(57)【要約】【課題】電極層と集電体との間の電気抵抗を低減させるとともに、膜電極接合体にガスを充分にかつ均一に供給して、発電効率を高めることができる燃料電池を提供する。【解決手段】高分子固体電解質層２２と、この高分子固体電解質層を挟むように形成された第１の電極層２３及び第２の電極層２４と、上記第１の電極層に積層された第１の集電体２６と、上記第２の電極層に積層された第２の集電体２７と、上記第１の電極層と上記第１の集電体との間に設けられて酸素を含むガスが流動させられる第１のガス流路と、上記第２の電極層と上記第２の集電体との間に設けられて燃料を含むガスが流動させられる第２のガス流路２１とを備える燃料電池であって、少なくとも上記第１のガス流路に、耐蝕性及び導電性を有し、流動するガスを上記第１の電極層に作用させるとともに、上記第１の電極層と上記第１の集電体とを導通させる金属多孔質層２８が設けられている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質層と、この固体高分子電解質層を挟むように形成された第１の電極層及び第２の電極層と、上記第１の電極層に積層された第１の集電体と、上記第２の電極層に積層された第２の集電体と、上記第１の電極層と上記第１の集電体との間に設けられて酸素を含むガスが流動させられる第１のガス流路と、上記第２の電極層と上記第２の集電体との間に設けられて燃料を含むガスが流動させられる第２のガス流路とを備える燃料電池であって、
少なくとも上記第１のガス流路に、耐蝕性及び導電性を有し、流動するガスを上記第１の電極層に作用させるとともに、上記第１の電極層と上記第１の集電体とを導通させる金属多孔質層が設けられている、燃料電池。
【請求項２】
少なくとも上記金属多孔質層が、ニッケルと、クロム、スズ、チタン、コバルト、タングステンのうち少なくとも一つを含む合金材料から形成されている、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
上記金属多孔質層が、ガスを上記電極層の面方向に流動させるガス流路を構成している、請求項１又は請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
上記金属多孔質層は、
気孔の孔径が大きく設定されるとともにガスを上記電極層の面方向へ流動させる集電体側多孔質層と、
気孔の孔径が上記集電体側多孔質層より小さく設定されるとともに、上記集電体側多孔質層を面方向に流動させられるガスを電極層に作用させる電極側多孔質層とを備え、
上記集電体側多孔質層と上記電極側多孔質層とが電気的に接続されている、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項５】
上記金属多孔質層は、３０〜９８％の気孔率を備えるとともに、気孔径が２０〜１０００μｍである、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項６】
上記金属多孔質層は、外殻と、中空又は／及び導電性材料からなる芯部とを有する骨格を備え、上記骨格が一体的に連続する３次元網目構造を備える、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、燃料電池に関する。詳しくは、高分子材料から形成された固体電解質層を備える固体高分子形の燃料電池に関する。
【０００２】
固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）は、フッソ樹脂等の高分子膜から形成された固体電解質層の一側に酸素を含む気体が作用させられる第１の電極層（空気極）を設ける一方、他側に水素を含む燃料気体が作用させられる第２の電極層（燃料極）を設けた膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｃｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を備えて構成される。固体高分子形燃料電池は、他の形式の燃料電池に比べて低温で作動するため、自動車用のエネルギ源として期待されている。
【０００３】
固体高分子形燃料電池では、上記第１の電極層には、酸素を含むガス、たとえば空気が作用させられる一方、第２の電極層には水素等を含む燃料ガスが作用させられて、発電が行われる。上記第１の電極層と上記第２の電極層には、電気を取り出すための集電体が積層して設けられている。上記集電体には、ガス流路を構成する溝が設けられており、このガス流路を流動するガスが、上記各電極に作用するように構成されている。また、上記各電極には、上記ガス流路を流れるガスを各電極に作用させるためガス拡散手段が設けられている。
【０００４】
上記集電体は、各電極層に電気的に接続されて、各電極との間で電子をやりとりできるように、ステンレス等の導電性材料から形成されている。
【０００５】
一方、上記固体高分子形の燃料電池においては、電極層の近傍が腐食環境におかれる。特に、空気が流動させられる第１の電極層の近傍は強度の酸性腐食環境となり、上記集電体を上記第１の電極層に直接接触させて導通させると、上記集電体が腐食させられる。上記不都合を回避するため、カーボン多孔質体からなるカーボンシートが各電極層を覆うように設けられており、各電極層と上記集電体とが上記カーボンシートを介して電気的に接続されるとともに、上記カーボンシートの外側に設けられたガス流路を流れるガスが、上記カーボンシートの空隙を介して各電極に拡散して作用するように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−５２８７１号公報
【特許文献２】特開平６−２７５２８２号公報
【特許文献３】特開平１１−２８８７２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記カーボンシートは、耐蝕性が大きいため、空気極に接触させても腐食することはない。また、電気伝導性を備えているため、電極層と集電体との間を導通させることもできる。
【０００８】
ところが、上記カーボンシートはガス透過性が低いため、電極層近傍のガスの流動性が低下して、各電極層に充分な量のガスを供給して作用させることができない。しかも、カーボンシートは異方性を有し、空隙率や空孔径が均一ではないため、電極層の表面全域に対して均一にガスを作用させることができない。このため、各電極層の性能を充分に発揮させることができず、燃料電池の出力が低下するといった問題がある。
【０００９】
また、カーボンシートの電気抵抗は金属材料に比べて高い。上記カーボンシートは、電極層の表面及び集電体に接触させられてこれらの間の電気的接続が行われるが、金属材料と異なるため、カーボンシートとこれら部材間の接触抵抗も大きくなる。このため、燃料電池のセルの電気抵抗が大きくなり、燃料電池の効率を高めることができない。
【００１０】
また、従来は、集電体に溝等を形成してガスの流路を形成し、上記流路を流れるガスを、上記カーボンシートを介して電極層に供給するように構成されている。このため、集電体の加工工程が増加して、製造コストが大きくなるといった問題もある。
【００１１】
本願発明は、上記従来の問題を解決し、電極層と集電体との間の電気抵抗を低減させるとともに、膜電極接合体にガスを充分に、かつ均一に供給して、発電効率を高めることができる燃料電池を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本願発明は、固体高分子電解質層と、この固体高分子電解質層を挟むように形成された第１の電極層及び第２の電極層と、上記第１の電極層に積層された第１の集電体と、上記第２の電極層に積層された第２の集電体と、上記第１の電極層と上記第１の集電体との間に設けられて酸素を含むガスが流動させられる第１のガス流路と、上記第２の電極層と上記第２の集電体との間に設けられて燃料を含むガスが流動させられる第２のガス流路とを備える固体高分子形燃料電池に適用される。
【００１３】
本願発明では、少なくとも上記第１のガス流路に、耐蝕性及び導電性を有し、流動するガスを上記第１の電極層に作用させるとともに、上記第１の電極層と上記第１の集電体とを導通させるための金属多孔質層が設けられる。
【００１４】
上記金属多孔質層として、低い電気抵抗率を有するとともに、上記第１の電極層近傍の酸性腐食環境に耐える材料から形成されたものが採用される。たとえば、上記金属多孔質層が、ニッケルと、クロム、スズ、チタン、コバルト、タングステンのうち少なくとも一つを含む合金材料から形成されたものを採用することができる。
【００１５】
第１の電極層に対する耐蝕性を確保するために、ニッケルに、クロム又はスズを添加した材料から形成される金属多孔質層を採用するのが好ましい。たとえば、クロムの添加量を、１０〜５０重量％に設定することができる。クロムの添加量を、３〜４０重量％に設定するのが好ましく、さらに、２０〜４０重量％に設定するのがより好ましい。クロムの添加量が少なすぎると耐蝕性が低下する。一方、クロムの添加量が多すぎると、ニッケルとの間で金属間化合物が形成されて強度が低下する。
【００１６】
ニッケルにスズを添加する場合、スズの添加量は、１〜４０重量％に設定できる。スズの添加量を、５〜２５重量％に設定するのが好ましく、さらに、９〜２０重量％に設定するのがより好ましい。
【００１７】
上記材料から形成された金属多孔質層は、耐蝕性を備えるとともに、電気抵抗率が従来のカーボンシートに比べて小さくなる。このため、電極層と集電体との間の電気抵抗を低減させることができ、発電効率を高めることができる。
【００１８】
また、金属多孔質層は、従来のカーボンシートより気孔率を大きく設定できるため、電極層に作用させるガスの流量を増大させることができる。しかも、各気孔の孔径をカーボンシートより均一に設定できるため、ガスを電極層に対して均一に作用させることができる。このため、発電効率を高めることができる。
【００１９】
上記金属多孔質層の気孔率は、３０〜９８％に設定することができる。また、気孔率を、４０〜９６％に設定するのが好ましく、さらに、５０〜９２％に設定するのがより好ましい。気孔率が低い場合、ガス拡散性が低下し、ガスを電極層に対して均一に作用させることができない。一方、気孔率が大きすぎると、金属多孔質層の強度が低下する。
【００２０】
上記金属多孔質層の目付量は、３００〜１０００ｇ／ｍ2に設定することができる。また、目付量を３５０〜８００ｇ／ｍ2に設定するのが好ましく、さらに、４００〜７５０ｇ／ｍ2に設定するのがより好ましい。目付量が小さいと、強度が低くなるとともに、電気伝導率も低くなるため、電極層と集電体間の電気抵抗が大きくなり、集電効率が低下する。一方、目付量が大きすぎると、気孔率が小さくなってガスの流動抵抗が大きくなるため、電極層にガスを十分作用させることができなくなる。
【００２１】
上記金属多孔質層の厚みは、燃料電池の形態等によって設定することができる。電極層に対するガスの拡散性を確保するために、１００〜１０００μｍの厚みに設定することができる。また、金属多孔質層の厚みを１２０〜９００μｍに設定するのがより好ましく、１５０〜８００μｍに設定するのがさらに好ましい。金属多孔質層の厚みが小さすぎると、ガスの拡散性が低下して、ガスを均一に電極層に作用させることができない。一方、厚みが大きすぎると、セルの大きさが大きくなるため、燃料電池の体積エネルギ密度が低下する。
【００２２】
上記金属多孔質層の気孔の孔径は、２０〜８５０μｍに設定するのが好ましい。孔径が小さすぎるとガスの流動性や拡散性が低下して、電極層にガスを十分に作用させることができない。一方、孔径が大きすぎると、ガスの均一な拡散性を確保するのが困難になり、電極層に均一にガスを作用させることができなくなる。
【００２３】
上記金属多孔質層は、上記第１のガス流路にのみ設けることもできるし、上記第１のガス流路のみならず、第２のガス流路に設けることもできる。すなわち、上記第２のガス流路を流動するガスを上記第２の電極層に作用させる第２の金属多孔質層を、設けることができる。
【００２４】
上記第２のガス流路は、水素を含む燃料ガスを第２の電極層に作用させるためのものである。燃料極である第２の電極層の近傍は、水素還元性雰囲気であるため、空気極である上記第１の電極層側に設けられる金属多孔質層のような耐蝕性が要求されることはない。このため、上述した金属多孔質層を形成する耐蝕性材料の他、ニッケルから形成された金属多孔質層を採用することができる。
【００２５】
上記金属多孔質層には、上述した機能を発揮できるものであれば、種々の金属多孔質体を採用できる。たとえば、外殻と、中空又は／及び導電性材料からなる芯部とを有する骨格を備え、上記骨格が一体的に連続する３次元網目構造を備えるものを採用するのが好ましい。たとえば、住友電気工業の金属多孔質体（登録商標：セルメット）を採用することができる。
【００２６】
上記構造の金属多孔質体は、骨格が３次元網目構造に形成されているため、気孔率を大きく設定することができる。また、上述した所要の気孔率のものを容易に形成できる。しかも、各気孔の孔径をほぼ一定に形成することができるため、ガスの拡散性が高く、電極層に対してガスを均一に作用させることができる。
【００２７】
上記金属多孔質層は、一面が電極層の全域を覆うように積層されて、電極層表面にガスを供給して作用させるとともに、電極層と電気的に接続される。一方、他面は、上記集電体と接触した状態で配置され、集電体と電気的に接続される。
【００２８】
上記金属多孔質層は、従来のカーボンシートのように各電極層を覆うように配置し、集電体に設けたガス流路を面方向に流動するガスを拡散させて各電極に作用するように構成することができる。
【００２９】
また、上記金属多孔質層は気孔率を大きく設定できるため、金属多孔質層を用いて、ガスを上記電極層の面方向に流動させるガス流路を構成することもできる。すなわち、上記金属多孔質層を、ガスを面方向に流動させながら、厚み方向に流動させて電極層に作用させるように構成することができる。
【００３０】
上記構成を採用すると、上記金属多孔質層自体がガス流路を構成するため、集電体の内面にガス流路としての溝等を形成する必要がなくなる。このため、集電体の製造工程を削減して、燃料電池の製造コストを低減させることができる。また、集電体の内面を電極層から離間させることができるため、集電体に、高価な耐蝕性材料を採用する必要がなくなり、材料選択の幅も広がる。
【００３１】
上記金属多孔質層によってガス流路を構成する場合、上記金属多孔質層を、気孔の孔径が大きく設定されるとともにガスを上記電極層の面方向へ流動させる集電体側多孔質層と、気孔の孔径が上記集電体側多孔質層より小さく設定されるとともに、上記集電体側多孔質層を面方向に流動させられるガスを電極層に作用させる電極側多孔質層とを備え構成するのが好ましい。
【００３２】
上記集電体側多孔質層の気孔の孔径を大きく設定することにより、ガスの流動抵抗が小さくなり、ガスを面方向へ流動させることができる。一方、気孔の孔径が小さい電極側多孔質層を設けることにより、電極層に対して均一にガスを拡散させて作用させることができる。これにより、ガスを電極層に効率よく作用させて発電効率を高めることができる。
【００３３】
上記集電体側多孔質層を構成する金属多孔質体は、面方向へのガスの流動性を確保するため、１００μｍ以上１０００μｍ以下の厚みを有し、気孔の孔径が２００μｍ以上８５０μｍ以下に設定するのが好ましい。上記集電体側多孔質層の厚みが１００μｍ未満では、ガスの面方向への流動量を確保することができない。一方、厚みが１０００μｍを越えると、集電体と電極層との間の距離が大きくなって、装置が大形化する。また、金属多孔質層の厚み方向の電気抵抗が大きくなり、発電効率が低下する。気孔の孔径が、２００μｍ未満では、ガスの面方向への流動抵抗が大きくなる。一方、気孔の孔径が８５０μｍを越えると、金属多孔質体の強度が低下するとともに、流動するガスを電極層の全面に均一に供給することができなくなる。
【００３４】
電極側多孔質層は、厚みを３００μｍ以下かつ５０μｍ以上に設定するとともに、気孔の孔径を２００μｍ未満かつ２０μｍ以上に設定するのが好ましい。厚みが３００μｍを越えるとセルの寸法が大きくなり、５０μｍ未満であるとガスを電極層に均一に作用させることができない。また、気孔の孔径が２００μｍ以上になるとガスを電極層に均一に作用させることができず、２０μｍ未満であるとガスの透過性が低下して発電能力が低下する。
【００３５】
上記集電体側多孔質層と上記電極側多孔質層とは、電気的に接続される。接合手法は特に限定されることはなく、圧接や溶接手法を用いることができる。また、導電性を有するハンダや接着剤を用いて接合することもできる。
【発明の効果】
【００３６】
固体高分子形燃料電池において、集電体と電極層との間の電気抵抗を低減させて、燃料電池の効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】固体高分子形燃料電池の概要を説明するための断面図である。
【図２】第１の実施形態に係る燃料電池のセル構造を示す概略断面図である。
【図３】第２の実施形態に係る燃料電池のセル構造を示す概略断面図である。
【図４】第３の実施形態に係る燃料電池のセル構造を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、本願発明の実施形態を図に基づいて具体的に説明する。
【００３９】
図１に、固体高分子形燃料電池のセル構造を概念的に示す。なお、図１には、一つのセル構造を示しているが、発電の電圧を高めるため複数のセルが厚み方向に複数積層されて燃料電池が構成される。
【００４０】
燃料電池セル１０１は、固体高分子電解質層２を挟むようにして、空気極としての第１の電極層３と燃料極としての第２の電極層４とが積層形成された膜電極接合体５を備えて構成される。上記固体高分子電解質層２を構成するイオン交換樹脂として、たとえば、ナフィオン等から形成された高分子膜が用いられる。上記第１の電極層３及び上記第２の電極層４は、上記高分子膜の表裏の所定領域に、カーボン等の担体に白金触媒等の触媒を保持させて、これを、上記イオン交換樹脂等を含む結着剤等によって膜状に積層形成して構成される。本願発明では、矩形高分子膜の縁部を除く所定の矩形領域に上記第１の電極層３及び第２の電極層４が形成されている。
【００４１】
上記膜電極接合体５の外側には、第１のガス拡散手段８を介して第１の集電体６が設けられるとともに、第２のガス拡散手段９を介して第２の集電体７が設けられる。上記集電体６，７は、ステンレス等の導電性材料から形成されており、内面に溝等を形成することにより、ガスを流動させる第１のガス流路１０と第２のガス流路１１が設けられている。
【００４２】
上記ガス拡散手段８，９は、導電性を有する多孔質体から形成されており、上記ガス流路１０，１１を流れるガスを各電極層３，４に拡散して作用させるとともに、上記各電極層３，４と上記集電体６，７とを電気的に接続して導通させるように構成されている。
【００４３】
上記膜電極接合体５の両側に、上記ガス拡散手段８，９及び各集電体６，７を積層するとともに、電極層が設けられていない周縁部をガスケット１５，１６でシールして、上記セル１０１が構成されている。
【００４４】
上記第１のガス流路１０には酸化剤としての酸素を含む空気が導入され、上記第１の電極層３に、上記第１のガス拡散手段８を介して酸素が供給される。上記第２のガス流路１１には、燃料として水素を含む燃料ガスが導入され、上記第２の電極層４に、上記第２のガス拡散手段９を介して水素が供給される。なお、燃料として上記ガス拡散手段９等に設けた触媒によって水素が分解生成されるものを採用することもできる。
【００４５】
上記第２の電極層４において、Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-の反応が生じる。一方、第１の電極層３においては、１／２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏの反応が生じる。これにより、水素イオンが第２の電極層４から固体高分子電解質層２を通って第１の電極層３へと移動するとともに、電子が第２の電極層４から上記第２のガス拡散手段９、第２の集電体７、第１の集電体６、第１のガス拡散手段８を介して第１の電極層３へと流れ、電力が得られる。なお、上記セル１０１は、図示しない加熱装置によって所定温度に加熱される。
【００４６】
図１においては、理解を容易にするため、第１の電極層３及び第２の電極層４の厚みを実際より大きく描いている。また、第１のガス流路１０及び第２のガス流路１１を連続した大きな空間として描いているが、従来は、集電体６，７の内面に所定幅の溝等を形成して構成される。
【００４７】
図２に、本願発明の第１の実施形態に係る固体高分子形燃料電池のセル２０１の概略断面図を示す。図２に示すセル２０１は、固体高分子電解質層２２を含む膜電極接合体２５の一側に、第１の電極層２３を覆うように積層された金属多孔質層２８と、この金属多孔質層２８及び周囲に設けられたガスケット１５を介して積層された第１の集電体２６とを備える。一方、上記膜電極接合体２５の他側には、図１に示すセル形態と同様に、第２の電極層２４を覆うように積層されたカーボンシート２９と、このカーボンシート２９及び周囲に設けられたガスケット１６を介して積層された第２の集電体２７が設けられている。上記第２の集電体２７の内面には、溝を形成することにより、ガス流路２１が形成されている。なお、図２においては、上記第１の電極層２３と上記第２の電極層２４の厚みは省略して描いている。
【００４８】
上記第２の集電体２７のガス流路２１には、水素を含む燃料ガスが図示しない導入口から導入され、上記ガス流路２１内を流動しながら、上記カーボンシート２９を介して拡散され、第２の電極層２４に作用させられて、図１に示すセルと同様の反応が生じる。
【００４９】
一方、上記第１の集電体２６には、第２の集電体２７の内面に形成されたガス流路２１は形成されておらず、上記金属多孔質層２８内を空気が面方向に流動しながら拡散させられて、上記第１の電極層２３に作用するように構成されている。すなわち、本実施形態では、上記金属多孔質層２８が、従来のガス流路とガス拡散手段とを兼用するように設けられている。
【００５０】
上記金属多孔質層２８は、空気極である第１の電極層２３に接触して配置されるため、通気性及び耐蝕性を有する材料から形成される。本実施形態では、上記金属多孔質層２８は、ニッケルにクロムを添加した合金から形成されている。以下に、上記金属多孔質層２８を構成する金属多孔質体の製造方法を説明する。
【００５１】
まず、ウレタンシート（市販品：平均孔径５００μｍ、厚み１．４ｍｍ、気孔率９６％）に導電処理を施す。上記導電処理は、ニッケルを無電解メッキし、あるいは、カーボン粒子を塗布等することにより導電性材料を積層して行うことができる。上記導電処理を終えたウレタンシートを、大気中で８００℃で焼却除去した後、還元性雰囲気中で１０００℃で熱処理して還元処理を行い、ニッケル多孔質体を形成する。上記手法によって、目付量が４００ｇ／ｍ2で、平均孔径５００μｍ、厚み１．４ｍｍのニッケル多孔質体が得られる。
【００５２】
次に、上記ニッケル多孔質体にクロマイジング処理を行うことにより耐蝕性を付与する。たとえば、クロム粉末とハロゲン化物、アルミナを混合した浸透材（クロム９０％、ＮＨ4Ｃｌ：１％、Ａｌ2Ｏ3：９％）を、上記ニッケル多孔質体に充填し、水素ガス等の還元性雰囲気下で８００℃に加熱することにより、ニッケル多孔質体にクロムを添加して合金化する。上記加熱時間を調節することにより、クロム含有量を調節することができ、所要の耐蝕性を有するニッケル−クロム合金製の金属多孔質体を得ることができる。
【００５３】
たとえば、クロムの添加量を、１０〜５０重量％に設定することができる。また、クロムの添加量は、３〜４０重量％に設定するのが好ましく、さらに、２０〜４０重量％に設定するのがより好ましい。クロムの添加量が少なすぎると耐蝕性が低下する。一方、クロムの添加量が多すぎると、ニッケルとの間で金属間化合物が形成されて強度が低下する。
【００５４】
なお、本実施形態では、金属多孔質層２８に、ニッケル−クロム合金から形成された金属多孔質体を採用したが、ニッケルに、スズ、チタン、コバルト、タングステンのうち少なくとも一つを添加して形成される金属多孔質体を採用することもできる。
【００５５】
上記金属多孔質層２８は、外殻と、中空又は／及び導電性材料からなる芯部とを有する骨格を備え、上記骨格が一体的に連続する３次元網目構造を備える。上記構造の金属多孔質体は、樹脂多孔質体から形成することができるため、所要の気孔率や所要の孔径を備えるものを容易に形成することができる。また、骨格が３次元網目構造に形成されているため、気孔率の大きな金属多孔質体を形成することができる。しかも、各気孔の孔径をほぼ一定に形成することができるため、ガスの拡散性が高く、電極層に対してガスを均一に作用させることができる金属多孔質層２８を構成することができる。
【００５６】
上記金属多孔質体から形成された金属多孔質層２８は、耐蝕性を備えるとともに、電気抵抗率が従来のカーボンシートに比べて小さくなる。このため、第１の電極層２３と第１の集電体２６との間の電気抵抗を低減させることができ、発電効率を高めることができる。
【００５７】
また、金属多孔質層２８は、カーボンシートより気孔率を大きく設定できるため、第１の電極層２３に作用させるガスの流量を増大させることができる。しかも、各気孔の径をカーボンシートより均一に設定できるため、ガスを電極層に対して均一に作用させることができる。このため、発電効率を高めることができる。
【００５８】
しかも、本実施形態では、金属多孔質層２８自体がガス流路を構成しているため、第１の集電体２６の内面に、第２の集電体２７に設けられたガス流路２１を形成する必要がない。このため、第１の集電体２６の製造工程を削減することができ、製造コストを低減させることもできる。
【００５９】
なお、上記金属多孔質層２８の気孔率は、３０〜９８％に設定することができる。また、気孔率を、４０〜９６％に設定するのが好ましく、さらに、５０〜９２％に設定するのがより好ましい。気孔率が低い場合、ガス拡散性が低下し、ガスを電極層に対して均一に作用させることができない。一方、気孔率が大きすぎると、金属多孔質層の強度が低下する。上記金属多孔質層２８の気孔の孔径は、２０〜８５０μｍに設定することができる。孔径が小さすぎるとガスの流動性や拡散性が低下して、電極層にガスを十分に作用させることができない。一方、孔径が大きすぎると、ガスの均一な拡散性を確保するのが困難になり、電極層に均一にガスを作用させることができなくなる。
【００６０】
上記金属多孔質層２８の目付量は、３００〜１０００ｇ／ｍ2に設定することができる。また、目付量を、３５０〜８００ｇ／ｍ2に設定するのが好ましく、さらに、４００〜７５０ｇ／ｍ2に設定するのがより好ましい。目付量が小さいと、強度が低くなるとともに、電気伝導率も低くなるため、電極層と集電体間の電気抵抗が大きくなり、集電効率が低下する。一方、目付量が大きすぎると、気孔率が小さくなってガスの流動抵抗が大きくなり、電極層にガスを十分作用させることができなくなる。
【００６１】
上記金属多孔質層２８の厚みは、燃料電池の形態等によって設定することができる。第１の電極層２３に対するガスの拡散性を確保するために、１００〜１０００μｍの厚みに設定することができる。また、金属多孔質層２８の厚みを１２０〜９００μｍに設定するのがより好ましく、１５０〜８００μｍに設定するのがさらに好ましい。金属多孔質層２８の厚みが小さすぎると、ガスの拡散性が低下して、ガスを均一に第１の電極層２３に作用させることができない。一方、厚みが大きすぎると、セルの大きさが大きくなるため、燃料電池の体積エネルギ密度が低下する。
【００６２】
本実施形態では、厚み１．４ｍｍの金属多孔質体を第１の電極層２３と第１の集電体２６の内面との間で挟圧して一部を圧縮変形させ、これら部材の表面に密着させることにより、これら部材と電気的に接続している。このため、上記第１の電極層２３と上記金属多孔質層２８との間の接触抵抗、及び上記金属多孔質層２８と上記第１の集電体２６との間の接触抵抗も大幅に低減させることができる。
【００６３】
図３に本願発明の第２の実施形態を示す。第２の実施形態は、膜電極接合体３５の両側に、第１の金属多孔質層３８と、第２の金属多孔質層３９とを設けたものである。なお、膜電極接合体３５、第１の金属多孔質層３８及び第１の集電体３６は、図２に示す第１の実施形態の構成と同様であるので説明は省略する。
【００６４】
上記第２の金属多孔質層３９として、第１の金属多孔質層３８を構成するものと同じ金属多孔質体を採用できる。ただし、第２の電極層３４は燃料極であり、その近傍は還元性雰囲気となるため、第２の金属多孔質層３９には、第１の金属多孔質層３８ほどの耐蝕性は要求されない。このため、第１の実施形態において形成されるニッケル多孔質体をクロマイジング処理することなく用いることもできる。また、第１の金属多孔質層３８を構成する材料より耐蝕性の低い種々の材料から形成された金属多孔質体を採用できる。
【００６５】
上記第２の金属多孔質層３９の材料以外の形態は、第１の金属多孔質層３８と同様のものが採用されているため、第１の電極層３３に空気を供給するのと同様に、第２の電極層３４に燃料ガスを効率よく供給でき、第１の金属多孔質層３８と同様の作用効果を発揮させることができる。これにより、第２の電極層３４に効率よく酸素を供給するとともに、膜電極接合体から各集電体の間の電気抵抗を低減させて、発電効率を高めることができる。
【００６６】
しかも、第２の実施形態では、第１の集電体３６と第２の集電体の３７の双方にガス流路を設ける必要がないため、製造工程を大幅に削減することが可能となり、製造コストを大きく低減することもできる。
【００６７】
図４に、本願発明の第３の実施形態を示す。この実施形態は、第１の金属多孔質層４８及び第２の金属多孔質層４９を、気孔の孔径が大きく設定されるとともにガス流路を構成する集電体側多孔質層４８ｂ，４９ｂと、気孔の孔径が小さく設定されるとともに、上記集電体側多孔質層４８ｂ，４９ｂ内を面方向に流動させられるガスを、各電極層４３，４４に拡散して作用させる電極側多孔質層４８ａ，４９ａとを備えて構成したものである。なお、図４において、膜電極接合体４５、第１の集電体４６、第２の集電体４７は、図３に示す第２の実施形態と同様であるので説明は省略する。また、第１の金属多孔質層４８及び第２の金属多孔質層４９の形態以外の構成は、第２の実施形態と同様であるので説明は省略する。
【００６８】
上記集電体側多孔質層４８ｂ，４９ｂの気孔の孔径を大きく設定することにより、ガスの面方向へ流動抵抗を減少させ、ガスを流動空間の全域にわたって流動させることができる。一方、気孔の孔径が小さい電極側多孔質層４８ａ，４９ａを設けることにより、各電極層４３，４４に対して、ガスを均一に拡散させて作用させることができる。これにより、酸素及び燃料ガスを各電極層４３，４４に効率よく作用させて発電効率を高めることができる。
【００６９】
上記集電体側多孔質層４８ｂ，４９ｂを構成する金属多孔質体は、面方向へのガスの流動性を確保するため、１００μｍ以上１０００μｍ以下の厚みを有し、気孔の孔径が２００μｍ以上８５０μｍ以下に設定するのが好ましい。上記集電体側多孔質層４８ｂ，４９ｂの厚みが１００μｍ未満では、ガスの面方向への流動抵抗が大きくなり、ガスの流動量を確保することができない。一方、上記集電体側多孔質層４８ｂ，４９ｂの厚みが１０００μｍを越えると、各集電体と各電極層との間の距離が大きくなって、装置が大形化する。また、各金属多孔質層４８，４９の厚み方向の電気抵抗が大きくなり、発電効率が低下する。上記集電体側多孔質層４８ｂ，４９ｂの気孔の孔径が、２００μｍ未満では、ガスの面方向への流動抵抗が大きくなる。一方、気孔の孔径が８５０μｍを越えると、金属多孔質体の強度が低下するとともに、流動するガスを電極層の全面に均一に供給することができなくなる。
【００７０】
電極側多孔質層４８ａ，４９ａは、厚みを３００μｍ以下かつ５０μｍ以上に設定するとともに、気孔の孔径を２００μｍ未満かつ２０μｍ以上に設定するのが好ましい。厚みが３００μｍを越えるとセルの寸法が大きくなり、５０μｍ未満であるとガスを電極層に均一に作用させることができない。また、気孔の孔径が２００μｍ以上になるとガスを電極層に均一に作用させることができず、２０μｍ未満であるとガスの透過性が低下して発電能力が低下する。
【００７１】
上記集電体側多孔質層４８ｂ，４９ｂと上記電極側多孔質層４８ａ，４９ａとは、電気的に接続されている。接続方法は、特に限定されることはない。たとえば、膜電極接合体４５と各集電体４６，４７の内面との間の空間の厚みより若干大きな合計厚みで、各金属多孔質層４８，４９を形成し、厚み方向に圧縮変形させて圧着することができる。また、溶接や種々の導電性材料を介して電気的に接続することができる。上記集電体側多孔質層４８ｂ，４９ｂと上記電極側多孔質層４８ａ，４９ａとを電気的に接続することにより、これら部材間の接触抵抗が小さくなり、電極−集電体間の抵抗を低減させて、燃料電池の効率を高めるこことができる。
【００７２】
本願発明の範囲は、上述の実施形態に限定されることはない。今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって、制限的なものでないと考えられるべきである。本願発明の範囲は、上述した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
各電極層に、ガスを効率よく供給するとともに、電極層−集電体間の抵抗を低減させて、発電効率の高い固体高分子形燃料電池を構成できる。
【符号の説明】
【００７４】
２２  固体高分子電解質層
２３  第１の電極層（空気極）
２４  第２の電極層（燃料極）
２６  第１の集電体
２７  第２の集電体
２８  金属多孔質層（第１のガス流路）
２１  第２のガス流路
２０１  燃料電池（セル）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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