JP4300855B2 - 燃料電池用の多空隙質体および燃料電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、板面に沿う方向に流体を流すことにより流体中に含まれる異物を効率よく捕捉するフィルタや、毛管作用により吸着した液体を効率よく気化させる媒体および燃料電池のガス拡散層等に利用可能な多空隙質体および燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数の空隙を有する多空隙質体としては、焼結金属、発泡金属、発泡セラミックス等を用いて板状に形成したものが知られているが、板面に沿う方向に空隙率を異ならせるように構成したものがなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のように空隙率の異なる多空隙質体があれば、例えば板面に沿う方向に流体を流して流体中の異物を捕捉する場合に、当該異物を効率よく捕捉することができる。
また、空隙率の異なる多空隙質体を、例えば水を吸引してガス中に気化させる媒体として利用した場合には、面内の空隙率が異なることから気化量に分布をもたせることができる。
【０００４】
さらに、空隙率の異なる多空隙質体を、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）のアノード側やカソード側のガス拡散層として利用した場合には、発電効率の向上を図ることができる。
すなわち、固体高分子型燃料電池としては、電解質膜の両側に触媒層を設け、これらの外側に多空隙質体のガス拡散層を設けたものが知られており、アノード側のガス拡散層を介して電解質膜に供給される燃料ガス（例えば水素）に水蒸気を含有させることによって、電解質膜を湿潤させ、これによって電解質膜の電気抵抗の低減を図ることができる。この場合、電解質膜における乾燥しやすい部分には、ガス拡散層における水分の供給量の大きな空隙率を有する部分を対応させ、乾燥しにくい部分には、ガス拡散層における水分の供給量の少ない空隙率を有する部分を対応させることによって、電解質膜を一様に湿潤させて、当該電解質膜の電気抵抗を一様に低減することができ、発電効率の向上を図ることができるという有利な効果を生じることになる。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、面内に異なる空隙率を有する多空隙質体を提供することを課題としている。
【０００６】
【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に記載の燃料電池用の多空隙質体は、電解質膜の両側にそれぞれ配設され、各々複数の空隙を有して板状に形成されるとともに、燃料ガスまたは酸化剤ガスを上記電解質膜方向に向けて供給可能な燃料電池用の多空隙質体であって、骨格を構成する原料粉末を少なくともバインダおよび発泡剤と混合して得られた発泡スラリーを、厚さを変えて板状に成形してから発泡させることによってグリーン板を成形し、このグリーン板を焼成前または焼成後に均一の厚さに圧縮または圧延成形することにより板面に沿う方向に異なる空隙率に形成されてなり、上記電解質膜の乾燥しやすい部分に対応して上記空隙率が大きく、かつ上記電解質膜の乾燥しにくい部分に対応して上記空隙率が小さくなるように配設されることを特徴としている。
なお、空隙率とは、多空隙質体の全容積に対する、その中に含まれる空隙の容積の割合をいう。
【０００７】
請求項２に記載の燃料電池用の多空隙質体は、請求項１に記載の発明において、電解質膜の両側にそれぞれ重ねられた触媒層と、セパレータとに挟持されるとともに、上記セパレータ側に上記空隙が環状口をもって開口していることを特徴としている。
【０００８】
請求項３に記載の燃料電池は、電解質膜の両側に、それぞれ触媒層と、請求項１または２に記載の燃料電池用の多空隙質体と、セパレータとが順次積層された燃料電池であって、上記セパレータは、一方が酸化剤電極であって、他方が燃料電極であり、上記酸化剤電極が重ねられた上記多空隙質体は、燃料ガスの流入口側の上記空隙率が大きく、上記燃料ガスの流出口側の上記空隙率が小さくなるように配設されるとともに、上記燃料電極が重ねられた上記多空隙質体は、酸化剤ガスの流入口側の上記空隙率が大きく、上記酸化剤ガスの流出口側の上記空隙率が小さいなるように配設されていることを特徴としている。
【０００９】
請求項４に記載の燃料電池は、請求項３に記載の発明において、上記セパレータの上記多空隙質体側の表面には、上記流入口に連通する溝が形成されていることを特徴としている。
【００１５】
請求項１〜４に記載の発明においては、多空隙質体を、厚さを変えて板状に成形した発泡スラリーを発泡させた後に、得られたグリーン板を焼成前または焼成後に均一の厚さに圧縮または圧延成形することにより板面に沿う方向に異なる空隙率に形成しているため、固体高分子型燃料電池のアノード側やカソード側のガス拡散層として利用して、上述した電解質膜における乾燥しやすい部分には、例えばガス拡散層における水分の供給量の大きな空隙率を有する部分を対応させ、電解質膜における乾燥しにくい部分には、例えばガス拡散層における水分の供給量の少ない空隙率を有する部分を対応させることによって、電解質膜を一様に湿潤させて、当該電解質膜の電気抵抗を一様に低減することができ、発電効率の向上を図ることができる。
【００１６】
この多空隙質体は、発泡性スラリーを厚さを変えて板状に成形してから、この発泡性スラリーの板状体を発泡させることによってグリーン板を成形し、このグリーン板を、焼成前または焼成後に所定の厚さに圧縮または圧延成形することによって、板面に沿う方向において空隙率の異なるものを容易に製造することができる。すなわち、請求項１〜２に記載の多空隙質体を製造することができる。この場合、空隙は、三次元方向に連続的につながる三次元網目構造となる。
【００１７】
また、発泡性スラリーを漸次厚さを変えて板状に成形してからこの発泡性スラリーの板状体を発泡させることによってグリーン板を成形し、このグリーン板を、焼成前または焼成後に所定の厚さに圧縮または圧延成形することによって、板面に沿って漸次空隙率が異なるものを容易に製造することができる。この場合も、空隙が三次元網目構造となる。
【００１８】
さらに、発泡性スラリーを段階的に厚さを変えて板状に成形してからこの発泡性スラリーの板状体を発泡させることによってグリーン板を成形し、このグリーン板を、焼成前または焼成後に所定の厚さに圧縮または圧延成形することによって、板面に沿う位置に応じて段階的に空隙率が異なるものを容易に製造することができる。この場合も、空隙が三次元網目構造となる。
【００１９】
その際、界面活性剤を加えて発泡性スラリーを形成することにより、発泡による空孔の拡大、発泡状態の維持時間の延長等を図ることができる。また、界面活性剤の量によって、空孔の大きさを調整することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の多空隙質体の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００２１】
（第１の実施の形態）
まず、本発明の多空隙質体の第１の実施の形態を図１〜図５を参照して説明する。この実施の形態では、多空隙質体を、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）のガス拡散層６として採用した例を示している。
【００２２】
固体高分子型燃料電池は、図２および図３に示すように、固体高分子の電解質膜１の両側に触媒層２、３、ガス拡散層６、６およびセパレータ４、５がそれぞれ順次積層されたものを単位セルとし、この単位セルを複数重ねたもので構成されている。
【００２３】
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。
触媒層２、３は、図３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。
【００２４】
セパレータ４、５は、上記各単位セルを区分する隔壁としての機能を有するとともに、電極としての機能を有するようになっている。この例では、一方のセパレータ４がアノード（燃料電極）として利用され、他方のセパレータ５がカソード（酸化剤電極）として利用されるようになっている。
【００２５】
一方のガス拡散層６は、一方のセパレータ４と触媒層２とによって挟持されており、流入口４１を介して供給された燃料ガスを触媒層２の全体に供給するとともに、残った燃料ガスを流出口４２側に排出するようになっている。
他方のガス拡散層６は、他方のセパレータ５と触媒層３とによって挟持されており、流入口５１を介して供給された酸化剤ガスを触媒層３の全体に供給するとともに、残った酸化剤ガスおよび後述する電気化学反応によって生じた水分を流出口５２側に排出するようになっている。
そして、燃料ガスとしては、例えばほぼ１００％の水素や、天然ガスやメタノールなどの燃料を改質して水素が豊富となったガス等が用いられ、酸化剤ガスとしては、一般に空気が用いられる。なお、この実施の形態では、燃料ガスとして水素を用い、酸化剤ガスとして空気を用いた例を示す。
【００２６】
上記固体高分子型燃料電池においては、図３に示すような化学反応により電気エネルギが発生する。この場合、燃料となる水素（Ｈ2 ）が触媒層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。
【００２７】
水素イオンは、電解質膜１中を触媒層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、触媒層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。そして、触媒層２側の電子が一方のガス拡散層６およびセパレータ４を介して例えば外部の負荷に流れ、さらに、他方のセパレータ５およびガス拡散層６を介して触媒層３側に流れることから、これを電気エネルギとして利用することができる。
上記電気化学反応は、主に電解質膜１と触媒層３との境界部で発生することになる。
【００２８】
また、上記固体高分子型燃料電池においては、電解質膜１を湿潤させることがイオン導電性を向上させて電気抵抗を下げる上で必要である。このため、流入口４１からは、水素とともに水蒸気を供給するようになっている。
【００２９】
次ぎに、上記ガス拡散層６についてさらに詳細に説明する。
このガス拡散層６は、図１に示すように、四角形の平板状に形成され、その板面に沿う方向において空隙率を異ならせた多空隙質体によって形成されている。そして、この実施の形態において、ガス拡散層６は、平行に対向する一方の辺６Ａから他方の辺６Ｂに向けて空隙率が例えば９０％から８０％まで漸次低下するように形成されているとともに、一方の辺６Ａが上記流入口４１、５１側に配置され、他方の辺６Ｂが流出口４２、５２側に配置されている。すなわち、ガス拡散層６は、前述の図２および図３、後述の図６において、流入口４１、５１側に空隙率の大の部分が配置され、流出口４２、５２側に空隙率の小の部分が配置されている。
【００３０】
また、ガス拡散層６は、図４に示すように、耐食性金属としてのステンレス鋼（例えば、SUS316L）の粉体を用いて発泡焼結させたものであり、互いに連通する複数の空隙６ａを有する三次元網目構造に形成されている。すなわち、空隙６ａが三次元網目状に連続的につながっている。
【００３１】
さらに、ガス拡散層６は、各空隙６ａがセパレータ４、５のそれぞれの表面４ａ、５ａ側に環状口６ｂをもって開口し、かつ各環状口６ｂの間が表面４ａ、５ａに沿うべく面一状の平面状に形成された面状部６ｃになっている。すなわち、ガス拡散層６は、面状部６ｃを介してセパレータ４、５の各表面４ａ、５ａに当接するようになっている。
上記各環状口６ｂは、ほぼ円形状に形成され、大きさもほぼ一定のものとなっている。ただし、この環状口６ｂは、楕円形状、多角形状等の閉ループを描くように形成された各種の形状のものであってもよく、また大きさの異なるものであってもよい。
【００３２】
また、ガス拡散層６の各触媒層２、３側の面は、複数の空隙６ａが単に開口し、各空隙６ａを構成する骨格柱の端面が面一状に配置された形状になっており、各骨格柱の端面が凸部となって比較的柔軟な触媒層２、３に食い込み、これによって、触媒層２、３との導電性の向上が図られている。
ただし、ガス拡散層６は、その両側の面に、上記環状口６ｂおよび面状部６ｃを備えたもので構成してもよい。
また、ガス拡散層６は、平均孔径が２０〜６００μｍ、厚さが２５〜１０００μｍに形成されている。
【００３３】
そして、ガス拡散層６は、上述したステンレス鋼の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５〜１４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６０（図５参照）を原料として成形されたものである。上記原料粉末は、平均粒径が例えば約１０μｍのものである。
【００３４】
なお、この実施の形態では、各ガス拡散層６を各セパレータ４、５の表面４ａ、５ａに当接させるように構成したが、このガス拡散層６をろう付けや拡散接合等により各セパレータ４、５の表面４ａ、５ａに接合するようにしてもよい。
【００３５】
次ぎに、上記ガス拡散層６の製造方法について説明する。
まず、図５に示すように、上述した組成の発泡性スラリー６０をドクターブレード法を用いた成形装置Ｘによって、後述するキャリヤシート７上に塗工し、発泡、乾燥させる。
【００３６】
上記成形装置Ｘは、図５に示すように、キャリヤーシート７、ドクターブレード８、ホッパ９、恒温・高湿度槽１０、乾燥槽１１、キャリヤシート７の巻き出しリール１２、同キャリヤシート７の支持ロール１４、１５、１６を備えた構成になっている。ドクターブレード８の下縁部は、キャリヤシート７の移動方向に対してほぼ直交する方向に延在するとともに、支持ロール１６上のキャリヤシート７の上面と平行になるように直線状に形成されている。
【００３７】
上記発泡性スラリー６０の塗工に際しては、ホッパ９に投入された発泡性スラリー６０を、巻き出しリール１２から連続的に繰り出されるキャリヤシート７の上面に連続的に供給する。この際、発泡性スラリー６０はドクターブレード８によって薄く延ばされてキャリヤシート７上に塗工される。
【００３８】
そして、ドクターブレード８を徐々に上げることにより、キャリヤシート７上に塗工される発泡性スラリー６０の厚さをキャリヤシート７の移動方向に変化させる。（なお、ドクターブレード８を徐々に下げることにより発泡性スラリー６０の厚さを変化させるようにしてもよい。）
具体的には、キャリヤシート７の移動速度を１００ｍｍ／ｍｉｎに一定に維持しておき、キャリヤシート７とドクターブレード８との隙間を３００μｍから１分ごとに１０μｍずつ上げていくことにより、３０分後には上記隙間が６００μｍとなるようにする。これにより、キャリヤシート７とドクターブレード８とのの隙間に対応した厚さの発泡性スラリー６０がキャリヤシート７上に塗工されることになる。
【００３９】
そして、発泡性スラリー６０が塗工されたキャリヤシート７を、恒温・高湿度槽１０内および乾燥槽１１を順次連続して通過させる。恒温・高湿度槽１０では、例えば、湿度が７５〜９５％、温度が３０〜７０℃、滞留時間が１０〜３０分の条件の下で上記発泡性スラリー６０をスポンジ状に発泡させる。乾燥槽１１では、例えば、温度が５０〜８０℃、滞留時間が５０〜７０分の条件の下で乾燥させてキャリヤシート７上にスポンジ状グリーン板６１を成形する。このグリーン板６１は、長さ（キャリヤシート７の搬送方向の長さ）が例えば約３０００ｍｍ、厚さが例えば約０．４〜０．８ｍｍになる。因みに、グリーン板６１の上記長さ方向に直交する方向の幅は、例えば約３００ｍｍである。
【００４０】
また、グリーン板６１は、互いに連通して三次元網目状をなす複数の空隙を有するとともに、各空隙がキャリヤシート７の上面側に環状口をもって開口し、かつ各環状口の間がキャリヤシート７の上面に沿って面一状の平面状に形成された面状部となる。
【００４１】
そして、グリーン板６１のバインダー成分を除去する脱脂処理を行った後、当該グリーン板６１を焼成する。脱脂処理は、真空中において、例えば４５０〜６５０℃、２５〜３５分の条件の下で行う。また、焼成は、真空中において、例えば１２００〜１３００℃、５０〜７０分の条件の下に保持することによって行う。これによって、厚さが例えば０．３〜０．６ｍｍに徐々に変化する発泡焼結板が得られる。
【００４２】
その後、上記発泡焼結板を０．３ｍｍの厚さに均一に型プレスによりプレス（圧縮）あるいは圧延するとともに、周囲の寸法を整える加工を施すことにより、上述した空隙率が９０％から８０％に漸次変化するガス拡散層６が完成する。
【００４３】
上記のように構成されたガス拡散層６を備えた固体高分子型燃料電池においては、流入口４１の付近ではガス拡散層６の空隙率が大となっているので、流入口４１から供給される水分を電解質膜１に比較的大量に供給することができる。これに対して、流入口５１付近では、ガス拡散層６の空隙率が大となっていることから、電気化学反応で生じた水をガス拡散層６の毛管作用により吸引する力が抑えられる。このため、流入口５１から流入する新規な空気によって流入口４１、５１の付近の電解質膜１が部分的に乾燥ぎみになるのを防止することができる。
【００４４】
また、流出口４２付近では、ガス拡散層６の空隙率が小となっていることから電解質膜１への水分の供給が抑制される。これに対して、流出口５２の付近では、ガス拡散層６の空隙率が小となっていることから、電気化学反応で生じた水を触媒層３から吸引する力が高まることになる。このため、流出口５２に向って湿度の上昇した空気によっても比較的に効率よく生成水を気化させて流出口５２から流出させることができるとともに、この生成水の除去によって触媒層３に空気を供給することができる。
【００４５】
すなわち、新規な空気が流入口５１から流入して流出口５２から流出するため、電解質膜１では流入口５１側が乾燥しやすく、流出口５２側が乾燥しにくくなる。
これに対して、アノード側のガス拡散層６は、流入口４１側の空隙率が大きく水蒸気の供給量の大きい部分が電解質膜１の乾燥しやすい部分に対応し、流出口４２側の空隙率が小さく水蒸気の供給量の小さな部分が電解質膜１の乾燥しにくい部分に対応すべく設置されているので、電解質膜１を一様に湿潤させる上で効果がある。
【００４６】
一方、カソード側のガス拡散層６は、流入口５１側の空隙率が大きく水の吸引量が小さな部分が電解質膜１の乾燥しやすい部分に対応し、流出口５２の空隙率が小さく水の吸引量の大きな部分が電解質膜１の乾燥しにくい部分に対応すべく設置されているので、この場合も、電解質膜１を一様に湿潤させる上で効果がある。
【００４７】
ただし、カソード側のガス拡散層６における流入口５１付近の空隙率を大きくすることによって、電解質膜１に供給される新規な空気の量が多くなり、これによって電解質膜１が乾燥しやすくなるようであれば、当該ガス拡散層６における流入口５１付近の空隙率を低減して、流入口５１付近の電解質膜１の乾燥を抑えることが好ましい。
【００４８】
以上の結果、電解質膜１の全体を一様に十分湿潤させることができるとともに、空気中の酸素を触媒層３の全体に供給することができるので、発電効率の向上を図ることができる。
【００４９】
また、上記ガス拡散層６の製造方法においては、発泡性スラリー６０を厚さを変えてキャリヤシート７上に塗工し、この塗工した発泡性スラリー６０を発泡させることによってグリーン板６１を成形し、このグリーン板６１を焼成した後に所定の厚さにプレスや圧延成形することによって、板面に沿う方向において空隙率の異なるガス拡散層６を容易に製造することができる。
【００５０】
そして、この場合、発泡性スラリー６０を漸次厚さが変わるように塗工することによって、空隙率を板面に沿って漸次変化すべく異ならせることができる。また、発泡性スラリー６０の厚さを段階的に変化させることにより、空隙率を板面に沿う位置に応じて段階的に異ならせることができる。
【００５１】
さらに、界面活性剤によって、発泡による空孔の拡大、発泡状態の維持時間の延長等を図ることができる。そして、界面活性剤の投入量によって、上述した平均孔径の調整を図ることができる。
【００５２】
なお、上記実施の形態においては、流入口４１、５１から供給した水素（水分を含む）や空気を各ガス拡散層６内を通して触媒層２、３側に供給するように構成したが、上記水素や水は、図６に示すように、各セパレータ４、５の表面４ａ、５ａにそれぞれ設けた各溝４ｂ、５ｂから各ガス拡散層６を介して触媒層２、３側に供給するようにしてもよい。この場合、各溝４ｂ、５ｂの一方の端部をそれぞれ各流入口４１、５１に連通させておき、当該各溝４ｂ、５ｂの他方の端部をそれぞれ各流出口４２、５２に連通させておくことにより、各流入口４１、５１および各溝４ｂ、５ｂからぞれぞれ各ガス拡散層６に水素または空気を供給するように構成することが好ましい。もちろん、各溝４ｂ、５ｂのみからそれぞれ各ガス拡散層６に水素または空気を供給するように構成してもよい。
【００５３】
また、上記実施の形態では、グリーン板６１の厚さを一定の割合で直線的に変化させる例を示したが、キャリヤシート７とドクターブレード８との隙間を増減する速度、キャリヤシート７の移動速度等を変えることにより、グリーン板６１の厚さを、連続直線状はもとより、連続曲線状、段階的、あるいはこれらを組み合わせた形状等に変化させることが可能であり、その厚さに応じて変化する空隙率の異なるガス拡散層６を得ることができる。
【００５４】
例えば、厚さが０．０５ｍｍで、空隙率が４０％から８０％に徐々に変化するものや、厚さが０．２ｍｍで、空隙率が６０％から９０％に徐々に変化するものや、厚さが２．０ｍｍで、空隙率が９０％から９７％に徐々に変化するものや、厚さが０．５ｍｍで、空隙率が７０％と８０％と９０％との３つに段階的に変化するもの等からなる面内に空隙率の異なるガス拡散層６を成形することができる。
【００５５】
さらに、グリーン板６１を焼成した後に、一定の厚さにプレスや圧延するように構成したが、焼結前にグリーン板６１を一定の厚さにプレスや圧延するようにしてもよい。
【００５６】
（第２の実施の形態）
次ぎに、この発明の第２の実施の形態を図７を参照して説明する。この第２の実施の形態が第１の実施の形態と異なる点は、空隙率がガス拡散層６の長手方向に沿って漸次変化するのではなく、長手方向に直交する幅方向に漸次変化するように構成されている点である。
【００５７】
すなわち、ガス拡散層６は、幅方向に平行に対向する一方の辺６Ｃから他方の辺６Ｄに向かって、空隙率が漸次直線状に小となるように構成されている。
【００５８】
上記のように構成されたガス拡散層６の製造方法は、上記第１の実施の形態で示した成形装置Ｘ（図５参照）を用い、ドクターブレード８を上下方向に移動させることなく、当該ドクターブレード８を傾けることによって行う。
すなわち、ドクターブレード８の下縁部を、支持ロール１６上のキャリヤシート７の上面に対して当該キャリヤシート７の一側から他側に向けて所定の角度に傾けることにより、キャリヤシート７上に塗工する発泡性スラリー６０の厚さを幅方向に漸次直線状に変化させる。このようにしてキャリヤシート７上に塗工された発泡性スラリー６０については、第１の実施の形態と同様の処理を行うことにより、空隙率が幅方向に漸次直線状に変化するガス拡散層６が完成する。
【００５９】
上記の場合、発泡性スラリー６０を塗工する位置におけるキャリヤシート７とドクターブレード８との隙間を幅方向に３００μｍから６００μｍまで変化させた状態にすると、発泡後のグリーン板６１の厚さは、幅方向に０．４ｍｍから０．８ｍｍまで直線的に変化したものとなる。このグリーン板６１は、上述のように脱脂、焼結することにより、幅方向に０．３ｍｍから０．６ｍｍまで直線的に変化する発泡焼結板となる。この発泡焼結板を０．３ｍｍにプレスや圧延することで、空隙率が９０％から８０％まで幅方向に連続的に変化するガス拡散層６が得られる。
【００６０】
上記のように構成されたガス拡散層６およびその製造方法においても、上記第１の実施の形態と同様の作用効果を奏する。ただし、この第２の実施の形態の製造方法においては、ドクターブレード８の角度を変えるだけで、空隙率を容易に変更することができる利点がある。
【００６１】
なお、ドクターブレード８の下縁部は、上述のように直線状に形成したものを示したが、この下縁部は曲線状、その他の種々の形状に形成したものであってもよい。この場合には、下縁部の形状に応じ、発泡性スラリー６０が厚く塗工される部分の空隙率を低減することができる。したがって、空隙率が種々パターンで変化するガス拡散層６を容易に製造することができる。
【００６２】
（第３の実施の形態）
次ぎに、この発明の第３の実施の形態を図８を参照して説明する。この第３の実施の形態が第１および第２の実施の形態と異なる点は、空隙率がガス拡散層６の対角方向に漸次直線状に変化すべく構成されている点である。
【００６３】
すなわち、ガス拡散層６は、対角方向に位置する一方の頂点６Ｅから他方の頂点６Ｆに向かって、空隙率が漸次直線状に小となるように構成されている。
【００６４】
上記のように構成されたガス拡散層６の製造方法は、上記第１の実施の形態で示した成形装置Ｘ（図５参照）を用い、ドクターブレード８を上方（または下方）に移動させるとともに、当該ドクターブレード８の下縁部を所定の角度に傾けることによって行う。
すなわち、支持ロール１６上のキャリヤシート７の上面に対して当該キャリヤシート７の一側から他側に向けて所定の角度に傾けた下縁部を有するドクターブレード８を、一定の速度で漸次上方（または下方）に移動することにより、同じく一定の速度で移動するキャリヤシート７上に発泡性スラリー６０を塗工することにより行う。これにより、塗工した発泡性スラリー６０の厚さをガス拡散層６に対応する一方の頂点６Ｅから他方の頂点６Ｆに向かって漸次直線状に変化させることができる。このように発泡性スラリー６０をキャリヤシート７上に塗工した後は、上述の第１の実施の形態と同様の処理を行うことにより、空隙率が対角方向に漸次直線状に変化すするガス拡散層６が完成する。
【００６５】
上記の場合、発泡性スラリー６０を塗工する位置におけるキャリヤシート７とドクターブレード８との隙間を３００μｍから６００μｍまで変化させた状態にし、かつドクターブレード８を漸次上方に３００μｍ移動することにより、発泡後のグリーン板６１の厚さは、対角方向に０．４ｍｍから１．２ｍｍまで直線的に変化したものとなる。このグリーン板６１は、上述のように脱脂、焼結することにより、対角方向に０．３ｍｍから０．９ｍｍまで直線的に変化する発泡焼結板となる。この発泡焼結板を０．３ｍｍにプレスや圧延することで、空隙率が９０％から７０％まで対角方向に連続的に変化するガス拡散層６が得られる。
【００６６】
上記のように構成されたガス拡散層６およびその製造方法においても、上記第１および第２の実施の形態と同様の作用効果を奏する。ただし、この第３の実施の形態の製造方法においては、ドクターブレード８の下縁部を傾斜させ、かつ当該ドクターブレード８を上下方向に移動することにより、対角方向のより複雑な方向に沿って空隙率を変化させることができる。
【００６８】
なお、多空隙質体としては、フィルタ等のように導電性を要しないものに用いる場合には、上述したステンレス鋼等の金属の他に、セラミックス等の導電性を有しない材料を用いて成形することも可能である。
【００６９】
さらに、上記各実施の形態においては、キャリヤシート７とドクターブレード８との隙間を主として０．３〜０．９ｍｍの範囲に設定した例を示したが、このキャリヤシート７とドクターブレード８との隙間は０．０５〜１．５ｍｍまで調整が可能であり、上述した第１〜第３の実施の形態等で示した製造方法を組み合わせることにより、例えばまだら模様等のように種々の形状に分布した空隙率を有する多空隙質体を得ることができる。
【００７１】
請求項１〜４に記載の発明によれば、多空隙質体を固体高分子型燃料電池のアノード側やカソード側のガス拡散層として利用して、電解質膜における乾燥しやすい部分には、例えばガス拡散層における水分の供給量の大きな空隙率を有する部分を対応させ、電解質膜における乾燥しにくい部分には、例えばガス拡散層における水分の供給量の少ない空隙率を有する部分を対応させることによって、電解質膜を一様に湿潤させて、当該電解質膜の電気抵抗を一様に低減することができ、発電効率の向上を図ることができる。
【００７２】
このガス拡散層としての多空隙質体は、発泡性スラリーを厚さを変えて板状に成形してから、この発泡性スラリーの板状体を発泡させることによってグリーン板を成形し、このグリーン板を、焼成前または焼成後に所定の厚さに圧縮または圧延成形することによって、板面に沿う方向において空隙率の異なるものを容易に製造することができる。
【００７３】
また、発泡性スラリーを漸次厚さを変えて板状に成形してからこの発泡性スラリーの板状体を発泡させることによってグリーン板を成形し、このグリーン板を、焼成前または焼成後に所定の厚さに圧縮または圧延成形することによって、板面に沿って漸次空隙率が異なるものを容易に製造することができる。
【００７４】
さらに、発泡性スラリーを段階的に厚さを変えて板状に成形してからこの発泡性スラリーの板状体を発泡させることによってグリーン板を成形し、このグリーン板を、焼成前または焼成後に所定の厚さに圧縮または圧延成形することによって、板面に沿う位置に応じて段階的に空隙率が異なるものを容易に製造することができる。
【００７５】
その際、界面活性剤を加えて発泡性スラリーを形成することにより、発泡による空孔の拡大、発泡状態の維持時間の延長等を図ることができる。また、界面活性剤の投入量によって、空孔の大きさを調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態として示した多空隙質体の正面図である。
【図２】同多空隙質体を用いた固体高分子型燃料電池を示す要部断面図である。
【図３】同多空隙質体を用いた固体高分子型燃料電池の作用を示す要部断面図である。
【図４】同多空隙質体を示す要部斜視図である。
【図５】同多空隙質体を製造するための成形装置を示す説明図である。
【図６】同多空隙質体を用いた固体高分子型燃料電池の他の例を示す要部断面図である。
【図７】この発明の第２の実施の形態として示した多空隙質体の正面図である。
【図８】この発明の第３の実施の形態として示した多空隙質体の正面図である。
【符号の説明】
６ ガス拡散層（多空隙質体）
６ａ 空隙
６０ 発泡性スラリー
６１ グリーン板
【発明の属する技術分野】
本発明は、板面に沿う方向に流体を流すことにより流体中に含まれる異物を効率よく捕捉するフィルタや、毛管作用により吸着した液体を効率よく気化させる媒体および燃料電池のガス拡散層等に利用可能な多空隙質体および燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数の空隙を有する多空隙質体としては、焼結金属、発泡金属、発泡セラミックス等を用いて板状に形成したものが知られているが、板面に沿う方向に空隙率を異ならせるように構成したものがなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のように空隙率の異なる多空隙質体があれば、例えば板面に沿う方向に流体を流して流体中の異物を捕捉する場合に、当該異物を効率よく捕捉することができる。
また、空隙率の異なる多空隙質体を、例えば水を吸引してガス中に気化させる媒体として利用した場合には、面内の空隙率が異なることから気化量に分布をもたせることができる。
【０００４】
さらに、空隙率の異なる多空隙質体を、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）のアノード側やカソード側のガス拡散層として利用した場合には、発電効率の向上を図ることができる。
すなわち、固体高分子型燃料電池としては、電解質膜の両側に触媒層を設け、これらの外側に多空隙質体のガス拡散層を設けたものが知られており、アノード側のガス拡散層を介して電解質膜に供給される燃料ガス（例えば水素）に水蒸気を含有させることによって、電解質膜を湿潤させ、これによって電解質膜の電気抵抗の低減を図ることができる。この場合、電解質膜における乾燥しやすい部分には、ガス拡散層における水分の供給量の大きな空隙率を有する部分を対応させ、乾燥しにくい部分には、ガス拡散層における水分の供給量の少ない空隙率を有する部分を対応させることによって、電解質膜を一様に湿潤させて、当該電解質膜の電気抵抗を一様に低減することができ、発電効率の向上を図ることができるという有利な効果を生じることになる。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、面内に異なる空隙率を有する多空隙質体を提供することを課題としている。
【０００６】
【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に記載の燃料電池用の多空隙質体は、電解質膜の両側にそれぞれ配設され、各々複数の空隙を有して板状に形成されるとともに、燃料ガスまたは酸化剤ガスを上記電解質膜方向に向けて供給可能な燃料電池用の多空隙質体であって、骨格を構成する原料粉末を少なくともバインダおよび発泡剤と混合して得られた発泡スラリーを、厚さを変えて板状に成形してから発泡させることによってグリーン板を成形し、このグリーン板を焼成前または焼成後に均一の厚さに圧縮または圧延成形することにより板面に沿う方向に異なる空隙率に形成されてなり、上記電解質膜の乾燥しやすい部分に対応して上記空隙率が大きく、かつ上記電解質膜の乾燥しにくい部分に対応して上記空隙率が小さくなるように配設されることを特徴としている。
なお、空隙率とは、多空隙質体の全容積に対する、その中に含まれる空隙の容積の割合をいう。
【０００７】
請求項２に記載の燃料電池用の多空隙質体は、請求項１に記載の発明において、電解質膜の両側にそれぞれ重ねられた触媒層と、セパレータとに挟持されるとともに、上記セパレータ側に上記空隙が環状口をもって開口していることを特徴としている。
【０００８】
請求項３に記載の燃料電池は、電解質膜の両側に、それぞれ触媒層と、請求項１または２に記載の燃料電池用の多空隙質体と、セパレータとが順次積層された燃料電池であって、上記セパレータは、一方が酸化剤電極であって、他方が燃料電極であり、上記酸化剤電極が重ねられた上記多空隙質体は、燃料ガスの流入口側の上記空隙率が大きく、上記燃料ガスの流出口側の上記空隙率が小さくなるように配設されるとともに、上記燃料電極が重ねられた上記多空隙質体は、酸化剤ガスの流入口側の上記空隙率が大きく、上記酸化剤ガスの流出口側の上記空隙率が小さいなるように配設されていることを特徴としている。
【０００９】
請求項４に記載の燃料電池は、請求項３に記載の発明において、上記セパレータの上記多空隙質体側の表面には、上記流入口に連通する溝が形成されていることを特徴としている。
【００１５】
請求項１〜４に記載の発明においては、多空隙質体を、厚さを変えて板状に成形した発泡スラリーを発泡させた後に、得られたグリーン板を焼成前または焼成後に均一の厚さに圧縮または圧延成形することにより板面に沿う方向に異なる空隙率に形成しているため、固体高分子型燃料電池のアノード側やカソード側のガス拡散層として利用して、上述した電解質膜における乾燥しやすい部分には、例えばガス拡散層における水分の供給量の大きな空隙率を有する部分を対応させ、電解質膜における乾燥しにくい部分には、例えばガス拡散層における水分の供給量の少ない空隙率を有する部分を対応させることによって、電解質膜を一様に湿潤させて、当該電解質膜の電気抵抗を一様に低減することができ、発電効率の向上を図ることができる。
【００１６】
この多空隙質体は、発泡性スラリーを厚さを変えて板状に成形してから、この発泡性スラリーの板状体を発泡させることによってグリーン板を成形し、このグリーン板を、焼成前または焼成後に所定の厚さに圧縮または圧延成形することによって、板面に沿う方向において空隙率の異なるものを容易に製造することができる。すなわち、請求項１〜２に記載の多空隙質体を製造することができる。この場合、空隙は、三次元方向に連続的につながる三次元網目構造となる。
【００１７】
また、発泡性スラリーを漸次厚さを変えて板状に成形してからこの発泡性スラリーの板状体を発泡させることによってグリーン板を成形し、このグリーン板を、焼成前または焼成後に所定の厚さに圧縮または圧延成形することによって、板面に沿って漸次空隙率が異なるものを容易に製造することができる。この場合も、空隙が三次元網目構造となる。
【００１８】
さらに、発泡性スラリーを段階的に厚さを変えて板状に成形してからこの発泡性スラリーの板状体を発泡させることによってグリーン板を成形し、このグリーン板を、焼成前または焼成後に所定の厚さに圧縮または圧延成形することによって、板面に沿う位置に応じて段階的に空隙率が異なるものを容易に製造することができる。この場合も、空隙が三次元網目構造となる。
【００１９】
その際、界面活性剤を加えて発泡性スラリーを形成することにより、発泡による空孔の拡大、発泡状態の維持時間の延長等を図ることができる。また、界面活性剤の量によって、空孔の大きさを調整することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の多空隙質体の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００２１】
（第１の実施の形態）
まず、本発明の多空隙質体の第１の実施の形態を図１〜図５を参照して説明する。この実施の形態では、多空隙質体を、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）のガス拡散層６として採用した例を示している。
【００２２】
固体高分子型燃料電池は、図２および図３に示すように、固体高分子の電解質膜１の両側に触媒層２、３、ガス拡散層６、６およびセパレータ４、５がそれぞれ順次積層されたものを単位セルとし、この単位セルを複数重ねたもので構成されている。
【００２３】
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。
触媒層２、３は、図３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。
【００２４】
セパレータ４、５は、上記各単位セルを区分する隔壁としての機能を有するとともに、電極としての機能を有するようになっている。この例では、一方のセパレータ４がアノード（燃料電極）として利用され、他方のセパレータ５がカソード（酸化剤電極）として利用されるようになっている。
【００２５】
一方のガス拡散層６は、一方のセパレータ４と触媒層２とによって挟持されており、流入口４１を介して供給された燃料ガスを触媒層２の全体に供給するとともに、残った燃料ガスを流出口４２側に排出するようになっている。
他方のガス拡散層６は、他方のセパレータ５と触媒層３とによって挟持されており、流入口５１を介して供給された酸化剤ガスを触媒層３の全体に供給するとともに、残った酸化剤ガスおよび後述する電気化学反応によって生じた水分を流出口５２側に排出するようになっている。
そして、燃料ガスとしては、例えばほぼ１００％の水素や、天然ガスやメタノールなどの燃料を改質して水素が豊富となったガス等が用いられ、酸化剤ガスとしては、一般に空気が用いられる。なお、この実施の形態では、燃料ガスとして水素を用い、酸化剤ガスとして空気を用いた例を示す。
【００２６】
上記固体高分子型燃料電池においては、図３に示すような化学反応により電気エネルギが発生する。この場合、燃料となる水素（Ｈ2 ）が触媒層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。
【００２７】
水素イオンは、電解質膜１中を触媒層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、触媒層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。そして、触媒層２側の電子が一方のガス拡散層６およびセパレータ４を介して例えば外部の負荷に流れ、さらに、他方のセパレータ５およびガス拡散層６を介して触媒層３側に流れることから、これを電気エネルギとして利用することができる。
上記電気化学反応は、主に電解質膜１と触媒層３との境界部で発生することになる。
【００２８】
また、上記固体高分子型燃料電池においては、電解質膜１を湿潤させることがイオン導電性を向上させて電気抵抗を下げる上で必要である。このため、流入口４１からは、水素とともに水蒸気を供給するようになっている。
【００２９】
次ぎに、上記ガス拡散層６についてさらに詳細に説明する。
このガス拡散層６は、図１に示すように、四角形の平板状に形成され、その板面に沿う方向において空隙率を異ならせた多空隙質体によって形成されている。そして、この実施の形態において、ガス拡散層６は、平行に対向する一方の辺６Ａから他方の辺６Ｂに向けて空隙率が例えば９０％から８０％まで漸次低下するように形成されているとともに、一方の辺６Ａが上記流入口４１、５１側に配置され、他方の辺６Ｂが流出口４２、５２側に配置されている。すなわち、ガス拡散層６は、前述の図２および図３、後述の図６において、流入口４１、５１側に空隙率の大の部分が配置され、流出口４２、５２側に空隙率の小の部分が配置されている。
【００３０】
また、ガス拡散層６は、図４に示すように、耐食性金属としてのステンレス鋼（例えば、SUS316L）の粉体を用いて発泡焼結させたものであり、互いに連通する複数の空隙６ａを有する三次元網目構造に形成されている。すなわち、空隙６ａが三次元網目状に連続的につながっている。
【００３１】
さらに、ガス拡散層６は、各空隙６ａがセパレータ４、５のそれぞれの表面４ａ、５ａ側に環状口６ｂをもって開口し、かつ各環状口６ｂの間が表面４ａ、５ａに沿うべく面一状の平面状に形成された面状部６ｃになっている。すなわち、ガス拡散層６は、面状部６ｃを介してセパレータ４、５の各表面４ａ、５ａに当接するようになっている。
上記各環状口６ｂは、ほぼ円形状に形成され、大きさもほぼ一定のものとなっている。ただし、この環状口６ｂは、楕円形状、多角形状等の閉ループを描くように形成された各種の形状のものであってもよく、また大きさの異なるものであってもよい。
【００３２】
また、ガス拡散層６の各触媒層２、３側の面は、複数の空隙６ａが単に開口し、各空隙６ａを構成する骨格柱の端面が面一状に配置された形状になっており、各骨格柱の端面が凸部となって比較的柔軟な触媒層２、３に食い込み、これによって、触媒層２、３との導電性の向上が図られている。
ただし、ガス拡散層６は、その両側の面に、上記環状口６ｂおよび面状部６ｃを備えたもので構成してもよい。
また、ガス拡散層６は、平均孔径が２０〜６００μｍ、厚さが２５〜１０００μｍに形成されている。
【００３３】
そして、ガス拡散層６は、上述したステンレス鋼の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５〜１４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６０（図５参照）を原料として成形されたものである。上記原料粉末は、平均粒径が例えば約１０μｍのものである。
【００３４】
なお、この実施の形態では、各ガス拡散層６を各セパレータ４、５の表面４ａ、５ａに当接させるように構成したが、このガス拡散層６をろう付けや拡散接合等により各セパレータ４、５の表面４ａ、５ａに接合するようにしてもよい。
【００３５】
次ぎに、上記ガス拡散層６の製造方法について説明する。
まず、図５に示すように、上述した組成の発泡性スラリー６０をドクターブレード法を用いた成形装置Ｘによって、後述するキャリヤシート７上に塗工し、発泡、乾燥させる。
【００３６】
上記成形装置Ｘは、図５に示すように、キャリヤーシート７、ドクターブレード８、ホッパ９、恒温・高湿度槽１０、乾燥槽１１、キャリヤシート７の巻き出しリール１２、同キャリヤシート７の支持ロール１４、１５、１６を備えた構成になっている。ドクターブレード８の下縁部は、キャリヤシート７の移動方向に対してほぼ直交する方向に延在するとともに、支持ロール１６上のキャリヤシート７の上面と平行になるように直線状に形成されている。
【００３７】
上記発泡性スラリー６０の塗工に際しては、ホッパ９に投入された発泡性スラリー６０を、巻き出しリール１２から連続的に繰り出されるキャリヤシート７の上面に連続的に供給する。この際、発泡性スラリー６０はドクターブレード８によって薄く延ばされてキャリヤシート７上に塗工される。
【００３８】
そして、ドクターブレード８を徐々に上げることにより、キャリヤシート７上に塗工される発泡性スラリー６０の厚さをキャリヤシート７の移動方向に変化させる。（なお、ドクターブレード８を徐々に下げることにより発泡性スラリー６０の厚さを変化させるようにしてもよい。）
具体的には、キャリヤシート７の移動速度を１００ｍｍ／ｍｉｎに一定に維持しておき、キャリヤシート７とドクターブレード８との隙間を３００μｍから１分ごとに１０μｍずつ上げていくことにより、３０分後には上記隙間が６００μｍとなるようにする。これにより、キャリヤシート７とドクターブレード８とのの隙間に対応した厚さの発泡性スラリー６０がキャリヤシート７上に塗工されることになる。
【００３９】
そして、発泡性スラリー６０が塗工されたキャリヤシート７を、恒温・高湿度槽１０内および乾燥槽１１を順次連続して通過させる。恒温・高湿度槽１０では、例えば、湿度が７５〜９５％、温度が３０〜７０℃、滞留時間が１０〜３０分の条件の下で上記発泡性スラリー６０をスポンジ状に発泡させる。乾燥槽１１では、例えば、温度が５０〜８０℃、滞留時間が５０〜７０分の条件の下で乾燥させてキャリヤシート７上にスポンジ状グリーン板６１を成形する。このグリーン板６１は、長さ（キャリヤシート７の搬送方向の長さ）が例えば約３０００ｍｍ、厚さが例えば約０．４〜０．８ｍｍになる。因みに、グリーン板６１の上記長さ方向に直交する方向の幅は、例えば約３００ｍｍである。
【００４０】
また、グリーン板６１は、互いに連通して三次元網目状をなす複数の空隙を有するとともに、各空隙がキャリヤシート７の上面側に環状口をもって開口し、かつ各環状口の間がキャリヤシート７の上面に沿って面一状の平面状に形成された面状部となる。
【００４１】
そして、グリーン板６１のバインダー成分を除去する脱脂処理を行った後、当該グリーン板６１を焼成する。脱脂処理は、真空中において、例えば４５０〜６５０℃、２５〜３５分の条件の下で行う。また、焼成は、真空中において、例えば１２００〜１３００℃、５０〜７０分の条件の下に保持することによって行う。これによって、厚さが例えば０．３〜０．６ｍｍに徐々に変化する発泡焼結板が得られる。
【００４２】
その後、上記発泡焼結板を０．３ｍｍの厚さに均一に型プレスによりプレス（圧縮）あるいは圧延するとともに、周囲の寸法を整える加工を施すことにより、上述した空隙率が９０％から８０％に漸次変化するガス拡散層６が完成する。
【００４３】
上記のように構成されたガス拡散層６を備えた固体高分子型燃料電池においては、流入口４１の付近ではガス拡散層６の空隙率が大となっているので、流入口４１から供給される水分を電解質膜１に比較的大量に供給することができる。これに対して、流入口５１付近では、ガス拡散層６の空隙率が大となっていることから、電気化学反応で生じた水をガス拡散層６の毛管作用により吸引する力が抑えられる。このため、流入口５１から流入する新規な空気によって流入口４１、５１の付近の電解質膜１が部分的に乾燥ぎみになるのを防止することができる。
【００４４】
また、流出口４２付近では、ガス拡散層６の空隙率が小となっていることから電解質膜１への水分の供給が抑制される。これに対して、流出口５２の付近では、ガス拡散層６の空隙率が小となっていることから、電気化学反応で生じた水を触媒層３から吸引する力が高まることになる。このため、流出口５２に向って湿度の上昇した空気によっても比較的に効率よく生成水を気化させて流出口５２から流出させることができるとともに、この生成水の除去によって触媒層３に空気を供給することができる。
【００４５】
すなわち、新規な空気が流入口５１から流入して流出口５２から流出するため、電解質膜１では流入口５１側が乾燥しやすく、流出口５２側が乾燥しにくくなる。
これに対して、アノード側のガス拡散層６は、流入口４１側の空隙率が大きく水蒸気の供給量の大きい部分が電解質膜１の乾燥しやすい部分に対応し、流出口４２側の空隙率が小さく水蒸気の供給量の小さな部分が電解質膜１の乾燥しにくい部分に対応すべく設置されているので、電解質膜１を一様に湿潤させる上で効果がある。
【００４６】
一方、カソード側のガス拡散層６は、流入口５１側の空隙率が大きく水の吸引量が小さな部分が電解質膜１の乾燥しやすい部分に対応し、流出口５２の空隙率が小さく水の吸引量の大きな部分が電解質膜１の乾燥しにくい部分に対応すべく設置されているので、この場合も、電解質膜１を一様に湿潤させる上で効果がある。
【００４７】
ただし、カソード側のガス拡散層６における流入口５１付近の空隙率を大きくすることによって、電解質膜１に供給される新規な空気の量が多くなり、これによって電解質膜１が乾燥しやすくなるようであれば、当該ガス拡散層６における流入口５１付近の空隙率を低減して、流入口５１付近の電解質膜１の乾燥を抑えることが好ましい。
【００４８】
以上の結果、電解質膜１の全体を一様に十分湿潤させることができるとともに、空気中の酸素を触媒層３の全体に供給することができるので、発電効率の向上を図ることができる。
【００４９】
また、上記ガス拡散層６の製造方法においては、発泡性スラリー６０を厚さを変えてキャリヤシート７上に塗工し、この塗工した発泡性スラリー６０を発泡させることによってグリーン板６１を成形し、このグリーン板６１を焼成した後に所定の厚さにプレスや圧延成形することによって、板面に沿う方向において空隙率の異なるガス拡散層６を容易に製造することができる。
【００５０】
そして、この場合、発泡性スラリー６０を漸次厚さが変わるように塗工することによって、空隙率を板面に沿って漸次変化すべく異ならせることができる。また、発泡性スラリー６０の厚さを段階的に変化させることにより、空隙率を板面に沿う位置に応じて段階的に異ならせることができる。
【００５１】
さらに、界面活性剤によって、発泡による空孔の拡大、発泡状態の維持時間の延長等を図ることができる。そして、界面活性剤の投入量によって、上述した平均孔径の調整を図ることができる。
【００５２】
なお、上記実施の形態においては、流入口４１、５１から供給した水素（水分を含む）や空気を各ガス拡散層６内を通して触媒層２、３側に供給するように構成したが、上記水素や水は、図６に示すように、各セパレータ４、５の表面４ａ、５ａにそれぞれ設けた各溝４ｂ、５ｂから各ガス拡散層６を介して触媒層２、３側に供給するようにしてもよい。この場合、各溝４ｂ、５ｂの一方の端部をそれぞれ各流入口４１、５１に連通させておき、当該各溝４ｂ、５ｂの他方の端部をそれぞれ各流出口４２、５２に連通させておくことにより、各流入口４１、５１および各溝４ｂ、５ｂからぞれぞれ各ガス拡散層６に水素または空気を供給するように構成することが好ましい。もちろん、各溝４ｂ、５ｂのみからそれぞれ各ガス拡散層６に水素または空気を供給するように構成してもよい。
【００５３】
また、上記実施の形態では、グリーン板６１の厚さを一定の割合で直線的に変化させる例を示したが、キャリヤシート７とドクターブレード８との隙間を増減する速度、キャリヤシート７の移動速度等を変えることにより、グリーン板６１の厚さを、連続直線状はもとより、連続曲線状、段階的、あるいはこれらを組み合わせた形状等に変化させることが可能であり、その厚さに応じて変化する空隙率の異なるガス拡散層６を得ることができる。
【００５４】
例えば、厚さが０．０５ｍｍで、空隙率が４０％から８０％に徐々に変化するものや、厚さが０．２ｍｍで、空隙率が６０％から９０％に徐々に変化するものや、厚さが２．０ｍｍで、空隙率が９０％から９７％に徐々に変化するものや、厚さが０．５ｍｍで、空隙率が７０％と８０％と９０％との３つに段階的に変化するもの等からなる面内に空隙率の異なるガス拡散層６を成形することができる。
【００５５】
さらに、グリーン板６１を焼成した後に、一定の厚さにプレスや圧延するように構成したが、焼結前にグリーン板６１を一定の厚さにプレスや圧延するようにしてもよい。
【００５６】
（第２の実施の形態）
次ぎに、この発明の第２の実施の形態を図７を参照して説明する。この第２の実施の形態が第１の実施の形態と異なる点は、空隙率がガス拡散層６の長手方向に沿って漸次変化するのではなく、長手方向に直交する幅方向に漸次変化するように構成されている点である。
【００５７】
すなわち、ガス拡散層６は、幅方向に平行に対向する一方の辺６Ｃから他方の辺６Ｄに向かって、空隙率が漸次直線状に小となるように構成されている。
【００５８】
上記のように構成されたガス拡散層６の製造方法は、上記第１の実施の形態で示した成形装置Ｘ（図５参照）を用い、ドクターブレード８を上下方向に移動させることなく、当該ドクターブレード８を傾けることによって行う。
すなわち、ドクターブレード８の下縁部を、支持ロール１６上のキャリヤシート７の上面に対して当該キャリヤシート７の一側から他側に向けて所定の角度に傾けることにより、キャリヤシート７上に塗工する発泡性スラリー６０の厚さを幅方向に漸次直線状に変化させる。このようにしてキャリヤシート７上に塗工された発泡性スラリー６０については、第１の実施の形態と同様の処理を行うことにより、空隙率が幅方向に漸次直線状に変化するガス拡散層６が完成する。
【００５９】
上記の場合、発泡性スラリー６０を塗工する位置におけるキャリヤシート７とドクターブレード８との隙間を幅方向に３００μｍから６００μｍまで変化させた状態にすると、発泡後のグリーン板６１の厚さは、幅方向に０．４ｍｍから０．８ｍｍまで直線的に変化したものとなる。このグリーン板６１は、上述のように脱脂、焼結することにより、幅方向に０．３ｍｍから０．６ｍｍまで直線的に変化する発泡焼結板となる。この発泡焼結板を０．３ｍｍにプレスや圧延することで、空隙率が９０％から８０％まで幅方向に連続的に変化するガス拡散層６が得られる。
【００６０】
上記のように構成されたガス拡散層６およびその製造方法においても、上記第１の実施の形態と同様の作用効果を奏する。ただし、この第２の実施の形態の製造方法においては、ドクターブレード８の角度を変えるだけで、空隙率を容易に変更することができる利点がある。
【００６１】
なお、ドクターブレード８の下縁部は、上述のように直線状に形成したものを示したが、この下縁部は曲線状、その他の種々の形状に形成したものであってもよい。この場合には、下縁部の形状に応じ、発泡性スラリー６０が厚く塗工される部分の空隙率を低減することができる。したがって、空隙率が種々パターンで変化するガス拡散層６を容易に製造することができる。
【００６２】
（第３の実施の形態）
次ぎに、この発明の第３の実施の形態を図８を参照して説明する。この第３の実施の形態が第１および第２の実施の形態と異なる点は、空隙率がガス拡散層６の対角方向に漸次直線状に変化すべく構成されている点である。
【００６３】
すなわち、ガス拡散層６は、対角方向に位置する一方の頂点６Ｅから他方の頂点６Ｆに向かって、空隙率が漸次直線状に小となるように構成されている。
【００６４】
上記のように構成されたガス拡散層６の製造方法は、上記第１の実施の形態で示した成形装置Ｘ（図５参照）を用い、ドクターブレード８を上方（または下方）に移動させるとともに、当該ドクターブレード８の下縁部を所定の角度に傾けることによって行う。
すなわち、支持ロール１６上のキャリヤシート７の上面に対して当該キャリヤシート７の一側から他側に向けて所定の角度に傾けた下縁部を有するドクターブレード８を、一定の速度で漸次上方（または下方）に移動することにより、同じく一定の速度で移動するキャリヤシート７上に発泡性スラリー６０を塗工することにより行う。これにより、塗工した発泡性スラリー６０の厚さをガス拡散層６に対応する一方の頂点６Ｅから他方の頂点６Ｆに向かって漸次直線状に変化させることができる。このように発泡性スラリー６０をキャリヤシート７上に塗工した後は、上述の第１の実施の形態と同様の処理を行うことにより、空隙率が対角方向に漸次直線状に変化すするガス拡散層６が完成する。
【００６５】
上記の場合、発泡性スラリー６０を塗工する位置におけるキャリヤシート７とドクターブレード８との隙間を３００μｍから６００μｍまで変化させた状態にし、かつドクターブレード８を漸次上方に３００μｍ移動することにより、発泡後のグリーン板６１の厚さは、対角方向に０．４ｍｍから１．２ｍｍまで直線的に変化したものとなる。このグリーン板６１は、上述のように脱脂、焼結することにより、対角方向に０．３ｍｍから０．９ｍｍまで直線的に変化する発泡焼結板となる。この発泡焼結板を０．３ｍｍにプレスや圧延することで、空隙率が９０％から７０％まで対角方向に連続的に変化するガス拡散層６が得られる。
【００６６】
上記のように構成されたガス拡散層６およびその製造方法においても、上記第１および第２の実施の形態と同様の作用効果を奏する。ただし、この第３の実施の形態の製造方法においては、ドクターブレード８の下縁部を傾斜させ、かつ当該ドクターブレード８を上下方向に移動することにより、対角方向のより複雑な方向に沿って空隙率を変化させることができる。
【００６８】
なお、多空隙質体としては、フィルタ等のように導電性を要しないものに用いる場合には、上述したステンレス鋼等の金属の他に、セラミックス等の導電性を有しない材料を用いて成形することも可能である。
【００６９】
さらに、上記各実施の形態においては、キャリヤシート７とドクターブレード８との隙間を主として０．３〜０．９ｍｍの範囲に設定した例を示したが、このキャリヤシート７とドクターブレード８との隙間は０．０５〜１．５ｍｍまで調整が可能であり、上述した第１〜第３の実施の形態等で示した製造方法を組み合わせることにより、例えばまだら模様等のように種々の形状に分布した空隙率を有する多空隙質体を得ることができる。
【００７１】
請求項１〜４に記載の発明によれば、多空隙質体を固体高分子型燃料電池のアノード側やカソード側のガス拡散層として利用して、電解質膜における乾燥しやすい部分には、例えばガス拡散層における水分の供給量の大きな空隙率を有する部分を対応させ、電解質膜における乾燥しにくい部分には、例えばガス拡散層における水分の供給量の少ない空隙率を有する部分を対応させることによって、電解質膜を一様に湿潤させて、当該電解質膜の電気抵抗を一様に低減することができ、発電効率の向上を図ることができる。
【００７２】
このガス拡散層としての多空隙質体は、発泡性スラリーを厚さを変えて板状に成形してから、この発泡性スラリーの板状体を発泡させることによってグリーン板を成形し、このグリーン板を、焼成前または焼成後に所定の厚さに圧縮または圧延成形することによって、板面に沿う方向において空隙率の異なるものを容易に製造することができる。
【００７３】
また、発泡性スラリーを漸次厚さを変えて板状に成形してからこの発泡性スラリーの板状体を発泡させることによってグリーン板を成形し、このグリーン板を、焼成前または焼成後に所定の厚さに圧縮または圧延成形することによって、板面に沿って漸次空隙率が異なるものを容易に製造することができる。
【００７４】
さらに、発泡性スラリーを段階的に厚さを変えて板状に成形してからこの発泡性スラリーの板状体を発泡させることによってグリーン板を成形し、このグリーン板を、焼成前または焼成後に所定の厚さに圧縮または圧延成形することによって、板面に沿う位置に応じて段階的に空隙率が異なるものを容易に製造することができる。
【００７５】
その際、界面活性剤を加えて発泡性スラリーを形成することにより、発泡による空孔の拡大、発泡状態の維持時間の延長等を図ることができる。また、界面活性剤の投入量によって、空孔の大きさを調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態として示した多空隙質体の正面図である。
【図２】同多空隙質体を用いた固体高分子型燃料電池を示す要部断面図である。
【図３】同多空隙質体を用いた固体高分子型燃料電池の作用を示す要部断面図である。
【図４】同多空隙質体を示す要部斜視図である。
【図５】同多空隙質体を製造するための成形装置を示す説明図である。
【図６】同多空隙質体を用いた固体高分子型燃料電池の他の例を示す要部断面図である。
【図７】この発明の第２の実施の形態として示した多空隙質体の正面図である。
【図８】この発明の第３の実施の形態として示した多空隙質体の正面図である。
【符号の説明】
６ ガス拡散層（多空隙質体）
６ａ 空隙
６０ 発泡性スラリー
６１ グリーン板
Claims (4)
- 電解質膜の両側にそれぞれ配設され、各々複数の空隙を有して板状に形成されるとともに、燃料ガスまたは酸化剤ガスを上記電解質膜方向に向けて供給可能な燃料電池用の多空隙質体であって、
骨格を構成する原料粉末を少なくともバインダおよび発泡剤と混合して得られた発泡スラリーを、厚さを変えて板状に成形してから発泡させることによってグリーン板を成形し、このグリーン板を焼成前または焼成後に均一の厚さに圧縮または圧延成形することにより板面に沿う方向に異なる空隙率に形成されてなり、上記電解質膜の乾燥しやすい部分に対応して上記空隙率が大きく、かつ上記電解質膜の乾燥しにくい部分に対応して上記空隙率が小さくなるように配設されることを特徴とする燃料電池用の多空隙質体。 - 電解質膜の両側にそれぞれ重ねられた触媒層と、セパレータとに挟持されるとともに、上記セパレータ側に上記空隙が環状口をもって開口していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用の多空隙質体。
- 電解質膜の両側に、それぞれ触媒層と、請求項１または２に記載の燃料電池用の多空隙質体と、セパレータとが順次積層された燃料電池であって、
上記セパレータは、一方が酸化剤電極であって、他方が燃料電極であり、
上記酸化剤電極が重ねられた上記多空隙質体は、燃料ガスの流入口側の上記空隙率が大きく、上記燃料ガスの流出口側の上記空隙率が小さくなるように配設されるとともに、
上記燃料電極が重ねられた上記多空隙質体は、酸化剤ガスの流入口側の上記空隙率が大きく、上記酸化剤ガスの流出口側の上記空隙率が小さいなるように配設されていることを特徴とする燃料電池。 - 上記セパレータの上記多空隙質体側の表面には、上記流入口に連通する溝が形成されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
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