JP2005011741A - 固体高分子型燃料電池のガス拡散層用部材およびガス拡散層用部材の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】構成が単純で小型化が可能であり、さらに製造が容易かつ効率のよい電力供給が可能な燃料電池を実現する。
【解決手段】三次元網目構造を有するシート状の導電性多孔質体からなり一方の面を酸素供給面１１ａ、他方の面を電極面とされたガス拡散電極１１を備えたガス拡散層用部材１０であって、ガス拡散電極１１の側部のうち少なくとも２方の側部１１ｃに非導電性材からなる外枠部１２が設けられているとともに、ガス拡散電極１１の酸素供給面１１ａ側には、酸素供給面１１ａを外部に開放させる開口部１３ａを有する格子状枠部１３が設けられている。さらに、これら外枠部１２および格子状枠部１３が互いに接続され、ガス拡散電極１１と一体に設けられている。
【選択図】 図１
【解決手段】三次元網目構造を有するシート状の導電性多孔質体からなり一方の面を酸素供給面１１ａ、他方の面を電極面とされたガス拡散電極１１を備えたガス拡散層用部材１０であって、ガス拡散電極１１の側部のうち少なくとも２方の側部１１ｃに非導電性材からなる外枠部１２が設けられているとともに、ガス拡散電極１１の酸素供給面１１ａ側には、酸素供給面１１ａを外部に開放させる開口部１３ａを有する格子状枠部１３が設けられている。さらに、これら外枠部１２および格子状枠部１３が互いに接続され、ガス拡散電極１１と一体に設けられている。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子型燃料電池のガス拡散層用部材およびガス拡散層用部材の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、固体高分子電解質の利用により、携帯可能な小型の固体高分子型燃料電池の開発が進められている。通常、固体高分子型燃料電池では、一対の電極（単セル）による起電力が小さいので、複数の単セルを直列に接続する構造となっている。
【０００３】
ところで、複数の単セルを順次接続するために、単セルを積み重ねた構成（いわゆるスタック型）を採用すると、積み重ねた各単セル間にセパレータ板を配置しなければならず、また、積み重ねた狭い流路に燃料であるメタノール水溶液や空気を送る必要が生じ、ポンプなどの補機が必要となる。そのため、体積、重量、コスト等の点で不利となる。そこで、セパレータ板を用いずに単セルを平面に並べて接続することにより省スペース化を図る、いわゆる平面型の開発が進められている。
【０００４】
平面型燃料電池としては、たとえば、燃料極と空気極との間に電解質層を挟んだ単セルを構成し、各単セルの燃料極および空気極の電解質層とは反対側の面に、貫通孔を有する接続板を配置して、隣り合う単セルの燃料極と空気極とを接続板で順次接続する構成が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−５６８５５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に記載の構成では、まずガスシール部、燃料極および空気極を一体化した単セルを複数形成しておき、その単セルを平面上に間隔をおいて並べ、隣り合う単セルの一方の下面と他方の上面とに接続するＺ字状の接続板を順次配置し、さらに接続板間の隙間にシール剤を充填するという多くの工程を行わなければならず、組み立てる部材も多いため、製造が容易ではない。
【０００７】
また、燃料電池のより一層の小型化が図られた場合、何層もの構造を有する単セル間の微小な隙間に確実にシール剤を充填するのは困難であり、シール剤の充填不足によるセル間の絶縁不良や液体燃料の漏れ等の問題が生じるおそれもある。
【０００８】
本発明は、以上の課題に鑑みてなされたもので、構成が単純で小型化が可能であり、さらに製造が容易かつ効率のよい電力供給が可能な燃料電池を実現することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項１の発明に係る固体高分子型燃料電池のガス拡散層用部材は、三次元網目構造を有するシート状の導電性多孔質体からなり一方の面を酸素供給面、他方の面を電極面とされたガス拡散電極を備えるものである。そして、本発明のガス拡散層用部材は、ガス拡散電極の側部のうち少なくとも２方に非導電性材からなる外枠部が設けられているとともに、ガス拡散電極の酸素供給面側には、酸素供給面を外部に開放させる開口部を有する格子状枠部が設けられている。さらに、これら外枠部および格子状枠部は互いに接続され、ガス拡散電極と一体に設けられている。
【００１０】
この発明によれば、ガス拡散電極がいわゆるガス拡散層および集電板を兼ねるので構成が単純であり、燃料電池の小型化を可能にすることができる。また、外枠部および格子状枠部によってガス拡散電極が補強されているので、取り扱い性が良好であり、燃料電池の生産性を向上させることができる。さらに、これらの外枠部および格子状枠部が接続してガス拡散電極に一体に設けられていることにより、多数の部材を気密に組み立てる手間が省けるので、燃料電池の生産性をより向上させることができる。
【００１１】
請求項２の発明に係るガス拡散層用部材は、請求項１のガス拡散層用部材において、ガス拡散電極が複数枚に分割して設けられており、各ガス拡散電極間を接続する非導電性材からなる接続枠が設けられていることを特徴としている。
【００１２】
この発明によれば、複数のガス拡散電極を１枚のガス拡散層用部材に備えることにより、複数の電極が面方向に並んで直列に接続される構成の平面型燃料電池を容易に製造することができる。
【００１３】
請求項３の発明に係るガス拡散層用部材は、請求項１または２のガス拡散層用部材において、格子状枠部が非導電性材からなることを特徴としている。
【００１４】
この発明によれば、格子状枠部が非導電性であるので、ガス拡散電極が複数枚に分割されている場合にも、各ガス拡散電極間に短絡を生じさせることなく酸素供給面を保護することができる。
【００１５】
請求項４の発明に係るガス拡散層用部材は、請求項１または２のガス拡散層用部材において、格子状枠部が導電性材からなり、複数枚のガス拡散電極に対応して複数に分割して設けられていることを特徴としている。
【００１６】
この発明によれば、格子状枠部が各ガス拡散電極に分割して設けられているので、たとえば格子状枠部として導電性の金属メッシュのような強度の高い部材を用いて、ガス拡散電極同士を短絡させることなく酸素供給面を保護することができる。
【００１７】
請求項５の発明に係る製造方法は、請求項１から４のガス拡散層用部材の製造方法であって、導電性多孔質体をインサート部品としてインサート成形を行うことにより、導電性多孔質体をガス拡散電極として、射出した樹脂により他の部分を形成し、請求項１から４のガス拡散層用部材を一体に製造することを特徴としている。
【００１８】
この発明によれば、射出された樹脂とガス拡散電極とが接続される部分において、導電性多孔質体の表面に開放している気孔中に溶融樹脂が入り込んで固化するので、アンカー効果によりガス拡散電極と樹脂部分とが強固に接続され、強度が高いガス拡散層用部材を提供することができる。
【００１９】
請求項６の発明に係る製造方法は、導電性多孔質体および格子状体をインサート部品としてインサート成形を行うことにより、導電性多孔質体をガス拡散電極、格子状体を格子状枠部として、他の部分を射出した樹脂により形成し、請求項１から４のガス拡散層用部材を一体に製造することを特徴としている。
【００２０】
この発明によれば、たとえば不織布、樹脂製メッシュ、金網、金属不織布、金属メッシュなど、射出樹脂とは異なる材質からなる格子状体を格子状枠部としてインサートすることができるので、格子状枠部の強度、通気性、導電性等種々の性質を、用途に応じて好適なものとすることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図１から図１１を参照して説明する。
まず、図１から図３に、本発明の第１の実施形態に係るガス拡散層用部材１０を示す。このガス拡散層用部材１０は、シート状のガス拡散電極１１と、このガス拡散電極１１の側部１１ｃに設けられた非導電性材からなる外枠部１２と、ガス拡散電極１１の一方の面（酸素供給面）１１ａ側に設けられた格子状枠部１３とを備えている。
【００２２】
ガス拡散層用部材１０に備えられたガス拡散電極１１は、三次元網目構造を有する導電性多孔質材から形成され、その一方の面が酸素供給面１１ａ、他方の面が電極面１１ｂとされている。なお本実施形態では、導電性多孔質材として、気孔率や厚さを適宜調節でき、使用できる原料金属も多様である発泡金属焼結シートを採用している。発泡金属焼結シートは、金属粉末をバインダ、溶媒を加えて混練したものに発泡剤を混ぜて発泡性スラリーとし、発泡成形後に焼結して得られるものである。
【００２３】
外枠部１２は、非導電性材の樹脂によりガス拡散電極１１と一体に形成され、ガス拡散電極１１の側部１１ｃを被覆している。
【００２４】
格子状枠部１３は、外枠部１２と同じく非導電性材の樹脂によりガス拡散電極１１および外枠部１２と一体に形成され、ガス拡散電極１１の酸素供給面１１ａ側に設けられている。この格子状枠部１３は、酸素供給面１１ａの表面に配置された格子状の枠体であり、図１および図２（図１におけるａ−ａ線に沿う断面矢視図）に示すように酸素供給面１１ａを外部に開放させる開口部１３ａを多数形成する形状となっている。
【００２５】
つまり、ガス拡散層用部材１０は、外枠部１２によって外縁を保護されているとともに、図１に示すように酸素供給面１１ａ側が格子状枠部１３によって保護されている一方、図３に示すように電極面１１ｂ側全面が開放されている構成となっている。
【００２６】
図４および図５（図４におけるｉ−ｉ線に沿う断面矢視図）に、このガス拡散層用部材１０を適用した固体高分子型燃料電池の要部を示す。この燃料電池では、空気極Ａと燃料極Ｂとが電解質層２０を挟んで配置され、燃料（ここではメタノール水溶液）保持・供給する燃料供給部４０を備えた構成となっている。
電解質層２０は、たとえばフッ素樹脂系の高分子電解膜で形成され、膜中では水素イオンが移動可能である反面、電子を通過させないという性質を有している。
【００２７】
空気極Ａは、本実施形態のガス拡散層用部材１０で形成されており、電極面１１ｂを電解質層２０に臨ませて配置されている。電極面１１ｂには、白金系触媒微粒子を担持させたカーボン粒子を含む高分子電解質溶液を塗布して形成された触媒層Ｃが設けられている。ガス拡散電極１１の電極面１１ａ（触媒層Ｃ）と電解質層２０とは、ホットプレスにより密着固定されている。そして、空気極Ａは、格子状枠部１３の開口部１３ａを通じてガス拡散電極１１に供給された空気（酸素）を電解質層２０に到達させることができる。
【００２８】
燃料極Ｂは、平板状のガス拡散層用部材３０で形成されている。ガス拡散層用部材３０は、空気極Ａのガス拡散電極１１と同じく発泡金属焼結シートからなりガス拡散電極１１に対向して配置されたガス拡散電極３１と、このガス拡散電極３１の側部を被覆する外枠部３２とを備える構成となっている。外枠部３２は、導電性および通気性を持たない樹脂により、ガス拡散電極３１と一体に形成されている。
【００２９】
ガス拡散電極３１は、一方の面が燃料供給面３１ａ、他方の面が電極面３１ｂとされ、ガス拡散電極１１と同じく、白金系触媒微粒子を担持させたカーボン粒子を含む高分子電解質溶液を塗布して形成された触媒層Ｃが電極面３１ｂに設けられている。ガス拡散電極３１の電極面３１ａ（触媒層Ｃ）と電解質層２０とは、ホットプレスにより密着固定されている。
【００３０】
ガス拡散層用部材３０は、ガス拡散電極３１の電極面３１ｂを電解質層２０に臨ませて配置されており、その背面に配置された閉塞板３３によって燃料供給面３１ａ全体が閉塞されている。閉塞板３３は、外枠部３２と同じく導電性および通気性を持たない樹脂により形成されており、ガス拡散電極３１に臨む内面３３ａに、ガス拡散電極３１の燃料供給面３１ａとの間に空間を形成して燃料を流通させる燃料供給溝３３ｂが設けられている。そして、外枠部３２と閉塞板３３とは、超音波接合により密着固定されている。
【００３１】
燃料供給部４０は、燃料（ここではメタノール水溶液）を保持し、燃料極Ｂのガス拡散電極３１に供給するフェルトなどからなる多孔質部４１が、樹脂枠４２によって被覆された構造となっている。そして、燃料供給部４０の樹脂枠４２に設けられた燃料供給路４２ａから燃料供給溝３３ｂを通じて、多孔質部４１に保持された燃料を、ガス拡散電極３１に供給させることができる。燃料供給部４０の樹脂枠４２とガス拡散層用部材３０外枠部３２および閉塞板３３とは、超音波接合により密着固定されている。
【００３２】
以上のような構成を有する燃料電池において、空気極Ａおよび燃料極Ｂのガス拡散電極１１，３１は、３次元網目構造による通気性および導電性を備えることにより、いわゆるガス拡散層と集電板とを兼ねる部材である。
【００３３】
この燃料電池では、以下のような反応により電気エネルギが発生する。
すなわち、燃料供給部４０からガス拡散電極３１（燃料極Ｂ）に供給された燃料中の水素が、触媒層Ｃ上で電極反応によりイオン化して電解質層２０をガス拡散電極１１（空気極Ａ）に向かい移動する。そして、電解質層２０を挟んで他方側に配置されたガス拡散電極１１（空気極Ａ）に到達した水素は、電解質層２０と触媒層Ｃとの界面で、ガス拡散電極１１の酸素供給面１１ａから供給された空気中の酸素と電極反応により反応して水を生成する。
【００３４】
一方で、水素のイオン化により発生した電子は、ガス拡散層部材３０の外部に設けられた回路（図示せず）を、燃料極Ｂ（ガス拡散電極３１）から空気極Ａ（ガス拡散電極１１）へと移動する。この電子の移動により、電気エネルギを発生させることができる。
【００３５】
なお、触媒層Ｃは、ここではガス拡散電極１１，３１の表面に塗布形成したが、ガス拡散電極１１，３１と電解質層２０との界面に設けられていればよいので、電解質層２０の表面に形成することもできる。
【００３６】
つぎに、本発明の第２の実施形態に係るガス拡散層用部材５０を、図６から図８に示す。このガス拡散層用部材５０は、２枚に分割して設けられたシート状のガス拡散電極５１，５１と、各ガス拡散電極５１の側部５１ｃに設けられた非導電性材からなる外枠部５２と、ガス拡散電極５１の一方の面（酸素供給面）５１ａ側に設けられた格子状枠部５３と、各ガス拡散電極５０，５０間を接続する接続部５４とを備えている。
【００３７】
ガス拡散層用部材５０に備えられたガス拡散電極５１は、ガス拡散電極１１と同様に、三次元網目構造を有する導電性多孔質材（発泡金属焼結シート）から形成され、その一方の面が酸素供給面５１ａ、他方の面が電極面５１ｂとされている。
【００３８】
外枠部５２も、外枠部１２と同様、非導電性材の樹脂によりガス拡散電極５１と一体に形成され、ガス拡散電極５１の側部５１ｃを被覆している。
格子状枠部５３は、外枠部５２と同じく非導電性材の樹脂によりガス拡散電極５１および外枠部５２と一体に形成され、ガス拡散電極５１の酸素供給面５１ａ側に設けられている。この格子状枠部５３は、酸素供給面５１ａの表面に配置された格子状の枠体であり、図６および図７（図６におけるｂ−ｂ線に沿う断面矢視図）に示すように酸素供給面５１ａを外部に開放させる開口部５３ａを多数形成する形状となっている。
【００３９】
本実施形態のガス拡散層用部材５０は、第１の実施形態のガス拡散層用部材１０とは異なり、ガス拡散電極５１が２枚に分割して設けられており、各ガス拡散電極５１，５１が接続部５４によって接続されて一体に固定された構成となっている。接続部５４は、外枠部５２および格子状枠部５３と同じく非導電性材の樹脂によりガス拡散電極５１および外枠部５２と一体に形成されている。
【００４０】
つまり、本実施形態のガス拡散層用部材５０は、外枠部５２によって外縁を保護されているとともに、図６および図７に示すように酸素供給面５１ａ側が格子状枠部５３によって保護されている一方、図８に示すように電極面５１ｂ側全面が開放されている構成となっている。このガス拡散層用部材５０で空気極を構成した固体高分子型燃料電池では、燃料極にも２枚のガス拡散電極を備えたガス拡散層用部材を配置することにより、この１対のガス拡散層用部材によって面方向に並ぶ２組の単セルを形成することができる。
【００４１】
なお、セル間を直列に接続するために、または電池の電極を形成するために、ガス拡散層用部材に端子（図示せず）を設けてもよい。端子は、たとえば帯状の金属箔を抵抗溶接等により導電性多孔質体に接合することにより、形成することができる。
【００４２】
さらに、本発明の第３の実施形態に係るガス拡散層用部材６０を、図９から図１１に示す。このガス拡散層用部材６０は、第２の実施形態と同様に２枚に分割して設けられたシート状のガス拡散電極６１，６１と、各ガス拡散電極６１の２方の側部６１ｃに設けられた非導電性材からなる外枠部６２と、ガス拡散電極６１の一方の面（酸素供給面）６１ａ側に設けられた格子状枠部６３と、各ガス拡散電極６０，６０間を接続する接続部６４とを備えている。
【００４３】
つまり、本実施形態のガス拡散層用部材６０は、外枠部６２によって２方の外縁を保護されているとともに、残りの２方の側部６１ｄ，６１ｄには外枠部が設けられずガス拡散電極６１の端面が開放されている。そして、図９および図１０（図９におけるｃ−ｃ線に沿う断面矢視図）に示すように酸素供給面６１ａ側が格子状枠部６３によって保護されながら開口部６３ａを通じて開放されている一方、図１０および図１１に示すように電極面６１ｂ側全面が開放されている構成となっている。このガス拡散層用部材６０で空気極を構成した固体高分子型燃料電池では、燃料極にも２枚のガス拡散電極を備えたガス拡散層用部材を配置することにより、この１対のガス拡散層用部材によって面方向に並ぶ２組の単セルを形成することができる。さらに、本実施形態のガス拡散層用部材６０は、ガス拡散電極６１の側部６１ｄが外部に露出されるので、この側部６１ｄを用いてガス拡散電極６１同士を接続する配線を形成することができる。
【００４４】
ここで、本発明のガス拡散層用部材１０を製造する方法について、図１２を参照して説明する。
ガス拡散層用部材１０は、導電性多孔質体をインサート部品としてインサート成形を行うことにより、この導電性多孔質体をガス拡散電極１１として、射出した樹脂により他の部分（外枠部１２、格子状枠部１３）を形成することにより、一体に製造される。
【００４５】
図１２に、インサート成形用の金型を示す。この金型を用いて、一対の型板７０，７１間に形成されたキャビティ７２の中に、インサート部品として導電性多孔質体（ガス拡散電極）１１を配置し、ランナ７３からゲート７４を通じて射出した溶融樹脂７５をキャビティ７２内に充填することにより、導電性多孔質体１１と樹脂部分（外枠部１２、格子状枠部１３）とが一体となったガス拡散層用部材１０が形成される。導電性多孔質体１１と樹脂部分（外枠部１２、格子状枠部１３）とは、導電性多孔質体１１の側部に開口する気孔中、５μｍ〜１０００μｍ程度の深さまで溶融樹脂が含浸して硬化するので、アンカー効果により強固に接合される。
【００４６】
なお、樹脂の種類に応じて、射出圧力や成形温度などの射出成形条件を選定する。たとえば、射出圧力が高すぎると、導電性多孔質体中に樹脂が過剰に充填されてしまい、通気性を損なうなど、多孔質体の機能を発揮できなくなる。また、熱可塑性樹脂を用いる場合は導電性多孔質体に接する金型表面を部分的に冷却したり、シリコーンゴムのような熱硬化性樹脂を用いる場合は金型表面を部分的に加熱するなどして、多孔質体への樹脂の浸透を制御することができる。
【００４７】
なお、導電性多孔質体１１の気孔径や気孔率が小さすぎると溶融樹脂が気孔中に入り込めないので、アンカー効果が不十分となる虞がある。一方、導電性多孔質体１１の気孔径や気孔率が大きすぎると、強度が不足して樹脂成形圧および樹脂硬化時の圧縮に耐えられず、変形の虞がある。したがって、導電性多孔質体１１は、気孔径１０μｍ〜２ｍｍ程度、気孔率４０〜９８％程度であるとより好ましい。
【００４８】
また、外枠部１２および格子状枠部１３の材質は、熱可塑性樹脂、エラストマー（ゴムを含む）など、射出成形可能な材質で、かつ導電性を有していなければよいので、耐熱温度や硬度等を考慮し、適宜選択すればよい。たとえば軟質な樹脂を用いれば、導電性多孔質体の側部のシール性を高めることができる。
【００４９】
つぎに、ガス拡散電極１１の材質について説明する。ガス拡散電極１１をなすシート状の導電性多孔質体としては、カーボンペーパー、カーボンクロスといったカーボン製多孔体を用いてもよいが、ガス拡散性と導電性がともに良好な、３次元網目構造を有する金属製のもの、たとえば金属粉末を焼結したシート、金属不織布、積層メッシュ等を用いることが望ましい。なかでも、気孔率や厚さを適宜調節でき、使用できる原料金属も多様である金属粉末を焼結したシートは、このガス拡散層用部材の導電性多孔質体として、より好適である。さらにまた、金属粉末をバインダ、溶媒を加えて混練したものに発泡剤を混ぜて発泡性スラリーとし、発泡成形後に焼結して得られる発泡金属焼結シートでは、高い気孔率までも製造可能であることから、より好ましい。
【００５０】
ここで、ガス拡散電極１１に好適な発泡金属焼結シートの製造方法について説明する。この発泡金属焼結シートは、たとえば、金属粉末を含むスラリーＳを薄く成形して乾燥させたグリーンシートＧを焼成することにより製造される。
【００５１】
スラリーＳは、導電性を有する金属粉末、発泡剤（ヘキサン）、有機バインダ（メチルセルロース）、溶媒（水）等を混合したものである。このスラリーＳをドクターブレード法により薄く成形するグリーンシート製造装置８０を図１３に示す。
【００５２】
グリーンシート製造装置８０において、まず、スラリーＳが貯蔵されたホッパー８１から、キャリアシート８２上にスラリーＳが供給される。キャリアシート５２はローラ８３によって搬送されており、キャリアシート８２上のスラリーＳは、移動するキャリアシート８２とドクターブレード８４との間で延ばされ、所要の厚さに成形される。
【００５３】
成形されたスラリーＳは、さらにキャリアシート８２によって搬送され、加熱処理を行う発泡槽８５および加熱炉８６を順次通過する。発泡槽８５では高湿度雰囲気下にて加熱処理を行うので、スラリーＳにひび割れを生じさせずに発泡剤を発泡させることができる。そして、発泡により空洞が形成されたスラリーＳが加熱炉８６にて乾燥されると、粒子間に空洞を形成している金属粉末が有機バインダによって接合された状態のグリーンシートＧが形成される。
【００５４】
このグリーンシートＧを、キャリアシート８２から取り外した後、図示しない真空炉にて脱脂・焼成することにより、有機バインダが取り除かれ、金属粉末同士が焼結して三次元網目構造となった発泡金属焼結シート（導電性多孔質体１１）が得られる。
【００５５】
なお、以上の各実施形態において示した各構成部材、その諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求に基づき種々変更可能である。たとえば、格子状枠部を射出成形により形成せずに、不織布、樹脂製メッシュ、金網、金属不織布、金属メッシュ等の格子状体をインサート部品としてインサート成形を行うこともできる。つまり、格子状枠部をインサート部品により形成すれば、外枠部とは異なる素材の格子状枠部を備えるガス拡散層用部材を製造することができる。
【００５６】
図１４に示す本発明の第４の実施形態に係るガス拡散層用部材９０は、酸素供給面９１ａおよび燃料供給面９１ｂを有するガス拡散電極９１が２枚に分割して備えられ、その２方の側部９１ｃが外枠部９２によって保護されるとともに、酸素供給面９１ａが格子状枠部９３によって保護されながら、開口部９３ａを通じて開放されている。そして、各ガス拡散電極９１，９１は接続部９４によって一体に接続固定され、燃料供給面９１ｂは全面が開放されている。
【００５７】
このガス拡散層用部材９０において、格子状枠部９３は、導電性材である金網（格子状体）で形成されており、ガス拡散電極９１同士の短絡を防ぐために、各ガス拡散電極９１，９１に対応して２つに分割して設けられている。そして、２つの格子状枠部９３に接続して非導電性樹脂からなる外枠部９２が形成されることにより、ガス拡散層用部材９０は一体に形成されている。
【００５８】
このガス拡散層用部材９０は、導電性多孔質体および格子状体をインサート部品としてインサート成形を行うことにより、導電性多孔質体をガス拡散電極９１、格子状体を格子状枠部９３として、他の部分（外枠部９２、接続部９４）が射出した樹脂により形成されて、一体に製造される。
【００５９】
なお、インサート成形に先立ち、溶接などにより導電性多孔質体と格子状体とを一体に固定しておけば、金型内でのインサート部品配置を容易にすることができる。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の固体高分子型燃料電池のガス拡散層用部材によれば、ガス拡散電極がいわゆるガス拡散層および集電板を兼ねるので構成が単純であり、燃料電池の小型化を可能にすることができる。また、外枠部および格子状枠部によってガス拡散電極が補強されているので、取り扱い性が良好であり、製造時のハンドリングなどによる破損が生じにくくなる。さらに、これらの外枠部および格子状枠部が接続してガス拡散電極に一体に設けられていることにより、多数の部材を気密に組み立てる手間が省けるので、燃料電池の生産性をより向上させることができる。
【００６１】
請求項２の発明によれば、複数のガス拡散電極を１枚のガス拡散層用部材に備えることにより、複数の電極が面方向に並んで直列に接続される構成の平面型燃料電池を容易に製造することができる。
【００６２】
請求項３の発明によれば、格子状枠部が非導電性であるので、ガス拡散電極が複数枚に分割されている場合にも、各ガス拡散電極間に短絡を生じさせることなく酸素供給面を保護することができる。
【００６３】
請求項４の発明によれば、格子状枠部が各ガス拡散電極に分割して設けられているので、たとえば格子状枠部として導電性の金属メッシュのような強度の高い部材を用いて、ガス拡散電極同士を短絡させることなく酸素供給面を保護することができる。
【００６４】
請求項５の発明に係る製造方法によれば、射出された樹脂とガス拡散電極とが接続される部分において、導電性多孔質体の表面に開放している気孔中に溶融樹脂が入り込んで固化するので、アンカー効果によりガス拡散電極と樹脂部分とが強固に接続され、強度が高いガス拡散層用部材を提供することができる。
【００６５】
請求項６の発明によれば、たとえば不織布、樹脂製メッシュ、金網、金属不織布、金属メッシュなど、射出樹脂とは異なる材質からなる格子状体を格子状枠部としてインサートすることができるので、格子状枠部の強度、通気性、導電性等種々の性質を、用途に応じて好適なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るガス拡散層用部材の酸素供給面側を示す平面図である。
【図２】図１におけるａ−ａ線に沿う断面矢視図である。
【図３】図１に示すガス拡散層用部材の燃料供給面側を示す平面図である。
【図４】図１に示すガス拡散層用部材を用いて空気極を構成した固体高分子型燃料電池要部の酸素供給面側を示す平面図である。
【図５】図４におけるｉ−ｉ線に沿う断面矢視図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係るガス拡散層用部材の酸素供給面側を示す平面図である。
【図７】図６におけるｂ−ｂ線に沿う断面矢視図である。
【図８】図６に示すガス拡散層用部材の燃料供給面側を示す平面図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係るガス拡散層用部材の酸素供給面側を示す平面図である。
【図１０】図９におけるｃ−ｃ線に沿う断面矢視図である。
【図１１】図９に示すガス拡散層用部材の燃料供給面側を示す平面図である。
【図１２】図１に示すガス拡散層用部材を製造する射出成形用金型の要部断面を示す模式図である。
【図１３】本発明のガス拡散層用部材を構成するガス拡散電極となる導電性多孔質体を製造する際に用いる装置を示す模式図である。
【図１４】本発明のさらに別の実施形態ガス拡散層用部材を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０，５０，６０，９０ ガス拡散層用部材
１１，５１，６１，９１ ガス拡散電極（導電性多孔質体）
１１ａ，５１ａ，６１ａ，９１ａ 酸素供給面
１１ｂ，５１ｂ，６１ｂ，９１ｂ 電極面
１１ｃ，５１ｃ，６１ｃ，９１ｃ 側部
１２，５２，６２，９２ 外枠部
１３，５３，６３，９３ 格子状枠部
１３ａ，５３ａ，６３ａ，９３ａ 開口部
５４，６４ 接続部
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子型燃料電池のガス拡散層用部材およびガス拡散層用部材の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、固体高分子電解質の利用により、携帯可能な小型の固体高分子型燃料電池の開発が進められている。通常、固体高分子型燃料電池では、一対の電極（単セル）による起電力が小さいので、複数の単セルを直列に接続する構造となっている。
【０００３】
ところで、複数の単セルを順次接続するために、単セルを積み重ねた構成（いわゆるスタック型）を採用すると、積み重ねた各単セル間にセパレータ板を配置しなければならず、また、積み重ねた狭い流路に燃料であるメタノール水溶液や空気を送る必要が生じ、ポンプなどの補機が必要となる。そのため、体積、重量、コスト等の点で不利となる。そこで、セパレータ板を用いずに単セルを平面に並べて接続することにより省スペース化を図る、いわゆる平面型の開発が進められている。
【０００４】
平面型燃料電池としては、たとえば、燃料極と空気極との間に電解質層を挟んだ単セルを構成し、各単セルの燃料極および空気極の電解質層とは反対側の面に、貫通孔を有する接続板を配置して、隣り合う単セルの燃料極と空気極とを接続板で順次接続する構成が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−５６８５５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に記載の構成では、まずガスシール部、燃料極および空気極を一体化した単セルを複数形成しておき、その単セルを平面上に間隔をおいて並べ、隣り合う単セルの一方の下面と他方の上面とに接続するＺ字状の接続板を順次配置し、さらに接続板間の隙間にシール剤を充填するという多くの工程を行わなければならず、組み立てる部材も多いため、製造が容易ではない。
【０００７】
また、燃料電池のより一層の小型化が図られた場合、何層もの構造を有する単セル間の微小な隙間に確実にシール剤を充填するのは困難であり、シール剤の充填不足によるセル間の絶縁不良や液体燃料の漏れ等の問題が生じるおそれもある。
【０００８】
本発明は、以上の課題に鑑みてなされたもので、構成が単純で小型化が可能であり、さらに製造が容易かつ効率のよい電力供給が可能な燃料電池を実現することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項１の発明に係る固体高分子型燃料電池のガス拡散層用部材は、三次元網目構造を有するシート状の導電性多孔質体からなり一方の面を酸素供給面、他方の面を電極面とされたガス拡散電極を備えるものである。そして、本発明のガス拡散層用部材は、ガス拡散電極の側部のうち少なくとも２方に非導電性材からなる外枠部が設けられているとともに、ガス拡散電極の酸素供給面側には、酸素供給面を外部に開放させる開口部を有する格子状枠部が設けられている。さらに、これら外枠部および格子状枠部は互いに接続され、ガス拡散電極と一体に設けられている。
【００１０】
この発明によれば、ガス拡散電極がいわゆるガス拡散層および集電板を兼ねるので構成が単純であり、燃料電池の小型化を可能にすることができる。また、外枠部および格子状枠部によってガス拡散電極が補強されているので、取り扱い性が良好であり、燃料電池の生産性を向上させることができる。さらに、これらの外枠部および格子状枠部が接続してガス拡散電極に一体に設けられていることにより、多数の部材を気密に組み立てる手間が省けるので、燃料電池の生産性をより向上させることができる。
【００１１】
請求項２の発明に係るガス拡散層用部材は、請求項１のガス拡散層用部材において、ガス拡散電極が複数枚に分割して設けられており、各ガス拡散電極間を接続する非導電性材からなる接続枠が設けられていることを特徴としている。
【００１２】
この発明によれば、複数のガス拡散電極を１枚のガス拡散層用部材に備えることにより、複数の電極が面方向に並んで直列に接続される構成の平面型燃料電池を容易に製造することができる。
【００１３】
請求項３の発明に係るガス拡散層用部材は、請求項１または２のガス拡散層用部材において、格子状枠部が非導電性材からなることを特徴としている。
【００１４】
この発明によれば、格子状枠部が非導電性であるので、ガス拡散電極が複数枚に分割されている場合にも、各ガス拡散電極間に短絡を生じさせることなく酸素供給面を保護することができる。
【００１５】
請求項４の発明に係るガス拡散層用部材は、請求項１または２のガス拡散層用部材において、格子状枠部が導電性材からなり、複数枚のガス拡散電極に対応して複数に分割して設けられていることを特徴としている。
【００１６】
この発明によれば、格子状枠部が各ガス拡散電極に分割して設けられているので、たとえば格子状枠部として導電性の金属メッシュのような強度の高い部材を用いて、ガス拡散電極同士を短絡させることなく酸素供給面を保護することができる。
【００１７】
請求項５の発明に係る製造方法は、請求項１から４のガス拡散層用部材の製造方法であって、導電性多孔質体をインサート部品としてインサート成形を行うことにより、導電性多孔質体をガス拡散電極として、射出した樹脂により他の部分を形成し、請求項１から４のガス拡散層用部材を一体に製造することを特徴としている。
【００１８】
この発明によれば、射出された樹脂とガス拡散電極とが接続される部分において、導電性多孔質体の表面に開放している気孔中に溶融樹脂が入り込んで固化するので、アンカー効果によりガス拡散電極と樹脂部分とが強固に接続され、強度が高いガス拡散層用部材を提供することができる。
【００１９】
請求項６の発明に係る製造方法は、導電性多孔質体および格子状体をインサート部品としてインサート成形を行うことにより、導電性多孔質体をガス拡散電極、格子状体を格子状枠部として、他の部分を射出した樹脂により形成し、請求項１から４のガス拡散層用部材を一体に製造することを特徴としている。
【００２０】
この発明によれば、たとえば不織布、樹脂製メッシュ、金網、金属不織布、金属メッシュなど、射出樹脂とは異なる材質からなる格子状体を格子状枠部としてインサートすることができるので、格子状枠部の強度、通気性、導電性等種々の性質を、用途に応じて好適なものとすることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図１から図１１を参照して説明する。
まず、図１から図３に、本発明の第１の実施形態に係るガス拡散層用部材１０を示す。このガス拡散層用部材１０は、シート状のガス拡散電極１１と、このガス拡散電極１１の側部１１ｃに設けられた非導電性材からなる外枠部１２と、ガス拡散電極１１の一方の面（酸素供給面）１１ａ側に設けられた格子状枠部１３とを備えている。
【００２２】
ガス拡散層用部材１０に備えられたガス拡散電極１１は、三次元網目構造を有する導電性多孔質材から形成され、その一方の面が酸素供給面１１ａ、他方の面が電極面１１ｂとされている。なお本実施形態では、導電性多孔質材として、気孔率や厚さを適宜調節でき、使用できる原料金属も多様である発泡金属焼結シートを採用している。発泡金属焼結シートは、金属粉末をバインダ、溶媒を加えて混練したものに発泡剤を混ぜて発泡性スラリーとし、発泡成形後に焼結して得られるものである。
【００２３】
外枠部１２は、非導電性材の樹脂によりガス拡散電極１１と一体に形成され、ガス拡散電極１１の側部１１ｃを被覆している。
【００２４】
格子状枠部１３は、外枠部１２と同じく非導電性材の樹脂によりガス拡散電極１１および外枠部１２と一体に形成され、ガス拡散電極１１の酸素供給面１１ａ側に設けられている。この格子状枠部１３は、酸素供給面１１ａの表面に配置された格子状の枠体であり、図１および図２（図１におけるａ−ａ線に沿う断面矢視図）に示すように酸素供給面１１ａを外部に開放させる開口部１３ａを多数形成する形状となっている。
【００２５】
つまり、ガス拡散層用部材１０は、外枠部１２によって外縁を保護されているとともに、図１に示すように酸素供給面１１ａ側が格子状枠部１３によって保護されている一方、図３に示すように電極面１１ｂ側全面が開放されている構成となっている。
【００２６】
図４および図５（図４におけるｉ−ｉ線に沿う断面矢視図）に、このガス拡散層用部材１０を適用した固体高分子型燃料電池の要部を示す。この燃料電池では、空気極Ａと燃料極Ｂとが電解質層２０を挟んで配置され、燃料（ここではメタノール水溶液）保持・供給する燃料供給部４０を備えた構成となっている。
電解質層２０は、たとえばフッ素樹脂系の高分子電解膜で形成され、膜中では水素イオンが移動可能である反面、電子を通過させないという性質を有している。
【００２７】
空気極Ａは、本実施形態のガス拡散層用部材１０で形成されており、電極面１１ｂを電解質層２０に臨ませて配置されている。電極面１１ｂには、白金系触媒微粒子を担持させたカーボン粒子を含む高分子電解質溶液を塗布して形成された触媒層Ｃが設けられている。ガス拡散電極１１の電極面１１ａ（触媒層Ｃ）と電解質層２０とは、ホットプレスにより密着固定されている。そして、空気極Ａは、格子状枠部１３の開口部１３ａを通じてガス拡散電極１１に供給された空気（酸素）を電解質層２０に到達させることができる。
【００２８】
燃料極Ｂは、平板状のガス拡散層用部材３０で形成されている。ガス拡散層用部材３０は、空気極Ａのガス拡散電極１１と同じく発泡金属焼結シートからなりガス拡散電極１１に対向して配置されたガス拡散電極３１と、このガス拡散電極３１の側部を被覆する外枠部３２とを備える構成となっている。外枠部３２は、導電性および通気性を持たない樹脂により、ガス拡散電極３１と一体に形成されている。
【００２９】
ガス拡散電極３１は、一方の面が燃料供給面３１ａ、他方の面が電極面３１ｂとされ、ガス拡散電極１１と同じく、白金系触媒微粒子を担持させたカーボン粒子を含む高分子電解質溶液を塗布して形成された触媒層Ｃが電極面３１ｂに設けられている。ガス拡散電極３１の電極面３１ａ（触媒層Ｃ）と電解質層２０とは、ホットプレスにより密着固定されている。
【００３０】
ガス拡散層用部材３０は、ガス拡散電極３１の電極面３１ｂを電解質層２０に臨ませて配置されており、その背面に配置された閉塞板３３によって燃料供給面３１ａ全体が閉塞されている。閉塞板３３は、外枠部３２と同じく導電性および通気性を持たない樹脂により形成されており、ガス拡散電極３１に臨む内面３３ａに、ガス拡散電極３１の燃料供給面３１ａとの間に空間を形成して燃料を流通させる燃料供給溝３３ｂが設けられている。そして、外枠部３２と閉塞板３３とは、超音波接合により密着固定されている。
【００３１】
燃料供給部４０は、燃料（ここではメタノール水溶液）を保持し、燃料極Ｂのガス拡散電極３１に供給するフェルトなどからなる多孔質部４１が、樹脂枠４２によって被覆された構造となっている。そして、燃料供給部４０の樹脂枠４２に設けられた燃料供給路４２ａから燃料供給溝３３ｂを通じて、多孔質部４１に保持された燃料を、ガス拡散電極３１に供給させることができる。燃料供給部４０の樹脂枠４２とガス拡散層用部材３０外枠部３２および閉塞板３３とは、超音波接合により密着固定されている。
【００３２】
以上のような構成を有する燃料電池において、空気極Ａおよび燃料極Ｂのガス拡散電極１１，３１は、３次元網目構造による通気性および導電性を備えることにより、いわゆるガス拡散層と集電板とを兼ねる部材である。
【００３３】
この燃料電池では、以下のような反応により電気エネルギが発生する。
すなわち、燃料供給部４０からガス拡散電極３１（燃料極Ｂ）に供給された燃料中の水素が、触媒層Ｃ上で電極反応によりイオン化して電解質層２０をガス拡散電極１１（空気極Ａ）に向かい移動する。そして、電解質層２０を挟んで他方側に配置されたガス拡散電極１１（空気極Ａ）に到達した水素は、電解質層２０と触媒層Ｃとの界面で、ガス拡散電極１１の酸素供給面１１ａから供給された空気中の酸素と電極反応により反応して水を生成する。
【００３４】
一方で、水素のイオン化により発生した電子は、ガス拡散層部材３０の外部に設けられた回路（図示せず）を、燃料極Ｂ（ガス拡散電極３１）から空気極Ａ（ガス拡散電極１１）へと移動する。この電子の移動により、電気エネルギを発生させることができる。
【００３５】
なお、触媒層Ｃは、ここではガス拡散電極１１，３１の表面に塗布形成したが、ガス拡散電極１１，３１と電解質層２０との界面に設けられていればよいので、電解質層２０の表面に形成することもできる。
【００３６】
つぎに、本発明の第２の実施形態に係るガス拡散層用部材５０を、図６から図８に示す。このガス拡散層用部材５０は、２枚に分割して設けられたシート状のガス拡散電極５１，５１と、各ガス拡散電極５１の側部５１ｃに設けられた非導電性材からなる外枠部５２と、ガス拡散電極５１の一方の面（酸素供給面）５１ａ側に設けられた格子状枠部５３と、各ガス拡散電極５０，５０間を接続する接続部５４とを備えている。
【００３７】
ガス拡散層用部材５０に備えられたガス拡散電極５１は、ガス拡散電極１１と同様に、三次元網目構造を有する導電性多孔質材（発泡金属焼結シート）から形成され、その一方の面が酸素供給面５１ａ、他方の面が電極面５１ｂとされている。
【００３８】
外枠部５２も、外枠部１２と同様、非導電性材の樹脂によりガス拡散電極５１と一体に形成され、ガス拡散電極５１の側部５１ｃを被覆している。
格子状枠部５３は、外枠部５２と同じく非導電性材の樹脂によりガス拡散電極５１および外枠部５２と一体に形成され、ガス拡散電極５１の酸素供給面５１ａ側に設けられている。この格子状枠部５３は、酸素供給面５１ａの表面に配置された格子状の枠体であり、図６および図７（図６におけるｂ−ｂ線に沿う断面矢視図）に示すように酸素供給面５１ａを外部に開放させる開口部５３ａを多数形成する形状となっている。
【００３９】
本実施形態のガス拡散層用部材５０は、第１の実施形態のガス拡散層用部材１０とは異なり、ガス拡散電極５１が２枚に分割して設けられており、各ガス拡散電極５１，５１が接続部５４によって接続されて一体に固定された構成となっている。接続部５４は、外枠部５２および格子状枠部５３と同じく非導電性材の樹脂によりガス拡散電極５１および外枠部５２と一体に形成されている。
【００４０】
つまり、本実施形態のガス拡散層用部材５０は、外枠部５２によって外縁を保護されているとともに、図６および図７に示すように酸素供給面５１ａ側が格子状枠部５３によって保護されている一方、図８に示すように電極面５１ｂ側全面が開放されている構成となっている。このガス拡散層用部材５０で空気極を構成した固体高分子型燃料電池では、燃料極にも２枚のガス拡散電極を備えたガス拡散層用部材を配置することにより、この１対のガス拡散層用部材によって面方向に並ぶ２組の単セルを形成することができる。
【００４１】
なお、セル間を直列に接続するために、または電池の電極を形成するために、ガス拡散層用部材に端子（図示せず）を設けてもよい。端子は、たとえば帯状の金属箔を抵抗溶接等により導電性多孔質体に接合することにより、形成することができる。
【００４２】
さらに、本発明の第３の実施形態に係るガス拡散層用部材６０を、図９から図１１に示す。このガス拡散層用部材６０は、第２の実施形態と同様に２枚に分割して設けられたシート状のガス拡散電極６１，６１と、各ガス拡散電極６１の２方の側部６１ｃに設けられた非導電性材からなる外枠部６２と、ガス拡散電極６１の一方の面（酸素供給面）６１ａ側に設けられた格子状枠部６３と、各ガス拡散電極６０，６０間を接続する接続部６４とを備えている。
【００４３】
つまり、本実施形態のガス拡散層用部材６０は、外枠部６２によって２方の外縁を保護されているとともに、残りの２方の側部６１ｄ，６１ｄには外枠部が設けられずガス拡散電極６１の端面が開放されている。そして、図９および図１０（図９におけるｃ−ｃ線に沿う断面矢視図）に示すように酸素供給面６１ａ側が格子状枠部６３によって保護されながら開口部６３ａを通じて開放されている一方、図１０および図１１に示すように電極面６１ｂ側全面が開放されている構成となっている。このガス拡散層用部材６０で空気極を構成した固体高分子型燃料電池では、燃料極にも２枚のガス拡散電極を備えたガス拡散層用部材を配置することにより、この１対のガス拡散層用部材によって面方向に並ぶ２組の単セルを形成することができる。さらに、本実施形態のガス拡散層用部材６０は、ガス拡散電極６１の側部６１ｄが外部に露出されるので、この側部６１ｄを用いてガス拡散電極６１同士を接続する配線を形成することができる。
【００４４】
ここで、本発明のガス拡散層用部材１０を製造する方法について、図１２を参照して説明する。
ガス拡散層用部材１０は、導電性多孔質体をインサート部品としてインサート成形を行うことにより、この導電性多孔質体をガス拡散電極１１として、射出した樹脂により他の部分（外枠部１２、格子状枠部１３）を形成することにより、一体に製造される。
【００４５】
図１２に、インサート成形用の金型を示す。この金型を用いて、一対の型板７０，７１間に形成されたキャビティ７２の中に、インサート部品として導電性多孔質体（ガス拡散電極）１１を配置し、ランナ７３からゲート７４を通じて射出した溶融樹脂７５をキャビティ７２内に充填することにより、導電性多孔質体１１と樹脂部分（外枠部１２、格子状枠部１３）とが一体となったガス拡散層用部材１０が形成される。導電性多孔質体１１と樹脂部分（外枠部１２、格子状枠部１３）とは、導電性多孔質体１１の側部に開口する気孔中、５μｍ〜１０００μｍ程度の深さまで溶融樹脂が含浸して硬化するので、アンカー効果により強固に接合される。
【００４６】
なお、樹脂の種類に応じて、射出圧力や成形温度などの射出成形条件を選定する。たとえば、射出圧力が高すぎると、導電性多孔質体中に樹脂が過剰に充填されてしまい、通気性を損なうなど、多孔質体の機能を発揮できなくなる。また、熱可塑性樹脂を用いる場合は導電性多孔質体に接する金型表面を部分的に冷却したり、シリコーンゴムのような熱硬化性樹脂を用いる場合は金型表面を部分的に加熱するなどして、多孔質体への樹脂の浸透を制御することができる。
【００４７】
なお、導電性多孔質体１１の気孔径や気孔率が小さすぎると溶融樹脂が気孔中に入り込めないので、アンカー効果が不十分となる虞がある。一方、導電性多孔質体１１の気孔径や気孔率が大きすぎると、強度が不足して樹脂成形圧および樹脂硬化時の圧縮に耐えられず、変形の虞がある。したがって、導電性多孔質体１１は、気孔径１０μｍ〜２ｍｍ程度、気孔率４０〜９８％程度であるとより好ましい。
【００４８】
また、外枠部１２および格子状枠部１３の材質は、熱可塑性樹脂、エラストマー（ゴムを含む）など、射出成形可能な材質で、かつ導電性を有していなければよいので、耐熱温度や硬度等を考慮し、適宜選択すればよい。たとえば軟質な樹脂を用いれば、導電性多孔質体の側部のシール性を高めることができる。
【００４９】
つぎに、ガス拡散電極１１の材質について説明する。ガス拡散電極１１をなすシート状の導電性多孔質体としては、カーボンペーパー、カーボンクロスといったカーボン製多孔体を用いてもよいが、ガス拡散性と導電性がともに良好な、３次元網目構造を有する金属製のもの、たとえば金属粉末を焼結したシート、金属不織布、積層メッシュ等を用いることが望ましい。なかでも、気孔率や厚さを適宜調節でき、使用できる原料金属も多様である金属粉末を焼結したシートは、このガス拡散層用部材の導電性多孔質体として、より好適である。さらにまた、金属粉末をバインダ、溶媒を加えて混練したものに発泡剤を混ぜて発泡性スラリーとし、発泡成形後に焼結して得られる発泡金属焼結シートでは、高い気孔率までも製造可能であることから、より好ましい。
【００５０】
ここで、ガス拡散電極１１に好適な発泡金属焼結シートの製造方法について説明する。この発泡金属焼結シートは、たとえば、金属粉末を含むスラリーＳを薄く成形して乾燥させたグリーンシートＧを焼成することにより製造される。
【００５１】
スラリーＳは、導電性を有する金属粉末、発泡剤（ヘキサン）、有機バインダ（メチルセルロース）、溶媒（水）等を混合したものである。このスラリーＳをドクターブレード法により薄く成形するグリーンシート製造装置８０を図１３に示す。
【００５２】
グリーンシート製造装置８０において、まず、スラリーＳが貯蔵されたホッパー８１から、キャリアシート８２上にスラリーＳが供給される。キャリアシート５２はローラ８３によって搬送されており、キャリアシート８２上のスラリーＳは、移動するキャリアシート８２とドクターブレード８４との間で延ばされ、所要の厚さに成形される。
【００５３】
成形されたスラリーＳは、さらにキャリアシート８２によって搬送され、加熱処理を行う発泡槽８５および加熱炉８６を順次通過する。発泡槽８５では高湿度雰囲気下にて加熱処理を行うので、スラリーＳにひび割れを生じさせずに発泡剤を発泡させることができる。そして、発泡により空洞が形成されたスラリーＳが加熱炉８６にて乾燥されると、粒子間に空洞を形成している金属粉末が有機バインダによって接合された状態のグリーンシートＧが形成される。
【００５４】
このグリーンシートＧを、キャリアシート８２から取り外した後、図示しない真空炉にて脱脂・焼成することにより、有機バインダが取り除かれ、金属粉末同士が焼結して三次元網目構造となった発泡金属焼結シート（導電性多孔質体１１）が得られる。
【００５５】
なお、以上の各実施形態において示した各構成部材、その諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求に基づき種々変更可能である。たとえば、格子状枠部を射出成形により形成せずに、不織布、樹脂製メッシュ、金網、金属不織布、金属メッシュ等の格子状体をインサート部品としてインサート成形を行うこともできる。つまり、格子状枠部をインサート部品により形成すれば、外枠部とは異なる素材の格子状枠部を備えるガス拡散層用部材を製造することができる。
【００５６】
図１４に示す本発明の第４の実施形態に係るガス拡散層用部材９０は、酸素供給面９１ａおよび燃料供給面９１ｂを有するガス拡散電極９１が２枚に分割して備えられ、その２方の側部９１ｃが外枠部９２によって保護されるとともに、酸素供給面９１ａが格子状枠部９３によって保護されながら、開口部９３ａを通じて開放されている。そして、各ガス拡散電極９１，９１は接続部９４によって一体に接続固定され、燃料供給面９１ｂは全面が開放されている。
【００５７】
このガス拡散層用部材９０において、格子状枠部９３は、導電性材である金網（格子状体）で形成されており、ガス拡散電極９１同士の短絡を防ぐために、各ガス拡散電極９１，９１に対応して２つに分割して設けられている。そして、２つの格子状枠部９３に接続して非導電性樹脂からなる外枠部９２が形成されることにより、ガス拡散層用部材９０は一体に形成されている。
【００５８】
このガス拡散層用部材９０は、導電性多孔質体および格子状体をインサート部品としてインサート成形を行うことにより、導電性多孔質体をガス拡散電極９１、格子状体を格子状枠部９３として、他の部分（外枠部９２、接続部９４）が射出した樹脂により形成されて、一体に製造される。
【００５９】
なお、インサート成形に先立ち、溶接などにより導電性多孔質体と格子状体とを一体に固定しておけば、金型内でのインサート部品配置を容易にすることができる。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の固体高分子型燃料電池のガス拡散層用部材によれば、ガス拡散電極がいわゆるガス拡散層および集電板を兼ねるので構成が単純であり、燃料電池の小型化を可能にすることができる。また、外枠部および格子状枠部によってガス拡散電極が補強されているので、取り扱い性が良好であり、製造時のハンドリングなどによる破損が生じにくくなる。さらに、これらの外枠部および格子状枠部が接続してガス拡散電極に一体に設けられていることにより、多数の部材を気密に組み立てる手間が省けるので、燃料電池の生産性をより向上させることができる。
【００６１】
請求項２の発明によれば、複数のガス拡散電極を１枚のガス拡散層用部材に備えることにより、複数の電極が面方向に並んで直列に接続される構成の平面型燃料電池を容易に製造することができる。
【００６２】
請求項３の発明によれば、格子状枠部が非導電性であるので、ガス拡散電極が複数枚に分割されている場合にも、各ガス拡散電極間に短絡を生じさせることなく酸素供給面を保護することができる。
【００６３】
請求項４の発明によれば、格子状枠部が各ガス拡散電極に分割して設けられているので、たとえば格子状枠部として導電性の金属メッシュのような強度の高い部材を用いて、ガス拡散電極同士を短絡させることなく酸素供給面を保護することができる。
【００６４】
請求項５の発明に係る製造方法によれば、射出された樹脂とガス拡散電極とが接続される部分において、導電性多孔質体の表面に開放している気孔中に溶融樹脂が入り込んで固化するので、アンカー効果によりガス拡散電極と樹脂部分とが強固に接続され、強度が高いガス拡散層用部材を提供することができる。
【００６５】
請求項６の発明によれば、たとえば不織布、樹脂製メッシュ、金網、金属不織布、金属メッシュなど、射出樹脂とは異なる材質からなる格子状体を格子状枠部としてインサートすることができるので、格子状枠部の強度、通気性、導電性等種々の性質を、用途に応じて好適なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るガス拡散層用部材の酸素供給面側を示す平面図である。
【図２】図１におけるａ−ａ線に沿う断面矢視図である。
【図３】図１に示すガス拡散層用部材の燃料供給面側を示す平面図である。
【図４】図１に示すガス拡散層用部材を用いて空気極を構成した固体高分子型燃料電池要部の酸素供給面側を示す平面図である。
【図５】図４におけるｉ−ｉ線に沿う断面矢視図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係るガス拡散層用部材の酸素供給面側を示す平面図である。
【図７】図６におけるｂ−ｂ線に沿う断面矢視図である。
【図８】図６に示すガス拡散層用部材の燃料供給面側を示す平面図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係るガス拡散層用部材の酸素供給面側を示す平面図である。
【図１０】図９におけるｃ−ｃ線に沿う断面矢視図である。
【図１１】図９に示すガス拡散層用部材の燃料供給面側を示す平面図である。
【図１２】図１に示すガス拡散層用部材を製造する射出成形用金型の要部断面を示す模式図である。
【図１３】本発明のガス拡散層用部材を構成するガス拡散電極となる導電性多孔質体を製造する際に用いる装置を示す模式図である。
【図１４】本発明のさらに別の実施形態ガス拡散層用部材を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０，５０，６０，９０ ガス拡散層用部材
１１，５１，６１，９１ ガス拡散電極（導電性多孔質体）
１１ａ，５１ａ，６１ａ，９１ａ 酸素供給面
１１ｂ，５１ｂ，６１ｂ，９１ｂ 電極面
１１ｃ，５１ｃ，６１ｃ，９１ｃ 側部
１２，５２，６２，９２ 外枠部
１３，５３，６３，９３ 格子状枠部
１３ａ，５３ａ，６３ａ，９３ａ 開口部
５４，６４ 接続部
Claims (6)
- 三次元網目構造を有するシート状の導電性多孔質体からなり一方の面を酸素供給面、他方の面を電極面とするガス拡散電極と、該ガス拡散電極の側部のうち少なくとも２方に設けられた非導電性材からなる外枠部と、前記酸素供給面側に設けられて前記外枠部と接続され前記酸素供給面を外部に開放させる開口部を有する格子状枠部とを有することを特徴とする固体高分子型燃料電池のガス拡散層用部材。
- 前記ガス拡散電極が複数枚に分割して設けられており、各ガス拡散電極間を接続する非導電性材からなる接続枠が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池のガス拡散層用部材。
- 前記格子状枠部が非導電性材からなることを特徴とする請求項１または２に記載の固体高分子型燃料電池のガス拡散層用部材。
- 前記格子状枠部が導電性材からなり、複数枚の前記ガス拡散電極に対応して複数に分割して設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の固体高分子型燃料電池のガス拡散層用部材。
- 前記導電性多孔質体をインサート部品としてインサート成形を行うことにより、前記導電性多孔質体を前記ガス拡散電極として、射出した樹脂により他の部分を形成し、請求項１から４のいずれかに記載のガス拡散層用部材を一体に製造することを特徴とする固体高分子型燃料電池のガス拡散層用部材の製造方法。
- 前記導電性多孔質体および格子状体をインサート部品としてインサート成形を行うことにより、前記導電性多孔質体をガス拡散電極、前記格子状体を前記格子状枠部として、他の部分を射出した樹脂により形成し、請求項１から４のいずれかに記載のガス拡散層用部材を一体に製造することを特徴とする固体高分子型燃料電池のガス拡散層用部材の製造方法。
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