such as a mobile phone or a digital camera, the generated water can be efficiently discharged. it can. That is, depending on the use environment of the polymer electrolyte fuel cell, the surface 3a of the air electrode layer 3 may face obliquely upward or horizontally upward, but even in such a case, the generated water Can be discharged without interruption, and stable high output power can be maintained.
[0054]
Furthermore, since the average pore diameter of the fine water-absorbing layer 61 and the foamed sintered metal layer 62 is 0.1 to 40 μm, the generated water that has flowed out to the surface of the air electrode layer 3 can be efficiently sucked by capillary action. it can.
And since the average hole diameter of the through-hole 61a and the foaming void | hole 62a is 0.15-3 mm, while being able to distribute | circulate along the surface of the air electrode layer 3, the said air is made into the surface 3a of the air electrode layer 3. Can be supplied efficiently. In addition, since moderate fluid resistance is generated by the foaming holes 62a, air can be supplied to the entire surface 3a of the air electrode layer 3 at a predetermined pressure. Therefore, the output can be improved.
[0055]
The raw material powder used for producing the foam sintered metal layer 62 is 45 to 55% by weight, methylcellulose is 7.5 to 12.5% by weight, and alkylbenzene sulfonate is 1.5 to 2.5% by weight. More preferably, hexane is 1 to 2% by weight. The raw material powder more preferably has an average particle size of 10 μm excluding 5 μm or less and 15 μm or more.
[0056]
In addition, the average pore diameter of the fine water-absorbing layer 61 and the foamed sintered metal layer 62 is more preferably 0.1 to 20 μm from the viewpoint of improving the attractiveness of generated water due to capillary action.
On the other hand, the average hole diameter of the through holes 61a and the foaming holes 62a is set to 0.2 to 2 mm to improve air circulation and supply air of a predetermined pressure to the surface 3a of the air electrode layer 3. This is more preferable. The porosity of the foamed sintered metal layer 62 is more preferably 60 to 98% by volume.
[0057]
In the above embodiment, an example in which a stainless steel powder, which is an iron-based alloy powder, is used as a raw material powder in the production of the dense water-absorbing layer 61 and the foamed sintered metal layer 62 has been shown. Alternatively, a metal having good corrosion resistance and an alloy thereof, for example, a powder of nickel-based corrosion resistant alloy or the like may be used.
[0058]
On the other hand, as shown in FIG. 4, the current collector plate 6 is laminated between the hydrogen electrode layer 2 and one separator 4 with the dense water absorption layer 61 facing the surface 2 a of the hydrogen electrode layer 2. May be installed. In this case, water supplied together with hydrogen can be supplied to the hydrogen electrode layer 2 through the dense water absorption layer 61 and the porous hydrogen electrode layer 2 can be appropriately wetted, so that hydrogen ions are generated efficiently. Can be made. Further, the contact resistance between the current collector plate 6 and the hydrogen electrode layer 2 can be reduced. Therefore, the output of the polymer electrolyte fuel cell can be improved.
[0059]
Further, hydrogen and air are configured to be supplied to one end of the grooves 4a and 5a of the

separators

4 and 5 and discharged from the other end, respectively. However, the hydrogen and air are collected as shown in FIG. The electrode plate 6 is supplied to one end face, moved along the

surfaces

2a and 3a of the electrode layers 2 and 3, and discharged from the other end face opposite to the one end face. May be.
[0060]
In this case, air flows in the current collector plate 6 along the surface 3a of the air electrode layer 3 in a certain direction, so that the generated water can be efficiently discharged through the foaming holes 62a and the like. In this case, since the grooves 4a and 5a in the

separators

4 and 5 are not required, the manufacturing cost of the

separators

4 and 5 can be reduced.
[0061]
【Example】
Next, since the experiment regarding the contact resistance between the current collector plate 6 and the air electrode layer 3 was performed, the following is shown.
1. Experimental conditions
The experiment was performed using the apparatus shown in FIG.
That is, current collector plates 6 were stacked above and below air electrode layer 3, and

separators

4 and 5 were stacked above and below them, and a load was applied so that they were in close contact with each other at a pressure of 3 MPa. A resistance R between the

separators

4 and 5 was measured by passing a constant current (15 A) between the

separators

4 and 5 and measuring a voltage between the

separators

4 and 5.
The resistance R can be generally expressed by the following equation.
R = R1 × 2 + R2 + R3 × 2 + R4 × 2 + R5 × 2
[0062]
R1 is the volume resistance of the current collector plate 6, R2 is the volume resistance of the air electrode 3, R3 is the volume resistance of the separator 4 (or 5), and R4 is the resistance at the interface between the air electrode layer 3 and the current collector plate 6. , R5 is the resistance at the interface between the current collector 6 and the separator 4 (or 5).
Here, R1 and R2 can be separately measured, and R3 can be ignored because it is extremely small compared to other resistance components.
Therefore, R4 + R5 is obtained by detecting the resistance R. This corresponds to the sum of the resistance at the interface between the air electrode layer 3 and the current collector 6 and the resistance at the interface between the separator 4 (or 5) and the current collector 6.
The contact resistance is the resistance value at the interface multiplied by the measurement area [Ω · cm ² ] Value is generally used, (R4 + R5) is multiplied by the measurement area to compare superiority and inferiority.
[0063]

[0064]
The current collector plate 6 in the embodiment is
Dense water absorption layer 61: thickness x length x width = 0.05 x 30 x 30 mm
Foamed sintered metal layer 62: thickness x length x width = 0.1 x 30 x 30 mm
It is.
In addition, the current collector plate 6 in the example was installed with the dense water absorption layer 61 facing the air electrode layer 3 side.
The current collector plate 6 in the comparative example is
Dense water absorption layer 61: None
Foamed sintered metal layer 62: thickness × length × width = 0.15 × 30 × 30 mm
It is.
[0065]
2. Experimental result
The experimental results are shown in Table 1. The contact resistance in Table 1 is obtained by multiplying the above (R4 + R5) by the measurement area.
[Table 1]

[0066]
3. Consideration
As shown in Table 1 above, it was confirmed that the example using the current collector plate 6 having the dense water absorbing layer 61 had a smaller contact resistance than the comparative example using the current collector plate 6 without the dense water absorbing layer 61. . That is, by using the current collector plate 6 provided with the dense water absorption layer 61 and the foam sintered metal layer 62, the contact resistance between the air electrode layer 3 and the current collector plate 6, the separator 4 (or 5), The sum of the contact resistance with the current collector plate 6 can be reduced. In the embodiment, it is difficult to measure the breakdown of the contact resistance between the air electrode layer 3 and the current collector plate 6 and the contact resistance between the separator 4 (or 5) and the current collector plate 6. It is easily guessed that is smaller.
[0067]
【The invention's effect】
As described above, according to the inventions described in claims 1 to 4, the generated water can be prevented from staying in the oxidant electrode layer or the surface thereof, and can also stay in the foaming holes or the through holes. Therefore, the oxidant gas can be reliably supplied to the oxidant electrode layer via the foaming holes and the through-holes, and supplied from the oxidant electrode layer to the electrolyte membrane side without interruption. can do. Therefore, high power and stable power can be generated.
[0068]
Moreover, since the contact area between the current collector plate and the oxidant electrode layer is increased, the contact resistance between the current collector plate and the oxidant electrode layer can be reduced. Therefore, since the internal resistance on the oxidant electrode layer side can be reduced, the electromotive force of the solid polymer fuel cell can be improved.
[0069]
Also, when the polymer electrolyte fuel cell is used without specifying its direction, for example, when it is used as a portable device such as a mobile phone or a digital camera, the generated water can be efficiently discharged. it can. In other words, depending on the usage environment of the polymer electrolyte fuel cell, the surface of the oxidant electrode layer may be directed obliquely upward or horizontally upward. It is possible to discharge without interruption and maintain stable high output power.
[0070]
According to the second aspect of the present invention, the generated water efficiently sucked by the dense water-absorbing layer is sucked into each pore of the foamed sintered metal layer and moved to each foaming hole side. In this case, since the surface area of each foaming hole is extremely large, the generated water sucked up to each foaming hole evaporates very efficiently into the oxidant gas and is carried out of the current collector plate together with the oxidant gas. Become.
Accordingly, it is possible to reliably prevent the generated water from staying in or on the surface of the oxidant electrode layer, so that higher output and more stable power can be supplied.
[0071]
Moreover, since the pores of the foamed sintered metal layer are formed by the inter-particle voids of the powder metal, the cost of the foamed sintered metal layer having the pores can be reduced.
[0072]
According to the invention described in claim 3, the dense water-absorbing layer is formed of a sintered metal, and the pores of the dense water-absorbing layer are formed by inter-particle vacancies of the powder metal. A water absorption layer can be manufactured at low cost. Therefore, the cost of the dense water absorbing layer can be reduced.
[0073]
In the fourth aspect of the invention, since the average pore diameter is 0.1 to 40 μm, the generated water that has flowed out to the surface of the oxidant electrode layer can be efficiently sucked by capillary action.
Moreover, since the average hole diameter of the through hole and the foaming hole is 0.15 to 3 mm, the oxidant gas can flow along the surface of the oxidant electrode layer, and the oxidant gas is allowed to flow through the oxidant electrode layer. It can be reliably supplied to the surface. In addition, since moderate fluid resistance is generated by the foaming pores, the oxidant gas can be supplied uniformly over the entire surface of the oxidant electrode layer at a predetermined pressure. Therefore, the output can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a unit cell of a polymer electrolyte fuel cell provided with a current collector plate as one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory view showing a main part of the current collector plate.
FIG. 3 is an explanatory view showing the current collector plate forming apparatus.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a unit cell of another polymer electrolyte fuel cell using the current collector plate.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a unit cell of still another polymer electrolyte fuel cell using the current collector plate.
FIG. 6 is a conceptual diagram of an apparatus used for experimenting the effect of the current collector plate.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a unit cell of a conventional polymer electrolyte fuel cell.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing the principle of the polymer electrolyte fuel cell.
[Explanation of symbols]
1 Electrolyte membrane
2 Hydrogen electrode layer (fuel electrode layer)
2a Surface
3 Air electrode layer (oxidant electrode layer)
3a Surface
6 Current collector
61 Dense water absorption layer
61a Through hole
62 Foamed sintered metal layer
62a Foam holes

Claims

A fuel electrode layer that is laminated on one surface of the electrolyte membrane, and a fuel gas containing hydrogen is supplied to the surface opposite to the electrolyte membrane; and an oxidant that is laminated on the other surface of the electrolyte membrane and has oxygen Among the oxidant electrode layers supplied to the surface opposite to the electrolyte membrane, at least a current collecting plate of a polymer electrolyte fuel cell laminated on the surface of the oxidant electrode layer,
A dense water-absorbing layer located on the oxidant electrode layer side, and a foam sintered metal layer laminated on the dense water-absorbing layer,
The dense water-absorbing layer has a plurality of pores that are open to the oxidant electrode layer side and the foamed sintered metal layer side and have a size capable of sucking water generated on the oxidant electrode layer side by capillary action. And the oxidant gas penetrating in the direction toward the oxidant electrode layer can pass therethrough and has a plurality of through holes having a diameter larger than that of the pores.
The foamed sintered metal layer is open to the dense water-absorbing layer side and communicates with the through-hole, and at least the oxidant gas communicating with each other in a direction along the dense water-absorbing layer can pass through the pores. A current collector plate for a polymer electrolyte fuel cell, comprising a plurality of foam holes having a larger diameter.

The foamed sintered metal layer opens to the dense water-absorbing layer side and communicates with the pores, and is capable of sucking the water opening to the foamed pore side by capillary action. It has a plurality of pores with a smaller diameter than the through hole,
2. The solid polymer fuel cell according to claim 1, wherein the pores of the foamed sintered metal layer are formed by pores between particles of powder metal constituting the foamed sintered metal layer. Current collector.

The dense water-absorbing layer is formed of a sintered metal whose main raw material is powder metal,
3. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the pores of the dense water-absorbing layer are formed by powder metal interparticle voids constituting the dense water-absorbing layer. 4. Current collector plate.

The average pore diameter of the pores is 0.1 to 40 μm,
The current collector plate for a polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein an average hole diameter of the through holes and the foamed holes is 0.15 to 3 mm.