JP2011048936A - Solid polymer fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid high polymer fuel cell, capable of securing a sufficient gas supply function by reducing pressure loss in a gas diffusion path and capable of also attaining high output. <P>SOLUTION: In the solid polymer fuel cell 10, an anode electrode member 50a is disposed between an anode catalyst layer 30a and an anode separator 80a, and a cathode electrode member 50c is disposed between an anode catalyst layer 30c and a cathode separator 80c. Each of the anode electrode member and the cathode electrode member is a conductive fabric 100, in which a plurality of fine grooves 120a, 120c are formed in parallel, and the pitch p1 of the groove is 0.2-1 mm, and the depth (d) of the groove is 0.2-1 mm. In at least a part of the region of a reacting part contributing to power generation, the groove 120a on the anode 60a side and the groove 120c on the cathode 60c side are made to cross each other, via the anode catalyst layer, a high polymer electrolyte and the cathode catalyst layer. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池に関する。   The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell.

固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）は、発電機能を発揮する複数の単セルが積層された構造を有する。当該単セルはそれぞれ、（１）高分子電解質膜（例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）膜）、（２）これを挟持する一対（アノード、カソード）の触媒層（「電極触媒層」とも称される）、（３）さらにこれらを挟持する、供給ガスを分散させるための一対（アノード、カソード）のガス拡散層（ＧＤＬ）、を含む膜電極接合体（ＭＥＡ）を有する。そして、個々の単セルが有するＭＥＡは、セパレータを介して隣接する単セルのＭＥＡと電気的に接続している。このようにして単セルを積層・接続することによって、燃料電池スタックを構成する。そして、この燃料電池スタックは、種々の用途に使用可能な発電手段として機能しうる。かような燃料電池スタックにおいて、セパレータは、上述したように、隣接する単セルどうしを電気的に接続する機能を発揮する。これに加えて、セパレータのＭＥＡと対向する表面にはガス流路が設けられるのが通常である。当該ガス流路は、アノードおよびカソードに燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ供給するためのガス供給手段として機能する。   A polymer electrolyte fuel cell (PEFC) has a structure in which a plurality of single cells that exhibit a power generation function are stacked. Each of the single cells is also referred to as (1) a polymer electrolyte membrane (for example, a Nafion (registered trademark) membrane) and (2) a pair of (anode, cathode) catalyst layers (an “electrode catalyst layer”) sandwiching the membrane. ), And (3) a membrane electrode assembly (MEA) including a pair of (anode, cathode) gas diffusion layers (GDL) for dispersing the supply gas sandwiching them. And MEA which each single cell has is electrically connected with MEA of the adjacent single cell through the separator. A fuel cell stack is configured by stacking and connecting single cells in this manner. The fuel cell stack can function as power generation means that can be used for various applications. In such a fuel cell stack, the separator exhibits a function of electrically connecting adjacent single cells as described above. In addition to this, a gas flow path is usually provided on the surface of the separator facing the MEA. The gas flow path functions as gas supply means for supplying fuel gas and oxidant gas to the anode and the cathode, respectively.

ＰＥＦＣの発電メカニズムを簡単に説明すると、ＰＥＦＣの運転時には、単セルのアノード側に燃料ガス（例えば水素ガス）を供給し、カソード側に酸化剤ガス（例えば大気、酸素）を供給する。その結果、アノードおよびカソードのそれぞれにおいて、下記反応式で表される電気化学反応が進行し、電気を生み出する。   The power generation mechanism of the PEFC will be briefly described. During operation of the PEFC, a fuel gas (for example, hydrogen gas) is supplied to the anode side of the single cell, and an oxidant gas (for example, air or oxygen) is supplied to the cathode side. As a result, in each of the anode and the cathode, an electrochemical reaction represented by the following reaction formula proceeds to generate electricity.

すなわち、
アノード反応：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−・・・（１）
カソード反応：２Ｈ＋＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ・・・（２）
である。 That is,
Anode reaction: H 2 → 2H + + 2e − (1)
Cathode reaction: 2H + + 2e − + (1/2) O 2 → H 2 O (2)
It is.

上記の電気化学反応を進行させるために、ＧＤＬは、燃料ガスや酸化剤ガスを効率的に拡散して触媒層に供給するガス供給機能が必要である。   In order to advance the above-described electrochemical reaction, the GDL needs a gas supply function for efficiently diffusing fuel gas and oxidant gas and supplying them to the catalyst layer.

特許文献１は、ＧＤＬとして発泡金属多孔体を用いる構造を提案している。   Patent Document 1 proposes a structure using a foam metal porous body as GDL.

特表２００２−５４２５９１号公報JP-T-2002-542591

しかしながら、発泡金属多孔体は、形成される細孔がランダムであるので、圧力損失が比較的大きい。このため、ガス拡散速度が遅くなって、十分なガス供給機能を得ることができず、電気化学的反応が妨げられ、結果として電池出力が低下する。   However, the foam metal porous body has a relatively large pressure loss because the formed pores are random. For this reason, a gas diffusion rate becomes slow, and a sufficient gas supply function cannot be obtained, and an electrochemical reaction is hindered, resulting in a decrease in battery output.

本発明の目的は、ガス拡散路の圧力損失を少なくすることによって十分なガス供給機能を確保し、高出力化も図り得る固体高分子形燃料電池を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell that can secure a sufficient gas supply function by reducing the pressure loss in the gas diffusion path and can achieve high output.

上記目的を達成するための本発明の固体高分子形燃料電池は、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜のそれぞれの面に設けられるアノード触媒層およびカソード触媒層と、導電性を備えガスを遮断するためのアノードセパレータおよびカソードセパレータと、を有している。前記アノード触媒層と前記アノードセパレータとの間には、前記アノード触媒層とともにアノードを形成するアノード電極部材を配置してある。前記カソード触媒層と前記カソードセパレータとの間には、前記カソード触媒層とともにカソードを形成するカソード電極部材を配置してある。前記アノード電極部材および前記カソード電極部材のそれぞれは、微細な溝が並列に複数本形成された導電性の織物であって、溝のピッチが０．２〜１ｍｍ、かつ、溝の深さが０．２〜１ｍｍである織物から構成してある。そして、発電に寄与する反応部の少なくとも一部の領域において、前記アノード触媒層、前記高分子電解質膜およびカソード触媒層を介して、前記アノード電極部材を構成する前記織物におけるアノード側の溝と、前記カソード電極部材を構成する前記織物におけるカソード側の溝とを交差させている。   In order to achieve the above object, a polymer electrolyte fuel cell of the present invention comprises a polymer electrolyte membrane, an anode catalyst layer and a cathode catalyst layer provided on each surface of the polymer electrolyte membrane, and a gas having conductivity. An anode separator and a cathode separator. An anode electrode member that forms an anode together with the anode catalyst layer is disposed between the anode catalyst layer and the anode separator. A cathode electrode member that forms a cathode together with the cathode catalyst layer is disposed between the cathode catalyst layer and the cathode separator. Each of the anode electrode member and the cathode electrode member is a conductive fabric in which a plurality of fine grooves are formed in parallel, the groove pitch is 0.2 to 1 mm, and the groove depth is 0. It is composed of a woven fabric that is 2 to 1 mm. And in at least a partial region of the reaction part that contributes to power generation, via the anode catalyst layer, the polymer electrolyte membrane and the cathode catalyst layer, an anode-side groove in the fabric constituting the anode electrode member, The cathode side groove in the fabric constituting the cathode electrode member is crossed.

アノード電極部材およびカソード電極部材のそれぞれは、微細な溝が並列に複数本形成された導電性の織物であって、溝のピッチが０．２〜１ｍｍ、かつ、溝の深さが０．２〜１ｍｍである織物から構成してあるので、溝が伸びる方向に対して直交する方向の断面において見ると、織物には溝を形成するための頂点部が規則的に連続して現れることになる。これによって、ガス拡散路が均等ないし規則的な流路となり、ガス拡散路の圧力損失が少なくなる。このため、ガスを効率的に拡散して、十分なガス供給機能を確保することができる。電気化学的反応の進行が促進される結果、高出力化を図ることができる。   Each of the anode electrode member and the cathode electrode member is a conductive fabric in which a plurality of fine grooves are formed in parallel, the groove pitch is 0.2 to 1 mm, and the groove depth is 0.2. Since it is composed of a woven fabric having a thickness of ˜1 mm, when viewed in a cross section in a direction perpendicular to the direction in which the groove extends, apexes for forming the groove appear regularly and continuously in the woven fabric. . As a result, the gas diffusion path becomes a uniform or regular flow path, and the pressure loss of the gas diffusion path is reduced. For this reason, gas can be diffused efficiently and a sufficient gas supply function can be secured. As a result of promoting the progress of the electrochemical reaction, high output can be achieved.

さらに、アノード側の溝とカソード側の溝とが交差することから、アノード電極部材を構成する織物の頂点部と、カソード電極部材を構成する織物の頂点部とを、アノード触媒層、高分子電解質膜およびカソード触媒層を介して、向かい合わせて接触させることができる。これによって、織物の頂点部同士がずれている場合に比べると、アノード電極部材とカソード電極部材との間の接触面圧を十分に確保することができ、接触点数も十分に確保することができる。このため、内部抵抗であるセル抵抗が低くなり、セル電圧を高めることが可能となる。   Furthermore, since the groove on the anode side and the groove on the cathode side intersect, the apex portion of the fabric constituting the anode electrode member and the apex portion of the fabric constituting the cathode electrode member are connected to the anode catalyst layer, the polymer electrolyte. Contact can be made face-to-face through the membrane and cathode catalyst layer. As a result, the contact surface pressure between the anode electrode member and the cathode electrode member can be sufficiently ensured and the number of contact points can be sufficiently ensured as compared with the case where the apex portions of the fabric are displaced. . For this reason, the cell resistance which is an internal resistance is lowered, and the cell voltage can be increased.

図１（Ａ）は、本発明の実施形態に係る固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）の基本構成を示す概略断面図、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に破線によって囲んだ領域１Ｂを拡大して示す断面図である。1A is a schematic cross-sectional view showing a basic configuration of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a region surrounded by a broken line in FIG. It is sectional drawing which expands and shows 1B. アノード電極部材およびカソード電極部材のそれぞれを構成する織物の一例を拡大して示す平面図である。It is a top view which expands and shows an example of the textile fabric which comprises each of an anode electrode member and a cathode electrode member. 図３（Ａ）は、図１（Ａ）に示されるアノード電極部材を構成する織物を示す平面図、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の３Ｂ−３Ｂ線に沿う断面図である。3A is a plan view showing a fabric constituting the anode electrode member shown in FIG. 1A, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line 3B-3B in FIG. 3A. . 図４（Ａ）は、図１（Ａ）に示されるカソード電極部材を構成する織物を示す平面図、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の４Ｂ−４Ｂ線に沿う断面図である。4A is a plan view showing a fabric constituting the cathode electrode member shown in FIG. 1A, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line 4B-4B in FIG. 4A. . アノード側の溝と、カソード側の溝とが、平面視において交差している状態を示す平面図である。It is a top view which shows the state which the groove | channel on the anode side and the groove | channel on the cathode side cross | intersect in planar view. 図６（Ａ）は、対比例に係る固体高分子形燃料電池であって、アノード側の溝と、カソード側の溝とが、平面視において交差していない状態を示す平面図、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の６Ｂ−６Ｂ線に沿う断面図である。FIG. 6 (A) is a polymer electrolyte fuel cell according to proportionality, and is a plan view showing a state where the groove on the anode side and the groove on the cathode side do not intersect in plan view, FIG. FIG. 6B is a cross-sectional view taken along line 6B-6B in FIG. マイクロエンボス装置を示す平面図である。It is a top view which shows a micro embossing apparatus. マイクロエンボス装置を示す正面図である。It is a front view which shows a micro embossing apparatus. マイクロエンボス装置を示す右側面図である。It is a right view which shows a micro embossing apparatus. 図８（Ａ）は、平面視において波状の流路を形成しているアノード側の溝を示す図、図８（Ｂ）は、平面視において波状の流路を形成しているカソード側の溝であって、カソード側の溝がなす波状の流路の曲率を、アノード側の溝がなす波状の流路の曲率よりも小さくした例を示す図である。FIG. 8A is a diagram showing an anode-side groove forming a wave-like channel in a plan view, and FIG. 8B is a cathode-side groove forming a wave-like channel in a plan view. FIG. 5 is a diagram showing an example in which the curvature of the wavy channel formed by the groove on the cathode side is made smaller than the curvature of the wavy channel formed by the groove on the anode side. 平面視において波状の流路を形成しているアノード側の溝と、平面視において直線状の流路を形成しているカソード側の溝とを、平面視において交差させた例を示す平面図である。FIG. 6 is a plan view showing an example in which an anode-side groove forming a wavy flow path in a plan view and a cathode-side groove forming a linear flow path in a plan view are crossed in a plan view. is there. 実施例および比較例の各評価用単セルの発電試験を行った評価結果を示す図である。It is a figure which shows the evaluation result which performed the electric power generation test of each single cell for evaluation of an Example and a comparative example.

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。なお、理解の容易のために、図面上における各部材の寸法比率は誇張して示してあり、実際の比率とは異なる場合がある。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. For ease of understanding, the dimensional ratio of each member on the drawing is exaggerated and may be different from the actual ratio.

図１（Ａ）を参照して、実施形態に係るＰＥＦＣ１０は、概説すれば、高分子電解質膜２０と、高分子電解質膜２０のそれぞれの面に設けられるアノード触媒層３０ａおよびカソード触媒層３０ｃと、導電性を備えガスを遮断するためのアノードセパレータ８０ａおよびカソードセパレータ８０ｃと、を有している。触媒層３０ａ、３０ｃは、集電性向上のためのカーボン粒子層３１ａ、３１ｃを含んでいる。アノード触媒層３０ａとアノードセパレータ８０ａとの間には、アノード触媒層３０ａとともにアノード６０ａを形成するアノード電極部材５０ａを配置してある。カソード触媒層３０ｃとカソードセパレータ８０ｃとの間には、カソード触媒層３０ｃとともにカソード６０ｃを形成するカソード電極部材５０ｃを配置してある。アノード電極部材５０ａおよびカソード電極部材５０ｃのそれぞれは、微細な溝１２０ａ、１２０ｃが並列に複数本形成された導電性の織物１００であって、溝１２０ａ、１２０ｃのピッチｐ１が０．２〜１ｍｍ、かつ、溝１２０ａ、１２０ｃの深さｄが０．２〜１ｍｍである織物１００から構成してある。そして、発電に寄与する反応部の少なくとも一部の領域において、アノード触媒層３０ａ（カーボン粒子層３１ａを含む）、高分子電解質膜２０およびカソード触媒層３０ｃ（カーボン粒子層３１ｃを含む）を介して、アノード電極部材５０ａを構成する織物１００におけるアノード６０ａ側の溝１２０ａと、カソード電極部材５０ｃを構成する織物１００におけるカソード６０ｃ側の溝１２０ｃとを交差させている。アノード触媒層３０ａ、高分子電解質膜２０およびカソード触媒層３０ｃを、以下、単に「積層体４０」という。   Referring to FIG. 1 (A), the PEFC 10 according to the embodiment is briefly described as a polymer electrolyte membrane 20, and an anode catalyst layer 30a and a cathode catalyst layer 30c provided on each surface of the polymer electrolyte membrane 20, respectively. And an anode separator 80a and a cathode separator 80c that are conductive and block gas. The catalyst layers 30a and 30c include carbon particle layers 31a and 31c for improving current collection. An anode electrode member 50a that forms the anode 60a together with the anode catalyst layer 30a is disposed between the anode catalyst layer 30a and the anode separator 80a. A cathode electrode member 50c that forms the cathode 60c together with the cathode catalyst layer 30c is disposed between the cathode catalyst layer 30c and the cathode separator 80c. Each of the anode electrode member 50a and the cathode electrode member 50c is a conductive fabric 100 in which a plurality of fine grooves 120a and 120c are formed in parallel, and the pitch p1 of the grooves 120a and 120c is 0.2 to 1 mm. And it is comprised from the fabric 100 whose depth d of the groove | channels 120a and 120c is 0.2-1 mm. In at least a part of the reaction part contributing to power generation, the anode catalyst layer 30a (including the carbon particle layer 31a), the polymer electrolyte membrane 20 and the cathode catalyst layer 30c (including the carbon particle layer 31c) are interposed. The groove 120a on the anode 60a side in the fabric 100 constituting the anode electrode member 50a and the groove 120c on the cathode 60c side in the fabric 100 constituting the cathode electrode member 50c intersect each other. Hereinafter, the anode catalyst layer 30a, the polymer electrolyte membrane 20, and the cathode catalyst layer 30c are simply referred to as “laminated body 40”.

高分子電解質膜２０、一対の触媒層３０ａ、３０ｃ（アノード触媒層３０ａおよびカソード触媒層３０ｃ）、一対の電極部材５０ａ、５０ｃ（アノード電極部材５０ａおよびカソード電極部材５０ｃ）は、積層された状態で膜電極接合体７０（ＭＥＡ）を構成する。ＭＥＡ７０は、一対のセパレータ８０ａ、８０ｃ（アノードセパレータ８０ａおよびカソードセパレータ８０ｃ）によって挟持してある。複数のＭＥＡ７０をセパレータ８０ａ、８０ｃを介して順次積層することによって、燃料電池スタックを構成する。燃料電池スタックにおいては、セパレータ８０ａ、８０ｃと高分子電解質膜２０との間などにガスシール部を配置している。図１（Ａ）には、燃料電池スタックおよびガスシール部の図示を省略してある。以下、詳述する。   The polymer electrolyte membrane 20, the pair of catalyst layers 30a and 30c (the anode catalyst layer 30a and the cathode catalyst layer 30c), and the pair of electrode members 50a and 50c (the anode electrode member 50a and the cathode electrode member 50c) are stacked. A membrane electrode assembly 70 (MEA) is formed. The MEA 70 is sandwiched between a pair of separators 80a and 80c (an anode separator 80a and a cathode separator 80c). A fuel cell stack is configured by sequentially stacking a plurality of MEAs 70 via separators 80a and 80c. In the fuel cell stack, a gas seal portion is disposed between the separators 80a and 80c and the polymer electrolyte membrane 20. In FIG. 1A, illustration of the fuel cell stack and the gas seal portion is omitted. Details will be described below.

［アノード電極部材５０ａ、カソード電極部材５０ｃ］
アノード電極部材５０ａは、燃料ガスをアノード触媒層３０ａに供給するガス供給機能と、集電機能とを備えている。カソード電極部材５０ｃも同様に、酸化剤ガスをカソード触媒層３０ｃに供給するガス供給機能と、集電機能とを備えている。 [Anode electrode member 50a, cathode electrode member 50c]
The anode electrode member 50a has a gas supply function for supplying fuel gas to the anode catalyst layer 30a and a current collecting function. Similarly, the cathode electrode member 50c has a gas supply function for supplying an oxidizing gas to the cathode catalyst layer 30c and a current collecting function.

図３（Ａ）（Ｂ）を参照して、アノード電極部材５０ａは、微細な溝１２０ａが並列に複数本形成された導電性の織物１００から形成してある。織物１００は、溝１２０ａが並列に複数本形成されているので、溝１２０ａが伸びる方向に対して直交する方向の断面において見ると、織物１００には溝１２０ａを形成するための頂点部１１１、１１２が規則的に連続して現れることになる。これによって、アノード電極部材５０ａのガス拡散路が均等ないし規則的な流路となり、ガス拡散路の圧力損失が少なくなる。   3A and 3B, the anode electrode member 50a is formed from a conductive fabric 100 in which a plurality of fine grooves 120a are formed in parallel. Since the fabric 100 has a plurality of grooves 120a formed in parallel, when viewed in a cross-section in a direction orthogonal to the direction in which the grooves 120a extend, the apexes 111 and 112 for forming the grooves 120a are formed in the fabric 100. Will appear regularly and continuously. As a result, the gas diffusion path of the anode electrode member 50a becomes a uniform or regular flow path, and the pressure loss of the gas diffusion path is reduced.

図４（Ａ）（Ｂ）を参照して、カソード電極部材５０ｃも同様に、溝１２０ｃが伸びる方向に対して直交する方向の断面において見て、織物１００には溝１２０ｃを形成するための頂点部１１１、１１２が規則的に連続して現れる。これによって、カソード電極部材５０ｃのガス拡散路が均等ないし規則的な流路となり、ガス拡散路の圧力損失が少なくなる。   4A and 4B, the cathode electrode member 50c is also the apex for forming the groove 120c in the fabric 100 when viewed in a cross section in a direction orthogonal to the direction in which the groove 120c extends. The parts 111 and 112 appear regularly and continuously. As a result, the gas diffusion path of the cathode electrode member 50c becomes a uniform or regular flow path, and the pressure loss of the gas diffusion path is reduced.

溝１２０ａ、１２０ｃが伸びる方向に対して直交する方向の断面において見て、溝１２０ａ、１２０ｃは、波型形状を有している。波型形状の溝１２０ａ、１２０ｃのピッチｐ１は０．２〜１ｍｍ、かつ、溝１２０ａ、１２０ｃの深さｄは０．２〜１ｍｍが好ましい。発泡金属多孔体を用いた場合には、細孔径が比較的大きいのでカーボンペーパを必要とするが、溝１２０ａ、１２０ｃのピッチｐ１が０．２〜１ｍｍ、かつ、溝１２０ａ、１２０ｃの深さｄが０．２〜１ｍｍを満たすことによって、カーボンペーパを使わずとも集電することが可能となる。つまり、ガス（燃料ガスや酸化剤ガス）を流しつつ触媒層３０ａ、３０ｃとの接触面積を確保できる。比較的高価で作製も煩雑なカーボンペーパを用いなくてよいことから、アノード６０ａ、カソード６０ｃの作製コストを低減することができる。またカーボンペーパを必要としないため厚み方向のサイズを低減することができる。   When viewed in a cross section perpendicular to the direction in which the grooves 120a and 120c extend, the grooves 120a and 120c have a corrugated shape. The pitch p1 of the corrugated grooves 120a and 120c is preferably 0.2 to 1 mm, and the depth d of the grooves 120a and 120c is preferably 0.2 to 1 mm. When a foam metal porous body is used, carbon paper is required because the pore diameter is relatively large. However, the pitch p1 of the grooves 120a and 120c is 0.2 to 1 mm, and the depth d of the grooves 120a and 120c is d. By satisfying 0.2 to 1 mm, it is possible to collect current without using carbon paper. That is, the contact area with the catalyst layers 30a and 30c can be secured while flowing gas (fuel gas or oxidant gas). Since it is not necessary to use carbon paper that is relatively expensive and complicated to manufacture, the manufacturing cost of the anode 60a and the cathode 60c can be reduced. Further, since no carbon paper is required, the size in the thickness direction can be reduced.

図１（Ｂ）および図２を参照して、織物１００は、交錯した線材１０２同士の間に形成される多数の開口部１０３を有している。この開口部１０３も、溝１２０ａ、１２０ｃと同様に、ガス供給機能を発揮する。開口部１０３から構成されるガス拡散路は、織物１００の面の法線方向で見て均等ないし規則的な流路となるので、かかるガス拡散路の圧力損失も少なくなる。   With reference to FIG. 1 (B) and FIG. 2, the fabric 100 has a large number of openings 103 formed between the crossed wires 102. Similarly to the grooves 120a and 120c, the opening 103 also exhibits a gas supply function. Since the gas diffusion path constituted by the opening 103 becomes a uniform or regular flow path when viewed in the normal direction of the surface of the fabric 100, the pressure loss of the gas diffusion path is also reduced.

アノード電極部材５０ａは、図１（Ａ）において上側の頂点部１１１においてアノード触媒層３０ａに対して接触することによって、アノード触媒層３０ａとの間の導電性を確保する。アノード電極部材５０ａは、下側の頂点部１１２においてにおいてアノードセパレータ８０ａに対して接触することによって、アノードセパレータ８０ａとの間の導電性を確保する。   The anode electrode member 50a ensures electrical conductivity with the anode catalyst layer 30a by making contact with the anode catalyst layer 30a at the upper apex portion 111 in FIG. 1A. The anode electrode member 50a ensures electrical conductivity with the anode separator 80a by contacting the anode separator 80a at the lower vertex 112.

カソード電極部材５０ｃは、図１（Ａ）において下側の頂点部１１１においてカソード触媒層３０ｃに対して接触することによって、カソード触媒層３０ｃとの間の導電性を確保する。カソード電極部材５０ｃは、上側の頂点部１１２においてカソードセパレータ８０ｃに対して接触することによって、カソードセパレータ８０ｃとの間の導電性を確保する。   The cathode electrode member 50c ensures electrical conductivity with the cathode catalyst layer 30c by contacting the cathode catalyst layer 30c at the lower vertex 111 in FIG. 1A. The cathode electrode member 50c ensures electrical conductivity with the cathode separator 80c by contacting the cathode separator 80c at the upper vertex 112.

ＰＥＦＣ１０において、発電に寄与する反応部は、ＭＥＡ７０をセパレータ８０ａ、８０ｃを介して積層した部分である。図１（Ａ）および図５に示すように、この反応部の少なくとも一部の領域において、積層体４０を介して、アノード６０ａ側の溝１２０ａとカソード６０ｃ側の溝１２０ｃとを交差させている。アノード６０ａ側の溝１２０ａとカソード６０ｃ側の溝１２０ｃとを交差させることによって、アノード電極部材５０ａを構成する織物１００の頂点部１１１と、カソード電極部材５０ｃを構成する織物１００の頂点部１１１とを、積層体４０を介して、向かい合わせて接触させることができる。これによって、織物の頂点部同士がずれている場合に比べると、アノード電極部材５０ａとカソード電極部材５０ｃとの間の接触面圧を十分に確保することができ、接触点数も十分に確保することができる。その結果、内部抵抗であるセル抵抗を低くして、セル電圧を高めることが可能となる。   In the PEFC 10, the reaction part contributing to power generation is a part in which the MEA 70 is stacked via the separators 80a and 80c. As shown in FIG. 1 (A) and FIG. 5, in at least a partial region of the reaction portion, the groove 120a on the anode 60a side and the groove 120c on the cathode 60c side intersect with each other through the stacked body 40. . By intersecting the groove 120a on the anode 60a side and the groove 120c on the cathode 60c side, the apex portion 111 of the fabric 100 constituting the anode electrode member 50a and the apex portion 111 of the fabric 100 constituting the cathode electrode member 50c are formed. Through the laminate 40, they can be brought into contact with each other. As a result, the contact surface pressure between the anode electrode member 50a and the cathode electrode member 50c can be sufficiently ensured and the number of contact points can be sufficiently ensured as compared with the case where the apexes of the fabric are displaced. Can do. As a result, the cell resistance, which is an internal resistance, can be lowered and the cell voltage can be increased.

反応部のすべての領域において、積層体４０を介して、アノード６０ａ側の溝１２０ａと、カソード６０ｃ側の溝１２０ｃとが交差していることが好ましい。アノード電極部材５０ａとカソード電極部材５０ｃとの間の接触面圧をより十分に確保することができ、接触点数もより十分に確保することができ、その結果、内部抵抗であるセル抵抗を低くして、セル電圧を一層高めることが可能となるからである。   It is preferable that the groove 120a on the anode 60a side and the groove 120c on the cathode 60c side intersect with each other through the stacked body 40 in all regions of the reaction part. The contact surface pressure between the anode electrode member 50a and the cathode electrode member 50c can be secured more sufficiently, and the number of contact points can be secured more sufficiently. As a result, the cell resistance as an internal resistance is lowered. This is because the cell voltage can be further increased.

また、アノード６０ａ側の溝１２０ａおよびカソード６０ｃ側の溝１２０ｃのうちの一方の溝１２０ａ（１２０ｃ）が、または、両方の溝１２０ａ、１２０ｃのそれぞれが、平面視において波状の流路を形成することが好ましい。アノード６０ａ側の溝１２０ａとカソード６０ｃ側の溝１２０ｃとを簡単に交差させることができ、セル抵抗を低くして、セル電圧を高めるという効果を確実に得ることができるからである。   Also, one groove 120a (120c) of the groove 120a on the anode 60a side and the groove 120c on the cathode 60c side, or each of both the grooves 120a and 120c form a wave-like channel in plan view. Is preferred. This is because the groove 120a on the anode 60a side and the groove 120c on the cathode 60c side can be easily crossed, and the effect of lowering the cell resistance and increasing the cell voltage can be obtained with certainty.

具体的に、本実施形態にあっては、図３（Ａ）および図４（Ａ）に示すように、アノード６０ａ側の溝１２０ａおよびカソード６０ｃ側の溝１２０ｃのそれぞれが、平面視において波状の流路を形成している。波状の流路のピッチｐ２、幅ｗ、および溝１２０ａ、１２０ｃのピッチｐ１は、アノード６０ａ側の溝１２０ａおよびカソード６０ｃ側の溝１２０ｃともに同じである。一方、波状の流路の位相は、アノード６０ａ側の溝１２０ａとカソード６０ｃ側の溝１２０ｃとの間で逆にしてある。同一の織物１００を表裏反転して用いることによって、波状の流路の位相を逆にすることができる。したがって、同一部材を用いることによって、コストの低減を図ることが可能となる。   Specifically, in the present embodiment, as shown in FIGS. 3A and 4A, each of the groove 120a on the anode 60a side and the groove 120c on the cathode 60c side has a wavy shape in plan view. A flow path is formed. The pitch p2 and the width w of the wavy channel and the pitch p1 of the grooves 120a and 120c are the same for both the groove 120a on the anode 60a side and the groove 120c on the cathode 60c side. On the other hand, the phase of the wavy flow path is reversed between the groove 120a on the anode 60a side and the groove 120c on the cathode 60c side. By using the same fabric 100 with the front and back reversed, the phase of the wavy channel can be reversed. Therefore, it is possible to reduce the cost by using the same member.

なお、本明細書においては、溝１２０ａ、１２０ｃが伸びる方向に対して直交する方向の波の形状については「波型」の文言を用い、平面視において平面方向の波の形状については「波状」の文言を用いる。   In this specification, the term “wave shape” is used for the wave shape in the direction orthogonal to the direction in which the grooves 120a and 120c extend, and the wave shape in the plane direction in a plan view is “wavy”. Is used.

上記構成のアノード電極部材５０ａ、カソード電極部材５０ｃによれば、圧力損失を少なくし、セル抵抗を低くしてセル電圧を高める効果を奏する。   According to the anode electrode member 50a and the cathode electrode member 50c having the above-described configuration, there is an effect that the pressure loss is reduced, the cell resistance is lowered, and the cell voltage is increased.

すなわち、アノード電極部材５０ａのガス拡散路は、発泡金属多孔体におけるランダムな流路に比べて格段に均等ないし規則的な流路であるので、ガス拡散路の圧力損失が少なくなる。このため、ガス拡散速度が低下しないので、燃料ガスを効率的に拡散して、十分なガス供給機能を確保することができる。電気化学的反応の進行が促進される結果、高出力化を図ることができる。圧力損失が少なくなるので、燃料ガスの流量分布が均一になり、電圧の安定化を図ることもできる。   That is, since the gas diffusion path of the anode electrode member 50a is a remarkably uniform or regular flow path compared to the random flow path in the foam metal porous body, the pressure loss of the gas diffusion path is reduced. For this reason, since a gas diffusion rate does not fall, fuel gas can be diffused efficiently and sufficient gas supply function can be secured. As a result of promoting the progress of the electrochemical reaction, high output can be achieved. Since the pressure loss is reduced, the flow rate distribution of the fuel gas becomes uniform, and the voltage can be stabilized.

カソード電極部材５０ｃのガス拡散路も同様に、発泡金属多孔体におけるランダムな流路に比べて格段に均等ないし規則的な流路であるので、ガス拡散路の圧力損失が少なくなる。このため、ガス拡散速度が低下しないので、酸化剤ガスを効率的に拡散して、十分なガス供給機能を確保することができる。電気化学的反応の進行が促進される結果、高出力化を図ることができる。ガス拡散速度が低下しないことから、カソード６０ｃにおける生成水をガス拡散方向の下流側に押し出して排出し易く、生成水が滞留するフラッディング現象を十分に抑制することができる。この観点からも、電気化学的反応の進行を促進し、高出力化を図ることができる。圧力損失が少なくなるので、酸化剤ガスの流量分布が均一になり、電圧の安定化を図ることもできる。   Similarly, since the gas diffusion path of the cathode electrode member 50c is a substantially uniform or regular flow path as compared with the random flow path in the porous metal foam, the pressure loss of the gas diffusion path is reduced. For this reason, since a gas diffusion rate does not fall, oxidant gas can be diffused efficiently and sufficient gas supply function can be secured. As a result of promoting the progress of the electrochemical reaction, high output can be achieved. Since the gas diffusion rate does not decrease, the generated water at the cathode 60c is easily pushed out and discharged downstream in the gas diffusion direction, and the flooding phenomenon in which the generated water stays can be sufficiently suppressed. From this point of view as well, the progress of the electrochemical reaction can be promoted to increase the output. Since the pressure loss is reduced, the flow rate distribution of the oxidant gas becomes uniform, and the voltage can be stabilized.

アノード電極部材５０ａを介して、アノード触媒層３０ａとアノードセパレータ８０ａとの間の導電性が確保され、カーボンペーパを設けなくてもセル抵抗が低くなる。このため、アノード触媒層３０ａにおいて発生した電流を容易にアノードセパレータ８０ａ側に通電させることができる。   The conductivity between the anode catalyst layer 30a and the anode separator 80a is ensured via the anode electrode member 50a, and the cell resistance is reduced without providing carbon paper. For this reason, the current generated in the anode catalyst layer 30a can be easily supplied to the anode separator 80a side.

カソード電極部材５０ｃを介して、カソード触媒層３０ｃとカソードセパレータ８０ｃとの間の導電性が確保され、カーボンペーパを設けなくてもセル抵抗が低くなる。このため、カソード触媒層３０ｃにおいて発生した電流を容易にカソードセパレータ８０ｃ側に通電させることができる。   The conductivity between the cathode catalyst layer 30c and the cathode separator 80c is ensured through the cathode electrode member 50c, and the cell resistance is reduced without providing carbon paper. For this reason, the current generated in the cathode catalyst layer 30c can be easily supplied to the cathode separator 80c side.

図６（Ａ）には、対比例に係る固体高分子形燃料電池における織物１３０を示してある。対比例にあっては、アノード６０ａ側の溝１２０ａおよびカソード６０ｃ側の溝１２０ｃはともに、平面視においてストレートの流路を形成している。織物１００、１３０には部品公差があり、織物１００、１３０を組み付けるときにも組み付け公差がある。このため、このような織物１３０をアノード６０ａ側の溝１２０ａとカソード６０ｃ側の溝１２０ｃとを交差させずに組み付ける場合には、アノード電極部材５０ａを構成する織物１３０の頂点部１１１と、カソード電極部材５０ｃを構成する織物１３０の頂点部１１１とが、ずれてしまうことが生じ得る。図６（Ｂ）の符号Δは、織物１３０の頂点部１１１同士のずれを示している。織物１３０の頂点部１１１同士がずれてしまうと、積層方向に加圧しても、積層体４０が弾性変形するだけであり、アノード電極部材５０ａとカソード電極部材５０ｃとの間の接触面圧が比較的小さなものとなる。さらに、接触点数も少なくなる。このため、内部抵抗であるセル抵抗が高くなり、セル電圧が低くなってしまう。   FIG. 6 (A) shows a fabric 130 in a polymer electrolyte fuel cell in proportion. In comparison, the groove 120a on the anode 60a side and the groove 120c on the cathode 60c side together form a straight channel in plan view. The fabrics 100 and 130 have component tolerances, and there is also an assembly tolerance when the fabrics 100 and 130 are assembled. For this reason, when assembling such a fabric 130 without crossing the groove 120a on the anode 60a side and the groove 120c on the cathode 60c side, the apex 111 of the fabric 130 constituting the anode electrode member 50a, and the cathode electrode It may occur that the apex portion 111 of the fabric 130 constituting the member 50c is displaced. A symbol Δ in FIG. 6B indicates a deviation between the vertex portions 111 of the fabric 130. If the apexes 111 of the fabric 130 are displaced, the laminate 40 will only be elastically deformed even when pressed in the stacking direction, and the contact surface pressure between the anode electrode member 50a and the cathode electrode member 50c is compared. Small. Furthermore, the number of contact points is also reduced. For this reason, the cell resistance, which is an internal resistance, increases, and the cell voltage decreases.

これに対して、本実施形態にあっては、アノード６０ａ側の溝１２０ａとカソード６０ｃ側の溝１２０ｃとを交差させていることから、アノード電極部材５０ａを構成する織物１００の頂点部１１１と、カソード電極部材５０ｃを構成する織物１００の頂点部１１１とを、積層体４０を介して、向かい合わせて接触させることができる（図１（Ａ）および図５を参照）。これによって、織物１３０の頂点部１１１同士がずれている場合に比べると、アノード電極部材５０ａとカソード電極部材５０ｃとの間の接触面圧を十分に確保することができ、接触点数も十分に確保することができる。このため、内部抵抗であるセル抵抗が低くなり、セル電圧を高めることが可能となる。   On the other hand, in the present embodiment, since the groove 120a on the anode 60a side and the groove 120c on the cathode 60c side are crossed, the apex portion 111 of the fabric 100 constituting the anode electrode member 50a, The apex portion 111 of the fabric 100 constituting the cathode electrode member 50c can be brought into contact with each other through the laminate 40 (see FIG. 1A and FIG. 5). As a result, compared to the case where the apexes 111 of the fabric 130 are displaced from each other, the contact surface pressure between the anode electrode member 50a and the cathode electrode member 50c can be sufficiently secured, and the number of contact points can be sufficiently secured. can do. For this reason, the cell resistance which is an internal resistance is lowered, and the cell voltage can be increased.

図１（Ｂ）を参照して、電極部材５０ａ、５０ｃの表面は、導電性防食処理がされていることが好ましい。電極部材５０ａ、５０ｃに導電性防食処理を施すことによって、電極部材５０ａ、５０ｃが腐食せず、セルの耐久性を高めることができるからである。導電性防食処理は、金または導電性炭素のコーティング１４０である。導電性腐食処理が金メッキ、金クラッド、導電性炭素層であるため、燃料電池内の環境下で腐食することがなく、セルの耐久性を高めることができるからである。   With reference to FIG. 1 (B), it is preferable that the surface of electrode member 50a, 50c is subjected to conductive anticorrosion treatment. This is because the electrode members 50a and 50c are not corroded and the durability of the cells can be improved by applying the conductive anticorrosion treatment to the electrode members 50a and 50c. The conductive anticorrosion treatment is a gold or conductive carbon coating 140. This is because the conductive corrosion treatment is gold plating, gold cladding, and a conductive carbon layer, so that the durability of the cell can be enhanced without being corroded in the environment inside the fuel cell.

織物１００は、図２に示されるメタルメッシュ１０１から形成することができる。使用するメタルメッシュ１０１の寸法は適宜選択できるが、例えば、メッシュ数が２００〜５００メッシュである。メタルメッシュ１０１の織り方は特に限定されず、平織、綾織、平畳織、綾畳織など何れでもよい。   The fabric 100 can be formed from the metal mesh 101 shown in FIG. Although the dimension of the metal mesh 101 to be used can be selected suitably, the number of meshes is 200-500 mesh, for example. The weaving method of the metal mesh 101 is not particularly limited, and any of plain weave, twill, plain tatami, twill, etc. may be used.

織物１００を構成する導電性材料について特に制限はなく、金属セパレータの構成材料として用いられているものが適宜用いられ得る。織物１００の構成材料としては、例えば、鉄、チタン、およびアルミニウム並びにこれらの合金が挙げられる。これらの材料は、機械的強度、汎用性、コストパフォーマンスまたは加工容易性などの観点から好ましく用いられ得る。ここで、鉄合金にはステンレスが含まれる。なかでも、織物１００はステンレスから構成することが好ましい。   There is no restriction | limiting in particular about the electroconductive material which comprises the textile fabric 100, What is used as a constituent material of a metal separator can be used suitably. Examples of the constituent material of the fabric 100 include iron, titanium, aluminum, and alloys thereof. These materials can be preferably used from the viewpoints of mechanical strength, versatility, cost performance, or processability. Here, the iron alloy includes stainless steel. Especially, it is preferable that the fabric 100 is made of stainless steel.

溝１２０ａ、１２０ｃは平面視において波状の流路を形成しているが、この波状の流路における揺らぎの寸法も適宜選択できる。図３および図４に示したように、波状の流路のピッチｐ２、つまり揺らぎのピッチは、例えば、２〜３０ｍｍである。また、波状の流路の幅ｗ、つまり揺らぎの振幅は、例えば、０．５〜５ｍｍである。   The grooves 120a and 120c form a wave-like channel in plan view, but the size of fluctuation in the wave-like channel can also be selected as appropriate. As shown in FIGS. 3 and 4, the pitch p <b> 2 of the wavy flow path, that is, the fluctuation pitch is, for example, 2 to 30 mm. The width w of the wavy flow path, that is, the amplitude of fluctuation is, for example, 0.5 to 5 mm.

アノード触媒層３０ａとともにアノード６０ａを形成するために上記構成のアノード電極部材５０ａを用いることによって、上述したように、圧力損失を少なくし、セル抵抗を低くし、さらにセル電圧を高めたＰＥＦＣ１０を得ることができる。カソード電極部材５０ｃについても同様のことがいえる。   By using the anode electrode member 50a configured as described above to form the anode 60a together with the anode catalyst layer 30a, as described above, the PEFC 10 with reduced pressure loss, lower cell resistance, and higher cell voltage is obtained. be able to. The same applies to the cathode electrode member 50c.

［織物１００のエンボスロール成型］
織物１００の折り曲げ加工に関しては、織物１００をエンボスロール成型することによって、波型形状を賦形することが好ましい。エンボスロール成型は、コストが比較的安く、大量生産に適しているからである。 [Emboss roll molding of fabric 100]
Regarding the bending process of the fabric 100, it is preferable to shape the corrugated shape by embossing roll molding of the fabric 100. This is because embossing roll molding is relatively inexpensive and suitable for mass production.

図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃに、マイクロエンボス装置２００の平面図、正面図、右側面図を概略示してある。   7A, 7B, and 7C schematically show a plan view, a front view, and a right side view of the microembossing device 200. FIG.

図示するように、マイクロエンボス装置２００は、ロールクリアランスを隔てて配置される一対のエンボスロール２１１、２１２と、一対のエンボスロール２１１、２１２の間に素材を供給する供給部２２０と、一のエンボスロール２１２を回転駆動する駆動モータ２３０と、を有している。   As shown in the drawing, the micro embossing device 200 includes a pair of embossing rolls 211 and 212 arranged with a roll clearance therebetween, a supply unit 220 that supplies a material between the pair of embossing rolls 211 and 212, and one embossing. And a drive motor 230 that rotationally drives the roll 212.

一対のエンボスロール２１１、２１２は、ロールクリアランスを隔てて上下に配置される上エンボスロール２１１と、下エンボスロール２１２とである。ベース２１０に取り付けたロール支持部２１３は、上下のエンボスロール２１１、２１２の軸を回転自在に保持している。ロール支持部２１３はまた、ロールクリアランスを調整するために、上エンボスロール２１１を下エンボスロール２１２に対して接近離反移動自在に保持している。図中の符号２１４は、ロールクリアランスを調整するための調整ねじを表している。   The pair of embossing rolls 211 and 212 are an upper embossing roll 211 and a lower embossing roll 212 that are arranged vertically with a roll clearance therebetween. A roll support portion 213 attached to the base 210 rotatably holds the shafts of the upper and lower emboss rolls 211 and 212. The roll support portion 213 also holds the upper embossing roll 211 so as to be movable toward and away from the lower embossing roll 212 in order to adjust the roll clearance. Reference numeral 214 in the drawing represents an adjusting screw for adjusting the roll clearance.

供給部２２０は、素材である織物１００を上下のエンボスロール２１１、２１２の間に向けて供給するテーブル２２１と、テーブル２２１に設けられた供給ガイド２２２とを含んでいる。   The supply unit 220 includes a table 221 that supplies the fabric 100 as a material toward the upper and lower embossing rolls 211 and 212, and a supply guide 222 provided on the table 221.

駆動モータ２３０は、ベース２１０上に取り付けている。駆動モータ２３０の駆動シャフト２３１は、下エンボスロール２１２の回動軸に連結してある。   The drive motor 230 is attached on the base 210. The drive shaft 231 of the drive motor 230 is connected to the rotating shaft of the lower embossing roll 212.

マイクロエンボス装置２００によってエンボスロール成型を行う成形工程の一例を説明する。   An example of a molding process in which emboss roll molding is performed by the micro embossing device 200 will be described.

まず、ジュラルミン製の上下のエンボスロール２１１、２１２を製作する。エンボスロール２１１、２１２の製作方法は、同時４軸制御のマシニングセンターによる切削加工である。上下のエンボスロール２１１、２１２の寸法は、直径５０ｍｍ、面長９０ｍｍである。ロール表面に彫られる溝のピッチは０．３ｍｍであり、溝深さは０．３ｍｍである。溝加工に用いるエンドミルはφ０．１ｍｍの２枚刃ボールエンドミルで、主軸の回転数３５０００〜５００００ＲＰＭ、１回転あたりの切り込みは０．０１ｍｍ〜０．０３ｍｍ、ロールを加工するチャック付加軸の回転数は１〜３ＲＰＭである。   First, upper and lower embossing rolls 211 and 212 made of duralumin are manufactured. The embossing rolls 211 and 212 are manufactured by cutting using a simultaneous 4-axis control machining center. The upper and lower embossing rolls 211 and 212 have a diameter of 50 mm and a surface length of 90 mm. The pitch of the grooves carved on the roll surface is 0.3 mm, and the groove depth is 0.3 mm. The end mill used for grooving is a two-blade ball end mill with a diameter of 0.1 mm. The rotation speed of the main shaft is 35000 to 50000 RPM, the incision per rotation is 0.01 mm to 0.03 mm, and the rotation speed of the chuck additional shaft that processes the roll is 1 to 3 RPM.

加工が完了した上下のエンボスロール２１１、２１２を、溶剤洗浄した後、ロール支持部２１３にセットする。まず、下エンボスロール２１２の軸位置を決め、駆動モータ２３０の駆動シャフト２３１に固定する。その後、上エンボスロール２１１をロール支持部２１３にセットし、上下のエンボスロール２１１、２１２の溝が凹凸で合致した位置において、上エンボスロール２１１の位置を固定する。   The upper and lower embossing rolls 211 and 212 that have been processed are washed with a solvent and then set on the roll support portion 213. First, the axial position of the lower embossing roll 212 is determined and fixed to the drive shaft 231 of the drive motor 230. Thereafter, the upper embossing roll 211 is set on the roll support portion 213, and the position of the upper embossing roll 211 is fixed at the position where the grooves of the upper and lower embossing rolls 211, 212 are matched by unevenness.

調整ねじ２１４によって、素材である織物１００の肉厚（例えば、０．０６ｍｍ）分の隙間をあける。   The adjustment screw 214 opens a gap corresponding to the thickness (for example, 0.06 mm) of the fabric 100 that is a material.

使用する素材は、例えば、ステンレス製平織り３００メッシュで、９０ｍｍ×３４０ｍｍに予め切断しておく。   A material to be used is, for example, a stainless steel plain weave 300 mesh, which is cut in advance to 90 mm × 340 mm.

マイクロエンボス装置２００の供給テーブル２２１に素材をセットする。次いで、駆動モータ２３０の駆動を開始する。   The material is set on the supply table 221 of the micro embossing device 200. Next, driving of the drive motor 230 is started.

駆動モータ２３０の回転スピードを８〜１３ＲＰＭに調整した後、供給テーブル２２１上の素材を上下のエンボスロール２１１、２１２の間に供給する。素材を供給するときは、供給ガイド２２２に沿わせながら素材を送り込み、上下のエンボスロール２１１、２１２に対して垂直に素材を供給する。素材の送り込み、および上下のエンボスロール２１１、２１２の回転によって、素材に波型形状を賦形し、立体的な織物１００を得る。   After adjusting the rotational speed of the drive motor 230 to 8 to 13 RPM, the material on the supply table 221 is supplied between the upper and lower embossing rolls 211 and 212. When supplying the material, the material is fed along the supply guide 222 and supplied vertically to the upper and lower embossing rolls 211 and 212. By feeding the material and rotating the upper and lower embossing rolls 211 and 212, a wave shape is formed on the material to obtain a three-dimensional fabric 100.

成型完了後、波型形状に賦形された織物１００の破れ、ささくれなどの有無の確認を行う。形状・品質に問題がないことを確認したのち、金メッキ処理工程に移行する。   After the molding is completed, it is checked whether the woven fabric 100 shaped into a corrugated shape is torn or crushed. After confirming that there is no problem in shape and quality, the process proceeds to the gold plating process.

金メッキの厚みは例えば１００ｎｍであり、メッキ処理後、メッキの厚み、メッキの未処理の部分が無いかを確認する。これによって、電極部材の作製が完了する。   The thickness of the gold plating is, for example, 100 nm, and after the plating process, it is confirmed whether there is any plating thickness or an untreated part of the plating. Thereby, the production of the electrode member is completed.

［カーボン粒子層３１ａ、３１ｃ］
図１（Ａ）を参照して、カーボン粒子層３１ａ、３１ｃ（マイクロポーラス層；ＭＰＬ）は、集電性向上のため、触媒層３０ａ、３０ｃ上に圧着によって設けている。 [Carbon particle layers 31a, 31c]
Referring to FIG. 1A, carbon particle layers 31a and 31c (microporous layers; MPL) are provided on the catalyst layers 30a and 30c by pressure bonding in order to improve current collection.

ＭＰＬは、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）多孔体に、アセチレンブラックと、ＰＴＦＥ微粒子と、増粘剤とからなる水分散液を含侵し、焼成処理を行って作製する。   The MPL is produced by impregnating a PTFE (polytetrafluoroethylene) porous material with an aqueous dispersion composed of acetylene black, PTFE fine particles, and a thickener, and performing a baking treatment.

［セパレータ８０ａ、８０ｃ］
セパレータ８０ａ、８０ｃは、単セルを複数個直列に接続して燃料電池スタックを構成する際に、各セルを電気的に直列接続する機能を有する。また、セパレータ８０ａ、８０ｃは、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却剤を互いに遮断する隔壁としての機能も有する。 [Separators 80a and 80c]
The separators 80a and 80c have a function of electrically connecting each cell in series when a plurality of single cells are connected in series to form a fuel cell stack. Further, the separators 80a and 80c also have a function as a partition that blocks the fuel gas, the oxidant gas, and the coolant from each other.

セパレータ８０ａ、８０ｃを構成する材料としては、緻密カーボングラファイト、炭素板などのカーボンや、ステンレスなどの金属など、従来公知の材料が適宜制限なく用いることができる。図示例にあっては、アノードセパレータ８０ａおよびカソードセパレータ８０ｃは、ともに金属製である。   As materials constituting the separators 80a and 80c, conventionally known materials such as dense carbon graphite, carbon such as a carbon plate, and metals such as stainless steel can be appropriately used without limitation. In the illustrated example, both the anode separator 80a and the cathode separator 80c are made of metal.

セパレータ８０ａ、８０ｃは、電極部材５０ａ、５０ｃの頂点部１１２が接触する側の面８２を平面に形成してある。電極部材５０ａ、５０ｃによって十分なガス供給機能を得ることができるので、セパレータ８０ａ、８０ｃにリブを形成する必要がない。このため、セパレータ８０ａ、８０ｃを簡単かつ安価に製造することができる。つまり、実施形態のように金属製セパレータの場合にはリブをプレス加工によって形成する必要がなく、カーボン製セパレータの場合にはリブを切削加工によって形成する必要がなくなるからである。さらに、リブを形成する必要がないため、セパレータ８０ａ、８０ｃの高さ方向のサイズ、ひいてはＰＥＦＣ１０の高さ方向のサイズを小さくすることができる。   The separators 80a and 80c have a flat surface 82 on the side where the apex portions 112 of the electrode members 50a and 50c come into contact. Since a sufficient gas supply function can be obtained by the electrode members 50a and 50c, it is not necessary to form ribs on the separators 80a and 80c. For this reason, the separators 80a and 80c can be manufactured easily and inexpensively. That is, in the case of a metal separator as in the embodiment, it is not necessary to form ribs by press working, and in the case of a carbon separator, it is not necessary to form ribs by cutting. Furthermore, since it is not necessary to form ribs, the size in the height direction of the separators 80a and 80c, and hence the size in the height direction of the PEFC 10 can be reduced.

図１に示されるＰＥＦＣ１０の他の構成要素、すなわち電解質層、触媒層３０ａ、３０ｃについて概説する。   The other components of the PEFC 10 shown in FIG. 1, that is, the electrolyte layer and the catalyst layers 30a and 30c will be outlined.

［電解質層］
電解質層は、固体高分子電解質膜２０から構成される。この高分子電解質膜２０は、ＰＥＦＣ１０の運転時にアノード触媒層３０ａで生成したプロトンを膜厚方向に沿ってカソード触媒層３０ｃへと選択的に透過させる機能を有する。また、高分子電解質膜２０は、アノード６０ａ側に供給される燃料ガスとカソード６０ｃ側に供給される酸化剤ガスとを混合させないための隔壁としての機能をも有する。 [Electrolyte layer]
The electrolyte layer is composed of a solid polymer electrolyte membrane 20. The polymer electrolyte membrane 20 has a function of selectively transmitting protons generated in the anode catalyst layer 30a during operation of the PEFC 10 to the cathode catalyst layer 30c along the film thickness direction. The polymer electrolyte membrane 20 also has a function as a partition wall for preventing the fuel gas supplied to the anode 60a side and the oxidant gas supplied to the cathode 60c side from being mixed.

高分子電解質膜２０の具体的な構成は特に制限されず、燃料電池の技術分野において従来公知の高分子電解質からなる膜が適宜採用できる。高分子電解質膜２０として、例えば、ナフィオン（登録商標、デュポン社製）、アシプレックス（登録商標、旭化成株式会社製）、フレミオン（登録商標、旭硝子株式会社製）等のパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーから構成されるフッ素系高分子電解質膜２０を用いることができる。   The specific configuration of the polymer electrolyte membrane 20 is not particularly limited, and a membrane made of a polymer electrolyte conventionally known in the technical field of fuel cells can be appropriately employed. Examples of the polymer electrolyte membrane 20 include perfluorocarbon sulfonic acid polymers such as Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), and Flemion (registered trademark, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.). The fluorine polymer electrolyte membrane 20 configured can be used.

［触媒層３０ａ、３０ｃ］
触媒層３０ａ、３０ｃは、実際に電池反応が進行する層である。具体的には、アノード触媒層３０ａでは水素の酸化反応が進行し、カソード触媒層３０ｃでは酸素の還元反応が進行する。触媒層は、触媒成分、触媒成分を担持する導電性の触媒担体、および高分子電解質を含む。 [Catalyst layers 30a, 30c]
The catalyst layers 30a and 30c are layers in which the battery reaction actually proceeds. Specifically, the oxidation reaction of hydrogen proceeds in the anode catalyst layer 30a, and the reduction reaction of oxygen proceeds in the cathode catalyst layer 30c. The catalyst layer includes a catalyst component, a conductive catalyst carrier that supports the catalyst component, and a polymer electrolyte.

アノード触媒層３０ａに用いられる触媒成分は、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。また、カソード触媒層３０ｃに用いられる触媒成分もまた、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく公知の触媒が同様にして使用できる。具体的には、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属およびこれらの合金などから選択されうる。これらのうち、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましく用いることができる。   The catalyst component used for the anode catalyst layer 30a is not particularly limited as long as it has a catalytic action in the oxidation reaction of hydrogen, and a known catalyst can be used in the same manner. The catalyst component used for the cathode catalyst layer 30c is not particularly limited as long as it has a catalytic action for the oxygen reduction reaction, and a known catalyst can be used in the same manner. Specifically, it can be selected from metals such as platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osmium, tungsten, lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, and alloys thereof. . Among these, those containing at least platinum can be preferably used in order to improve catalytic activity, poisoning resistance to carbon monoxide, heat resistance, and the like.

触媒担体は、上述した触媒成分を担持するための担体、および触媒成分と他の部材との間での電子の授受に関与する電子伝導パスとして機能する。触媒担体としては、触媒成分を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、充分な電子伝導性を有しているものであればよく、主成分がカーボンであることが好ましい。具体的には、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などからなるカーボン粒子を挙げることができる。   The catalyst carrier functions as a carrier for supporting the above-described catalyst component and an electron conduction path involved in the transfer of electrons between the catalyst component and another member. Any catalyst carrier may be used as long as it has a specific surface area for supporting the catalyst component in a desired dispersion state and sufficient electron conductivity, and the main component is preferably carbon. Specific examples include carbon particles made of carbon black, activated carbon, coke, natural graphite, artificial graphite and the like.

高分子電解質は、特に限定されないが、例えば、上述した電解質層を構成するイオン交換樹脂が、高分子電解質として触媒層に添加することができる。   The polymer electrolyte is not particularly limited. For example, the above-described ion exchange resin constituting the electrolyte layer can be added to the catalyst layer as a polymer electrolyte.

燃料電池の製造方法は、特に制限されることなく、燃料電池の分野において従来公知の知見が適宜参照され得る。   The manufacturing method of the fuel cell is not particularly limited, and conventionally known knowledge can be appropriately referred to in the field of the fuel cell.

燃料電池を運転する際に用いられる燃料は特に限定されない。例えば、水素、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、１−ブタノール、第２級ブタノール、第３級ブタノール、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、エチレングリコール、ジエチレングリコールなどを用いることができる。なかでも、高出力化が可能である点で、水素やメタノールが好ましい。   The fuel used when operating the fuel cell is not particularly limited. For example, hydrogen, methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, secondary butanol, tertiary butanol, dimethyl ether, diethyl ether, ethylene glycol, diethylene glycol, or the like can be used. Of these, hydrogen and methanol are preferable in that high output can be achieved.

さらに、燃料電池が所望する電圧を発揮できるように、セパレータ８０ａ、８０ｃを介して膜電極接合体７０を複数積層して直列に繋いだ構造の燃料電池スタックを形成してもよい。燃料電池の形状などは、特に限定されず、所望する電圧などの電池特性が得られるように適宜決定すればよい。   Furthermore, a fuel cell stack having a structure in which a plurality of membrane electrode assemblies 70 are stacked and connected in series via separators 80a and 80c may be formed so that the fuel cell can exhibit a desired voltage. The shape of the fuel cell is not particularly limited, and may be determined as appropriate so that desired battery characteristics such as voltage can be obtained.

本実施形態のＰＥＦＣ１０やこれを用いた燃料電池スタックは、例えば、自動車に駆動用電源として搭載することができる。燃料電池スタックを自動車に搭載するには、例えば、車体中央部の座席下に搭載すればよい。座席下に搭載すれば、車内空間およびトランクルームを広く取ることができる。燃料電池スタックを搭載する場所は、座席下に限らず、後部トランクルームの下部でもよいし、車両前方のエンジンルームであってもよい。上述したＰＥＦＣ１０や燃料電池スタックは出力特性・耐久性に優れる。したがって、長期間にわたって信頼性の高い燃料電池搭載車両を提供することができる。   The PEFC 10 of this embodiment and the fuel cell stack using the PEFC 10 can be mounted, for example, as a driving power source in an automobile. In order to mount the fuel cell stack in an automobile, for example, it may be mounted under the seat at the center of the vehicle body. If it is installed under the seat, the interior space and the trunk room can be widened. The place where the fuel cell stack is mounted is not limited to under the seat, but may be a lower part of the rear trunk room or an engine room in front of the vehicle. The PEFC 10 and the fuel cell stack described above are excellent in output characteristics and durability. Therefore, a highly reliable fuel cell vehicle can be provided over a long period of time.

（平面視における流路形状の改変例１）
平面視における流路形状は、上述した実施形態の流路形状に限定されるものではない。 (Modification example 1 of flow path shape in plan view)
The channel shape in plan view is not limited to the channel shape of the above-described embodiment.

アノード電極部材５０ａとカソード電極部材５０ｃとを、同一構造の織物１００から構成する必要はない。例えば、アノード６０ａ側の溝１２０ａおよびカソード６０ｃ側の溝１２０ｃのそれぞれが、平面視において波状の流路を形成し、波状の流路のピッチｐ２、幅ｗ、位相、および溝１２０ａ、１２０ｃのピッチｐ１の少なくとも一つが、アノード６０ａ側の溝１２０ａとカソード６０ｃ側の溝１２０ｃとの間でずれていればよい。このような流路形状においても、アノード６０ａ側の溝１２０ａとカソード６０ｃ側の溝１２０ｃとを簡単に交差させることができ、セル抵抗を低くして、セル電圧を高めるという効果を確実に得ることができる。   The anode electrode member 50a and the cathode electrode member 50c do not need to be made of the fabric 100 having the same structure. For example, the groove 120a on the anode 60a side and the groove 120c on the cathode 60c side each form a wavy flow path in plan view, and the pitch p2, the width w, the phase of the wavy flow path, and the pitch of the grooves 120a and 120c It is sufficient that at least one of p1 is shifted between the groove 120a on the anode 60a side and the groove 120c on the cathode 60c side. Even in such a flow channel shape, the groove 120a on the anode 60a side and the groove 120c on the cathode 60c side can be easily crossed, and the effect of reducing the cell resistance and increasing the cell voltage can be reliably obtained. Can do.

（平面視における流路形状の改変例２）
また、平面視における流路形状は、次のようにも改変できる。 (Modification example 2 of channel shape in plan view)
Further, the flow channel shape in plan view can be modified as follows.

図８（Ａ）（Ｂ）を参照して、アノード６０ａ側の溝１２０ａおよびカソード６０ｃ側の溝１２０ｃのそれぞれが、平面視において波状の流路を形成し、カソード６０ｃ側の溝１２０ｃがなす波状の流路の曲率（１／曲率半径ｒｃ）が、アノード６０ａ側の溝１２０ａがなす波状の流路の曲率（１／曲率半径ｒａ）よりも小さくなるようにしてもよい（曲率半径の大小関係はｒｃ＞ｒａである）。このような流路形状においても、アノード６０ａ側の溝１２０ａとカソード６０ｃ側の溝１２０ｃとを簡単に交差させることができ、セル抵抗を低くして、セル電圧を高めるという効果を確実に得ることができる。さらには、カソード６０ｃ側の溝１２０ｃにおける圧力損失を小さくすることができ、空気を供給するコンプレッサーの負荷を下げて、システム効率を高めることが可能となる。   8A and 8B, each of the groove 120a on the anode 60a side and the groove 120c on the cathode 60c side forms a wave-like channel in plan view, and the wave shape formed by the groove 120c on the cathode 60c side. The curvature of the flow path (1 / curvature radius rc) may be smaller than the curvature of the wavy flow path formed by the groove 120a on the anode 60a side (1 / curvature radius ra). Rc> ra). Even in such a flow channel shape, the groove 120a on the anode 60a side and the groove 120c on the cathode 60c side can be easily crossed, and the effect of reducing the cell resistance and increasing the cell voltage can be reliably obtained. Can do. Furthermore, the pressure loss in the groove 120c on the cathode 60c side can be reduced, and the load on the compressor that supplies air can be reduced to increase the system efficiency.

（平面視における流路形状の改変例３）
さらに、平面視における流路形状は、次のようにも改変できる。 (Modification example 3 of channel shape in plan view)
Furthermore, the channel shape in plan view can be modified as follows.

図９を参照して、アノード６０ａ側の溝１２０ａが、平面視において波状の流路を形成し、カソード６０ｃ側の溝１２０ｃが、平面視において直線状の流路（曲率がゼロ）を形成するようにしてもよい。このような流路形状においても、アノード６０ａ側の溝１２０ａとカソード６０ｃ側の溝１２０ｃとを簡単に交差させることができ、セル抵抗を低くして、セル電圧を高めるという効果を確実に得ることができる。さらには、カソード６０ｃ側の溝１２０ｃにおける圧力損失をより小さくすることができ、空気を供給するコンプレッサーの負荷を下げて、システム効率を一層高めることが可能となる。   Referring to FIG. 9, groove 120a on the anode 60a side forms a wavy flow path in plan view, and groove 120c on the cathode 60c side forms a straight flow path (with zero curvature) in plan view. You may do it. Even in such a flow channel shape, the groove 120a on the anode 60a side and the groove 120c on the cathode 60c side can be easily crossed, and the effect of reducing the cell resistance and increasing the cell voltage can be reliably obtained. Can do. Furthermore, the pressure loss in the groove 120c on the cathode 60c side can be further reduced, and the system efficiency can be further increased by lowering the load of the compressor that supplies air.

（その他の改変例）
織物１００の波型形状は、図示した三角形状のような波型形状に限定されるものではなく、適宜の形状を選択することができる。例えば、サインカーブのような波型形状でもよい。さらには、矩形形状のような波型形状でもよい。織物１００の波型形状が矩形形状の場合でも、織物１００は多数の開口部１０３を有しているので、触媒層３０ａ、３０ｃに接している部位に開口部１０３が臨んでいる。織物１００が触媒層３０ａ、３０ｃに接している部位においても、開口部１０３を介して、触媒層３０ａ、３０ｃにガスを直接供給することができる。このため、触媒層３０ａ、３０ｃの全面を均一に利用することができ、これによって、セル電圧を高めることができる。 (Other modifications)
The corrugated shape of the fabric 100 is not limited to the corrugated shape such as the triangular shape shown in the figure, and an appropriate shape can be selected. For example, a wave shape such as a sine curve may be used. Furthermore, a wave shape such as a rectangular shape may be used. Even when the corrugated shape of the fabric 100 is a rectangular shape, since the fabric 100 has a large number of openings 103, the openings 103 face portions that are in contact with the catalyst layers 30a and 30c. Even at the portion where the fabric 100 is in contact with the catalyst layers 30 a and 30 c, the gas can be directly supplied to the catalyst layers 30 a and 30 c through the opening 103. For this reason, the entire surfaces of the catalyst layers 30a and 30c can be used uniformly, and thereby the cell voltage can be increased.

規則的に折り曲げた織物１００から電極部材５０ａ、５０ｃを構成した実施形態について説明したが、本発明はこの場合に限定されるものではない。例えば、開口部１０３の開孔率を部分的に変えたり、波型形状のピッチを部分的に変えたりした織物から電極部材５０ａ、５０ｃを構成することもできる。開口部１０３の開孔率や波型形状のピッチが異なる複数種類の織物を並べて配置することによって、１つの電極部材５０ａ、５０ｃを構成してもよい。このような形態の電極部材５０ａ、５０ｃによれば、通気抵抗を部分的に変えたり、触媒層３０ａ、３０ｃやセパレータ８０ａ、８０ｃとの接触面積を部分的に変えたりすることができる。燃料電池スタックを構成する場合に、セパレータ８０ａ、８０ｃを介して積層した複数のＭＥＡ７０を均等に押圧するために、溝１２０ａ、１２０ｃの深さｄつまり波型形状の高さを部分的に変えた織物から電極部材５０ａ、５０ｃを構成することもできる。   Although the embodiment in which the electrode members 50a and 50c are configured from the regularly folded fabric 100 has been described, the present invention is not limited to this case. For example, the electrode members 50a and 50c can be made of a woven fabric in which the aperture ratio of the opening 103 is partially changed or the corrugated pitch is partially changed. One electrode member 50a, 50c may be configured by arranging a plurality of types of woven fabrics having different opening ratios of the openings 103 and corrugated pitches. According to the electrode members 50a and 50c having such a configuration, the ventilation resistance can be partially changed, and the contact areas with the catalyst layers 30a and 30c and the separators 80a and 80c can be partially changed. When configuring the fuel cell stack, the depth d of the grooves 120a and 120c, that is, the height of the corrugated shape was partially changed in order to evenly press the plurality of MEAs 70 stacked via the separators 80a and 80c. The electrode members 50a and 50c can also be comprised from a textile fabric.

（実施例）
以下、本発明による効果を、実施例および比較例を用いて説明するが、本発明の技術的範囲はこれらの実施例に限定されない。 (Example)
Hereinafter, although the effect by this invention is demonstrated using an Example and a comparative example, the technical scope of this invention is not limited to these Examples.

［実施例１］
固体高分子電解質膜として、ナフィオンＣＳ（登録商標、デュポン社製））を用いた。この電解質膜に、白金担持カーボン（田中貴金属工業株式会社製 ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ、白金含量５０質量％）を塗布したテフロン（登録商標）シートをホットプレス法にて転写し、触媒層を形成した。白金触媒使用量は、アノード、カソードともに、０．４ｍｇ／ｃｍ２とした。 [Example 1]
As a solid polymer electrolyte membrane, Nafion CS (registered trademark, manufactured by DuPont) was used. A Teflon (registered trademark) sheet coated with platinum-supporting carbon (TEC10E50E manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd., platinum content: 50% by mass) was transferred to the electrolyte membrane by a hot press method to form a catalyst layer. The amount of platinum catalyst used was 0.4 mg / cm 2 for both the anode and cathode.

触媒層の保護および集電性向上のため、カーボン粒子層（マイクロポーラス層；ＭＰＬ）を触媒層上に圧着し、固体高分子電解質膜、触媒層、およびＭＰＬの接合体を作製した。ＭＰＬは、ＰＴＦＥ多孔体ポアフロン（住友電工製）に、アセチレンブラック（電気化学工業製）と、ＰＴＦＥ微粒子Ｐｏｌｙｆｌｏｎ（ダイキン工業製）と、適量の増粘剤とからなる水分散液を含侵し、３５０℃、３０分焼成処理を行ったものである。   In order to protect the catalyst layer and improve the current collection, a carbon particle layer (microporous layer; MPL) was pressure-bonded onto the catalyst layer to produce a solid polymer electrolyte membrane, a catalyst layer, and an MPL assembly. MPL impregnates PTFE porous material Poraflon (manufactured by Sumitomo Electric Industries) with an aqueous dispersion composed of acetylene black (manufactured by Denki Kagaku Kogyo), PTFE fine particles Polyflon (manufactured by Daikin Industries), and an appropriate amount of a thickener, and 350 A baking treatment is performed at a temperature of 30 ° C. for 30 minutes.

メッシュ数３００のステンレスメッシュ（綾織、線径２５μｍ、目開き２６μｍ）を、エンボスロールによって、図１（Ａ）に示した三角形状の波型形状に加工した。溝深さ２００μｍ、ピッチ２００μｍとした。   A stainless mesh having a mesh number of 300 (twill weave, wire diameter 25 μm, mesh opening 26 μm) was processed into a triangular corrugated shape shown in FIG. The groove depth was 200 μm and the pitch was 200 μm.

ステンレスメッシュは、図３（Ａ）および図４（Ａ）のような、アノード側の溝およびカソード側の溝のそれぞれが平面視において波状の流路を形成するように加工した。波状の流路のピッチｐ２、幅ｗ、および溝のピッチｐ１は、アノード側の溝およびカソード側の溝ともに同じとし、波状の流路の位相は、アノード側の溝とカソード側の溝との間で逆位相とした。   The stainless mesh was processed so that each of the groove on the anode side and the groove on the cathode side formed a wave-like channel in plan view as shown in FIGS. 3 (A) and 4 (A). The pitch p2, the width w of the wavy flow path, and the pitch p1 of the groove are the same for both the anode-side groove and the cathode-side groove, and the phase of the wavy flow path is the difference between the anode-side groove and the cathode-side groove. The phase was reversed.

このステンレスメッシュに、腐食防止と接触抵抗低減のために、１００ｎｍ厚みの金メッキを施して、電極部材を作製した。   The stainless steel mesh was plated with gold of 100 nm thickness to prevent corrosion and reduce contact resistance, thereby producing an electrode member.

触媒層のＭＰＬ上に電極部材を配置し、一対のセパレータによって挟持し、評価用単セルとした。セパレータとして、切削カーボン（メカニカルカーボン製）を用いた。セパレータの形状はリブのない平面状とした。図１（Ａ）に示したように、アノードおよびカソードをともに、触媒層と電極部材とから構成し、カーボンペーパ製、カーボン不織布製、あるいはカーボンファイバー製のガス拡散層は用いなかった。   An electrode member was placed on the MPL of the catalyst layer and sandwiched between a pair of separators to form a single cell for evaluation. Cutting carbon (made by mechanical carbon) was used as a separator. The shape of the separator was a flat shape without ribs. As shown in FIG. 1A, both the anode and the cathode are composed of a catalyst layer and an electrode member, and no carbon paper, carbon nonwoven fabric, or carbon fiber gas diffusion layer is used.

［実施例２］
アノード側のステンレスメッシュとして、溝が平面視において波状の流路を形成するように加工したものを使用した。カソード側のステンレスメッシュとして、溝が平面視においてストレートの流路を形成するように加工したものを使用した。これら以外は、実施例１と同様である。 [Example 2]
A stainless steel mesh on the anode side was used that was processed so that the groove formed a wave-like channel in plan view. A stainless steel mesh on the cathode side was used that was processed so that the groove formed a straight channel in plan view. The rest is the same as in the first embodiment.

［比較例］
アノード側のステンレスメッシュおよびカソード側のステンレスメッシュともに、溝が平面視においてストレートの流路を形成するように加工したものを使用した。これら以外は、実施例１と同様である。 [Comparative example]
A stainless steel mesh on the anode side and a stainless steel mesh on the cathode side were processed so that the groove formed a straight channel in plan view. The rest is the same as in the first embodiment.

実施例および比較例の各評価用単セルの発電試験を行った。アノードに水素、カソードに空気を供給し、相対湿度アノード１００％Ｒ．Ｈ．／カソード１００％Ｒ．Ｈ．、セル温度７０℃、両ガスの供給圧力を大気圧とした。水素流量は０．７８ｎＬ／ｍｉｎ、空気流量は２．５ｎＬ／ｍｉｎの流量一定とした。   A power generation test of each evaluation single cell of the example and the comparative example was performed. Hydrogen was supplied to the anode and air was supplied to the cathode. H. / Cathode 100% R.V. H. The cell temperature was 70 ° C., and the supply pressure of both gases was atmospheric pressure. The hydrogen flow rate was 0.78 nL / min, and the air flow rate was constant at 2.5 nL / min.

評価結果を図１０に示す。また、カソードの圧力損失は、実施例１が８８．０ｋＰａ、実施例２が３０．０ｋＰａ、比較例が３０．０ｋＰａであった。   The evaluation results are shown in FIG. Moreover, the pressure loss of the cathode was 88.0 kPa in Example 1, 30.0 kPa in Example 2, and 30.0 kPa in the comparative example.

図１０に示すように、比較例の電極部材を用いたセルは、セル電圧が低かった。比較例では、アノードの流路構造およびカソードの流路構造がともにストレート状であるので、部品公差や組み付け公差によって、アノード電極部材における頂点部と、カソード電極部材における頂点部とが、ずれてしまうことがある。このため、アノード電極部材とカソード電極部材との間の接触面圧が小さく、さらに、接触点数も少なく、接触抵抗が上昇したために、内部抵抗であるセル抵抗が高くなったからである、と推察できる。   As shown in FIG. 10, the cell using the electrode member of the comparative example had a low cell voltage. In the comparative example, since the anode channel structure and the cathode channel structure are both straight, the apex portion of the anode electrode member and the apex portion of the cathode electrode member are shifted due to component tolerance and assembly tolerance. Sometimes. For this reason, it can be inferred that the contact resistance between the anode electrode member and the cathode electrode member is small, the number of contact points is small, and the contact resistance is increased, so that the cell resistance as the internal resistance is increased. .

一方、実施例１、２の電極部材を用いたセルは、アノード側の溝とカソード側の溝とが平面視において交差する。アノード電極部材における頂点部と、カソード電極部材における頂点部とが、アノード触媒層、高分子電解質膜およびカソード触媒層を介して、向かい合って接触する。このため、アノード電極部材とカソード電極部材との間の接触面圧が大きく、さらに、接触点数も多く、接触抵抗が低下したために、内部抵抗であるセル抵抗が低くなったからである、と推察できる。   On the other hand, in the cells using the electrode members of Examples 1 and 2, the anode-side groove and the cathode-side groove intersect in plan view. The apex portion of the anode electrode member and the apex portion of the cathode electrode member face each other through the anode catalyst layer, the polymer electrolyte membrane, and the cathode catalyst layer. For this reason, it can be inferred that the contact resistance between the anode electrode member and the cathode electrode member is large, the number of contact points is large, and the contact resistance is lowered, so that the cell resistance as the internal resistance is lowered. .

実施例１、２の電極部材を用いたセルは、フラッディングが生じやすい高加湿条件においてもセル電圧が急激に低下していない。このため、フラッディング現象が発生せず、セル抵抗が低いため、高電流密度においてもセル電圧が高く、良好な性能を示す、と推察できる。   In the cells using the electrode members of Examples 1 and 2, the cell voltage does not drop rapidly even under high humidification conditions where flooding is likely to occur. For this reason, it can be inferred that no flooding phenomenon occurs and the cell resistance is low, so that the cell voltage is high even at high current density, and good performance is exhibited.

さらに実施例２では、カソードの流路構造がストレート状であるため、カソードの圧力損失が、実施例１よりも小さかった。このことによって、空気を供給するコンプレッサーの負荷を下げることができ、システム効率を高めることができる。   Furthermore, in Example 2, since the cathode channel structure was straight, the pressure loss of the cathode was smaller than in Example 1. As a result, the load on the compressor that supplies air can be reduced, and the system efficiency can be increased.

以上から、アノード側の溝とカソード側の溝とを交差させて配置した燃料電池セルは、交差させない燃料電池セルに比べて、アノード電極部材とカソード電極部材との間の接触面圧を十分に確保するとともに接触点数も十分に確保し、内部抵抗であるセル抵抗を低くして、セル電圧を高め、良好な性能を示すことがわかった。さらに、カソード側の溝を平面視においてストレート状とすることによって、空気を供給するコンプレッサーの負荷を下げることができ、システム効率を高めることができることがわかった。   From the above, the fuel cell in which the anode-side groove and the cathode-side groove are arranged to intersect each other has a sufficient contact surface pressure between the anode electrode member and the cathode electrode member as compared with the fuel cell that does not intersect. In addition to ensuring the sufficient number of contact points, it was found that the cell resistance, which is the internal resistance, was lowered, the cell voltage was increased, and good performance was exhibited. Furthermore, it has been found that by making the groove on the cathode side straight in a plan view, it is possible to reduce the load of the compressor that supplies air and to increase the system efficiency.

１０ 固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、
２０ 高分子電解質膜、
３０ａ アノード触媒層、
３０ｃ カソード触媒層、
３１ａ カーボン粒子層、
３１ｃ カーボン粒子層、
４０ 積層体（アノード触媒層、高分子電解質膜およびカソード触媒層）、
５０ａ アノード電極部材、
５０ｃ カソード電極部材、
６０ａ アノード、
６０ｃ カソード、
７０ 膜電極接合体（ＭＥＡ）、
８０ａ アノード平板セパレータ、
８０ｃ カソード平板セパレータ、
８２ 平面、
１００ 織物、
１０１ メタルメッシュ（織物）、
１０２ 線材、
１０３ 開口部、
１１１ 頂点部、
１１２ 頂点部、
１２０ａ アノード側のメッシュ溝、
１２０ｃ カソード側のメッシュ溝、
１４０ 導電性防食処理のためのコーティング。 10 Polymer electrolyte fuel cell (PEFC),
20 polymer electrolyte membrane,
30a anode catalyst layer,
30c cathode catalyst layer,
31a carbon particle layer,
31c carbon particle layer,
40 laminate (anode catalyst layer, polymer electrolyte membrane and cathode catalyst layer),
50a Anode electrode member,
50c cathode electrode member,
60a anode,
60c cathode,
70 Membrane electrode assembly (MEA),
80a anode flat plate separator,
80c cathode flat plate separator,
82 plane,
100 fabrics,
101 Metal mesh (woven fabric),
102 wire rod,
103 opening,
111 vertex,
112 vertex,
120a mesh groove on the anode side,
120c Cathode side mesh groove,
140 Coating for conductive anticorrosion treatment.

Claims (7)

高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜のそれぞれの面に設けられるアノード触媒層およびカソード触媒層と、
導電性を備えガスを遮断するためのアノードセパレータおよびカソードセパレータと、
前記アノード触媒層と前記アノードセパレータとの間に配置されて前記アノード触媒層とともにアノードを形成するアノード電極部材と、
前記カソード触媒層と前記カソードセパレータとの間に配置されて前記カソード触媒層とともにカソードを形成するカソード電極部材と、を有し、
前記アノード電極部材および前記カソード電極部材のそれぞれは、微細な溝が並列に複数本形成された導電性の織物であって、溝のピッチが０．２〜１ｍｍ、かつ、溝の深さが０．２〜１ｍｍである織物から構成され、
発電に寄与する反応部の少なくとも一部の領域において、前記アノード触媒層、前記高分子電解質膜およびカソード触媒層を介して、前記アノード電極部材を構成する前記織物におけるアノード側の溝と、前記カソード電極部材を構成する前記織物におけるカソード側の溝とが交差している、固体高分子形燃料電池。 A polymer electrolyte membrane;
An anode catalyst layer and a cathode catalyst layer provided on each surface of the polymer electrolyte membrane;
An anode separator and a cathode separator for conducting and blocking gas; and
An anode electrode member disposed between the anode catalyst layer and the anode separator and forming an anode together with the anode catalyst layer;
A cathode electrode member disposed between the cathode catalyst layer and the cathode separator and forming a cathode together with the cathode catalyst layer;
Each of the anode electrode member and the cathode electrode member is a conductive fabric in which a plurality of fine grooves are formed in parallel, the groove pitch is 0.2 to 1 mm, and the groove depth is 0. Composed of woven fabric that is 2 to 1 mm;
The groove on the anode side in the fabric constituting the anode electrode member and the cathode through the anode catalyst layer, the polymer electrolyte membrane and the cathode catalyst layer in at least a partial region of the reaction part contributing to power generation, and the cathode A polymer electrolyte fuel cell, wherein a cathode side groove in the fabric constituting the electrode member intersects. 前記反応部のすべての領域において、前記アノード触媒層、前記高分子電解質膜およびカソード触媒層を介して、前記アノード側の溝と、前記カソード側の溝とが交差している、請求項１に記載の固体高分子形燃料電池。   The groove on the anode side and the groove on the cathode side intersect with each other through the anode catalyst layer, the polymer electrolyte membrane, and the cathode catalyst layer in all regions of the reaction part. The solid polymer fuel cell as described. 前記アノード側の溝および前記カソード側の溝のうちの一方の溝が、または、両方の溝のそれぞれが、平面視において波状の流路を形成する、請求項１または請求項２に記載の固体高分子形燃料電池。   3. The solid according to claim 1, wherein one of the groove on the anode side and the groove on the cathode side, or each of both grooves forms a wave-like channel in plan view. Polymer fuel cell. 前記アノード側の溝および前記カソード側の溝のそれぞれが、平面視において波状の流路を形成し、
前記波状の流路のピッチ、幅、位相、および溝のピッチの少なくとも一つが、前記アノード側の溝と前記カソード側の溝との間でずれている、請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の固体高分子形燃料電池。 Each of the groove on the anode side and the groove on the cathode side forms a wave-like channel in plan view,
4. The device according to claim 1, wherein at least one of a pitch, a width, a phase, and a groove pitch of the wavy flow path is deviated between the groove on the anode side and the groove on the cathode side. The solid polymer fuel cell as described in one. 前記アノード側の溝および前記カソード側の溝のそれぞれが、平面視において波状の流路を形成し、
前記波状の流路のピッチ、幅、および溝のピッチが、前記アノード側の溝および前記カソード側の溝ともに同じで、前記波状の流路の位相が、前記アノード側の溝と前記カソード側の溝との間で逆である、請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の固体高分子形燃料電池。 Each of the groove on the anode side and the groove on the cathode side forms a wave-like channel in plan view,
The pitch, width, and groove pitch of the wavy flow path are the same for both the anode-side groove and the cathode-side groove, and the phase of the wavy flow path is the same for the anode-side groove and the cathode-side groove. The polymer electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the solid polymer fuel cell is reverse to the groove. 前記アノード側の溝および前記カソード側の溝のそれぞれが、平面視において波状の流路を形成し、
前記カソード側の溝がなす前記波状の流路の曲率が、前記アノード側の溝がなす前記波状の流路の曲率よりも小さい、請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の固体高分子形燃料電池。 Each of the groove on the anode side and the groove on the cathode side forms a wave-like channel in plan view,
The solid according to any one of claims 1 to 3, wherein a curvature of the wavy channel formed by the groove on the cathode side is smaller than a curvature of the wavy channel formed by the groove on the anode side. Polymer fuel cell. 前記アノード側の溝が、平面視において波状の流路を形成し、前記カソード側の溝が、平面視において直線状の流路を形成している、請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の固体高分子形燃料電池。   The anode-side groove forms a wave-like channel in a plan view, and the cathode-side groove forms a linear channel in a plan view. 2. A polymer electrolyte fuel cell according to 1.
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