JP2003282068A

JP2003282068A - 金属多孔体及びそれを用いた固体高分子型燃料電池

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Publication number: JP2003282068A
Application number: JP2002082484A
Authority: JP
Inventors: Osamu Mizuno; 修水野; Keizo Harada; 敬三原田
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2002-03-25
Filing date: 2002-03-25
Publication date: 2003-10-03
Anticipated expiration: 2022-03-25
Also published as: JP3922063B2

Abstract

(57)【要約】【課題】固体高分子型燃料電池のガス拡散電極として
用いられる金属多孔体は、ガスの透過性を良くするため
に気孔率を高めると接触抵抗が大きくなり、また、その
接触抵抗を下げるために接触部に貴金属などを使用する
とコスト増を招くので、この問題を無くす。【解決手段】金属多孔体１を、高気孔率層２と低気孔
率層３を有するものにする。低気孔率層３を表面部に設
けることで他部材との接触面積を増やして貴金属等を使
用せずに接触抵抗を低下させ、また、その他の部位は高
気孔率としてガス透過性の悪化を抑えるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、電極材料などと
して利用する金属多孔体と、それをガス拡散電極として
用いた固体高分子型燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】電気化学的な発電装置の一種である固体
高分子型燃料電池のガス拡散電極として発泡金属を用い
る技術が特許第３２１１３７８号公報に示され、また、
特開平８−１３８６８０号には、選択的（スポット的）
に低気孔率部を設けた金属多孔体が開示されている。

【０００３】さらに、金属繊維と有機繊維の混毛織布や
混毛不織布をガス拡散電極として用いることが特許第３
２４２７３６号公報に示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】特許第３２１１３７８
号公報の発泡金属は、ガス拡散性を良くするために気孔
率を高めると接触相手部材との間の接触抵抗が大きくな
り、一方、その接触抵抗を下げるために気孔率を下げる
と、ガスの流路抵抗が上昇し、どちらにしても電池の出
力低下を招く。

【０００５】また、気孔率を低下させずに接触抵抗を下
げる方法として、接触面を化学的に安定した金や白金で
覆う方法があるが、これはコストアップを招く。

【０００６】特開平８−１３８６８０号公報の金属多孔
体は、端子を溶接する部位の強度を高める目的でその部
位を低気孔率にしているが、低気孔率部をスポット的に
配置するだけでは、接触抵抗低減に対する寄与度が低
い。

【０００７】さらに、特許第３２４２７３６号の混毛織
布や混毛不織布は、繊維の集合体であり、厚み方向に何
本もの繊維が積層して電気通路を構成している。そのた
め、各繊維間の接触抵抗が合算されて厚み方向の電気抵
抗が大きくなる。

【０００８】また、これ等は気孔率が小さい（ガスの流
れを遮断する面積が大きい）ため、ガスの流路抵抗が大
きく、ガスの拡散性や触媒反応層の各部の均一反応性に
問題が生じて燃料電池の総合効率を低下させる。

【０００９】そこで、この発明は、金属多孔体の気孔率
低下を極力抑えて接触相手部材との間の接触抵抗を貴金
属などを使わずに低下させることを課題としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、この発明においては、平均孔径が５０μｍ〜１ｍｍ
の３次元網状構造を有し、一表面又は両表面部に低気孔
率層が設けられ、その低気孔率層の気孔率が中心部の気
孔率よりも少なくとも２％以上低くなっている金属多孔
体を提供する。

【００１１】また、この金属多孔体を、高分子電解質膜
の両面部にガス拡散電極として配置した固体高分子型燃
料電池を併せて提供する。

【００１２】なお、金属多孔体は、Ｆｅ−Ｃｒ、又はＮ
ｉ−Ｃｒを主体としたカーボンを含む合金、又はそれに
更にＮｉ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉの中から
選ばれた少なくとも１種の元素を添加した合金で形成さ
れたものが好ましい。

【００１３】また、その金属多孔体は、低気孔率層を除
く箇所の気孔率が８５％以上、９９％以下であるものが
好ましい。

【００１４】

【作用】この発明の金属多孔体は、一面又は両面に低気
孔率層を有しており、その低気孔率層が相手部材（電極
触媒層やセパレータ）と接触するので、相手部材との接
触面積が増加し、高価な貴金属等を使わなくても接触抵
抗を下げることができる。

【００１５】また、表層部を除く部分は、高気孔率を確
保でき、ガス透過性能を高めて触媒反応を促進すること
ができる。

【００１６】従って、この金属多孔体を高分子電解質膜
の両面部にガス拡散電極として配置すれば、ガス透過性
と電気伝導性に優れる金属多孔体の特性が生かされ、そ
れに表面部の気孔率低下による電極触媒層或いはセパレ
ータとの接触抵抗低減の効果がプラスされて燃料電池の
出力向上が可能になる。

【００１７】ここで、金属多孔体の平均孔径を５０μｍ
〜１ｍｍの範囲に限定したのは、その平均孔径が５０μ
ｍ未満では流路抵抗が大きくてガスの均一拡散が望み難
くなり、一方、その平均孔径が１ｍｍを越えると、相手
部材との接触点が減少して接触抵抗が大きくなるからで
ある。

【００１８】また、中心部と表面の低気孔率層の気孔率
差が小さ過ぎると、接触抵抗低減の効果が十分に発揮さ
れないので、その差は少なくとも２％とした。

【００１９】なお、金属多孔体の気孔率を下げ過ぎる
と、ガスの透過性や電気化学反応により電極触媒層で発
生する水の排出性が悪化する。この不具合を避けるため
に、表面の低気孔率層を除く部位の気孔率を８５％以上
にするのがよい。また、一方で金属多孔体の弾力性を確
保するために、低気孔率層を除く部位の気孔率は９９％
以下にするのがよい。

【００２０】このほか、金属多孔体は、電極用途での耐
久性を考えて強度及び耐食性に優れる金属で形成するの
が望ましい。

【００２１】Ｆｅ−Ｃｒ又はＮｉ−Ｃｒを主体とした炭
素を含む合金や、それに更にＮｉ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｂ、Ａ
ｌ、Ｓｉ、Ｔｉの中から選ばれた少なくとも１種の元素
を添加した合金で形成される金属多孔体は、硫酸等の腐
食環境において溶出が抑えられ、電池用電極としての適
正が高まる。

【００２２】

【発明の実施の形態】図１及び図２に、この発明の金属
多孔体の断面を模式化して示す。これ等の金属多孔体１
は、平均孔径が５０μｍ以上、１ｍｍ以下の３次元網目
構造を有しており、シート状の外観をなす。

【００２３】この金属多孔体１は、高気孔率層２と低気
孔率層３が積層された構造になっている。低気孔率層３
は、図１に示すように一表面部又は図２に示すように両
表面部に設けられ、中心部を含めた残りの部位が高気孔
率層２になっている。

【００２４】高気孔率層２の気孔率は、既に述べたよう
に８５％以上、９９％以下が好ましい。低気孔率層３の
気孔率は、高気孔率層の気孔率に比べて２％以上低くす
る。

【００２５】気孔率が厚み方向途中で変化したこの金属
多孔体１は、高気孔率層２と低気孔率層３が一体になっ
たものが両層間での接触抵抗を無くせて好ましい。その
ような構造の金属多孔体１は、気孔率の異なる金属多孔
体を積層して焼結一体化する方法や、金属多孔体の表面
に金属と樹脂の混合スラリーを塗布してこれを焼結し、
表層部の骨格を太らせる方法などで製造することができ
る。

【００２６】金属多孔体は、発泡樹脂等を出発材にして
特開昭５７−１７４４８４号公報に示されるメッキ法
や、特公昭３８−１７５５４号公報に示される塗着スラ
リーの焼結法などで製造され、従って、気孔率の異なる
発泡樹脂等を積層したものを出発材にし、これにメッキ
した後、出発材を焼却除去し、必要に応じて後工程で金
属の拡散処理を行って合金化する方法や、積層出発材に
金属粉と樹脂のスラリーを塗布して焼結する方法でもこ
の発明の金属多孔体を製造し得るが、上述した方法の方
が量産品を利用でき、生産性に勝る。

【００２７】金属多孔体１は、本出願人が特願２０００
−１４００３７号（特開２００１−２２６７２３号）で
提案しているものなどが強度、耐食性、耐熱性に優れて
いて好ましい。特開２００１−２２６７２３号の金属多
孔体は、主としてＦｅ及びＣｒを含む合金から成り、組
織中にＣｒ炭化物及び／又はＦｅＣｒ炭化物が均一分散
した骨格を有する。また、カーボン含有量は０．１％以
上、３．５％以下が好ましいとしており、必要に応じて
Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｐ、Ｂ、Ｓｉ、Ｔｉの中から
選ばれた少なくとも１種の元素を更に添加したものもあ
る。

【００２８】カーボンを含むＮｉ−Ｃｒ合金（これは上
記公報には開示されていない）も強度及び耐食性に優れ
ており、金属多孔体１の材料として使用できる。

【００２９】ここで、カーボンを含むことにより金属多
孔体の強度が向上するため、触媒電極層及びセパレータ
と積層加圧されたときに十分な反力があるため接触抵抗
の経時劣化が殆どなく、燃料電池の耐久劣化が小さくな
る。また、Ｃｒ炭化物相として金属多孔体中に均一分散
されるため、不動態膜が形成されても導電性のある炭化
物相が接触抵抗の低減にも寄与する。

【００３０】以下に、より詳細な実施例を挙げる。 −実施例１− 表１に示す金属多孔体（一面を低気孔率にし、層２、３
を一体化した図１の構造）を製作し、その多孔体の接触
抵抗を測定した。結果を表２に示す。

【００３１】接触抵抗は、金属多孔体の両面（低気孔率
層の表面と高気孔率層の表面）を表面の清浄なＣｕ電極
板に１ＭＰａの圧力で押し付けて測定した。

【００３２】

【表１】

【００３３】

【表２】

【００３４】−実施例２− 高分子電解質膜としてナフィオン（デュポン社製、膜厚
１５０μｍ）を用い、その膜の両面に白金触媒を担持し
たカーボン多孔質体を接合したものを用意してそれを挟
むように両側に表１の金属多孔体を配置し、さらに、そ
の金属多孔体の外側にカーボン電極を重ね合わせて固体
高分子型燃料電池を作成した。また、比較例として、表
１のＮo.３の金属多孔体を低気孔率層を設けずに高気孔
率層のみとしたものを用いて同様の燃料電池を作製し
た。なお、この実施例においては、表１の金属多孔体と
して、低気孔率層を両面に設けたものを適用した。

【００３５】これ等の試作品の性能評価として、電流密
度１０ｍＡ／ｃｍ²時のセル電圧を測定した。結果を表
３に示す。

【００３６】

【表３】

【００３７】表３から判るように、この発明の金属多孔
体を用いると、ガス拡散電極の接触抵抗が低減されて電
池の出力が高まる。

【００３８】

【発明の効果】以上述べたように、この発明の金属多孔
体は、表層部の気孔率を下げてその他の部位の気孔率を
高くするので、ガスの透過性、電極触媒層で生じた水の
排出性を悪化させずに、また、高価な貴金属等を使わず
に接触抵抗を下げることができ、燃料電池の出力を経済
的に高めることを可能ならしめる。

【００３９】なお、金属多孔体の材質を特定したもの
は、腐食環境においても溶出を抑えて耐久性を高めるこ
とができる。

【００４０】また、低気孔率部を除く部位の気孔率を８
５％以上、９９％以下にしたものは、十分なガス透過性
と十分な弾力性を確保できる。

【００４１】従って、この発明の金属多孔体をガス拡散
電極として用いた固体高分子型燃料電池は、コスト増を
招かずに出力特性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の金属多孔体の一例を示す断面の模式
図

【図２】他の例の断面の模式図

【符号の説明】

１金属多孔体２高気孔率層３低気孔率層

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｃ２２Ｃ 38/00 ３０２Ｃ２２Ｃ 38/00 ３０２ＺＨ０１Ｍ 8/10 Ｈ０１Ｍ 8/10 // Ｂ２２Ｆ 5/00 Ｂ２２Ｆ 5/00 ＫＦターム(参考） 4K018 AA08 AA32 CA33 DA12 JA09 KA22 KA38 5H018 AA06 AS02 AS03 EE02 EE05 EE10 HH04 5H026 AA06 EE02 EE05 EE08 HH04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】平均孔径が５０μｍ〜１ｍｍの３次元網
状構造を有し、一表面又は両表面部に低気孔率層が設け
られ、その低気孔率層の気孔率が中心部の気孔率よりも
少なくとも２％以上低くなっている金属多孔体。
【請求項２】Ｆｅ−Ｃｒ、又はＮｉ−Ｃｒを主体とし
たカーボンを含む合金、又はそれに更にＮｉ、Ｍｏ、Ｃ
ｕ、Ｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉの中から選ばれた少なくとも
１種の元素を添加した合金で形成されていることを特徴
とする請求項１記載の金属多孔体。
【請求項３】低気孔率層を除く箇所の気孔率が８５％
以上、９９％以下であることを特徴とする請求項１又は
２記載の金属多孔体。
【請求項４】請求項１乃至３のいずれかに記載の金属
多孔体を、高分子電解質膜の両面部にガス拡散電極とし
て配置した固体高分子型燃料電池。