JP4438327B2 - 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

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ことにより大きな起電力を得ている。
【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、省スペース化を図るために、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、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が、電解質層に臨む電極面とされたガス拡散電極と、該ガス拡散電極の周囲を被覆する樹脂部とを備え、固体高分子型燃料電池に用いられるガス拡散層用部材であって、前記ガス拡散電極の側面の一つが前記ガス拡散電極と前記ガス拡散層用部材外部とを連通させる連通面とされており、前記樹脂部が、前記ガス拡散電極のうち、前記電極面に対向する背面と、前記連通面を除く側面と、を被覆していることを特徴としている。すなわち、本発明のガス拡散層用部材は、ガス拡散電極の電極面と、ガス拡散電極とガス拡散層用部材の外部とを連通させる連通面とを除くガス拡散電極の表面を、樹脂部が被覆している構成を有している。
【００１０】
また、請求項２の発明に係る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が、電解質層に臨む電極面とされたガス拡散電極と、該ガス拡散電極の周囲を被覆する樹脂部とを備え、固体高分子型燃料電池に用いられるガス拡散層用部材であって、前記樹脂部には、前記ガス拡散電極の側面の一つと前記ガス拡散層用部材外部とを連通させる連通路が形成されており、前記樹脂部は、前記ガス拡散電極の前記電極面に対向する背面と、前記連通路部分を除いた側面とを被覆していることを特徴としている。
さらに、請求項３の発明に係るガス拡散層用部材は、前記導電性多孔質体が発泡金属焼結シートであることを特徴としている。
【００１１】
これらの発明によれば、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、樹脂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、ガス拡散電極の周囲を被覆する樹脂部が一体に設けられることにより、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。
【００１２】
さらに、ガス拡散電極に樹脂部によって被覆しない連通面を設けることにより、効率よくガス拡散電極内部へ燃料を供給し、また電極反応により生成した生成物をガス拡散電極外部へ排出させることができる。また、連通面を開放させる代わりに樹脂部を貫通させて連通路を形成することにより、樹脂部に被覆されているガス拡散電極の側面の面積が大きくなるので、より強度が高く、取り扱い性のよいガス拡散層用部材を実現することができる。
【００１３】
請求項４の発明に係る製造方法は、導電性多孔質体をインサート部品として射出成形することにより、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のガス拡散層用部材を製造することを特徴としている。
【００１４】
この発明によれば、樹脂部とガス拡散層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。
【００１５】
なお、固体高分子型燃料電池に用いられる代表的な燃料としては水素ガスとメタノール水溶液の２種類があり、メタノール水溶液を用いる場合には導電性多孔質体を流れる燃料は液体であるが、この部分は慣用的にガス拡散層と呼ばれている。ここでは、液体燃料を用いる場合も含めて、慣用に従いガス拡散層と呼んでいるのであって、気体燃料用に限定するものではない。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図１〜図５を参照して説明する。
図１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、面方向に間隔をおいて複数枚（本実施形態では４枚）並んで配置されたガス拡散電極１１と、このガス拡散電極１１の周囲を被覆する樹脂部１２と、ガス拡散電極１１に接続された接続用の端子部１３とを備えている。
【００１７】
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、その一方の面が電極面１１ａ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。そして、このガス拡散電極１１の周囲は、電極面１１ａと、ガス拡散電極１１とガス拡散層用部材１０外部とを連通させる連通面１１ｂとを除く面、すなわち電極面１１ａの背面１１ｃと、連通面１１ｂを除く側面１１ｄ，１１ｅ，１１ｆが樹脂部１２によって被覆されている。
なお、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。
【００１８】
樹脂部１２は、導電性および通気性のない樹脂（本実施形態では熱可塑性樹脂）からなり、ガス拡散電極１１および端子部１３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、これらガス拡散電極１１および端子部１３と一体に形成されている。
【００１９】
端子部１３は、導電性を有し通気性のない薄板状の金属部材であり、ガス拡散電極１１の背面１１ｃに、スポット溶接により接合されている。
【００２０】
図２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、燃料極Ａと空気極Ｂとが、電解質層２０を挟んで配置されている。
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。
【００２１】
燃料極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、樹脂部１２によって被覆されていない連通面１１ｂに、燃料の保持および供給用の燃料供給部４０が接続されている。また、ガス拡散層用部材１０は、電極面１１ａを電解質層２０に臨ませて配置されており、この電極面１１ａには触媒層Ｃが形成されている。触媒層Ｃ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することにより形成される。
【００２２】
空気極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、燃料極Ａのガス拡散電極１１と同じく金属粉末を焼結したシートからなりガス拡散電極１１にそれぞれ対向して配置された４枚のガス拡散電極３１と、燃料極Ａの樹脂部１２と同様の材料からなりガス拡散電極３１の周囲を囲んで面方向に延びる樹脂部３２と、燃料極Ａの端子１３と同様に各ガス拡散電極３１に接続された端子３３とを備えている。このガス拡散層用部材３０も、ガス拡散層用部材１０と同様に、ガス拡散電極３１の電解質層２０に臨む面（電極面３１ａ）に触媒層Ｃが形成されており、その背面３１ｂに端子３３が溶接されている。
【００２３】
端子１３，３３は、各ガス拡散電極１１，３１を電気的に接続する接続用の端子であるとともに、直列に接続された両端では燃料電池の正極あるいは負極となる端子であり、本実施形態では金属製薄板で形成され、ガス拡散電極１１，３１に対してスポット溶接、抵抗溶接、超音波接合等により固定されている。
【００２４】
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Ａのガス拡散電極１１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の多孔質部４１を燃料極Ａのガス拡散電極１１の連通面１１ｂに接触して配置させることにより、多孔質部４１に保持された燃料を、浸透圧によってガス拡散電極１１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１０，３０の樹脂部１２，３２とは、たとえば超音波接合により固定されている。
【００２５】
つまり、燃料極Ａおよび空気極Ｂのガス拡散電極１１，３１は、この固体高分子型燃料電池において、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。
【００２６】
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。
【００２７】
以上のように構成された燃料電池は、燃料供給部４０からガス拡散電極１１（燃料極Ａ）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３１（空気極Ｂ）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３１（空気極Ｂ）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３１の背面３１ｂ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。
【００２８】
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１０の外部に設けられた回路（図示せず）を、燃料極Ａ（ガス拡散電極１１）から端子１３および端子３３を介して空気極Ｂ（ガス拡散電極３１）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。
【００２９】
ここで、ガス拡散電極１１，３１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。
【００３０】
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５０を図３に示す。
【００３１】
グリーンシート製造装置５０において、まず、スラリーＳが貯蔵されたホッパー５１から、キャリアシート５２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５３によって搬送されており、キャリアシート５２上のスラリーＳは、移動するキャリアシート５２とドクターブレード５４との間で延ばされ、所要の厚さに成形される。
【００３２】
成形されたスラリーＳは、さらにキャリアシート５２によって搬送され、加熱処理を行う発泡槽５５および加熱炉５６を順次通過する。発泡槽５５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５６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。
【００３３】
このグリーンシートＧを、キャリアシート５２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（ガス拡散電極１１，３１）が得られる。
【００３４】
なお、ガス拡散電極１１，３１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。
【００３５】
また、樹脂部１２，３２は、ガス拡散電極１１，３１の周囲をシールするとともに、各ガス拡散電極１１，３１間を絶縁して一体に固定している。したがって、樹脂部１２，３２の材質としては、上記実施形態の熱可塑性樹脂の他、エラストマー（ゴムを含む）など、射出成形可能な材質で、かつ導電性および通気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、シール性を高めることができる。
【００３６】
また、電極反応による電子が各ガス拡散層１１，３１および端子１３，３３を流れるので、これらガス拡散層１１，３１および端子１３，３３は導電性に優れた材質で形成されている。腐食が問題となる場合には、これらの部材（ガス拡散層１１，３１および端子１３，３３）にステンレス鋼などの耐食材料を用いることが好ましい。
【００３７】
次に、本発明の一実施形態に係るガス拡散層用部材の製造方法について説明する。この方法は、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するものであり、ここでは、１つのガス拡散層用部材について、４つの導電性多孔質体をインサートするものとする。
【００３８】
まず、予め端子１３が溶接された４つの導電性多孔質体（ガス拡散電極）１１を、互いに面方向に間隔を空けて、図４に示す射出成形用金型６０の一対の型板６１，６２間に形成されたキャビティ６３内に配置しておく。
キャビティ６３内では、キャビティ６３内に突出するピン部材６４によって各導電性多孔質体１１を固定するとともに、各型板６１，６２によって各導電性多孔質体１１を挟持させ、射出される樹脂の圧力によってキャビティ内６３で導電性多孔質体１１が移動しないように固定する。
【００３９】
そして、型閉したキャビティ内６３に、ランナ６５からゲート６６を通じて射出した溶融樹脂６７を充填することにより、各導電性多孔質体１１の背面１１ｃおよび側面１１ｄ，１１ｅ，１１ｆに樹脂部１２が一体に形成される。
このとき、導電性多孔質体１１の一方の面１１ａには型板６１が接しているので、この面は樹脂に被覆されずに樹脂部１２から露出し、電極面１１ａとなる。また、同じく導電性多孔質体１１の側面１１ｂには型板６２が接しているので、この面も樹脂に被覆されずに樹脂部１２から露出し、連通面１１ｂとなる。
【００４０】
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。
【００４１】
また、導電性多孔質体１１の背面１１ｃおよび側面１１ｄ，１１ｅ，１１ｆに開口する気孔中、５μｍ〜１０００μｍ程度の深さまで溶融樹脂が入り込んで硬化することにより、導電性多孔質体１１と樹脂部１２とは強固に接合される。
【００４２】
なお、このような構造の成形金型では、ピン部材６４が背面１１ｃに当接した状態で射出成形が行われるので、背面１１ｃにガス拡散電極１１と外部とを連通させる貫通孔が形成されることになる。この貫通孔を、電極反応により生成した二酸化炭素の排出に用いることもできるが、この部分でのガス拡散電極１１と外部との連通を避けたい場合には、通気性のない箔などで背面１１ｃを覆って射出成形すればよい。
【００４３】
ここで、成形された樹脂部１２の外面（側面）に対して、端子１３は、その先端が一致している必要はなく、突出していても構わない。また、端子１３の先端まで溶融樹脂が回り込んだために樹脂部１２の外面に先端が露出していない場合、樹脂部１２を研削するなどすれば、端子１３先端を露出させることができる。
【００４４】
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、ガスシール効果およびアンカー効果が不十分となる虞がある。一方、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。
【００４５】
また、樹脂枠の材質は、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、かつ導電性および通気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。
【００４６】
なお、樹脂部１２および端子１３をいわゆる二色成形により成形することもできる。つまり、導電性樹脂を射出成形して端子１３を形成し、非導電性樹脂を射出成形して樹脂部１２を形成すればよい。
【００４７】
なお、以上の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、本発明のガス拡散層用部材は、図５に示すような構成であってもよい。このガス拡散層用部材７０は、ガス拡散電極７１と、このガス拡散電極７１の周囲を被覆する樹脂部７２と、ガス拡散電極７１に接続された接続用の端子部７３とを備えている。
【００４８】
ガス拡散電極７１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、その一方の面が電極面７１ａとされている。なお本実施形態でも、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。そして、このガス拡散電極７１の周囲は、電極面７１ａを除く面、すなわち電極面７１ａの背面７１ｃと、側面７１ｂ，７１ｄ，７１ｅ，７１ｆが樹脂部７２によって被覆されている。
【００４９】
この樹脂部７２のうち、側面７１ｂを覆う部分には、樹脂部７２を貫通してガス拡散電極７１とガス拡散層用部材７０の外部とを連通させる連通路７４が形成されている。連通路７４は、本実施形態では樹脂部７２の表面に形成した溝形状により形成したが、ガス拡散電極７１の側面７１ｂと樹脂部７２の外部とを連通させることができればよく、ピン穴のような形状などでもよい。
【００５０】
このガス拡散層用部材７０によって燃料極が構成された燃料電池では、連通路７４を通じて、燃料供給部からガス拡散電極７１へ燃料を供給したり、電極反応による生成物をガス拡散電極７１から排出させたりすることができる。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のガス拡散層用部材は、構成が単純で取り扱い性が良好であり、さらに多数の部材を一体としているので、燃料電池の小型化および生産性の向上を実現することができる。
【００５２】
また、本発明の製造方法によれば、ガス拡散電極と樹脂部とが強固に接続されるので、強度が高く、携帯機器の燃料電池にも好適なガス拡散層用部材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態に係るガス拡散層用部材を示す斜視図である。
【図２】 図１に示すガス拡散層用部材を用いた固体高分子型燃料電池の要部を示す断面図である。
【図３】 本発明のガス拡散層用部材のガス拡散電極に好適な導電性多孔質体の製造に用いるグリーンシート製造装置を示す模式図である。
【図４】 図１に示すガス拡散層用部材を製造するインサート成形における射出成形金型を示す断面図である。
【図５】 本発明の他の実施形態に係るガス拡散層用部材を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０，７０ ガス拡散層用部材
１１，７１ ガス拡散電極
１１ａ，７１ａ 電極面
１１ｂ 連通面
１１ｃ，７１ｃ 背面
１１ｄ，１１ｅ，１１ｆ、７１ｂ，７１ｄ，７１ｅ，７１ｆ 側面
１２，７２ 樹脂部
１３，７３ 端子部
３１ ガス拡散電極
７４ 連通路

Claims (4)

1. 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が、電解質層に臨む電極面とされたガス拡散電極と、該ガス拡散電極の周囲を被覆する樹脂部とを備え、固体高分子型燃料電池に用いられるガス拡散層用部材であって、
   前記ガス拡散電極の側面の一つが前記ガス拡散電極と前記ガス拡散層用部材外部とを連通させる連通面とされており、
   前記樹脂部が、前記ガス拡散電極のうち、前記電極面に対向する背面と、前記連通面を除く側面と、を被覆してい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。
2. 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が、電解質層に臨む電極面とされたガス拡散電極と、該ガス拡散電極の周囲を被覆する樹脂部とを備え、固体高分子型燃料電池に用いられるガス拡散層用部材であって、
   前記樹脂部には、前記ガス拡散電極の側面の一つと前記ガス拡散層用部材外部とを連通させる連通路が形成されており、
   前記樹脂部は、前記ガス拡散電極の前記電極面に対向する背面と、前記連通路部分を除いた側面とを被覆してい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。
3. 前記導電性多孔質体が発泡金属焼結シートであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガス拡散層用部材。
4. 前記導電性多孔質体をインサート部品として、インサート成形により前記樹脂部を形成し、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のガス拡散層用部材を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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