(57)【要約】【課題】ガス拡散層とセパレータ本体との間の電気抵抗の低減。【解決手段】セパレータ本体５１にガス拡散層６を接合してなるセパレータ５０であり、ガス拡散層６は、互いに連通する複数の空孔６ａを有する多孔質材によって構成され、各空孔６ａがセパレータ本体５１の表面５１ａ側に環状口６ｂをもって開口し、かつ各環状口６ｂの間がセパレータ本体５１の表面５１ａに沿う面状部６ｃに形成され、この面状部６ｃを介してセパレータ本体５１の表面５１ａに接合すべく構成している。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側に層状に配置される触媒層のうち少なくとも一方の触媒層に対して層状となるように設置されるガス拡散層を、セパレータ本体の少なくとも一方の表面に接合してなる固体高分子型燃料電池のセパレータであって、
上記ガス拡散層は、互いに連通する複数の空孔を有する多孔質材によって構成されているとともに、上記各空孔が少なくとも上記セパレータ本体の表面側に環状口をもって開口し、かつ上記各環状口の間が上記セパレータ本体の表面に沿う面状部によって形成されており、この面状部を介して上記セパレータ本体の表面に接合されていることを特徴とする固体高分子型燃料電池のセパレータ。
【請求項２】
電解質膜の両側に層状に配置される触媒層のうち少なくとも一方の触媒層に対して層状となるように設置されるガス拡散層を、セパレータ本体の少なくとも一方の表面に接合してなる固体高分子型燃料電池のセパレータの製造方法であって、
金属製の原料粉末を、少なくともバインダーおよび発泡剤と混合することによって発泡性スラリーを製造し、
上記発泡性スラリーをドクターブレード法あるいはスクリーン印刷により上記セパレータ本体の素材金属板の少なくとも一方の表面に所定の厚さに塗工し、
この塗工後の発泡性スラリーを発泡させた後に乾燥させることによって、互いに連通する複数の空孔を有するとともに、上記各空孔が上記素材金属板の表面側に環状口をもって開口し、かつ上記各環状口の間が上記素材金属板の表面に沿う面状部によって形成されたグリーン板を成形し、
上記グリーン板を上記素材金属板の表面に押し付けながら、当該素材金属板および上記グリーン板を加熱することによって、上記グリーン板から上記面状部が上記素材金属板の表面に拡散接合されたガス拡散層を焼成することを特徴とする固体高分子型燃料電池のセパレータの製造方法。
【請求項３】
電解質膜の両側に層状に配置される触媒層のうち少なくとも一方の触媒層に対して層状となるように設置されるガス拡散層を、セパレータ本体の少なくとも一方の表面に接合してなる固体高分子型燃料電池のセパレータの製造方法であって、
金属製の原料粉末を、少なくともバインダーおよび発泡剤と混合することによって発泡性スラリーを製造し、
上記発泡性スラリーをドクターブレード法によりキャリアシート上に所定の厚さに塗工し、
この塗工後の発泡性スラリーを上記キャリヤシート上で発泡させた後に乾燥させることによって、互いに連通する複数の空孔を有するとともに、上記各空孔が上記キャリヤシート側に環状口をもって開口し、かつ上記各環状口の間が上記キャリヤシート面に沿う面状部によって形成されたグリーン板を成形し、
上記グリーン板の上記面状部を上記セパレータ本体の素材金属板の少なくとも一方の表面に重ねるとともに、上記グリーン板を上記素材金属板の表面に押し付けながら、当該素材金属板およびグリーン板を加熱することによって、上記グリーン板から上記面状部が上記素材金属板の表面に拡散接合されたガス拡散層を焼成することを特徴とする固体高分子型燃料電池のセパレータの製造方法。
【請求項４】
電解質膜の両側に層状に配置される触媒層のうち少なくとも一方の触媒層に対して層状となるように設置されるガス拡散層を、セパレータ本体の少なくとも一方の表面に接合してなる固体高分子型燃料電池のセパレータの製造方法であって、
金属製の原料粉末を、少なくともバインダーおよび発泡剤と混合することによって発泡性スラリーを製造し、
上記発泡性スラリーをドクターブレード法によりキャリアシート上に所定の厚さに塗工し、
この塗工後の発泡性スラリーを上記キャリヤシート上で発泡させた後に乾燥させることによって、互いに連通する複数の空孔を有するとともに、上記各空孔が上記キャリヤシート側に環状口をもって開口し、かつ上記各環状口の間が上記キャリヤシート面に沿う面状部によって形成されたグリーン板を成形し、
このグリーン板を加熱することによってガス拡散層を焼成し、
このガス拡散層の焼結後の上記面状部を上記セパレータ本体の素材金属板の少なくとも一方の表面に重ねるとともに、上記ガス拡散層を上記素材金属板の表面に押し付けながら、当該素材金属板およびガス拡散層を加熱することによって、上記ガス拡散層の焼結後の上記面状部を上記素材金属板の表面に拡散接合することを特徴とする固体高分子型燃料電池のセパレータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質膜の一方および他方の面にそれぞれ積層される触媒層のうち少なくとも一方の触媒層に対して層状となるように配置されるガス拡散層を、セパレータ本体の少なくとも一方の表面に接合してなる固体高分子型燃料電池のセパレータおよびセパレータの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）としては、例えば図１０に示すように、固体高分子の電解質膜１の両側に触媒層２、３がそれぞれ積層され、これらの触媒層２、３のそれぞれの外面にさらにセパレータ４、５が積層されたものを単位セルとし、この単位セルを複数積層させたものが知られている。
【０００３】
電解質膜１は、例えば０．１ｍｍ程度の厚さのもので構成されている。
触媒層２、３は、図１１に示すように、触媒としてＰｔ担持カーボンブラックＡを有する多孔質のカーボンペーパによって形成されている。
【０００４】
セパレータ４、５は、上記各単位セルを区分する隔壁としての機能を有するとともに、電極としての機能を有するようになっている。この例では、一方のセパレータ４がアノード（燃料電極）として利用され、他方のセパレータ５がカソード（酸化剤電極）として利用されるようになっている。
【０００５】
そして、一方のセパレータ４には、表面４ａに、燃料ガス（水素を有する）を触媒層２の表面全体に供給するための溝４ｂが形成されている。また、他方のセパレータ５には、表面５ａに、酸化剤ガス（酸素を有する）を触媒層３の表面全体に供給するための溝５ｂが形成されている。燃料ガスとしては、例えばほぼ１００％の水素や、天然ガスやメタノールなどの燃料を改質して水素が豊富となったガスが用いられ、酸化剤ガスとしては、一般に空気が用いられる。
【０００６】
上記のように構成された固体高分子型燃料電池においては、図１１に示すような化学反応により電気エネルギが発生する。この場合、燃料となる水素（Ｈ２  ）が触媒層２側の触媒Ａの作用で水素イオン（Ｈ＋  ）と電子（ｅ−  ）に分かれる。すなわち、
Ｈ２  →２Ｈ＋  ＋２ｅ−    …（１）
となる。
【０００７】
水素イオンは、電解質膜１中を触媒層３側に移動し、触媒Ａの作用によって、外部電気回路から供給される電子とともに、触媒層３に供給される酸素の還元に使われる。すなわち、
１／２Ｏ２  ＋２Ｈ＋  ＋２ｅ−  →Ｈ２  Ｏ  …（２）
の電気化学反応が生じ、水が生成される。そして、触媒層２側の電子が一方のセパレータ４を介して例えば外部の負荷に流れ、さらに、他方のセパレータ５を介して触媒層３側に流れることから、これを電気エネルギとして利用することができる。
上記電気化学反応は、主に電解質膜１と触媒層３との境界部で発生することになる。
【０００８】
また、固体高分子型燃料電池としては、例えば触媒層３とセパレータ５との間に多孔質金属材料で形成されたガス拡散層を介在させることによって、触媒層３に対するガスの流通性を向上させたものもある。この場合、ガス拡散層と、上記セパレータ５としてのセパレータ本体とを拡散接合により一体化してなるセパレータも知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
【特許文献１】
特開平７−２２０３７号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記ガス拡散層を拡散接合により一体化してなるセパレータにおいては、ガス拡散層の外面に不規則な形状の凹凸が形成されていることから、当該ガス拡散層とセパレータ本体とが点状部分で接合されることになる。
このため、ガス拡散層とセパレータ本体との間の電気抵抗が大きくなってしまうという問題があった。
【００１１】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ガス拡散層とセパレータ本体との間の電気抵抗を低減することのできる固体高分子型燃料電池のセパレータおよびセパレータの製造方法を提供することを課題としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の固体高分子型燃料電池のセパレータは、電解質膜の両側に層状に配置される触媒層のうち少なくとも一方の触媒層に対して層状となるように設置されるガス拡散層を、セパレータ本体の少なくとも一方の表面に接合してなる固体高分子型燃料電池のセパレータであって、上記ガス拡散層は、互いに連通する複数の空孔を有する多孔質材によって構成されているとともに、上記各空孔が少なくとも上記セパレータ本体の表面側に環状口をもって開口し、かつ上記各環状口の間が上記セパレータ本体の表面に沿う面状部によって形成されており、この面状部を介して上記セパレータ本体の表面に接合されていることを特徴としている。
なお、上記環状口は、円形状、楕円形状、多角形状等の閉ループを描くように形成された各種形状の開口を含む。
また、触媒層は、電解質膜やガス拡散層と別体のものや、塗布等によって、電解質膜に一体的に付着したものや、ガス拡散層に一体的に付着したものを含む。
【００１３】
請求項２に記載の固体高分子型燃料電池のセパレータの製造方法は、電解質膜の両側に層状に配置される触媒層のうち少なくとも一方の触媒層に対して層状となるように設置されるガス拡散層を、セパレータ本体の少なくとも一方の表面に接合してなる固体高分子型燃料電池のセパレータの製造方法であって、金属製の原料粉末を、少なくともバインダーおよび発泡剤と混合することによって発泡性スラリーを製造し、上記発泡性スラリーをドクターブレード法あるいはスクリーン印刷により上記セパレータ本体の素材金属板の少なくとも一方の表面に所定の厚さに塗工し、この塗工後の発泡性スラリーを発泡させた後に乾燥させることによって、互いに連通する複数の空孔を有するとともに、上記各空孔が上記素材金属板の表面側に環状口をもって開口し、かつ上記各環状口の間が上記素材金属板の表面に沿う面状部によって形成されたグリーン板を成形し、上記グリーン板を上記素材金属板の表面に押し付けながら、当該素材金属板および上記グリーン板を加熱することによって、上記グリーン板から上記面状部が上記素材金属板の表面に拡散接合されたガス拡散層を焼成することを特徴としている。
【００１４】
請求項３に記載の固体高分子型燃料電池のセパレータの製造方法は、電解質膜の両側に層状に配置される触媒層のうち少なくとも一方の触媒層に対して層状となるように設置されるガス拡散層を、セパレータ本体の少なくとも一方の表面に接合してなる固体高分子型燃料電池のセパレータの製造方法であって、金属製の原料粉末を、少なくともバインダーおよび発泡剤と混合することによって発泡性スラリーを製造し、上記発泡性スラリーをドクターブレード法によりキャリアシート上に所定の厚さに塗工し、この塗工後の発泡性スラリーを上記キャリヤシート上で発泡させた後に乾燥させることによって、互いに連通する複数の空孔を有するとともに、上記各空孔が上記キャリヤシート側に環状口をもって開口し、かつ上記各環状口の間が上記キャリヤシート面に沿う面状部によって形成されたグリーン板を成形し、上記グリーン板の上記面状部を上記セパレータ本体の素材金属板の少なくとも一方の表面に重ねるとともに、上記グリーン板を上記素材金属板の表面に押し付けながら、当該素材金属板およびグリーン板を加熱することによって、上記グリーン板から上記面状部が上記素材金属板の表面に拡散接合されたガス拡散層を焼成することを特徴としている。
【００１５】
請求項４に記載の固体高分子型燃料電池のセパレータの製造方法は、電解質膜の両側に層状に配置される触媒層のうち少なくとも一方の触媒層に対して層状となるように設置されるガス拡散層を、セパレータ本体の少なくとも一方の表面に接合してなる固体高分子型燃料電池のセパレータの製造方法であって、金属製の原料粉末を、少なくともバインダーおよび発泡剤と混合することによって発泡性スラリーを製造し、上記発泡性スラリーをドクターブレード法によりキャリアシート上に所定の厚さに塗工し、この塗工後の発泡性スラリーを上記キャリヤシート上で発泡させた後に乾燥させることによって、互いに連通する複数の空孔を有するとともに、上記各空孔が上記キャリヤシート側に環状口をもって開口し、かつ上記各環状口の間が上記キャリヤシート面に沿う面状部によって形成されたグリーン板を成形し、このグリーン板を加熱することによってガス拡散層を焼成し、このガス拡散層の焼結後の上記面状部を上記セパレータ本体の素材金属板の少なくとも一方の表面に重ねるとともに、上記ガス拡散層を上記素材金属板の表面に押し付けながら、当該素材金属板およびガス拡散層を加熱することによって、上記ガス拡散層の焼結後の上記面状部を上記素材金属板の表面に拡散接合することを特徴としている。
【００１６】
請求項１に記載の固体高分子型燃料電池のセパレータにおいては、ガス拡散層が面状部を介してセパレータ本体の表面に接合されることになるので、ガス拡散層とセパレータ本体との接合面積の向上を図ることができる。この場合、例えば拡散接合やろう付け等によって接合することができる。したがって、ガス拡散層とセパレータ本体との間の電気抵抗を、点状部分での接合となる従来の場合に比べて、格段に低下させることができる。よって、電気エネルギへの変換効率の向上を図ることができる。
【００１７】
請求項２に記載の固体高分子型燃料電池のセパレータの製造方法においては、セパレータ本体の素材金属板の表面に塗工した発泡性スラリーを発泡させた後に乾燥させて素材金属板の表面上にグリーン板を成形し、このグリーン板を焼結することによって、ガス拡散層を成形するとともに、当該ガス拡散層の面状部を素材金属板の表面に拡散接合することができる。
【００１８】
そして、素材金属板は、セパレータ本体と同一の大きさのものであれば、ガス拡散層がセパレータ本体に直接拡散接合されたのと同じになり、セパレータ本体より大きなものであれば、ガス拡散層を拡散接合した後に、所定の大きさに切断することにより、セパレータ本体にガス拡散層が拡散接合されたものになる。
【００１９】
以上、発泡性スラリーの発泡、乾燥、焼結およびガス拡散層の素材金属板への接合を一つの素材金属板上で行うことができるので、製造工程の簡素化、製造時間の短縮等を図ることができ、この結果、接合面積の大きなセパレータ本体とガス拡散層とを備えたセパレータを簡単に製造することができるとともに、当該セパレータのコストの低減を図ることができる。
【００２０】
また、グリーン板を素材金属板の表面に押し付けながら加熱してガス拡散層に焼成しているので、その焼成の過程でグリーン板が素材金属板の表面に沿って収縮するのを防止することができる。したがって、ガス拡散層に割れが生じるのを防止することができるので、歩留まりの向上を図ることができる。しかも、グリーン板を素材金属板の表面に押し付けることによって、面状部と素材金属板との拡散接合を速やかに行わせることができるので、セパレータの製造能率の向上を図ることができる。
【００２１】
請求項３に記載の固体高分子型燃料電池のセパレータの製造方法においては、グリーン板が素材金属板とは別に製造されることになるので、気孔率等がある程度定まったグリーン板を選択して素材金属板に組み合わせることができる。したがって、固体高分子型燃料電池の大きさ等に応じて、より最適なガス拡散層を備えたセパレータを製造することができる。
【００２２】
また、この場合も、グリーン板を素材金属板の表面に押し付けながら焼結しているので、ガス拡散層に割れが生じるのを防止することができるとともに、面状部と素材金属板との拡散接合を速やかに行わせることができる。しかも、ガス拡散層の焼成と、素材金属板への拡散接合とを同時に行うことができることから、製造コストの低減を図ることができる。
【００２３】
請求項４に記載の固体高分子型燃料電池のセパレータの製造方法においては、ガス拡散層が素材金属板とは別に製造されることになるので、気孔率等が確実に定まったガス拡散層を選択して素材金属板に組み合わせることができる。したがって、固体高分子型燃料電池の大きさ等に応じて、最適なガス拡散層を有するセパレータを製造することができる。
【００２４】
また、ガス拡散層を素材金属板の表面に押し付けながら加熱することにより、ガス拡散層の面状部と素材金属板の表面とを速やかに拡散接合することができる。そして、この場合、ガス拡散層がすでに焼成されていて収縮することがないので、ガス拡散層を押圧する荷重等の管理を厳密に行わなくてもガス拡散層に割れが生じるのを防止することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。ただし、従来例で示した構成要素と共通する要素には同一の符号を付しその説明を簡略化する。
【００２６】
（セパレータの一実施の形態）
まず、本発明の固体高分子型燃料電池のセパレータの一実施の形態を図１〜図３を参照して説明する。
この実施の形態で示すセパレータ５０は、図１〜図３に示すように、セパレータ本体５１と、このセパレータ本体５１に一体的に接合されたガス拡散層６とを備えた構成になっている。なお、セパレータ本体５１が従来例で示したセパレータ５に対応している。
【００２７】
セパレータ本体５１は、耐食性金属としてのステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ３１６Ｌ）によって厚さが例えば０．２ｍｍの四角形状の平板状に形成されている。このセパレータ本体５１は、その両側の表面が平面状に形成されている。
【００２８】
ガス拡散層６は、耐食性金属としてのステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ３１６Ｌ）の粉体を用いて発泡焼結させたものであり、互いに連通する複数の空孔６ａを有する三次元網状構造の多孔質材によって平板状に形成されている。
また、ガス拡散層６は、各空孔６ａがセパレータ本体５１の一方の表面５１ａ側に環状口６ｂをもって開口し、かつ各環状口６ｂの間が表面５１ａに沿うべく面一状の平面状に形成された面状部６ｃになっており、この面状部６ｃを介してセパレータ本体５１の表面５１ａに拡散接合されている。なお、各環状口６ｂはほぼ円形状に形成され、大きさもほぼ一定のものとなっている。ただし、この環状口６ｂは、楕円形状、多角形状等の閉ループを描くように形成された各種の形状のものであってもよく、また大きさの異なるものであってもよい。
【００２９】
また、ガス拡散層６におけるセパレータ本体５１と反対側の面は、複数の空孔６ａが単に開口し、各空孔６ａを構成する骨格柱の端面が露出することになることから、不規則な形状の凹凸が隣接して形成された状態になっており、その各凸部が比較的柔軟な触媒層３に食い込むことによって、当該触媒層３との導電性の向上が図られている。
ただし、ガス拡散層６は、その両側の面に、上記環状口６ｂおよび面状部６ｃを備えたもので構成してもよい。
【００３０】
また、ガス拡散層６は、平均孔径が２０〜６００μｍ、厚さが２５〜１０００μｍに形成されている。
【００３１】
そして、ガス拡散層６は、上述したステンレス鋼の粉末を原料粉末とし、この原料粉末を４０〜６０重量％、水溶性樹脂バインダーとしてのメチルセルロースを５〜１５重量％、界面活性剤としてのアルキルベンゼンスルホン酸塩を１〜３重量％、発泡剤としてのヘキサンを０．５〜３重量％、残部を水および不可避不純物とするものを混練機で混合してなる発泡性スラリー６０（図４参照）を原料として成形されたものである。上記原料粉末は、平均粒径が約１０μｍのものである。
【００３２】
なお、この実施の形態では、図１に示すように、カソード側のセパレータ５０のみならず、アノード側のセパレータ４０もガス拡散層６がセパレータ本体４１に一体的に拡散接合されたもので構成されている。ただし、セパレータ本体４１およびガス拡散層６は、上述したセパレータ本体５１およびガス拡散層６と同様の構成を有するのでその説明を省略する。また、４１ａはセパレータ本体４１の一方の表面である。
【００３３】
また、図１においては、電解質膜１等を水平方向に向けた状態のものを示しているが、電解質膜１等を垂直方向に立てた状態にして使用する場合もある。
【００３４】
上記のように構成された固体高分子型燃料電池のセパレータ５０においては、ガス拡散層６が面状部６ｃを介してセパレータ本体５１の表面に拡散接合されることになるので、ガス拡散層６とセパレータ本体５１との接合面積の向上を図ることができる。したがって、ガス拡散層６とセパレータ本体５１との間の電気抵抗を、点状の接合となる従来の場合に比べて、格段に低下させることができる。よって、固体高分子型燃料電池における電気エネルギへの変換効率の向上を図ることができる。
【００３５】
なお、上記実施の形態においては、セパレータ本体５１や、発泡性スラリー６０の原料粉末として、ステンレス鋼のＳＵＳ３１６Ｌを用いた例を示したが、このセパレータ本体５１や、発泡性スラリー６０の原料粉末としては、ハステロイ等の他の耐食合金あるいはチタン、ニオブ、タンタルなどの耐食性を持つ金属を用いてもよい。
【００３６】
（セパレータの製造方法の第１の実施の形態）
次ぎに、本発明の固体高分子型燃料電池のセパレータの製造方法の第１の実施の形態を、図１〜図４を参照して説明する。
このセパレータの製造方法の第１の実施の形態は、上記セパレータ５０を製造する方法に係るものであり、まず、図４に示すように、上述した組成の発泡性スラリー６０をドクターブレード法を用いた成形装置Ｘによってセパレータ本体５１の素材金属板５２上に塗工し、発泡、乾燥させる。なお、素材金属板５２は、帯状に長く形成されたものであり、所定の大きさに切断されることにより、各種の大きさのセパレータ本体５１となるようになっている。
【００３７】
上記成形装置Ｘは、図４に示すように、ドクターブレード８、発泡スラリー６０のホッパ９、予備乾燥室１０ａ、恒温・高湿度槽１０、乾燥槽１１、素材金属板５２の巻き出しリール１２、同素材金属板５２の支持ロール１４、１５を備えた構成になっている。
上記発泡性スラリー６０の塗工に際しては、ホッパ９に投入された発泡性スラリー６０を、巻き出しリール１２から連続的に繰り出される素材金属板５２の上面（一方の表面）に連続的に供給する。これにより、発泡性スラリー６０はドクターブレード８によって薄く延ばされて素材金属板５２上に均一な厚さに塗工される。
【００３８】
そして、発泡性スラリー６０が塗工された素材金属板５２を、まず予備乾燥室１０ａ内を通過させた後、恒温・高湿度槽１０内を連続的に移動させることによって、湿度が７５〜９５％、温度が３０〜４０℃、滞留時間が１０〜２０分の条件の下で上記発泡性スラリー６０をスポンジ状に発泡させる。さらに、乾燥槽１１を連続的に移動させることによって、温度が５０〜７０℃、滞留時間が５０〜７０分の条件の下で乾燥させて素材金属板５２上にスポンジ状グリーン板６１を成形する。このグリーン板６１の厚さは、例えば約０．３ｍｍである。
【００３９】
この場合、グリーン板６１は、互いに連通する複数の空孔を有するとともに、各空孔が素材金属板５２の上面側に環状口をもって開口し、かつ各環状口の間が素材金属板５２の上面に沿うべく面一状の平面状に形成された面状部となる。
【００４０】
そして、上記素材金属板５２とグリーン板６１とからなる複合板を、連続的にスキン圧延（図示せず）してグリーン板６１の平坦性および厚さの均一性の向上を図った後、所定の長さごとに切断する。
次ぎに、切断により所定の大きさに形成された複合板をジルコニア製の平板状圧縮部材（図示せず）の間に挟んで、当該複合板に対して１０〜１００ｇ／ｃｍ２  の押圧力が作用するように荷重を加える。これにより、グリーン板６１の面状部は素材金属板５２の上面に所定の圧力で押し付けられた状態になる。なお、上記押圧力は、上記加重を、グリーン板６１における素材金属板５２側の全面積で割ることによって単純に計算した値である。また、上記平板状圧縮部材は、素材金属板５２やグリーン板６１と反応しないものであれば、ジルコニア以外の材質のものであってもよい。
【００４１】
そして、平板状圧縮部材によって押圧された複合板に対して、真空中において、４５０〜６５０℃、２５〜３５分の条件の下で、グリーン板６１におけるバインダー成分を除去する脱脂を行い、さらに真空中において、１２００〜１３００℃、５０〜７０分の条件の下に保持することにより、グリーン板６１からガス拡散層６を焼成するとともに、面状部６ｃを素材金属板５２の上面に拡散接合する。
【００４２】
その後、ガス拡散層６を有する素材金属板５２を所定の大きさに切断することにより、所定の大きさのセパレータ本体５１の一方の表面５１ａに例えば０．１５ｍｍのガス拡散層６が拡散接合されたセパレータ５０が完成する。
【００４３】
上記のように構成された固体高分子型燃料電池のセパレータの製造方法においては、セパレータ本体５１の素材金属板５２の表面に塗工した発泡性スラリー６０を発泡させた後に乾燥させて素材金属板５２の上面にグリーン板６１を成形し、このグリーン板６１を焼結等することによって、ガス拡散層６を成形すると同時に、当該ガス拡散層６の面状部６ｃを素材金属板５２の上面に拡散接合することができる。
そして、ガス拡散層６が拡散接合された素材金属板５２を所定の大きさに切断することにより、所定の大きさのセパレータ本体５１にガス拡散層６が拡散接合されたセパレータ５０を得ることができる。
【００４４】
したがって、発泡性スラリー６０の塗工、発泡、乾燥、脱脂、焼結およびガス拡散層６の素材金属板５２への接合等を一つの素材金属板５２上で行うことができるので、製造工程の簡素化、製造時間の短縮等を図ることができる。よって、セパレータ５０を簡単に製造することができるとともに、当該セパレータ５０の製造コストの低減を図ることができる。
【００４５】
また、グリーン板６１を素材金属板５２の表面に押し付けながら加熱してガス拡散層６に焼成しているので、その焼成の過程でグリーン板６１が素材金属板５２の表面に沿って収縮するのを防止することができる。したがって、ガス拡散層６に割れが生じるのを防止することができ、歩留まりの向上を図ることができる。しかも、グリーン板６１を素材金属板５２の表面に押し付けることによって、面状部６ｃと素材金属板５２との拡散接合を速やかに行わせることができる。よって、セパレータ５０の製造能率の向上を図ることができる。
【００４６】
なお、上記実施の形態では、発泡性スラリー６０をドクターブレード法により素材金属板５２上に塗工するように構成したが、発泡性スラリー６０をシルク印刷により素材金属板５２上に塗工するようにしてもよい。この場合には、発泡性スラリー６０を所定の大きさの素材金属板５２上に塗工した後、上記と同様に予備乾燥、発泡、乾燥、バインダの脱脂、焼結等を行うことにより、素材金属板５２上にガス拡散層６を焼成させることができる。そして、ガス拡散層６が面状部６ｃを介して拡散接合された素材金属板５２を、所定の大きさに切断することによって、セパレータ５０が完成する。なお、シルク印刷によって発泡性スラリー６０をセパレータ本体５１の表面５１ａに直接塗工するようにしてもよい。
【００４７】
（セパレータの製造方法の第２の実施の形態）
次ぎに、本発明の固体高分子型燃料電池のセパレータの製造方法の第２の実施の形態を、図５を参照して説明する。
このセパレータの製造方法の第２の実施の形態は、上記セパレータ５０を製造する方法に係るものであり、まず、図５に示すように、上述した組成の発泡性スラリー６０をドクターブレード法を用いた成形装置Ｙによって、後述するキャリヤシート７上に塗工し、発泡、乾燥させる。
【００４８】
上記成形装置Ｙは、図５に示すように、キャリヤーシート７、ドクターブレード８、ホッパ９、予備乾燥室１０ａ、恒温・高湿度槽１０、乾燥槽１１、キャリヤシート７の巻き出しリール１２、同キャリヤシート７の巻取リール１３、同キャリヤシート７の支持ロール１４、１５を備えた構成になっている。
上記キャリヤーシート７は、ＰＥＴ製のシートによって構成されたものであり、例えば酸素ガス中プラズマ処理を行うことにより、水との接触角を２０〜７０度に調製し、親水性の向上が図られている。
【００４９】
上記発泡性スラリー６０の塗工に際しては、ホッパ９に投入された発泡性スラリー６０を、巻き出しリール１２から連続的に繰り出されるキャリヤシート７の上面に連続的に供給する。これにより、発泡性スラリー６０はドクターブレード８によって薄く延ばされてキャリヤシート７上に均一な厚さに塗工される。
【００５０】
そして、発泡性スラリー６０が塗工されたキャリヤシート７を、まず予備乾燥室１０ａ内を通過させた後、恒温・高湿度槽１０内を連続的に移動させることによって、湿度が７５〜９５％、温度が３０〜４０℃、滞留時間が１０〜２０分の条件の下で上記発泡性スラリー６０をスポンジ状に発泡させる。さらに、乾燥槽１１を連続的に移動させることによって、温度が５０〜７０℃、滞留時間が５０〜７０分の条件の下で乾燥させてキャリヤシート７上にスポンジ状グリーン板６１を成形する。このグリーン板６１の厚さは、例えば約０．３ｍｍである。
【００５１】
この場合、グリーン板６１は、互いに連通する複数の空孔を有するとともに、各空孔がキャリヤシート７の上面側に環状口をもって開口し、かつ各環状口の間がキャリヤシート７の上面に沿って面一状の平面状に形成された面状部となる。
【００５２】
そして、グリーン板６１をキャリヤシート７上に載置した状態において、連続的にスキン圧延（図示せず）してグリーン板６１の平坦性および厚さの均一性の向上を図った後、当該グリーン板６１をキャリヤシート７から分離する。
【００５３】
次ぎに、グリーン板６１の面状部をセパレータ本体５１の素材金属板（図示せず）の少なくとも一方の表面に重ね、この重ねられた複合板をジルコニア製の平板状圧縮部材（図示せず）の間に挟んで、上記複合板に対して１０〜１００ｇ／ｃｍ２  の押圧力が作用するように荷重を加える。これにより、グリーン板６１の面状部は素材金属板の表面に所定の圧力で押し付けられた状態になる。
【００５４】
そして、上記平板状圧縮部材によって押圧された複合板に対して、真空中において、４５０〜６５０℃、２５〜３５分の条件の下で、グリーン板６１におけるバインダー成分を除去する脱脂を行い、さらに真空中において、１２００〜１３００℃、５０〜７０分の条件の下に保持することにより、グリーン板６１からガス拡散層６を焼成するとともに、面状部６ｃを素材金属板の表面に拡散接合する。
【００５５】
その後、ガス拡散層６を有する素材金属板を所定の大きさに切断することにより、所定の大きさのセパレータ本体５１の一方の表面５１ａに例えば０．１５ｍｍのガス拡散層６が拡散接合されたセパレータ５０を得ることができる。
【００５６】
上記のように構成された固体高分子型燃料電池のセパレータの製造方法においては、グリーン板６１が素材金属板とは別に製造されることになるので、気孔率等がある程度定まったグリーン板６１を選択して素材金属板に組み合わせることができる。したがって、固体高分子型燃料電池の大きさ等に対応させて、より最適なガス拡散層６を備えたセパレータ５０を製造することができる。
また、この場合も、グリーン板６１を素材金属板の表面に押し付けながら焼結しているので、ガス拡散層６に割れが生じるのを防止することができるとともに、面状部６ｃと素材金属板との拡散接合を速やかに行わせることができる。しかも、ガス拡散層６の焼成と、素材金属板の表面への拡散接合とを同時に行うことができることから、セパレータ５０の製造コストの低減を図ることができる。
【００５７】
（セパレータの製造方法の第３の実施の形態）
次ぎに、本発明の固体高分子型燃料電池のセパレータの製造方法の第３の実施の形態を説明する。
このセパレータの製造方法の第３の実施の形態は、上記セパレータ５０を製造する方法に係るものである。ただし、上述した組成の発泡性スラリー６０をドクターブレード法を用いた成形装置Ｙによってキャリヤシート７上に塗工し、発泡、乾燥させるまでの工程は上述した第２の実施の形態と同一である。
【００５８】
すなわち、キャリヤシート７上でグリーン板６１を連続的にスキン圧延した後、グリーン板６１をキャリヤシート７から分離するまでの工程は、セパレータの製造方法の第２の実施の形態と同一であるので説明を省略する。
【００５９】
そして、この第３の実施の形態では、上記キャリヤシート７から分離したグリーン板６１に対して、真空中において、４５０〜６５０℃、２５〜３５分の条件の下で、グリーン板６１におけるバインダー成分を除去する脱脂を行い、さらに真空中において、１２００〜１３００℃、５０〜７０分の条件の下に保持することにより、グリーン板６１からガス拡散層６を焼成する。この焼結後のガス拡散層６は、厚さが約０．２ｍｍである。
【００６０】
このガス拡散層６をスキン圧延することにより平坦性および厚さの均一性の向上を図った後、当該ガス拡散層６をセパレータ本体５１の素材金属板の少なくとも一方の表面に重ね、この重ねられた複合板をジルコニア製の平板状圧縮部材（図示せず）の間に挟んで、当該複合板に対して１０〜１００ｇ／ｃｍ２  の押圧力が作用するように荷重を加える。これにより、ガス拡散層６の面状部６ｃが素材金属板の表面に所定の圧力で押し付けられた状態になる。
【００６１】
そして、平板状圧縮部材によって押圧された複合板に対して、真空中において、１１５０〜１３００℃、３０分間〜５時間の条件の下に保持することにより、ガス拡散層６の面状部６ｃを素材金属板の表面に拡散接合する。
【００６２】
その後、ガス拡散層６が接合された素材金属板を所定の大きさに切断することにより、所定の大きさのセパレータ本体５１の一方の表面５１ａに例えば約０．１８ｍｍのガス拡散層６が拡散接合されたセパレータ５０を得ることができる。
【００６３】
上記のように構成された固体高分子型燃料電池のセパレータの製造方法においては、ガス拡散層６がセパレータ本体５１の素材金属板とは別に製造されることになるので、気孔率等が確実に定まったガス拡散層６を選択して素材金属板に組み合わせることができる。したがって、固体高分子型燃料電池の大きさ等に応じて、最適なガス拡散層６を有するセパレータ５０を製造することができる。
また、ガス拡散層６を素材金属板の表面に押し付けながら加熱することにより、ガス拡散層６の面状部６ｃと素材金属板の表面とを速やかに拡散接合することができる。そして、この場合、ガス拡散層６がすでに焼成されていて収縮することがないので、ガス拡散層６を押圧する荷重等の管理を厳密に行わなくてもガス拡散層６に割れが生じることがないという利点がある。
【００６４】
なお、上記のようにガス拡散層６を予め焼成した後に、セパレータ本体５１の素材金属板に接合する場合には、そのセパレータ本体５１としては、図６に示すように、その表面５１ａにガス流路となる溝５１ｂを有するものを用いることも可能である。同様にして、セパレータ本体４１としては、表面４１ａに溝４１ｂを有するものを用いることが可能である。
【００６５】
さらに、図７に示すように、セパレータ本体５１として平板状に形成されたものを用い、ガス拡散層６としてセパレータ本体５１側を向く面にガス流路となる溝６ｄを有するものを用いてもよい。この場合、ガス拡散層６は、グリーン板の状態あるいは焼結後の状態での圧延の際に、上記溝６ｄに相当する部分を凹状により深く圧延するなどの手法により、当該溝６ｄに相当するものを成形した後、拡散接合等のなどの手法によりセパレータ本体５１に接合することが可能である。同様にして、当該溝６ｄを有するガス拡散層６を平板状のセパレータ本体４１に接合するように構成してもよい。
【００６６】
【実施例】
次ぎに、本発明の実施例を説明する。図８は、本発明の実施例を示す顕微鏡写真であって、上記セパレータの製造方法の第３実施の形態で示したガス拡散層の面状部とセパレータ本体の表面とを拡散接合した部分の断面を観察したものである。また、図９は、比較例を示す顕微鏡写真であって、従来のガス拡散層とセパレータ本体の表面とを拡散接合した部分の断面を観察したものである。
【００６７】
本発明の実施例においては、ガス拡散層の表面に面状部が形成されていることから、この面状部がセパレータ本体の表面に当接する広い範囲で面状に拡散接合していることが確認できる。
一方、比較例は、ガス拡散層の表面が不規則な形状の凹凸によって形成されていることから、その凸部の先端部がセパレータ本体の表面に当接する狭い範囲で点状に拡散接合していることが確認できる。
したがって、本発明の実施例を採用することにより、ガス拡散層とセパレータ本体との間の電気抵抗を比較例に比べて格段に低減することができる。
【００６８】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の固体高分子型燃料電池のセパレータによれば、ガス拡散層が面状部を介してセパレータ本体の表面に接合されることになるので、ガス拡散層とセパレータ本体との接合面積の向上を図ることができる。したがって、ガス拡散層とセパレータ本体との間の電気抵抗を、点状の接合となる従来の場合に比べて、格段に低下させることができる。よって、電気エネルギへの変換効率の向上を図ることができる。
【００６９】
請求項２に記載の固体高分子型燃料電池のセパレータの製造方法によれば、セパレータ本体の素材金属板の表面に塗工した発泡性スラリーを発泡させた後に乾燥させて素材金属板の表面上にグリーン板を成形し、このグリーン板を焼結することによって、ガス拡散層を成形するとともに、当該ガス拡散層の面状部を素材金属板の表面に拡散接合することができる。
【００７０】
したがって、発泡性スラリーの発泡、乾燥、焼結およびガス拡散層の素材金属板への接合を一つの素材金属板上で行うことができるので、製造工程の簡素化、製造時間の短縮等を図ることができる。よって、セパレータ本体とガス拡散層との接合面積の大きなセパレータを簡単に製造することができるとともに、当該セパレータのコストの低減を図ることができる。
【００７１】
また、グリーン板を素材金属板の表面に押し付けながら加熱してガス拡散層に焼成しているので、その焼成の過程でグリーン板が素材金属板の表面に沿って収縮するのを防止することができる。したがって、ガス拡散層に割れが生じるのを防止することができるので、歩留まりの向上を図ることができる。しかも、グリーン板を素材金属板の表面に押し付けることによって、面状部と素材金属板との拡散接合を速やかに行わせることができるので、セパレータの製造能率の向上を図ることができる。
【００７２】
請求項３に記載の固体高分子型燃料電池のセパレータの製造方法によれば、グリーン板が素材金属板とは別に製造されることになるので、気孔率等がある程度定まったグリーン板を選択して素材金属板に組み合わせることができる。したがって、固体高分子型燃料電池の大きさ等に応じて、より最適なガス拡散層を備えたセパレータを製造することができる。
【００７３】
また、この場合も、グリーン板を素材金属板の表面に押し付けながら焼結しているので、ガス拡散層に割れが生じるのを防止することができるとともに、面状部と素材金属板との拡散接合を速やかに行わせることができる。しかも、ガス拡散層の焼成と、素材金属板への拡散接合とを同時に行うことができることから、製造コストの低減を図ることができる。
【００７４】
請求項４に記載の固体高分子型燃料電池のセパレータの製造方法によれば、ガス拡散層が素材金属板とは別に製造されることになるので、気孔率等が確実に定まったガス拡散層を選択して素材金属板に組み合わせることができる。したがって、固体高分子型燃料電池の大きさ等に応じて、最適なガス拡散層を有するセパレータを製造することができる。
【００７５】
また、ガス拡散層を素材金属板の表面に押し付けながら加熱することにより、ガス拡散層の面状部と素材金属板の表面とを速やかに拡散接合することができる。そして、この場合、ガス拡散層がすでに焼成されていて収縮することがないので、ガス拡散層を押圧する荷重等の管理を厳密に行わなくてもガス拡散層に割れが生じるのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の固体高分子型燃料電池のセパレータの一実施の形態を示す図であって、当該セパレータを備えた固体高分子型燃料電池の単位セルを示す断面図である。
【図２】同固体高分子型燃料電池のセパレータを示す要部断面図である。
【図３】同固体高分子型燃料電池のセパレータにおけるガス拡散層を示す要部斜視図である。
【図４】この発明の固体高分子型燃料電池のセパレータの製造方法の第１の実施の形態において使用する成形装置の説明図である。
【図５】この発明の固体高分子型燃料電池のセパレータの製造方法の第２の実施の形態において使用する成形装置の説明図である。
【図６】この発明の固体高分子型燃料電池のセパレータの製造方法の第３の実施の形態において製造したガス拡散層を有するセパレータを備えた固体高分子型燃料電池の単位セルを示す断面図である。
【図７】上記第１〜第３の実施の形態のいずれかにおいて製造したガス拡散層であってガス流路となる溝が形成されたガス拡散層を有するセパレータを備えた固体高分子型燃料電池の単位セルを示す断面図である。
【図８】この発明の実施例を示す図であって、ガス拡散層の面状部とセパレータ本体との拡散接合状態を示す顕微鏡写真である。
【図９】この発明の実施例に対する比較例を示す図であって、従来のガス拡散層とセパレータ本体との拡散接合状態を示す顕微鏡写真である。
【図１０】従来の固体高分子型燃料電池の単位セルを示す断面図である。
【図１１】同固体高分子型燃料電池の原理を示す説明図である。
【符号の説明】
１  電解質膜
２、３  触媒層
６  ガス拡散層
６ａ  空孔
６ｂ  環状口
６ｃ  面状部
７  キャリアシート
４０、５０  セパレータ
４１、５１  セパレータ本体
４１ａ、５１ａ  一方の表面
５２  素材金属板
６０  発泡性スラリー
６１  グリーン板
【図１】
2004186116.tif 000003
【図２】
2004186116.tif 000004
【図３】
2004186116.tif 000005
【図４】
2004186116.tif 000006
【図５】
2004186116.tif 000007
【図６】
2004186116.tif 000008
【図７】
2004186116.tif 000009
【図８】
2004186116.tif 000010
【図９】
2004186116.tif 000011
【図１０】
2004186116.tif 000012
【図１１】
2004186116.tif 000013