JP4873334B2 - 燃料電池用セルおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、アノードおよびカソードである多孔質金属体を支持体で支持した燃料電池用セルおよびその製造方法に関するものである。

近年、地球環境を保全するための種々の法的規制や対策が行われており、その一つとして自動車の排気ガスの規制強化が推進されている。排気ガスの規制強化に対する技術として、ディーゼルエンジン車などに組み込まれ微細粒子などを除去して排気ガスを浄化する黒煙除去装置（以下、ＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）と称する。）がある。

ＤＰＦ１は、図１に示すように、排気ガスの流入口１１１と微細粒子などが除去された排気ガスの排出口１１２を有する略円筒形の金属容器１１と濾過用部材１２から構成されている。濾過用部材１２は、フィルターとして機能する平板状の多孔質金属体１２２と多孔質金属体１２２を保持するとともに排気ガスが流通する流通口である開口部１２４を有する金属製の支持体１２１からなり、支持体１２１の開口部１２４を塞ぐように多孔質金属体１２２が支持体１２１に接合されている。ＤＰＦ１は、この濾過用部材１２が金属容器１１の内部に複数個積層された構造となっている。ここで、排気ガス中の微小粒子を漏れなく除去するためには、多孔質金属体１２２と支持体１２１の接合部に隙間がないようにする必要がある。

環境保全対策の一つとして太陽光エネルギーやバイオマス等のクリーンなエネルギーを生み出す技術の開発が進められている。その技術の一つとして燃料電池がある。燃料電池には、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池、（ＭＣＦＣ）、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）等がある。ＤＭＦＣで水素とメタノールを化学反応させるセルの構造を図２に示す。セル２は、燃料としてのメタノールを吸収保持するアノード（燃料極）２２ａと、酸素を供給するカソード(空気極)２２ｂと、メタノールから分離された水素が移動する電解質膜２９とを有し、該電解質膜２９を介してアノード２２ａとカソード２２ｂが組合わされ、さらに、アノード２２ａやカソード２２ｂはセル２の組立性を考慮し支持体２１に接合された構成となっている。ここで、メタノールの保持性及び機械的強度の面から有利な多孔質金属体をアノード２２ａやカソード２２ｂとして使用することが検討されている。この場合、燃料となる水素やメタノールが漏れてアノード２２ａに保持された触媒等を害しないように多孔質金属体であるアノード２２ａやカソード２２ｂと支持体２１とを接合する必要がある。

この、多孔質金属体と支持体の接合技術の一例が、下記特許文献１（特開２００４−１３９８２７号公報）、特許文献２（特開２００２−２８９１６６号公報）に開示されている。

特許文献１の接合方法は、図３に示すように、燃料電池の拡散層とセパレータを一体化し軽量化を測るために、多孔質金属体３２と支持体である金属の平板３１を重ね合せ、多孔質金属体３２の側からレーザーを照射して、多孔質金属体３２と平板３１とを接合するものである。この方法によれば、燃料または酸化剤の通過する開口部３４の周囲にレーザー光を照射して多孔質金属体３２と平板３１とを接合し開口部３４の周囲に連続して接合部３３を形成することにより、開口部３４から流入した流体は接合部３３から漏れることなく多孔質金属体３２のみを流通するという利点があるが、レーザーが照射された接合部３３が溶融してしまう。したがって、この技術を上記構成の部材に適用した場合には多孔質金属体の有効体積が減少するとともに、使用中の応力等で接合部から破損する問題が生じる。

また、特許文献２の接合方法は、図４に示すように、接合体の変形を抑え、接合強度を上げるために多孔質金属体４２と支持体である金属の平板４１を重ね合せ、金属の平板４１の側からレーザーでスポット溶接する方法である。この接合方法によれば、多孔質金属体４２には必要最小の熱のみが伝わるため、多孔質金属体４２が溶融し難く、多孔質金属体４２にダメージを与えることなく多孔質金属体４２と平板４１とを接合することができる。しかしながら、多孔質金属体４２と平板４１の接合部４３はスポット溶接で間欠的に形成されたものであるため、多孔質金属体４２と平板４１の間に隙間４８ができてしまう。したがって、本技術を上記構成の部材に適用した場合には、隙間から流体が漏れ、多孔質金属体を通過しない流体が生じる可能性がある。
特開２００４−１３９８２７号公報 特開２００２−２８９１６６号公報

本発明は、上記従来の技術の問題点を鑑みてなされたものであり、アノードやカソードを構成する多孔質金属体の損傷を防止して多孔質金属体の有効体積や強度を確保しつつ燃料や酸化剤などの流体が漏れることが少ない燃料電池用セルおよびその製造方法を提供することを目的としている。

本発明の一態様は、相対する二つの面を備える一枚の平板状の多孔質金属体と、一面と当該一面に対向する他面を備えるとともに両面に開口して流体が流通する開口部を備えた平板枠状の金属からなる第１の支持体および第２の支持体とを備えた部材を二組と、電解質膜とを有する燃料電池用セルであって、前記二組の部材それぞれにおいて、前記第１の支持体の他面側の開口部が前記多孔質金属体によって塞がれるよう、前記第１の支持体は他面を前記多孔質金属の一方の面に接して配置され、前記第２の支持体の他面側の開口部が前記多孔質金属体によって塞がれるよう、前記第２の支持体は他面を前記多孔質金属の他方の面に接して配置され、さらに、前記二組の部材はそれぞれ、前記多孔質金属体の一方の面において当該多孔質金属体と前記第１の支持体とが溶融接合されてなる第１の接合部と、前記多孔質金属体の他方の面において当該多孔質金属体と前記第２の支持体とが溶融接合されてなる第２の接合部とを有し、前記第１の接合部は、前記多孔質金属体の一方の面において前記開口部の周囲に枠状に配設されているとともに第１の支持体の一面側から第１の支持体をレーザー加熱して当該第１の支持体と多孔質金属体とを溶融接合することにより形成され、前記第２の接合部は、前記多孔質金属体の他方の面において前記開口部の周囲に枠状に配設されているとともに第２の支持体の一面側から第２の支持体をレーザー加熱して当該第２の支持体と前記多孔質金属体とを溶融接合することにより形成されており、前記二組の部材は、その第２の支持体の一面同士が相対するように配置され、前記電解質膜は、アノードとして機能する一方の部材の多孔質金属体とカソードとして機能する他方の部材の多孔質金属体において各々の他方の面に密着するように前記二組の部材の各々の第２の支持体の開口部に組み込まれている燃料電池用セルである。かかる態様の燃料電池用セルによれば、多孔質金属体と第１の支持体および第２の支持体の各接合部は枠状に配設されている。したがって、アノードとして機能する多孔質金属体に供給された燃料は各接合部の枠状に囲まれた領域から漏れず、電解質膜に触れることとなる。一方でカソードとして機能する多孔質金属体に供給された酸化剤も各接合部の枠状に囲まれた領域から漏れず、電解質膜に触れる。そして、電解質膜に触れた燃料から分離した水素は、当該電解質膜を透過し酸化剤と反応して発電する。また、接合部は支持体を加熱して多孔質金属体の一方の面と溶融接合することにより形成されているので多孔質金属体の損傷が少ない。

本発明によれば、上記した本発明の課題を解決することができる。

本発明について、その実施の態様に基づき図面を参照しつつ説明する。図５は、本発明に関連する第１参考実施態様の多孔質金属体と金属製支持体とが接合されてなるＤＰＦで使用される濾過用の部材の正面から見た断面図および平面図、図６は本発明に係る第１実施態様の多孔質金属体と金属製支持体とが接合されてなるＤＭＦＣで使用される電極用の部材の一部断面を表示した斜視図、図７は本発明の参考例である第２参考実施態様の多孔質金属体と金属製支持体とが接合されてなる浄水器で使用される濾過用の部材の斜視図、図８は図５の部材の製造方法を説明するための図である。なお、上記で説明した構成要素と同様なものについては同一符号を付し、詳細な説明を省略する。

［参考実施態様１］
本発明に関連する第１参考実施態様の部材６２は、図１を用いて説明したＤＦＰ１に組込まれるものであり、図５に示すように、フィルターとしての略平板状の多孔質金属体１２２と、該多孔質金属体１２２を支持するとともに中央部に排気ガスが流通する開口部１２４とを備えた略平板状の金属製の支持体１２１と、多孔質金属体１２２と支持体１２１とが接合されてなる接合部６２３とを有している。

多孔質金属体６２は、ＳＵＳ３１６を主体とした複数の金属粒子１２２１が焼結されてなる骨格の間に多数の空孔１２２２を有するものであり、ＤＰＦ１の流入口１１１から多孔質金属体６２に流入した排気ガスの中の微小粒子は該空孔１２２２で捕捉され、排気ガスから除去され、微小粒子が除去された排気ガスが排気口から排出されるという構成となっている。なお、多孔質金属体６２の形状は図示に限られることなく、例えば円形状、楕円形状その他目的に合わせて種々の形状を採用することができる。

ここで、多孔質金属体６２は、焼結法、発泡法または加圧鋳造法などで製造される。例えば焼結法は、ＳＵＳ３１６の金属粒子にパラフィンワックス粒子を混合し、目的の形状にプレス成型し、焼結することによりパラフィンワックス粒子を消失させて金属粒子１２２１からなる骨格と多数の空孔１２２２からなる多孔質金属体を得るというものである。焼結法によれば、ラメラー構造やハニカム構造等の複雑な構造を有する多孔質金属体であっても容易に形成できるという利点がある。なお、金属粒子の材質や大きさは、除去する物質や通過する流体などに応じ、耐久性やコスト等の条件に合わせて選択することが可能である。

支持体１２１の材質は、ＳＵＳ３１６で形成されている多孔質金属体１２２との熱的な接合性を考慮してＳＵＳ３０４を採用し、準備した平板状のＳＵＳ３０４からなる基体の中央部を例えば打抜きや機械加工等で除去して開口部１２４を形成した。なお、後述するように、多孔質金属体１２２と支持体１２１を接合する際には、支持体１２１の側（断面図において上方側）からレーザーを照射し支持体１２１を加熱し、厚み方向において支持体１２１を溶融するとともに多孔質金属体１２２と支持体１２１を溶融接合する。したがって、支持体１２１が速やかに溶融するように支持体１２１の厚みは多孔質金属体１２２の厚みより薄いことが望ましい。

多孔質金属体１２２と支持体１２１の接合部６２３は、平面図に示すように、ハッチングで示す閉じられた領域６２５を形成するように開口部１２４の周囲に枠状に配設されているとともに、断面図に示すように、支持体１２１の側から溶融接合されている構成である。このような構成とすることにより、開口部１２４から流入した排気ガスは接合部６２３から漏れることなく、多孔質金属体１２２のみを通過するので微小粒子が除去されない排気ガスが排出されることを防止できる。さらに、接合部６２３は支持体１２１の側から溶融接合されているという構成をとったので、多孔質金属体１２２にダメージを与えることが少ない。なお、接合部６２３は、図示のように支持体１２１の表面から多孔質金属体１２２と支持体１２１との接合面まで連続的に溶融している必要はなく、支持体１２１の厚み方向において途中から溶融している状態であってもよい。

［実施態様１］
本発明に係る第１実施態様の部材７は、図２を用いて説明したＤＭＦＣ２に組込まれるものであり、図６に示すように、メタノールの保持させる多孔質金属体である略平板状のアノード７２ａと、供給された空気を通過させるとともに、空気中の酸素イオンと電解質膜を透過した水素イオンが反応した時に生成される水を通過させる多孔質金属体である略平板状のカソード７２ｂと、アノード７２ａ、カソード７２ｂを支持するとともに中央部に電解質膜２９が組み込まれる開口部７４を備えた略平板状の金属製の支持体７１と、アノード７２ａ、カソード７２ｂそれぞれと支持体７１とが接合されてなる接合部７３とを有している。支持体７１は、アノード７２ａ、カソード７２ｂそれぞれを挟むように配置されている。ここで、接合部７３は、図５の部材６２と同様に、ハッチングで示す閉じられた領域７５を形成するように配設されている。

アノード７２ａ、カソード７２ｂを構成する多孔質金属体は、ＳＵＳ３１６を主体とした複数の金属粒子が焼結されてなる骨格の間に多数の空孔を有するものである。支持体７１の材質は、ＳＵＳ３１６で形成されている多孔質金属体との接合性とエタノール等への耐久性を考慮してＳＵＳ３１０を採用し、準備した平板状のＳＵＳ３１０からなる基体の中央部を例えば打抜きや機械加工等で除去して開口部７４を形成した。

［参考実施態様２］
本発明の参考例である第２参考実施態様の部材８は、汚水を浄水化する浄水器のフィルターとして用いられる物であり、図７に示すように、水を濾過するための円柱状の多孔質金属体８２と、該多孔質金属体８２を支持するとともに中央部に濾過される水が通過する開口部８４とを備えた円筒状の金属製の支持体８１と、支持体８１の両端において多孔質金属体８２と支持体８１とが接合されてなる接合部８３とを有している。この接合部８３も上記と同様に、ハッチングで示す閉じられた領域８５を形成するように配設されている。したがって、この部材に供給された汚水は接合部８３から漏れることなく全て多孔質金属体８２を通り、汚水の中の異物は除去され浄水化されることとなる。

図５の濾過用部材６２の製造方法について図８を参照し説明する。図８において、符号５は多孔質金属体１２２と支持体１２１とを溶融接合するレーザー溶接装置であり、符号５１はレーザー発振部、符号５２はレーザー発振部５１で発振されたレーザーを集光する光学レンズ等などが組込まれたレーザー照射部、符号５３はレーザー照射部５２から照射されたレーザーである。レーザー溶接装置５は、図示しないレーザー走査経路を制御する手段を有し、所定の経路でレーザーを走査することができる。なお、レーザー５３としては、ＹＡＧレーザー、半導体レーザー、炭酸ガスレーザー等又はそれらの組み合わせを目的に合わせて適宜使用することができる。

図８に示すように、開口部１２４がほぼ中央になるように多孔質金属体１２２と支持体１２１を重ね合わせ、支持体１２１の側すなわち上方から、多孔質金属体１２２の外周縁部において始点と終点が一致するように、開口部１２４の周囲に枠状に連続的にレーザー５３を走査しながら照射する。レーザー５３が照射された支持体１２１は、厚み方向において支持体１２１の表面から溶融し、最終的に多孔質金属体１２２との接合面も溶融し、支持体１２１と多孔質金属体１２２面とが接合される。このように、多孔質金属体１２２を直接レーザー５３で加熱しないようにしているので、適宜な加熱条件を設定することにより極めて損傷の少ない状態で多孔質金属体１２２を支持体１２１に接合することができる。

黒煙除去装置の概略構成図である。 ＤＭＦＣ型燃料電池のセルの概略構成図である。 従来の多孔質金属体と支持体の接合技術を説明する図である。 従来の別の多孔質金属体と支持体の接合技術を説明する図である。 本発明に関連する第１参考実施態様の部材の概略構成図である。 本発明に係る第１実施態様の部材の概略構成図である。 本発明の参考例である第２参考実施態様の部材の概略構成図である。 図５の部材の製造方法を示した説明図である。

１ 黒煙除去装置
１１ 金属容器
１２（６２） 濾過用部材
１１１ 流入口
１１２ 流出口
１２１（６２１） 支持体
１２２（６２２） 多孔質金属体
６２３ 接合部
１２４（６２４） 開口部
２（７） 燃料電池用セル
２１（７１） 支持体
２２ａ（７２ａ） アノード（多孔質金属体）
２２ｂ（７２ｂ） カソード（多孔質金属体）
７３ 接合部
２９ 電解質膜
８ 浄水器用フィルター部材
８１ 支持体
８２ 多孔質金属体
８３ 接合部
８４ 開口部
５ レーザー加工機
５１ レーザー発振部
５２ レーザー光学系
５３ レーザー

Claims (2)

1. 相対する二つの面を備える一枚の平板状の多孔質金属体と、一面と当該一面に対向する他面を備えるとともに両面に開口して流体が流通する開口部を備えた平板枠状の金属からなる第１の支持体および第２の支持体とを備えた部材を２組と、電解質膜とを有する燃料電池用セルであって、
   前記二組の部材それぞれにおいて、前記第１の支持体の他面側の開口部が前記多孔質金属体によって塞がれるよう、前記第１の支持体は他面を前記多孔質金属の一方の面に接して配置され、前記第２の支持体の他面側の開口部が前記多孔質金属体によって塞がれるよう、前記第２の支持体は他面を前記多孔質金属の他方の面に接して配置されており、
   さらに、前記二組の部材はそれぞれ、前記多孔質金属体の一方の面において当該多孔質金属体と前記第１の支持体とが溶融接合されてなる第１の接合部と、前記多孔質金属体の他方の面において当該多孔質金属体と前記第２の支持体とが溶融接合されてなる第２の接合部とを有し、
   前記第１の接合部は、前記多孔質金属体の一方の面において前記開口部の周囲に枠状に配設されているとともに第１の支持体の一面側から第１の支持体をレーザー加熱して当該第１の支持体と多孔質金属体とを溶融接合することにより形成され、前記第２の接合部は、前記多孔質金属体の他方の面において前記開口部の周囲に枠状に配設されているとともに第２の支持体の一面側から第２の支持体をレーザー加熱して当該第２の支持体と前記多孔質金属体とを溶融接合することにより形成されており、
   前記二組の部材は、その第２の支持体の一面同士が相対するように配置され、
   前記電解質膜は、アノードとして機能する一方の部材の多孔質金属体とカソードとして機能する他方の部材の多孔質金属体において各々の他方の面に密着するように前記二組の部材の各々の第２の支持体の開口部に組み込まれている燃料電池用セル。
2. 相対する二つの面を備える一枚の平板状の多孔質金属体と、一面と当該一面に対向する他面を備えるとともに両面に開口して流体が流通する開口部を備えた平板枠状の金属からなる第１の支持体および第２の支持体とを備えた部材を二組と、電解質膜とを有する請求項１に記載の燃料電池用セルの製造方法であって、前記部材を構成する前記多孔質金属体の一面と前記支持体の他面とを重ね合わせ、始点と終点が一致するように前記支持体の側から当該支持体に連続的に枠状にレーザーを照射して接合部を形成する燃料電池用セルの製造方法。
   

Images