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JP2008243403A - Fuel cell and fuel cell stack - Google Patents

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JP2008243403A
JP2008243403A JP2007078343A JP2007078343A JP2008243403A JP 2008243403 A JP2008243403 A JP 2008243403A JP 2007078343 A JP2007078343 A JP 2007078343A JP 2007078343 A JP2007078343 A JP 2007078343A JP 2008243403 A JP2008243403 A JP 2008243403A
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JP
Japan
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fuel cell
fuel
flow path
conductive
gas
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Application number
JP2007078343A
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Japanese (ja)
Inventor
Masataka Ueno
正隆 上野
Hiroki Tsukamoto
宏樹 塚本
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Equos Research Co Ltd
Original Assignee
Equos Research Co Ltd
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Publication date
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Abstract

【課題】生成水の排出を容易とし発電性能を高めた上で、その発電性能が最大限に発揮されるよう最適化された燃料電池セル及び燃料電池スタックを提供すること。
【解決手段】本発明の燃料電池セルによれば、構成要素の1つである導電性網材は、導電性を有する繊維から3次元網目構造に形成され、多数の空孔を内部に有する板状の網材であり、空孔の気孔率が50%〜95%であると共に、導電性網材を構成する導電性繊維の繊維相当直径が60μm〜150μmである。かかる導電性網材を使用することにより、優れた発電性能を示す燃料電池セル及び燃料電池スタックを提供することができる。
【選択図】図6
To provide a fuel cell and a fuel cell stack that are optimized so that the generated water can be easily discharged and the power generation performance is enhanced, and the power generation performance is maximized.
According to a fuel battery cell of the present invention, a conductive mesh material which is one of the constituent elements is formed into a three-dimensional network structure from conductive fibers and has a large number of pores inside. In addition, the porosity of the pores is 50% to 95%, and the fiber equivalent diameter of the conductive fibers constituting the conductive network material is 60 μm to 150 μm. By using such a conductive mesh material, a fuel cell and a fuel cell stack exhibiting excellent power generation performance can be provided.
[Selection] Figure 6

Description

本発明は、固体高分子型の燃料電池セル及び燃料電池スタックに関し、特に、優れた発電性能を発揮し得る燃料電池セル及び燃料電池スタックに関するものである。   The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell and a fuel cell stack, and more particularly to a fuel cell and a fuel cell stack that can exhibit excellent power generation performance.

固体高分子型燃料電池の単位セルは、アノード電極(燃料極)とカソード電極(酸化剤極)との間に固体高分子電解質膜を挟持した構成を有し、アノード電極へ供給される燃料ガス(例えば、水素)とカソード電極へ供給される酸化剤ガス(例えば、空気)とを電気化学的に反応させることにより発電を行う。   A unit cell of a polymer electrolyte fuel cell has a configuration in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between an anode electrode (fuel electrode) and a cathode electrode (oxidant electrode), and fuel gas supplied to the anode electrode Power generation is performed by electrochemically reacting (for example, hydrogen) and an oxidant gas (for example, air) supplied to the cathode electrode.

具体的には、固体高分子型燃料電池の単位セルは、アノード電極及びカソード電極でそれぞれ生じる以下の電極反応の結果として、全体として、水素と酸素とによる水生成反応が進行して起電力を発生する。   Specifically, as a result of the following electrode reactions that occur at the anode electrode and the cathode electrode, the unit cell of the polymer electrolyte fuel cell, as a whole, undergoes water generation reaction with hydrogen and oxygen to generate electromotive force. appear.

アノード電極: H→2H+2e
カソード電極: (1/2)O+2H+2e→H
Anode electrode: H 2 → 2H + + 2e
Cathode electrode: (1/2) O 2 + 2H + + 2e → H 2 O

従来において一般的な固体高分子型燃料電池としては、例えば、特許文献1に記載される固体高分子電解質膜燃料電池などが挙げられる。ここで、図13及び図14を参照して、従来において一般的な固体高分子型燃料電池の単位セルである燃料電池セル100の構成について説明する。   Conventionally, as a general polymer electrolyte fuel cell, for example, a polymer electrolyte membrane fuel cell described in Patent Document 1 can be cited. Here, with reference to FIG. 13 and FIG. 14, the structure of the fuel cell 100 which is a unit cell of the conventional general polymer electrolyte fuel cell will be described.

図13は、燃料電池セル100の分解斜視図であり、図14は、燃料電池セル100で使用される膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly)110を模式的に示す拡大一部断面図である。   FIG. 13 is an exploded perspective view of the fuel cell 100, and FIG. 14 is an enlarged partial cross-sectional view schematically showing a membrane electrode assembly 110 used in the fuel cell 100. As shown in FIG.

図13に示すように、燃料電池セル100は、導電性の材料から形成される一対のセパレータ120と、その一対のセパレータ120に挟持される膜電極接合体110とから構成される。   As shown in FIG. 13, the fuel cell 100 includes a pair of separators 120 formed of a conductive material and a membrane electrode assembly 110 sandwiched between the pair of separators 120.

セパレータ120における膜電極接合体110のカソード電極110bに対向する側の面には、一方向(図13における上下方向)に延びるリブを並列して設けることによって複数の溝状の酸化剤ガス流路120aが形成されている。   On the surface of the separator 120 on the side facing the cathode electrode 110b of the membrane electrode assembly 110, ribs extending in one direction (vertical direction in FIG. 13) are provided in parallel to form a plurality of groove-like oxidant gas flow paths. 120a is formed.

一方、セパレータ120における、膜電極接合体110のアノード電極110cに対向する側の面には、酸化剤ガス流路120aと直交する方向(図13に示すセパレータ120の手前側から奥側へ向かう方向)に延びるリブを並列して設けることによって、酸化剤ガス流路120aと直交する方向に延びる複数の溝状の燃料ガス流路120bが形成されている。   On the other hand, on the surface of the separator 120 on the side facing the anode electrode 110c of the membrane electrode assembly 110, the direction orthogonal to the oxidant gas flow path 120a (the direction from the near side to the far side of the separator 120 shown in FIG. 13). ) Are provided in parallel to form a plurality of groove-like fuel gas passages 120b extending in a direction orthogonal to the oxidant gas passage 120a.

酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路120aを流通することによって、膜電極接合体110のカソード電極110bへ供給され、燃料ガスは、燃料ガス流路120bを流通することによって、膜電極接合体110のアノード電極110cへ供給される。   The oxidant gas is supplied to the cathode electrode 110b of the membrane electrode assembly 110 by flowing through the oxidant gas flow channel 120a, and the fuel gas is supplied to the membrane electrode assembly 110 by flowing through the fuel gas flow channel 120b. To the anode electrode 110c.

膜電極接合体110は、図14に示すように、Nafion(登録商標:デュポン社製)やAciplex(登録商標:旭化成(株)製)などの固体高分子電解質膜110aと、その固体高分子電解質膜110aの片面に当接されるカソード電極110bと、固体高分子電解質膜110aにおけるカソード電極110bが当接された面とは反対側の面に当接されるアノード電極110cとから構成される。   As shown in FIG. 14, the membrane electrode assembly 110 includes a solid polymer electrolyte membrane 110a such as Nafion (registered trademark: manufactured by DuPont) or Aciplex (registered trademark: manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), and the solid polymer electrolyte. The cathode 110b is in contact with one surface of the membrane 110a, and the anode 110c is in contact with the surface opposite to the surface with which the cathode 110b is in contact with the solid polymer electrolyte membrane 110a.

カソード電極110bは、固体高分子電解質膜110aに当接される触媒層130aと、その触媒層130aにおける固体高分子電解質膜110aに当接された面とは反対側の面に当接されるガス拡散層130bとから構成される。   The cathode electrode 110b has a catalyst layer 130a in contact with the solid polymer electrolyte membrane 110a and a gas in contact with the surface of the catalyst layer 130a opposite to the surface in contact with the solid polymer electrolyte membrane 110a. And a diffusion layer 130b.

アノード電極110cは、固体高分子電解質膜110aに当接される触媒層140aと、その触媒層140aにおける固体高分子電解質膜110aに当接された面とは反対側の面に当接されるガス拡散層140bとから構成される。   The anode electrode 110c has a catalyst layer 140a in contact with the solid polymer electrolyte membrane 110a and a gas in contact with the surface of the catalyst layer 140a opposite to the surface in contact with the solid polymer electrolyte membrane 110a. And a diffusion layer 140b.

触媒層130a,140aは、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応を促進する層であり、触媒担持カーボンと電解質とを含んで構成される層である。また、ガス拡散層130bは、カソード電極110bへ供給された酸化剤ガスを拡散させる層であり、ガス拡散層140bは、アノード電極110cへ供給された燃料ガスを拡散させる層である。これらのガス拡散層130b,140bは、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロスなどの炭素系材料、又は金属メッシュや金属多孔体などが用いられる。   The catalyst layers 130a and 140a are layers that promote an electrochemical reaction between the oxidant gas and the fuel gas, and are layers that include catalyst-supported carbon and an electrolyte. The gas diffusion layer 130b is a layer for diffusing the oxidant gas supplied to the cathode electrode 110b, and the gas diffusion layer 140b is a layer for diffusing the fuel gas supplied to the anode electrode 110c. These gas diffusion layers 130b and 140b are made of, for example, a carbon-based material such as carbon paper or carbon cloth, a metal mesh, a metal porous body, or the like.

上述のように、酸化剤ガスが、酸化剤ガス流路120aを流通することによってカソード電極110bへ供給され、その一方で、燃料ガスが、燃料ガス流路120bを流通することによってアノード電極110cへ供給されると、カソード電極110bとアノード電極110cとで生じる電気化学反応の結果として、起電力を生じる。
特開平3−295176号公報
As described above, the oxidant gas is supplied to the cathode electrode 110b by flowing through the oxidant gas flow path 120a, while the fuel gas is supplied to the anode electrode 110c by flowing through the fuel gas flow path 120b. When supplied, an electromotive force is generated as a result of the electrochemical reaction that occurs between the cathode electrode 110b and the anode electrode 110c.
JP-A-3-295176

しかしながら、上述した燃料電池セル100のように、酸化剤ガス流路120aや燃料ガス流路120bが溝状に構成される単位セルの場合、発電原理となる電気化学反応により生成した水が、溝状のガス流路120a,120bの下流側に液体水として溜まり易く、その結果として、ガス流路120a,120bや、ガス流路120a,120bに隣接する電極110b,110cにおけるガス(酸化剤ガス又は燃料ガス)の流路が閉塞されるおそれがあるという問題点があった。   However, in the case of a unit cell in which the oxidant gas flow path 120a and the fuel gas flow path 120b are formed in a groove shape like the fuel cell 100 described above, the water generated by the electrochemical reaction that is the principle of power generation is As a result, gas in the gas channels 120a and 120b and the electrodes 110b and 110c adjacent to the gas channels 120a and 120b (oxidant gas or There is a problem that the flow path of the fuel gas) may be blocked.

ガス流路120a,120bや、電極110b,110cにおけるガス流路が液体水によって閉塞されると、ガスの流れと水の流れとの混在によって反応が生じない部位が生じるので、発電性能の低下を招く。   When the gas flow paths 120a, 120b and the gas flow paths in the electrodes 110b, 110c are blocked with liquid water, a portion where no reaction occurs due to the mixture of the gas flow and the water flow is generated, so that the power generation performance is reduced. Invite.

また、上述した燃料電池セル100のように、酸化剤ガス流路120aや燃料ガス流路120bが溝状に構成される単位セルの場合、酸化剤ガス流路120a及び燃料ガス流路120bのピッチや溝深さ(流路深さ、流路高さ)の最適化が、集電性の向上に寄与する。   In addition, in the case of a unit cell in which the oxidant gas flow path 120a and the fuel gas flow path 120b are configured in a groove shape like the fuel cell 100 described above, the pitch of the oxidant gas flow path 120a and the fuel gas flow path 120b. And optimization of groove depth (channel depth, channel height) contributes to the improvement of current collection.

しかし、その一方で、ガス流路120a,120bのピッチや溝深さは、燃料電池セル100における集電性などに影響を及ぼし易い。即ち、ガス流路120a,120bのピッチや溝深さは、ガスと電極110b,110cとの接触面積の低下や膜電極接合体110の乾燥などの影響を及ぼし易いので、ガス流路120a,120bのピッチや溝深さが、燃料電池セル100における発電ロスを招き易いという問題点があった。   However, on the other hand, the pitches and groove depths of the gas flow paths 120a and 120b are liable to affect the current collecting property of the fuel cell 100. That is, the pitch and the groove depth of the gas flow paths 120a and 120b are liable to affect the reduction of the contact area between the gas and the electrodes 110b and 110c and the drying of the membrane electrode assembly 110. The pitch and the groove depth of the fuel cell 100 are liable to cause a power generation loss in the fuel cell 100.

なお、実用的には、複数の燃料電池セル100が直列接続されたスタック(図示せず)の形態が採用されるが、かかるスタックにおいても、構成要素である燃料電池セル100に起因する上述した問題点が生じる。   Practically, a form of a stack (not shown) in which a plurality of fuel cells 100 are connected in series is adopted. However, even in such a stack, the above-described causes caused by the fuel cells 100 as constituent elements are used. Problems arise.

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、生成水の排出を容易とし発電性能を高めた上で、その発電性能が最大限に発揮されるよう最適化された燃料電池セル及び燃料電池スタックを提供することを目的としている。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and is a fuel optimized to maximize the power generation performance while facilitating the discharge of generated water and improving the power generation performance. It aims at providing a battery cell and a fuel cell stack.

この目的を達成するために、請求項1記載の燃料電池用電極は、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の一方に当接し触媒を含有する、アノード触媒層と、前記固体高分子電解質膜の他方に当接し触媒を含有する、カソード触媒層と、表面に親水性を有し、前記カソード触媒層の前記固体高分子電解質膜に当接される面とは反対の面に電気的に接続された状態で配設され、3次元網目構造により酸化剤ガスの流路となる多数の空孔が形成された導電性繊維からなる板状の導電性網材と、前記導電性網材における前記カソード触媒層を向く面とは反対の面に当接し、ガス遮断性を有する導電性のプレートとを備え、前記導電性網材は、前記導電性繊維の繊維相当直径が、60μm以上、かつ、150μm以下であり、前記空孔による気孔率が、50%以上、かつ、95%以下である。   In order to achieve this object, an electrode for a fuel cell according to claim 1 includes a solid polymer electrolyte membrane, an anode catalyst layer that contacts one of the solid polymer electrolyte membranes and contains a catalyst, and the solid high electrolyte membrane. A cathode catalyst layer containing a catalyst in contact with the other of the molecular electrolyte membrane, and a surface having hydrophilicity on the surface and electrically opposite the surface of the cathode catalyst layer that is in contact with the solid polymer electrolyte membrane; A plate-like conductive net member made of conductive fibers arranged in a connected state and having a plurality of pores that serve as a flow path for an oxidant gas by a three-dimensional network structure, and the conductive net A conductive plate having gas barrier properties in contact with a surface of the material opposite to the surface facing the cathode catalyst layer, and the conductive mesh material has a fiber equivalent diameter of the conductive fiber of 60 μm or more. And 150 μm or less, and the voids due to the holes The porosity is 50% or more and 95% or less.

請求項2記載の燃料電池セルは、請求項1記載の燃料電池セルにおいて、前記酸化剤ガスの流路の流路高さが0.3mm以上である。   The fuel cell according to claim 2 is the fuel cell according to claim 1, wherein the channel height of the channel of the oxidant gas is 0.3 mm or more.

請求項3記載の燃料電池スタックは、請求項1又は請求項2に記載の燃料電池セルを複数備え、前記複数のセルを電気的に直列接続することによって構成される。   A fuel cell stack according to a third aspect includes a plurality of fuel battery cells according to the first or second aspect, and is configured by electrically connecting the plurality of cells in series.

請求項1記載の燃料電池セルによれば、固体高分子電解質膜の両面には、それぞれ、触媒を含有するカソード触媒層とアノード触媒層とが配設されており、カソード触媒層における固体高分子電解質膜とは反対側の面には、導電性網材が、該カソード触媒層と電気的に接続された状態で配設されている。さらに、導電性網材におけるカソード触媒層を向く面とは反対の面には、ガス遮断性を有する導電性のプレートに当接されている。   According to the fuel cell of claim 1, a cathode catalyst layer and an anode catalyst layer containing a catalyst are disposed on both sides of the solid polymer electrolyte membrane, respectively, and the solid polymer in the cathode catalyst layer On the surface opposite to the electrolyte membrane, a conductive mesh material is disposed in a state of being electrically connected to the cathode catalyst layer. Further, the surface of the conductive mesh material opposite to the surface facing the cathode catalyst layer is in contact with a conductive plate having gas barrier properties.

なお、請求項1において、導電性網材が「電気的に接続された状態で配設される」とは、導電性網材が触媒層及び/又はプレートに当接して配設されることと、導電性網材が導電性の部材を介して触媒層及び/又はプレートとの間に電気的に接続された状態が形成されることとの両方が含まれることを意図する。   In addition, in claim 1, the conductive net member is “disposed in an electrically connected state” means that the conductive net member is disposed in contact with the catalyst layer and / or the plate. In addition, it is intended to include that a state in which the conductive net member is electrically connected to the catalyst layer and / or the plate through the conductive member is formed.

ここで、導電性網材は、導電性を有する繊維から3次元網目構造に形成され、相互に連通する多数の空孔を内部に有する板状の網材であり、触媒層とガス遮断性を有するプレートとの間に配設されることにより、導電性網材の内部に存在する多数の空孔を酸化剤ガス又は燃料ガスの流路として機能させることができる。   Here, the conductive mesh material is a plate-shaped mesh material formed in a three-dimensional network structure from conductive fibers and having a large number of pores communicating with each other, and has a gas barrier property with the catalyst layer. By being disposed between the plate and the plate, it is possible to make a large number of holes existing inside the conductive mesh member function as a flow path for the oxidant gas or the fuel gas.

また、導電性網材は表面に親水性を有するので、反応により生成した水を網材の表面張力によってその厚さ方向に拡散させることができ、液体水による酸化剤ガス流路の閉塞を有効に防止し得る。よって、燃料電池セルの酸化剤ガス流路が液体水によって閉塞されることを防止することができるので、酸化剤ガス流路の閉塞による酸化剤ガスの圧力損失及びフラッディングを抑制することができ、その結果、発電性能の低下を抑制することができるという効果がある。   In addition, since the conductive mesh material has hydrophilicity on the surface, water generated by the reaction can be diffused in the thickness direction by the surface tension of the mesh material, effectively blocking the oxidant gas flow path with liquid water. Can be prevented. Therefore, since it is possible to prevent the oxidant gas flow path of the fuel cell from being blocked by liquid water, the pressure loss and flooding of the oxidant gas due to the blockage of the oxidant gas flow path can be suppressed, As a result, there is an effect that a decrease in power generation performance can be suppressed.

また、請求項1記載の燃料電池セルによれば、導電性網材における空孔による気孔率が、50%以上とされるので、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧力損失を低く抑制することができ、優れた発電性能を発揮させることができるという効果がある。   According to the fuel cell of claim 1, since the porosity due to the pores in the conductive network material is 50% or more, the pressure loss of the oxidant gas flowing through the oxidant gas flow path is reduced. This has the effect of being able to be suppressed and exhibiting excellent power generation performance.

また、導電性網材空孔における空孔による気孔率が、95%以下とされるので、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧力損失を低く抑制することができる上に、導電性網材の製造コストの著しい高騰を抑制することができるという効果がある。   In addition, since the porosity due to the pores in the conductive mesh material pores is 95% or less, the pressure loss of the oxidant gas flowing through the oxidant gas flow path can be suppressed, and the conductivity can be reduced. There is an effect that it is possible to suppress a significant increase in the production cost of the net material.

さらに、請求項1記載の燃料電池セルによれば、導電性網材を構成する導電性を有する繊維の繊維相当直径が、60μm以上とされるので、かかる繊維によって3次元網目構造に形成された導電性網材に対し、外部から印加された荷重(分担荷重)に十分耐え得る強度及び弾性を付与することができる。   Furthermore, according to the fuel cell of claim 1, since the fiber equivalent diameter of the conductive fiber constituting the conductive network material is set to 60 μm or more, the fiber is formed in a three-dimensional network structure by the fiber. Strength and elasticity that can sufficiently withstand a load (shared load) applied from the outside can be imparted to the conductive mesh material.

よって、燃料電池セルの構成時における印加荷重によって変形されたことによる導電性網材の荷重抜けが抑制されるので、導電性網材の荷重抜けによる発電性能の低下を抑制できるという効果がある。   Therefore, since the load loss of the conductive net material due to the deformation by the applied load at the time of the configuration of the fuel cell is suppressed, there is an effect that it is possible to suppress a decrease in power generation performance due to the load loss of the conductive net material.

加えて、請求項1記載の燃料電池セルによれば、導電性網材を構成する導電性を有する繊維の繊維相当直径が、150μm以下とされるので、導電性網材を構成する繊維間のピッチを集電効率の上で適切な間隔とすることができ、優れた発電性能を発揮させることができるという効果がある。   In addition, according to the fuel battery cell of claim 1, since the fiber equivalent diameter of the conductive fiber constituting the conductive mesh material is set to 150 μm or less, between the fibers constituting the conductive mesh material. There is an effect that the pitch can be set to an appropriate interval in terms of current collection efficiency, and excellent power generation performance can be exhibited.

なお、請求項1において、「繊維相当直径」とは、繊維の周長(外周の長さ)を円周とみなし、その円周に対応する直径である。即ち、繊維相当直径をRとし、繊維の周長をLとした場合、R=L/πである。   In addition, in Claim 1, the “fiber equivalent diameter” is a diameter corresponding to the circumference of the circumference of the fiber (the length of the outer circumference) as a circumference. That is, R = L / π where R is the fiber equivalent diameter and L is the circumference of the fiber.

請求項2記載の燃料電池セルによれば、請求項1記載の燃料電池セルの奏する効果に加えて、次の効果を奏する。酸化剤ガスの流路の流路高さが0.3mm以上とされるので、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧力損失を低く抑制することができ、優れた発電性能を発揮できるという効果がある。   According to the fuel cell of claim 2, in addition to the effect of the fuel cell of claim 1, the following effect is obtained. Since the flow path height of the oxidant gas flow path is 0.3 mm or more, the pressure loss of the oxidant gas flowing through the oxidant gas flow path can be suppressed low, and excellent power generation performance can be exhibited. There is an effect.

請求項3記載の燃料電池スタックによれば、請求項1又は請求項2記載の燃料電池セルが電気的に直列接続されて構成されているので、請求項1又は請求項2記載の燃料電池セルが奏する効果と同様の効果を奏する。   According to the fuel cell stack according to claim 3, the fuel cells according to claim 1 or 2 are configured to be electrically connected in series, so that the fuel cells according to claim 1 or 2. Has the same effect as

以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照して説明する。図1は、本発明の一実施形態における燃料電池スタック50から構成される燃料電池システム1を示す模式図である。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a schematic diagram showing a fuel cell system 1 including a fuel cell stack 50 according to an embodiment of the present invention.

燃料電池システム1は、図2を参照しつつ後述する燃料電池スタック50と、水素タンク33と、空気ファン34と、循環ポンプ36を介して燃料電池スタック50の所定箇所(例えば、下部)に接続されるラジエータ37とから主に構成される。   The fuel cell system 1 is connected to a predetermined location (for example, the lower portion) of the fuel cell stack 50 via a fuel cell stack 50, a hydrogen tank 33, an air fan 34, and a circulation pump 36, which will be described later with reference to FIG. The radiator 37 is mainly composed.

この燃料電池システム1において、水素タンク33は、燃料ガス(本実施形態では、水素)を貯蔵するタンクであり、バルブ32を介して、燃料電池スタック50における燃料ガス供給口50c(図2参照)に接続されている。バルブ32を開放することにより、水素タンク33に貯蔵されている水素を燃料電池スタック50の内部へ供給することができる。   In this fuel cell system 1, the hydrogen tank 33 is a tank that stores fuel gas (hydrogen in this embodiment), and a fuel gas supply port 50 c in the fuel cell stack 50 (see FIG. 2) via the valve 32. It is connected to the. By opening the valve 32, the hydrogen stored in the hydrogen tank 33 can be supplied into the fuel cell stack 50.

空気ファン34は、酸化剤ガス(本実施形態では、空気)を外界から取り込み、酸化剤供給口50a(図2参照)へ送風することにより、酸化剤ガスを燃料電池スタック50の内部へ供給するものである。   The air fan 34 takes in the oxidant gas (air in the present embodiment) from the outside and blows it to the oxidant supply port 50a (see FIG. 2), thereby supplying the oxidant gas into the fuel cell stack 50. Is.

詳細は後述するが、空気ファン34を作動させて酸化剤ガスが酸化剤供給口50aへ供給され、一方で、バルブ32の開放によって水素タンク33から燃料ガスが燃料ガス供給口50cへ供給されると、燃料電池スタック50を構成する各燃料電池セル10(図2参照)が発電する。   As will be described in detail later, the air fan 34 is operated to supply the oxidant gas to the oxidant supply port 50a. On the other hand, when the valve 32 is opened, the fuel gas is supplied from the hydrogen tank 33 to the fuel gas supply port 50c. Then, each fuel cell 10 (see FIG. 2) constituting the fuel cell stack 50 generates power.

燃料電池スタック50は、各燃料電池セル10で発電された電気を集電し、電流取り出し部である集電端子50e,50f(いずれも図2参照)から直流電流を取り出すことができる。燃料電池スタック50から取り出された直流電流は、燃料電池スタック50と電気的に接続される負荷35(例えば、自動車のモータなど)へ供給され、その結果として、負荷35を駆動することができる。   The fuel cell stack 50 collects electricity generated by each fuel cell 10 and can extract a direct current from current collecting terminals 50e and 50f (both see FIG. 2) as current extraction units. The direct current extracted from the fuel cell stack 50 is supplied to a load 35 (for example, a motor of an automobile) electrically connected to the fuel cell stack 50, and as a result, the load 35 can be driven.

図2は、本実施形態の燃料電池スタック50を模式的に示す斜視図である。図2に示すように、燃料電池スタック50は、後述する燃料電池セル10の複数個が矢印X−X方向に積層された積層体である。燃料電池スタック50において、隣接する燃料電池セル10は、導電性を有するセパレータ20により電気的に直列接続されている。   FIG. 2 is a perspective view schematically showing the fuel cell stack 50 of the present embodiment. As shown in FIG. 2, the fuel cell stack 50 is a stacked body in which a plurality of later-described fuel cells 10 are stacked in the direction of arrows XX. In the fuel cell stack 50, adjacent fuel cells 10 are electrically connected in series by a separator 20 having conductivity.

この燃料電池スタック50では、各燃料電池セル10のカソード電極13(図6(b)参照)へ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路が、各セパレータ20間を連通する流路23d,23eと、その流路23d,23eに連通するカソード電極13における第1網材21a(図6(b)参照)の空孔とから形成される。   In this fuel cell stack 50, an oxidant gas flow path for supplying an oxidant gas to the cathode electrode 13 (see FIG. 6B) of each fuel cell 10 communicates between the separators 20. And holes in the first net member 21a (see FIG. 6B) in the cathode electrode 13 communicating with the flow paths 23d and 23e.

なお、本実施形態の燃料電池スタック50において、図2における最も手前側に位置するセパレータ20の露出表面には、流路23dに連通する酸化剤ガス供給口50aが開口されており、空気ファン34により取り込まれた酸化剤ガスは、この酸化剤ガス供給口50aから燃料電池スタック50内部へ供給される。   In the fuel cell stack 50 of the present embodiment, an oxidant gas supply port 50a communicating with the flow path 23d is opened on the exposed surface of the separator 20 located on the most front side in FIG. The oxidant gas taken in is supplied to the fuel cell stack 50 from the oxidant gas supply port 50a.

一方で、図2における最も奥側に位置するセパレータ20の露出表面には、流路23eに連通する酸化剤ガス排出口50b(図2では燃料電池スタック50の裏面側となるため図示されず)が開口されている。酸化剤ガス供給口50aから燃料電池スタック50の内部へ供給された酸化剤ガスは、燃料電池スタック50内の酸化剤ガス流路を通過した後、この酸化剤ガス排出口50bから排出される。   On the other hand, on the exposed surface of the separator 20 located on the innermost side in FIG. 2, an oxidant gas discharge port 50b communicating with the flow path 23e (not shown in FIG. 2 because it is the back side of the fuel cell stack 50). Is open. The oxidant gas supplied to the inside of the fuel cell stack 50 from the oxidant gas supply port 50a passes through the oxidant gas flow path in the fuel cell stack 50 and is then discharged from the oxidant gas discharge port 50b.

また、燃料電池スタック50では、各燃料電池セル10のアノード電極14(図6(b)参照)へ燃料ガスを供給する燃料ガス流路が、各セパレータ20間を連通する流路(図示せず)と、その図示されない流路に連通するアノード電極14における第2網材22a(図6(b)参照)の空孔とから形成される。   Further, in the fuel cell stack 50, a fuel gas channel for supplying fuel gas to the anode electrode 14 (see FIG. 6B) of each fuel cell 10 communicates between the separators 20 (not shown). ) And holes in the second mesh member 22a (see FIG. 6B) in the anode electrode 14 communicating with the flow path (not shown).

なお、本実施形態の燃料電池スタック50において、図2における最も手前側に位置するセパレータ20の露出表面には、燃料ガス流路に連通する燃料供給口50cが設けられている。一方、図2における最も奥側に位置するセパレータ20の露出表面には、燃料ガス流路に連通する燃料排出口50d(図2では燃料電池スタック50の裏面側となるため図示されず)が設けられている。   In the fuel cell stack 50 of the present embodiment, a fuel supply port 50c communicating with the fuel gas flow path is provided on the exposed surface of the separator 20 located on the foremost side in FIG. On the other hand, on the exposed surface of the separator 20 located on the innermost side in FIG. 2, a fuel discharge port 50d (not shown in FIG. 2 because it is the back side of the fuel cell stack 50) communicating with the fuel gas flow path is provided. It has been.

燃料電池スタック50の内部へは、燃料ガス供給口50cを介して水素タンク33から燃料ガスを供給することができる。そして、燃料電池スタック50の内部へ供給された燃料ガスは、燃料電池スタック50内の燃料ガス流路を通過した後、この燃料ガス排出口50dから排出される。   Fuel gas can be supplied from the hydrogen tank 33 to the inside of the fuel cell stack 50 through the fuel gas supply port 50c. The fuel gas supplied to the inside of the fuel cell stack 50 passes through the fuel gas passage in the fuel cell stack 50 and is then discharged from the fuel gas discharge port 50d.

よって、酸化剤ガス供給口50a及び燃料ガス供給口50cから、それぞれ、酸化剤ガス及び燃料ガスを燃料電池スタック50の内部へ供給すると、酸化剤ガス及び燃料ガスが、それぞれ、燃料電池スタック50内の酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路を流通し、その結果として、各燃料電池セル10を発電させることができる。   Therefore, when the oxidant gas and the fuel gas are respectively supplied from the oxidant gas supply port 50a and the fuel gas supply port 50c to the inside of the fuel cell stack 50, the oxidant gas and the fuel gas are respectively contained in the fuel cell stack 50. As a result, each fuel cell 10 can generate electric power.

次に、図3から図6を参照して、本発明の一実施形態における燃料電池セル10について説明する。図3は、本発明の一実施形態における燃料電池セル10のカソード電極13(図6(b)参照)の一部を構成する第1多孔体21を模式的に示す断面図である。   Next, with reference to FIGS. 3 to 6, the fuel cell 10 according to an embodiment of the present invention will be described. FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a first porous body 21 constituting a part of the cathode electrode 13 (see FIG. 6B) of the fuel cell 10 according to the embodiment of the present invention.

図3に示すように、第1多孔体21は、第1網材21aと、その第1網材21における一方の面(図3における左側の面)に形成された細孔層21bとから構成される板状の部材である。   As shown in FIG. 3, the first porous body 21 includes a first net member 21 a and a pore layer 21 b formed on one surface (left surface in FIG. 3) of the first net member 21. It is a plate-shaped member.

第1網材21aは、導電性を有する繊維(導電性繊維)から3次元網目構造に形成され、相互に連通する空孔(例えば、最小内径が50μm〜500μm程度の空孔)を有する板状の部材である。本実施形態では、第1網材21aを構成する導電性繊維として、チタン繊維を採用し、第1網材21aをチタン繊維焼結板として構成した。なお、第1網材21aを構成する導電性繊維としては、チタン繊維以外にも、例えば、SUS、タンタル、又はハステロイなどの腐食性及び導電性を有する金属繊維や、ニッケル又はカーボンなどの導電性繊維を採用することができる。   The first net member 21a is formed in a three-dimensional network structure from conductive fibers (conductive fibers), and has a plate shape having pores communicating with each other (for example, pores having a minimum inner diameter of about 50 μm to 500 μm). It is a member. In the present embodiment, titanium fibers are employed as the conductive fibers constituting the first mesh material 21a, and the first mesh material 21a is configured as a titanium fiber sintered plate. In addition, as a conductive fiber which comprises the 1st net | network material 21a, metal fibers which have corrosiveness and electroconductivity, such as SUS, tantalum, or hastelloy other than titanium fiber, and electroconductivity, such as nickel or carbon Fiber can be employed.

この第1網材21aにおける空孔の気孔率は、50%〜95%程度であることが好ましく、70〜85%程度であることがより好ましい。この第1網材21aの空孔は、燃料電池セル10における酸化剤ガス流路の一部として機能する。よって、第1網材21aにおける空孔の気孔率を、約50%以上とすることにより、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧力損失を低く抑制することができるので、燃料電池セル10に優れた発電性能を発揮させることができる。   The porosity of the pores in the first net member 21a is preferably about 50% to 95%, and more preferably about 70 to 85%. The holes of the first net member 21 a function as a part of the oxidant gas flow path in the fuel cell 10. Therefore, by setting the porosity of the pores in the first net member 21a to about 50% or more, the pressure loss of the oxidant gas flowing through the oxidant gas flow path can be suppressed to a low level. The power generation performance excellent in 10 can be exhibited.

一方で、第1網材21aにおける空孔の気孔率を、約95%以下とすることにより、第1網材21aの製造コストの著しい高騰を抑制できるので、燃料電池セル10の製造コストの高騰を抑制できる。   On the other hand, by setting the porosity of the pores in the first mesh material 21a to about 95% or less, it is possible to suppress a significant increase in the production cost of the first mesh material 21a, and thus the production cost of the fuel cell 10 is increased. Can be suppressed.

また、第1網材21aを構成する導電性繊維の繊維相当直径は、60μm〜150μm程度であることが好ましい。なお、「繊維相当直径」は、導電性繊維の周長(外周の長さ)を円周とみなし、その円周に対応する直径である。即ち、繊維相当直径をRとし、繊維の周長をLとした場合、R=L/πである。   Moreover, it is preferable that the fiber equivalent diameter of the electroconductive fiber which comprises the 1st net | network material 21a is about 60 micrometers-150 micrometers. The “fiber equivalent diameter” is a diameter corresponding to the circumference of the circumference of the conductive fiber (the length of the outer circumference) as a circumference. That is, R = L / π where R is the fiber equivalent diameter and L is the circumference of the fiber.

第1網材21aを構成する導電性繊維の繊維相当直径を約60μm以上とすることにより、かかる導電性繊維によって3次元網目構造に形成された第1網材21aに高い強度と高い弾性を付与することができる。よって、燃料電池セル10の構成時に第1網材21aへ印加された分担荷重により第1網材21aに荷重抜けが発生することを防止できるので、燃料電池セル10に優れた発電性能を発揮させることができる。   By setting the fiber equivalent diameter of the conductive fibers constituting the first mesh material 21a to about 60 μm or more, the first mesh material 21a formed in a three-dimensional network structure by the conductive fibers is imparted with high strength and high elasticity. can do. Therefore, since it is possible to prevent the first net member 21a from being lost due to the shared load applied to the first net member 21a when the fuel cell 10 is configured, the fuel cell unit 10 exhibits excellent power generation performance. be able to.

一方で、第1網材21aを構成する導電性繊維の繊維相当直径を約150μm以下とすることにより、第1網材21aを構成する繊維間のピッチが過度に広がらず、集電効率の上で適切な間隔とすることができるので、燃料電池セル10に優れた発電性能を発揮させることができる。   On the other hand, by setting the equivalent fiber diameter of the conductive fibers constituting the first mesh member 21a to about 150 μm or less, the pitch between the fibers constituting the first mesh member 21a is not excessively widened, and the current collection efficiency is improved. Therefore, the fuel cell 10 can exhibit excellent power generation performance.

また、第1網材21aを構成する導電性繊維の繊維相当直径を約150μm以下とすることにより、第1網材21aを構成する繊維間のピッチが過度に広がらず、触媒層26との接触面積を十分に確保することができるので、かかる触媒層26との接合不良を防止できる。   Further, by setting the fiber equivalent diameter of the conductive fibers constituting the first mesh material 21a to about 150 μm or less, the pitch between the fibers constituting the first mesh material 21a is not excessively widened and contact with the catalyst layer 26 is achieved. Since a sufficient area can be secured, it is possible to prevent poor bonding with the catalyst layer 26.

細孔層(MPL:Micro Porous Layer)21bは、導電性を有すると共に、相互に連通する多くの空孔を有する層であり、例えば、約200μm以下の厚さに形成される。なお、細孔層21bにおける空孔は、上述した第1網材21aの空孔より小さい細孔(例えば、最小内径が0.01μm〜数μm程度であり、ピークが2μm程度より小さい空孔)である。   The pore layer (MPL: Micro Porous Layer) 21b is a layer having many pores communicating with each other and having a thickness of, for example, about 200 μm or less. The pores in the pore layer 21b are pores smaller than the pores of the first net member 21a described above (for example, pores having a minimum inner diameter of about 0.01 μm to several μm and a peak of less than about 2 μm). It is.

細孔層21bは、触媒層26と第1網材21aとを連通する細孔を有しているので、膜電極接合体24の触媒層26(図5参照)から第1網材21aへ電子を移動させ易くすると共に、触媒層26内の水を細孔層21bへ移動させて、適度に触媒層26を保水しつつ余剰水を系外に排出し、水によって触媒層26での電気化学反応が阻害されることを抑制する機能を担う。   Since the pore layer 21b has pores that allow the catalyst layer 26 and the first net member 21a to communicate with each other, electrons are transferred from the catalyst layer 26 (see FIG. 5) of the membrane electrode assembly 24 to the first net member 21a. In addition, the water in the catalyst layer 26 is moved to the pore layer 21b, and the excess water is discharged out of the system while keeping the catalyst layer 26 moderately. Responsible for suppressing reaction inhibition.

細孔層21bとしては、水の接触角が約120°以上となる撥水性を有することが好ましく、例えば、カーボン粒子とPTFE(ポリテトラフルオロエチレン(Polytetrafluoroethylene))とを含んで構成される撥水性の細孔層を採用することができる。このとき、PTFEの混合量は20〜60質量%程度であることが好ましい。   The pore layer 21b preferably has water repellency such that the contact angle of water is about 120 ° or more. For example, the water repellency includes carbon particles and PTFE (Polytetrafluoroethylene). The pore layer can be employed. At this time, the mixing amount of PTFE is preferably about 20 to 60% by mass.

また、細孔層21bは、第1網材21aに食い込みつつ配置されていることが好ましい。例えば、細孔層21bが第1網材21aに約30μm以上食い込みつつ配置されていることが好ましい。その一方で、細孔層21bにおける第1網材21aとは反対側の面は平滑性を有していることが好ましい。   Moreover, it is preferable that the pore layer 21b is disposed while biting into the first net member 21a. For example, it is preferable that the pore layer 21b is disposed while biting into the first net member 21a by about 30 μm or more. On the other hand, the surface of the pore layer 21b opposite to the first net member 21a preferably has smoothness.

なお、本実施形態の燃料電池10におけるアノード電極14(図6(b)参照)の一部を構成する第2多孔体22もまた、図3に示す第1多孔体21と同様に構成される。図3における丸かっこ内に記載される番号は、第2網材22に適用される付番である。なお、上述した第1網材21の説明を第2網材22に適用させる場合には、(1)「第1多孔体21」を「第2多孔体22」に読み換え、(2)「第1網材21a」を「第2網材22a」に読み換え、(3)「細孔層21b」を「細孔層22b」に読み換え、(4)「触媒層26(図5参照)」を「触媒層27(図5参照)」に読み換え、(5)「酸化剤ガス」を「燃料ガス」と読み換えればよい。   In addition, the 2nd porous body 22 which comprises a part of anode electrode 14 (refer FIG.6 (b)) in the fuel cell 10 of this embodiment is also comprised similarly to the 1st porous body 21 shown in FIG. . The numbers described in parentheses in FIG. 3 are numbering applied to the second net member 22. In addition, when applying description of the 1st net material 21 mentioned above to the 2nd net material 22, (1) "1st porous body 21" is read as "2nd porous body 22", (2) " “First mesh material 21a” is read as “second mesh material 22a”, (3) “pore layer 21b” is read as “pore layer 22b”, and (4) “catalyst layer 26 (see FIG. 5). “Catalyst layer 27 (see FIG. 5)” and (5) “oxidant gas” may be replaced with “fuel gas”.

図4は、本実施形態の燃料電池セル10におけるセパレータ20を模式的に示す断面図である。図4に示すように、セパレータ20は、上述した第1多孔体21及び第2多孔体22と、これらの多孔体21,22を収納する導電性のプレート23とから構成される。   FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing the separator 20 in the fuel battery cell 10 of the present embodiment. As shown in FIG. 4, the separator 20 includes the first porous body 21 and the second porous body 22 described above, and a conductive plate 23 that houses the porous bodies 21 and 22.

セパレータ20を構成する導電性のプレート23は、導電性材料から作製された板状の部材であり、その一面側(図4における左側)には、第1多孔体21を収納する第1凹部23aが凹設されている。また、プレート23の他面側(図4における右側)には、第2多孔体22を収納する第2凹部23bと、後述する膜電極接合体24(図5参照)を収納する第3凹部23cとが凹設されている。   The conductive plate 23 constituting the separator 20 is a plate-like member made of a conductive material, and on one surface side (left side in FIG. 4), a first recess 23 a that houses the first porous body 21. Is recessed. Further, on the other surface side of the plate 23 (the right side in FIG. 4), a second recess 23b for storing the second porous body 22 and a third recess 23c for storing a membrane electrode assembly 24 (see FIG. 5) described later. Are recessed.

さらに、プレート23には、第1凹部23aの両端に連通する一対の酸化剤ガス用の流路23d,23eが貫設されている。また、プレート23には、第2凹部23bの両端に連通する一対の図示されない燃料ガス用の流路も貫設されている。酸化剤ガス用の流路23d,23eと燃料ガス用の流路とは、互いに90度ずれた位置に貫設されており、かかる位置関係によって、第1多孔体21(第1網材21a)へ供給される酸化剤ガスの供給方向と、第2多孔体22(第2網材22a)へ供給される燃料ガスの供給方向が互いに直交する向きとされる。   Further, the plate 23 is provided with a pair of oxidant gas flow paths 23d and 23e communicating with both ends of the first recess 23a. The plate 23 is also provided with a pair of fuel gas passages (not shown) communicating with both ends of the second recess 23b. The flow paths 23d, 23e for the oxidant gas and the flow path for the fuel gas are provided so as to be shifted from each other by 90 degrees, and the first porous body 21 (the first net member 21a) is positioned according to the positional relationship. The supply direction of the oxidant gas supplied to and the supply direction of the fuel gas supplied to the second porous body 22 (second net member 22a) are orthogonal to each other.

かかる構成を有するプレート23の第1凹部23aには、第1多孔体21が収納される。その際、第1多孔体21は、細孔層21bの配設されていない側の面が第1凹部23aの底面に当接し、細孔層21bが外側を向くように第1凹部23aに収納される。   The first porous body 21 is accommodated in the first recess 23a of the plate 23 having such a configuration. At that time, the first porous body 21 is accommodated in the first recess 23a so that the surface on which the pore layer 21b is not disposed is in contact with the bottom surface of the first recess 23a and the pore layer 21b faces outward. Is done.

また、プレート23の第2凹部23bには、第2多孔体22が収納される。その際、第2多孔体22は、細孔層22bの配設されていない側の面が第2凹部23bの底面に当接し、細孔層22bが外側を向くように第2凹部23bに収納される。   Further, the second porous body 22 is accommodated in the second recess 23 b of the plate 23. At that time, the second porous body 22 is accommodated in the second recess 23b so that the surface on which the pore layer 22b is not disposed is in contact with the bottom surface of the second recess 23b and the pore layer 22b faces outward. Is done.

図5は、膜電極接合体24を模式的に示す断面図である。図5に示すように、固体高分子電解質膜25と、その固体高分子電解質膜25における一方の面(図5における右側の面)に当接する触媒層26と、固体高分子電解質膜25における他方の面(図5における左側の面)に当接する触媒層27とから構成される積層体である。   FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing the membrane electrode assembly 24. As shown in FIG. 5, the solid polymer electrolyte membrane 25, the catalyst layer 26 in contact with one surface (the right surface in FIG. 5) of the solid polymer electrolyte membrane 25, and the other of the solid polymer electrolyte membrane 25 This is a laminate composed of the catalyst layer 27 in contact with the surface (the left surface in FIG. 5).

このように、本実施形態の燃料電池セル10に採用される膜電極接合体24は、従来の膜電極接合体110(図14参照)と異なり、触媒層26,27に隣接するカーボンペーパーやカーボンクロスなどのガス拡散層130b,140b(図14参照)を有さない構成とされている。   As described above, the membrane electrode assembly 24 employed in the fuel cell 10 of the present embodiment is different from the conventional membrane electrode assembly 110 (see FIG. 14) in that carbon paper or carbon adjacent to the catalyst layers 26 and 27 is used. The gas diffusion layers 130b and 140b (see FIG. 14) such as cloth are not included.

固体高分子電解質膜25としては、例えば、Nafion(登録商標:デュポン社製)やAciplex(登録商標:旭化成(株)製)など、固体高分子型燃料電池に適用可能な固体高分子電解質膜を使用することができる。   Examples of the solid polymer electrolyte membrane 25 include solid polymer electrolyte membranes applicable to solid polymer fuel cells such as Nafion (registered trademark: manufactured by DuPont) and Aciplex (registered trademark: manufactured by Asahi Kasei Corporation). Can be used.

触媒層26,27としては、例えば、カーボン粒子にプラチナなどの触媒が担持された触媒担持カーボンと電解質とを含んで構成された触媒層を採用することができる。かかる触媒層26,27は、それぞれ、カソード電極13及びアノード電極14(図6(b)参照)の一部を構成する層であり、燃料電池セル10にて生じる酸素と水素との電気化学反応を促進する機能を担う。   As the catalyst layers 26 and 27, for example, a catalyst layer including a catalyst-supporting carbon in which a catalyst such as platinum is supported on carbon particles and an electrolyte can be employed. The catalyst layers 26 and 27 are layers constituting part of the cathode electrode 13 and the anode electrode 14 (see FIG. 6B), respectively, and electrochemical reaction between oxygen and hydrogen generated in the fuel cell 10. Responsible for promoting the function.

図6(a)は、燃料電池セル10を模式的に示す断面図であり、図6(b)は、図6(a)におけるE部の拡大断面図である。   6A is a cross-sectional view schematically showing the fuel battery cell 10, and FIG. 6B is an enlarged cross-sectional view of an E portion in FIG. 6A.

図6(a)に示すように、燃料電池セル10は、2つの隣接するセパレータ20と、それらのセパレータ20の間に配置される膜電極接合体24とから構成される。より具体的には、燃料電池セル10は、一方のセパレータ20(図6(a)における右側のセパレータ20)の片面に露出する第1多孔体21と、他方のセパレータ20(図6(a)における左側のセパレータ20)の第3凹部23cに収納された膜電極接合体24とを当接させることによって構成される。   As shown in FIG. 6A, the fuel cell 10 includes two adjacent separators 20 and a membrane electrode assembly 24 disposed between the separators 20. More specifically, the fuel cell 10 includes a first porous body 21 exposed on one surface of one separator 20 (the right separator 20 in FIG. 6A) and the other separator 20 (FIG. 6A). The membrane electrode assembly 24 accommodated in the third recess 23c of the left separator 20) in FIG.

なお、燃料電池スタック50において、隣接する燃料電池セル10は、セパレータ20を共通とする。即ち、例えば、図6(a)に示す燃料電池セル10の右側に隣接する燃料電池セル10は、図6(a)における右側のセパレータ20を共通とする。   In the fuel cell stack 50, the adjacent fuel cells 10 share the separator 20 in common. That is, for example, the fuel cell 10 adjacent to the right side of the fuel cell 10 shown in FIG. 6A shares the right separator 20 in FIG. 6A.

ここで、プレート23の第3凹部23cに膜電極接合体24を収納する際には、触媒層27が細孔層22b(第2多孔体22の一部)に当接し、触媒層26が外側を向くように収納される。よって、2つの隣接するセパレータ20と膜電極接合体24とから燃料電池セル10を構成した場合、触媒層26は、細孔層21b(第1多孔体21の一部)に当接される(図6(b)参照)。   Here, when the membrane electrode assembly 24 is housed in the third recess 23c of the plate 23, the catalyst layer 27 contacts the pore layer 22b (a part of the second porous body 22), and the catalyst layer 26 is outside. It is stored so that it faces. Therefore, when the fuel cell 10 is composed of the two adjacent separators 20 and the membrane electrode assembly 24, the catalyst layer 26 comes into contact with the pore layer 21b (a part of the first porous body 21) ( (Refer FIG.6 (b)).

上述したように、セパレータ20における流路23dを矢印の向きに流通する酸化剤ガスは、第1多孔体21(第1網材21a)へ供給され、第1網材21a内の空孔を矢印の方向に流通し、流路23eへ排出されて、流路23eを矢印の方向に流通する。一方で、図示されない燃料ガス用の流路から第2多孔体22(第2網材22a)へ供給された燃料ガスは、第2網材22a内の空孔を流通する。   As described above, the oxidant gas flowing through the flow path 23d in the separator 20 in the direction of the arrow is supplied to the first porous body 21 (first net member 21a), and the holes in the first net member 21a are indicated by arrows. And is discharged to the flow path 23e, and flows through the flow path 23e in the direction of the arrow. On the other hand, the fuel gas supplied from the fuel gas flow path (not shown) to the second porous body 22 (second net member 22a) flows through the pores in the second net member 22a.

その結果、本実施形態の燃料電池セル10において、第1多孔体21及び触媒層26は、カソード電極13として機能し、第2多孔体22及び触媒層27は、アノード電極14として機能し、第1多孔体21(第1網材21a)へ供給された酸化剤ガスと、第2多孔体(第2網材22a)供給された燃料ガスとの電気化学反応の結果として、起電力を発生させる(発電させる)ことができる。   As a result, in the fuel cell 10 of the present embodiment, the first porous body 21 and the catalyst layer 26 function as the cathode electrode 13, the second porous body 22 and the catalyst layer 27 function as the anode electrode 14, An electromotive force is generated as a result of an electrochemical reaction between the oxidant gas supplied to the first porous body 21 (first network member 21a) and the fuel gas supplied to the second porous body (second network member 22a). (To generate electricity).

図6(a)に示す本実施形態の燃料電池セル10によれば、第1多孔体21の第1網材21a、及び第2多孔体22の第2網材22aの内部に相互に連通する空孔が存在することにより、かかる空孔を酸化剤ガス及び燃料ガスの流路として機能させることができると共に、反応により生成した水を網材の表面張力によって導電性網材の厚さ方向に拡散させることができる。その結果、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応の結果として生成された水(液体水)によるガス流路の閉塞を防止することができる。よって、ガス流路(酸化剤ガス流路又は燃料ガス流路)におけるガス(酸化剤ガス又は燃料ガス)の圧力損失を抑制することができるので、発電性能の低下を抑制することができる。   According to the fuel cell 10 of the present embodiment shown in FIG. 6A, the first net member 21 a of the first porous body 21 and the second net member 22 a of the second porous body 22 communicate with each other. Due to the presence of the pores, the pores can function as a flow path for the oxidant gas and the fuel gas, and the water generated by the reaction is caused in the thickness direction of the conductive mesh material by the surface tension of the mesh material. Can be diffused. As a result, blockage of the gas flow path by water (liquid water) generated as a result of the electrochemical reaction between the oxidant gas and the fuel gas can be prevented. Therefore, since the pressure loss of the gas (oxidant gas or fuel gas) in the gas channel (oxidant gas channel or fuel gas channel) can be suppressed, it is possible to suppress a decrease in power generation performance.

なお、燃料電池セル10のカソード電極13において、触媒層26へ供給される酸化剤ガスの流路の流路高さ(第1網材21aの厚さ)h1は、約0.3mm以上であることが好ましい。酸化剤ガスの流路の流路高さh1を約0.3mm以上に構成することにより、酸化剤ガスの圧力損失を好適な低さに抑制することができる。   In addition, in the cathode electrode 13 of the fuel cell 10, the flow path height (thickness of the first net member 21a) h1 of the flow path of the oxidant gas supplied to the catalyst layer 26 is about 0.3 mm or more. It is preferable. By configuring the flow path height h1 of the flow path of the oxidant gas to be about 0.3 mm or more, the pressure loss of the oxidant gas can be suppressed to a suitable low level.

同様に、燃料電池セル10のアノード電極14において、触媒層27へ供給される燃料ガスの流路の流路高さ(第2網材22aの厚さ)h2もまた、約0.3mm以上であることが好ましい。燃料ガスの流路の流路高さh2を約0.3mm以上に構成することにより、燃料ガスの圧力損失を好適な低さに抑制することができる。   Similarly, in the anode electrode 14 of the fuel battery cell 10, the flow path height (thickness of the second mesh member 22a) h2 of the flow path of the fuel gas supplied to the catalyst layer 27 is also about 0.3 mm or more. Preferably there is. By configuring the flow path height h2 of the fuel gas flow path to be about 0.3 mm or more, the pressure loss of the fuel gas can be suppressed to a suitable low level.

また、流路高さh1,h2は、低ければ低いほど出力密度が向上するために有利となる。特に、流路高さh1,h2は、約1.5mm以下であることが好ましい。流路高さh1,h2を約1.5mm以下に構成することにより、出力密度の向上など発電性能が好適に向上する。   In addition, the lower the flow path heights h1 and h2, the more advantageous the output density. In particular, the channel heights h1 and h2 are preferably about 1.5 mm or less. By configuring the flow path heights h1 and h2 to be about 1.5 mm or less, the power generation performance such as an improvement in output density is preferably improved.

さらに、図6(a)及び図6(b)に示す本実施形態の燃料電池セル10によれば、カソード電極13の一部である第1網材21、及び、アノード電極14の一部である第2網材22が、ガス流路として機能する。よって、本実施形態の燃料電池セル10では、従来において一般的な固体高分子型燃料電池であるセル100(図13参照)のように、セパレータ120にリブを並設して酸化剤ガス流路120aや燃料ガス流路120bを形成する必要がない。その分、セパレータ20を薄く構成することができるので、燃料電池セル10の薄型化を図ることができ、その結果として、出力密度を向上させることができる。   Furthermore, according to the fuel battery cell 10 of the present embodiment shown in FIGS. 6A and 6B, the first net member 21 that is a part of the cathode electrode 13 and a part of the anode electrode 14. A certain second net member 22 functions as a gas flow path. Therefore, in the fuel cell 10 of the present embodiment, as in the cell 100 (see FIG. 13), which is a conventional solid polymer fuel cell, a rib is provided in parallel with the separator 120 to provide an oxidant gas flow path. There is no need to form 120a or the fuel gas flow path 120b. Accordingly, since the separator 20 can be made thinner, the fuel cell 10 can be made thinner, and as a result, the output density can be improved.

以上説明したように、本実施形態の燃料電池セル10によれば、電極13,14の一部である網材21a,22aにおける空孔の気孔率を、約50%以上とすることにより、酸化剤ガス流路を流通する酸化剤ガスの圧力損失を低く抑制することができるので、燃料電池セル10に優れた発電性能を発揮させることができる。   As described above, according to the fuel battery cell 10 of the present embodiment, the porosity of the pores in the mesh members 21a and 22a that are part of the electrodes 13 and 14 is increased by about 50% or more. Since the pressure loss of the oxidant gas flowing through the agent gas flow path can be suppressed low, the fuel cell unit 10 can exhibit excellent power generation performance.

また、電極13,14の一部である網材21a,22aにおける空孔の気孔率を、約95%以下とすることにより、第1網材21aの製造コストの著しい高騰を抑制できるので、燃料電池セル10の製造コストの高騰を抑制できる。   Moreover, since the porosity of the pores in the mesh members 21a and 22a which are a part of the electrodes 13 and 14 is set to about 95% or less, a significant increase in the manufacturing cost of the first mesh material 21a can be suppressed. An increase in the manufacturing cost of the battery cell 10 can be suppressed.

さらに、網材21a,22aを構成する導電性繊維の繊維相当直径を約60μm以上とすることにより、かかる導電性繊維によって3次元網目構造に形成された網材21a,22aに高い強度と高い弾性を付与することができる。よって、燃料電池セル10の構成時に網材21a,22aへ印加された分担荷重により網材21a,22aに荷重抜けが発生することを防止できるので、燃料電池セル10に優れた発電性能を発揮させることができる。   Furthermore, by setting the fiber equivalent diameter of the conductive fibers constituting the mesh materials 21a and 22a to about 60 μm or more, the mesh materials 21a and 22a formed in a three-dimensional network structure by such conductive fibers have high strength and high elasticity. Can be granted. Therefore, it is possible to prevent the load loss from being generated in the net members 21a and 22a due to the shared load applied to the net members 21a and 22a when the fuel cell 10 is configured, so that the fuel cell 10 exhibits excellent power generation performance. be able to.

また、網材21a,22aを構成する導電性繊維の繊維相当直径を約150μm以下とすることにより、網材21a,22aを構成する繊維間のピッチが過度に広がらず、集電効率の上で適切な間隔とすることができるので、燃料電池セル10に優れた発電性能を発揮させることができる。   Further, by setting the equivalent fiber diameter of the conductive fibers constituting the net members 21a and 22a to about 150 μm or less, the pitch between the fibers constituting the net members 21a and 22a is not excessively widened, and the current collecting efficiency is improved. Since it can be set as an appropriate space | interval, the fuel cell 10 can exhibit the outstanding electric power generation performance.

加えて、燃料電池セル10のカソード電極13において、触媒層26へ供給される酸化剤ガスの流路の流路高さを約0.3mm以上に構成することにより、ガスの圧力損失を好適な低さに抑制することができる。   In addition, in the cathode electrode 13 of the fuel cell 10, the flow height of the flow path of the oxidant gas supplied to the catalyst layer 26 is configured to be about 0.3 mm or more, so that the gas pressure loss is favorable. It can be suppressed to low.

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。   As described above, the present invention has been described based on the embodiments, but the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various improvements and modifications can be easily made without departing from the spirit of the present invention. It can be guessed.

例えば、上記実施形態では、第1網材21aの片面に細孔層21bを形成したものを第1多孔体21としたが、第1網材21aの片面に細孔層21bを形成せず、第1網材21aそのものを第1多孔体21としてもよい。同様に、第2多孔体22についても、第2網材22aの片面に細孔層22bを形成せず、第2網材22aそのものを第2多孔体22としてもよい。また、第1多孔体21及び第2多孔体22のうち、一方のみが細孔層21b,22bを有し、他方は細孔層21b,22bを有さない構成としてもよい。   For example, in the above embodiment, the first porous body 21 is formed by forming the pore layer 21b on one side of the first net member 21a, but the pore layer 21b is not formed on one side of the first net member 21a. The first net member 21a itself may be the first porous body 21. Similarly, for the second porous body 22, the second net 22 a itself may be used as the second porous 22 without forming the pore layer 22 b on one side of the second net 22 a. Further, only one of the first porous body 21 and the second porous body 22 may have the pore layers 21b and 22b, and the other may not have the pore layers 21b and 22b.

また、上記実施形態では、第1,2網材21a,22aの片面に形成された細孔層21b,22bを触媒層26,27に当接させる構成としたが、第1,2網材21a,22aを直接触媒層26,27に当接させる構成としてもよい。また、第1多孔体21及び第2多孔体22のうち、一方のみが細孔層21b,22bと触媒層26,27とを当接させ、他方は第1,2網材21a,22aと触媒層26,27とを当接させるように構成してもよい。   In the above embodiment, the pore layers 21b and 22b formed on one side of the first and second net members 21a and 22a are brought into contact with the catalyst layers 26 and 27. , 22a may be in direct contact with the catalyst layers 26, 27. Further, only one of the first porous body 21 and the second porous body 22 brings the pore layers 21b and 22b into contact with the catalyst layers 26 and 27, and the other is connected to the first and second net members 21a and 22a and the catalyst. You may comprise so that the layers 26 and 27 may be contact | abutted.

また、上記実施形態では、細孔層21b,22bを第1,2網材21a,22a上に形成したが、触媒層26,27の外側表面に細孔層21b,22bを形成したり、細孔層21b,22bが単独で存在するものとして構成してもよい。   In the above embodiment, the pore layers 21b and 22b are formed on the first and second mesh materials 21a and 22a. However, the pore layers 21b and 22b are formed on the outer surfaces of the catalyst layers 26 and 27, The pore layers 21b and 22b may be configured to exist alone.

また、上記実施形態では、触媒層26,27は、膜接合電極24の一部として構成したが、触媒層26,27を、第1,第2多孔体21,22の最外層に配設するように構成してもよい。例えば、第1,第2多孔体21,22における細孔層21b,22bの外側に触媒層26,27を配設したり、細孔層21b,22bを有さない場合に第1,2網材21a,22a上に触媒層26,27を配設するように構成してもよい。   In the above embodiment, the catalyst layers 26, 27 are configured as a part of the membrane bonding electrode 24. However, the catalyst layers 26, 27 are disposed on the outermost layers of the first and second porous bodies 21, 22. You may comprise as follows. For example, when the catalyst layers 26 and 27 are disposed outside the pore layers 21b and 22b in the first and second porous bodies 21 and 22, or when the pore layers 21b and 22b are not provided, the first and second networks You may comprise so that the catalyst layers 26 and 27 may be arrange | positioned on the materials 21a and 22a.

また、上記実施形態では、第1,第2多孔体21,22を、第1,2網材21a,22aと細孔層21b,22bとから構成したが、第1,2網材21a,22aにおける細孔層21b,22bとは反対側の面に、親水性を有する層を排水層として構成してもよい。第1,2多孔体21,22が排水層を有する場合には、第1,2凹部23a,23bの底面には、排水層が当接されるように配置される。   Moreover, in the said embodiment, although the 1st, 2nd porous bodies 21 and 22 comprised the 1st and 2nd net materials 21a and 22a and the pore layers 21b and 22b, the 1st and 2nd net materials 21a and 22a were comprised. A layer having hydrophilicity may be configured as a drainage layer on the surface opposite to the pore layers 21b and 22b. When the 1st, 2nd porous bodies 21 and 22 have a drainage layer, it arrange | positions so that a drainage layer may contact | abut on the bottom face of the 1st, 2nd recessed parts 23a and 23b.

第1,2網材21a,22aにおける細孔層21b,22bとは反対側の面に排水層を設けることにより、かかる排水層が、第1,2網材21a,22aの厚さ方向に拡散した水(液体水)を集め、水の自重や酸化剤ガスの圧力によって水の流れを作り出し、系外へ排出するよう機能する。なお、かかる排水層は、親水性に加え、吸水性も有することが好ましい。   By providing a drainage layer on the surface of the first and second net members 21a and 22a opposite to the pore layers 21b and 22b, the drainage layer diffuses in the thickness direction of the first and second net members 21a and 22a. It collects the collected water (liquid water), creates a flow of water by its own weight and the pressure of oxidant gas, and discharges it out of the system. Such a drainage layer preferably has water absorption in addition to hydrophilicity.

また、排水層を、第1,2網材21a,22aにおける細孔層21b,22bとは反対側の面に形成することに換えて、又は、第1,2網材21a,22aにおける細孔層21b,22bとは反対側の面に形成すると共に、第1,2凹部23a,23bの底面の親水処理や親水性ポリマーの被覆により形成するようにしてもよい。   Moreover, it replaces with forming a drainage layer in the surface on the opposite side to the pore layers 21b and 22b in the 1st and 2nd net materials 21a and 22a, or the pores in the 1st and 2nd net materials 21a and 22a. While forming in the surface on the opposite side to the layers 21b and 22b, you may make it form by the hydrophilic treatment of the bottom face of the 1st, 2nd recessed parts 23a and 23b, or the coating of a hydrophilic polymer.

なお、上記各実施形態として例示した本発明の燃料電池セル及び燃料電池スタックは、電気自動車などの移動用電源、屋外据え置き用電源、ポータブル電源、携帯電子機器用電源などの各種電源として利用可能である。   The fuel cell and the fuel cell stack of the present invention exemplified as the above embodiments can be used as various power sources such as a moving power source for an electric vehicle, an outdoor stationary power source, a portable power source, and a portable electronic device power source. is there.

以下に、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に基づいて限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples, but the present invention is not limited to these examples.

[実施例1,比較例1]
実施例1として、本発明の燃料電池セル10を含む燃料電池スタック50を使用し、比較例1として、図13に示した従来の燃料電池セル100を含む燃料電池スタックを使用し、同じ条件下でI−V特性を比較した。
[Example 1, Comparative Example 1]
As Example 1, the fuel cell stack 50 including the fuel cell 10 of the present invention was used, and as the Comparative Example 1, the fuel cell stack including the conventional fuel cell 100 shown in FIG. 13 was used under the same conditions. The IV characteristics were compared with each other.

その結果を図7に示す。図7は、実施例1及び比較例1におけるI−V特性を示すグラフである。図7のグラフにおいて、横軸は、単位面積あたりの電流I(単位:A/cm)を示し、縦軸は、電圧(単位:V)を示す。 The result is shown in FIG. FIG. 7 is a graph showing IV characteristics in Example 1 and Comparative Example 1. In the graph of FIG. 7, the horizontal axis indicates current I (unit: A / cm 2 ) per unit area, and the vertical axis indicates voltage (unit: V).

図7のグラフから明らかなように、実施例1の燃料電池スタック50及び比較例1の燃料電池スタックの両方とも、低電流領域では、ほぼ同等のI−V特性を示すが、高電流領域において両者の差が生じた。図7のグラフに示すように、V=0.6となるIの値は、比較例1の燃料電池スタックにおいて1.0であったのに対し、実施例1の燃料電池スタックにおいて1.4であった。   As apparent from the graph of FIG. 7, both the fuel cell stack 50 of Example 1 and the fuel cell stack of Comparative Example 1 show substantially equivalent IV characteristics in the low current region, but in the high current region. There was a difference between the two. As shown in the graph of FIG. 7, the value of I at which V = 0.6 was 1.0 in the fuel cell stack of Comparative Example 1, whereas it was 1.4 in the fuel cell stack of Example 1. Met.

即ち、実施例1の燃料電池スタック50の方が、比較例1の燃料電池スタックに比べ、高電流領域における電圧降下が小さく、優れたI−V特性を示した。これは、実施例1の燃料電池スタック50を構成する燃料電池セル10の水の排出性が、比較例1の燃料電池スタックを構成する燃料電池セル100の排出性より向上したためであると考えられる。つまり、燃料電池セル10の水の排出性が向上したことにより、燃料電池セル10のガス流路が水によって閉塞されず、その結果、触媒層26,27へのガス供給性が向上し、また、酸化剤ガスの圧力損失が低く抑制されたためであると考えられる。   That is, the fuel cell stack 50 of Example 1 had a smaller voltage drop in the high current region than the fuel cell stack of Comparative Example 1, and exhibited excellent IV characteristics. This is considered to be because the water discharging property of the fuel cell 10 constituting the fuel cell stack 50 of Example 1 is improved from the discharging property of the fuel cell 100 constituting the fuel cell stack of Comparative Example 1. . That is, since the water discharge performance of the fuel battery cell 10 is improved, the gas flow path of the fuel battery cell 10 is not blocked by water, and as a result, the gas supply performance to the catalyst layers 26 and 27 is improved. This is probably because the pressure loss of the oxidant gas was suppressed to a low level.

[実施例2,比較例2]
実施例2として、第1,2多孔体21,22を構成する第1,2網材21a,22aに対する荷重試験を行った。
[Example 2, Comparative Example 2]
As Example 2, a load test was performed on the first and second net members 21a and 22a constituting the first and second porous bodies 21 and 22.

この実施例2では、第1,2網材21a,22aとして、繊維相当直径70μmのチタン繊維から作製されたチタン焼結板を供試体とした。供試体へ印加する荷重量(面圧の大きさ)は徐々に増加させつつ、荷重印加時及びその荷重を除荷した時(除荷時)における供試体の厚さの測定を行った。そして、所定の荷重量に到達した後、印加する荷重量を徐々に減少させつつ、再度、荷重印加時及び除荷時における供試体の厚さの測定を行った。   In Example 2, a titanium sintered plate made of titanium fibers having a fiber equivalent diameter of 70 μm was used as the specimens as the first and second net members 21a and 22a. While increasing the amount of load applied to the specimen (surface pressure), the thickness of the specimen was measured when the load was applied and when the load was unloaded (unloading). Then, after reaching a predetermined load amount, the thickness of the specimen was measured again during load application and unloading while gradually decreasing the load amount to be applied.

その結果を図8に示す。図8は、実施例2の荷重試験における、面圧と供試体の厚さとの関係を示すグラフである。ここで、図8のグラフにおいて、横軸は、面圧(単位:kgf/cm)を示し、図8における向かって左から右の方向へ向かうほど印加された面圧が大きいことを示す。また、縦軸は、供試体の厚さ(単位:mm)を示す。なお、図8のグラフにおいて、シンボル「■」は、荷重印加時の測定値であり、シンボル「●」は、除荷時の測定値である。 The result is shown in FIG. FIG. 8 is a graph showing the relationship between the surface pressure and the thickness of the specimen in the load test of Example 2. Here, in the graph of FIG. 8, the horizontal axis indicates the surface pressure (unit: kgf / cm 2 ), and the applied surface pressure increases from the left to the right in FIG. The vertical axis indicates the thickness (unit: mm) of the specimen. In the graph of FIG. 8, the symbol “■” is a measured value at the time of applying a load, and the symbol “●” is a measured value at the time of unloading.

図8のグラフから明らかなように、繊維相当直径70μmのチタン繊維から作製された供試体は、供試体へ印加する面圧の増加過程においても、その後の減少過程においても、印加された荷重(面圧)を除荷した場合に、供試体の厚さが十分に復元することを示した。   As is apparent from the graph of FIG. 8, the specimen prepared from titanium fiber having a fiber equivalent diameter of 70 μm is applied with an applied load (in the increasing process of the surface pressure applied to the specimen and in the subsequent decreasing process) It was shown that the thickness of the specimen was fully restored when the surface pressure was unloaded.

一方、比較例2として、繊維相当直径40μmのチタン繊維から作製されたチタン焼結板を供試体とし、実施例2と同様の荷重試験を行った。   On the other hand, as Comparative Example 2, a load test similar to that of Example 2 was performed using a titanium sintered plate made of titanium fiber having a fiber equivalent diameter of 40 μm as a specimen.

その結果を図9に示す。図9は、比較例2の荷重試験における、面圧と供試体の厚さとの関係を示すグラフである。ここで、図9において、横軸は、面圧(単位:kgf/cm)を示し、図8と同様に向かって左から右の方向へ向かうほど印加された面圧が大きいことを示す。また、縦軸は、供試体の厚さ(単位:mm)を示す。なお、図9のグラフにおいて、シンボル「■」は、荷重印加時の測定値であり、シンボル「●」は、除荷時の測定値である。 The result is shown in FIG. FIG. 9 is a graph showing the relationship between the surface pressure and the thickness of the specimen in the load test of Comparative Example 2. Here, in FIG. 9, the horizontal axis indicates the surface pressure (unit: kgf / cm 2 ), and indicates that the applied surface pressure increases from left to right as in FIG. 8. The vertical axis indicates the thickness (unit: mm) of the specimen. In the graph of FIG. 9, the symbol “■” is a measured value at the time of applying a load, and the symbol “●” is a measured value at the time of unloading.

図9のグラフから明らかなように、繊維相当直径40μmのチタン繊維から作製された供試体は、特に、供試体へ印加する面圧の減少過程において、除荷時に供試体の厚さが殆ど復元しなくなることを示した。   As is apparent from the graph of FIG. 9, the specimen made from titanium fiber having a fiber equivalent diameter of 40 μm is almost restored to the thickness of the specimen at the time of unloading, particularly in the process of decreasing the surface pressure applied to the specimen. Showed that it will not.

よって、実施例2及び比較例2の結果から、第1,2網材21a,22aを構成するチタン繊維の繊維相当直径を約60μm以上とすることにより、燃料電池セルの構成時に印加された分担荷重による荷重抜けの発生を好適に防止できるのに十分な強度及び弾性を第1,2網材21a,22aに付与できると考えられる。   Therefore, based on the results of Example 2 and Comparative Example 2, by making the fiber equivalent diameter of the titanium fibers constituting the first and second mesh members 21a and 22a about 60 μm or more, the sharing applied during the construction of the fuel cells. It is considered that sufficient strength and elasticity can be imparted to the first and second net members 21a and 22a to suitably prevent the occurrence of load loss due to the load.

[実施例3]
実施例3として、第1,2網材21a,22aを構成するチタン繊維の繊維相当直径が違う以外は同じ条件下で、燃料電池スタック50のI−V特性を確認した。
[Example 3]
As Example 3, the IV characteristics of the fuel cell stack 50 were confirmed under the same conditions except that the fiber equivalent diameters of the titanium fibers constituting the first and second net members 21a and 22a were different.

その結果を図10に示す。図10は、燃料電池スタック50のI−V特性を示すグラフである。図10のグラフにおいて、横軸は、単位面積あたりの電流I(単位:A/cm)を示し、図10における向かって左から右の方向へ向かうほど高電流であることを示す。また、縦軸は、電圧(単位:V)を示す。 The result is shown in FIG. FIG. 10 is a graph showing the IV characteristics of the fuel cell stack 50. In the graph of FIG. 10, the horizontal axis indicates the current I (unit: A / cm 2 ) per unit area, and the higher the current is from left to right in FIG. The vertical axis represents voltage (unit: V).

図10のグラフにおいて、シンボル「●」は、繊維相当直径がR1であるチタン繊維から作製された第1,2網材21a,22aを供試体とした場合の測定値であり、シンボル「○」は、繊維相当直径がR2であるチタン繊維から作製された第1,2網材21a,22aを供試体とした場合の測定値である。なお、繊維相当直径R2は、繊維相当直径R1より大きい径である(即ち、R2>R1)。   In the graph of FIG. 10, the symbol “●” is a measured value when the first and second mesh materials 21 a and 22 a made from titanium fibers having an equivalent fiber diameter of R1 are used as test specimens, and the symbol “◯”. These are measured values when the first and second net members 21a and 22a made of titanium fibers having an equivalent fiber diameter of R2 are used as specimens. The fiber equivalent diameter R2 is larger than the fiber equivalent diameter R1 (that is, R2> R1).

図10のグラフから明らかなように、低電流側(図10のグラフにおける左側)では、繊維相当直径の違いによるI−V特性の差は殆ど生じなかったが、高電流側(図10のグラフにおける右側)繊維相当直径の違いによる差が生じた。即ち、供試体を構成する繊維相当直径が大きくなる程、高電流側での電圧降下が大きくなることを示した。   As apparent from the graph of FIG. 10, on the low current side (left side in the graph of FIG. 10), there was almost no difference in IV characteristics due to the difference in fiber equivalent diameter, but on the high current side (graph of FIG. 10). A difference due to the difference in fiber equivalent diameter occurred. That is, it was shown that the voltage drop on the high current side increases as the fiber equivalent diameter constituting the specimen increases.

この結果は、供試体を構成する繊維相当直径が大きくなる程、供試体の繊維間ピッチが広がり、集電効率が低下したことに起因すると考えられる。よって、第1,2網材21a,22aを構成するチタン繊維の繊維相当直径は、太すぎると集電効率の低下を招くために好ましくなく、約150μm以下であることが好ましいと推定される。   This result is considered to be due to the fact that the fiber-to-fiber pitch of the specimen increases and the current collection efficiency decreases as the equivalent fiber diameter constituting the specimen increases. Therefore, if the fiber equivalent diameter of the titanium fiber constituting the first and second net members 21a and 22a is too large, it is not preferable because the current collection efficiency is lowered, and it is presumed that it is preferably about 150 μm or less.

[実施例4]
実施例4として、第1,2網材21a,22aにおける空孔の気孔率と、燃料電池セル10におけるガスの圧力損失との関係について確認を行った。具体的には、第2網材22aにおける空孔の気孔率は一定とする一方で、第1網材21a(約40mm×約40mm×約1mm)における空孔の気孔率を変化させた複数の燃料電池セル10を供試体として作製し、各供試体における常温での乾燥ガス(乾燥した酸化剤ガス)の圧力損失を、3種類の異なる電流量について測定した。ガスの流入量は、3.3リットル(normal)/minとした。
[Example 4]
As Example 4, the relationship between the porosity of the pores in the first and second net members 21a and 22a and the pressure loss of the gas in the fuel cell 10 was confirmed. Specifically, while the porosity of the pores in the second mesh member 22a is constant, a plurality of pores in the first mesh member 21a (about 40 mm × about 40 mm × about 1 mm) are changed. The fuel cell 10 was produced as a specimen, and the pressure loss of the dry gas (dried oxidant gas) at room temperature in each specimen was measured for three different amounts of current. The amount of gas flow was 3.3 liters / min.

その結果を図11に示す。図11は、第1網材21aの気孔率とガスの圧力損失との関係を示すグラフである。図11のグラフにおいて、横軸は、気孔率(単位:%)を示す。また、縦軸は、ガスの圧力損失(単位:Pa)を示し、図11における下から上へ向かうほど圧力損失が大きいことを示す。   The result is shown in FIG. FIG. 11 is a graph showing the relationship between the porosity of the first net member 21a and the pressure loss of the gas. In the graph of FIG. 11, the horizontal axis indicates the porosity (unit:%). The vertical axis indicates the gas pressure loss (unit: Pa), and the pressure loss increases from the bottom to the top in FIG.

なお、図11のグラフにおいて、曲線J1は、電流量が1A/cmの場合における、第1網材21aの気孔率とガスの圧力損失との関係を示す曲線であり、曲線J2は、電流量が2A/cmの場合における、第1網材21aの気孔率とガスの圧力損失との関係を示す曲線であり、曲線J3は、電流量が3A/cmの場合における、第1網材21aの気孔率とガスの圧力損失との関係を示す曲線である。 In the graph of FIG. 11, the curve J1 is a curve showing the relationship between the porosity of the first mesh member 21a and the pressure loss of the gas when the current amount is 1 A / cm 2 , and the curve J2 is the current J It is a curve showing the relationship between the porosity of the first mesh member 21a and the gas pressure loss when the amount is 2 A / cm 2 , and the curve J3 is the first mesh when the current amount is 3 A / cm 2. It is a curve which shows the relationship between the porosity of the material 21a, and the pressure loss of gas.

図11のグラフから明らかなように、曲線J1,J2,J3はいずれも、第1網材21aの気孔率が50%以下となった場合に、ガスの圧力損失が急激に増大した。よって、第1網材21a(又は、第2網材22a)における空孔の気孔率を約50%以上とすることにより、酸化剤ガス流路(又は、燃料ガス流路)を流通する酸化剤ガス(又は、燃料ガス)の圧力損失を低く抑制することができるので、燃料電池セル10、特に、常圧系で作動する燃料電池セル10であっても優れた発電性能を発揮させることができると考えられる。   As is clear from the graph of FIG. 11, in all of the curves J1, J2, and J3, when the porosity of the first net member 21a is 50% or less, the pressure loss of the gas increased rapidly. Therefore, the oxidant flowing through the oxidant gas flow path (or the fuel gas flow path) by setting the porosity of the pores in the first mesh material 21a (or the second mesh material 22a) to about 50% or more. Since the pressure loss of the gas (or fuel gas) can be suppressed low, even the fuel cell 10, particularly the fuel cell 10 operating in a normal pressure system, can exhibit excellent power generation performance. it is conceivable that.

[実施例5]
実施例5として、燃料電池セル10におけるガス流路の流路高さ(酸化剤ガスの流路の流路高さh1,燃料ガスの流路の流路高さh2)と、燃料電池セル10におけるガスの圧力損失との関係について確認を行った。
[Example 5]
As Example 5, the height of the gas flow path in the fuel battery cell 10 (the flow path height h2 of the oxidant gas flow path, the flow path height h2 of the fuel gas flow path), and the fuel battery cell 10 The relationship with the gas pressure loss was confirmed.

具体的には、燃料電池セル10におけるアノード電極14側における流路高さh2(第2網材22aの厚さ)を一定(1.5mm)とする一方で、カソード電極13側における流路高さh1(第1網材21aの厚さ)を変化させた複数の燃料電池セル10を供試体として作製し、各供試体における常温での乾燥ガス(乾燥した酸化剤ガス)の圧力損失を測定した。なお、ガスの流入量は、3.3リットル(normal)/minとした。また、第1,2網材21a,22aとして約40mm×約40mm四方のものを用いた。   Specifically, the flow path height h2 (thickness of the second net member 22a) on the anode electrode 14 side in the fuel cell 10 is constant (1.5 mm), while the flow path height on the cathode electrode 13 side is set. A plurality of fuel cells 10 having different thicknesses h1 (thickness of the first net member 21a) are produced as test specimens, and the pressure loss of the dry gas (dried oxidant gas) at normal temperature in each specimen is measured. did. The inflow of gas was 3.3 liters (normal) / min. The first and second net members 21a and 22a were about 40 mm × about 40 mm square.

その結果を図12に示す。図12は、燃料電池セル10におけるカソード電極13側における流路高さh1と、ガスの圧力損失との関係を示すグラフである。図12のグラフにおいて、横軸は、カソード電極13側における流路高さh1(単位:mm)を示し、縦軸は、ガスの圧力損失(単位:Pa)を示す。   The result is shown in FIG. FIG. 12 is a graph showing the relationship between the flow path height h1 on the cathode electrode 13 side in the fuel cell 10 and the gas pressure loss. In the graph of FIG. 12, the horizontal axis indicates the flow path height h1 (unit: mm) on the cathode electrode 13 side, and the vertical axis indicates the gas pressure loss (unit: Pa).

図12のグラフから明らかなように、燃料電池セル10におけるカソード電極14側の流路高さh1が0.3mm以下となった場合に、ガスの圧力損失が急激に増大した。よって、燃料電池セル10におけるガス流路の流路高さ(酸化剤ガスの流路の流路高さh1)を約0.3mm以上とすることにより、ガス流路(酸化剤ガス流路)を流通するガス(酸化剤ガス)の圧力損失を低く抑制することができるので、燃料電池セル10、特に、常圧系で作動する燃料電池セル10であっても優れた発電性能を発揮させることができると考えられる。   As is apparent from the graph of FIG. 12, when the flow path height h1 on the cathode electrode 14 side in the fuel cell 10 is 0.3 mm or less, the pressure loss of the gas increased rapidly. Therefore, by setting the flow path height of the gas flow path in the fuel cell 10 (the flow path height h1 of the oxidant gas flow path) to about 0.3 mm or more, the gas flow path (oxidant gas flow path) The pressure loss of the gas (oxidant gas) flowing through the fuel cell can be suppressed to a low level, so that even the fuel battery cell 10, particularly the fuel battery cell 10 operating in a normal pressure system, exhibits excellent power generation performance. It is thought that you can.

本発明の一実施形態における燃料電池スタックから構成される燃料電池システムを示す模式図である。It is a mimetic diagram showing a fuel cell system constituted from a fuel cell stack in one embodiment of the present invention. 燃料電池スタックを模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows a fuel cell stack typically. 第1多孔体を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows a 1st porous body typically. セパレータを模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows a separator typically. 膜電極接合体を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows a membrane electrode assembly typically. (a)は、燃料電池セルを模式的に示す断面図であり、(b)は、(a)におけるE部の拡大断面図である。(A) is sectional drawing which shows a fuel battery cell typically, (b) is an expanded sectional view of the E section in (a). 実施例1及び比較例1におけるI−V特性を示すグラフである。6 is a graph showing IV characteristics in Example 1 and Comparative Example 1. 実施例2の荷重試験における、面圧と供試体の厚さとの関係を示すグラフである。4 is a graph showing a relationship between a surface pressure and a thickness of a specimen in a load test of Example 2. 比較例2の荷重試験における、面圧と供試体の厚さとの関係を示すグラフである。6 is a graph showing a relationship between a surface pressure and a thickness of a specimen in a load test of Comparative Example 2. 燃料電池スタックのI−V特性を示すグラフである。It is a graph which shows the IV characteristic of a fuel cell stack. 第1網材の気孔率とガスの圧力損失との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the porosity of a 1st net material, and the pressure loss of gas. 燃料電池セルにおけるカソード電極側における流路高さと、ガスの圧力損失との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the flow path height in the cathode electrode side in a fuel battery cell, and the pressure loss of gas. 従来の燃料電池セルの分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of the conventional fuel cell. 図13の燃料電池セルで使用される膜電極接合体を模式的に示す拡大一部断面図である。FIG. 14 is an enlarged partial cross-sectional view schematically showing a membrane electrode assembly used in the fuel battery cell of FIG. 13.

符号の説明Explanation of symbols

10 燃料電池セル
21a 第1網材(導電性網材)
22a 第2網材(導電性網材)
23 プレート
25 固体高分子電解質膜
26 触媒層(カソード触媒層)
27 触媒層(アノード触媒層)
50 燃料電池スタック
10 Fuel cell 21a First mesh material (conductive mesh material)
22a Second mesh material (conductive mesh material)
23 Plate 25 Solid polymer electrolyte membrane 26 Catalyst layer (cathode catalyst layer)
27 Catalyst layer (Anode catalyst layer)
50 Fuel cell stack

Claims (3)

固体高分子電解質膜と、
前記固体高分子電解質膜の一方に当接し触媒を含有する、アノード触媒層と、
前記固体高分子電解質膜の他方に当接し触媒を含有する、カソード触媒層と、
表面に親水性を有し、前記カソード触媒層の前記固体高分子電解質膜に当接される面とは反対の面に電気的に接続された状態で配設され、3次元網目構造により酸化剤ガスの流路となる多数の空孔が形成された導電性繊維からなる板状の導電性網材と、
前記導電性網材における前記カソード触媒層を向く面とは反対の面に当接し、ガス遮断性を有する導電性のプレートとを備え、
前記導電性網材は、前記導電性繊維の繊維相当直径が、60μm以上、かつ、150μm以下であり、前記空孔による気孔率が、50%以上、かつ、95%以下であることを特徴とする燃料電池セル。
A solid polymer electrolyte membrane;
An anode catalyst layer in contact with one of the solid polymer electrolyte membranes and containing a catalyst;
A cathode catalyst layer in contact with the other of the solid polymer electrolyte membrane and containing a catalyst;
The surface has hydrophilicity and is disposed in a state of being electrically connected to the surface of the cathode catalyst layer opposite to the surface in contact with the solid polymer electrolyte membrane. A plate-like conductive net material made of conductive fibers in which a large number of pores serving as gas flow paths are formed;
A conductive plate having a gas barrier property in contact with a surface opposite to the surface facing the cathode catalyst layer in the conductive mesh material;
The conductive mesh material has a fiber equivalent diameter of the conductive fibers of 60 μm or more and 150 μm or less, and a porosity due to the pores is 50% or more and 95% or less. Fuel cell.
前記酸化剤ガスの流路の流路高さが0.3mm以上であることを特徴とする請求項1記載の燃料電池セル。   The fuel cell according to claim 1, wherein a flow path height of the oxidant gas flow path is 0.3 mm or more. 請求項1又は請求項2に記載の燃料電池セルを複数備え、
前記複数のセルを電気的に直列接続することによって構成される燃料電池スタック。




A plurality of fuel cells according to claim 1 or 2,
A fuel cell stack configured by electrically connecting the plurality of cells in series.




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