JP4889914B2

JP4889914B2 - 燃料電池用の多孔質板および燃料電池

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Publication number: JP4889914B2
Application number: JP2003147983A
Authority: JP
Inventors: 正弘和田; 博規上野
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2003-05-26
Filing date: 2003-05-26
Publication date: 2012-03-07
Anticipated expiration: 2023-05-26
Also published as: JP2004346411A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、三次元網目状の複数の空孔を有する燃料電池用の多孔質板および燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、電気や熱の伝導部材の接触面を考えた場合、通常、表面に多少の凹凸が存在するため、物理的に全ての面で接触させることは困難である。このため、そのままでは、接触面での電気抵抗あるいは熱抵抗が各部材自体の材料の物性値に比べ極めて大きくなる。これらの抵抗を低下させるためには、互いに接触する各部材を例えばボルトなどで圧力を加えて接触させることにより改善することができる。この場合、各部材の接触部に耐力以上の圧力を加え、その接触部に塑性変形を生じさせて接触面積の増加を図ることにより、上述した抵抗の低減を図ることができる。
【０００３】
しかし、接触面の全体に一定の圧力を加えることは極めて困難であることから、接触面における電気抵抗や熱抵抗を低減するのが難しいという問題があった。
【０００４】
この問題を解決するため、接触面に金属の多孔質板（多孔質シート）を挟み、電気的接続を良好にする試みがなされている（例えば、特許文献１および２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭５３−６１０８３号公報
【特許文献２】
特開昭５６−４８０７９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記金属の多孔質板は、特許文献１の第１図に示されているように、金属骨格が空孔を形成した構造になっていることから、その表面は金属骨格の端部がそのまま突出し不規則な凹凸を有する形状になっている。
そのため、比較的低い荷重で電気的導通は得られるものの、接触点の数が少なく、満足の行く低抵抗値は得られていない。
【０００７】
このため、発明者等は、上述した抵抗の低減を図るべく、鋭意、研究開発を重ねた結果、接触可能な面積が大きく、かつその面が接触すべき部材の面になじみやすい構造の多孔質板を見出し本発明に至った。
【０００８】
本発明は、上記研究開発によって得られたものであり、接触対象物との接触部の電気抵抗や熱抵抗の低減を図ることのできる多孔質板、特に、燃料電池用の多孔質板およびそれを用いた燃料電池を提供することを課題としている。
【０００９】
【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孔質板は、発泡作用によって形成された互いに連通する三次元網目状の複数の空孔を有する連続的な粉末焼結組織によって構成され、電解質膜の両側に積層された触媒膜と、セパレータとに挟まれて配設される燃料電池用の多孔質板であって、少なくとも上記セパレータ側の表面は、上記空孔に連通する複数の穴が開口し、当該穴の周囲が面一状の面状部によって形成されているとともに、上記セパレータ側の表面の全面積に対する上記面状部の面積の占める割合が３０〜８０％であり、かつ上記空孔の平均孔径が２０〜１０００μｍに形成され、気孔率が４０〜９９容量％に形成され、厚さが２５〜１０００μｍに形成されていることを特徴としている。
【００１１】
請求項２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に記載の燃料電池用の多孔質板と、セパレータとが順次積層された燃料電池であって、上記多孔質板は、上記セパレータの表面に拡散接合されており、上記セパレータの一方が酸化剤電極であって、他方が燃料電極であることを特徴としている。
【００１９】
請求項１に記載の燃料電池用の多孔質板においては、少なくともセパレータ側の表面に開口する複数の穴の周囲が面状部によって面状の広がりを有するように形成されているので、セパレータとの接触面積の増大を図ることができる。しかも、多孔質状に形成されていることから屈曲性等の柔軟性に優れており、各位置の面状部を、凹凸を有するセパレータの接触面に当接させるべく小さな変形圧力で容易に変形させることができる。
【００２０】
したがって、セパレータとの接触面積を容易に増大させることができるので、その接触部の電気抵抗や熱抵抗の低減を容易に図ることができ、燃料電池のガス拡散電極等々として利用することができる。
【００２２】
また、この燃料電池用の多孔質板においては、各穴を円形状および／または長円形状に形成することによって、面状部の面積を極力大きくすることができる。したがって、セパレータとの接触面積の増大を図ることができる。
【００２３】
また、面状部が面一状に形成されているので、セパレータの接触面が平滑な面の場合に、接触面積の向上を図る上で特に有効である。ただし、屈曲が容易であることから、円筒面等の滑らかに湾曲する面に対しても接触面積の向上を図ることができる。
【００２４】
また、表面側の全面積に対する面状部の面積の占める割合が３０〜８０％になっているので、屈曲性等の柔軟性に優れ、かつ接触面積の十分大きなものを得ることができる。
【００２５】
なお、上記割合を３０〜８０％としたのは、３０％未満では面状部の面積が小さくなるため、セパレータとの接触面積が十分得られなくなるからであり、８０％超では曲げ剛性が高くなって、屈曲性等の柔軟性が十分に得られなくなるからである。
【００２６】
さらに、空孔の平均孔径を２０〜１０００μｍ、気孔率を４０〜９９容量％、厚さを２５〜１０００μｍとすることによって、十分な屈曲性等の柔軟性が得られるとともに、強度的にも優れたものを得ることができる。
【００２７】
なお、空孔の平均孔径を２０〜１０００μｍとしたのは、２０μｍ未満にすることが最新の技術でも困難であるからであり、１０００μｍ超にすると、セパレータと接触しない部位の面積が大きくなり、当該セパレータとの接触抵抗値が安定しないおそれがあるからである。
【００２８】
また、気孔率を４０〜９９容量％としたのは、４０容量％未満にすると、強度的には向上するものの、曲げ剛性が高くなって十分な柔軟性が得られなくなるからであり、９９容量％超にすると、強度不足になるおそれがあるからである。
【００２９】
さらに、厚さを２５〜１０００μｍとしたのは、２５μｍ未満にすると、屈曲性等の柔軟性は十分に得られるものの、強度不足になるおそれがあるからであり、１０００μｍ超では曲げ剛性が高くなって十分な柔軟性が得られなくなるからである。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の多孔質板を燃料電池のガス拡散層（ガス拡散電極）に適用した一実施の形態および当該多孔質板の製造方法の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００４１】
（多孔質板の一実施の形態）
本発明の多孔質板を燃料電池のガス拡散層に適用した一実施の形態（請求項１〜６に記載の発明に対応）について、図１および図２を参照して説明する。
【００４２】
まず、上記燃料電池について説明する。この燃料電池は、図１に示すように、単位セルＵを複数積層させた固体高分子型燃料電池（PEFC）によって構成されている。各単位セルＵは、固体高分子の電解質膜１の両側に触媒層２、３をそれぞれ積層し、これらの触媒層２、３のそれぞれの外面にガス拡散層としての多孔質板６を介してさらにセパレータ４、５をそれぞれ積層した構成になっている。そして、各単位セルＵは、セパレータ４（５）を互いに重ね合わせたり、共有状態にしたりすることによって積層され、各セパレータ４、５の４隅部に対応する位置に連通するボルトによって連結されるようになっている。
【００４３】
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、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。また、触媒層２、３は、多孔質板６に直接スラリー状に塗布してもよい。
【００４４】
セパレータ４、５は、上記各単位セルＵ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。
【００４５】
一方のセパレータ４側の多孔質板６には、燃料が供給されるようになっており、また、他方のセパレータ５側の多孔質板６には、酸化剤ガスが供給されるようになっている。燃料としては、例えばほぼ１００％の水素ガスや、天然ガス、メタノール水溶液等が用いられる。また、酸化剤ガスとしては、一般に空気が用いられる。
【００４６】
上記のように構成された燃料電池においては、図１に示すような化学反応により電気エネルギを発生させることができる。この場合、燃料となる水素（H₂）が一方の触媒層２側の触媒Ａの作用で水素イオン（Ｈ⁺）と電子（ｅ^-）に分かれる反応が生じる。すなわち、
Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（１）
となる。
【００４７】
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^-→Ｈ₂Ｏ …（２）
の電気化学反応が生じ、水が生成される。そして、一方の触媒層２側の電子が一方の多孔質板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および多孔質板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と他方の触媒層３との境界部で発生することになる。
【００４８】
また、セパレータ４、５は、それぞれ耐食性金属としてのステンレス鋼（例えば、SUS316L）によって厚さが例えば０．２ｍｍの四角形状の平板状に形成されている。
【００４９】
多孔質板６は、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、互いに連通する三次元網目状の複数の空孔６ａを有する連続的な粉末焼結組織によって平板状に形成されている。
【００５０】
この多孔質板６の一方の表面６Ａは、各空孔６ａに連通する複数の穴６ｂが開口し、各穴６ｂの周囲が面一状の平面状に広がる面状部６ｃによって形成されている。各穴６ｂは、ほぼ円形状に形成され、かつ内部の空孔６ａの径より小径に形成されている。
【００５１】
また、多孔質板６は、その面状部６ｃを介して接触対象物としてのセパレータ４、５のそれぞれの表面（接触面）４ａ、５ａに拡散接合されている。ただし、多孔質板６は、その面状部６ｃをセパレータ４、５のそれぞれの表面４ａ、５ａに接合することなく、上述した単位セルＵを連結するボルトの軸力によって圧接させるようにしてもよい。
【００５２】
さらに、多孔質板６は、表面６Ａの全面積に対する面状部６ｃの面積の占める割合が３０〜８０％になっている。そして、空孔６ａの平均孔径が２０〜１０００μｍに形成され、気孔率が４０〜９９容量％に形成され、厚さが２５〜１０００μｍに形成されている。
【００５３】
また、多孔質板６における他方の表面６Ｂは、上記一方の表面６Ａと同様に形成されており、その面状部６ｃが比較的柔軟な触媒層３にフィットし、当該触媒層３との導電性の向上が図られている。ただし、多孔質板６の他方の表面６Ｂは、面状部６ｃを有さず、凹凸状に形成されたものであってもよい。この場合にも、その表面６Ｂの凸部が比較的柔軟な触媒層３にフィットすることになり、当該触媒層３との導電性を損なうことがない。
【００５４】
そして、多孔質板６は、上述したステンレス鋼の粉末を原料粉末（金属粉末）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６０（図３参照）を原料として焼成されたものである。上記原料粉末は、平均粒径が約１０μｍのもので構成されている。
【００５５】
上記のように構成された多孔質板６においては、表面６Ａ、６Ｂに開口する各空孔６ａの間が面状部６ｃによって面一の平面状に形成されているので、面状部６ｃの全体を、セパレータ４、５の各表面４ａ、５ａに均一にかつ確実に拡散接合することができ、これによって、各セパレータ４、５と多孔質板６との接合部の電気抵抗を低減することができる。また、各穴６ｂが円形状に形成されているので、面状部６ｃの面積を極力大きくすることができる。
なお、上述のように面状部６ｃを各表面４ａ、４ｂに拡散接合しない場合であっても、多孔質板６がその多孔質であるが故に柔軟性を有し、面状部６ｃの全体が小さな圧力でセパレータ４、５の各表面４ａ、５ａに密着した状態になるので、接触抵抗の低減を図ることができる。
【００５６】
また、表面６Ａまたは表面６Ｂの全面積に対する面状部６ｃの面積の占める割合が３０〜８０％になっているので、流体の流通性を良好な状態に維持することができるとともに、屈曲性等の柔軟性に優れ、かつ接触面積の十分大きな多孔質板６を得ることができる。
【００５７】
ここで、上記割合を３０〜８０％としたのは、３０％未満では面状部６ｃの面積が小さくなるため、接触対象物との接触面積が十分得られなくなるからであり、８０％超では、表面６Ｂにおける穴６ｂの開口面積が小さくなり過ぎて、触媒層２、３に対する流通性が低下するとともに、曲げ剛性が高くなって、柔軟性が低下することになるからである。
【００５８】
また、空孔６ａの平均孔径が２０〜１０００μｍ、気孔率が４０〜９９容量％、厚さが２５〜１０００μｍに形成されているので、流体の流通性を良好な状態に維持することができるとともに、十分な屈曲性等の柔軟性が得られ、かつ強度的にも優れたものを得ることができる。
【００５９】
ここで、空孔６ａの平均孔径を２０〜１０００μｍとしたのは、２０μｍ未満にすることが最新の技術でも困難であるからであり、１０００μｍ超にすると、セパレータ４、５と接触しない部位の面積が大きくなり、当該セパレータ４、５との接触抵抗値が安定しないおそれがあるからである。
【００６０】
気孔率を４０〜９９容量％としたのは、４０容量％未満にすると、強度的には向上するものの、曲げ剛性が高くなって屈曲性等の柔軟性が十分に得られなくなるからであり、９９容量％超にすると、強度不足になるおそれがあるからである。
【００６１】
厚さを２５〜１０００μｍとしたのは、２５μｍ未満にすると、屈曲性等の柔軟性は十分に得られるものの、流体の流通性が低下するとともに、強度不足になるおそれがあるからであり、１０００μｍ超では曲げ剛性が高くなって十分な柔軟性が得られなくなるからである。
【００６２】
さらに、多孔質板６は発泡性スラリー６０を原料として焼成された粉末焼結金属によって形成されているので、平面的な大きさや形状等の異なるものを自由に成形することができるとともに、屈曲性等の柔軟性に優れ強度的にも十分大きなものを得ることができる。
【００６３】
なお、上記実施の形態においては、セパレータ５や、発泡性スラリー６０の原料粉末として、ステンレス鋼のSUS316Lを用いた例を示したが、このセパレータ５や、発泡性スラリー６０の原料粉末としては、ハステロイ（登録商標）等の他の耐食合金を用いてもよい。
【００６４】
（多孔質板の製造方法の第１の実施の形態）
次ぎに、本発明の多孔質板の製造方法の第１の実施の形態（請求項１０に記載の発明に対応）を、図１〜図３を参照して説明する。
この多孔質板の製造方法の第１の実施の形態は、上記多孔質板６を製造する方法に係るものであり、まず、図３に示すように、上述した組成の発泡性スラリー６０を製造した後、当該発泡性スラリー６０をドクターブレード法を用いた成形装置Ｘによってセパレータ５の素材金属板５１上に塗工し、発泡、乾燥させる。なお、素材金属板５１は、帯状に長く形成されたものであり、所定の大きさに切断されることにより、各種の大きさのセパレータ４、５となるようになっている。
【００６５】
上記成形装置Ｘは、図３に示すように、ドクターブレード８、発泡スラリー６０のホッパ９、予備乾燥室１０ａ、恒温・高湿度槽１０、乾燥槽１１、素材金属板５１の巻き出しリール１２、同素材金属板５１の支持ロール１４、１５を備えた構成になっている。なお、上記予備乾燥室１０ａは、必要に応じて設けるように構成してもよい。
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素材金属板５１の上面（接触面）に連続的に供給する。これにより、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素材金属板５１上に均一な厚さに塗工される。
【００６６】
そして、発泡性スラリー６０が塗工された素材金属板５１を、まず必要に応じて予備乾燥室１０ａ内を通過させた後、恒温・高湿度槽１０内を連続的に移動させることによって、湿度が７５〜９５％、温度が３０〜４０℃、滞留時間が１０〜２０分の条件の下で上記発泡性スラリー６０をスポンジ状に発泡させる。さらに、乾燥槽１１を連続的に移動させることによって、温度が５０〜７０℃、滞留時間が５０〜７０分の条件の下で乾燥させて素材金属板５１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の厚さは、例えば約０．３ｍｍである。
【００６７】
この場合、グリーン板６１は、互いに連通する三次元網目状の複数の空孔６ａを有するとともに、素材金属板５１の上面側に開口する各穴６ｂの間が素材金属板５１の上面に沿うべく面一状の平面状に形成された面状部６ｃとなる。すなわち、発泡性スラリー６０に含まれる発泡剤の気化により気泡が形成され、その気泡周囲に金属粉末を含むスラリーが凝集することにより、焼成後の骨格となる部分が形成される。気泡は三次元に分布し、互いに接する配置を取り、また気泡は球形状に膨らもうとすることから、骨格はほぼ球形状の連通した気孔をもつ三次元網目状構造となる。
【００６８】
素材金属板５２側の下面には、発泡剤は球形状に膨らもうとすることから、各気泡に連通するほぼ円形状の複数の穴６ｂが形成される。ここで気泡が接していない部分は、素材金属板５２の表面に沿って平坦な面状部６ｃを形成するとともに、気泡の部分が空孔６ａになる。そして、上記気泡の一断面が表面の穴６ｂとして表れることから、当該穴６ｂの径は、気泡によって連通する空孔６ａの径より小さなものとなる。
また、素材金属板５２と発泡性スラリー６０の濡れ性を調整することにより、面状部６ｃの面積を調整することが可能である。
【００６９】
一方、グリーン板６１における素材金属板５２とは反対側の面である上面では、気泡が塗工されたスラリーの表面から突出した形で形成されるが、金属粉末を含むスラリーは表面張力により表面から突出することなく表面上で凝集するため、上記突出形状の気泡の周囲には面状に広がる面状部６ｃが形成されることになる。また、突出形状の気泡の部分は、当該気泡が乾燥により排除されることにより、空孔６ａに連通する穴６ｂになる。この場合も、穴６ｂの径は、上述した理由と同様の理由により、空孔６ａの径より小さくなる。
また、例えばドクターブレード８での塗工後、予熱温度を変更することにより、スラリー表面の粘性や表面張力を変えて、面状部６ｃの面積を調整することが可能である。
【００７０】
そして、上記素材金属板５１とグリーン板６１とからなる複合板を、連続的にスキン圧延（図示せず）してグリーン板６１の平坦性および厚さの均一性の向上を図った後、所定の長さごとに切断する。
次ぎに、切断により所定の大きさに形成された複合板をジルコニア製の平板状圧縮部材（図示せず）の間に挟んで、当該複合板に対して１０〜１００ｇ／cm²の押圧力が作用するように荷重を加える。これにより、グリーン板６１の面状部６ｃは素材金属板５１の上面に所定の圧力で押し付けられた状態になる。なお、上記押圧力は、上記荷重を、グリーン板６１における素材金属板５１側の全面積で割ることによって単純に計算した値である。また、上記平板状圧縮部材は、素材金属板５１やグリーン板６１と反応しないものであれば、ジルコニア以外の材質のものであってもよい。
【００７１】
そして、平板状圧縮部材によって押圧された複合板に対して、真空中において、４５０〜６５０℃、２５〜３５分の条件の下で、グリーン板６１におけるバインダー成分を除去する脱脂を行い、さらに真空中において、１２００〜１３００℃、５０〜７０分の条件の下に保持することにより、グリーン板６１から多孔質板６を焼成するとともに、面状部６ｃを素材金属板５１の上面に拡散接合する。
【００７２】
その後、多孔質板６を有する素材金属板５１を所定の大きさに切断することにより、所定の大きさのセパレータ４、５の各表面４ａ、５ａに接合された例えば０．１５ｍｍの厚さの多孔質板６が得られる。
【００７３】
上記のように構成された多孔質板の製造方法においては、セパレータ４、５の素材金属板５１の表面に塗工した発泡性スラリー６０を発泡させた後に乾燥させて素材金属板５１の上面にグリーン板６１を成形し、このグリーン板６１を焼結等することによって、多孔質板６を成形すると同時に、当該多孔質板６の面状部６ｃを素材金属板５１の上面に拡散接合することができる。
そして、多孔質板６が拡散接合された素材金属板５１を所定の大きさに切断することにより、所定の大きさのセパレータ５に接合された多孔質板６を得ることができる。
【００７４】
したがって、発泡性スラリー６０の塗工、発泡、乾燥、脱脂、焼結および多孔質板６の素材金属板５１への接合等を一つの素材金属板５１上で行うことができるので、製造工程の簡素化、製造時間の短縮等を図ることができる。よって、多孔質板６を簡単に製造することができるとともに、当該多孔質板６の製造コストの低減を図ることができる。
【００７５】
また、グリーン板６１を素材金属板５１の表面に押し付けながら加熱して多孔質板６に焼成しているので、その焼成の過程でグリーン板６１が素材金属板５１の表面に沿って収縮するのを防止することができる。したがって、多孔質板６に割れが生じるのを防止することができ、歩留まりの向上を図ることができる。しかも、グリーン板６１を素材金属板５１の表面に押し付けることによって、面状部６ｃと素材金属板５１との拡散接合を速やかに行わせることができる。
【００７６】
なお、上記実施の形態では、発泡性スラリー６０をドクターブレード法により素材金属板５１上に塗工するように構成したが、発泡性スラリー６０をスクリーン印刷により素材金属板５１上に塗工するようにしてもよい。この場合には、発泡性スラリー６０を所定の大きさの素材金属板５１上に塗工した後、上記と同様に予備乾燥（当該予備乾燥は必要に応じて実施することが好ましい）、発泡、乾燥、バインダ等の脱脂、焼結等を行うことにより、素材金属板５１上に多孔質板６を焼成することができる。なお、スクリーン印刷による場合は、所定の大きさに形成された後のセパレータ４、５の表面４ａ、５ａに発泡性スラリー６０を直接塗工するようにしてもよい。
【００７７】
（多孔質板の製造方法の第２の実施の形態）
次ぎに、本発明の多孔質板の製造方法の第２の実施の形態（請求項９に記載の発明に対応）を、図４を参照して説明する。
この多孔質板の製造方法の第２の実施の形態は、上記多孔質板６を製造する方法に係るものであり、まず、図４に示すように、上述した組成の発泡性スラリー６０を製造した後、当該発泡性スラリー６０をドクターブレード法を用いた成形装置Ｙ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。
【００７８】
上記成形装置Ｙは、図４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、予備乾燥室１０ａ、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の巻取リール１３、同キャリヤシート７の支持ロール１４、１５を備えた構成になっている。なお、上記予備乾燥室１０ａは、必要に応じて設けるように構成してもよい。
上記キャリヤーシート７は、必要に応じて、ＰＥＴ製のシートで構成し、例えば酸素ガス中プラズマ処理を行うことにより、水との接触角を２０〜７０度に調製することによって親水性の調整が図られている。
【００７９】
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。これにより、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上に均一な厚さに塗工される。
【００８０】
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、まず必要に応じて予備乾燥室１０ａ内を通過させた後、恒温・高湿度槽１０内を連続的に移動させることによって、湿度が７５〜９５％、温度が３０〜４０℃、滞留時間が１０〜２０分の条件の下で上記発泡性スラリー６０をスポンジ状に発泡させる。さらに、乾燥槽１１を連続的に移動させることによって、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の厚さは、例えば約０．３ｍｍである。
【００８１】
この場合、グリーン板６１は、互いに連通する三次元網目状の複数の空孔６ａを有するとともに、キャリヤシート７の上面側の面である下面に開口する各穴６ｂ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６ｃとなる。また、グリーン板６１の上面にも、上記下面と同様に穴６ｂおよび面状部６ｃが形成される。
【００８２】
そして、グリーン板６１をキャリヤシート７上に載置した状態において、連続的にスキン圧延（図示せず）してグリーン板６１の平坦性および厚さの均一性の向上を図った後、当該グリーン板６１をキャリヤシート７から分離する。
【００８３】
次ぎに、グリーン板６１の面状部６ｃをセパレータ５の素材金属板（図示せず）の少なくとも一方の表面（接触面）に重ね、この重ねられた複合板をジルコニア製の平板状圧縮部材（図示せず）の間に挟んで、上記複合板に対して１０〜１００ｇ／cm²の押圧力が作用するように荷重を加える。これにより、グリーン板６１の面状部６ｃは素材金属板の表面に所定の圧力で押し付けられた状態になる。
【００８４】
そして、上記平板状圧縮部材によって押圧された複合板に対して、真空中において、４５０〜６５０℃、２５〜３５分の条件の下で、グリーン板６１におけるバインダー成分を除去する脱脂を行い、さらに真空中において、１２００〜１３００℃、５０〜７０分の条件の下に保持することにより、グリーン板６１から多孔質板６を焼成するとともに、面状部６ｃを素材金属板の表面に拡散接合する。
【００８５】
その後、多孔質板６を有する素材金属板を所定の大きさに切断することにより、所定の大きさのセパレータ４、５の各の表面４ａ、５ａに接合された例えば０．１５ｍｍの厚さの多孔質板６を得ることができる。
【００８６】
上記のように構成された多孔質板の製造方法においては、グリーン板６１を素材金属板に押し付けながら、当該素材金属板およびグリーン板６１を加熱することによって、グリーン板６１を多孔質板６に焼成することができるとともに面状部６ｃを素材金属板に拡散接合することができる。したがって、グリーン板６１を単独で焼成して多孔質板６を得た後に、当該多孔質板６を素材金属板に拡散接合する場合に比べて、製造工程の簡素化、製造時間の短縮等を図ることができる。
【００８７】
また、この場合も、グリーン板６１を素材金属板の表面に押し付けながら焼結しているので、多孔質板６に割れが生じるのを防止することができるとともに、面状部６ｃと素材金属板との拡散接合を速やかに行わせることができる。
【００８８】
（多孔質板の製造方法の第３の実施の形態）
次ぎに、本発明の多孔質板の製造方法の第３の実施の形態（請求項７または８に記載の発明に対応）を説明する。
この多孔質板の製造方法の第３の実施の形態は、上記多孔質板６を製造する方法に係るものである。ただし、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Ｙによってキャリヤシート７上に塗工し、発泡、乾燥させるまでの工程は上記第２の実施の形態と同一である。
【００８９】
すなわち、キャリヤシート７上でグリーン板６１を連続的にスキン圧延した後、グリーン板６１をキャリヤシート７から分離するまでの工程は、上記第２の実施の形態と同一であるので説明を省略する。
【００９０】
そして、この第３の実施の形態では、上記キャリヤシート７から分離したグリーン板６１に対して、真空中において、４５０〜６５０℃、２５〜３５分の条件の下で、グリーン板６１におけるバインダー成分を除去する脱脂を行い、さらに真空中において、１２００〜１３００℃、５０〜７０分の条件の下に保持することにより、グリーン板６１から多孔質板６を焼成する。この焼結後の多孔質板６は、厚さが約０．２ｍｍである。
【００９１】
この多孔質板６をスキン圧延することにより平坦性および厚さの均一性の向上を図る。
以上により、表面６Ａ、６Ｂに穴６ｂおよび面状部６ｃを有する平板状の多孔質板６が完成する。
【００９２】
また、上記多孔質板６をセパレータ５の素材金属板に接合する場合には、次のようにして行う。
まず、多孔質板６をセパレータ４、５の素材金属板の少なくとも一方の表面（接触面）に重ね、この重ねられた複合板をジルコニア製の平板状圧縮部材（図示せず）の間に挟んで、当該複合板に対して１０〜１００ｇ／cm²の押圧力が作用するように荷重を加える。これにより、多孔質板６の面状部６ｃが素材金属板の表面に所定の圧力で押し付けられた状態になる。
【００９３】
そこで、真空中において、１１５０〜１３００℃、３０分間〜５時間の条件の下に保持することにより、多孔質板６の面状部６ｃを素材金属板の表面に拡散接合する。
【００９４】
その後、多孔質板６が接合された素材金属板を所定の大きさに切断することにより、所定の大きさのセパレータ４、５の各表面４ａ、５ａに接合された例えば約０．１８ｍｍの厚さの多孔質板６を得ることができる。
【００９５】
上記のように構成された多孔質板の製造方法においては、互いに連通する三次元網目状の複数の空孔６ａを有し、表面６Ａ、６Ｂに穴６ｂおよび面状部６ｃを有し、かつ粉末焼結金属で形成された多孔質板６を簡単に成形することができる。すなわち、屈曲性や強度性に優れ、かつ種々の大きさ、形状等の多孔質板６を簡単に製造することができる。
【００９６】
また、多孔質板６を素材金属板の表面に押し付けながら加熱することにより、多孔質板６の面状部６ｃと素材金属板の表面とを速やかに拡散接合することができる。そして、この場合、多孔質板６がすでに焼成されていて収縮することがないので、多孔質板６を押圧する荷重等の管理を厳密に行わなくても多孔質板６に割れが生じるのを防止することができる。
【００９７】
なお、上記のように多孔質板６を予め焼成した後に、セパレータ４、５の素材金属板に接合する場合には、そのセパレータ５としては、図５に示すように、それぞれの表面４ａ、５ａに溝４ｂ、５ｂを有するものを用いることも可能である。
【００９８】
また、穴６ｂとして円形状のものを示したが、上述した発泡によって長円形（楕円形）その他の環状形状の穴が形成されることもあり得る。しかし、このような環状形状の穴であって、その穴の周囲に面状部が形成されるので、接触対象物との接触面積を向上させる上で問題ない。
【００９９】
さらに、面状部６ｃとして面一状の平面状に形成したものを示したが、この面状部６ｃは接触対象物の表面に合う形状、例えば曲面状に形成したものであってもよい。ただし、面状部６ｃが平面状であっても、多孔質板６自体が柔軟性を有しているので、例えば円筒面状に湾曲する接触対象物の表面にも面状部６ｃを小さな圧力で容易に変形させて密接させることができる。
【０１００】
【実施例】
次ぎに、本発明の実施例を説明する。図６は、本発明の実施例を示す顕微鏡写真であって、上記多孔質板の製造方法の第３実施の形態で示した多孔質板の面状部とセパレータの表面との拡散接合の状態について示したものである。この図において、下方に位置する水平に配置されたものがセパレータであり、このセパレータの表面（上面）に、多孔質板における平面状の面状部が拡散接合されている。
また、図７は、比較例を示す顕微鏡写真であって、従来の多孔質板とセパレータの表面との拡散接合状態を示したものである。この図において、下方に位置する水平に配置されたものがセパレータであり、このセパレータの表面（上面）に、多孔質板における三角形状に突出した部分が拡散接合されている。
【０１０１】
本発明の実施例においては、多孔質板の表面に面状部が形成されていることから、この面状部がセパレータの表面に面状に当接した状態で拡散接合されていることが確認できる。
一方、比較例は、多孔質板の表面が不規則な形状の凹凸によって形成されていることから、その凸部の先端部がセパレータの表面に点状に当接した状態で拡散接合されていることが確認できる。
したがって、本発明の実施例を採用することにより、多孔質板とセパレータとの間の電気抵抗を比較例に比べて格段に低減することができる。
【０１０２】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の多孔質板によれば、少なくとも一方の表面に開口する複数の穴の周囲が面状部によって面状の広がりを有するように形成されているので、その面状部をセパレータの接触面に接触させることによって、当該セパレータとの接触面積の増大を図ることができる。しかも、多孔質状に形成されていることから屈曲性等の柔軟性に優れており、各位置の面状部を、凹凸を有するセパレータの接触面に当接させるべく小さな変形圧力で容易に変形させることができる。
【０１０３】
したがって、セパレータとの接触面積を容易に増大させることができるので、その接触部の電気抵抗や熱抵抗の低減を容易に図ることができる。
【０１０４】
また、この燃料電池用の多孔質板においては、各穴を円形状および／または長円形状に形成することによって、面状部の面積を極力大きくすることができる。したがって、セパレータとの接触面積の増大を図ることができる。
【０１０５】
さらに、面状部が面一状に形成されているので、セパレータの接触面が平滑な面の場合に、接触面積の向上を図る上で特に有効である。ただし、屈曲が容易であることから、円筒面等の滑らかに湾曲する面に対しても接触面積の向上を図ることができる。
【０１０６】
また、表面側の全面積に対する面状部の面積の占める割合が３０〜８０％になっているので、屈曲性等の柔軟性に優れ、かつ接触面積の十分大きなものを得ることができる。
【０１０７】
さらに、空孔の平均孔径を２０〜１０００μｍ、気孔率を４０〜９９容量％、厚さを２５〜１０００μｍとすることによって、十分な屈曲性等の柔軟性が得られるとともに、強度的にも優れたものを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の多孔質板の一実施の形態を示す図であって、当該多孔質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説明図である。
【図２】同多孔質板の要部斜視図である。
【図３】この発明の多孔質板の製造方法の第１の実施の形態において使用する成形装置の説明図である。
【図４】この発明の多孔質板の製造方法の第２の実施の形態において使用する成形装置の説明図である。
【図５】この発明の多孔質板の製造方法の第３の実施の形態において製造した多孔質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６】この発明の実施例を示す図であって、多孔質板の面状部とセパレータとの拡散接合状態を示す顕微鏡写真である。
【図７】この発明の実施例に対する比較例を示す図であって、従来の多孔質板とセパレータとの拡散接合状態を示す顕微鏡写真である。
【符号の説明】
４、５セパレータ（接触対象物）
４ａ、５ａ表面（接触面）
６多孔質板
６ａ空孔
６ｂ穴
６ｃ面状部
７キャリヤシート
６０発泡性スラリー
６Ａ、６Ｂ表面
Ｘ、Ｙ成形装置

Claims

発泡作用によって形成された互いに連通する三次元網目状の複数の空孔を有する連続的な粉末焼結組織によって構成され、電解質膜の両側に積層された触媒膜と、セパレータとに挟まれて配設される燃料電池用の多孔質板であって、
少なくとも上記セパレータ側の表面は、上記空孔に連通する複数の穴が開口し、当該穴の周囲が面一状の面状部によって形成されているとともに、上記セパレータ側の表面の全面積に対する上記面状部の面積の占める割合が３０〜８０％であり、かつ上記空孔の平均孔径が２０〜１０００μｍに形成され、気孔率が４０〜９９容量％に形成され、厚さが２５〜１０００μｍに形成されていることを特徴とする燃料電池用の多孔質板。
電解質膜の両側に、それぞれ触媒層と、請求項１に記載の燃料電池用の多孔質板と、セパレータとが順次積層された燃料電池であって、
上記多孔質板は、上記セパレータの表面に拡散接合されており、上記セパレータの一方が酸化剤電極であって、他方が燃料電極であることを特徴とする燃料電池。