JP2007280870A - 電極、燃料電池用電極、燃料電池および電極の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属繊維を板状に成形した金属繊維シートを電極に用いた水平スタック型の燃料電池における発電効率を向上させる。
【解決手段】基本単位セルが平面的に並べられて直列接続された構造を有する平面スタック型の燃料電池に利用される燃料電池用電極１０３として、金属繊維を板状に成形した金属繊維シート１０１上に環状パターン２０１とブリッジ部２０２を備えた薄板金属１０２を拡散接合させた構造を採用する。この構造によれば、金属繊維シート１０１の面に平行な方向に流れようとする電流が薄板金属１０２を流れるので、金属繊維シート１０１の面に平行な方向における抵抗が高くても発電電力の損失が増加しない。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池用に好適な電極の構造に係り、金属繊維シート上に薄板金属を接合した構造およびその製造方法に関する。また、この構造の燃料電池用電極を用いた燃料電池に関する。

燃料電池用電極として、メッシュや多孔質の通気性のある導電部材を利用したものが知られている。これは、電極に通気性を持たせることで、燃料および酸化剤の触媒への供給を効率よく行うためである。この通気性のある導電部材として、金属繊維をシート状に成型した金属繊維シートが知られている。燃料電池用電極への金属繊維の適用に関しては、例えば特許文献１や２に記載されている。

特開２００５―５１５６０４ ＷＯ２００４―０７５３２１

ところで、金属繊維シートは繊維質多孔体であり、ミクロに見た場合、絡み合った金属繊維間の点接触により電気伝導が行われる。一般的に導体においては薄くした場合に面に平行な方向における電気抵抗（シート抵抗）が高くなり、面に垂直な方向における電気抵抗は低くなる。金属繊維シートにおいては、この現象がより顕著に現れる。

このことは、単位発電ユニットを平面的に複数配置し、直列接続する平面スタック型の燃料電池において問題となる。すなわち、平面スタック型の燃料電池の場合、発電時に電極面の面に平行な方向に電流が流れる。このため、電極の面に平行な方向における電気抵抗が高いと、それが発電効率を下げる要因となる。この問題は、薄型化のために金属繊維シートを薄くした場合に顕在化する。なお、単位発電ユニットを面に垂直な方向に積層する垂直スタック構造の場合、電極面に垂直な方向に電流が流れるので、金属繊維シートの面に平行な方向における電気抵抗の高さは問題とならない。

そこで本発明は、平面スタック型の燃料電池に適用可能な金属繊維シートを用いた電極に係り、高発電効率を得ることができる技術を提供することを目的とする。

本発明は、金属繊維シートと、前記金属繊維シートの表面に接合され、前記金属繊維シートを横断した細線パターンよりなる薄板金属パターンとを備え、前記細線パターンは、前記金属繊維シートの周縁上に設けられた環状パターンと、前記環状パターンの内側を仕切るブリッジ部を備えることを特徴とする。本発明によれば、薄板金属が集電電極となり、金属繊維シートの面に平行な方向に流れようとする電流を集めるように作用する。このため、金属繊維シートの面に平行な方向における電気抵抗が大きくても、電極としては面に平行な方向における抵抗の小さいものを得ることができる。特に薄板金属の細線パターンとして、環状パターンとその内側を仕切るブリッジ部とを設けているので、例えば燃料電池用電極として利用した場合に、燃料や酸化剤の供給が阻害されず、且つ金属繊維シートの面に平行な方向における電流経路を効率よく確保することができる。

本発明において、金属繊維シートがＦｅとＣｒの合金であり、Ｃｒの含有量が１０〜３０重量％であることが望ましい。この態様によれば、金属繊維シートと薄板金属パターンとを焼結により拡散接合させた場合に良好な接合状態を得ることができる。また、薄板金属パターンが金属繊維シートと同じ材質により構成されていることが望ましい。こうすることで、両者の接合状態をより良好にすることができる。

本発明において、金属繊維シートと薄板金属パターンの熱膨張係数の差が３×１０^−６／Ｋ以下であることが望ましい。この態様によれば、接合状態における反りの発生を実用上問題のない程度に抑えることができる。また、金属繊維シートと薄板金属パターンの熱膨張係数の差が１×１０^−６／Ｋ以下であることがさらに望ましい。この態様によれば、接合状態における反りをほぼ完全に抑えることができる。

本発明において、薄板金属パターンの厚さは０．２ｍｍ以下であることが望ましい。この態様によれば、金属繊維シートと薄板金属パターンとの間に熱膨張率の差があっても、反りを実用上問題のない程度に抑えることができる。なお、薄板金属パターンの厚さの下限は、低電気抵抗を確保する関係上、０．０５ｍｍ程度となる。

本発明において、金属繊維シートと薄板金属パターンとの接合が焼結による拡散接合であることが望ましい。この態様によれば、金属繊維シートと薄板金属パターンとが一体物となるので、両者間における接触抵抗が問題とならない。また、腐食による高抵抗化の可能性が少ない安定した接合状態を得ることができ、例えば安定した性能の燃料電池を得ることができる。なお、信頼性が焼結による拡散接合には及ばないが、ロウ付けによって金属繊維シートと薄板金属パターンとを接合させることもできる。

本発明の電極は、燃料電池用電極に好適である。この場合、薄板金属の細線パターンによって金属繊維シートの表面積の２０〜８０％が被覆されていることが望ましい。こうすることで、燃料電池の動作に必要な燃料や酸化剤の供給経路が確保され、同時に燃料電池用電極に必要な発電された電流の取り出し経路が確保される。金属繊維シート表面における薄板金属の細線パターンの面積が２０％を下回ると、薄板金属による低抵抗化の効果が薄れ、金属繊維シートの高シート抵抗の問題が顕在化する。また、金属繊維シート表面における薄板金属の細線パターンの面積が８０％を超えると、金属繊維シートの露出面積が小さくなり、燃料や酸化剤の供給効率が低下し、燃料電池の発電効率が低下する。

本発明は、上述した燃料電池用電極を利用した燃料電池として把握することもできる。特に、上述した燃料電池用電極を、単位発電セルが平面的に配置され直列接続された平面スタック型の燃料電池に適用することが望ましい。平面スタック型の燃料電池は、電極の面に平行な方向に電流が流れるが、本発明の電極は、薄板金属が金属繊維シートの面に平行な方向に流れようとする電流のバイパス経路となるので、金属繊維シートの面に平行な方向における電気抵抗が大きくても、発電効率が低下しない。

本発明は、電極の製造方法であって、シート状の金属繊維ウエブを所定形状に打ち抜くウエブ打ち抜き工程と、金属の薄板から薄板金属パターンを打ち抜く薄板金属パターン打ち抜き工程と、打ち抜かれた前記金属繊維ウエブ１枚の上層または下層、または、前記金属繊維ウエブを複数枚積層するとともにその最上層または最下層に前記薄板金属パターンを積層し積層体を得る積層工程と、前記積層体を焼結する焼結工程とを備えることを特徴とする。この発明において、ウエブ打ち抜き工程と薄板金属パターン打ち抜き工程とを一つの金型で行なうことが望ましい。

本発明によれば、金属繊維シートに重ねて薄板金属パターンを積層することで、金属繊維シートの面に平行な方向における電流経路を確保し、それにより平面スタック型の燃料電池に好適な電極を得ることができる。また本発明の電極を利用することで、発電効率の高い燃料電池を得ることができる。

１．第１の実施形態
（実施形態の構成）
図１は、発明を利用した燃料電池用電極の概要を示す斜視図であり、（Ａ）は分解状態、（Ｂ）は接合状態を示す。図１（Ｂ）には、燃料電池用電極１０３が示されている。燃料電池用電極１０３は、薄板金属１０２と金属繊維シート１０１から構成されている。薄板金属１０２は、主成分がＦｅとＣｒであり、矩形状の環状パターン（枠構造パターン）２０１とその内側を仕切る十字形状のブリッジ部２０２を備えている。また、環状パターン２０１とブリッジ部２０２が配置されておらず、金属繊維シート１０１の露出している４箇所の矩形状の開口部１０４が設けられている。金属繊維シート１０１は、薄板金属と同様の材質のものを線径４０μｍの繊維にし、それを薄板状に成型した繊維質多孔質である。金属繊維シート１０１と薄板金属１０２を構成する材質は、ＦｅＣｒＳｉ合金が最適であるが、ステンレス鋼やＮｉ−Ｃｒ合金を用いることもできる。なお、金属繊維シート１０１と薄板金属１０２とを異なる材質とすることもできるが、焼結が可能な組み合わせとすることが望ましい。

金属繊維シート１０１と薄板金属１０２とは、焼結により拡散接合されている。薄板金属１０２は、金属繊維シート１０１の面に平行な方向に流れようとする電流を集め、それを金属繊維シート１０１の面に平行な方向に流す集電電極として機能する。このため、金属繊維シート１０１において、その面に平行な方向に電流を流す場合に、金属繊維シート１０１が示す比較的高いシート抵抗による発電電力の損失を抑えることができる。また、金属繊維シート１０１と薄板金属１０２とが拡散接合されているので、両者間の接触抵抗が問題にならず、また接合部分の腐食による高抵抗化を防止することができる。

図１に示されるように、薄板金属１０２のパターンは、金属繊維シート１０１の周囲の縁部分を囲む環状パターン２０１と、その内側において金属繊維シート１０１を縦横に十字に横断するブリッジ部２０２を備えている。この構造によれば、燃料や酸化剤の供給に必要な開口部１０４の開口率を効果的に確保することができる。また、ブリッジ部２０２を設けることで、金属繊維シート１０１の露出面が縦横に仕切られるので、金属繊維シート１０１からの集電効率を高めることができる。また、ブリッジ部２０２を設けることで、薄板金属１０２と金属繊維シート１０１との接合状態をより強固にすることができる。

（製造方法）
以下、図１に示す燃料電池用電極１０３の製造工程の一例を説明する。金属繊維シート１０１を構成する金属繊維は、溶湯抽出法で得られたものであることが望ましい。溶湯抽出法で得られた金属繊維は断面が非円形で、かつ、長手方向で一様ではない。このような金属繊維と、断面が真円で一様な金属繊維とを比較すると、同じ圧縮圧力でも溶湯抽出法で得られた金属繊維からなる金属繊維多孔質体の体積含有率の方が大きい。これは、溶湯抽出法で得られた金属繊維の方が圧縮によって互いに絡まり易く、除荷したときのスプリングバックが小さいためである。

次に、金属繊維シートの製造方法、およびそれを利用した燃料電池用電極の製造方法の一例を工程の順に説明する。
Ａ．金属繊維製造工程
図２は溶湯抽出装置を示す概略図である。また図２（Ａ）のＢ−Ｂの線で切った断面の形状が図２（Ｂ）に示されている。図２において符号１はロールであり、ロール１の外周にはエッジ１ａが形成されている。ロール１の下側には軸線を上下方向に向けた材料ホルダ２が配置されている。材料ホルダ２の内部には、金属の線材が上方へ移動可能に収容されている。材料ホルダ２の上端部には加熱コイル３が配置され、材料ホルダ２の上端から突出する材料Ｍを溶融するようになっている。そして、溶融した材料Ｍはロール１のエッジ１ａに接触し、ロール１の接線方向へ引き出されるとともに急冷されることで均一な線径の金属繊維Ｆが製造される。ここでは、金属繊維Ｆの繊維径を円形換算で４０μｍに設定する。

Ｂ．解繊・ウエブ成形工程
図３は上記のようにして製造された金属繊維からウエブを製造する工程を示す概念図である。図３に示すように、材料コンベア１０には金属繊維Ｆの集合体が供給され、出口側へ搬送される。材料コンベア１０の出口には、フィードローラ１１が配置され、フィードローラ１１の外側には解繊機構１２が配置されている。フィードローラ１１の外周には多数の歯が形成され、金属繊維Ｆを噛み込んで送り出すようになっている（図４参照）。また、解繊機構１２の外周にも多数の歯が形成され、フィードローラ１１に噛み込まれた金属繊維Ｆからその一部を梳ってコンベア１３のベルト１４上に落下させる。これが解繊工程であり、その際に金属繊維Ｆは分断され、ベルト１４上でランダムな方向に交錯させられて不織布のようなシート状のウエブＷとされる。

材料コンベア１０には、溶湯抽出法で製造された金属繊維がそのまま供給されるから、金属繊維の集合体では線径がほぼ一定となっている。本発明は、そのような場合に限定されるものではなく、別工程で製造した線径の異なる金属繊維の集合体を混合して用いることもできる。

Ｃ．打抜き・積層工程
図４は、燃料電池用電極の製造工程を示す概念図である。打抜き工程では、図４に示すような金型２０を使用する。金型２０は、ダイス２１と、ダイス２１の孔２１ａに出没自在なパンチ２５とからなっている。ウエブＷは金型２０に搬送され、パンチ２５が下降して打抜品Ｐが打ち抜かれる。打抜品Ｐは、ダイス２１の孔２１ａの内周との摩擦により、落下することなく孔２１ａ内に留まり、次の打抜品Ｐに押されて順次下降して行く。

ここで、所定枚数となる最後の打抜品Ｐが打ち抜かれると、薄板金属板から薄板金属１０２を上記金型２０で打ち抜く。この場合、薄板金属１０２には、中央の開口１０４（図１参照）を別の金型で予め打ち抜いておく。そして、打ち抜かれた薄板金属１０２と孔２１ａ内で積層された打抜品Ｐは、パンチ２５と孔２１ａの底の間で圧縮される。なお、打ち抜くウエブＷは単一の層であっても複数層にしたものであっても良く、それは最終的に得られる金属繊維シートの厚さと嵩密度によって決められる。また、最初に薄板金属１０２を打ち抜いておき、その後に打抜品Ｐを所定枚数打ち抜いてもよい。次いで、孔２１ａの底に設けたリフタ（図示せず）が上昇し、積層された打抜品Ｐと薄板金属１０２とをダイス２１の上面から突出させる。

１回の打抜きに供するウエブの目付は、１００〜２０００ｇ／ｍ^２であることが望ましい。ウエブの目付が１００ｇ／ｍ^２未満であると、打ち抜いたときにウエブの金属繊維がばらばらになり易い。また、ウエブの目付が２０００ｇ／ｍ^２を超えると、ウエブの側面が下方に向けてだれた形状となり易い。

Ｄ．焼結工程
次に、積層された打抜品Ｐおよび薄板金属１０２は、図示しない搬送機構により金型２０から取り出され、焼結炉に搬入される。一方、打抜品Ｐが打ち抜かれた後のウエブＷは、解繊工程に戻され、そこで金属繊維に再生されてウエブＷの材料とされる。

焼結炉には連続炉が用いられる。積層された打抜品Ｐおよび薄板金属１０２は、無荷重で焼結炉を通過する間に焼結され、金属繊維どうしの接触部と金属繊維と薄板金属１０２との接触部で互いに拡散接合されて板状の焼結体である金属繊維シートおよび薄板金属１０２の複合体Ｓが製造される。次いで、複合体Ｓには、例えば所定の板厚にするための機械加工が施され、金属繊維シート１０１と薄板金属１０２とが接合された燃料電池用電極１０３が得られる。この製造工程によれば、同じ金型を用いてウエブＷの打ち抜きと薄板金属１０２の打ち抜きを行なうので、製造プロセスの簡素化および低コスト化を追求することができる。

（評価）
次に図１に示す燃料電池用電極を評価した結果を説明する。ここでは、金属繊維シート１０１の寸法を６０ｍｍ×６０ｍｍ×０．２ｍｍ厚、金属繊維の径を４０μｍ（円形換算寸法）とし、薄板金属１０２の寸法を６０ｍｍ×６０ｍｍ、薄板金属１０２の環状パターン２０１とブリッジ部２０２の幅を３ｍｍとしたサンプルを用意した。下記「表１」に金属繊維シート１０１の材質、Ｃｒ含有量、熱膨張係数βおよび嵩密度Ｖｆ、さらに薄板金属１０２のＣｒ含有量、熱膨張係数βおよび板厚を示す。なお、上記の寸法を採用した場合、薄板金属１０２の細線パターンによって金属繊維シート１０１の表面積の２７．７５％が被覆されることになる。

下記表２に、表１に示す製造例１〜２２に関して、金属繊維シート１０１と薄板金属１０２との接合強度と反りの度合について調べた結果を示す。ここで、接合強度は、全面的に両者の接合が強固であり、剥がれが全く見られないものを○判定とした。また、一部に剥がれが観察されるが、接合した部分は強固であり、取り扱い時に剥がれることがないものを△判定とした。また、一部に剥がれが観察され、さらに取り扱い時に接合部が剥がれてしまう可能性が高い状態のものを×判定とした。

また、反りの度合については、殆ど認められなく、触媒塗布方法が容易（刷毛塗り、スプレー塗布、スクリーン印刷など制限無し）、且つ、ホットプレスによるＭＥＡ(Membrane Electrode Assembly)作製時に問題が発生しない（０〜０．１ｍｍ未満）場合が◎判定、若干反ってはいるが、触媒塗布が容易（但し、スクリーン印刷の場合は触媒層厚さに多少の斑発生）、且つ、ホットプレスによるＭＥＡ作製時に問題が発生しない（０．１〜０．３ｍｍ未満）場合が○、反りが大きく、スクリーン印刷による触媒塗布が難しくなり、且つ、ホットプレスによるＭＥＡ作製時にプレス速度などに注意を要するが、使用上は問題ない（０．３〜１．０ｍｍ未満）場合が△、反りが大きく、ＭＥＡ作製時に触媒層の割れが発生するなどの問題があるため使用できない（１．０ｍｍ以上）場合が×判定とした。

表２に示すように、全ての製造例において、接合強度に問題がないという結果を得た。これは、焼結による拡散接合によって、金属繊維シートと薄板金属とが一体化したからであると考えられる。また、製造例１〜９から分かるように、金属繊維シートと薄板金属との熱膨張係数が同じであれば、金属繊維シートのＶｆさらに薄板金属の板圧によらず反りは殆ど発生しない。また、製造例１〜１２、製造例１８および製造例２１から分かるように、金属繊維シートと薄板金属の熱膨張係数の差が１×１０^−６／Ｋ以下であれば、反りが殆ど発生しない。また、製造例１７、製造例１９および製造例２２から分かるように、金属繊維シートと薄板金属の熱膨張係数の差が３×１０^−６／Ｋ以下であれば、反りは実用上問題のない範囲となる。また、製造例１３から分かるように、薄板金属の板厚が０．２ｍｍ以下であれば、熱膨張係数の差が大きくても、反りは実用上問題のない範囲となる。また、製造例２１および製造例２２からは、金属繊維シートおよび薄板金属の主成分をＦｅおよびＣｒとし、Ｃｒ含有量を約１０重量％、または約３０重量％とした場合であっても、良好な接合状態が得られることが分かる。このことから、金属繊維シートおよび薄板金属の主成分をＦｅおよびＣｒとし、Ｃｒ含有量を１０〜３０重量％の範囲とすることで、良好な接合性を得られることが分かる。

２．第２の実施形態
（単位発電セルの構成）
次に第１の実施形態で説明した燃料電池用電極を利用した燃料電池の一例を説明する。図５は、燃料電池の単位発電セルの構造を示す斜視図であり、（Ａ）は分解状態を示し、（Ｂ）は組み上げた状態を示す。

以下、組み立て手順の一例を説明する。まず、図１に示す燃料電池用電極１０３を２つ用意する。図５には、金属繊維シート１０１ａと薄板金属１０２ａとを接合した燃料電池用電極１０３ａ、および同様な構造を有し表裏を反転させた燃料電池用電極１０３ｂが示されている。燃料電池用電極１０３ａおよび１０３ｂを用意したら、その金属繊維シート側の面に触媒を塗布し、触媒層を形成する。図５には、燃料電池用電極１０３ａに触媒層５０３を形成し、燃料電池用電極１０３ｂに触媒層５０４を形成した状態が示されている。次に、触媒層を形成した面を向かい合わせにし、間に電解質膜５０２を挟み、燃料電池用電極１０３ａと１０３ｂとをホットプレス法によって貼り合わせる。こうして単位発電セル５０１を得る。

単位発電セル５０１において、触媒層５０３と５０４とによって電解質膜５０２が挟まれた積層部分がＭＥＡ(Membrane Electrode Assembly)として機能する。単位発電セル５０１は、電極１０３ａが酸化剤極（カソード電極）として機能し、電極１０３ｂが燃料極（アノード電極）として機能する。

上記の構成においては、触媒材料を金属繊維シートの表面に塗布し触媒層を形成することで、触媒層の金属繊維シートに対する密着性を高めることができる。金属繊維シートの表面は、金属繊維が絡んだ構造に起因して細かい凹凸を有しているので、触媒層との接触面積を大きく確保することができ、またアンカー効果により触媒層の密着性を高くすることができる。なお、電解質膜５０２の表裏に触媒層５０３および５０４を形成してＭＥＡを得、このＭＥＡを電極１０３ａと１０３ｂの金属繊維シート面で挟む製造工程としてもよい。

（単位発電セルの動作）
以下、燃料としてメタノール水溶液、酸化剤として空気を利用して発電を行う場合の動作を説明する。図５に示す単位発電セル５０１の電極１０３ｂ側にメタノール水溶液を供給し、電極１０３ａ側に空気を供給すると、メタノール水溶液は、金属繊維シート１０１ｂに浸透し、触媒層５０４に接触し、空気は、金属繊維シート１０１ａに浸透する。触媒層５０４に触れたメタノールは、水素と炭酸ガスに分解され、さらに水素が水素イオン（Ｈ^＋）と電子（ｅ⁻）に電離する。この内、水素イオンは、電解質膜５０２中および触媒層５０３中を移動し、金属繊維シート１０１ａに至る。また、水素から電離した電子は、金属繊維シート１０１ｂに与えられる。この結果、金属繊維シート１０１ａが金属繊維シート１０１ｂに対して高電位となる。

このため、電極１０３ａの薄板金属１０２ａと電極１０３ｂの薄板金属１０２ｂとを負荷を介して電気的に接続すると、電極１０３ａから電極１０３ｂに向かって電流が流れる。またこの時、触媒層５０３において、空気中の酸素、電解質膜５０２を透過してきた水素イオン、さらに金属繊維シート１０１ａに電極１０３ｂ側から供給される電子が反応し、水が生成される。こうして、メタノール水溶液を燃料とした燃料電池発電が行われる。

（水平スタック構造の燃料電池）
図６は、単位発電セルを水平スタックした構造の燃料電池の断面構造を示す概念図である。図６に示す燃料電池６０は、同じ構造の単位発電セル６００、６１０および６２０を平面的に並べて配置し、電気的にはそれらを直列に接続した構造を有している。

まず各単位発電セルの構造を説明する。各単位発電セルは、図５に示す基本構造を有し、例えば単位発電セル６００の場合でいうと、電解質膜の表裏に触媒層が接したＭＥＡ６０５の上側に金属繊維シートによって構成される酸化剤極６０１が配置され、その上には薄板金属によって構成される集電電極６０２が拡散接合されている。また、ＭＥＡ６０５の下面には金属繊維シートによって構成される燃料極６０３が配置され、その下には、薄板金属によって構成される集電電極６０４が拡散接合されている。ここで、酸化剤極６０１が図５に示す金属繊維シート１０１ａに相当し、集電電極６０２が薄板金属１０２ａに相当し、燃料極６０３が図５に示す金属繊維シート１０１ｂに相当し、集電電極６０４が薄板金属１０２ｂに相当する。

他の単位発電セルも同様であり、単位発電セル６１０は、ＭＥＡ６１５の上面に金属繊維シートによって構成される酸化剤極６１１が配置され、その上に薄板金属によって構成される集電電極６１２が拡散接合されている。また、ＭＥＡ６１５の下面に金属繊維シートによって構成される燃料極６１３が配置され、その下に薄板金属によって構成される集電電極６１４が拡散接合されている。また、単位発電セル６２０は、ＭＥＡ６２５の上面に金属繊維シートによって構成される酸化剤極６２１が配置され、その上に薄板金属によって構成される集電電極６２２が拡散接合されている。また、ＭＥＡ６２５の下面に金属繊維シートによって構成される燃料極６２３が配置され、その下に薄板金属によって構成される集電電極６２４が拡散接合されている。

燃料電池６０において、取り出し電極６４が、単位発電セル６００の集電電極６０４に接触し、単位発電セル６００の集電電極６０２が接続電極６５に接触している。接続電極６５は、接続電極６６を介して、単位発電セル６１０の集電電極６１４に接続されている。単位発電セル６１０の集電電極６１２は接続電極６７に接触している。さらに、接続電極６７は、接続電極６８を介して単位発電セル６２０の集電電極６２４に接続されている。こうして、単位発電セル６００、６１０および６２０の燃料極と酸化剤極とが交互に接続された直列接続構造とされている。なお、各単位発電セルの側周囲は、シール部材６０６、６１６、６２６によってシールされている。また符号６２は、メタノール水溶液を貯める燃料容器であり、燃料容器内６３にメタノール水溶液が充填される。

図６に示す燃料電池を発電させるには、燃料容器６２にメタノール水溶液を充填し、酸化剤極側を空気に触れさせた状態において、図示しない負荷を介して取り出し電極６４と集電電極６２２との間を電気的に接続する。すると、各単位発電セルによって前述した発電作用が働き、図示しない負荷を介して集電電極６２２から取り出し電極６４に向かって電流が流れる。

この発電の際、燃料極６０３、６１３および６２３、さらに酸化剤極６０１、６１１および６２１において、面に平行な方向に電流が流れようとする。これは、水平スタック構造を採用した場合に避けることができない。例えば、図示する構造において、集電電極６０２、６１２および６２２を配置しない場合、酸化剤極６０１、６１１および６２１を構成する金属繊維シートにおけるその面に平行な方向に電流が流れることになる。この場合、金属繊維シートの面に平行な方向における電気抵抗（シート抵抗）が比較的高いので、損失が発生する。しかしながら本実施形態においては、酸化剤極６０１、６１１および６２１には、薄板金属によって構成される集電電極６０２、６１２および６２２を接合している。これら集電電極は、図１および図５に示すように、酸化剤極を構成する金属繊維シートの縁部分を覆う環状パターン２０１と、その内側を十字に仕切るブリッジ部２０２とを備えている。これら集電電極は、金属繊維シートの面に平行な方向に流れようとする電流のバイパス経路となるため、酸化剤極６０１、６１１および６２１において、その面に平行な方向に大きな電流は流れず、当該面に平行な方向に流れようとする電流は、主に集電電極６０２、６１２および６２２を流れる。このことは、燃料極側においても同様である。したがって、金属繊維シートのシート抵抗が比較的高くても、それに起因する損失を抑えることができ、燃料電池の発電効率の低下を抑えることができる。特に燃料電池の薄型化と軽量化を追及するために、金属繊維シートを薄くした場合、上述したシート抵抗の問題が顕在化するが、本発明を利用した場合、上述した理由により発電効率の低下を抑えることできる。

図６に示すような平面スタック構造の燃料電池は、全体の構造を薄型化できるので、薄型の電子機器の駆動電源に適している。例えば、携帯電話、携帯型情報処理端末、ノート型のパーソナル・コンピュータ、携帯型のオーディオ・ビジュアル機器等の電源に適している。またメタノールを燃料とする燃料電池は、燃料の入手の容易性や取り扱いの容易性からこれら機器への利用に適している。なお、本発明が適用可能な燃料電池は、燃料としてメタノールを利用したものに限定されない。

３．他の実施形態
本発明を利用した燃料電池用電極における集電電極の形状の他の例を説明する。図７は、集電電極の他のパターンの例を示す上面図である。図７（Ａ）は、集電電極となる薄板金属のパターン形状の他の一例を示す上面図である。この例においては、矩形状の薄板金属７０２に円形状の孔７０３が複数形成されている。薄板金属７０２は、図示しない金属繊維シートを重ねられた状態で接合され、円形状の孔７０３から下層の金属繊維シートが露出する。この構成においては、周囲の縁部分が環状パターンとなり、複数の円形状の孔７０３の間の部分がブリッジ部となる。図７（Ａ）に示す薄板金属７０２のパターンは、製造が容易であるという利点がある。

以下、図７（Ａ）に示す薄板金属７０２のパターンを利用して金属繊維シートが露出する開口率の実用的な範囲を調べた結果を説明する。この実験では、孔７０３の大きさを変えた電極をアノードおよびカソード電極とした単位発電セルのサンプルを作製し、同一条件における発電電力の値を計測した。また、この実験においては、図６に示す平面スタック型の燃料電池への利用を想定し、電極の面方向に発電電流が流れるようにした。この実験によれば、金属繊維シートが２０〜８０％露出していれば、発電に問題がないことが判明した。すなわち、薄板金属の被覆面積の割合が８０％〜２０％であれば、燃料電池の発電能力に支障が出ないことが判明した。金属繊維シートの開口率が２０％を下回った場合に発電効率が低下するのは、金属繊維シートを介しての燃料や酸化剤の供給効率が低下するためである。また、金属繊維シートの開口率が８０％を超えた場合に発電効率が低下するのは、薄板金属を介した電流経路が狭くなるので、薄板金属による集電作用が小さくなり、金属繊維シートの高シート抵抗の影響が現れるからである。

図７（Ｂ）は、集電電極となる薄板金属のパターン形状の他の一例を示す上面図である。この例においては、矩形状の薄板金属７０５に２種類の矩形状の開口７０６ａおよび７０６ｂが形成されている。開口７０６ａおよび７０６ｂは、Ｘ軸方向に狭く、Ｙ軸方向に長い長方形を有している。そして、開口７０６ａと７０６ｂとは、その幅方向（Ｘ軸方向）における寸法が異なっている。図７（Ｂ）に示す薄板金属のパターン形状によれば、Ｙ軸方向における電流経路をより幅広にすることができる。このため、Ｙ軸方向に電流が流れるように電極の配置をすることで、開口７０６ａおよび７０６ｂの開口率を確保し、且つ薄板金属７０５による低シート抵抗化を実現することができる。

図７（Ｃ）は、集電電極となる薄板金属のパターン形状の他の一例を示す上面図である。この例においては、矩形状の薄板金属７０７に６角形の開口７０８が規則的に設けられている。このデザインによれば、単位発電セルを構成した際に図示しないＭＥＡに対する燃料や酸化剤の供給をより均一に行うことができる。

本発明は、燃料電池の電極、特に平面スタック構造の燃料電池の電極に利用することができる。

発明を利用した燃料電池用電極の概要を示す斜視図である。 金属繊維の製造工程を示す概念図である。 金属繊維シートの製造工程を示す概念図である。 燃料電池用電極の製造工程を示す概念図である。 燃料電池を構成する基本単位セルを示す斜視図である。 水平スタック型の燃料電池の断面構造を示す概念図である。 薄板金属の形状の他の例を示す上面図である。

符号の説明

１０１…金属繊維シート、１０２…薄板金属、１０３…燃料電池用電極、１０４…薄板金属に設けたれた開口部、２０１…環状パターン、２０２…ブリッジ部。

Claims (12)

1. 金属繊維シートと、前記金属繊維シートの表面に接合され、前記金属繊維シートを横断した細線パターンよりなる薄板金属パターンとを備え、
   前記細線パターンは、前記金属繊維シートの周縁上に設けられた環状パターンと、
   前記環状パターンの内側を仕切るブリッジ部を備えることを特徴とする電極。
2. 前記金属繊維シートがＦｅとＣｒの合金であり、前記Ｃｒの含有量が１０〜３０重量％であることを特徴とする請求項１に記載の電極。
3. 前記薄板金属パターンが前記金属繊維シートと同材質よりなることを特徴とする請求項２に記載の電極。
4. 前記金属繊維シートと前記薄板金属パターンの熱膨張係数の差が３×１０^−６／Ｋ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電極。
5. 前記金属繊維シートと前記薄板金属パターンの熱膨張係数の差が１×１０^−６／Ｋ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電極。
6. 前記薄板金属パターンの厚さが０．２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電極。
7. 前記金属繊維シートと前記薄板金属パターンが拡散接合によって接合されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の電極。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の電極を用いた燃料電池用電極であって、前記細線パターンによって前記金属繊維シートの表面積の２０〜８０％が被覆されていることを特徴とする燃料電池用電極。
9. 請求項８に記載の燃料電池用電極を電極としたことを特徴とする燃料電池。
10. 請求項８に記載の燃料電池用電極を電極とし、複数の単位発電セルが平面的に配置され直列接続された平面スタック型をなしていることを特徴とする燃料電池。
11. シート状の金属繊維ウエブを所定形状に打ち抜くウエブ打ち抜き工程と、
    金属の薄板から薄板金属パターンを打ち抜く薄板金属パターン打ち抜き工程と、
    打ち抜かれた前記金属繊維ウエブ１枚の上層または下層、または、前記金属繊維ウエブを複数枚積層するとともにその最上層または最下層に前記薄板金属パターンを積層し積層体を得る積層工程と、
    前記積層体を焼結する焼結工程と
    を備えることを特徴とする電極の製造方法。
12. 前記ウエブ打ち抜き工程と前記薄板金属パターン打ち抜き工程とを一つの金型で行なうことを特徴とする請求項１１に記載の電極の製造方法。

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