WO2007119695A1 - 電極、燃料電池用電極、燃料電池および電極の製造方法 - Google Patents

電極、燃料電池用電極、燃料電池および電極の製造方法 Download PDF

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WO2007119695A1
WO2007119695A1 PCT/JP2007/057750 JP2007057750W WO2007119695A1 WO 2007119695 A1 WO2007119695 A1 WO 2007119695A1 JP 2007057750 W JP2007057750 W JP 2007057750W WO 2007119695 A1 WO2007119695 A1 WO 2007119695A1
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WO
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metal
fiber sheet
metal fiber
fuel cell
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PCT/JP2007/057750
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Toru Shiraishi
Akihiro Katsuya
Osamu Yamashita
Hidekazu Kimura
Hiroshi Kajitani
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Nhk Spring Co., Ltd.
Nec Corporation
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    • Y10T156/1052—Methods of surface bonding and/or assembly therefor with cutting, punching, tearing or severing
    • Y10T156/1062—Prior to assembly

Definitions

  • Electrode electrode for fuel cell, fuel cell, and method for producing electrode
  • the present invention relates to an electrode structure suitable for a fuel cell, and more particularly to a structure in which a thin plate metal is bonded onto a metal fiber sheet and a method for manufacturing the same.
  • the present invention also relates to a fuel cell using the fuel cell electrode having this structure.
  • a fuel cell electrode one using a mesh or a porous electrically conductive member having air permeability is known. This is because the fuel and the oxidant are efficiently supplied to the catalyst by making the electrodes breathable.
  • a metal fiber sheet obtained by molding metal fibers into a sheet shape is known.
  • Patent Documents 1 and 2 describe the application of metal fibers to fuel cell electrodes.
  • Patent Document 1 JP-A-2005-515604
  • Patent Document 2 WO2004— 075321
  • the metal fiber sheet is a fibrous porous body, and when viewed microscopically, electrical conduction is performed by point contact between entangled metal fibers.
  • electrical resistance sheet resistance
  • the electrical resistance in the direction perpendicular to the surface decreases. This phenomenon appears more prominently in metal fiber sheets.
  • the present invention relates to an electrode using a metal fiber sheet applicable to a planar stack type fuel cell, and an object thereof is to provide a technique capable of obtaining high power generation efficiency.
  • the present invention includes a metal fiber sheet and a thin metal pattern formed of a thin line pattern joined to the surface of the metal fiber sheet and crossing the metal fiber sheet, and the fine wire pattern includes the metal wire
  • An annular pattern provided on the periphery of the fiber sheet and a bridge portion that partitions the inside of the annular pattern are provided.
  • the thin metal plate serves as a current collecting electrode, and acts to draw a current that tends to flow in a direction parallel to the surface of the metal fiber sheet. For this reason, even if the electric resistance in the direction parallel to the surface of the metal fiber sheet is large, an electrode having a small resistance in the direction parallel to the surface can be obtained.
  • an annular pattern and a bridge portion that divides the inside are provided, so that, for example, when used as an electrode for a fuel cell, the supply of fuel and an oxidizing agent is not hindered, and the metal A current path in a direction parallel to the surface of the fiber sheet can be efficiently secured.
  • the metal fiber sheet is an alloy of Fe and Cr, and the Cr content is 10 to 30% by weight. According to this aspect, a good bonded state can be obtained when the metal fiber sheet and the thin metal pattern are diffusion bonded by sintering. Further, it is desirable that the thin metal pattern is made of the same material as the metal fiber sheet. By doing so, the bonding state between the two can be improved.
  • the difference in thermal expansion coefficient between the metal fiber sheet and the thin metal pattern is 3 ⁇ 10.
  • _6 desirably ⁇ or less. According to this aspect, the occurrence of warpage in the joined state can be suppressed to an extent that causes no practical problem. Moreover, it is further desirable difference in thermal expansion coefficient of the metal fiber sheet and the thin metal pattern is less than 1 X ⁇ _6 ⁇ . According to this aspect, the warpage in the joined state can be suppressed almost completely.
  • the thickness of the thin metal pattern is preferably 0.2 mm or less.
  • the warpage can be suppressed to a level that does not cause a problem in practice.
  • the lower limit of the thickness of the thin metal pattern is about 0.05 mm in order to ensure low electrical resistance.
  • the joining of the metal fiber sheet and the thin metal pattern is diffusion joining by sintering.
  • the metal fiber sheet and the thin metal pattern become a body, the contact resistance between them does not matter. Further, there is little possibility of high resistance due to corrosion, and a stable joined state can be obtained. For example, a fuel cell with stable performance can be obtained. The reliability does not reach the diffusion bonding by sintering, but the metal fiber sheet and the thin metal pattern can be bonded by brazing.
  • the electrode of the present invention is suitable for a fuel cell electrode.
  • the area of the thin metal pattern on the surface of the metal fiber sheet is less than 20%, the effect of the low resistance due to the sheet metal is reduced, and the problem of the high sheet resistance of the metal fiber sheet becomes obvious.
  • the area of the thin metal pattern on the surface of the metal fiber sheet exceeds 80%, the exposed area of the metal fiber sheet is reduced, the supply efficiency of fuel and oxidant is reduced, and the power generation efficiency of the fuel cell is reduced. To do.
  • the present invention can also be grasped as a fuel cell using the above-described fuel cell electrode.
  • a planar stack type fuel cell current flows in a direction parallel to the surface of the electrode, but the electrode of the present invention provides a bypass path for current in which the sheet metal tends to flow in a direction parallel to the surface of the metal fiber sheet. Therefore, even if the electric resistance in the direction parallel to the surface of the metal fiber sheet is large, the power generation efficiency does not decrease.
  • the present invention is an electrode manufacturing method, a web punching process for punching a sheet-like metal fiber web into a predetermined shape, and a sheet metal pattern punching process for punching a thin metal pattern from a metal thin plate.
  • the upper or lower layer of the punched metal fiber web Laminating a plurality of layers or the metal fiber webs and laminating the thin metal pattern on the uppermost layer or the lowermost layer to obtain a laminate, and a sintering step of sintering the laminate It is characterized by that.
  • a current path in a direction parallel to the surface of the metal fiber sheet is secured, whereby a planar stack type fuel cell is obtained.
  • a suitable electrode can be obtained.
  • a fuel cell with high power generation efficiency can be obtained by using the electrode of the present invention.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an outline of a fuel cell electrode using the invention.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram showing a metal fiber manufacturing process.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram showing a manufacturing process of a metal fiber sheet.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram showing a manufacturing process of a fuel cell electrode.
  • FIG. 5 is a perspective view showing a basic unit cell constituting a fuel cell.
  • FIG. 6 is a conceptual diagram showing a cross-sectional structure of a horizontal stack type fuel cell.
  • FIG. 7 is a top view showing another example of the shape of a sheet metal.
  • 101 Metal fiber sheet, 102 ... Thin metal plate, 103 ... Fuel cell electrode, 104 ... Opening provided in thin metal plate, 201 ... Circular pattern, 202 ... Bridge part.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an outline of a fuel cell electrode using the invention, in which (A) shows a disassembled state and (B) shows a joined state.
  • FIG. 1B shows a fuel cell electrode 103.
  • the fuel cell electrode 103 is composed of a sheet metal 102 and a metal fiber sheet 101.
  • Sheet metal 102 is composed of the main component forces Fe and Cr, and a rectangular ring pattern (frame structure pattern) 201 and a cross-shaped bridge portion 202 that partitions the inside thereof. Further, the annular pattern 201 and the bridge portion 202 are not arranged, and four rectangular openings 104 where the metal fiber sheet 101 is exposed are provided.
  • the metal fiber sheet 101 is a fibrous porous material in which a material similar to a sheet metal is formed into a fiber having a wire diameter of 40 m and molded into a sheet shape.
  • the material constituting the metal fiber sheet 101 and the thin metal plate 102 is optimally FeCrSi alloy, but stainless steel or Ni—Cr alloy can also be used.
  • the metal fiber sheet 101 and the thin metal plate 102 can be made of different materials, but a combination that can be sintered is desirable.
  • the metal fiber sheet 101 and the thin metal plate 102 are diffusion bonded by sintering.
  • the sheet metal 102 functions as a current collecting electrode for flowing current in a direction parallel to the surface of the metal fiber sheet 101 and flowing the current in a direction parallel to the surface of the metal fiber sheet 101.
  • loss of generated power due to the relatively high sheet resistance exhibited by the metal fiber sheet 101 can be suppressed.
  • the metal fiber sheet 101 and the thin metal plate 102 are diffusion-bonded, the contact resistance between them does not become a problem, and high resistance due to corrosion of the bonded portion can be prevented.
  • the pattern of the sheet metal 102 includes an annular pattern 201 that surrounds an edge portion around the metal fiber sheet 101, and a bridge portion that crosses the metal fiber sheet 101 vertically and horizontally inside thereof. 202.
  • the bridge portion 202 the exposed surface of the metal fiber sheet 101 is partitioned vertically and horizontally, so that the current collection efficiency from the metal fiber sheet 101 can be increased.
  • the bridge portion 202 the joined state between the thin metal plate 102 and the metal fiber sheet 101 can be further strengthened.
  • the metal fiber constituting the metal fiber sheet 101 is desirably obtained by a molten metal extraction method.
  • the metal fibers obtained by the molten metal extraction method have a non-circular cross section and are not uniform in the longitudinal direction. Comparing such a metal fiber with a metal fiber with a uniform cross-section, the same compression
  • the volume content of the metal fiber porous body made of metal fibers obtained by the molten metal extraction method is larger even under pressure. This is because the metal fibers obtained by the molten metal extraction method have a smaller springback when they are unloaded more easily entangled with each other by compression.
  • FIG. 2 is a schematic view showing a molten metal extraction apparatus. Also, the shape of the cross section taken along the line BB in Fig. 2 (A) is shown in Fig. 2 (B).
  • reference numeral 1 denotes a roll, and an edge la is formed on the outer periphery of the roll 1.
  • a material holder 2 having an axis line directed in the vertical direction is arranged.
  • a metal wire is accommodated in the material holder 2 so as to be movable upward.
  • a heating coil 3 is arranged at the upper end of the material holder 2, and the upper end force of the material holder 2 melts the protruding material M.
  • the molten material M comes into contact with the edge la of the roll 1 and is drawn out in the tangential direction of the roll 1 and is rapidly cooled to produce metal fibers F having a uniform wire diameter.
  • the fiber diameter of the metal fiber F is set to 40 ⁇ m in terms of a circle.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram showing a process for producing a web from the metal fibers produced as described above.
  • an aggregate of metal fibers F is supplied to the material conveyor 10 and conveyed to the outlet side.
  • a feed roller 11 is disposed at the outlet of the material conveyor 10, and a defibrating mechanism 12 is disposed outside the feed roller 11.
  • a large number of teeth are formed on the outer periphery of the feed roller 11, and the metal fibers F are squeezed out and fed out (see FIG. 4).
  • a large number of teeth are also formed on the outer periphery of the defibrating mechanism 12, and a part of the metal fiber F force trapped in the feed roller 11 is dropped and dropped onto the belt 14 of the conveyor 13. This is the defibrating process.
  • the metal fibers F are divided and crossed in a random direction on the belt 14 to form a sheet-like web W like a nonwoven fabric.
  • the wire diameter of the aggregate of metal fibers is almost constant.
  • the present invention is not limited to such a case, and an aggregate of metal fibers having different wire diameters manufactured in a separate process is mixed. They can also be used together.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram showing a manufacturing process of a fuel cell electrode.
  • a mold 20 as shown in Fig. 4 is used.
  • the mold 20 also has a force with a die 21 and a punch 25 that appears and disappears in the hole 21 a of the die 21.
  • the web W is conveyed to the mold 20 and the punch 25 is lowered to punch the punched product P.
  • the punched product P stays in the hole 21a without dropping due to friction with the inner periphery of the hole 21a of the die 21, and is sequentially pushed down by the next punched product P.
  • the thin metal plate 102 is punched out from the thin metal plate with the die 20.
  • the sheet metal 102 is punched out in advance with a separate mold in the central opening 104 (see FIG. 1). Then, the punched sheet metal P and the punched product P laminated in the hole 21a are compressed between the punch 25 and the bottom of the hole 21a.
  • the web W to be punched may be a single layer or a plurality of layers, and it is determined by the thickness and bulk density of the finally obtained metal fiber sheet.
  • the sheet metal 102 may be punched first, and then a predetermined number of punched products P may be punched. Next, a lifter (not shown) provided at the bottom of the hole 21 a rises, and the stacked punched product P and the sheet metal 102 are projected from the upper surface of the die 21.
  • the basis weight of the web to be subjected to one of the punching it is desirable that the 100 ⁇ 2000gZm 2.
  • the basis weight of the web is less than lOOgZm 2 , the metal fibers of the web are likely to fall apart when punched. In addition, when the basis weight of the web exceeds 2000 gZm 2 , the side surface of the web tends to be bent downward.
  • the laminated punched product P and the thin metal plate 102 are taken out of the mold 20 by a transport mechanism (not shown) and carried into a sintering furnace.
  • the web W after the punched product P is punched is returned to the defibrating process, where it is regenerated into metal fibers and used as the material of the web W.
  • a continuous furnace is used as the sintering furnace.
  • the laminated punched product P and sheet metal 102 are sintered while passing through the sintering furnace under no load, and diffusion bonded to each other at the contact portion between the metal fibers and the contact portion between the metal fibers and the sheet metal 102.
  • a composite S of a metal fiber sheet, which is a plate-like sintered body, and a sheet metal 102 is manufactured.
  • the complex S is, for example, a predetermined
  • the fuel cell electrode 103 in which the metal fiber sheet 101 and the thin metal plate 102 are joined is obtained. According to this manufacturing process, since the web W is punched and the thin metal plate 102 is punched using the same mold, simplification of the manufacturing process and low cost can be pursued.
  • the size of the metal fiber sheet 101 is 60 mm X 60 mm X O. 2 mm thick, the diameter of the metal fiber is 40 m (circular conversion dimension), the dimension of the sheet metal 102 is 60 mm X 60 mm, and the annular pattern of the sheet metal 102 A sample with a width of 3 mm between the bridge 201 and the bridge 202 was prepared.
  • the following “Table 1” shows the material, Cr content, thermal expansion coefficient
  • the bonding strength was evaluated as “Good” when the bonding between the two surfaces was strong and no peeling was observed.
  • peeling was observed in part, but the joined part was strong, and it was not judged to peel off during handling.
  • peeling was observed in part, and there was a high possibility that the joint would peel off during handling.
  • Production Example 22 ⁇ 0.12 ⁇ As shown in Table 2, in all production examples, there was no problem in bonding strength. This is considered to be the force that the metal fiber sheet and the sheet metal are integrated by diffusion bonding by sintering. In addition, as shown in Production Examples 1 to 9, if the thermal expansion coefficient of the metal fiber sheet and the thin sheet metal is the same, almost no warpage occurs regardless of the Vf of the metal fiber sheet and the sheet pressure of the thin sheet metal. do not do. Further, Production Examples 1 to 12, as can be seen Preparation 18 and Preparation 21 or, et al., If the difference between the metal fiber sheet and the thermal expansion coefficient of the sheet metal 1 X ⁇ _6 ⁇ less, hardly occurs warpage.
  • FIG. 5 is a perspective view showing the structure of a unit power generation cell of a fuel cell, where (A) shows a disassembled state and (B) shows an assembled state.
  • FIG. 5 shows a fuel cell electrode 103a in which a metal fiber sheet 101a and a thin metal plate 102a are joined, and a fuel cell electrode 103b having the same structure and having the front and back reversed.
  • a catalyst is applied to the surface on the metal fiber sheet side to form a catalyst layer.
  • FIG. 5 shows a state in which the catalyst layer 503 is formed on the fuel cell electrode 103a and the catalyst layer 504 is formed on the fuel cell electrode 103b.
  • the surfaces on which the catalyst layers are formed face each other, the electrolyte membrane 502 is sandwiched therebetween, and the fuel cell electrodes 103a and 103b are bonded together by a hot press method. In this way, the unit power generation cell 501 is obtained.
  • a laminated portion in which the electrolyte membrane 502 is sandwiched between the catalyst layers 503 and 504 functions as a MEA (Membrane Electrode Assembly).
  • the electrode 103a functions as an oxidant electrode (force sword electrode)
  • the electrode 103b functions as a fuel electrode (an anode electrode).
  • the adhesion of the catalyst layer to the metal fiber sheet can be enhanced by applying the catalyst material to the surface of the metal fiber sheet to form the catalyst layer. Since the surface of the metal fiber sheet has fine irregularities due to the structure in which the metal fibers are entangled, a large contact area with the catalyst layer can be secured, and the adhesion of the catalyst layer can be secured by the anchor effect. Can be high.
  • a MEA may be obtained by forming catalyst layers 503 and 504 on the front and back of the electrolyte membrane 502, and the MEA may be sandwiched between the metal fiber sheet surfaces of the electrodes 103a and 103b.
  • FIG. 6 is a conceptual diagram showing a cross-sectional structure of a fuel cell having a structure in which unit power generation cells are stacked horizontally.
  • a fuel cell 60 shown in FIG. 6 has a structure in which unit power generation cells 600, 610 and 620 having the same structure are arranged in a plane and electrically connected in series.
  • each unit power generation cell has the basic structure shown in FIG. 5.
  • an oxidizing agent composed of a metal fiber sheet on the upper side of MEA 605 where the catalyst layer is in contact with the front and back of the electrolyte membrane.
  • a pole 601 is disposed, and a current collecting electrode 602 made of a thin metal plate is diffusion-bonded thereon.
  • a fuel electrode 603 made of a metal fiber sheet is disposed on the lower surface of the MEA 605, and a current collecting electrode 604 made of a thin metal plate is diffusion bonded under the fuel electrode 603.
  • the oxidizer electrode 601 corresponds to the metal fiber sheet 101a shown in FIG. 5
  • the current collecting electrode 602 corresponds to the thin metal plate 102a
  • the fuel electrode 603 corresponds to the metal fiber sheet 101b shown in FIG.
  • the electric electrode 604 corresponds to the thin metal plate 102b.
  • Unit power generation cell 610 includes an oxidizer electrode 611 formed of a metal fiber sheet on the upper surface of MEA 615, and is formed of a sheet metal on the oxidizer electrode 611.
  • the collector electrode 612 is diffusion bonded.
  • the metal on the bottom of MEA615 A fuel electrode 613 composed of a fiber sheet is disposed, and a current collecting electrode 614 composed of a thin metal plate is diffusion-bonded under the fuel electrode 613.
  • an oxidizer electrode 621 made of a metal fiber sheet is disposed on the upper surface of the MEA 625, and a current collecting electrode 622 made of a thin metal plate is diffusion bonded thereon.
  • a fuel electrode 623 made of a metal fiber sheet is disposed on the lower surface of the MEA 625, and a current collecting electrode 624 made of a thin metal plate is diffusion-bonded below the fuel electrode 623.
  • the fuel cell 60 is in contact with the collector electrode 604 of the unit power generation cell 600 and the collector electrode 602 of the unit power generation cell 600 is in contact with the connection electrode 65.
  • the connection electrode 65 is connected to the current collection electrode 614 of the unit power generation cell 610 via the connection electrode 66.
  • the collecting electrode 612 of the unit power generation cell 610 is in contact with the connection electrode 67.
  • the connection electrode 67 is connected to the current collection electrode 624 of the unit power generation cell 620 via the connection electrode 68 !.
  • the unit power generation cells 600, 610, and 620 have a series connection structure in which the fuel electrode and the oxidant electrode are alternately connected.
  • each unit power generation cell is sealed with seal members 606, 616, 626.
  • Reference numeral 62 denotes a fuel container for storing a methanol aqueous solution, and the fuel container 63 is filled with the methanol aqueous solution.
  • the fuel container 62 is filled with an aqueous methanol solution and the oxidant electrode side is exposed to air, and the unloaded electrode 64 and the collector electrode 64 are collected through a load (not shown). Electrical connection is made between the electrode 622 and the electrode 622. Then, the power generation action described above works by each unit power generation cell, not shown! Current flows from the collector electrode 622 to the extraction electrode 64 via the load.
  • the oxidizer electrodes 601, 611 and 6 21 are joined to the current collecting electrodes 602, 612 and 622 made of a thin metal plate.
  • these current collecting electrodes include an annular pattern 201 that covers the edge portion of the metal fiber sheet that constitutes the oxidizer electrode, and a bridge portion 202 that partitions the inside into a cross. Since these current collecting electrodes serve as a bypass path for current that tends to flow in a direction parallel to the surface of the metal fiber sheet, a large current does not flow in the direction parallel to the surface in the oxidizer electrodes 601, 611, and 621.
  • the current that tends to flow in a direction parallel to the surface mainly flows through the collector electrodes 602, 612, and 622.
  • the metal fiber sheet is made thin in order to pursue a reduction in thickness and weight of the fuel cell, the above-described sheet resistance problem becomes apparent.
  • the present invention when the present invention is used, the generation efficiency is reduced due to the above-described reason. The decrease can be suppressed.
  • a fuel cell having a planar stack structure as shown in FIG. 6 can be thinned as a whole, and is therefore suitable for a drive power source for a thin electronic device.
  • it is suitable for the power supply of mobile phones, portable information processing terminals, notebook personal 'computers, portable audio' visual devices, etc.
  • fuel cells that use methanol as fuel are suitable for use in these devices because of their ease of fuel availability and ease of handling.
  • the fuel cell to which the present invention is applicable is not limited to a fuel cell that uses methanol as a fuel.
  • FIG. 7 is a top view showing another example of the pattern of the collecting electrode.
  • FIG. 7 (A) is a top view showing another example of the pattern shape of a thin metal plate to be a collecting electrode.
  • a plurality of circular holes 703 are formed in a rectangular sheet metal 702.
  • the sheet metal 702 is joined in a state where metal fiber sheets (not shown) are stacked, and the lower metal fiber sheet is exposed from the circular hole 703.
  • the peripheral edge portion is an annular pattern
  • the portion between the plurality of circular holes 703 is a bridge portion.
  • the pattern of sheet metal 702 shown in Fig. 7 (A) has the advantage of being easy to manufacture!
  • the power generation efficiency decreases when the opening ratio of the metal fiber sheet is less than 20% is that the supply efficiency of fuel and oxidant through the metal fiber sheet decreases.
  • the aperture ratio of the metal fiber sheet exceeds 80%, the power generation efficiency decreases because the current path through the thin metal sheet is narrowed, so the current collecting action by the thin metal sheet is reduced, and the metal fiber sheet This is because of the effect of high sheet resistance.
  • FIG. 7 (B) is a top view showing another example of the pattern shape of a thin metal plate that serves as a current collecting electrode.
  • two types of rectangular openings 706a and 706b are formed in a rectangular sheet metal 705.
  • the openings 706a and 706b have a rectangular shape that is narrow in the X-axis direction and long in the Y-axis direction. Openings 706a and 706b have different dimensions in the width direction (X-axis direction).
  • the current path in the Y-axis direction can be made wider. For this reason, by arranging the electrodes so that current flows in the Y-axis direction, the aperture ratio of the openings 706a and 706b can be secured, and the low sheet resistance due to the thin metal plate 705 can be realized.
  • FIG. 7C is a top view showing another example of the pattern shape of a thin metal plate that serves as a collecting electrode.
  • hexagonal openings 708 are regularly provided in a rectangular sheet metal 707. According to this design, when a unit power generation cell is configured, fuel and oxidant can be supplied more uniformly to ME A (not shown).
  • the present invention can be used for an electrode of a fuel cell, particularly a fuel cell electrode having a planar stack structure.

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Abstract

　金属繊維を板状に成形した金属繊維シートを電極に用いた水平スタック型の燃料電池における発電効率を向上させる。 　基本単位セルが平面的に並べられて直列接続された構造を有する平面スタック型の燃料電池に利用される燃料電池用電極１０３として、金属繊維を板状に成形した金属繊維シート１０１上に環状パターン２０１とブリッジ部２０２を備えた薄板金属１０２を拡散接合させた構造を採用する。この構造によれば、金属繊維シート１０１の面に平行な方向に流れようとする電流が薄板金属１０２を流れるので、金属繊維シート１０１の面に平行な方向における抵抗が高くても発電電力の損失が増加しない。 　

Description

明 細 書
電極、燃料電池用電極、燃料電池および電極の製造方法
技術分野
[0001] 本発明は、燃料電池用に好適な電極の構造に係り、金属繊維シート上に薄板金属 を接合した構造およびその製造方法に関する。また、この構造の燃料電池用電極を 用いた燃料電池に関する。
背景技術
[0002] 燃料電池用電極として、メッシュや多孔質の通気性のある導電部材を利用したもの が知られている。これは、電極に通気性を持たせることで、燃料および酸化剤の触媒 への供給を効率よく行うためである。この通気性のある導電部材として、金属繊維を シート状に成型した金属繊維シートが知られて 、る。燃料電池用電極への金属繊維 の適用に関しては、例えば特許文献 1や 2に記載されている。
[0003] 特許文献 1 :特開 2005— 515604
特許文献 2 :WO2004— 075321
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0004] ところで、金属繊維シートは繊維質多孔体であり、ミクロに見た場合、絡み合った金 属繊維間の点接触により電気伝導が行われる。一般的に導体においては薄くした場 合に面に平行な方向における電気抵抗 (シート抵抗）が高くなり、面に垂直な方向に おける電気抵抗は低くなる。金属繊維シートにおいては、この現象がより顕著に現れ る。
[0005] このことは、単位発電ユニットを平面的に複数配置し、直列接続する平面スタック型 の燃料電池において問題となる。すなわち、平面スタック型の燃料電池の場合、発電 時に電極面の面に平行な方向に電流が流れる。このため、電極の面に平行な方向 における電気抵抗が高いと、それが発電効率を下げる要因となる。この問題は、薄型 化のために金属繊維シートを薄くした場合に顕在化する。なお、単位発電ユニットを 面に垂直な方向に積層する垂直スタック構造の場合、電極面に垂直な方向に電流 が流れるので、金属繊維シートの面に平行な方向における電気抵抗の高さは問題と ならない。
[0006] そこで本発明は、平面スタック型の燃料電池に適用可能な金属繊維シートを用い た電極に係り、高発電効率を得ることができる技術を提供することを目的とする。 課題を解決するための手段
[0007] 本発明は、金属繊維シートと、前記金属繊維シートの表面に接合され、前記金属繊 維シートを横断した細線パターンよりなる薄板金属パターンとを備え、前記細線バタ ーンは、前記金属繊維シートの周縁上に設けられた環状パターンと、前記環状バタ ーンの内側を仕切るブリッジ部を備えることを特徴とする。本発明によれば、薄板金 属が集電電極となり、金属繊維シートの面に平行な方向に流れようとする電流^^め るよう〖こ作用する。このため、金属繊維シートの面に平行な方向における電気抵抗が 大きくても、電極としては面に平行な方向における抵抗の小さいものを得ることができ る。特に薄板金属の細線パターンとして、環状パターンとその内側を仕切るブリッジ 部とを設けているので、例えば燃料電池用電極として利用した場合に、燃料や酸ィ匕 剤の供給が阻害されず、且つ金属繊維シートの面に平行な方向における電流経路 を効率よく確保することができる。
[0008] 本発明において、金属繊維シートが Feと Crの合金であり、 Crの含有量が 10〜30 重量％であることが望ましい。この態様によれば、金属繊維シートと薄板金属パター ンとを焼結により拡散接合させた場合に良好な接合状態を得ることができる。また、薄 板金属パターンが金属繊維シートと同じ材質により構成されていることが望ましい。こ うすることで、両者の接合状態をより良好にすることができる。
[0009] 本発明にお 、て、金属繊維シートと薄板金属パターンの熱膨張係数の差が 3 X 10
_6Ζκ以下であることが望ましい。この態様によれば、接合状態における反りの発生 を実用上問題のない程度に抑えることができる。また、金属繊維シートと薄板金属パ ターンの熱膨張係数の差が 1 X ιο_6Ζκ以下であることがさらに望ましい。この態様 によれば、接合状態における反りをほぼ完全に抑えることができる。
[0010] 本発明にお 、て、薄板金属パターンの厚さは 0. 2mm以下であることが望まし 、。
この態様によれば、金属繊維シートと薄板金属パターンとの間に熱膨張率の差があ つても、反りを実用上問題のない程度に抑えることができる。なお、薄板金属パターン の厚さの下限は、低電気抵抗を確保する関係上、 0. 05mm程度となる。
[0011] 本発明にお 、て、金属繊維シートと薄板金属パターンとの接合が焼結による拡散 接合であることが望ましい。この態様によれば、金属繊維シートと薄板金属パターンと がー体物となるので、両者間における接触抵抗が問題とならない。また、腐食による 高抵抗ィ匕の可能性が少な 、安定した接合状態を得ることができ、例えば安定した性 能の燃料電池を得ることができる。なお、信頼性が焼結による拡散接合には及ばな いが、ロウ付けによって金属繊維シートと薄板金属パターンとを接合させることもでき る。
[0012] 本発明の電極は、燃料電池用電極に好適である。この場合、薄板金属の細線パタ ーンによって金属繊維シートの表面積の 20〜80%が被覆されていることが望ましい 。こうすることで、燃料電池の動作に必要な燃料や酸化剤の供給経路が確保され、 同時に燃料電池用電極に必要な発電された電流の取り出し経路が確保される。金属 繊維シート表面における薄板金属の細線パターンの面積が 20%を下回ると、薄板金 属による低抵抗ィ匕の効果が薄れ、金属繊維シートの高シート抵抗の問題が顕在化す る。また、金属繊維シート表面における薄板金属の細線パターンの面積が 80%を超 えると、金属繊維シートの露出面積が小さくなり、燃料や酸化剤の供給効率が低下し 、燃料電池の発電効率が低下する。
[0013] 本発明は、上述した燃料電池用電極を利用した燃料電池として把握することもでき る。特に、上述した燃料電池用電極を、単位発電セルが平面的に配置され直列接続 された平面スタック型の燃料電池に適用することが望ま 、。平面スタック型の燃料 電池は、電極の面に平行な方向に電流が流れるが、本発明の電極は、薄板金属が 金属繊維シートの面に平行な方向に流れようとする電流のバイパス経路となるので、 金属繊維シートの面に平行な方向における電気抵抗が大きくても、発電効率が低下 しない。
[0014] 本発明は、電極の製造方法であって、シート状の金属繊維ウェブを所定形状に打 ち抜くウェブ打ち抜き工程と、金属の薄板から薄板金属パターンを打ち抜く薄板金 属パターン打ち抜き工程と、打ち抜かれた前記金属繊維ウェブ 1枚の上層または下 層、または、前記金属繊維ウェブを複数枚積層するとともにその最上層または最下 層に前記薄板金属パターンを積層し積層体を得る積層工程と、前記積層体を焼結 する焼結工程とを備えることを特徴とする。この発明において、ウェブ打ち抜き工程と 薄板金属パターン打ち抜き工程とを一つの金型で行なうことが望ましい。
発明の効果
[0015] 本発明によれば、金属繊維シートに重ねて薄板金属パターンを積層することで、金 属繊維シートの面に平行な方向における電流経路を確保し、それにより平面スタック 型の燃料電池に好適な電極を得ることができる。また本発明の電極を利用することで 、発電効率の高い燃料電池を得ることができる。
図面の簡単な説明
[0016] [図 1]図 1は発明を利用した燃料電池用電極の概要を示す斜視図である。
[図 2]図 2は金属繊維の製造工程を示す概念図である。
[図 3]図 3は金属繊維シートの製造工程を示す概念図である。
[図 4]図 4は燃料電池用電極の製造工程を示す概念図である。
[図 5]図5は燃料電池を構成する基本単位セルを示す斜視図である。
[図 6]図 6は水平スタック型の燃料電池の断面構造を示す概念図である。
[図 7]図 7は薄板金属の形状の他の例を示す上面図である。
符号の説明
[0017] 101…金属繊維シート、 102…薄板金属、 103…燃料電池用電極、 104…薄板金 属に設けたれた開口部、 201…環状パターン、 202· ··ブリッジ部。
発明を実施するための最良の形態
[0018] 1.第 1の実施形態
(実施形態の構成）
図 1は、発明を利用した燃料電池用電極の概要を示す斜視図であり、（A)は分解 状態、（B)は接合状態を示す。図 1 (B)には、燃料電池用電極 103が示されている。 燃料電池用電極 103は、薄板金属 102と金属繊維シート 101から構成されている。 薄板金属 102は、主成分力Feと Crであり、矩形状の環状パターン (枠構造パターン) 201とその内側を仕切る十字形状のブリッジ部 202を備えている。また、環状パター ン 201とブリッジ部 202が配置されておらず、金属繊維シート 101の露出している 4箇 所の矩形状の開口部 104が設けられている。金属繊維シート 101は、薄板金属と同 様の材質のものを線径 40 mの繊維にし、それを薄板状に成型した繊維質多孔質 である。金属繊維シート 101と薄板金属 102を構成する材質は、 FeCrSi合金が最適 であるが、ステンレス鋼や Ni— Cr合金を用いることもできる。なお、金属繊維シート 1 01と薄板金属 102とを異なる材質とすることもできるが、焼結が可能な組み合わせと することが望ましい。
[0019] 金属繊維シート 101と薄板金属 102とは、焼結により拡散接合されている。薄板金 属 102は、金属繊維シート 101の面に平行な方向に流れようとする電流^^め、それ を金属繊維シート 101の面に平行な方向に流す集電電極として機能する。このため 、金属繊維シート 101において、その面に平行な方向に電流を流す場合に、金属繊 維シート 101が示す比較的高いシート抵抗による発電電力の損失を抑えることができ る。また、金属繊維シート 101と薄板金属 102とが拡散接合されているので、両者間 の接触抵抗が問題にならず、また接合部分の腐食による高抵抗ィ匕を防止することが できる。
[0020] 図 1に示されるように、薄板金属 102のパターンは、金属繊維シート 101の周囲の 縁部分を囲む環状パターン 201と、その内側において金属繊維シート 101を縦横に 十字に横断するブリッジ部 202を備えている。この構造によれば、燃料や酸化剤の供 給に必要な開口部 104の開口率を効果的に確保することができる。また、ブリッジ部 202を設けることで、金属繊維シート 101の露出面が縦横に仕切られるので、金属繊 維シート 101からの集電効率を高めることができる。また、ブリッジ部 202を設けること で、薄板金属 102と金属繊維シート 101との接合状態をより強固にすることができる。
[0021] (製造方法）
以下、図 1に示す燃料電池用電極 103の製造工程の一例を説明する。金属繊維シ ート 101を構成する金属繊維は、溶湯抽出法で得られたものであることが望ましい。 溶湯抽出法で得られた金属繊維は断面が非円形で、かつ、長手方向で一様ではな い。このような金属繊維と、断面が真円で一様な金属繊維とを比較すると、同じ圧縮 圧力でも溶湯抽出法で得られた金属繊維からなる金属繊維多孔質体の体積含有率 の方が大きい。これは、溶湯抽出法で得られた金属繊維の方が圧縮によって互いに 絡まり易ぐ除荷したときのスプリングバックが小さいためである。
[0022] 次に、金属繊維シートの製造方法、およびそれを利用した燃料電池用電極の製造 方法の一例を工程の順に説明する。
A.金属繊維製造工程
図 2は溶湯抽出装置を示す概略図である。また図 2 (A)の B— Bの線で切った断面 の形状が図 2 (B)に示されている。図 2において符号 1はロールであり、ロール 1の外 周にはエッジ laが形成されている。ロール 1の下側には軸線を上下方向に向けた材 料ホルダ 2が配置されている。材料ホルダ 2の内部には、金属の線材が上方へ移動 可能に収容されている。材料ホルダ 2の上端部には加熱コイル 3が配置され、材料ホ ルダ 2の上端力も突出する材料 Mを溶融するようになっている。そして、溶融した材 料 Mはロール 1のエッジ laに接触し、ロール 1の接線方向へ引き出されるとともに急 冷されることで均一な線径の金属繊維 Fが製造される。ここでは、金属繊維 Fの繊維 径を円形換算で 40 μ mに設定する。
[0023] B.解繊'ウェブ成形工程
図 3は上記のようにして製造された金属繊維からウェブを製造する工程を示す概念 図である。図 3に示すように、材料コンベア 10には金属繊維 Fの集合体が供給され、 出口側へ搬送される。材料コンベア 10の出口には、フィードローラ 11が配置され、フ イードローラ 11の外側には解繊機構 12が配置されている。フィードローラ 11の外周 には多数の歯が形成され、金属繊維 Fを嚙み込んで送り出すようになつている（図 4 参照)。また、解繊機構 12の外周にも多数の歯が形成され、フィードローラ 11に嚙み 込まれた金属繊維 F力 その一部を梳つてコンベア 13のベルト 14上に落下させる。 これが解繊工程であり、その際に金属繊維 Fは分断され、ベルト 14上でランダムな方 向に交錯させられて不織布のようなシート状のウェブ Wとされる。
[0024] 材料コンベア 10には、溶湯抽出法で製造された金属繊維がそのまま供給されるか ら、金属繊維の集合体では線径がほぼ一定となっている。本発明は、そのような場合 に限定されるものではなぐ別工程で製造した線径の異なる金属繊維の集合体を混 合して用いることもできる。
[0025] C.打抜き'積層工程
図 4は、燃料電池用電極の製造工程を示す概念図である。打抜き工程では、図 4に 示すような金型 20を使用する。金型 20は、ダイス 21と、ダイス 21の孔 21aに出没自 在なパンチ 25と力もなつている。ウェブ Wは金型 20に搬送され、パンチ 25が下降し て打抜品 Pが打ち抜かれる。打抜品 Pは、ダイス 21の孔 21aの内周との摩擦により、 落下することなく孔 21a内に留まり、次の打抜品 Pに押されて順次下降して行く。
[0026] ここで、所定枚数となる最後の打抜品 Pが打ち抜かれると、薄板金属板から薄板金 属 102を上記金型 20で打ち抜く。この場合、薄板金属 102〖こは、中央の開口 104 ( 図 1参照）を別の金型で予め打ち抜いておく。そして、打ち抜かれた薄板金属 102と 孔 21a内で積層された打抜品 Pは、パンチ 25と孔 21aの底の間で圧縮される。なお、 打ち抜くウェブ Wは単一の層であっても複数層にしたものであっても良ぐそれは最 終的に得られる金属繊維シートの厚さと嵩密度によって決められる。また、最初に薄 板金属 102を打ち抜いておき、その後に打抜品 Pを所定枚数打ち抜いてもよい。次 いで、孔 21aの底に設けたリフタ（図示せず)が上昇し、積層された打抜品 Pと薄板金 属 102とをダイス 21の上面力 突出させる。
[0027] 1回の打抜きに供するウェブの目付は、 100〜2000gZm2であることが望ましい。
ウェブの目付が lOOgZm2未満であると、打ち抜いたときにウェブの金属繊維がばら ばらになり易い。また、ウェブの目付が 2000gZm2を超えると、ウェブの側面が下方 に向けてだれた形状となり易 、。
[0028] D.焼結工程
次に、積層された打抜品 Pおよび薄板金属 102は、図示しない搬送機構により金型 20から取り出され、焼結炉に搬入される。一方、打抜品 Pが打ち抜かれた後のウェブ Wは、解繊工程に戻され、そこで金属繊維に再生されてウェブ Wの材料とされる。
[0029] 焼結炉には連続炉が用いられる。積層された打抜品 Pおよび薄板金属 102は、無 荷重で焼結炉を通過する間に焼結され、金属繊維どうしの接触部と金属繊維と薄板 金属 102との接触部で互いに拡散接合されて板状の焼結体である金属繊維シート および薄板金属 102の複合体 Sが製造される。次いで、複合体 Sには、例えば所定 の板厚にするための機械加工が施され、金属繊維シート 101と薄板金属 102とが接 合された燃料電池用電極 103が得られる。この製造工程によれば、同じ金型を用い てウェブ Wの打ち抜きと薄板金属 102の打ち抜きを行なうので、製造プロセスの簡素 化および低コストィ匕を追求することができる。
[0030] (評価）
次に図 1に示す燃料電池用電極を評価した結果を説明する。ここでは、金属繊維 シート 101の寸法を 60mm X 60mm X O. 2mm厚、金属繊維の径を 40 m (円形換 算寸法）とし、薄板金属 102の寸法を 60mm X 60mm、薄板金属 102の環状パター ン 201とブリッジ部 202の幅を 3mmとしたサンプルを用意した。下記「表 1」に金属繊 維シート 101の材質、 Cr含有量、熱膨張係数 |8および嵩密度 Vf、さらに薄板金属 1 02の Cr含有量、熱膨張係数 |8および板厚を示す。なお、上記の寸法を採用した場 合、薄板金属 102の細線パターンによって金属繊維シート 101の表面積の 27. 75 %が被覆されることになる。
[0031] [表 1] 金属繊;唯シー卜 薄板金属
サンプル C r量 β Vf C r量 β 板厚 材質 材質
(wt%) (X10 6/ κ) (%) (wt ) (xio "VK) (mm) 製造例 1 FeCrSi 20 11.3 20 FeCrSi 20 11.3 0.2 製造例 2 FeCrSi 20 11.3 40 FeCrSi 20 11.3 0.2 製造例 3 FeCrSi 20 11.3 60 FeCrSi 20 11.3 0.2 製造例 4 FeCrSi 20 11.3 20 FeCrSi 20 11.3 0.5 製造例 5 FeCrSi 20 11.3 40 FeCrSi 20 11.3 0.5 製造例 6 FeCrSi 20 Π.3 60 FeCrSi 20 11.3 0.5 製造例 7 FeCrSi 20 11.3 20 FeCrSi 20 11.3 1.0 製造例 8 FeCrSi 20 11.3 40 FeCrSi 20 11.3 1.0 製造例 9 FeCrSi 20 11.3 60 FeCrSi 20 11.3 1.0 製造例 10 FeCrSi 20 11.3 40 SUS430 17 10.4 0.2 製造例 1 1 FeCrSi 20 11.3 40 SUS430 17 10.4 0.5 製造例 12 FeCrSi 20 11.3 40 SUS430 17 10.4 1.0 製造例 13 SUS304 18 17.3 40 SUS430 17 10.4 0.2 製造例 14 SUS304 18 17.3 40 SUS430 17 10.4 0.5 製造例 15 SUS304 18 17.3 40 SUS430 17 10.4 1.0 製造例 16 SUS304 18 17.3 40 FCHW1 24 13.0 1.0 製造例 17 SUS304 18 17.3 40 SUS316 16 15.9 1.0 製造例 18 SUS304 18 17.3 40 SUS316L 16 16.5 1.0 製造例 19 FCHW1 24 13.0 40 FeCrSi 20 11.3 1.0 製造例 20 FCHW1 24 13.0 40 SUS430 17 10.4 1.0 製造例 21 SUS403 12 9.9 40 SUS430 17 10.4 0.2 製造例 22 SUS329J1 28 13.1 40 SUS430 17 10.4 0.2 [0032] 下記表 2に、表 1に示す製造例 1〜22に関して、金属繊維シート 101と薄板金属 10 2との接合強度と反りの度合について調べた結果を示す。ここで、接合強度は、全面 的に両者の接合が強固であり、剥がれが全く見られないものを〇判定とした。また、 一部に剥がれが観察されるが、接合した部分は強固であり、取り扱い時に剥がれるこ とがないものを△判定とした。また、一部に剥がれが観察され、さらに取り扱い時に接 合部が剥がれてしまう可能性が高 、状態のものを X判定とした。
[0033] また、反りの度合については、殆ど認められなぐ触媒塗布方法が容易（刷毛塗り、 スプレー塗布、スクリーン印刷など制限無し）、且つ、ホットプレスによる MEA(Membr ane Electrode Assembly)作製時に問題が発生しない（0〜0. 1mm未満）場合が◎判 定、若干反ってはいるが、触媒塗布が容易（但し、スクリーン印刷の場合は触媒層厚 さに多少の斑発生）、且つ、ホットプレスによる MEA作製時に問題が発生しない（0. 1〜0. 3mm未満)場合が〇、反りが大きぐスクリーン印刷による触媒塗布が難しくな り、且つ、ホットプレスによる MEA作製時にプレス速度などに注意を要する力 使用 上は問題ない (0. 3〜1. Omm未満)場合が△、反りが大きぐ MEA作製時に触媒 層の割れが発生するなどの問題があるため使用できない（1. Omm以上)場合が X 判定とした。
[0034] [表 2]
反り度合
サンプル ム
反り量
判定
(mm)
製造例 1 〇 0.01 ◎
製造例 1 〇 0.02 ◎
製造例 3 〇 0.01 ◎
製造例 4 〇 0.02 ◎
製造例 5 〇 0.00 ◎
製造例 6 〇 0.01 ◎
製造例 7 〇 0.03 ◎
製造例 8 〇 0.00 ◎
製造例 9 〇 0.02 ◎
製造例 10 〇 0.03 ◎
製造例 1 1 〇 0.07 ◎
製造例 12 〇 0.08 ◎
製造例 13 〇 0.22 〇
製造例 14 〇 0.39 Δ
製造例 15 〇 0.47 Δ
製造例 16 〇 0.41 Δ
製造例 17 〇 0.24 〇
製造例 18 〇 0.08
製造例 19 〇 0.22 〇
製造例 20 〇 0.26 〇
製造例 21 〇 0.02 ◎
製造例 22 〇 0.12 〇 表 2に示すように、全ての製造例において、接合強度に問題がないという結果を得 た。これは、焼結による拡散接合によって、金属繊維シートと薄板金属とが一体化し た力もであると考えられる。また、製造例 1〜9から分力るように、金属繊維シートと薄 板金属との熱膨張係数が同じであれば、金属繊維シートの Vfさらに薄板金属の板圧 によらず反りは殆ど発生しない。また、製造例 1〜12、製造例 18および製造例 21か ら分かるように、金属繊維シートと薄板金属の熱膨張係数の差が 1 X ιο_6Ζκ以下 であれば、反りが殆ど発生しない。また、製造例 17、製造例 19および製造例 22から 分力るように、金属繊維シートと薄板金属の熱膨張係数の差が 3 X ιο_6Ζκ以下で あれば、反りは実用上問題のない範囲となる。また、製造例 13から分力るように、薄 板金属の板厚が 0. 2mm以下であれば、熱膨張係数の差が大きくても、反りは実用 上問題のない範囲となる。また、製造例 21および製造例 22からは、金属繊維シート および薄板金属の主成分を Feおよび とし、 Cr含有量を約 10重量％、または約 30 重量％とした場合であっても、良好な接合状態が得られることが分かる。このことから 、金属繊維シートおよび薄板金属の主成分を Feおよび とし、 Cr含有量を 10〜30 重量％の範囲とすることで、良好な接合性を得られることが分かる。
[0036] 2.第 2の実施形態
(単位発電セルの構成）
次に第 1の実施形態で説明した燃料電池用電極を利用した燃料電池の一例を説 明する。図 5は、燃料電池の単位発電セルの構造を示す斜視図であり、（A)は分解 状態を示し、（B)は組み上げた状態を示す。
[0037] 以下、組み立て手順の一例を説明する。まず、図 1に示す燃料電池用電極 103を 2 つ用意する。図 5には、金属繊維シート 101aと薄板金属 102aとを接合した燃料電池 用電極 103a、および同様な構造を有し表裏を反転させた燃料電池用電極 103bが 示されている。燃料電池用電極 103aおよび 103bを用意したら、その金属繊維シー ト側の面に触媒を塗布し、触媒層を形成する。図 5には、燃料電池用電極 103aに触 媒層 503を形成し、燃料電池用電極 103bに触媒層 504を形成した状態が示されて いる。次に、触媒層を形成した面を向かい合わせにし、間に電解質膜 502を挟み、 燃料電池用電極 103aと 103bとをホットプレス法によって貼り合わせる。こうして単位 発電セル 501を得る。
[0038] 単位発電セル 501において、触媒層 503と 504とによって電解質膜 502が挟まれ た積層部分が MEA(Membrane Electrode Assembly)として機能する。単位発電セル 501は、電極 103aが酸化剤極 (力ソード電極）として機能し、電極 103bが燃料極（ァ ノード電極)として機能する。
[0039] 上記の構成においては、触媒材料を金属繊維シートの表面に塗布し触媒層を形成 することで、触媒層の金属繊維シートに対する密着性を高めることができる。金属繊 維シートの表面は、金属繊維が絡んだ構造に起因して細かい凹凸を有しているので 、触媒層との接触面積を大きく確保することができ、またアンカー効果により触媒層の 密着性を高くすることができる。なお、電解質膜 502の表裏に触媒層 503および 504 を形成して MEAを得、この MEAを電極 103aと 103bの金属繊維シート面で挟む製 造工程としてもよい。
[0040] (単位発電セルの動作）
以下、燃料としてメタノール水溶液、酸化剤として空気を利用して発電を行う場合の 動作を説明する。図 5に示す単位発電セル 501の電極 103b側にメタノール水溶液 を供給し、電極 103a側に空気を供給すると、メタノール水溶液は、金属繊維シート 1 01bに浸透し、触媒層 504に接触し、空気は、金属繊維シート 101aに浸透する。触 媒層 504に触れたメタノールは、水素イオン (H+)と電子 (e_)に分解される。この内、 水素イオンは、電解質膜 502中および触媒層 503中を移動し、金属繊維シート 101a に至る。また、電子は、金属繊維シート 101bに与えられる。この結果、金属繊維シー ト 101aが金属繊維シート 101bに対して高電位となる。
[0041] このため、電極 103aの薄板金属 102aと電極 103bの薄板金属 102bとを負荷を介 して電気的に接続すると、電極 103aから電極 103bに向かって電流が流れる。またこ の時、触媒層 503において、空気中の酸素、電解質膜 502を透過してきた水素ィォ ン、さらに金属繊維シート 101aに電極 103b側力も供給される電子が反応し、水が生 成される。こうして、メタノール水溶液を燃料とした燃料電池発電が行われる。
[0042] (水平スタック構造の燃料電池）
図 6は、単位発電セルを水平スタックした構造の燃料電池の断面構造を示す概念 図である。図 6に示す燃料電池 60は、同じ構造の単位発電セル 600、 610および 62 0を平面的に並べて配置し、電気的にはそれらを直列に接続した構造を有して!/ヽる。
[0043] まず各単位発電セルの構造を説明する。各単位発電セルは、図 5に示す基本構造 を有し、例えば単位発電セル 600の場合でいうと、電解質膜の表裏に触媒層が接し た MEA605の上側に金属繊維シートによって構成される酸化剤極 601が配置され、 その上には薄板金属によって構成される集電電極 602が拡散接合されている。また 、 MEA605の下面には金属繊維シートによって構成される燃料極 603が配置され、 その下には、薄板金属によって構成される集電電極 604が拡散接合されている。ここ で、酸化剤極 601が図 5に示す金属繊維シート 101aに相当し、集電電極 602が薄 板金属 102aに相当し、燃料極 603が図 5に示す金属繊維シート 101bに相当し、集 電電極 604が薄板金属 102bに相当する。
[0044] 他の単位発電セルも同様であり、単位発電セル 610は、 MEA615の上面に金属 繊維シートによって構成される酸化剤極 611が配置され、その上に薄板金属によつ て構成される集電電極 612が拡散接合されている。また、 MEA615の下面に金属 繊維シートによって構成される燃料極 613が配置され、その下に薄板金属によって 構成される集電電極 614が拡散接合されている。また、単位発電セル 620は、 MEA 625の上面に金属繊維シートによって構成される酸化剤極 621が配置され、その上 に薄板金属によって構成される集電電極 622が拡散接合されている。また、 MEA6 25の下面に金属繊維シートによって構成される燃料極 623が配置され、その下に薄 板金属によって構成される集電電極 624が拡散接合されている。
[0045] 燃料電池 60にお!/、て、取り出し電極 64力 単位発電セル 600の集電電極 604に 接触し、単位発電セル 600の集電電極 602が接続電極 65に接触している。接続電 極 65は、接続電極 66を介して、単位発電セル 610の集電電極 614に接続されてい る。単位発電セル 610の集電電極 612は接続電極 67に接触している。さら〖こ、接続 電極 67は、接続電極 68を介して単位発電セル 620の集電電極 624に接続されて!、 る。こうして、単位発電セル 600、 610および 620の燃料極と酸化剤極とが交互に接 続された直列接続構造とされている。なお、各単位発電セルの側周囲は、シール部 材 606、 616、 626によってシールされている。また符号 62は、メタノール水溶液を貯 める燃料容器であり、燃料容器内 63にメタノール水溶液が充填される。
[0046] 図 6に示す燃料電池を発電させるには、燃料容器 62にメタノール水溶液を充填し、 酸化剤極側を空気に触れさせた状態において、図示しない負荷を介して取り出し電 極 64と集電電極 622との間を電気的に接続する。すると、各単位発電セルによって 前述した発電作用が働き、図示しな!、負荷を介して集電電極 622から取り出し電極 6 4に向力つて電流が流れる。
[0047] この発電の際、燃料極 603、 613および 623、さらに酸化剤極 601、 611および 62 1において、面に平行な方向に電流が流れようとする。これは、水平スタック構造を採 用した場合に避けることができない。例えば、図示する構造において、集電電極 602 、 612および 622を配置しない場合、酸化剤極 601、 611および 621を構成する金 属繊維シートにおけるその面に平行な方向に電流が流れることになる。この場合、金 属繊維シートの面に平行な方向における電気抵抗 (シート抵抗)が比較的高いので、 損失が発生する。し力しながら本実施形態においては、酸化剤極 601、 611および 6 21〖こは、薄板金属によって構成される集電電極 602、 612および 622を接合してい る。これら集電電極は、図 1および図 5に示すように、酸化剤極を構成する金属繊維 シートの縁部分を覆う環状パターン 201と、その内側を十字に仕切るブリッジ部 202 とを備えている。これら集電電極は、金属繊維シートの面に平行な方向に流れようと する電流のバイパス経路となるため、酸化剤極 601、 611および 621において、その 面に平行な方向に大きな電流は流れず、当該面に平行な方向に流れようとする電流 は、主に集電電極 602、 612および 622を流れる。このことは、燃料極側においても 同様である。したがって、金属繊維シートのシート抵抗が比較的高くても、それに起 因する損失を抑えることができ、燃料電池の発電効率の低下を抑えることができる。 特に燃料電池の薄型化と軽量化を追及するために、金属繊維シートを薄くした場合 、上述したシート抵抗の問題が顕在化するが、本発明を利用した場合、上述した理 由により発電効率の低下を抑えることできる。
[0048] 図 6に示すような平面スタック構造の燃料電池は、全体の構造を薄型化できるので 、薄型の電子機器の駆動電源に適している。例えば、携帯電話、携帯型情報処理端 末、ノート型のパーソナル 'コンピュータ、携帯型のオーディオ 'ビジュアル機器等の 電源に適している。またメタノールを燃料とする燃料電池は、燃料の入手の容易性や 取り扱いの容易性力もこれら機器への利用に適している。なお、本発明が適用可能 な燃料電池は、燃料としてメタノールを利用したものに限定されない。
[0049] 3.他の実施形態
本発明を利用した燃料電池用電極における集電電極の形状の他の例を説明する 。図 7は、集電電極の他のパターンの例を示す上面図である。図 7 (A)は、集電電極 となる薄板金属のパターン形状の他の一例を示す上面図である。この例においては 、矩形状の薄板金属 702に円形状の孔 703が複数形成されている。薄板金属 702 は、図示しない金属繊維シートを重ねられた状態で接合され、円形状の孔 703から 下層の金属繊維シートが露出する。この構成においては、周囲の縁部分が環状バタ ーンとなり、複数の円形状の孔 703の間の部分がブリッジ部となる。図 7 (A)に示す 薄板金属 702のパターンは、製造が容易であると!/、う利点がある。
[0050] 以下、図 7 (A)に示す薄板金属 702のパターンを利用して金属繊維シートが露出 する開口率の実用的な範囲を調べた結果を説明する。この実験では、孔 703の大き さを変えた電極をアノードおよび力ソード電極とした単位発電セルのサンプルを作製 し、同一条件における発電電力の値を計測した。また、この実験においては、図 6に 示す平面スタック型の燃料電池への利用を想定し、電極の面方向に発電電流が流 れるようにした。この実験によれば、金属繊維シートが 20〜80%露出していれば、発 電に問題がないことが判明した。すなわち、薄板金属の被覆面積の割合が 80%〜2 0%であれば、燃料電池の発電能力に支障が出ないことが判明した。金属繊維シー トの開口率が 20%を下回った場合に発電効率が低下するのは、金属繊維シートを 介しての燃料や酸化剤の供給効率が低下するためである。また、金属繊維シートの 開口率が 80%を超えた場合に発電効率が低下するのは、薄板金属を介した電流経 路が狭くなるので、薄板金属による集電作用が小さくなり、金属繊維シートの高シート 抵抗の影響が現れるからである。
[0051] 図 7 (B)は、集電電極となる薄板金属のパターン形状の他の一例を示す上面図で ある。この例においては、矩形状の薄板金属 705に 2種類の矩形状の開口 706aおよ び 706bが形成されている。開口 706aおよび 706bは、 X軸方向に狭ぐ Y軸方向に 長い長方形を有している。そして、開口 706aと 706bとは、その幅方向（X軸方向）に おける寸法が異なっている。図 7 (B)に示す薄板金属のパターン形状によれば、 Y軸 方向における電流経路をより幅広にすることができる。このため、 Y軸方向に電流が 流れるように電極の配置をすることで、開口 706aおよび 706bの開口率を確保し、且 つ薄板金属 705による低シート抵抗ィ匕を実現することができる。
[0052] 図 7 (C)は、集電電極となる薄板金属のパターン形状の他の一例を示す上面図で ある。この例においては、矩形状の薄板金属 707に 6角形の開口 708が規則的に設 けられている。このデザインによれば、単位発電セルを構成した際に図示しない ME Aに対する燃料や酸化剤の供給をより均一に行うことができる。
産業上の利用可能性
[0053] 本発明は、燃料電池の電極、特に平面スタック構造の燃料電池の電極に利用する ことができる。

Claims

請求の範囲
[I] 金属繊維シートと、前記金属繊維シートの表面に接合され、前記金属繊維シートを 横断した細線パターンよりなる薄板金属パターンとを備え、
前記細線パターンは、前記金属繊維シートの周縁上に設けられた環状パターンと、 前記環状パターンの内側を仕切るブリッジ部を備えることを特徴とする電極。
[2] 前記金属繊維シートが Feと Crの合金であり、前記 Crの含有量が 10〜30重量％で あることを特徴とする請求項 1に記載の電極。
[3] 前記薄板金属パターンが前記金属繊維シートと同材質よりなることを特徴とする請 求項 2に記載の電極。
[4] 前記金属繊維シートと前記薄板金属パターンの熱膨張係数の差が 3 X 10_6ZK以 下であることを特徴とする請求項 1〜3のいずれかに記載の電極。
[5] 前記金属繊維シートと前記薄板金属パターンの熱膨張係数の差が 1 X ιο_6Ζκ以 下であることを特徴とする請求項 1〜3のいずれかに記載の電極。
[6] 前記薄板金属パターンの厚さが 0. 2mm以下であることを特徴とする請求項 1〜5 の！、ずれかに記載の電極。
[7] 前記金属繊維シートと前記薄板金属パターンが拡散接合によって接合されて!ヽる ことを特徴とする請求項 1〜6のいずれかに記載の電極。
[8] 請求項 1〜7の 、ずれかに記載の電極を用いた燃料電池用電極であって、前記細 線パターンによって前記金属繊維シートの表面積の 20〜80%が被覆されていること を特徴とする燃料電池用電極。
[9] 請求項 8に記載の燃料電池用電極を電極としたことを特徴とする燃料電池。
[10] 請求項 8に記載の燃料電池用電極を電極とし、複数の単位発電セルが平面的に配 置され直列接続された平面スタック型をなしていることを特徴とする燃料電池。
[II] シート状の金属繊維ウェブを所定形状に打ち抜くウェブ打ち抜き工程と、
金属の薄板から薄板金属パターンを打ち抜く薄板金属パターン打ち抜き工程と、 打ち抜かれた前記金属繊維ウェブ 1枚の上層または下層、または、前記金属繊維 ウェブを複数枚積層するとともにその最上層または最下層に前記薄板金属パターン を積層し積層体を得る積層工程と、 前記積層体を焼結する焼結工程と
を備えることを特徴とする電極の製造方法。
[12] 前記ウェブ打ち抜き工程と前記薄板金属パターン打ち抜き工程とを一つの金型で 行なうことを特徴とする請求項 11に記載の電極の製造方法。
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