(57)【要約】【課題】排水性を向上させたガス拡散部材を提供する。【解決手段】ガス拡散部材は、表面改質処理された複数の貫通孔が設けられた基材１０からなり、基材１０の形態が、ラスカットメタルまたはエキスパンドメタルのいずれかの形態である。また、基材１０の表面にガス拡散方向に沿った１つ以上の溝１２が形成されている。燃料電池において、上記ガス拡散部材は、フラットセパレータとガス拡散層との間に配置される多孔体流路層またはガス拡散層として用いることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面改質処理された複数の貫通孔が設けられた基材からなることを特徴とするガス拡散部材。
【請求項２】
請求項１に記載のガス拡散部材において、
前記基材は、表面改質処理されたラスカットメタルまたはエキスパンドメタルであることを特徴とするガス拡散部材。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のガス拡散部材において、
前記表面処理は、基材表面にガス拡散方向に沿った１つ以上の溝を形成する処理であることを特徴とするガス拡散部材。
【請求項４】
電解質膜に燃料極と空気極を有する接合体と、前記接合体を挟持する一対のセパレータとから構成されるセルを積層してなる燃料電池であって、
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のガス拡散部材を、前記のセパレータと接合体との間に配置することを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池において、
前記セパレータは、前記接合体側表面が平滑面であるフラットセパレータであり、
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のガス拡散部材と前記フラットセパレータとは隣接していることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項４に記載の燃料電池において、
前記セパレータは、前記接合体側表面が平滑面であるフラットセパレータであり、
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のガス拡散部材は、前記燃料極と空気極のそれぞれ設けられているガス拡散層の少なくとも一方と前記フラットセパレータとの間に配置される多孔体流路層であることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
電解質膜に燃料極と空気極を有する接合体と、前記接合体を挟持する一対のセパレータとから構成されるセルを積層してなる燃料電池であって、
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のガス拡散部材を、前記燃料極と空気極のそれぞれ設けられているガス拡散層として用いることを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
金属板の表面に複数の溝を形成する工程と、
複数溝が形成された金属板に対しラスカットを施す工程と、
ラスカットが施され且つ表面に複数溝が形成された金属板を延伸加工する工程と、
を有することを特徴とするガス拡散部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス拡散部材、ガス拡散部材を用いた燃料電池及びガス拡散部材の製造方法、特に、燃料電池において、発電中に生成す生成水を排除し易くし、燃料電池の発電効率を維持安定化させるためのガス拡散部材の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、図６に示すように、固体高分子膜からなる電解質膜５２を燃料極５０と空気極５４との２枚の電極で挟んだ接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を、さらに２枚のセパレータ３０に挟持してなるセルを最小単位とし、通常、このセルを複数積み重ねて燃料電池スタック（ＦＣスタック）とし、高圧電圧を得るようにしている。
【０００３】
固体高分子型燃料電池の発電の仕組みは、一般に、燃料極（アノード側電極）５０に燃料ガス、例えば水素含有ガスが、一方、空気極（カソード側電極）５４には酸化剤ガス、例えば主に酸素（Ｏ2）を含有するガスあるいは空気が供給される。水素含有ガスは、燃料ガス流路を通って燃料極５０に供給され、電極の触媒の作用により電子と水素イオン（Ｈ+）に分解される。電子は外部回路を通って、燃料極５０から空気極５４に移動し、電流を作り出す。一方、水素イオン（Ｈ+）は電解質膜５２を通過して空気極５４に達し、酸素および外部回路を通ってきた電子と結合し、反応水（Ｈ2Ｏ）になる。水素（Ｈ2）と酸素（Ｏ2）および電子の結合反応と同時に発生する熱は、冷却水によって回収される。また、空気極５４のあるカソード側に生成した水（以下「生成水」という）は、カソード側から排出される。
【０００４】
図６に示すように、燃料電池の運転中（発電中）において、生成水は空気極５４の表面の電解質膜５４に接する部分に発生する。そして、燃料電池の運転に伴い、この生成水を燃料電池系外に効率よく排出できない場合には、空気極５４の拡散層とセパレータ３０との間の空間に生成水が滞留し、その結果、反応ガス、特に酸化剤ガスの拡散が阻害され、いわゆるフラッティング現象が生じてしまう。かかる場合、燃料電池の発電効率が低下する傾向が見られた。
【０００５】
一方、従来より、燃料電池セル間に、多数のスリットが開口した集電部材を配置することが提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１９２３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した従来のエキスパンドメタルからなるガス流路部材または集電体、ガス拡散層は、ガス流通性を向上させることができるものの、特にカソード側に生成する生成水を速やかに燃料電池系外に排出することが難しい。すなわち、図５に示すように、特にカソード側では、カソード側のガス拡散層から露出してくる生成水１６は、エキスパンドメタル７０の貫通孔ならびにエキスパンドメタル７０の表層を伝って、セパレータ側に流れてゆき、さらにセパレータの表面に沿って系外に排出される。
【０００８】
しかしながら、図５に示すように、エキスパンドメタル７０の貫通孔に、それぞれ生成水１６由来の水膜が一旦形成されると、これら水膜はそれぞれ独立に形成されているため、水抜け性が低下し、排水性が悪化してしまう。その結果、ガス拡散層の酸化剤ガスの拡散性が阻害され、いわゆるフラッティング現象が生じてしまい、燃料電池の発電効率が低下する可能性がある。
【０００９】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、燃料電池からの生成水排出を良好に行い、燃料電池システムの運転効率を維持安定化させるためのガス拡散部材および運転効率が維持安定化された燃料電池を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明のガス拡散部材、ガス拡散部材を用いた燃料電池及びガス拡散部材の製造方法は以下の特徴を有する。
【００１１】
（１）表面改質処理された複数の貫通孔が設けられた基材からなるガス拡散部材である。
【００１２】
表面改質処理されているため、ガス拡散部材の貫通孔に形成された生成水由来の水膜はガス拡散部材の表面を伝って、隣接するガス拡散部材の貫通孔に導かれる。したがって、生成水の排出性が向上し、さらにガス拡散性も向上する。
【００１３】
（２）上記（１）に記載のガス拡散部材において、前記基材は、表面改質処理されたラスカットメタルまたはエキスパンドメタルであるガス拡散部材である。
【００１４】
基材がラスカットメタルまたはエキスパンドメタルとすることにより、貫通孔を網目状に形成することができ、且つ集電体としても機能させることができる。
【００１５】
（３）上記（１）または（２）に記載のガス拡散部材において、前記表面処理は、基材表面にガス拡散方向に沿った１つ以上の溝を形成する処理である。
【００１６】
基材表面にガス拡散方向に沿って形成された１つ以上の溝を介して、ガス拡散部材の隣接する貫通孔にそれぞれ形成された生成水由来の水膜同士を繋げることができ、これにより、排水性が向上し、さらにガス拡散性も向上する。
【００１７】
（４）電解質膜に燃料極と空気極を有する接合体と、前記接合体を挟持する一対のセパレータとから構成されるセルを積層してなる燃料電池であって、上記（１）から（３）のいずれか１つに記載のガス拡散部材を、前記のセパレータと接合体との間に配置する燃料電池である。
【００１８】
上記ガス拡散部材は、上記基材の貫通孔のみならず基材の表面に改質処理されているかまたは１つ以上の溝が形成されているので、ガス拡散部材の隣接する貫通孔にそれぞれ形成された生成水由来の水膜同士を繋げることができ、排水性が向上する。これにより、特に燃料電池内の特にカソード側の排水性が向上し、ガス拡散性が阻害されず、燃料電池の運転効率が維持安定化する。
【００１９】
（５）上記（４）に記載の燃料電池において、前記セパレータは、前記接合体側表面が平滑面であるフラットセパレータであり、上記（１）から（３）のいずれか１つに記載のガス拡散部材と前記フラットセパレータとは隣接している燃料電池である。
【００２０】
上記ガス拡散部材を、セパレータとガス拡散層との間の多孔体流路層として用いることにより、特にカソード側のガス拡散層より露出してくる生成水を速やかにセパレータ側に移動させることができ、これによりセパレータより生成水が系外に排出される。したがって、セパレータとガス拡散層との間の排水性が向上し、ガス拡散性は維持され、燃料電池の運転効率は安定維持される。
【００２１】
（６）上記（４）に記載の燃料電池において、前記セパレータは、前記接合体側表面が平滑面であるフラットセパレータであり、上記（１）から（３）のいずれか１つに記載のガス拡散部材は、前記燃料極と空気極のそれぞれ設けられているガス拡散層の少なくとも一方と前記フラットセパレータとの間に配置される多孔体流路層である燃料電池である。
【００２２】
（７）電解質膜に燃料極と空気極を有する接合体と、前記接合体を挟持する一対のセパレータとから構成されるセルを積層してなる燃料電池であって、上記（１）から（３）のいずれか１つに記載のガス拡散部材を、前記燃料極と空気極のそれぞれ設けられているガス拡散層として用いる燃料電池である。
【００２３】
上記ガス拡散部材をガス拡散層に用いることにより、上記接合体内で生成する生成水が、仮に上記ガス拡散部材に水膜を形成したとしても、ガス拡散部材に表面改質処理または１つ以上の溝が形成されているため、隣接する貫通孔に形成された水膜同士が繋がり、生成水の排出性が向上し、且つガス拡散層内のガス拡散性も維持される。
【００２４】
（８）金属板の表面に複数の溝を形成する工程と、複数溝が形成された金属板に対しラスカットを施す工程と、ラスカットが施され且つ表面に複数溝が形成された金属板を延伸加工する工程と、を有するガス拡散部材の製造方法である。
【００２５】
表面に複数溝が形成された金属板をラスカットし延伸加工するだけで、網目状に形成された貫通孔に加え、隣接する貫通孔に形成される生成水由来の水膜の連通溝も形成することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、排水性に優れたガス拡散部材を提供することができ、このガス拡散部材を用いた燃料電池は、発電の際に生成した生成水が燃料電池系外に効率よく排出されるため、フラッティング現象が生じ難く、燃料電池の出力特性を維持安定させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。
【００２８】
［ガス拡散部材および燃料電池］
本実施の形態のガス拡散部材は、図１に示すように、表面改質処理された複数の貫通孔が設けられた基材１０からなる。本実施の形態では、基材１０の形態が、ラスカットメタルまたはエキスパンドメタルのいずれかの形態であることが好ましい。
【００２９】
ここで、本実施の形態において、「ラスカットメタル」とは、平板状の薄肉金属板に対して、順次千鳥配置の切れ目を加工するとともに加工した切れ目を押し曲げることによって、網目状の小径の貫通孔が形成されたものである。また、「エキスパンドメタル」とは、平板状の薄肉金属板に対して、順次千鳥配置の切れ目を加工するとともに加工した切れ目を押し曲げることによって網目状の小径の貫通孔が形成され、さらに、圧延加工されて略平板状とされたものである。エキスパンドメタルは略平板状に成形されるため、例えば、最終成形後の製品において不必要な曲がりや凹凸などを除去するための工程を設ける必要がなく、製造コストを低減することができる。
【００３０】
また、本実施の形態のガス拡散部材において、集電体を兼ねる場合には、金属セパレータに用いる金属材料であればいかなるものでも用いることができるが、燃料電池の製造時に上述したセルを積層圧縮する際の圧力に抗し所定のガス流通を可能とするある程度の剛性を有する材料が好ましく、例えば、チタン、ステンレス材、アルミニウムが好ましい。なお、ステンレス材やアルミニウム材を用いる場合には、後述する溝加工、ラスカット加工の後に表面処理を行い、表面に導電性を付与することが好ましい。
【００３１】
また、本実施の形態では、前記表面処理として、例えば、図１に示すように、基材１０の表面にガス拡散方向（図１の矢印方向）に沿った１つ以上の溝１２を形成する。これにより、基材１０の表面にガス拡散方向に沿って形成された１つ以上の溝１２を介して、ガス拡散部材の隣接する貫通孔にそれぞれ形成された生成水１６由来の水膜同士を繋げることができ、また、生成水１６由来の水膜が形成された貫通孔に隣接する貫通孔に向かって生成水１６を移動させることができる。これにより、排水性が向上し、さらにガス拡散性も向上する。
【００３２】
さらに、図１に示すように、溝１２は、基材１０の両面に形成されている。これにより、ガス拡散部材の表面及び裏面の溝１２を介して、隣接する貫通孔に形成された生成水１６由来の水膜同士を繋ぐことができ、一方面に溝１２を設けた場合に比べ、排水性が向上する。
【００３３】
ここで、上記溝１２は、図１では、ガス拡散方向にほぼ平行に、ガス拡散部材の各面に１つずつ形成されているが、これに限るものではなく、例えば、ガス拡散部材の各面に２つ以上溝１２が形成されていてもよく、さらにその溝１２がガス拡散方向に対してやや角度を有して斜めに形成されていてもよく、例えばガス拡散方向に対して９０°以下で溝の方向が形成されていてもよい。さらに、図１に示すように、溝１２は、基材１０の両面に形成されているが、例えば燃料電池のセルのアノード側に配置する場合には、基材１０の片面に溝１２が設けられているガス拡散部材を用いてもよい。
【００３４】
また、本実施の形態ガス拡散部材を集電体として用いる場合、セパレータとは、セパレータの面積に対して約０．３％接していれば十分な導電性を確保することができる。したがって、本実施の形態のガス拡散部材における溝１２の幅は、ガス拡散部材の各面の平面部分の幅の半分以下であることが好ましい。該ガス拡散部材の各面の表面積に対して約６％以下の範囲で形成することができ、また溝１２の深さは、基材１０の厚さの半分以下であることが好ましい。また、両面に溝１２を形成する場合には、両面の溝１２が重ならない位置で表裏面において交互に形成されることが好ましい。
【００３５】
<多孔体流路層>
図２には、本実施の形態のガス拡散部材を、燃料電池に適用する際に、ガス拡散層とセパレータ３０との間に配置して、多孔体流路層として用いた場合の一例が示されている。
【００３６】
さらに詳細に説明すると、図２に示すように、固体高分子膜からなる電解質膜を燃料極と空気極との２枚の電極で挟んだ接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）３２を、さらに２枚のセパレータ３０にて挟持し、さらにシール３６によりシールしてなるセルを最小単位とし、通常、このセルを複数積み重ねてスタック状にした燃料電池において、上記セルの接合体３２とフラットセパレータであるセパレータ３０との間に、基材１０（図１）からなるガス拡散部材を多孔体流路層３４として用いた構成の一例が示されている。上記フラットセパレータであるセパレータ３０は、接合体３２側表面が平滑面である。
【００３７】
ここで、燃料電池のセパレータとして、耐久性の観点から金属セパレータが用いられるようになってきているが、この金属セパレータは耐蝕性および帯電性の両立が必須となる。この上記耐蝕性および帯電性を両立させるものとしてチタン製のセパレータが候補に挙げられている。しかし、チタンは、剛性が高く、ステンレスのようにプレス加工が容易でないため、流路をプレス以外の方法で形成する必要が生じる。そこで、チタン製セパレータをフラットセパレータとし、このフラットセパレータとガス拡散層との間に多孔体により流路を形成する構成を案出し、この多孔体流路として、上述した本実施の形態のガス拡散部材を用いた擬似的多孔体流路層として用いる構成について、以下に説明する。ここで、「フラットセパレータ」とは、後述する固体高分子膜からなる電解質膜を燃料極と空気極との２枚の電極で挟んだ接合体の側の表面が平滑面であるセパレータをいう。
【００３８】
上記ガス拡散部材を多孔体流路層３４としても用いることにより、燃料電池の発電時に生成する生成水１６が仮にガス拡散部材の貫通孔に水膜を形成したとしても、この水膜同士を溝１２を介して連結させることができ、これにより生成水１６を速やかにセパレータ３０（フラットセパレータ）を介して系外に排出することができ、上述したように、特に生成水１６の生成するカソード側の酸化剤ガスの拡散性を維持することができ、いわゆるフラッティング現象を抑制し、燃料電池の発電効率を維持安定化させることができる。
【００３９】
図５には、上述したように、フラットセパレータ３０を用い、このフラットセパレータ３０とセルの接合体３２との間に、それぞれ多孔体流路層３４として基材１０が配置された構成になっている。ここで、上記接合体３２は、燃料ガス拡散層−燃料極触媒層−電解質膜−空気極触媒層−酸化剤ガス拡散層からなる構成であっても、また、燃料極触媒層−電解質膜−空気極触媒層から構成されていてもよい。したがって、上記接合体３２が燃料ガス拡散層−燃料極触媒層−電解質膜−空気極触媒層−酸化剤ガス拡散層からなる場合には、フラットセパレータ３０とガス拡散層との間に、それぞれ多孔体流路層３４とした基材１０（図１）が配置される。一方、上記接合体３２が燃料極触媒層−電解質膜−空気極触媒層からなる場合には、フラットセパレータ３０と燃料極触媒層および空気極触媒層との間に、それぞれ多孔体流路層３４とした基材１０が配置される。すなわち、後者の構成の場合には、多孔体流路層３４に設けられた基材１０（図１）は、流路のみならずガス拡散層としても機能し、したがって、従来のガス拡散層が不要となり、セルの厚みをより薄くすることが可能である。その結果、燃料電池をより小型化することも可能となる。なお、後者の場合、触媒層に接触するエキスパンドメタル形態の基材１０（図１）の面には例えば疎水剤等が塗布され、この疎水コーティングによって疎水化されると共に、燃料電池製造時の圧縮における触媒層への損傷が抑制される。
【００４０】
<ガス拡散層>
図３には、複数のセルからなる燃料電池において、電解質膜４０、触媒層４２とガス拡散層４４からなる空気極および燃料極に挟まれてなる接合体を、さらにガス供給溝４６を有するセパレータ４８によって教示してなるセルの構造の一例が示されて、ガス拡散層４４として、図１に示した基材１０からなるガス拡散部材を用いる構成について以下に説明する。
【００４１】
ガス拡散層は、流路から供給されるガスを電極触媒層へ拡散供給する層であり、上述した多孔体流路層ほどセパレータ面に沿った方向へのガス流通が必要ではないため、基材１０（図１）を拡散層として用いる場合には、上記多孔体流路層に用いる場合に比べ比較的小さめの貫通孔に形成するようラスカットされていることが望ましい。さらに、燃料電池発電時の変形を吸収するように多少変形に追従可能な程度の剛性のやや低いものを用いることが好ましく、ガス拡散層に用いられるエキスパンドメタル形態の基材１０（図１）は、例えばステンレス材で形成することが望ましい。
【００４２】
図３では、ガス拡散層４４として、図１に示した基材１０からなるガス拡散部材を用いることにより、燃料電池の発電時に、特にカソード側の空気極の触媒層４２から生成する生成水を効率よくセパレータ４８側に移行させることができ、上述同様、カソード側の酸化剤ガスの拡散性を維持することができ、いわゆるフラッティング現象を抑制し、燃料電池の発電効率を維持安定化させることができる。また、基材１０の貫通孔および溝１２から、燃料極触媒層および空気極触媒層にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給することができる。
【００４３】
また、図１に示す基材１０（図１）を多積層することによって、複数積層のガス拡散部材を製造してもよい。なお、積層数は、使用される空間の大きさに応じて適宜選択することが望ましい。
【００４４】
［ガス拡散部材の製造方法］
図４に示すように、金属板２０の表面に複数の溝１２を形成する工程（Ｓ１００）と、複数の溝１２が形成された金属板２０に対しラスカット２２を施す工程（Ｓ１０２）と、ラスカット２２が施され且つ表面に複数溝が形成された金属板を延伸加工する工程（Ｓ１０４）と、を有するガス拡散部材の製造方法である。
【００４５】
上記製造方法により、表面に複数の溝１２が形成された金属板をラスカットし延伸加工するだけで、網目状に形成された貫通孔１４に加え、隣接する貫通孔１４に形成される生成水由来の水膜の連通溝も形成することができる。
【００４６】
より具体的に説明すると、本実施の形態のガス拡散部材の製造方法は、図４に示すように、例えば、金属板２０として板厚０．１ｍｍから０．２ｍｍのチタン板を用い、板厚の半分以下の深さを有する溝１２を複数本形成する（Ｓ１００）。ここで、溝１２の幅は、ガス拡散部材としてラスカットメタルを用いる場合、加工後のラスカットメタルの各面の平面部分の幅の半分以下とする。溝１２の間隔は、ガス拡散部材としてラスカットメタルを用いる場合に、ラスカットメタルの柱となる部分に応じて決定する。また、上記溝１２の加工は、例えば、レーザー、機械加工、ブラスト加工のいずれか又はこれらを組み合わせて行う。また、図４に示すように、本実施の形態のガス拡散部材の製造方法では、溝加工は、金属板２０としてのチタン板の両面に施される。
【００４７】
また、ラスカット加工（Ｓ１０２）では、例えば打ち抜きラス加工を行い、ガス拡散部材の貫通孔１４を形成するガス拡散部材の柱部分に溝１２が形成されるように加工する。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明のガス拡散部材は、燃料電池を用いる用途であれば、いかなる用途にも有効であるが、ガス拡散部材として特に排水性を併せて要求される用途に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施の形態のガス拡散部材の一例を説明する斜視図である。
【図２】本発明のガス拡散部材を燃料電池のセルの多孔体流路層として用いた一態様を説明する模式断面図である。
【図３】本発明のガス拡散部材を燃料電池のセルのガス拡散層として用いた一態様を説明する一部模式断面図である。
【図４】本発明のガス拡散部材の製造方法の一例を説明する図である。
【図５】従来のエキスパンドメタルからなるガス拡散部材の一例を説明する斜視図である。
【図６】燃料電池のセルの構成および発電時のメカニズムを説明する図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０  基材、１２  溝、１４  貫通孔、１６  生成水、２０  金属板、２２  ラスカット、３０  フラットセパレータ、３２  接合体、３４  多孔体流路層、３６  シール、４０  電解質膜、４２  触媒層、４４  ガス拡散層、４６  ガス供給溝、４８  セパレータ、５０  燃料極、５２  電解質膜、５４  空気極。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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