JP2009277503A - Fuel cell, and fuel cell stack - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell enabling to reduce contact resistance between a metal porous body and a member adjacent to the metal porous body, and to provide a fuel cell stack. <P>SOLUTION: The fuel cell (100) includes gas diffusion layers (11, 14) provided along a membrane-electrode assembly (10), the metal porous bodies (12, 15) each functioning as a gas flow path and a collector and having a surface coated with metal, and conductive sheet members (21, 23) each provided between the gas diffusion layer and the meal porous body, having higher flexibility than the metal porous body and higher density than the gas diffusion layer, and having a through-hole passing therethrough in the thickness direction. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池および燃料電池スタックに関する。   The present invention relates to a fuel cell and a fuel cell stack.

燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率を実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。   A fuel cell is a device that generally obtains electric energy using hydrogen and oxygen as fuel. Since this fuel cell is excellent in terms of environment and can realize high energy efficiency, it has been widely developed as a future energy supply system.

この燃料電池において、反応ガスが流動するためのガス流路として、金属多孔体が用いられることがある（例えば、特許文献１参照）。この金属多孔体を用いれば、ガス流路として機能する溝が形成されたセパレータを用いなくてもよいため、燃料電池を小型化することができる。ただし、燃料電池の発電環境下においては金属多孔体が腐食するおそれがあることから、金属多孔体の導電性低下を抑制するために金属多孔体の表面に貴金属をコートすることがある。   In this fuel cell, a metal porous body may be used as a gas flow path for the reaction gas to flow (see, for example, Patent Document 1). If this metal porous body is used, it is not necessary to use a separator in which a groove functioning as a gas flow path is formed, so that the fuel cell can be reduced in size. However, since the porous metal body may corrode in the power generation environment of the fuel cell, the surface of the porous metal body may be coated with a noble metal in order to suppress the decrease in the conductivity of the porous metal body.

特開２００４−１４６２６５号公報JP 2004-146265 A

しかしながら、金属多孔体は多孔体であることから、金属多孔体と金属多孔体に隣接する部材とが点接触する傾向にある。この場合、接触抵抗が大きくなってしまう。   However, since the metal porous body is a porous body, the metal porous body and members adjacent to the metal porous body tend to be in point contact. In this case, the contact resistance is increased.

本発明は、金属多孔体と金属多孔体と隣接する部材との間の接触抵抗を低下させることができる燃料電池および燃料電池スタックを提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the fuel cell and fuel cell stack which can reduce the contact resistance between a metal porous body and the member adjacent to a metal porous body.

本発明に係る燃料電池は、膜−電極接合体に沿って設けられたガス拡散層と、ガス流路および集電体として機能し表面に金属がコートされた金属多孔体と、ガス拡散層と金属多孔体との間に設けられ金属多孔体よりも柔軟性が高く厚み方向に貫通する貫通孔を備えつつガス拡散層よりも緻密度が高く導電性を有するシート部材と、を備えることを特徴とするものである。   A fuel cell according to the present invention includes a gas diffusion layer provided along a membrane-electrode assembly, a metal porous body that functions as a gas flow path and a current collector and has a surface coated with metal, a gas diffusion layer, A sheet member that is provided between the porous metal body and has a higher flexibility than the porous metal body and penetrates in the thickness direction, and has a higher density and conductivity than the gas diffusion layer. It is what.

本発明に係る燃料電池においては、金属多孔体よりも高い柔軟性を有するシート部材がガス拡散層と金属多孔体との間に配置されていることから、シート部材と金属多孔体とが面接触するとともに、シート部材とガス拡散層とが面接触する。また、シート部材は、ガス拡散層よりも高い緻密度を有している。それにより、ガス拡散層と金属多孔体との間における接触抵抗が低下する。   In the fuel cell according to the present invention, since the sheet member having higher flexibility than the metal porous body is disposed between the gas diffusion layer and the metal porous body, the sheet member and the metal porous body are in surface contact. In addition, the sheet member and the gas diffusion layer are in surface contact. The sheet member has a higher density than the gas diffusion layer. Thereby, the contact resistance between the gas diffusion layer and the metal porous body is lowered.

金属多孔体にコートされた金属は、貴金属であってもよい。この場合、金属多孔体の導電率低下が抑制される。金属多孔体にコートされた金属は、金属多孔体表面に、粒子状または島状にコートされていてもよい。この場合、貴金属量を低下させることができる。それにより、コストを低下させることができる。また、金属多孔体を構成する金属は、チタンであってもよい。   The metal coated on the metal porous body may be a noble metal. In this case, the electrical conductivity fall of a metal porous body is suppressed. The metal coated on the metal porous body may be coated on the surface of the metal porous body in the form of particles or islands. In this case, the amount of noble metal can be reduced. Thereby, cost can be reduced. Moreover, titanium may be sufficient as the metal which comprises a metal porous body.

シート部材の開口率は、反応ガスの上流側に比較して下流側において高くなっていてもよい。この場合、膜−電極接合体への面内方向における反応ガスの供給量のばらつきを抑制することができる。それにより、発電ばらつきを抑制することができる。   The opening ratio of the sheet member may be higher on the downstream side than on the upstream side of the reaction gas. In this case, it is possible to suppress variations in the amount of reaction gas supplied to the membrane-electrode assembly in the in-plane direction. Thereby, power generation variation can be suppressed.

シート部材においては、反応ガスの上流側に比較して下流側において貫通孔数が多くてもよい。シート部材においては、反応ガスの上流側に比較して下流側において貫通孔の孔径が大きくてもよい。   In the sheet member, the number of through holes may be larger on the downstream side than on the upstream side of the reaction gas. In the sheet member, the diameter of the through hole may be larger on the downstream side than on the upstream side of the reaction gas.

本発明に係る他の燃料電池は、膜−電極接合体と、ガス流路および集電体として機能し表面に金属がコートされた金属多孔体と、金属多孔体の膜−電極接合体と反対側に設けられ表面に金属がコートされたセパレータと、金属多孔体とセパレータとの間に設けられ金属多孔体よりも柔軟性が高く金属多孔体よりも緻密度が高く導電性を有するシート部材と、を備えることを特徴とするものである。   Another fuel cell according to the present invention includes a membrane-electrode assembly, a metal porous body that functions as a gas flow path and a current collector and is coated with metal on the surface, and is opposite to the metal-porous membrane-electrode assembly. A separator provided on the side and coated with a metal on the surface, and a sheet member provided between the metal porous body and the separator, which is more flexible than the metal porous body and has a higher density and conductivity than the metal porous body; Are provided.

本発明に係る他の燃料電池においては、金属多孔体よりも高い柔軟性を有するシート部材が金属多孔体とセパレータとの間に配置されていることから、シート部材と金属多孔体とが面接触するとともに、シート部材とセパレータとが面接触する。また、シート部材は、金属多孔体よりも高い緻密度を有している。それにより、金属多孔体とセパレータとの間における接触抵抗が低下する。   In another fuel cell according to the present invention, since the sheet member having higher flexibility than the metal porous body is disposed between the metal porous body and the separator, the sheet member and the metal porous body are in surface contact. In addition, the sheet member and the separator are in surface contact. Moreover, the sheet member has a higher density than the metal porous body. Thereby, the contact resistance between a metal porous body and a separator falls.

セパレータにコートされた金属は、貴金属であってもよい。この場合、セパレータの導電率低下が抑制される。セパレータにコートされた金属は、セパレータ表面に、粒子状または島状にコートされていてもよい。この場合、貴金属量を低減させることができる。それにより、コストを低減させることができる。   The metal coated on the separator may be a noble metal. In this case, the electrical conductivity fall of a separator is suppressed. The metal coated on the separator may be coated on the separator surface in the form of particles or islands. In this case, the amount of noble metal can be reduced. Thereby, cost can be reduced.

金属多孔体にコートされた金属は、貴金属であってもよい。この場合、金属多孔体の導電率低下が抑制される。金属多孔体にコートされた金属は、金属多孔体表面に、粒子状または島状にコートされていてもよい。この場合、貴金属量を低減させることができる。それにより、コストを低減させることができる。   The metal coated on the metal porous body may be a noble metal. In this case, the electrical conductivity fall of a metal porous body is suppressed. The metal coated on the metal porous body may be coated on the surface of the metal porous body in the form of particles or islands. In this case, the amount of noble metal can be reduced. Thereby, cost can be reduced.

金属多孔体を構成する金属は、チタンであってもよい。セパレータを構成する金属は、チタンであってもよい。シート部材は、黒鉛粒子焼結体、導電性樹脂、Ａｇ焼結体シートまたは金属／樹脂複合材からなるものであってもよい。   Titanium may be sufficient as the metal which comprises a metal porous body. The metal constituting the separator may be titanium. The sheet member may be made of a graphite particle sintered body, a conductive resin, an Ag sintered body sheet, or a metal / resin composite material.

本発明に係る燃料電池スタックは、請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池が複数積層され、反応ガスの下流側における一の燃料電池のシート部材の開口率は、反応ガスの上流側における他の燃料電池に比較して高くなっていることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池スタックにおいては、各燃料電池間における反応ガスの供給量のばらつきを抑制することができる。それにより、燃料電池間における発電ばらつきを抑制することができる。   A fuel cell stack according to the present invention includes a plurality of the fuel cells according to any one of claims 1 to 7, wherein the opening ratio of the seat member of one fuel cell on the downstream side of the reaction gas is the upstream side of the reaction gas It is characterized by the fact that it is higher than other fuel cells. In the fuel cell stack according to the present invention, it is possible to suppress variations in the amount of reactant gas supplied between the fuel cells. Thereby, power generation variation between fuel cells can be suppressed.

本発明によれば、金属多孔体とガス拡散層との間の接触抵抗または金属多孔体とセパレータとの間の接触抵抗を低下させることができる。   According to the present invention, the contact resistance between the metal porous body and the gas diffusion layer or the contact resistance between the metal porous body and the separator can be reduced.

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。   Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described.

図１は、本発明の第１実施例に係る燃料電池１００の模式的断面図である。図１に示すように、燃料電池１００は、膜−電極接合体１０の一面にガス拡散層１１、金属多孔体１２およびセパレータ１３が順に積層され、膜−電極接合体１０の他面にガス拡散層１４、金属多孔体１５およびセパレータ１６が順に積層された構造を有する。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a fuel cell 100 according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, in the fuel cell 100, a gas diffusion layer 11, a porous metal body 12 and a separator 13 are sequentially laminated on one surface of the membrane-electrode assembly 10, and gas diffusion is performed on the other surface of the membrane-electrode assembly 10. The layer 14, the metal porous body 15, and the separator 16 are sequentially stacked.

膜−電極接合体１０は、電解質膜の一面にアノード触媒層が設けられ、電解質膜の他面にカソード触媒層が設けられた構造を有する。電解質膜は、プロトン伝導性電解質からなり、例えばパーフルオロスルホン酸等の固体高分子電解質からなる。アノード触媒層は、水素のプロトン化を促進する触媒を担持する導電性材料からなり、例えば白金担持カーボンからなる。カソード触媒層は、酸素とプロトンとの反応を促進する触媒を担持する導電性材料からなり、例えば白金担持カーボンからなる。   The membrane-electrode assembly 10 has a structure in which an anode catalyst layer is provided on one surface of an electrolyte membrane and a cathode catalyst layer is provided on the other surface of the electrolyte membrane. The electrolyte membrane is made of a proton conductive electrolyte, for example, a solid polymer electrolyte such as perfluorosulfonic acid. The anode catalyst layer is made of a conductive material that supports a catalyst that promotes protonation of hydrogen, for example, platinum-supported carbon. The cathode catalyst layer is made of a conductive material that supports a catalyst that promotes the reaction between oxygen and protons, for example, platinum-supported carbon.

ガス拡散層１１，１４は、導電性およびガス透過性を有する材料からなり、例えばカーボンペーパ、カーボンクロス等のカーボン材料からなる。金属多孔体１２，１５は、ガス拡散層１１，１４よりも硬い導電性材料からなり、チタン等からなる発泡金属、金属メッシュ等の金属多孔体または金属三次元構造体からなる。本実施例においては、金属多孔体１２，１５は、発泡チタンからなる。金属多孔体１２，１５の耐食性向上のため、金属多孔体１２，１５の表面に金等の貴金属がコートされている。セパレータ１３，１６は、導電性材料からなり、例えばチタン等からなる。セパレータ１３，１６の耐食性向上のため、セパレータ１３，１６の表面に金等の貴金属がコートされている。   The gas diffusion layers 11 and 14 are made of a material having conductivity and gas permeability, for example, a carbon material such as carbon paper or carbon cloth. The metal porous bodies 12 and 15 are made of a conductive material harder than the gas diffusion layers 11 and 14, and are made of a metal porous body such as a foam metal made of titanium or the like, a metal mesh, or a metal three-dimensional structure. In this embodiment, the metal porous bodies 12 and 15 are made of titanium foam. In order to improve the corrosion resistance of the metal porous bodies 12 and 15, the surfaces of the metal porous bodies 12 and 15 are coated with a noble metal such as gold. The separators 13 and 16 are made of a conductive material, such as titanium. In order to improve the corrosion resistance of the separators 13 and 16, the surfaces of the separators 13 and 16 are coated with a noble metal such as gold.

図２（ａ）は、ガス拡散層１１、金属多孔体１２およびセパレータ１３の拡大図である。図２（ｂ）は、ガス拡散層１４、金属多孔体１５およびセパレータ１６の拡大図である。図２（ｃ）は、後述するシート部材２１，２３の平面図である。図２（ｄ）は、後述するシート部材２２，２４の平面図である。   FIG. 2A is an enlarged view of the gas diffusion layer 11, the metal porous body 12, and the separator 13. FIG. 2B is an enlarged view of the gas diffusion layer 14, the metal porous body 15, and the separator 16. FIG. 2C is a plan view of sheet members 21 and 23 described later. FIG. 2D is a plan view of sheet members 22 and 24 to be described later.

図２（ａ）に示すように、ガス拡散層１１と金属多孔体１２との間にシート部材２１が配置され、金属多孔体１２とセパレータ１３との間にシート部材２２が配置されている。図２（ｂ）に示すように、ガス拡散層１４と金属多孔体１５との間にシート部材２３が配置され、金属多孔体１５とセパレータ１６との間にシート部材２４が配置されている。   As shown in FIG. 2A, the sheet member 21 is disposed between the gas diffusion layer 11 and the metal porous body 12, and the sheet member 22 is disposed between the metal porous body 12 and the separator 13. As shown in FIG. 2B, the sheet member 23 is disposed between the gas diffusion layer 14 and the metal porous body 15, and the sheet member 24 is disposed between the metal porous body 15 and the separator 16.

図２（ａ）および図２（ｃ）に示すように、シート部材２１には、厚み方向に貫通する貫通孔が形成されている。それにより、金属多孔体１２からガス拡散層１１に反応ガスが透過することができる。また、発電に伴って生じた水蒸気がガス拡散層１１から金属多孔体１２に透過することができる。さらに、シート部材２１によって、ガス拡散層１１における保水が調整される。シート部材２１は、金属多孔体１２よりも柔軟性が高く、ガス拡散層１１よりも緻密度が高く（気孔率が低く）、導電性を有する材料からなる。   As shown in FIGS. 2A and 2C, the sheet member 21 has a through hole penetrating in the thickness direction. Thereby, the reaction gas can permeate from the metal porous body 12 to the gas diffusion layer 11. Further, water vapor generated with power generation can pass from the gas diffusion layer 11 to the metal porous body 12. Furthermore, the water retention in the gas diffusion layer 11 is adjusted by the sheet member 21. The sheet member 21 is made of a material having higher flexibility than the metal porous body 12, higher density than the gas diffusion layer 11 (low porosity), and conductivity.

図２（ａ）および図２（ｄ）に示すように、シート部材２２には、貫通孔は形成されていない。シート部材２２は、金属多孔体１２よりも柔軟性が高く、金属多孔体１２よりも緻密度が高く（気孔率が低く）、導電性を有する材料からなる。なお、シート部材２２は金属多孔体１２よりも高い緻密度を有していればよいので、シート部材２２に貫通孔が設けられていてもよい。   As shown in FIGS. 2A and 2D, the sheet member 22 has no through hole. The sheet member 22 is made of a material having higher flexibility than the metal porous body 12, higher density than the metal porous body 12 (low porosity), and conductivity. Since the sheet member 22 only needs to have a higher density than the porous metal body 12, the sheet member 22 may be provided with a through hole.

図２（ｂ）および図２（ｃ）に示すように、シート部材２３には、厚み方向に貫通する貫通孔が形成されている。また、シート部材２３は、金属多孔体１５よりも柔軟性が高く、ガス拡散層１４よりも緻密度が高く（気孔率が低く）、導電性を有する材料からなる。   As shown in FIGS. 2B and 2C, the sheet member 23 is formed with a through hole penetrating in the thickness direction. Further, the sheet member 23 is made of a material having higher flexibility than the metal porous body 15, higher density than the gas diffusion layer 14 (low porosity), and conductivity.

図２（ｂ）および図２（ｄ）に示すように、シート部材２４には、貫通孔は形成されていない。シート部材２４は、金属多孔体１５よりも柔軟性が高く、金属多孔体１５よりも緻密度が高く（気孔率が低く）、導電性を有する部材からなる。なお、シート部材２４は金属多孔体１５よりも高い緻密度を有していればよいので、シート部材２４に貫通孔が設けられていてもよい。シート部材２１〜２４は、例えば、黒鉛粒子焼結体、導電性樹脂、Ａｇ焼結体シート、金属／樹脂複合材等からなる。発電環境下においては各シート部材は酸化性雰囲気または還元性雰囲気に触れまたは酸等の溶液に触れることがあることから、シート部材２１〜２４は、高い化学的安定性を有していることが好ましい。   As shown in FIGS. 2B and 2D, the sheet member 24 has no through hole. The sheet member 24 is made of a member having higher flexibility than the metal porous body 15, higher density than the metal porous body 15 (low porosity), and conductivity. Since the sheet member 24 only needs to have a higher density than the metal porous body 15, the sheet member 24 may be provided with a through hole. The sheet members 21 to 24 are made of, for example, a graphite particle sintered body, a conductive resin, an Ag sintered body sheet, a metal / resin composite material, or the like. Since each sheet member may touch an oxidizing atmosphere or a reducing atmosphere or a solution such as an acid in a power generation environment, the sheet members 21 to 24 may have high chemical stability. preferable.

なお、シート部材２１，２２は、図３に示す方法によって設けることができる。図３（ａ）に示すように、まず、金属多孔体１２の一面にシート部材２１を配置、金属多孔体１２の他面にシート部材２２を配置する。次に、図３（ｂ）に示すように、これらの部材をセパレータ１３に接合する。なお、隣接する燃料電池の金属多孔体１５およびシート部材２３，２４と共に、セパレータ１３に接合してもよい。シート部材２３，２４も、シート部材２１，２２と同様の方法により設けることができる。   The sheet members 21 and 22 can be provided by the method shown in FIG. As shown in FIG. 3A, first, the sheet member 21 is disposed on one surface of the metal porous body 12, and the sheet member 22 is disposed on the other surface of the metal porous body 12. Next, these members are joined to the separator 13 as shown in FIG. In addition, you may join to the separator 13 with the metal porous body 15 and the sheet | seat members 23 and 24 of an adjacent fuel cell. The sheet members 23 and 24 can also be provided by the same method as the sheet members 21 and 22.

続いて、図１および図２を参照しつつ、燃料電池１００の動作について説明する。まず、水素を含有する燃料ガスが金属多孔体１２に供給される。その後、燃料ガスは、金属多孔体１２を流動しつつ、ガス拡散層１１に供給される。燃料ガス中の水素は、ガス拡散層１１を拡散し、アノード触媒層においてプロトンと電子とに解離する。プロトンは電解質膜を伝導し、カソード触媒層に到達する。電子は、ガス拡散層１１、シート部材２１、金属多孔体１２、シート部材２２およびセパレータ１３を介して外部回路に取り出される。   Next, the operation of the fuel cell 100 will be described with reference to FIGS. 1 and 2. First, a fuel gas containing hydrogen is supplied to the metal porous body 12. Thereafter, the fuel gas is supplied to the gas diffusion layer 11 while flowing through the metal porous body 12. Hydrogen in the fuel gas diffuses in the gas diffusion layer 11 and dissociates into protons and electrons in the anode catalyst layer. Protons conduct through the electrolyte membrane and reach the cathode catalyst layer. Electrons are taken out to an external circuit through the gas diffusion layer 11, the sheet member 21, the porous metal body 12, the sheet member 22, and the separator 13.

一方、酸素を含有する酸化剤ガスが金属多孔体１５に供給される。その後、酸化剤ガスは、金属多孔体１５を流動しつつ、ガス拡散層１４に供給される。酸化剤ガスは、ガス拡散層１４を拡散してカソード触媒層に到達する。また、電子が、セパレータ１６、シート部材２４、金属多孔体１５、シート部材２３およびガス拡散層１４を介してカソード触媒層に供給される。カソード触媒層においては、酸化剤ガス中の酸素とプロトンと電子とから水が生成されるとともに電力が発生する。   On the other hand, an oxidant gas containing oxygen is supplied to the metal porous body 15. Thereafter, the oxidant gas is supplied to the gas diffusion layer 14 while flowing through the metal porous body 15. The oxidant gas diffuses through the gas diffusion layer 14 and reaches the cathode catalyst layer. Electrons are supplied to the cathode catalyst layer via the separator 16, the sheet member 24, the metal porous body 15, the sheet member 23, and the gas diffusion layer 14. In the cathode catalyst layer, water is generated and oxygen is generated from oxygen, protons and electrons in the oxidant gas.

ガス拡散層１１および金属多孔体１２は、多孔体であるため表面に凹凸を有する。また、金属多孔体１２は、ガス拡散層１１よりも硬い材料から構成されるため変形しにくい。したがって、ガス拡散層１１と金属多孔体１２とは、点接触する傾向にある。これに対して、本実施例においては、金属多孔体１２よりも高い柔軟性を有するシート部材２１がガス拡散層１１と金属多孔体１２との間に配置されていることから、シート部材２１と金属多孔体１２とが面接触するとともに、シート部材２１とガス拡散層１１とが面接触する。また、シート部材２１は、ガス拡散層１１よりも高い緻密度を有している。   Since the gas diffusion layer 11 and the metal porous body 12 are porous bodies, the surfaces thereof have irregularities. Moreover, since the metal porous body 12 is made of a material harder than the gas diffusion layer 11, it is difficult to deform. Therefore, the gas diffusion layer 11 and the metal porous body 12 tend to be in point contact. On the other hand, in the present embodiment, since the sheet member 21 having higher flexibility than the metal porous body 12 is disposed between the gas diffusion layer 11 and the metal porous body 12, the sheet member 21 and While the metal porous body 12 is in surface contact, the sheet member 21 and the gas diffusion layer 11 are in surface contact. The sheet member 21 has a higher density than the gas diffusion layer 11.

この場合、シート部材２１と金属多孔体１２との間の接触面積およびシート部材２１とガス拡散層１１との間の接触面積は、シート部材２１が設けられていない場合におけるガス拡散層１１と金属多孔体１２との接触面積に比較して大きくなる。それにより、ガス拡散層１１から金属多孔体１２にかけての接触抵抗が低下する。同様に、シート部材２３を設けることによって、ガス拡散層１４から金属多孔体１５にかけての接触抵抗が低下する。   In this case, the contact area between the sheet member 21 and the metal porous body 12 and the contact area between the sheet member 21 and the gas diffusion layer 11 are the same as the gas diffusion layer 11 and the metal when the sheet member 21 is not provided. The contact area with the porous body 12 becomes larger. Thereby, the contact resistance from the gas diffusion layer 11 to the metal porous body 12 decreases. Similarly, by providing the sheet member 23, the contact resistance from the gas diffusion layer 14 to the metal porous body 15 is reduced.

ここで、コスト低減を目的に、貴金属コート量を低減することがある。例えば、金属多孔体に対する貴金属のめっき量を数ｎｍ〜数十ｎｍ程度とすると、貴金属は粒子状または島状に形成される。この場合、金属多孔体の露出部が不動態化すると、金属多孔体とガス拡散層との接触抵抗が増大する。この場合においても、シート部材２１を設けることによって、ガス拡散層１１から金属多孔体１２にかけての接触抵抗を低下させることができる。シート部材２１と貴金属との接触面積が確保されるからである。したがって、シート部材２１を設けることによって、貴金属量を低下させることができる。同様に、シート部材２３を設けることによって、金属多孔体１５における貴金属量を低下させることができる。   Here, the amount of precious metal coating may be reduced for the purpose of cost reduction. For example, when the plating amount of the noble metal on the metal porous body is about several nm to several tens of nm, the noble metal is formed in a particle shape or an island shape. In this case, when the exposed portion of the metal porous body is passivated, the contact resistance between the metal porous body and the gas diffusion layer increases. Also in this case, the contact resistance from the gas diffusion layer 11 to the metal porous body 12 can be reduced by providing the sheet member 21. This is because the contact area between the sheet member 21 and the noble metal is secured. Therefore, the noble metal amount can be reduced by providing the sheet member 21. Similarly, by providing the sheet member 23, the amount of noble metal in the metal porous body 15 can be reduced.

また、シート部材２２が設けられていない場合には、金属多孔体１２とセパレータ１３とは、点接触する傾向にある。特に、セパレータ１３の導電性確保のために表面にエッチング処理を施す場合にはセパレータ１３表面に凹凸が形成されることから、点接触の傾向が大きくなる。これに対して、本実施例においては、金属多孔体１２よりも高い柔軟性を有するシート部材２２が金属多孔体１２とセパレータ１３との間に配置されていることから、シート部材２２と金属多孔体１２とが面接触するとともに、シート部材２２とセパレータ１３とが面接触する。また、シート部材２２は、金属多孔体１２よりも高い緻密度を有している。   When the sheet member 22 is not provided, the metal porous body 12 and the separator 13 tend to be in point contact. In particular, when the surface of the separator 13 is etched to ensure conductivity, unevenness is formed on the surface of the separator 13, so that the tendency of point contact increases. On the other hand, in the present embodiment, the sheet member 22 having higher flexibility than the metal porous body 12 is disposed between the metal porous body 12 and the separator 13. While the body 12 is in surface contact, the sheet member 22 and the separator 13 are in surface contact. Further, the sheet member 22 has a higher density than the metal porous body 12.

この場合、シート部材２２と金属多孔体１２との間の接触面積およびシート部材２２とセパレータ１３との間の接触面積は、シート部材２２が設けられていない場合における金属多孔体１２とセパレータ１３との接触面積に比較して大きくなる。それにより、金属多孔体１２からセパレータ１３にかけての接触抵抗が低下する。同様に、シート部材２４を設けることによって、金属多孔体１５からセパレータ１６にかけての接触抵抗が低下する。貴金属がセパレータ１３，１６の表面全体を覆わずに粒子状または島状に形成されていても、金属多孔体１２からセパレータ１３にかけての接触抵抗が低下するとともに、金属多孔体１５からセパレータ１６にかけての接触抵抗が低下する。したがって、貴金属量を低下させることができる。   In this case, the contact area between the sheet member 22 and the metal porous body 12 and the contact area between the sheet member 22 and the separator 13 are the same as the metal porous body 12 and the separator 13 when the sheet member 22 is not provided. The contact area becomes larger. Thereby, the contact resistance from the metal porous body 12 to the separator 13 decreases. Similarly, by providing the sheet member 24, the contact resistance from the metal porous body 15 to the separator 16 is reduced. Even if the noble metal is formed in the shape of particles or islands without covering the entire surfaces of the separators 13 and 16, the contact resistance from the metal porous body 12 to the separator 13 is reduced and the contact between the metal porous body 15 and the separator 16 is reduced. Contact resistance decreases. Therefore, the amount of noble metal can be reduced.

以上のことから、燃料電池１００全体の接触抵抗が低下する。それにより、燃料電池１００において高い発電能力が得られる。   From the above, the contact resistance of the entire fuel cell 100 is lowered. Thereby, high power generation capability can be obtained in the fuel cell 100.

続いて、本発明の第２実施例に係る燃料電池１００ａについて説明する。燃料電池１００ａにおいては、金属多孔体１２，１５の代わりに金属多孔体１２ａ，１５ａが用いられている。金属多孔体１２ａ，１５ａとして、発泡金属の代わりにパンチングメタルが用いられている。ここでいうパンチングメタルとは、金型等を用いて凹凸および貫通孔を設けた金属板であって、反応ガスが流動可能な３次元網目構造を有する。   Subsequently, a fuel cell 100a according to a second embodiment of the present invention will be described. In the fuel cell 100a, metal porous bodies 12a and 15a are used instead of the metal porous bodies 12 and 15. As the metal porous bodies 12a and 15a, punching metal is used instead of foam metal. The punching metal here is a metal plate provided with irregularities and through-holes using a mold or the like, and has a three-dimensional network structure in which a reaction gas can flow.

図４（ａ）は、ガス拡散層１１、金属多孔体１２ａおよびセパレータ１３の拡大図である。図４（ｂ）は、ガス拡散層１４、金属多孔体１５ａおよびセパレータ１６の拡大図である。   FIG. 4A is an enlarged view of the gas diffusion layer 11, the porous metal body 12 a, and the separator 13. FIG. 4B is an enlarged view of the gas diffusion layer 14, the porous metal body 15 a, and the separator 16.

本実施例においても、ガス拡散層１１と金属多孔体１２ａとが点接触し、ガス拡散層１４と金属多孔体１５ａとが点接触する傾向にある。また、セパレータ１３と金属多孔体１２ａとが点接触し、セパレータ１６と金属多孔体１５ａとが点接触する傾向にある。そこで、シート部材２１を設けることによって、ガス拡散層１１から金属多孔体１２ａにかけての接触抵抗を低下させることができ、シート部材２３を設けることによって、ガス拡散層１４から金属多孔体１５ａにかけての接触抵抗を低下させることができる。また、シート部材２２を設けることによって、金属多孔体１２ａからセパレータ１３にかけての接触抵抗を低下させることができ、シート部材２４を設けることによって、金属多孔体１５ａからセパレータ１６にかけての接触抵抗を低下させることができる。さらに、シート部材によって、パンチングメタルのガス拡散層への食い込みを抑制することができる。その結果、ガス拡散層１１，１４の目詰まりが抑制される。   Also in the present embodiment, the gas diffusion layer 11 and the metal porous body 12a are in point contact, and the gas diffusion layer 14 and the metal porous body 15a tend to be in point contact. Further, the separator 13 and the metal porous body 12a are in point contact, and the separator 16 and the metal porous body 15a tend to be in point contact. Therefore, by providing the sheet member 21, the contact resistance from the gas diffusion layer 11 to the metal porous body 12a can be reduced, and by providing the sheet member 23, the contact from the gas diffusion layer 14 to the metal porous body 15a. Resistance can be reduced. Further, by providing the sheet member 22, the contact resistance from the metal porous body 12 a to the separator 13 can be reduced, and by providing the sheet member 24, the contact resistance from the metal porous body 15 a to the separator 16 is reduced. be able to. Furthermore, the sheet member can suppress the punching metal from biting into the gas diffusion layer. As a result, clogging of the gas diffusion layers 11 and 14 is suppressed.

続いて、本発明の第３実施例に係る燃料電池１００ｂについて説明する。燃料電池１００ｂにおいては、シート部材２１の代わりにシート部材２１ａが設けられ、シート部材２３の代わりにシート部材２３ａが設けられている。シート部材２１ａ，２３ａがシート部材２１，２３と異なる点は、面内における開口率である。   Subsequently, a fuel cell 100b according to a third embodiment of the present invention will be described. In the fuel cell 100 b, a sheet member 21 a is provided instead of the sheet member 21, and a sheet member 23 a is provided instead of the sheet member 23. The difference between the sheet members 21a and 23a and the sheet members 21 and 23 is the in-plane aperture ratio.

図５（ａ）は、シート部材２１ａ，２３ａの模式的な平面図である。図５（ａ）に示すように、シート部材２１ａ，２３ａにおいては、反応ガスの上流側における貫通孔の径が小さく、反応ガスの下流側における貫通孔の径が大きくなっている。この場合、シート部材２１ａ，２３ａの開口率は、反応ガスの上流側において低く、反応ガスの下流側において高くなる。   FIG. 5A is a schematic plan view of the sheet members 21a and 23a. As shown in FIG. 5A, in the sheet members 21a and 23a, the diameter of the through hole on the upstream side of the reactive gas is small, and the diameter of the through hole on the downstream side of the reactive gas is large. In this case, the opening ratio of the sheet members 21a and 23a is low on the upstream side of the reaction gas and is high on the downstream side of the reaction gas.

ここで、反応ガスに含まれる水素量および酸素量は、発電に供されるとともに低下する。したがって、反応ガス中の水素量および酸素量は、上流側において多く、下流側において少なくなる。本実施例においては、シート部材２１ａ，２３ａの開口率が反応ガスの上流側において低く反応ガスの下流側において高くなることから、ガス拡散層１１の面内方向において水素供給量のばらつきを抑制することができ、ガス拡散層１４の面内方向において酸素供給量のばらつきを抑制することができる。それにより、面内方向における発電ばらつきを抑制することができる。   Here, the amount of hydrogen and the amount of oxygen contained in the reaction gas decrease as they are used for power generation. Therefore, the amount of hydrogen and oxygen in the reaction gas is large on the upstream side and small on the downstream side. In this embodiment, since the opening ratio of the sheet members 21a and 23a is low on the upstream side of the reaction gas and high on the downstream side of the reaction gas, variation in the hydrogen supply amount in the in-plane direction of the gas diffusion layer 11 is suppressed. And variation in the oxygen supply amount in the in-plane direction of the gas diffusion layer 14 can be suppressed. Thereby, power generation variation in the in-plane direction can be suppressed.

図５（ｂ）は、シート部材２１ａ，２３ａの他の例を示す図である。図５（ｂ）に示すように、シート部材２１ａ，２３ａにおいては、反応ガスの上流側における貫通孔数が少なく、反応ガスの下流側における貫通孔数が多くなっている。それにより、シート部材２１ａ，２３ａの開口率は、反応ガスの上流側において低く、反応ガスの下流側において高くなる。この場合においても、ガス拡散層１１の面内方向において水素供給量のばらつきを抑制することができ、ガス拡散層１４の面内方向において酸素供給量のばらつきを抑制することができる。   FIG. 5B is a diagram illustrating another example of the sheet members 21a and 23a. As shown in FIG. 5B, in the sheet members 21a and 23a, the number of through holes on the upstream side of the reactive gas is small, and the number of through holes on the downstream side of the reactive gas is large. Thereby, the opening ratio of the sheet members 21a and 23a is low on the upstream side of the reaction gas and is high on the downstream side of the reaction gas. Even in this case, variation in the hydrogen supply amount in the in-plane direction of the gas diffusion layer 11 can be suppressed, and variation in the oxygen supply amount in the in-plane direction of the gas diffusion layer 14 can be suppressed.

以上のように、貫通孔の数、貫通孔の径にかかわらず、シート部材２１ａ，２３ａの開口率を反応ガスの上流側において低く反応ガスの下流側において高く設定することによって、ガス拡散層１１の面内方向において水素供給量のばらつきを抑制することができ、ガス拡散層１４の面内方向において酸素供給量のばらつきを抑制することができる。   As described above, regardless of the number of through holes and the diameter of the through holes, the gas diffusion layer 11 is set by setting the opening ratio of the sheet members 21a and 23a low on the upstream side of the reactive gas and high on the downstream side of the reactive gas. The variation in the hydrogen supply amount in the in-plane direction can be suppressed, and the variation in the oxygen supply amount in the in-plane direction of the gas diffusion layer 14 can be suppressed.

続いて、本発明の第４実施例に係る燃料電池スタック２００について説明する。図６（ａ）は、燃料電池スタック２００の概観図である。図６（ａ）に示すように、燃料電池スタック２００は、複数の燃料電池１００が積層された構造を有する。また、積層方向のいずれか一方端に、反応ガスの供給口が設けられている。反応ガスは、燃料電池スタック２００内に設けられたマニホールド（図示せず）を通って、各燃料電池１００に供給される。   Subsequently, a fuel cell stack 200 according to a fourth embodiment of the present invention will be described. FIG. 6A is an overview of the fuel cell stack 200. FIG. As shown in FIG. 6A, the fuel cell stack 200 has a structure in which a plurality of fuel cells 100 are stacked. In addition, a reaction gas supply port is provided at one end in the stacking direction. The reaction gas is supplied to each fuel cell 100 through a manifold (not shown) provided in the fuel cell stack 200.

このスタック構造においては、反応ガスの上流側の燃料電池１００においては水素供給量および酸素供給量が多くなり、反応ガスの下流側の燃料電池１００においては水素供給量および酸素供給量が少なくなる。   In this stack structure, the hydrogen supply amount and the oxygen supply amount are increased in the fuel cell 100 upstream of the reaction gas, and the hydrogen supply amount and the oxygen supply amount are decreased in the fuel cell 100 downstream of the reaction gas.

そこで、本実施例においては、図６（ｂ）および図６（ｃ）に示すように、反応ガスの上流側の燃料電池１００においては比較的開口率の低いシート部材２１，２３を用い、反応ガスの下流側の燃料電池１００においては図２（ｂ）よりも開口率の高いシート部材２１，２３を用いる。この場合、各燃料電池１００間における水素供給量および酸素供給量のばらつきを抑制することができる。それにより、燃料電池スタック２００の積層方向における発電ばらつきを抑制することができる。   Therefore, in this embodiment, as shown in FIGS. 6B and 6C, the fuel cell 100 on the upstream side of the reaction gas uses the sheet members 21 and 23 having a relatively low opening ratio, and the reaction is performed. In the fuel cell 100 on the downstream side of the gas, the sheet members 21 and 23 having a higher opening ratio than that in FIG. In this case, variation in the hydrogen supply amount and the oxygen supply amount among the fuel cells 100 can be suppressed. Thereby, power generation variation in the stacking direction of the fuel cell stack 200 can be suppressed.

なお、燃料電池１００の代わりに燃料電池１００ａを積層させる場合、図６（ｄ）および図６（ｅ）に示すように、反応ガス上流側の燃料電池１００ａにおいては開口率が全体的に低いシート部材２１ａ，２３ａを用い、反応ガス下流側の燃料電池１００ａにおいては図６（ｄ）よりも全体的に開口率が高いシート部材２１ａ，２３ａを用いる。それにより、燃料電池スタック２００の積層方向における発電ばらつきをより抑制することができる。   When the fuel cell 100a is stacked instead of the fuel cell 100, as shown in FIGS. 6D and 6E, the fuel cell 100a on the upstream side of the reaction gas has a generally low opening ratio. The members 21a and 23a are used, and in the fuel cell 100a on the downstream side of the reaction gas, the sheet members 21a and 23a having an overall higher opening ratio than that in FIG. Thereby, power generation variation in the stacking direction of the fuel cell stack 200 can be further suppressed.

なお、上記各実施例においては、アノード側およびカソード側の両方にシート部材が設けられているが、いずれか一方に設けられた場合においても本発明の効果が得られる。   In each of the above embodiments, the sheet member is provided on both the anode side and the cathode side, but the effect of the present invention can be obtained even when provided on either one.

本発明の第１実施例に係る燃料電池の模式的断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of a fuel cell according to a first embodiment of the present invention. シート部材について説明するための図である。It is a figure for demonstrating a sheet | seat member. シート部材の配置方法について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the arrangement | positioning method of a sheet | seat member. 金属多孔体の他の例について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the other example of a metal porous body. 第３実施例に係るシート部材について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the sheet | seat member which concerns on 3rd Example. 燃料電池スタックについて説明するための図である。It is a figure for demonstrating a fuel cell stack.

符号の説明Explanation of symbols

１０ 膜−電極接合体
１１，１４ ガス拡散層
１２，１５ 金属多孔体
１３，１６ セパレータ
１００ 燃料電池
２００ 燃料電池スタック DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Membrane-electrode assembly 11,14 Gas diffusion layer 12,15 Metal porous body 13,16 Separator 100 Fuel cell 200 Fuel cell stack

Claims (16)

膜−電極接合体に沿って設けられたガス拡散層と、
ガス流路および集電体として機能し、表面に金属がコートされた金属多孔体と、
前記ガス拡散層と前記金属多孔体との間に設けられ、前記金属多孔体よりも柔軟性が高く、厚み方向に貫通する貫通孔を備えつつ前記ガス拡散層よりも緻密度が高く、導電性を有するシート部材と、を備えることを特徴とする燃料電池。 A gas diffusion layer provided along the membrane-electrode assembly;
A porous metal body that functions as a gas flow path and a current collector and is coated with metal on the surface;
Provided between the gas diffusion layer and the porous metal body, is more flexible than the porous metal body, has a through hole penetrating in the thickness direction, has a higher density than the gas diffusion layer, and is electrically conductive. A fuel cell comprising: a sheet member including: 前記金属多孔体にコートされた金属は、貴金属であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, wherein the metal coated on the metal porous body is a noble metal. 前記金属多孔体にコートされた金属は、前記金属多孔体表面に、粒子状または島状にコートされていることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。   3. The fuel cell according to claim 1, wherein the metal coated on the porous metal body is coated on the surface of the porous metal body in the form of particles or islands. 前記金属多孔体を構成する金属は、チタンであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the metal constituting the metal porous body is titanium. 前記シート部材の開口率は、反応ガスの上流側に比較して下流側において高くなっていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the opening ratio of the sheet member is higher on the downstream side than on the upstream side of the reaction gas. 前記シート部材においては、反応ガスの上流側に比較して下流側において貫通孔数が多いことを特徴とする請求項５記載の燃料電池。   6. The fuel cell according to claim 5, wherein the seat member has a larger number of through holes on the downstream side than on the upstream side of the reaction gas. 前記シート部材においては、反応ガスの上流側に比較して下流側において貫通孔の孔径が大きいことを特徴とする請求項５または６記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 5 or 6, wherein in the sheet member, the diameter of the through hole is larger on the downstream side than on the upstream side of the reaction gas. 膜−電極接合体と、
ガス流路および集電体として機能し、表面に金属がコートされた金属多孔体と、
前記金属多孔体の前記膜−電極接合体と反対側に設けられ、表面に金属がコートされたセパレータと、
前記金属多孔体と前記セパレータとの間に設けられ、前記金属多孔体よりも柔軟性が高く、前記金属多孔体よりも緻密度が高く、導電性を有するシート部材と、を備えることを特徴とする燃料電池。 A membrane-electrode assembly;
A porous metal body that functions as a gas flow path and a current collector and is coated with metal on the surface;
A separator provided on the opposite side to the membrane-electrode assembly of the porous metal body, and having a metal coated on the surface;
A sheet member provided between the porous metal body and the separator, and having higher flexibility than the porous metal body, higher density than the porous metal body, and conductivity. Fuel cell. 前記セパレータにコートされた金属は、貴金属であることを特徴とする請求項８記載の燃料電池。   9. The fuel cell according to claim 8, wherein the metal coated on the separator is a noble metal. 前記セパレータにコートされた金属は、前記セパレータ表面に、粒子状または島状にコートされていることを特徴とする請求項８または９記載の燃料電池。   10. The fuel cell according to claim 8, wherein the metal coated on the separator is coated on the surface of the separator in the form of particles or islands. 前記金属多孔体にコートされた金属は、貴金属であることを特徴とする請求項８〜１０のいずれかに記載の燃料電池。   11. The fuel cell according to claim 8, wherein the metal coated on the metal porous body is a noble metal. 前記金属多孔体にコートされた金属は、前記金属多孔体表面に、粒子状または島状にコートされていることを特徴とする請求項８〜１１のいずれかに記載の燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 8 to 11, wherein the metal coated on the metal porous body is coated on the surface of the metal porous body in the form of particles or islands. 前記金属多孔体を構成する金属は、チタンであることを特徴とする請求項８〜１２のいずれかに記載の燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 8 to 12, wherein the metal constituting the metal porous body is titanium. 前記セパレータを構成する金属は、チタンであることを特徴とする請求項８〜１３のいずれかに記載の燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 8 to 13, wherein the metal constituting the separator is titanium. 前記シート部材は、黒鉛粒子焼結体、導電性樹脂、Ａｇ焼結体シートまたは金属／樹脂複合材からなることを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載の燃料電池。   15. The fuel cell according to claim 1, wherein the sheet member is made of a graphite particle sintered body, a conductive resin, an Ag sintered body sheet, or a metal / resin composite material. 請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池が複数積層され、
反応ガスの下流側における一の燃料電池の前記シート部材の開口率は、前記反応ガスの上流側における他の燃料電池に比較して高くなっていることを特徴とする燃料電池スタック。 A plurality of the fuel cells according to any one of claims 1 to 7 are stacked,
The fuel cell stack, wherein an opening ratio of the sheet member of one fuel cell on the downstream side of the reaction gas is higher than that of another fuel cell on the upstream side of the reaction gas.
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