(57)【要約】【課題】耐食性向上を図り得る導電性シート、燃料電池、および導電性シートの製造方法を提供する。【解決手段】導電性シート１は、線材１０１と線材１０１とが交差する交差部１０２を有する金網１００からなる。耐食性を有する腐食防止部１１０が、交差部における線材同士が接する接触箇所１０３の近傍１０４だけに形成されている。【選択図】図６
2015026448.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
線材と線材とが交差する交差部を有する金網からなり、前記交差部における前記線材同士が接する接触箇所の近傍だけに耐食性を有する腐食防止部が形成されている、導電性シート。
【請求項２】
前記交差部における前記線材同士の接触箇所の近傍は、当該交差部を形成する二つの前記線材のうちの一方が他方に押圧されて凹んだ凹形状を有する、請求項１に記載の導電性シート。
【請求項３】
前記腐食防止部は、前記交差部およびその近傍だけにシール材を塗布して形成される、請求項１または請求項２に記載の導電性シート。
【請求項４】
前記腐食防止部は、撥水剤を含む液に浸漬した前記金網を前記液から引き上げて形成される、請求項１または請求項２に記載の導電性シート。
【請求項５】
前記交差部における前記線材同士の接触箇所の近傍に、前記シール材、または前記撥水剤を含む液が溜る溜り部が形成されている、請求項３または請求項４に記載の導電性シート。
【請求項６】
電解質膜の両面に触媒成分を含む層が形成された膜電極接合体、
当該膜電極接合体を挟む一対のセパレータ、および、
前記膜電極接合体と前記セパレータとの間に配置されたガス拡散層を有し、
当該ガス拡散層は、線材と線材とが交差する交差部を有する金網からなり、前記交差部における前記線材同士が接する接触箇所の近傍だけに耐食性を有する腐食防止部が形成されている、燃料電池。
【請求項７】
金網を準備する金網準備工程と、
当該金網準備工程後、前記金網を構成する線材と線材との交差部における前記線材同士が接する接触箇所の近傍だけに、耐食性を有する腐食防止部を形成する腐食防止部形成工程と、を有する、導電性シートの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導電性シート、燃料電池、および導電性シートの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池は、高分子電解質膜の両面に触媒層が形成された膜電極接合体を、ガスの流路が形成されたセパレータによって挟んだ構成を有する。膜電極接合体とセパレータとの間に、ガスを拡散させるガス拡散層が配置される。
【０００３】
例えば特許文献１に記載のガス拡散層は、金属製の発泡体からなる基材に、撥水性樹脂層、および金メッキ等からなる導電性被覆層が形成された構成を有する。撥水樹脂層および導電性被覆層によって、耐食性および導電性が向上する。
【０００４】
また、これとは別に、シート状の金網からなる基材にＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ−Ｌｉｋｅ−Ｃａｒｂｏｎ；ダイヤモンドライクカーボン）を被覆した構成を有するガス拡散層について検討が進められている。ＤＬＣによる被覆によって、金メッキ等に比べてコストを抑えつつ耐食性および導電性を向上できる。ＤＬＣはスパッタリング法等のＰＶＤ法（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；物理気相成長法または物理的蒸着法）によって形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３０２６１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、被覆対象である金網を構成している線材と線材との交差部では線材同士が接する接触箇所の近傍が影になり易いため、金網に対しＰＶＤ法を行うと、その部分では被膜が形成され難く耐食性が相対的に低くなる。
【０００７】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、耐食性向上を図り得る導電性シート、燃料電池、および導電性シートの製造方法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】
【０００８】
上記目的を達成するための本発明の導電性シートは、線材と線材とが交差する交差部を有する金網からなる。耐食性を有する腐食防止部が、交差部における線材同士が接する接触箇所の近傍だけに形成されている。
【０００９】
上記目的を達成するための本発明の燃料電池は、電解質膜の両面に触媒成分を含む層が形成された膜電極接合体、膜電極接合体を挟む一対のセパレータ、および、膜電極接合体とセパレータとの間に配置されたガス拡散層を有する。ガス拡散層は、線材と線材とが交差する交差部を有する金網からなり、交差部における線材同士が接する接触箇所の近傍だけに耐食性を有する腐食防止部が形成されている。
【００１０】
上記目的を達成するための本発明の導電性シートの製造方法は、金網を準備する金網準備工程と、金網準備工程後、耐食性を有する腐食防止部を金網に形成する腐食防止部形成工程と、を有する。腐食防止部形成工程において、腐食防止部は、金網を構成する線材と線材との交差部における線材同士が接する接触箇所の近傍だけに形成される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、金網を構成している線材の交差部において、腐食防止部が線材同士の接触箇所の近傍からガスや水等の腐食の要因となるものを遮断するため、線材同士の接触箇所の近傍ひいては接触箇所の腐食が防止され、耐食性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態の燃料電池の斜視図である。
【図２】実施形態の燃料電池の分解斜視図である。
【図３】実施形態の燃料電池スタックおよび燃料電池セルの分解斜視図である。
【図４】図３の４−４線に沿う断面に対応した燃料電池セルの断面図である。
【図５】実施形態の導電性シートの斜視図である。
【図６】図５の６−６線に沿う断面を部分的に拡大して示す図である。
【図７】図６の符号７の方向から見た矢視図である。
【図８】実施形態の導電性シートの製造方法の概要を示すフローチャートである。
【図９】金網への撥水加工によって腐食防止部が形成される様子を示す図である。
【図１０】金網へのシール材の塗布によって腐食防止部が形成される様子を示す図である。
【図１１】試作した導電性シートおよびその比較例を用いた試験によって得られた分極曲線である。
【図１２】変形例の導電性シートの断面を部分的に拡大して示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率と異なる。
【００１４】
図１〜図３を参照して、実施形態の燃料電池１０は、電池の最小単位である燃料電池セル１２０を複数積層するとともに電気的に接続した燃料電池スタック１２６を有する。燃料電池１０は、燃料電池セル１２０の積層方向における燃料電池スタック１２６の両端に、積層された複数の燃料電池セル１２０から電気を集める集電板１３０を有する。燃料電池１０は、燃料電池スタック１２６および集電板１３０を燃料電池セル１２０の積層方向から加圧して挟持するエンドプレート１３１を有する。燃料電池１０は、エンドプレート１３１同士を連結する連結板１３４を有する。
【００１５】
集電板１３０は燃料電池スタック１２６と電気的に接続している。集電板１３０は、エンドプレート１３１を貫通して突出する突起部１３３と電気的に接続している。突起部１３３を介して電気が取り出される。集電板１３０およびエンドプレート１３１は、例えば金属によって形成される。集電板１３０とエンドプレート１３１とは絶縁されている。
【００１６】
燃料電池スタック１２６の一端に配置された集電板１３０およびエンドプレート１３１に、燃料電池セル１２０に連通するマニホールド１３２が複数形成されている。水素等の燃料ガスおよび空気等の酸化剤ガス、ならびに冷却水等の冷却流体は、複数のマニホールド１３２のうちの半数を通じ各燃料電池セル１２０に供給され、また、各燃料電池セル１２０を通った後、マニホールド１３２の残りの半数を通じて排出される。
【００１７】
連結板１３４はエンドプレート１３１に締結される。連結板１３４は、燃料電池スタック１２６のまわりを覆う。連結板１３４は、例えば金属によって形成される。
【００１８】
図３および図４を参照して、燃料電池セル１２０は、電気化学反応が進行する膜電極接合体１２１、ならびに膜電極接合体１２１を挟むカソードセパレータ１２３およびアノードセパレータ１２４を有する。燃料電池セル１２０は、膜電極接合体１２１とカソードセパレータ１２３との間、および膜電極接合体１２１とアノードセパレータ１２４との間に、導電性およびガス拡散性を有するガス拡散層１２５を有する。
【００１９】
図４に示すように、膜電極接合体１２１は、高分子電解質膜１２１ａと、高分子電解質膜１２１ａの一方の面に形成されるカソード触媒層１２１ｂと、高分子電解質膜１２１ａの他方の面に形成されるアノード触媒層１２１ｃと、を有する。カソード触媒層１２１ｂおよびアノード触媒層１２１ｃの各々を囲むフレーム１２２が高分子電解質膜１２１ａの両面に設けられている。
【００２０】
高分子電解質膜１２１ａは、例えばフッ素樹脂等から形成され、水素イオンを伝導するイオン交換膜である。カソード触媒層１２１ｂおよびアノード触媒層１２１ｃは、それぞれ、導電性の担体に担持された触媒成分と、高分子電解質と、を含む。カソード触媒層１２１ｂに用いられる触媒成分は、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく、公知の触媒を使用できる。アノード触媒層１２１ｃに用いられる触媒成分は、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば特に制限はなく、公知の触媒を使用できる。触媒成分は、例えば、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、及びそれらの合金等から選択される。
【００２１】
図３に示すように、カソードセパレータ１２３に、マニホールド１３２に連通するマニホールド１２３ｃが形成されている。フレーム１２２に、マニホールド１３２に連通するマニホールド１２２ａが形成されている。アノードセパレータ１２４に、マニホールド１３２に連通するマニホールド１２４ｃが形成されている。マニホールド１２３ｃ、１２２ａ、１２４ｃは、互いに連通する。
【００２２】
図４を参照して、カソードセパレータ１２３における膜電極接合体１２１側の面に形成された流路１２３ａは、図３に示す複数のマニホールド１２３ｃのうち酸化剤ガスが流れるものと連通している。
【００２３】
酸化剤ガスは、流路１２３ａからガス拡散層１２５を通過してカソード触媒層１２１ｂに達する。ガス拡散層１２５は、流路１２３ａとカソード触媒層１２１ｂとの間で酸化剤ガスを均一に拡散させる。
【００２４】
フレーム１２２とカソードセパレータ１２３との間に酸化剤ガスの漏出を防止するシール部材を設けてもよいが、図示を省略している。流路１２３ａとは反対側の面に形成された流路１２３ｂを冷却流体が流れる。カソードセパレータ１２３は、例えば金属によって形成される。
【００２５】
アノードセパレータ１２４における膜電極接合体１２１側の面に形成された流路１２４ａは、図３に示す複数のマニホールド１２４ｃのうち燃料ガスが流れるものと連通している。燃料ガスは、流路１２４ａからガス拡散層１２５を通過してアノード触媒層１２１ｃに達する。ガス拡散層１２５は、流路１２４ａとアノード触媒層１２１ｃとの間で燃料ガスを均一に拡散させる。
【００２６】
フレーム１２２とアノードセパレータ１２４との間に燃料ガスの漏出を防止するシール部材を設けてもよいが、図示を省略している。流路１２４ａとは反対側の面に形成された流路１２４ｂを冷却流体が流れる。アノードセパレータ１２４は、例えば金属によって形成される。
【００２７】
ガス拡散層１２５として、図５に示すように金網１００から形成される導電性シート１が用いられる。
【００２８】
図６および図７に示すように、金網１００は、縦横に織り込まれた線材１０１によって形成される。金網１００は、織物の構造に限定されず、線材１０１を編んだ編み物の構造を有してもよい。金網１００の表面は、Ｃｒからなる中間層とともにＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ−Ｌｉｋｅ−Ｃａｒｂｏｎ；ダイヤモンドライクカーボン）によって被覆されている。
【００２９】
本実施形態では線材１０１は単線であるが、これに限定されない。線材１０１は細い単線を複数束ねて形成したものであってもよい。線材１０１を形成する材料は、例えば、ステンレス、アルミニウム、銅である。
【００３０】
耐食性を有する腐食防止部１１０が、線材１０１と線材１０１とが交差する交差部１０２における、線材１０１同士が接する接触箇所１０３の近傍１０４だけに形成されている。接触箇所１０３および接触箇所１０３の近傍１０４は、交差部１０２を形成する二つの線材１０１のうちの一方が他方に押圧されて凹んだ凹形状を有する。
【００３１】
図８に示すように、導電性シート１の製造方法は、金網１００を準備する金網準備工程Ｓ１と、金網準備工程Ｓ１後、腐食防止部１１０を形成する腐食防止部形成工程Ｓ２と、を有する。
【００３２】
金網準備工程Ｓ１では、金網１００がローラによって圧延され、その後、Ｃｒの中間層およびＤＬＣが金網１００に被覆される。スパッタリング装置によって、Ｃｒの中間層やＤＬＣが金網１００に被覆される。ＤＬＣが被覆されることによって、金網１００の導電性および耐食性が向上する。
【００３３】
腐食防止部形成工程Ｓ２では、撥水剤を含む液に浸漬された金網１００がその液から引き上げられる。撥水剤を含む液から金網１００が引き上げられると、線材１０１同士の接触箇所１０３の近傍１０４では液が残り、その他の部分では液が流れ落ちる。この状態で金網１００を乾燥させることによって接触箇所１０３の近傍１０４に残った液の中の溶媒が蒸発すると、固形分である撥水剤が残り、その結果、撥水性を有する腐食防止部１１０が形成される。
【００３４】
図９に示すように、腐食防止部形成工程Ｓ２では、長尺形状を有する金網１００が搬送され、撥水剤を含む液１４０への金網１００の浸漬および液１４０からの金網１００の引き上げが連続的に行われる。
【００３５】
長尺形状を有する金網１００は、ロールトゥロール方式によって、金網１００が巻回された巻出しロール１４１および巻取りロール１４２の間で搬送される。巻出しロール１４１および巻取りロール１４２は、それぞれモータＭ１、Ｍ２によって回転する。
【００３６】
液１４０は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）またはテトラフルオロエチレン‐ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）等の撥水剤を、界面活性剤の存在下で溶媒である水中に分散させることによって調製される。
【００３７】
液１４０から引き上げられた金網１００は、一対のローラ１４３の間を通る。これによって、金網１００に過剰に付着した液１４０が除去される。その後、金網１００は、付着した液１４０の溶媒を蒸発させる乾燥炉１４４を通過する。
【００３８】
金網１００が乾燥炉１４４を通過する間に、付着した液１４０の溶媒が蒸発し、金網１００に腐食防止部１１０が形成される。乾燥炉１４４は、例えば温風乾燥炉である。乾燥炉１４４内の温度は、例えば８０℃〜１５０℃である。
【００３９】
上で述べた形態では、液１４０に浸漬させた金網１００を引き上げて腐食防止部１１０を形成したが、これに限定されない。図１０に示すように、交差部１０２およびその近傍だけに耐食性を有するシール材１１１を塗布して腐食防止部１１０を形成してもよい。
【００４０】
この場合、シール材１１１は、例えば、交差部１０２に対応した位置に孔が形成されたマスクを介して交差部１０２およびその近傍だけに塗布される。その後、例えば金網１００の面方向に移動するブレードＢが金網１００の上の余分なシール材１１１を除去することによって、線材１０１同士の接触箇所１０３の近傍１０４だけにシール材１１１が配置される。このシール材１１１が硬化して腐食防止部１１０となる。シール材１１１の材料は、例えば、ゴム、ビニル系樹脂、シリコン樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂を含む。
【００４１】
本発明者らは、実際に作製した導電性シート１の試験片を用い、ＪＩＳ  Ｇ  ０５７９に準じて分極曲線を取得した。比較例として腐食防止部１１０のない金網１００についても同様の試験を行った。
【００４２】
試験によって得られた図１１の分極曲線に示すように、腐食防止部１１０を有する導電性シート１では、腐食防止部１１０がない場合に比べ腐食電流が減少した。この結果より、腐食防止部１１０を形成することによって、導電性シート１の耐食性が向上することを確認できた。
【００４３】
実施形態の作用効果を述べる。
【００４４】
金網１００では、交差部１０２の線材１０１同士の接触箇所１０３の近傍１０４は影になり易い。このため、金網準備工程Ｓ１において金網１００に対してスパッタリングが行われると、接触箇所１０３の近傍１０４は、ＤＬＣによって被覆され難く耐食性が相対的に低い。しかし、実施形態の導電性シート１においては、腐食防止部１１０が形成され、これが接触箇所１０３の近傍１０４からガスや水等の腐食の要因となるものを遮断するため、接触箇所１０３の近傍１０４ひいては接触箇所１０３の腐食が防止され、耐食性が向上する。
【００４５】
燃料電池１０では、燃料ガス、酸化剤ガス、および電気化学反応によって生成した水が、ガス拡散層１２５である導電性シート１を通り、さらに膜電極接合体１２１における電気化学反応にともなって生成するＨ+や過酸化水素が存在する。Ｈ+や過酸化水素は腐食を生じさせ易い。しかし、燃料電池１０では、腐食防止部１１０が線材１０１同士の接触箇所１０３の近傍１０４からこれらを遮断して腐食を防止するため、燃料電池１０の性能が低下し難い。
【００４６】
腐食防止部１１０は接触箇所１０３の近傍１０４だけに形成されており、金網１００の他の部分では線材１０１が露出する。このため、絶縁性を有する腐食防止部１１０が金網１００に形成されても、露出した線材１０１によって導電性が確保され、導電性シート１は耐食性と導電性とを両立できる。
【００４７】
線材１０１同士の接触箇所１０３の近傍１０４は、二つの線材１０１のうちの一方が他方に押圧されて凹んだ凹形状を有する。このため、液１４０やシール材１１１が接触箇所１０３の近傍１０４に偏在し易く、腐食防止部１１０を形成し易い。
【００４８】
腐食防止部１１０は、撥水剤を含む液１４０に浸漬した金網１００を引き上げて形成されるため、接触箇所１０３の近傍１０４以外の部分では液１４０が線材１０１から自然に流れ落ちる。従って腐食防止部１１０を接触箇所１０３の近傍１０４だけに容易に形成できる。
【００４９】
腐食防止部１１０が撥水性を有することによって、腐食の要因となる水等が接触箇所１０３の近傍１０４から効果的に排除されるため、より効果的に腐食を防止できる。
【００５０】
腐食防止部１１０は、交差部１０２およびその近傍だけにシール材１１１を塗布して形成されるようにすれば、シール材１１１は必要な個所だけに塗布され、それ以外の箇所に塗布されないため、原材料の使用を抑えられる。
【００５１】
＜変形例＞
図１２に示すように、変形例の線材１５１は、第１実施形態と異なる断面形状を有する。その他の構成および製造方法については、変形例の導電性シート１Ａは、第１実施形態と略同様であるため、同様の構成については第１実施形態と同様の符号を付し、ここでの重複する説明を省略する。導電性シート１Ａは、燃料電池１０において第１実施形態の導電性シート１に代えてこれと同様にガス拡散層１２５として用いることができる。
【００５２】
線材１５１の断面は、多角形形状を有する。線材１５１は、その外面１５２と、他の線材１５１との間に隙間を形成する。この隙間は、液１４０またはシール材１１１が溜る溜り部を構成する。
【００５３】
変形例では、線材１５１同士の接触箇所１０３の近傍１０４に、線材１５１同士の押圧によって凹部が形成されるとともに、一の線材１５１の外面１５２が、液１４０またはシール材１１１が溜る溜り部を構成する。このため、液１４０やシール材１１１が線材１５１同士の接触箇所１０３の近傍１０４により偏在し易くなり、変形例は、第１実施形態の効果に加え、接触箇所１０３の近傍１０４に腐食防止部１１０がより形成され易いという効果を奏する。
【００５４】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変できる。
【００５５】
例えば、上述の実施形態において金網準備工程Ｓ１で金網１００の表面に被覆する材料はＤＬＣに限定されず、耐食性および導電性が良好な他の材料であってもよい。
【００５６】
また、金網１００の被覆方法は、スパッタリング法に限定されず、イオンプレーティング法等の他のＰＶＤ法（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；物理気相成長法または物理的蒸着法）であってもよい。
【００５７】
上記実施形態において、液１４０から金網１００が引き上げられたとき、液１４０は、線材１０１同士の接触箇所１０３の近傍１０４以外の部分では流れ落ちるが、完全には落ちず、接触箇所１０３の近傍１０４以外の部分に僅かに残る場合がある。また、ブレードＢによって余分なシール材１１１を完全には除去できず、接触箇所１０３の近傍１０４以外の部分にシール材１１１が僅かに残る場合がある。本発明は、このように、接触箇所１０３の近傍１０４以外の部分に液１４０に含まれる撥水剤やシール材１１１が完全に除去されず僅かに残るが、これらが線材１０１の導電性を著しく妨げない形態を含む。
【符号の説明】
【００５８】
１、１Ａ    導電性シート、
１０    燃料電池、
１００    金網、
１０１、１５１    線材、
１０２    線材と線材との交差部、
１０３    線材同士の接触箇所、
１０４    線材同士の接触箇所の近傍、
１１０    腐食防止部、
１１１    シール材、
１２０    燃料電池セル、
１２１    膜電極接合体、
１２１ａ    高分子電解質膜、
１２１ｂ    カソード触媒層（触媒成分を含む層）、
１２１ｃ    アノード触媒層（触媒成分を含む層）、
１２２    フレーム、
１２２ａ    マニホールド、
１２３    カソードセパレータ、
１２３ａ    酸化剤ガスの流路、
１２３ｂ    冷却流体の流路、
１２３ｃ    マニホールド、
１２４    アノードセパレータ、
１２４ａ    燃料ガスの流路、
１２４ｂ    冷却流体の流路、
１２４ｃ    マニホールド、
１２５    ガス拡散層、
１２６    燃料電池スタック、
１３０    集電板、
１３１    エンドプレート、
１３２    マニホールド、
１３３    突起部、
１４０    撥水剤を含む液、
１４４    乾燥炉、
Ｂ    ブレード。
【図１】
2015026448.tif 000003
【図２】
2015026448.tif 000004
【図３】
2015026448.tif 000005
【図４】
2015026448.tif 000006
【図５】
2015026448.tif 000007
【図６】
2015026448.tif 000008
【図７】
2015026448.tif 000009
【図８】
2015026448.tif 000010
【図９】
2015026448.tif 000011
【図１０】
2015026448.tif 000012
【図１１】
2015026448.tif 000013
【図１２】
2015026448.tif 000014