JP4288906B2 - 固体高分子型燃料電池の集電板 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質膜の両側に積層された燃料電極層と酸化剤電極層のうち、少なくとも酸化剤電極層に積層される固体高分子型燃料電池の集電板に関するものであって、特に携帯電話やデジタルカメラなどの携帯機器用の電池に適した集電板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の固体高分子型燃料電池としては、例えば図６に示すように、固体高分子の電解質膜１の両側に水素電極層（燃料電極層）２および空気電極層（酸化剤電極層）３が積層され、これらの水素電極層２および空気電極層３のそれぞれの外面に沿って設置されたセパレータ４、５を備えたものを単位セルとし、この単位セルを複数積層させたスタック構造のものが知られている。
【０００３】
電解質膜１は、例えば０．１ｍｍ程度の厚さのもので構成されている。
水素電極層２および空気電極層３は、図７に示すように、触媒としてＰｔ担持カーボンブラックＡを有する多孔質のカーボンペーパによって形成されている。
【０００４】
一方のセパレータ４には、図６に示すように、燃料ガス（水素を有する）を水素電極層２の表面全体に供給するための溝４ａが形成されており、他方のセパレータ５には、酸化剤ガス（酸素を有する）を空気電極層３の表面全体に供給するための溝５ａが形成されている。燃料ガスとしては、例えばほぼ１００％の水素が用いられ、酸化剤ガスとしては、例えば空気が用いられる。
上記のように構成された固体高分子型燃料電池においては、図７に示すような化学反応により電気を作ることができる。燃料となる水素（Ｈ2 ）は、水素電極層２側の触媒Ａの作用で水素イオン（Ｈ+ ）と電子（ｅ- ）に分かれる。すなわち、
Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- …（１）
となる。
【０００５】
水素イオンは、電解質膜１中を空気電極層３側に移動し、触媒Ａの作用によって、外部電気回路から供給される電子とともに、空気電極層３に供給される酸素の還元に使われる。すなわち、
１／２Ｏ2 ＋２Ｈ+ ＋２ｅ- →Ｈ2 Ｏ …（２）
の電気化学反応が生じ、水が生成される（以下、この水を生成水という）。そして、水素電極層２側の電子が例えば外部の負荷を通って空気電極層３側に流れることから、これを電気エネルギとして使うことができる。
上記電気化学反応は、主に電解質膜１と空気電極層３との境界部で発生することになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記固体高分子型燃料電池においては、連続して運転を行うと、上述した生成水が空気電極３の表面に液膜となって覆うことになり、酸素が電解質膜１に供給されにくくなる。このため、起電力が急激に低下するという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、生成水を酸化剤電極層から効率よく取り除くことによって、高出力で安定した電力を発生させることのできる固体高分子型燃料電池の集電板を提供することを課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の固体高分子型燃料電池の集電板は、電解質膜の一方の面に積層され、水素を有する燃料ガスが上記電解質膜とは反対側の表面に供給される燃料電極層と、上記電解質膜の他方の面に積層され、酸素を有する酸化剤ガスが上記電解質膜とは反対側の表面に供給される酸化剤電極層とのうち、少なくとも上記酸化剤電極層の上記表面に積層される固体高分子型燃料電池の集電板であって、上記酸化剤電極層側に開口するとともに、上記酸化剤ガスが少なくとも上記酸化剤電極層の表面に沿って流通する方向に互いに連通し、かつ上記酸化剤ガスが通過可能な大きさの複数の発泡空孔を有する発泡金属体と、この発泡金属体の上記各発泡空孔を画成する骨格の表面に設けられ、粉末を主原料とする粉末焼結層によって形成されるとともに、上記酸化剤電極層側で発生した水を上記粉末間に形成されて互いに連通し、かつあらゆる方向に開口する粒子間空孔の毛管作用により吸引する吸水層とを備えてなることを特徴としている。
【０００９】
なお、上記発泡金属体は、原粉粉末と、水溶性樹脂バインダーと、非水溶性炭化水素系有機溶剤である発泡剤と、必要に応じて添加される界面活性剤と、残部の水および不可避不純物とを混合してなる発泡スラリーを原料として、焼成された発泡焼結金属によって構成された発泡金属体であってもよいし、あるいは、発泡ウレタンに導電性処理を行ってからメッキをし、必要に応じて熱処理を行うメッキプロセスで製造したものによって構成された発泡金属体であってもよい。
【００１０】
請求項２に記載の固体高分子型燃料電池の集電板は、請求項１に記載の発明において、上記発泡空孔の平均孔径が０．１５〜３ｍｍであることを特徴としている。
【００１２】
請求項１または２に記載の発明においては、電解質膜と酸化剤電極層との間に生じ、酸化剤電極層の表面に流出した生成水が吸水層に吸引されて、各発泡空孔を画成する骨格の表面に沿って移動する。すなわち、生成水が吸水層に吸引されて集電板の内方に移動する。また、吸水層によって若干狭められた発泡空孔内を酸化剤ガスが流通することになる。この場合、吸水層と酸化剤ガスとの接触面積が大きいため、吸水層によって吸い上げられた生成水は効率よく酸化剤ガス中に蒸発して、当該酸化剤ガスとともに集電板から運び出されることになる。このため、生成水が酸化剤電極層内や表面に滞留するのを防止することができる。したがって、各発泡空孔を介して供給された酸化剤ガスを酸化剤電極層から電解質膜側に間断なく供給することができるので、高出力で安定した電力を発生させることができる。
【００１３】
また、固体高分子型燃料電池を、その方向を特定せずに使用するような場合、例えば携帯電話やデジタルカメラなど、携帯用のものとして使用した場合でも、生成水を効率よく排出することができる。すなわち、固体高分子型燃料電池の使用環境によっては、酸化剤電極層の表面が斜め上方を向いたり、水平方向の上方を向いたりすることがあり得るが、このような場合でも、生成水を間断なく排出して、安定した高出力の電力を維持することができる。
【００１４】
請求項２に記載の発明においては、発泡空孔の平均孔径が０．１５〜３ｍｍであるので、酸化剤ガスが酸化剤電極層の表面に沿って流通可能になるとともに、当該酸化剤ガスを酸化剤電極層の表面に供給することができる。また、発泡空孔によって適度の流体抵抗が生じることから、酸化剤ガスを所定の圧力で酸化剤電極層の表面に全体的に満遍なく供給することができる。したがって、出力の向上を図ることができる。ただし、酸化剤ガスの流路は、上記平均孔径より吸水層の厚さ分だけ若干狭まることになる。
なお、発泡空孔の平均孔径を０．１５〜３ｍｍとしたのは、０．１５ｍｍ未満であると、生成水により発泡空孔が部分的に覆われ、酸化剤ガスが酸化剤電極層の表面に有効に供給できなくなるおそれがあるからであり、３ｍｍを超えると、圧力損失が小さくなり、酸化剤ガスが酸化剤電極層の表面に均一に供給できなくなるからである。
【００１５】
なお、発泡空孔の平均孔径としては、０．５〜２．５ｍｍにすることが、酸化剤ガスの流通性を良くし、かつ酸化剤電極層の表面に所定の圧力の酸化剤ガスを供給する上でより好ましい。
【００１６】
さらに、請求項１または２に記載の発明においては、吸水層が粉末焼結層によって形成されていることから、生成水が隣接する粉末間の隙間を介して毛管作用により吸引されることになる。しかも、粉末焼結層による吸水層はその表面が微細な凹凸を有するものとなり、発泡空孔内を通る酸化剤ガスとの接触面積が大きなものとなるので、生成水を酸化剤ガス中に効率よく蒸発させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。ただし、従来例で示した構成要素と共通する要素には同一の符号を付しその説明を簡略化する。
【００１８】
この実施の形態で示す集電板６は、図１に示すように、固体高分子型燃料電池における他方のセパレータ５と空気電極層（酸化剤電極層）３との間に設置されるようになっている。
【００１９】
すなわち、固体高分子型燃料電池は、電解質膜１の一方の面に積層され、水素を有する燃料ガス（この実施の形態の場合はほぼ１００％の水素）が電解質膜１とは反対側の表面２ａに供給される水素電極層（燃料電極層）２と、電解質膜１の他方の面に積層され、酸素を有する酸化剤ガス（この実施の形態の場合は空気）が上記電解質膜１とは反対側の表面３ａに供給される空気電極層（酸化剤電極層）３とを備えている。
【００２０】
水素電極層２側には、当該水素電極層２の表面２ａに積層するように一方のセパレータ４が設置されている。
また、空気電極層３側には、当該空気電極層３の表面３ａに集電板６が積層されているとともに、この集電板６にさらに積層するようにして他方のセパレータ５が設置されている。
【００２１】
集電板６は、図１および図２に示すように、空気電極層３側に開口するとともに、酸化剤ガスとしての空気が空気電極層３の表面３ａに沿って流通する方向に互いに連通し、かつ空気が通過可能な大きさの複数の発泡空孔６１ａを有する発泡金属体６１と、この発泡金属体６１の各発泡空孔６１ａを画成する骨格６１ｂの全表面に設けられ、空気電極層３側で発生した生成水を毛管作用により吸引する吸水層６２とを備えている。すなわち、吸水層６２は、発泡金属体６１の全表面に設けられている。ただし、吸水層６２は、発泡金属体６１における各発泡空孔６１ａを画成する骨格６１ｂの内壁に設けられているだけでもよい。すなわち、吸水層６２は、骨格６１ｂにおける各発泡空孔６１ａに沿う面に少なくとも設けられていればよい。
【００２２】
また、発泡金属体６１は、四角形の薄板状に形成されている。なお、この実施の形態で示す発泡空孔６１ａは、上述した表面３ａに沿って流通する方向のみに連通しているのではなく、四方八方に３次元の網目状に連通しているとともに、上述した空気電極層３側の表面、他方のセパレータ５側の表面、周縁部の各端面にも開口している。
【００２３】
上記発泡空孔６１ａの平均孔径は、０．１５〜３ｍｍであり、発泡金属体６１全体の気孔率は、４０〜９９容量％になっている。気孔率は、発泡空孔６１ａの合計容積を発泡金属体６１の全容積で割ったものに１００を掛けてパーセントで表示したものである。
【００２４】
そして、発泡金属体６１は、鉄基合金粉末であるステンレス鋼（本実施の形態ではＪＩＳ記号でＳＵＳ３１６Ｌを使用）粉末を原料粉末とし、この原料粉末を４０〜６０重量％、水溶性樹脂バインダーとしてのメチルセルロースを５〜１５重量％、界面活性剤としてのアルキルベンゼンスルホン酸塩を１〜３重量％、発泡剤としてのヘキサンを０．５〜３重量％、残部を水および不可避不純物とするものを混練機で混合してなる発泡性スラリーを原料として成形されたものである。上記原料粉末は、平均粒径が１０μｍのものである。
【００２５】
なお、図１等においては、電解質膜１等を水平方向に向けた状態のものを示しているが、通常は電解質膜１等を垂直方向に立てた状態にして使用することになる。
【００２６】
また、上記発泡金属体６１は、図３に示すドクターブレード法を用いた成形装置によって成形されるようになっている。この成形装置は、キャリヤーシート７、ドクターブレード８、発泡性スラリーを投入するホッパ９、恒温・高湿度槽１０、乾燥槽１１、巻き出しリール１２、巻取リール１３、支持ロール１４、１５を備えたもので構成されている。
【００２７】
次に、上記成形装置を用いて集電板６を製造する方法を説明する。まず、上述した発泡性スラリーをホッパ９に投入する。そして、この発泡性スラリーをキャリヤーシート７上にドクターブレード８により薄板状に成形し、恒温・高湿度槽１０において、湿度が７５〜９５％、温度が３０〜４０℃、滞留時間が１０〜２０分の条件の下でスポンジ状に発泡させる。さらに、乾燥槽１１において、温度が５０〜７０℃、滞留時間が５０〜７０分の条件の下で乾燥させてスポンジ状グリーン板（発泡性成形体）１６を製造する。
【００２８】
このスポンジ状グリーン板１６を、真空中において、５５０〜６５０℃、２５〜３５分の条件の下で、バインダー成分を除去する脱脂を行い、さらに真空中で、１２００〜１３００℃、６０〜１２０分の条件の下で焼結することにより、厚さが０．５ｍｍで、連続した発泡空孔６１ａを有し、気孔率が４０〜９９容量％で、発泡空孔６１ａの平均孔径が０．１５〜３ｍｍのスポンジ状焼成金属板（発泡体）を製造する。
【００２９】
このスポンジ状焼成金属板を所定の大きさに切断することにより、発泡金属体６１が製造される。切断は、放電加工やレーザー加工を用いることができる。厚さは圧延により調整してもよい。
【００３０】
上記のように構成された固体高分子型燃料電池においては、一方のセパレータ４における溝４ａの一端部に供給された水素が当該溝４ａ内を流れるとともに、当該溝４ａの他端部から流出する。これによって、水素電極層２の表面２ａの全体に水素が供給されることになることから、水素イオンが水素電極層２から電解質膜１を通って空気電極層３側に効率よく移動する。
【００３１】
一方、他方のセパレータ５における溝５ａの一端部に供給された空気は、当該溝５ａ内を通って溝５ａの他端部に流れ、当該他端部から排出される。これによって、空気が集電板６の表面の全体にわたって供給されるとともに、集電板６の連続する発泡空孔６１ａを通って、空気電極層３の表面３ａの全体に供給されることになる。また、集電板６内に供給された空気は、空気電極層３の表面３ａに沿って流通した後、上記溝５ａの他端部から流出することになる。
【００３２】
そして、空気電極層３の表面３ａに供給された空気は、当該多孔質の空気電極層３内を電解質膜１側に移動する。このため、上述した（２）式の電気化学反応によって生成水が生じるとともに、この生成水が空気電極層３の毛管現象によって表面３ａ側に移動することになる。
【００３３】
また、固体高分子型燃料電池を、その方向を特定せずに使用するような場合、例えば携帯電話やデジタルカメラなど、携帯用のものとして使用した場合でも、生成水を効率よく排出することができる。すなわち、固体高分子型燃料電池の使用環境によっては、空気電極層３の表面３ａが斜め上方を向いたり、水平方向の上方を向いたりすることがあり得るが、このような場合でも、生成水を間断なく排出して、安定した高出力の電力を維持することができる。
【００３４】
さらに、発泡空孔６１ａの平均孔径が０．１５〜３ｍｍであるので、空気が空気電極層３の表面に沿って流通可能になるとともに、当該空気を空気電極層３の表面３ａに効率よく供給することができる。また、発泡空孔６１ａによって適度の流体抵抗が生じることから、空気を所定の圧力で空気電極層３の表面３ａの全体に供給することができる。したがって、出力の向上を図ることができる。
【００３５】
なお、発泡金属体６１を製造するために用いた原料粉末は４５〜５５重量％、メチルセルロースは７．５〜１２．５重量％、アルキルベンゼンスルホン酸塩は１．５〜２．５重量％、ヘキサンは１〜２重量％とすることがより好ましい。また、原料粉末は、平均粒径が１０μｍとすることがより好ましい。
【００３６】
また、発泡空孔６１ａの平均孔径としては、０．５〜２．５ｍｍにすることが、空気の流通性を良くし、かつ空気電極層３の表面３ａに所定の圧力の空気を供給する上でより好ましい。そして、発泡金属体６１の気孔率は、６０〜９５容量％にすることが、より好ましい。
【００３７】
また、上記実施の形態においては、発泡金属体６１の製造に当たって、鉄基合金粉末であるステンレス鋼粉末を原料粉末として用いた例を示したが、この原料粉末としては、耐食性の良い金属およびその合金、例えばニッケル基耐食合金の粉末等を用いたものであってもよい。
【００３８】
一方、集電板６は、図４に示すように、水素電極層２と一方のセパレータ４との間に積層させるようにして設置してもよい。この場合には、水素とともに供給した水を吸水層６２を介して水素電極層２に供給し、当該多孔質の水素電極層２を適度に湿潤させることができるので、水素イオンを効率よく発生させることができる。したがって、固体高分子型燃料電池の出力の向上を図ることができる。
【００３９】
また、水素や空気を、それぞれセパレータ４、５の溝４ａ、５ａの一端部に供給して他端部から排出するように構成したが、当該水素や空気を、図５に示すように、集電板６における一方の端面に供給して、各電極層２、３の表面２ａ、３ａに沿って移動させ、当該一方の端面とは反対側に位置する他方の端面から排出するように構成してもよい。
【００４０】
この場合には、空気が集電板６内を空気電極層３の表面３ａに沿って一定の方向に流れるので、生成水を発泡空孔６１ａを介して効率よく排出することができる。また、この場合、セパレータ４、５における溝４ａ、５ａが不要になることから、当該溝４ａ、５ａを取り除くことができる利点もある。
【００４１】
上述した吸水層６２については、粉末を主原料とする粉末焼結層によって形成することが可能である。
すなわち、粒径が５μｍ以下および１５μｍ以上を除いた平均粒径が１０μｍのステンレス鋼（ＪＩＳ記号でＳＵＳ３１６Ｌ）粉末を２５〜３５重量％、水溶性樹脂バインダーとしてのメチルセルロースを１５〜２５重量％、残部を水および不可避不純物とするものを混練機で混合してなるスラリーを製作する。
【００４２】
このスラリーに発泡金属体６１を浸漬した後、遠心力によって余分なスラリーを発泡金属体６１から除去し、発泡金属体６１に付着したスラリーを例えば熱風乾燥機を用いて乾燥させる。
【００４３】
その後、真空中において、５５０〜６５０℃、２５〜３５分の条件の下で、バインダー成分を除去する脱脂を行い、さらに真空中で、１１００〜１２００℃、６０〜１２０分の条件の下で焼結することにより、発泡金属体６１における骨格６１ｂの全表面にステンレス鋼粉末を主原料とする粉末焼結金属からなる吸水層６２を固着させる。そして、後述する粒子間空孔の毛管作用を確実に発揮させる目的で、室温において、約３〜１０％塩酸水溶液中で７〜１３分間酸洗処理を行う。または、紫外線やプラズマを照射してもよい。これにより、発泡金属体６１に吸水層６２を備えた集電板６が完成する。
【００４４】
この粉末焼結層からなる吸水層６２には、粉末間に形成されて互いに連通するとともに、空気電極層３側および各発泡空孔６１ａの内方側等のあらゆる方向に開口し、空気電極層３側において発生した水を毛管現象で吸引する大きさの粒子間空孔が形成されている。そして、この粒子間空孔の平均孔径は、０．１〜４０μｍに形成されている。また、この粉末焼結層からなる吸水層６２の厚さは、１０〜５００μｍに形成されている。
【００４５】
なお、ＴｉＢ2 （平均粒径３．５μｍ）の粉末をメチルエチルケトンを溶媒としたポリビニルアルコール溶液に分散させた後、この溶液に発泡金属体６１を浸漬してから乾燥させ、その後、真空中において１２００〜１３５０℃、６０〜１２０分の条件で焼結し、骨格６１ｂの全表面にＴｉＢ2 粉末層からなる吸水層６２を固着させるようにしてもよい。
【００４６】
この粉末焼結層からなる吸水層６２を用いた場合には、生成水が粒子間空孔を介して毛管作用により吸引されることになる。しかも、粉末焼結層による吸水層６２はその表面が微細な凹凸を有するものとなり、発泡空孔６１ａ内を通る空気との接触面積が大きなものとなるので、生成水を空気中に効率よく蒸発させることができる。
なお、粒子間空孔の平均孔径としては、０．１〜２０μｍにすることが、毛管現象による生成水の吸引性を良くする上でより好ましい。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１または２に記載の発明によれば、電解質膜と酸化剤電極層との間に生じた生成水を吸水層に吸引することができる。そして、吸水層によって囲まれた発泡空孔内を酸化剤ガスが流通することになり、吸水層と酸化剤ガスとの接触面積が大きくなっているので、吸水層によって吸い上げられた生成水を効率よく酸化剤ガス中に蒸発させて、当該酸化剤ガスとともに集電板から運び出すことができる。このため、生成水が酸化剤電極層内や表面に滞留するのを防止することができる。したがって、各発泡空孔を介して供給された酸化剤ガスを酸化剤電極層から電解質膜側に間断なく供給することができるので、高出力で安定した電力を発生させることができる。
【００４８】
また、固体高分子型燃料電池の使用環境によっては、酸化剤電極層の表面が斜め上方を向いたり、水平方向の上方を向いたりすることがあり得るが、このような場合でも、生成水を間断なく排出して、安定した高出力の電力を維持することができる。
【００４９】
請求項２に記載の発明によれば、発泡空孔の平均孔径が０．１５〜３ｍｍであるので、酸化剤ガスが酸化剤電極層の表面に沿って流通可能になるとともに、当該酸化剤ガスを酸化剤電極層の表面に供給することができる。また、発泡空孔によって適度の流体抵抗が生じることから、酸化剤ガスを所定の圧力で酸化剤電極層の表面に全体的に満遍なく供給することができる。したがって、出力の向上を図ることができる。
【００５０】
さらに、請求項１または２に記載の発明によれば、吸水層が粉末焼結層によって形成されていることから、生成水が隣接する粉末間の隙間を介して毛管作用により吸引されることになる。しかも、粉末焼結層による吸水層はその表面が微細な凹凸を有するものとなり、発泡空孔内を通る酸化剤ガスとの接触面積が大きなものとなるので、生成水を酸化剤ガス中に効率よく蒸発させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施の形態としての集電板を備えた固体高分子型燃料電池の単位セルを示す断面図である。
【図２】同集電板の要部を示す説明図である。
【図３】同集電板の成形装置を示す説明図である。
【図４】同集電板を用いた他の固体高分子型燃料電池の単位セルを示す断面図である。
【図５】同集電板を用いたさらに他の固体高分子型燃料電池の単位セルを示す断面図である。
【図６】従来の固体高分子型燃料電池の単位セルを示す断面図である。
【図７】同固体高分子型燃料電池の原理を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 電解質膜
２ 水素電極層（燃料電極層）
２ａ 表面
３ 空気電極層（酸化剤電極層）
３ａ 表面
６ 集電板
６１ 発泡金属体
６１ａ 発泡空孔
６１ｂ 骨格
６２ 吸水層
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質膜の両側に積層された燃料電極層と酸化剤電極層のうち、少なくとも酸化剤電極層に積層される固体高分子型燃料電池の集電板に関するものであって、特に携帯電話やデジタルカメラなどの携帯機器用の電池に適した集電板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の固体高分子型燃料電池としては、例えば図６に示すように、固体高分子の電解質膜１の両側に水素電極層（燃料電極層）２および空気電極層（酸化剤電極層）３が積層され、これらの水素電極層２および空気電極層３のそれぞれの外面に沿って設置されたセパレータ４、５を備えたものを単位セルとし、この単位セルを複数積層させたスタック構造のものが知られている。
【０００３】
電解質膜１は、例えば０．１ｍｍ程度の厚さのもので構成されている。
水素電極層２および空気電極層３は、図７に示すように、触媒としてＰｔ担持カーボンブラックＡを有する多孔質のカーボンペーパによって形成されている。
【０００４】
一方のセパレータ４には、図６に示すように、燃料ガス（水素を有する）を水素電極層２の表面全体に供給するための溝４ａが形成されており、他方のセパレータ５には、酸化剤ガス（酸素を有する）を空気電極層３の表面全体に供給するための溝５ａが形成されている。燃料ガスとしては、例えばほぼ１００％の水素が用いられ、酸化剤ガスとしては、例えば空気が用いられる。
上記のように構成された固体高分子型燃料電池においては、図７に示すような化学反応により電気を作ることができる。燃料となる水素（Ｈ2 ）は、水素電極層２側の触媒Ａの作用で水素イオン（Ｈ+ ）と電子（ｅ- ）に分かれる。すなわち、
Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- …（１）
となる。
【０００５】
水素イオンは、電解質膜１中を空気電極層３側に移動し、触媒Ａの作用によって、外部電気回路から供給される電子とともに、空気電極層３に供給される酸素の還元に使われる。すなわち、
１／２Ｏ2 ＋２Ｈ+ ＋２ｅ- →Ｈ2 Ｏ …（２）
の電気化学反応が生じ、水が生成される（以下、この水を生成水という）。そして、水素電極層２側の電子が例えば外部の負荷を通って空気電極層３側に流れることから、これを電気エネルギとして使うことができる。
上記電気化学反応は、主に電解質膜１と空気電極層３との境界部で発生することになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記固体高分子型燃料電池においては、連続して運転を行うと、上述した生成水が空気電極３の表面に液膜となって覆うことになり、酸素が電解質膜１に供給されにくくなる。このため、起電力が急激に低下するという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、生成水を酸化剤電極層から効率よく取り除くことによって、高出力で安定した電力を発生させることのできる固体高分子型燃料電池の集電板を提供することを課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の固体高分子型燃料電池の集電板は、電解質膜の一方の面に積層され、水素を有する燃料ガスが上記電解質膜とは反対側の表面に供給される燃料電極層と、上記電解質膜の他方の面に積層され、酸素を有する酸化剤ガスが上記電解質膜とは反対側の表面に供給される酸化剤電極層とのうち、少なくとも上記酸化剤電極層の上記表面に積層される固体高分子型燃料電池の集電板であって、上記酸化剤電極層側に開口するとともに、上記酸化剤ガスが少なくとも上記酸化剤電極層の表面に沿って流通する方向に互いに連通し、かつ上記酸化剤ガスが通過可能な大きさの複数の発泡空孔を有する発泡金属体と、この発泡金属体の上記各発泡空孔を画成する骨格の表面に設けられ、粉末を主原料とする粉末焼結層によって形成されるとともに、上記酸化剤電極層側で発生した水を上記粉末間に形成されて互いに連通し、かつあらゆる方向に開口する粒子間空孔の毛管作用により吸引する吸水層とを備えてなることを特徴としている。
【０００９】
なお、上記発泡金属体は、原粉粉末と、水溶性樹脂バインダーと、非水溶性炭化水素系有機溶剤である発泡剤と、必要に応じて添加される界面活性剤と、残部の水および不可避不純物とを混合してなる発泡スラリーを原料として、焼成された発泡焼結金属によって構成された発泡金属体であってもよいし、あるいは、発泡ウレタンに導電性処理を行ってからメッキをし、必要に応じて熱処理を行うメッキプロセスで製造したものによって構成された発泡金属体であってもよい。
【００１０】
請求項２に記載の固体高分子型燃料電池の集電板は、請求項１に記載の発明において、上記発泡空孔の平均孔径が０．１５〜３ｍｍであることを特徴としている。
【００１２】
請求項１または２に記載の発明においては、電解質膜と酸化剤電極層との間に生じ、酸化剤電極層の表面に流出した生成水が吸水層に吸引されて、各発泡空孔を画成する骨格の表面に沿って移動する。すなわち、生成水が吸水層に吸引されて集電板の内方に移動する。また、吸水層によって若干狭められた発泡空孔内を酸化剤ガスが流通することになる。この場合、吸水層と酸化剤ガスとの接触面積が大きいため、吸水層によって吸い上げられた生成水は効率よく酸化剤ガス中に蒸発して、当該酸化剤ガスとともに集電板から運び出されることになる。このため、生成水が酸化剤電極層内や表面に滞留するのを防止することができる。したがって、各発泡空孔を介して供給された酸化剤ガスを酸化剤電極層から電解質膜側に間断なく供給することができるので、高出力で安定した電力を発生させることができる。
【００１３】
また、固体高分子型燃料電池を、その方向を特定せずに使用するような場合、例えば携帯電話やデジタルカメラなど、携帯用のものとして使用した場合でも、生成水を効率よく排出することができる。すなわち、固体高分子型燃料電池の使用環境によっては、酸化剤電極層の表面が斜め上方を向いたり、水平方向の上方を向いたりすることがあり得るが、このような場合でも、生成水を間断なく排出して、安定した高出力の電力を維持することができる。
【００１４】
請求項２に記載の発明においては、発泡空孔の平均孔径が０．１５〜３ｍｍであるので、酸化剤ガスが酸化剤電極層の表面に沿って流通可能になるとともに、当該酸化剤ガスを酸化剤電極層の表面に供給することができる。また、発泡空孔によって適度の流体抵抗が生じることから、酸化剤ガスを所定の圧力で酸化剤電極層の表面に全体的に満遍なく供給することができる。したがって、出力の向上を図ることができる。ただし、酸化剤ガスの流路は、上記平均孔径より吸水層の厚さ分だけ若干狭まることになる。
なお、発泡空孔の平均孔径を０．１５〜３ｍｍとしたのは、０．１５ｍｍ未満であると、生成水により発泡空孔が部分的に覆われ、酸化剤ガスが酸化剤電極層の表面に有効に供給できなくなるおそれがあるからであり、３ｍｍを超えると、圧力損失が小さくなり、酸化剤ガスが酸化剤電極層の表面に均一に供給できなくなるからである。
【００１５】
なお、発泡空孔の平均孔径としては、０．５〜２．５ｍｍにすることが、酸化剤ガスの流通性を良くし、かつ酸化剤電極層の表面に所定の圧力の酸化剤ガスを供給する上でより好ましい。
【００１６】
さらに、請求項１または２に記載の発明においては、吸水層が粉末焼結層によって形成されていることから、生成水が隣接する粉末間の隙間を介して毛管作用により吸引されることになる。しかも、粉末焼結層による吸水層はその表面が微細な凹凸を有するものとなり、発泡空孔内を通る酸化剤ガスとの接触面積が大きなものとなるので、生成水を酸化剤ガス中に効率よく蒸発させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。ただし、従来例で示した構成要素と共通する要素には同一の符号を付しその説明を簡略化する。
【００１８】
この実施の形態で示す集電板６は、図１に示すように、固体高分子型燃料電池における他方のセパレータ５と空気電極層（酸化剤電極層）３との間に設置されるようになっている。
【００１９】
すなわち、固体高分子型燃料電池は、電解質膜１の一方の面に積層され、水素を有する燃料ガス（この実施の形態の場合はほぼ１００％の水素）が電解質膜１とは反対側の表面２ａに供給される水素電極層（燃料電極層）２と、電解質膜１の他方の面に積層され、酸素を有する酸化剤ガス（この実施の形態の場合は空気）が上記電解質膜１とは反対側の表面３ａに供給される空気電極層（酸化剤電極層）３とを備えている。
【００２０】
水素電極層２側には、当該水素電極層２の表面２ａに積層するように一方のセパレータ４が設置されている。
また、空気電極層３側には、当該空気電極層３の表面３ａに集電板６が積層されているとともに、この集電板６にさらに積層するようにして他方のセパレータ５が設置されている。
【００２１】
集電板６は、図１および図２に示すように、空気電極層３側に開口するとともに、酸化剤ガスとしての空気が空気電極層３の表面３ａに沿って流通する方向に互いに連通し、かつ空気が通過可能な大きさの複数の発泡空孔６１ａを有する発泡金属体６１と、この発泡金属体６１の各発泡空孔６１ａを画成する骨格６１ｂの全表面に設けられ、空気電極層３側で発生した生成水を毛管作用により吸引する吸水層６２とを備えている。すなわち、吸水層６２は、発泡金属体６１の全表面に設けられている。ただし、吸水層６２は、発泡金属体６１における各発泡空孔６１ａを画成する骨格６１ｂの内壁に設けられているだけでもよい。すなわち、吸水層６２は、骨格６１ｂにおける各発泡空孔６１ａに沿う面に少なくとも設けられていればよい。
【００２２】
また、発泡金属体６１は、四角形の薄板状に形成されている。なお、この実施の形態で示す発泡空孔６１ａは、上述した表面３ａに沿って流通する方向のみに連通しているのではなく、四方八方に３次元の網目状に連通しているとともに、上述した空気電極層３側の表面、他方のセパレータ５側の表面、周縁部の各端面にも開口している。
【００２３】
上記発泡空孔６１ａの平均孔径は、０．１５〜３ｍｍであり、発泡金属体６１全体の気孔率は、４０〜９９容量％になっている。気孔率は、発泡空孔６１ａの合計容積を発泡金属体６１の全容積で割ったものに１００を掛けてパーセントで表示したものである。
【００２４】
そして、発泡金属体６１は、鉄基合金粉末であるステンレス鋼（本実施の形態ではＪＩＳ記号でＳＵＳ３１６Ｌを使用）粉末を原料粉末とし、この原料粉末を４０〜６０重量％、水溶性樹脂バインダーとしてのメチルセルロースを５〜１５重量％、界面活性剤としてのアルキルベンゼンスルホン酸塩を１〜３重量％、発泡剤としてのヘキサンを０．５〜３重量％、残部を水および不可避不純物とするものを混練機で混合してなる発泡性スラリーを原料として成形されたものである。上記原料粉末は、平均粒径が１０μｍのものである。
【００２５】
なお、図１等においては、電解質膜１等を水平方向に向けた状態のものを示しているが、通常は電解質膜１等を垂直方向に立てた状態にして使用することになる。
【００２６】
また、上記発泡金属体６１は、図３に示すドクターブレード法を用いた成形装置によって成形されるようになっている。この成形装置は、キャリヤーシート７、ドクターブレード８、発泡性スラリーを投入するホッパ９、恒温・高湿度槽１０、乾燥槽１１、巻き出しリール１２、巻取リール１３、支持ロール１４、１５を備えたもので構成されている。
【００２７】
次に、上記成形装置を用いて集電板６を製造する方法を説明する。まず、上述した発泡性スラリーをホッパ９に投入する。そして、この発泡性スラリーをキャリヤーシート７上にドクターブレード８により薄板状に成形し、恒温・高湿度槽１０において、湿度が７５〜９５％、温度が３０〜４０℃、滞留時間が１０〜２０分の条件の下でスポンジ状に発泡させる。さらに、乾燥槽１１において、温度が５０〜７０℃、滞留時間が５０〜７０分の条件の下で乾燥させてスポンジ状グリーン板（発泡性成形体）１６を製造する。
【００２８】
このスポンジ状グリーン板１６を、真空中において、５５０〜６５０℃、２５〜３５分の条件の下で、バインダー成分を除去する脱脂を行い、さらに真空中で、１２００〜１３００℃、６０〜１２０分の条件の下で焼結することにより、厚さが０．５ｍｍで、連続した発泡空孔６１ａを有し、気孔率が４０〜９９容量％で、発泡空孔６１ａの平均孔径が０．１５〜３ｍｍのスポンジ状焼成金属板（発泡体）を製造する。
【００２９】
このスポンジ状焼成金属板を所定の大きさに切断することにより、発泡金属体６１が製造される。切断は、放電加工やレーザー加工を用いることができる。厚さは圧延により調整してもよい。
【００３０】
上記のように構成された固体高分子型燃料電池においては、一方のセパレータ４における溝４ａの一端部に供給された水素が当該溝４ａ内を流れるとともに、当該溝４ａの他端部から流出する。これによって、水素電極層２の表面２ａの全体に水素が供給されることになることから、水素イオンが水素電極層２から電解質膜１を通って空気電極層３側に効率よく移動する。
【００３１】
一方、他方のセパレータ５における溝５ａの一端部に供給された空気は、当該溝５ａ内を通って溝５ａの他端部に流れ、当該他端部から排出される。これによって、空気が集電板６の表面の全体にわたって供給されるとともに、集電板６の連続する発泡空孔６１ａを通って、空気電極層３の表面３ａの全体に供給されることになる。また、集電板６内に供給された空気は、空気電極層３の表面３ａに沿って流通した後、上記溝５ａの他端部から流出することになる。
【００３２】
そして、空気電極層３の表面３ａに供給された空気は、当該多孔質の空気電極層３内を電解質膜１側に移動する。このため、上述した（２）式の電気化学反応によって生成水が生じるとともに、この生成水が空気電極層３の毛管現象によって表面３ａ側に移動することになる。
【００３３】
また、固体高分子型燃料電池を、その方向を特定せずに使用するような場合、例えば携帯電話やデジタルカメラなど、携帯用のものとして使用した場合でも、生成水を効率よく排出することができる。すなわち、固体高分子型燃料電池の使用環境によっては、空気電極層３の表面３ａが斜め上方を向いたり、水平方向の上方を向いたりすることがあり得るが、このような場合でも、生成水を間断なく排出して、安定した高出力の電力を維持することができる。
【００３４】
さらに、発泡空孔６１ａの平均孔径が０．１５〜３ｍｍであるので、空気が空気電極層３の表面に沿って流通可能になるとともに、当該空気を空気電極層３の表面３ａに効率よく供給することができる。また、発泡空孔６１ａによって適度の流体抵抗が生じることから、空気を所定の圧力で空気電極層３の表面３ａの全体に供給することができる。したがって、出力の向上を図ることができる。
【００３５】
なお、発泡金属体６１を製造するために用いた原料粉末は４５〜５５重量％、メチルセルロースは７．５〜１２．５重量％、アルキルベンゼンスルホン酸塩は１．５〜２．５重量％、ヘキサンは１〜２重量％とすることがより好ましい。また、原料粉末は、平均粒径が１０μｍとすることがより好ましい。
【００３６】
また、発泡空孔６１ａの平均孔径としては、０．５〜２．５ｍｍにすることが、空気の流通性を良くし、かつ空気電極層３の表面３ａに所定の圧力の空気を供給する上でより好ましい。そして、発泡金属体６１の気孔率は、６０〜９５容量％にすることが、より好ましい。
【００３７】
また、上記実施の形態においては、発泡金属体６１の製造に当たって、鉄基合金粉末であるステンレス鋼粉末を原料粉末として用いた例を示したが、この原料粉末としては、耐食性の良い金属およびその合金、例えばニッケル基耐食合金の粉末等を用いたものであってもよい。
【００３８】
一方、集電板６は、図４に示すように、水素電極層２と一方のセパレータ４との間に積層させるようにして設置してもよい。この場合には、水素とともに供給した水を吸水層６２を介して水素電極層２に供給し、当該多孔質の水素電極層２を適度に湿潤させることができるので、水素イオンを効率よく発生させることができる。したがって、固体高分子型燃料電池の出力の向上を図ることができる。
【００３９】
また、水素や空気を、それぞれセパレータ４、５の溝４ａ、５ａの一端部に供給して他端部から排出するように構成したが、当該水素や空気を、図５に示すように、集電板６における一方の端面に供給して、各電極層２、３の表面２ａ、３ａに沿って移動させ、当該一方の端面とは反対側に位置する他方の端面から排出するように構成してもよい。
【００４０】
この場合には、空気が集電板６内を空気電極層３の表面３ａに沿って一定の方向に流れるので、生成水を発泡空孔６１ａを介して効率よく排出することができる。また、この場合、セパレータ４、５における溝４ａ、５ａが不要になることから、当該溝４ａ、５ａを取り除くことができる利点もある。
【００４１】
上述した吸水層６２については、粉末を主原料とする粉末焼結層によって形成することが可能である。
すなわち、粒径が５μｍ以下および１５μｍ以上を除いた平均粒径が１０μｍのステンレス鋼（ＪＩＳ記号でＳＵＳ３１６Ｌ）粉末を２５〜３５重量％、水溶性樹脂バインダーとしてのメチルセルロースを１５〜２５重量％、残部を水および不可避不純物とするものを混練機で混合してなるスラリーを製作する。
【００４２】
このスラリーに発泡金属体６１を浸漬した後、遠心力によって余分なスラリーを発泡金属体６１から除去し、発泡金属体６１に付着したスラリーを例えば熱風乾燥機を用いて乾燥させる。
【００４３】
その後、真空中において、５５０〜６５０℃、２５〜３５分の条件の下で、バインダー成分を除去する脱脂を行い、さらに真空中で、１１００〜１２００℃、６０〜１２０分の条件の下で焼結することにより、発泡金属体６１における骨格６１ｂの全表面にステンレス鋼粉末を主原料とする粉末焼結金属からなる吸水層６２を固着させる。そして、後述する粒子間空孔の毛管作用を確実に発揮させる目的で、室温において、約３〜１０％塩酸水溶液中で７〜１３分間酸洗処理を行う。または、紫外線やプラズマを照射してもよい。これにより、発泡金属体６１に吸水層６２を備えた集電板６が完成する。
【００４４】
この粉末焼結層からなる吸水層６２には、粉末間に形成されて互いに連通するとともに、空気電極層３側および各発泡空孔６１ａの内方側等のあらゆる方向に開口し、空気電極層３側において発生した水を毛管現象で吸引する大きさの粒子間空孔が形成されている。そして、この粒子間空孔の平均孔径は、０．１〜４０μｍに形成されている。また、この粉末焼結層からなる吸水層６２の厚さは、１０〜５００μｍに形成されている。
【００４５】
なお、ＴｉＢ2 （平均粒径３．５μｍ）の粉末をメチルエチルケトンを溶媒としたポリビニルアルコール溶液に分散させた後、この溶液に発泡金属体６１を浸漬してから乾燥させ、その後、真空中において１２００〜１３５０℃、６０〜１２０分の条件で焼結し、骨格６１ｂの全表面にＴｉＢ2 粉末層からなる吸水層６２を固着させるようにしてもよい。
【００４６】
この粉末焼結層からなる吸水層６２を用いた場合には、生成水が粒子間空孔を介して毛管作用により吸引されることになる。しかも、粉末焼結層による吸水層６２はその表面が微細な凹凸を有するものとなり、発泡空孔６１ａ内を通る空気との接触面積が大きなものとなるので、生成水を空気中に効率よく蒸発させることができる。
なお、粒子間空孔の平均孔径としては、０．１〜２０μｍにすることが、毛管現象による生成水の吸引性を良くする上でより好ましい。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１または２に記載の発明によれば、電解質膜と酸化剤電極層との間に生じた生成水を吸水層に吸引することができる。そして、吸水層によって囲まれた発泡空孔内を酸化剤ガスが流通することになり、吸水層と酸化剤ガスとの接触面積が大きくなっているので、吸水層によって吸い上げられた生成水を効率よく酸化剤ガス中に蒸発させて、当該酸化剤ガスとともに集電板から運び出すことができる。このため、生成水が酸化剤電極層内や表面に滞留するのを防止することができる。したがって、各発泡空孔を介して供給された酸化剤ガスを酸化剤電極層から電解質膜側に間断なく供給することができるので、高出力で安定した電力を発生させることができる。
【００４８】
また、固体高分子型燃料電池の使用環境によっては、酸化剤電極層の表面が斜め上方を向いたり、水平方向の上方を向いたりすることがあり得るが、このような場合でも、生成水を間断なく排出して、安定した高出力の電力を維持することができる。
【００４９】
請求項２に記載の発明によれば、発泡空孔の平均孔径が０．１５〜３ｍｍであるので、酸化剤ガスが酸化剤電極層の表面に沿って流通可能になるとともに、当該酸化剤ガスを酸化剤電極層の表面に供給することができる。また、発泡空孔によって適度の流体抵抗が生じることから、酸化剤ガスを所定の圧力で酸化剤電極層の表面に全体的に満遍なく供給することができる。したがって、出力の向上を図ることができる。
【００５０】
さらに、請求項１または２に記載の発明によれば、吸水層が粉末焼結層によって形成されていることから、生成水が隣接する粉末間の隙間を介して毛管作用により吸引されることになる。しかも、粉末焼結層による吸水層はその表面が微細な凹凸を有するものとなり、発泡空孔内を通る酸化剤ガスとの接触面積が大きなものとなるので、生成水を酸化剤ガス中に効率よく蒸発させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施の形態としての集電板を備えた固体高分子型燃料電池の単位セルを示す断面図である。
【図２】同集電板の要部を示す説明図である。
【図３】同集電板の成形装置を示す説明図である。
【図４】同集電板を用いた他の固体高分子型燃料電池の単位セルを示す断面図である。
【図５】同集電板を用いたさらに他の固体高分子型燃料電池の単位セルを示す断面図である。
【図６】従来の固体高分子型燃料電池の単位セルを示す断面図である。
【図７】同固体高分子型燃料電池の原理を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 電解質膜
２ 水素電極層（燃料電極層）
２ａ 表面
３ 空気電極層（酸化剤電極層）
３ａ 表面
６ 集電板
６１ 発泡金属体
６１ａ 発泡空孔
６１ｂ 骨格
６２ 吸水層
Claims (2)
- 電解質膜の一方の面に積層され、水素を有する燃料ガスが上記電解質膜とは反対側の表面に供給される燃料電極層と、上記電解質膜の他方の面に積層され、酸素を有する酸化剤ガスが上記電解質膜とは反対側の表面に供給される酸化剤電極層とのうち、少なくとも上記酸化剤電極層の上記表面に積層される固体高分子型燃料電池の集電板であって、
上記酸化剤電極層側に開口するとともに、上記酸化剤ガスが少なくとも上記酸化剤電極層の表面に沿って流通する方向に互いに連通し、かつ上記酸化剤ガスが通過可能な大きさの複数の発泡空孔を有する発泡金属体と、
この発泡金属体の上記各発泡空孔を画成する骨格の表面に設けられ、粉末を主原料とする粉末焼結層によって形成されるとともに、上記酸化剤電極層側で発生した水を上記粉末間に形成されて互いに連通し、かつあらゆる方向に開口する粒子間空孔の毛管作用により吸引する吸水層とを備えてなることを特徴とする固体高分子型燃料電池の集電板。 - 上記発泡空孔の平均孔径が０．１５〜３ｍｍであ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集電板。
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