JP4894131B2 - 固体高分子型燃料電池のガス拡散層用部材の製造方法 - Google Patents
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Description
また、接続板が締め付けねじにより取り付けられていることから、接続板と燃料極および空気極との接続状態を長期にわたって維持することが困難であるという問題もあった。
請求項1に係る発明は、三次元網目構造を有する導電性多孔質体と、該導電性多孔質体に電気的に接続された集電体とを備え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であって、前記集電体は面方向に延びる二次元網目構造を有する、エキスパンドメタル若しくは金網からなり、該二次元網目の内側に、金属粉末、発泡剤、有機バインダおよび溶媒等が混合されてなるスラリーを充填し、その後、前記スラリーを加熱して前記発泡剤を発泡させ発泡体を形成した後に、該発泡体を乾燥および脱脂し、その後、前記発泡体を焼成して、前記二次元網目に接合された導電性多孔質体を形成することを特徴とする。
まず、本発明の固体高分子型燃料電池のガス拡散層用部材10の製造方法により製造されるガス拡散層用部材について図1に従い説明する。
ところで、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。
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の外周縁を被覆する樹脂部12と、ガス拡散電極11に接続された接続用の端子部13とを備える概略構成とされている。
エキスパンドメタルの場合、図2においてLW値が約3.0mm、SW値が1.0mm、W値が0.6mm,厚さが0.2mmとされ、また、金網の場合、線径が0.05mmで50メッシュ〜300メッシュとされている。
この燃料電池20は、一対のガス拡散層用部材10,10と、これら一対のガス拡散層用部材10,10の電極面10a,10aに挟まれた電解質層30と、燃料極Aとしての一方のガス拡散層用部材10に燃料を供給する燃料供給部40とを備える概略構成とされている。電解質層30は、例えばフッ素樹脂系の高分子電解質膜で形成され、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。なお、一対のガス拡散層用部材10,10のうち他方は空気極Bとされている。
この方法は、端子部13,多孔質体14,および集電体15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10について、4組の端子部13,多孔質体14,および集電体15をインサートするものとする。
このインサート成形用金型装置40は、可動金型面41aと固定金型面42aとが互いに対向するように配設された一対の可動金型41と固定金型42とを備える概略構成とされ、可動金型41が固定金型42に向かって進退可能に支持された構成となっている。そして、可動金型41が固定金型42に向って前進移動し型締め状態になると、各金型面41a,42a間にキャビティ43が形成されるようになっている。なお、図示はしていないが、前記インサート部品を金型面41a,42aの表面に沿った方向に位置決めするための位置決めピンが、可動金型面41aの表面に出没可能に支持されている。
ここで、多孔質体14の厚さと集電体15の厚さとの総和は、型締め時に形成されるキャビティ43の深さ(型開閉方向の大きさ)より大きくされ、具体的には、集電体15の厚さ以下の大きさだけ、キャビティ43の深さより大きく設定されている。
以上により、電気抵抗の小さい、高出力の固体高分子型燃料電池20を実現することができる。
したがって、集電体15が多孔質体14の表面に食い込まれていることと相俟って、多孔質体14と集電体15との間の電気抵抗を最小限に抑制することができ、さらなる固体高分子型燃料電池20の高出力化を図ることができるとともに、この電池20の長寿命化を図ることができる。なお、樹脂部12が配設されていることにより、この樹脂部12のみを加工し、装置固定用の穴等の形状を容易に付与することができる。
特に、集電体15としてパンチングメタルを採用した場合には、パンチングメタルの製造プロセス上、集電体15の表裏面のうち一方の表面における、貫通孔の開口縁部が、この表面から突起することになる。したがって、多孔質体14の表面に、集電体15を、前記一方の表面が対向するように配置した状態で、これらを圧縮すると、集電体15を多孔質体14の表面に良好に食い込ませることができる。
例えば、樹脂部12の材質として前記実施形態では、熱可塑性樹脂を採用した構成を示したが、これに限られるものではない。すなわち、樹脂部12は、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、適宜選択することが可能である。軟質な樹脂を用いれば、シール性を高めることができる。
また、ガス拡散層用部材10を用いて固体高分子型燃料電池を形成するに際して、この部材10の集電体15が配設されている表面を電極面11aとすることも可能である。
まず、この製造方法を実施するための製造装置の概略構成について図8および図9に従い説明する。この装置は、スラリーSが充填されたスラリー槽31と、スラリー槽31の上端開口部より上方に配設された掻き取り部材32と、スラリーSを発泡させて発泡体を形成する図示しない発泡槽と、前記発泡体に乾燥処理を施す図示しない乾燥炉と、該乾燥処理された発泡体を押圧する図示しない押圧ロールと、該押圧された発泡体を脱脂、焼成する焼成炉部と、長尺の集電体15を走行させる図示しない集電体走行手段とを備える概略構成とされている。集電体走行手段は、長尺の集電体15が巻回された図示しない複数のローラを備えており、この集電体15が以上の装置の各構成要素31、32・・・を連続的に順次通過させられるようになっている。
前記焼成炉部は、発泡体を脱脂する図示しない脱脂炉と、脱脂された発泡体を焼成する焼成炉33とを備え、焼成炉33の内部には、発泡体を加熱する通電ロール部34が配設された構成となっている。
通電ロール部34は、焼成炉33内に走行状態にある集電体15の幅方向に延びる水平な回転軸回りに回転可能に支持されるとともに、集電体15の前記網目内に充填された前記発泡体と接して、これに電流を流す、すなわち通電加熱する一対の通電ロール34Aと、該通電ロール34Aに電流を供給する電源34Bとを備える概略構成とされている。通電ロール34Aは、集電体15の走行方向Fに対して複数箇所(図9の例では、走行方向Fに対して前側および後側の2箇所)に設けられ、それぞれのロール34A・・・は集電体15および前記発泡体の表裏面にその幅方向全域に亙って接するようになっている。
まず、図8に示すように、スラリーSが充填されたスラリー槽31の下部からこの槽31の内部に長尺の集電体15を進入させ、その後この集電体15を上方へ移動させて、スラリー槽31の上端開口部から集電体15を引出す。この際、長尺の集電体15の表裏面にスラリーSが肉盛状態で付着する。そして、この集電体15をさらに上方へ移動させることにより、スラリー槽31の上端開口部より上方に配設された一対の掻き取り部材32の先端によって、前記肉盛状態で付着されたスラリーSを掻き取る。
その後、発泡されたスラリーS(以下、単に発泡体という)を有する集電体15をさらに走行させて前記乾燥炉を通過させる。この乾燥炉においては、その内部が例えば遠赤外線ヒータランプにより30℃〜150℃に加熱されるとともに、その内部に前記ヒータランプによる加熱温度と略同温とされた乾燥エアが供給されている。この環境下において、前記発泡体は乾燥され、前記発泡により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となる。
その後、厚さや気孔率が調整された発泡体を有する集電体15をさらに走行させて前記焼成炉部を通過させる。この際にまず前記脱脂炉を通過させる。この脱脂炉においては、その内部が400℃〜700℃に設定されるとともに、スラリーSの含有する金属粉末がSUS316L粉末、あるいはTi粉末の場合は還元雰囲気若しくは真空雰囲気とされている。
なお、前記実施形態では、ガス拡散層用部材10を製造する際に、前記乾燥炉により前記発泡体を乾燥させた後、前記焼成炉部により脱脂、焼成する前に、前記押圧ロールにより、前記発泡体を押圧したが、この押圧は必要に応じて実施すれば足りるものであって、必ず実施しなければならないものではない。また、本実施形態の製造方法では、多孔質体14の表面に集電体15を食い込ませる形態として、図1および図7に示す形態の他に、多孔質体14の厚さが集電体15の厚さ以下とされた形態や、多孔質体14の内部に集電体15が完全に埋没された形態も実現することができる。
11a 電極面
12 樹脂部
14 導電性多孔質体
15 集電体
20 固体高分子型燃料電池
41a、42a 金型面
43 キャビティ
46 溶融樹脂
Claims (2)
- 三次元網目構造を有する導電性多孔質体と、該導電性多孔質体に電気的に接続された集電体とを備え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であって、
前記集電体は面方向に延びる二次元網目構造を有する、エキスパンドメタル若しくは金網からなり、
該二次元網目の内側に、金属粉末、発泡剤、有機バインダおよび溶媒等が混合されてなるスラリーを充填し、
その後、前記スラリーを加熱して前記発泡剤を発泡させ発泡体を形成した後に、
該発泡体を乾燥および脱脂し、
その後、前記発泡体を焼成して、前記二次元網目に接合された導電性多孔質体を形成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。 - 請求項1記載の固体高分子型燃料電池のガス拡散層用部材の製造方法において、
前記発泡体を焼成して前記導電性多孔質体を形成するに際し、前記発泡体を通電加熱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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