JP2004063098A

JP2004063098A - Current collector plate for polymer electrolyte fuel cells

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Publication number: JP2004063098A
Application number: JP2002215709A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Wada; 和田　正弘; Masaaki Kato; 加藤　公明; Hirochika Ueno; 上野　博規
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2002-07-24
Filing date: 2002-07-24
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2022-07-24
Also published as: JP3982356B2

Abstract

【課題】生成水を空気電極層から効率よく取り除くことにある。
【解決手段】空気電極層（酸化剤電極層）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とを備えてなり、緻密吸水層５１は、空気電極層３側および発泡焼結金属層６１側に開口するとともに空気電極層３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、かつ空気電極層３に向かう方向に貫通する空気（酸化剤ガス）が通過可能で細孔より大径の複数の貫通孔６１ａを有しており、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、かつ少なくとも緻密吸水層６１に沿う方向に互いに連通する空気が通過可能で細孔より大径の複数の発泡空孔６２ａを有する構成になっている。
【選択図】　　　図２An object of the present invention is to efficiently remove generated water from an air electrode layer.
The dense water absorbing layer includes a dense water absorbing layer located on an air electrode layer (oxidant electrode layer) side, and a foamed sintered metal layer laminated on the dense water absorbing layer. A plurality of pores which are open on the air electrode layer 3 side and the foamed sintered metal layer 61 side and have a size capable of sucking water generated on the air electrode layer 3 side by capillary action. Has a plurality of through-holes 61a having a diameter larger than the pores, through which air (oxidizing gas) penetrating in the direction toward the inner wall extends, and the foamed sintered metal layer 62 opens to the dense water-absorbing layer 61 side. It is configured to have a plurality of foamed pores 62a which are communicated with the through-holes 61a and at least allow air communicating with each other in a direction along the dense water absorbing layer 61 to pass therethrough, and have a diameter larger than the pores.
[Selection] Fig. 2

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（Ｈ_２）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、
Ｈ_２→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、
１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ　…（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】
空気電極層３　　：カーボンペーパを使用
厚さ×縦×横＝０．２８×３０×３０ｍｍ
体積抵抗率：０．０８Ωｃｍ
セパレータ４、５：ＳＵＳ３１６Ｌを使用
厚さ×縦×横＝２×３０×３０ｍｍ
集電板６との接触面を♯６００で研磨
【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]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a current collector plate of a polymer electrolyte fuel cell, which is laminated on at least the oxidant electrode layer among the fuel electrode layer and the oxidant electrode layer laminated on both sides of the electrolyte membrane, and particularly relates to a portable device. 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 solid polymer 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 provided on both sides of a solid polymer electrolyte membrane 1. And a

separator having separators

4 and 5 disposed along the outer surfaces of the hydrogen electrode layer 2 and the air electrode layer 3, respectively, as a unit cell, and a stack structure in which a plurality of the unit cells are stacked. It has been known.
[0003]
The electrolyte membrane 1 has a thickness of, for example, 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 4a for supplying a fuel gas (containing hydrogen) to the entire surface of the hydrogen electrode layer 2 is formed in one separator 4, and an oxidizing groove is formed in the other separator 5. A groove 5a for supplying a chemical gas (containing 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 oxidizing gas, for example, air is used.
In the polymer electrolyte fuel cell configured as described above, electricity can be generated by a chemical reaction as shown in FIG. Hydrogen (H ₂ ) Are hydrogen ions (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 through the electrolyte membrane 1 to the air electrode layer 3 side, and are used by the action of the catalyst A to reduce the oxygen supplied to the air electrode layer 3 together with the electrons supplied from the external electric circuit. That is,
1 / 2O ₂ + 2H ⁺ + 2e ⁻ → H ₂ O ... (2)
Is generated, and water is generated (hereinafter, this water is referred to as generated water). Since the electrons on the hydrogen electrode layer 2 flow to the air electrode layer 3 through, for example, an external load, the electrons 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 above-mentioned polymer electrolyte fuel cell, when the operation is continuously performed, the above-mentioned generated water covers the surface of the air electrode 3 as a liquid film, and oxygen is hardly supplied to the electrolyte membrane 1. Become. For this reason, there is a problem that the electromotive force sharply decreases.
[0007]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and has been made in consideration of the above problem. The current collection of a polymer electrolyte fuel cell capable of generating high power and stable electric power by efficiently removing generated water from an oxidant electrode layer. The task is to provide boards.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problem, the current collector plate of the polymer electrolyte fuel cell according to claim 1 is stacked on one surface of an electrolyte membrane, and a fuel gas having hydrogen is supplied to a surface on the opposite side of the electrolyte membrane. And a fuel electrode layer supplied to the oxidant gas layer that is stacked on the other surface of the electrolyte membrane and an oxidant gas having oxygen is supplied to 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, wherein a dense water absorbing layer located on the oxidant electrode layer side and foam sintering laminated on the dense water absorbent layer The dense water-absorbing layer has a size capable of opening to the oxidant electrode layer side and the foam sintered metal layer side and capable of sucking water generated on the oxidant electrode layer side by capillary action. Having a plurality of pores, and the oxidant electrode layer The oxidizing gas that penetrates in the contracting direction has a plurality of through holes that can pass therethrough and is larger in diameter than the pores, and the foamed sintered metal layer opens to the dense water absorbing layer side and has a through hole. And at least a plurality of foamed pores larger than the fine pores and capable of passing the oxidizing gas communicating with each other at least in a direction along the dense water absorbing layer.
[0009]
According to a second aspect of the present invention, there is provided a current collector plate for a polymer electrolyte fuel cell according to the first aspect, wherein the foamed sintered metal layer is opened to the dense water absorbing layer side and communicates with the pores. And a plurality of pores smaller in diameter than the foamed pores and the through-holes, capable of sucking the water that opens to the foamed pore side by capillary action, and The holes are characterized by being formed by interparticle holes of the powder metal constituting the foamed sintered metal layer.
[0010]
According to a third aspect of the present invention, there is provided a current collector plate of a polymer electrolyte fuel cell, wherein the dense water-absorbing layer is formed of a sintered metal mainly composed of a powdered metal. The pores of the dense water-absorbing layer are characterized by being formed by inter-particle holes of the powder metal constituting the dense water-absorbing layer.
[0011]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a current collector plate for a polymer electrolyte fuel cell according to any one of the first to third aspects, wherein the average pore diameter of the pores is 0.1 to 40 μm, And the average pore diameter of the foamed pores is 0.15 to 3 mm.
[0012]
In the invention described in 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 contacts the oxidant electrode layer is larger than when the foamed sintered metal layer is directly laminated on the oxidant electrode layer, and thus the generated water is efficiently sucked toward the dense water-absorbent layer. can do.
[0013]
Further, since the pores are formed with a smaller diameter than the through holes and the foamed pores, the generated water is drawn closer to the pores than the through holes and the foamed pores. For this reason, it is possible to prevent the generated water from staying on the side of the through hole or the foamed pore. That is, the oxidant gas can be reliably supplied to the oxidant electrode layer through the foamed pores and the through holes.
[0014]
Moreover, since the foamed pores are open to the dense water-absorbing layer side, the water generated by the pores of the dense water-absorbing layer is efficiently evaporated into the oxidizing gas passing through the foamed pores, and the oxidation It is 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 oxidizing agent electrode layer, and also can be prevented from staying in the foamed pores or through holes. In addition, the oxidant electrode layer can be reliably supplied to the oxidant electrode layer via the through hole, and the oxidant electrode layer can be supplied without interruption to the electrolyte membrane side. Therefore, high power and stable power can be generated.
[0016]
In addition, since the contact area between the current collector and the oxidant electrode layer is increased, the contact resistance between the current collector 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 polymer electrolyte fuel cell can be improved.
[0017]
In addition, when the polymer electrolyte fuel cell is used without specifying its direction, for example, when 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 of the oxidant electrode layer may face obliquely upward or upward in the horizontal direction. It can be discharged without interruption to maintain stable high-output power.
[0018]
According to the second aspect of the invention, the generated water efficiently sucked by the dense water-absorbing layer is sucked by the fine pores of the foamed sintered metal layer and moves to the foamed pore side. In this case, since the surface area of each of the foamed pores is extremely large, the generated water sucked up to each of the foamed pores evaporates very efficiently into the oxidizing gas and is carried out from the current collector plate together with the oxidizing gas. Become.
Therefore, the generated water can be reliably prevented from staying in or on the surface of the oxidant electrode layer, so that a higher output and more stable power can be supplied.
[0019]
Further, since the pores of the foamed sintered metal layer are formed by the interparticle voids of the powdered metal, the cost of the foamed sintered metal layer having the pores can be reduced.
[0020]
According to the third aspect of the present invention, since the dense water absorbing layer is formed of a sintered metal and the pores of the dense water absorbing layer are formed of interparticle pores of the powdered metal, the dense water absorbing layer having the fine pores The layers can be manufactured at low cost. Therefore, the cost of the dense water absorbing layer can be reduced.
[0021]
According to the fourth aspect of the present invention, since the average pore diameter of the pores is 0.1 to 40 μm, the generated water flowing out to the surface of the oxidant electrode layer can be efficiently sucked by capillary action.
Further, since the average pore diameter of the through holes and the foamed pores is 0.15 to 3 mm, the oxidant gas can flow along the surface of the oxidant electrode layer, and the oxidant gas can be passed through the oxidant electrode layer. It can be reliably supplied to the surface. In addition, since an appropriate fluid resistance is generated by the foamed 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 be 0.1 to 20 μm from the viewpoint of improving the suction of water generated by capillary action.
On the other hand, when the average pore diameter of the through holes and the foamed pores is set to 0.2 to 2 mm, the flowability of the oxidant gas is improved, and the oxidant gas having a predetermined pressure is applied to the surface of the oxidant electrode layer. It is more preferable in supply.
[0023]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, components common to the components shown in the conventional example are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be simplified.
[0024]
As shown in FIG. 1, the current collector plate 6 shown in this embodiment is installed between the other separator 5 and the air electrode layer (oxidant electrode layer) 3 in the polymer electrolyte fuel cell. Has become.
[0025]
That is, the polymer electrolyte fuel cell is stacked on one surface of the electrolyte membrane 1, and the fuel gas containing hydrogen (in this embodiment, almost 100% of hydrogen) is applied to the surface on the opposite side of the electrolyte membrane 1. The hydrogen electrode layer (fuel electrode layer) 2 supplied to 2a and the oxidizing gas (air in this embodiment), which is laminated on the other surface of the electrolyte membrane 1 and has oxygen, And an air electrode layer (oxidant electrode layer) 3 supplied to the opposite surface 3a.
[0026]
One separator 4 is provided on the hydrogen electrode layer 2 side so as to be stacked on the surface 2 a of the hydrogen electrode layer 2.
On the air electrode layer 3 side, a current collecting plate 6 is laminated on the surface 3 a of the air electrode layer 3, and the other separator 5 is provided so as to be further laminated on the current collecting plate 6. I have.
[0027]
As shown in FIGS. 1 and 2, the current collector plate 6 integrally forms a dense water absorbing layer 61 located on the air electrode layer 3 side and a foamed sintered metal layer 62 laminated on the dense water absorbing layer 61. It is composed 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, and the respective sintered bodies are formed. After overlapping, it is also possible to join by a technique such as diffusion joining. However, it is preferable to form the dense water-absorbing layer 61, apply a foamed sintered metal slurry on the dense water-absorbing layer 61, and then sinter the slurry so as to integrally form the slurry. Thereby, the joined portion has a continuous sintered structure, and becomes a current collector plate having more excellent electric conductivity.
[0029]
As shown in FIG. 2, the dense water-absorbing layer 61 is open to the air electrode layer 3 side and the foam 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 and a plurality of through-holes 61 a penetrating in a direction toward the air electrode layer 3. Each through-hole 61a is formed by a circular hole through which an oxidizing gas can pass and which has a larger diameter than the above-mentioned fine hole. The pores 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 and communicates with the through-hole 61a, and opens to the other separator 5 side to communicate with the groove 5a. It has a plurality of foamed pores 62 a communicating with each other in a direction along the layer 61 and in a direction toward the dense water absorbing layer 61. The foamed pores 62a have a size that allows the oxidant gas to pass through and is smaller than the pores.
[0031]
The current collector plate 6 is formed in the shape of a rectangular thin plate 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 foamed sintered metal layer 62. Is formed to a thickness of 0.03 to 1.0 mm. Note that the foamed pores 62a shown in this embodiment are connected in a mesh pattern in all directions by a skeleton 62b that extends so as to branch in a three-dimensional direction. Therefore, the foamed pores 62 a are also opened at the respective end surfaces of the peripheral portion of the foamed sintered metal layer 62.
[0032]
The dense water-absorbing layer 61 is made of stainless steel (SUS316L is used in this embodiment using JIS symbol) powder, which is an iron-based alloy powder, as a raw material powder (powder metal). It is formed by sintering using a non-foaming slurry obtained by mixing 5 to 15% by weight of methylcellulose as a binder and the remainder having water and inevitable impurities by a kneader. The raw material powder has an average particle diameter of 10 μm excluding a particle diameter of 5 μm or less and 15 μm or more. The pores are formed by interparticle pores of the raw material powder constituting the dense water absorbing layer 61.
[0033]
On the other hand, the foamed sintered metal layer 62 is made of stainless steel (SUS316L is used in this embodiment, JIS 316L) powder, which is an iron-based alloy powder, as a raw material powder (powder metal). 5 to 15% by weight of methylcellulose as a water-soluble resin binder, 1 to 3% by weight of an alkylbenzene sulfonate as a surfactant, 0.5 to 3% by weight of hexane as a foaming agent, the remainder being water and inevitable It is formed by sintering after foaming using a foamable slurry obtained by mixing materials to be impurities with a kneader. The raw material powder has an average particle diameter of 10 μm excluding a particle diameter of 5 μm or less and 15 μm or more.
[0034]
The skeleton 62b of the foamed sintered metal layer 62 has a plurality of pores formed of interparticle pores of the raw material powder constituting the foamed sintered metal layer 62. These pores are open to the dense water-absorbing layer 61 side, and when the foamed sintered metal layer 62 is laminated on the dense water-absorbing layer 61, the pores are communicated with the pores of the dense water-absorbing layer 61. , The other separator 5 side, each end face of the peripheral portion of the foamed sintered metal layer 62, and each foamed pore 62a side. 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 62 a and the through-holes have such a size that the generated water can be sucked by capillary action. It is formed with a smaller diameter than 61a.
[0035]
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. The porosity of the entire foamed sintered metal layer 62 is 40 to 99% by volume. The porosity is a value obtained by dividing the total volume of the foamed pores 62 a by the total volume of the foamed sintered metal layer 62, multiplying 100, and expressing the result as a percentage.
[0036]
Although FIG. 1 and the like show a state in which the electrolyte membrane 1 and the like are oriented in the horizontal direction, the electrolyte membrane 1 and the like are normally used in a state of being vertically set.
[0037]
The current collecting plate 6 is formed by a forming apparatus using the 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 into which a non-foaming slurry as a raw material of the dense water absorbing layer 61 is charged, and a foamed sintered metal layer 62. A second hopper 92, a constant temperature / high humidity bath 10, a first drying bath 111, a second drying bath 112, an unwinding reel 12, a take-up reel 13, a support roll 14, and a foaming slurry as a raw material of 15 and a punching roll 16.
[0038]
Next, a method of manufacturing the current collector 6 using the above-described molding apparatus will be described. First, the non-foamed slurry supplied to 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 foamless slurry is supplied to the carrier sheet 7 while being formed into a thin plate having a thickness of, for example, 0.14 mm by the first doctor blade 81. The non-foamed slurry thus formed in a thin plate shape is dried at a temperature of, for example, 50 to 70 ° C. and a residence time of 10 minutes by passing through the first drying degree tank 111. Thereby, the foamless slurry becomes the densely formed layer 611.
[0039]
Then, through holes having a diameter of, for example, 0.42 mm are formed in the densely formed layer 611 in a staggered manner by the punching roll 16. The punching roll 16 is formed by projecting a plurality of needles 16a for forming the through holes from the cylindrical roll surface.
[0040]
Next, after the through holes are formed, the foamable slurry charged in the second hopper 92 is placed on the densely formed layer 611 continuously fed by the carrier sheet 7. 92 is supplied from the lower end opening. At this time, the foaming slurry is supplied onto the densely formed layer 611 while being formed into a thin plate having a thickness of, for example, 0.2 mm by the second doctor blade 82.
[0041]
Then, in the constant temperature / high humidity bath 10, the foamable slurry is foamed into a sponge under the conditions of a humidity of 75 to 95%, a temperature of 30 to 40 ° C, and a residence time of 10 to 20 minutes. Further, in the second drying tank 112, by drying under the conditions of a temperature of 50 to 70 ° C. and a residence time of 50 to 70 minutes, a foam is formed on the dense molded layer 611 having a thickness of 0.14 mm. To form a foamed layer 621 having a thickness of 0.57 mm.
[0042]
Next, the laminated board of the dense molding layer 611 and the foam molding layer 621 is degreased in a vacuum at 550 to 650 ° C. for 25 to 35 minutes to remove a binder component, and further subjected to vacuum. By sintering under the conditions of 1200 to 1300 ° C. for 60 to 120 minutes, the thickness of the dense water absorbing layer 61 is 0.1 mm, the thickness of the foam sintered metal layer 62 is 0.4 mm, and the through hole is formed. A layered sintered metal plate 61a having a diameter of 0.6 mm is obtained.
[0043]
By cutting this 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 layered manner is manufactured. Note that the above cutting is preferably performed by electric discharge machining in order to open while maintaining the foamed pores 62a and the like as they are.
Then, the obtained current collector plate 6 is heated at room temperature in an aqueous solution of about 3 to 10% hydrochloric acid in order to surely exert a capillary action on the pores of the dense water absorbing layer 61 and the foamed sintered metal layer 62. Perform pickling treatment for 7 to 13 minutes. Irradiation with ultraviolet light or plasma may be performed instead of the pickling treatment. Thus, the current collector 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 through 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 to the air electrode layer 3 side through the electrolyte membrane 1.
[0045]
On the other hand, the air supplied to one end of the groove 5a of the other separator 5 flows through the inside of 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 6, and the entire surface 3 a of the air electrode layer 3 is supplied via the foamed holes 62 a and the through holes 61 a in the current collector 6. Will be. Further, the air supplied into the current collecting plate 6 flows along the dense water absorbing layer 61 and then flows out from the other end of the groove 5a.
[0046]
The air supplied to the surface 3 a of the air electrode layer 3 moves inside the porous air electrode layer 3 toward the electrolyte membrane 1. For this reason, the 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 the capillary action of the air electrode layer 3.
[0047]
Then, the current collector plate 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 absorbing layer 61. In this case, the area where the dense water-absorbing layer 61 contacts the air electrode layer 3 is wider than when the foamed sintered metal layer 62 is laminated on the air electrode layer 3 as it is, so that the generated water can be efficiently removed from the dense water-absorbing layer 61. Can be suctioned to the side.
[0048]
Then, air flows through the foamed pores 62a, and since the foamed pores 62a are open to the dense water absorbing layer 61 side, the water generated by the dense water absorbing layer 61 passes through the foamed pores 62a. It evaporates efficiently in the air and is carried out of the current collecting plate 6 together with the air.
[0049]
Further, a part of the generated water sucked by the dense water absorbing layer 61 is sucked by the pores of the foamed sintered metal layer 62 and moves to the foamed pores 62a. In this case, since the surface area of each of the foamed pores 62a is extremely large, the generated water sucked up to each of the foamed pores 62a evaporates into the air very efficiently and is carried out of the current collector plate 6 together with the air. Become.
[0050]
Further, since the pores of the dense water absorbing layer 61 and the foamed sintered metal layer 62 are formed with a smaller 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. You will be attracted to. That is, the generated water does not stay in the through holes 61a and the foamed holes 62a.
[0051]
Therefore, the generated water can be prevented from staying in the air electrode layer 3 or on the surface 3a thereof, and can also be prevented from staying in the foamed holes 62a and the through holes 61a. Oxygen in the air supplied through the through holes 61a can be supplied from the air electrode layer 3 to the electrolyte membrane 1 without interruption. Therefore, high power and stable power can be generated.
[0052]
In addition, the contact area between the current collector 6 and the air electrode layer 3 is increased by the dense water absorbing layer 61, so that the contact resistance between the current collector 6 and the air electrode layer 3 can be reduced. . Therefore, since the internal resistance on the side of the air electrode layer 3 can be reduced, the electromotive force of the polymer electrolyte fuel cell can be improved.
[0053]
In addition, when the polymer electrolyte fuel cell is used without specifying its direction, for example, when 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 usage environment of the polymer electrolyte fuel cell, the surface 3a of the air electrode layer 3 may face diagonally upward or upward in the horizontal direction. Can be discharged without interruption, and stable high-output power can be maintained.
[0054]
Furthermore, since the average pore diameter of the fine water absorption layer 61 and the sintered sintered metal layer 62 is 0.1 to 40 μm, it is possible to efficiently suck the generated water flowing out to the surface of the air electrode layer 3 by the capillary phenomenon. it can.
In addition, since the average hole diameter of the through holes 61a and the foamed holes 62a is 0.15 to 3 mm, air can flow along the surface of the air electrode layer 3 and the air can be transferred to the surface 3a of the air electrode layer 3. Can be supplied efficiently. Further, since an appropriate fluid resistance is generated by the foamed pores 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, methyl cellulose is 7.5 to 12.5% by weight, and alkylbenzene sulfonate is 1.5 to 2.5% by weight. Hexane is more preferably 1 to 2% by weight. Further, it is more preferable that the raw material powder has an average particle diameter of 10 μm excluding the particle diameter of 5 μm or less and 15 μm or more.
[0056]
Further, the average pore diameter of the pores of the dense water absorbing layer 61 and the foamed sintered metal layer 62 is more preferably set to 0.1 to 20 μm from the viewpoint of improving the suction of generated water by capillary action.
On the other hand, the average pore diameter of the through-holes 61a and the foamed pores 62a is preferably set to 0.2 to 2 mm to improve air circulation and supply air at a predetermined pressure to the surface 3a of the air electrode layer 3. It is more preferable in performing. It is more preferable that the porosity of the foamed sintered metal layer 62 be 60 to 98% by volume.
[0057]
Further, in the above-described embodiment, in the production of the dense water-absorbing layer 61 and the foamed sintered metal layer 62, an example in which stainless steel powder which is an iron-based alloy powder is used as a raw material powder has been described. Alternatively, a metal and an alloy thereof having good corrosion resistance, such as a powder of a nickel-based corrosion-resistant alloy, 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 of the separators 4 with the dense water absorbing layer 61 facing the surface 2a of the hydrogen electrode layer 2. May be installed. In this case, the water supplied together with the hydrogen is supplied to the hydrogen electrode layer 2 via the dense water absorption layer 61, and the porous hydrogen electrode layer 2 can be appropriately wetted, so that hydrogen ions are efficiently generated. Can be done. 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]
Although hydrogen and air are supplied to one end of the grooves 4a and 5a of the

separators

4 and 5 and discharged from the other end, the hydrogen and air are collected as shown in FIG. It is configured to be supplied to one end face of the electric plate 6, moved along the surfaces 2a, 3a of the

respective electrode layers

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

separators

4 and 5 become unnecessary, the manufacturing cost of the

separators

4 and 5 can be reduced.
[0061]
【Example】
Next, an experiment on the contact resistance between the current collector plate 6 and the air electrode layer 3 was performed.
1. Experimental conditions
The experiment was performed using the apparatus shown in FIG.
That is, the current collector plate 6 was laminated on the upper and lower sides of the air electrode layer 3, and the

separators

4 and 5 were laminated on the upper and lower sides thereof, and a load was applied so that they were brought into close contact with each other at a surface pressure of 3 MPa. Then, a constant current (15 A) was passed between the

separators

4 and 5, and the voltage between the

separators

4 and 5 was measured to measure the resistance R between the

separators

4 and 5.
The resistance R can be approximately 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 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 6. , R5 are resistances 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 determined 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 was obtained by multiplying the resistance value at the interface by the measured area [Ω · cm ² ] Value is generally used, (R4 + R5) is multiplied by the measured area, and the superiority is compared.
[0063]
Air electrode layer 3: Use carbon paper
Thickness x length x width = 0.28 x 30 x 30mm
Volume resistivity: 0.08Ωcm
Separator 4, 5: Use SUS316L
Thickness x length x width = 2 x 30 x 30 mm
Polish the contact surface with current collector plate 6 at $ 600
[0064]
The current collector 6 in the embodiment is
Dense water absorbing layer 61: thickness x length x width = 0.05 x 30 x 30 mm
Foam sintered metal layer 62: thickness x length x width = 0.1 x 30 x 30 mm
It is.
Note that the current collector plate 6 in the example was installed with the dense water absorbing layer 61 facing the air electrode layer 3 side.
The current collecting plate 6 in the comparative example includes:
Dense water absorption layer 61: None
Foam sintered metal layer 62: thickness x length x width = 0.15 x 30 x 30 mm
It is.
[0065]
2. Experimental result
Table 1 shows the experimental results. 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 collecting plate 6 having the dense water absorbing layer 61 had lower contact resistance than the comparative example using the current collecting plate 6 without the dense water absorbing layer 61. . That is, by using the current collector 6 provided with the dense water absorption layer 61 and the foamed sintered metal layer 62, the contact resistance between the air electrode layer 3 and the current collector 6 and the separator 4 (or 5) The sum of the contact resistance with the current collector 6 can be reduced. In the embodiment, it is difficult to measure the contact resistance between the air electrode layer 3 and the current collector 6 and the contact resistance between the separator 4 (or 5) and the current collector 6. Is easily presumed to be smaller.
[0067]
【The invention's effect】
As described above, according to the first to fourth aspects of the present invention, the generated water can be prevented from staying in the oxidizing agent electrode layer or on the surface thereof, and can stay in the foamed pores or the through holes. Therefore, the oxidizing gas can be reliably supplied to the oxidizing electrode layer through the foamed pores and the through holes, and the oxidizing gas can be continuously supplied from the oxidizing electrode layer to the electrolyte membrane side. can do. Therefore, high power and stable power can be generated.
[0068]
In addition, since the contact area between the current collector and the oxidant electrode layer is increased, the contact resistance between the current collector 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 polymer electrolyte fuel cell can be improved.
[0069]
In addition, when the polymer electrolyte fuel cell is used without specifying its direction, for example, when 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 of the oxidant electrode layer may face obliquely upward or upward in the horizontal direction. It can be discharged without interruption to 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 by the fine pores of the foamed sintered metal layer and moves to the foamed pore side. In this case, since the surface area of each of the foamed pores is extremely large, the generated water sucked up to each of the foamed pores evaporates very efficiently into the oxidizing gas and is carried out from the current collector plate together with the oxidizing gas. Become.
Therefore, the generated water can be reliably prevented from staying in or on the surface of the oxidant electrode layer, so that a higher output and more stable power can be supplied.
[0071]
Further, since the pores of the foamed sintered metal layer are formed by the interparticle voids of the powdered metal, the cost of the foamed sintered metal layer having the pores can be reduced.
[0072]
According to the third aspect of the present invention, the dense water-absorbing layer is formed of a sintered metal, and the fine pores of the dense water-absorbing layer are formed of inter-particle holes of the powdered metal. The water absorbing layer can be manufactured at low cost. Therefore, the cost of the dense water absorbing layer can be reduced.
[0073]
According to the fourth aspect of the present invention, since the average pore diameter of the pores is 0.1 to 40 μm, the generated water flowing out to the surface of the oxidant electrode layer can be efficiently sucked by capillary action.
Further, since the average pore diameter of the through holes and the foamed pores is 0.15 to 3 mm, the oxidant gas can flow along the surface of the oxidant electrode layer, and the oxidant gas can be passed through the oxidant electrode layer. It can be reliably supplied to the surface. In addition, since an appropriate fluid resistance is generated by the foamed 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 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 a forming device of the current collector plate.
FIG. 4 is a sectional view showing a unit cell of another polymer electrolyte fuel cell using the current collector.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a unit cell of still another polymer electrolyte fuel cell using the current collector.
FIG. 6 is a conceptual diagram of an apparatus used to test the effect of the current collector.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a unit cell of a conventional polymer electrolyte fuel cell.
FIG. 8 is an explanatory view 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 Foam sintered metal layer
62a foam hole

Claims

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

The foamed sintered metal layer is opened to the dense water-absorbing layer side and communicates with the pores, and the water opened to the foamed pore side can be suctioned by capillary action so that the foamed pores and Has multiple pores smaller in diameter than through holes,
2. The polymer electrolyte 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 mainly composed of powdered metal,
3. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the fine pores of the dense water absorbing layer are formed by pores between particles of the powder metal constituting the dense water absorbing layer. 4. Current collector plate.

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