(57)【要約】【課題】  固体高分子型燃料電池の燃料極および空気極で発生した電流を良好に集電体に伝導させるべく、燃料極および空気極と接続板との間の電気抵抗の低減を図ることができるガス拡散層用部材およびその製造方法を提供することにある。【解決手段】  三次元網目構造を有する導電性多孔質体１４と、導電性多孔質体１４に電気的に接続された集電体１５とを備える固体高分子型燃料電池のガス拡散層用部材１０であって、集電体１５は、面方向に延びる二次元網目構造を有するとともに、導電性多孔質体１４の表面に、少なくとも一部が食い込まれている。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元網目構造を有する導電性多孔質体と、該導電性多孔質体に電気的に接続された集電体とを備える固体高分子型燃料電池のガス拡散層用部材であって、
前記集電体は、面方向に延びる二次元網目構造を有するとともに、前記導電性多孔質体の表面に、少なくとも一部が食い込まれていることを特徴とする固体高分子型燃料電池のガス拡散層用部材。
【請求項２】
請求項１記載の固体高分子型燃料電池のガス拡散層用部材において、
少なくとも前記導電性多孔質体の外周縁に、樹脂部が一体に形成されてなることを特徴とする固体高分子型燃料電池のガス拡散層用部材。
【請求項３】
三次元網目構造を有する導電性多孔質体と、該導電性多孔質体に電気的に接続された集電体とを備える固体高分子型燃料電池のガス拡散層用部材の製造方法であって、
前記集電体は面方向に延びる二次元網目構造を有し、
前記導電性多孔質体の表面に前記集電体を配置してなる当該導電性多孔質体および集電体をインサート部品として、
金型面上に配置した前記インサート部品をこれらの金型面によってこの厚さ方向に圧縮して固定するとともに、キャビティを形成する型締め工程と、
該型締め工程の後に、前記キャビティに溶融樹脂を射出し、少なくとも前記導電性多孔質体の外周縁に、樹脂部を一体に形成する射出工程とを有し、
前記型締め工程は、前記導電性多孔質体を前記金型面によりこの厚さ方向に塑性変形させ、前記集電体の少なくとも一部を前記導電性多孔質体の表面に食い込ませることを特徴とする固体高分子型燃料電池のガス拡散層用部材の製造方法。
【請求項４】
三次元網目構造を有する導電性多孔質体と、該導電性多孔質体に電気的に接続された集電体とを備える固体高分子型燃料電池のガス拡散層用部材の製造方法であって、
前記集電体は面方向に延びる二次元網目構造を有し、該二次元網目の内側に、金属粉末、発泡剤、有機バインダおよび溶媒等が混合されてなるスラリーを充填し、
その後、前記スラリーを加熱して前記発泡剤を発泡させ発泡体を形成した後に、
該発泡体を乾燥および脱脂し、
その後、前記発泡体を焼成して、前記二次元網目に接合された導電性多孔質体を形成することを特徴とする固体高分子型燃料電池のガス拡散層用部材の製造方法。
【請求項５】
請求項４記載の固体高分子型燃料電池のガス拡散層用部材の製造方法において、
前記発泡体を焼成して前記導電性多孔質体を形成するに際し、前記発泡体を通電加熱することを特徴とする固体高分子型燃料電池のガス拡散層用部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子型燃料電池のガス拡散層用部材およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、固体高分子電解質の利用により、携帯可能な小型の固体高分子型燃料電池の開発が進められている。通常、固体高分子型燃料電池では、一対の電極（単セル）による起電力が小さいので、複数の単セルを直列に接続することにより大きな起電力を得ている。この単セルは一般に、導電性の多孔質体を有する構成とされている。
【０００３】
ところで、複数の単セルを順次接続するために、単セルを積み重ねた構成（いわゆるスタック型）を採用すると、積み重ねた各単セル間にセパレータ板を配置しなければならず、また、積み重ねた狭い流路に燃料であるメタノール水溶液や空気を送る必要が生じ、ポンプなどの補機が必要となる。そのため、体積、重量、コスト等の点で不利となる。そこで、省スペース化を図るために、セパレータ板を用いずに単セルを平面に並べて接続する、いわゆる平面型の開発が進められている。
【０００４】
平面型燃料電池としては、たとえば、燃料極と空気極との間に電解質層を挟んだ単セルを構成し、各単セルの燃料極および空気極の電解質層とは反対側の面に、燃料供給用若しくは空気供給用の貫通孔を有する導電性の接続板を配置して、隣り合う単セルの燃料極と空気極とを接続板で順次電気的に接続する構成が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００５】
そして、このような平面型燃料電池を組立てる方法として、燃料マニホールドの上に、各ガスシール部とともに一体化された各単セルと各接続板とを配置した後に、隣接する接続板間の隙間にシール剤を充填することにより一体化された単セルの直列接続体を乗せ、さらにその上に電気絶縁板を乗せ、各部材を貫通するねじ穴に締め付けねじを通して所定の圧力で締め付けることにより行う方法が開示されている。
【特許文献１】特開２００２−５６８５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記従来では、前記接続板が、燃料極,空気極,および電解質層の積層方向に貫通するねじ穴に締め付けねじを通し、これを所定の圧力で締め付けることによって取り付けられていたので、接続板と燃料極および空気極との接続を、互いが対向する表面同士で一様に当接させた状態で実現することが困難であるという問題があった。特に、接続板が当接する燃料極および空気極の表面には、開口率が高い導電性多孔質体が配設されているので、このような接続状態を実現することが極めて困難であるという問題があった。この場合、燃料極および空気極と接続板との間の電気抵抗が大きく、燃料極および空気極で発生した電流が接続板に良好に伝導せず、燃料電池の出力向上を図ることが困難となる。
また、接続板が締め付けねじにより取り付けられていることから、接続板と燃料極および空気極との接続状態を長期にわたって維持することが困難であるという問題もあった。
【０００７】
本発明は、以上の課題に鑑みてなされたもので、固体高分子型燃料電池の燃料極および空気極（導電性多孔質体）と、接続板（集電体）との良好な電気的接続状態を実現できる固体高分子型燃料電池のガス拡散層用部材およびそ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】
前記課題を解決して、このような目的を達成するために、本発明は以下の手段を提案している。
請求項１に係る発明は、三次元網目構造を有する導電性多孔質体と、該導電性多孔質体に電気的に接続された集電体とを備える固体高分子型燃料電池のガス拡散層用部材であって、前記集電体は、面方向に延びる二次元網目構造を有するとともに、前記導電性多孔質体の表面に、少なくとも一部が食い込まれていることを特徴とする。
なお、集電体は、導電性多孔質体より面内抵抗、すなわち表面上の所定位置における２点間の電気抵抗値が小さい特性を有する。また、集電体の二次元網目構造は、この面方向に延びる構成であれば、必ずしもこの方向に平行でなくてもよい。この集電体としては、エキスパンドメタル,金網,若しくはパンチングメタル等の穴明き平板状構造がある。
【０００９】
この発明では、集電体の少なくとも一部が、導電性多孔質体の表面に食い込まれているので、導電性多孔質体と集電体との良好な電気的接続状態を実現できる。また、集電体は、面方向に延びる二次元網目構造を有しているので、固体高分子型燃料電池で発生した電流を、この集電体により面方向に良好に伝導させることができる。
以上により、電気抵抗の小さい、高出力の固体高分子型燃料電池を実現することができる。
【００１０】
請求項２に係る発明は、請求項１記載の固体高分子型燃料電池のガス拡散層用部材において、少なくとも前記導電性多孔質体の外周縁に、樹脂部が一体に形成されてなることを特徴とする。
なお、樹脂部を構成する樹脂は、いわゆる合成樹脂に限らずエラストマーなどのゴム材なども含むものとする。
【００１１】
この発明では、少なくとも導電性多孔質体の外周縁に樹脂部が一体に形成されているので、このガス拡散層用部材の取り扱い性の向上を図ることができ、このガス拡散層用部材を用いて固体高分子型燃料電池を組立てる際の組立て工数の低減を図ることができるとともに、組立て精度の向上を図ることができる。
特に、樹脂部を導電性多孔質体の外周縁のみならず、集電体の外周縁にも一体に形成した構成では、これらの導電性多孔質体と集電体とを互いが対向する表面同士で略一様に接続させることが可能になるとともに、これらの接続状態を長期にわたって維持することが可能になる。したがって、集電体が導電性多孔質体の表面に食い込まれていることと相俟って、導電性多孔質体と集電体との間の電気抵抗を最小限に抑制することができ、さらなる固体高分子型燃料電池の高出力化を図ることができるとともに、この電池の長寿命化を図ることができる。
【００１２】
請求項３に係る発明は、三次元網目構造を有する導電性多孔質体と、該導電性多孔質体に電気的に接続された集電体とを備える固体高分子型燃料電池のガス拡散層用部材の製造方法であって、前記集電体は面方向に延びる二次元網目構造を有し、
前記導電性多孔質体の表面に前記集電体を配置してなる当該導電性多孔質体および集電体をインサート部品として、金型面上に配置した前記インサート部品をこれらの金型面によってこの厚さ方向に圧縮して固定するとともに、キャビティを形成する型締め工程と、該型締め工程の後に、前記キャビティに溶融樹脂を射出し、少なくとも前記導電性多孔質体の外周縁に、樹脂部を一体に形成する射出工程とを有し、前記型締め工程は、前記導電性多孔質体を前記金型面によりこの厚さ方向に塑性変形させ、前記集電体の少なくとも一部を前記導電性多孔質体の表面に食い込ませることを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、型締め時に集電体を導電性多孔質体の表面に食い込ませるので、射出時に、金型面と前記インサート部品の表面との密接状態を実現することができる。したがって、溶融樹脂が、金型面とインサート部品の表面との間に入り込むことや、射出圧により、インサート部品が位置ずれすることを抑制することができる。これにより、集電体と導電性多孔質体との良好な電気的接続状態を確実に実現することが可能になるとともに、製造上の不具合を生じさせることなく高精度にガス拡散層用部材を形成することが可能になる。
【００１４】
また、導電性多孔質体と樹脂部とが接続される部分において、導電性多孔質体の側部に開口する気孔中に溶融樹脂が入り込んで固化するので、アンカー効果により前記多孔質体と樹脂部とが強固に接続される。これにより、集電体が導電性多孔質体の表面に食い込まれていることと相俟って、導電性多孔質体と集電体と樹脂部とからなるガス拡散層用部材の各部材の接続の高強度化および長寿命化を図ることができる。
【００１５】
請求項４に係る発明は、三次元網目構造を有する導電性多孔質体と、該導電性多孔質体に電気的に接続された集電体とを備える固体高分子型燃料電池のガス拡散層用部材の製造方法であって、前記集電体は面方向に延びる二次元網目構造を有し、該二次元網目の内側に、金属粉末、発泡剤、有機バインダおよび溶媒等が混合されてなるスラリーを充填し、その後、前記スラリーを加熱して前記発泡剤を発泡させ発泡体を形成した後に、該発泡体を乾燥および脱脂し、その後、前記発泡体を焼成して、前記二次元網目に接合された導電性多孔質体を形成することを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、ガス拡散層用部材を製造するに際し、集電体の二次元網目の内側にスラリーを充填し、その後このスラリーを発泡させて発泡体とした後に、この発泡体を乾燥および脱脂し、その後この発泡体を焼成して、前記網目に接合された導電性多孔質体を形成するので、集電体と導電性多孔質体とが強固かつ緊密に接続されることになり、これらの良好な電気的接続状態をさらに確実に実現することができる。また、前記三次元網目構造に起因した多孔質体の柔軟性により、ガス拡散層用部材に外力が作用した際に、導電性多孔質体と前記網目との接合界面に作用する応力を緩和させることが可能になる。
【００１７】
請求項５に係る発明は、請求項４記載の固体高分子型燃料電池のガス拡散層用部材の製造方法において、前記発泡体を焼成して前記導電性多孔質体を形成するに際し、前記発泡体を通電加熱することを特徴とする。
【００１８】
この発明によれば、前記発泡体をその厚さ方向および表面に沿った方向において均一に加熱して焼成することが可能になり、得られる導電性多孔質体の製品品質のばらつきを最小限に抑制することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る固体高分子型燃料電池のガス拡散層用部材およびその製造方法によれば、固体高分子型燃料電池に発生した電流が集電体に伝導するまでの間における電気抵抗の低減を図ることが可能になるとともに、集電体における面内抵抗の低減を図ることが可能になり、この燃料電池全体の電気抵抗の低減化を図る、すなわち高出力化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態について、図を参照して説明する。
まず、本発明の固体高分子型燃料電池のガス拡散層用部材１０の一実施形態について図１に従い説明する。
ところで、固体高分子型燃料電池に用いられる代表的な燃料としては水素ガスとメタノール水溶液の２種類があり、メタノール水溶液を用いる場合には導電性多孔質体を流れる燃料は液体であるが、この部分は慣用的にガス拡散層と呼ばれている。ここでは、液体燃料を用いる場合も含めて、慣用に従いガス拡散層と呼んでいるのであって、気体燃料用に限定するものではない。
このガス拡散層用部材１０は、面方向に間隔をおいて複数枚（本実施形態では４枚）並んで配置されたガス拡散電極１１と、このガス拡散電極１１の外周縁を被覆する樹脂部１２と、ガス拡散電極１１に接続された接続用の端子部１３とを備える概略構成とされている。
【００２１】
ガス拡散電極１１は、三次元網目構造を有するシート状の導電性多孔質体（以下、単に「多孔質体」という）１４と、この多孔質体１４の一方の表面に配設され、当該面方向に延びる二次元網目構造を有する集電体１５とを備え、該集電体１５は多孔質体１４の表面に少なくとも一部が食い込まれ、多孔質体１４と集電体１５とは電気的に接続された構成となっている。そして、本実施形態では、多孔質体１４の表面のうち、集電体１５が配設された表面と反対側の表面が、電極面１１ａとされている。以下、説明の便宜のため、ガス拡散層用部材１０の表面のうち、電極面１１ａが位置する表面をガス拡散層用部材１０の電極面１０ａという。なお、ガス拡散電極１１の表面のうち、集電体１５が配設された側の表面を電極面１１ａとしてもよい。
【００２２】
多孔質体１４は、気孔率や厚さを適宜調節でき、使用できる原料金属も多様である発泡金属焼結シートにより形成されている。この発泡金属焼結シートは、後述するように、金属粉末をバインダ、溶媒を加えて混練したものに発泡剤を混ぜて発泡性スラリーとし、発泡成形後に焼結して得られるものである。
【００２３】
集電体１５は、図１および図２に示すように、エキスパンドメタル若しくは金網により形成され、両者ともに材質はＳＵＳ３１６Ｌとされている。
エキスパンドメタルの場合、図２においてＬＷ値が約３．０ｍｍ、ＳＷ値が１．０ｍｍ、Ｗ値が０．６ｍｍ,厚さが０．２ｍｍとされ、また、金網の場合、線径が０．０５ｍｍで５０メッシュ〜３００メッシュとされている。
【００２４】
樹脂部１２は、導電性および通気性のない樹脂（本実施形態では熱可塑性樹脂）により形成され、各ガス拡散電極１１,すなわち多孔質体１４および集電体１５の外周縁に、この面方向に延びて一体に形成されており、これら１４,１５の外周縁全体が樹脂部１２によって被覆され、各ガス拡散電極１１間が絶縁されるようになっている。さらに、この樹脂部１２により、多孔質体１４と集電体１５とが、互いに対向する表面同士が一様に接続された構成となっている。
【００２５】
端子部１３は、導電性を有し通気性のない薄板状の金属部材であり、集電体１５の側面１５ａにスポット溶接により接合されている。
【００２６】
なお、本実施形態では、前述したように、多孔質体１４として、発泡金属焼結シートを採用したが、これに代えて、金属不職布、またはカーボンペーパー、カーボンクロスといったカーボン製多孔体を用いてもよい。ただし、固体高分子型燃料電池に供される多孔質体１４は、良好なガス拡散性および導電性が要求されるため、発泡金属焼結シート,金属不職布,および積層メッシュ等が好ましい。なかでも発泡金属焼結シートは、前述したように、気孔率や厚さを適宜調節でき、使用できる原料金属も多様であり、さらに高い気孔率までも製造可能であるため、より好ましい。
【００２７】
また、集電体１５として、エキスパンドメタル若しくは金網を示したが、これに限らず、例えばパンチングメタル等であってもよい。すなわち、面方向および厚さ方向に導電性を有し、特に面方向の導電性が多孔質体１４より良好で（電気抵抗が小さい）、かつ厚さ方向に通気性を有する構成、つまり面方向に延びる二次元網目構造を有する導電体であればよい。
【００２８】
さらに、ガス拡散層用部材１０が固体高分子型燃料電池に用いられる場合、端子部１３,多孔質体１４,集電体１５には、電極反応による電子が流れることになるので、これらの各部材１３〜１５は、ステンレス鋼等の耐食材料を用いることが好ましい。
【００２９】
図３に、このガス拡散層用部材１０を適用した固体高分子型燃料電池２０の要部断面図を示す。
この燃料電池２０は、一対のガス拡散層用部材１０,１０と、これら一対のガス拡散層用部材１０,１０の電極面１０ａ,１０ａに挟まれた電解質層３０と、燃料極Ａとしての一方のガス拡散層用部材１０に燃料を供給する燃料供給部４０とを備える概略構成とされている。電解質層３０は、例えばフッ素樹脂系の高分子電解質膜で形成され、膜中では水素イオンが移動可能である反面、電子を通過させないという性質を有している。なお、一対のガス拡散層用部材１０,１０のうち他方は空気極Ｂとされている。
【００３０】
燃料極Ａは、各ガス拡散電極１１の電極面１１ａが触媒層Ｃを介して電解質層３０に接続されるとともに、この電極面１１ａと反対側の表面が燃料を保持および供給する燃料供給部４０に接続された構成となっている。触媒層Ｃは、ガス拡散電極１１の電極面１１ａの表面に、白金系触媒微粒子を担持させたカーボン粒子を含む高分子電解質溶液を塗布することにより形成される。
【００３１】
燃料極Ａおよび空気極Ｂにそれぞれ４つ連設された各ガス拡散電極１１は、これらの電極１１に各別に設けられた端子部１３によって、ガス拡散電極１１の連設方向に直列に接続されるように、電解質層３０を挟んでこの連設方向の隣に位置するガス拡散電極１１の端子部１３に、配線１６を介して接続されている。そして、前記直列の両端に位置する端子部１３がこの燃料電池２０の陽極２１,陰極２２として機能するようになっている。
【００３２】
燃料供給部４０は、燃料（ここではメタノール水溶液）を保持し、燃料極Ａのガス拡散電極１１に供給するフェルトなどからなる多孔質部４１が、樹脂枠４２によって被覆された構造となっている。そして、燃料供給部４０の多孔質部４１を燃料極Ａのガス拡散電極１１の集電体１５に接触して配置させることにより、多孔質部４１に保持された燃料を、浸透圧によってガス拡散電極１１に供給させることができる。燃料供給部４０の樹脂枠４２とガス拡散層用部材１０の樹脂部１２とは、たとえば超音波接合により固定されている。
【００３３】
つまり、燃料極Ａおよび空気極Ｂのガス拡散電極１１は、この固体高分子型燃料電池２０において、三次元網目構造を有する多孔質体１４が通気性および導電性を備え、また、二次元網目構造を有する集電体１５も通気性および導電性、特に面方向における導電性を備えることにより、いわゆるガス拡散層と集電板とを兼ねるようになっている。
【００３４】
なお、触媒層Ｃは、ここではガス拡散電極１１の電極面１１ａに塗布形成したが、ガス拡散電極１１と電解質層３０との界面に設けられていればよいので、電解質層３０の表面に形成してもよい。
【００３５】
以上のように構成された燃料電池２０は、燃料供給部４０から燃料極Ａ側のガス拡散電極１１に供給された燃料中の水素が、触媒層Ｃ上で電極反応によりイオン化して電解質層３０を空気極Ｂに向かい移動する。そして、電解質層３０を挟んで他方側に配置された空気極Ｂに到達した水素イオンは、電解質層３０と触媒層Ｃとの界面で、このガス拡散電極１１の電極面１１ａと反対側の表面から供給された空気中の酸素と電極反応により反応して水を生成する。
【００３６】
一方で、水素のイオン化により発生した電子は、ガス拡散層用部材１０の外部に設けられた回路（図示せず）を、燃料極Ａから端子部１３を介して空気極Ｂへと移動する。この電子の移動により、電気エネルギを発生させることができる。
【００３７】
ここで、ガス拡散電極１１に好適な発泡金属焼結シートの製造方法について説明する。この発泡金属焼結シートは、たとえば、金属粉末を含むスラリーＳを薄く成形して乾燥させたグリーンシートＧを焼成することにより製造される。
【００３８】
スラリーＳは、導電性を有する金属粉末、発泡剤（例えば炭素数５〜８の非水溶性炭化水素系有機溶剤（例えばネオペンタン、ヘキサン、ヘプタン））、有機バインダ（例えばメチルセルロースやヒドロキシプロピルメチルセルロース）、溶媒（水）等を混合したものである。このスラリーＳをドクターブレード法により薄く成形するグリーンシート製造装置５０を図４に示す。
【００３９】
グリーンシート製造装置５０において、まず、スラリーＳが貯蔵されたホッパー５１から、キャリアシート５２上にスラリーＳが供給される。キャリアシート５２はローラ５３によって搬送されており、キャリアシート５２上のスラリーＳは、移動するキャリアシート５２とドクターブレード５４との間で延ばされ、所要の厚さに成形される。
【００４０】
成形されたスラリーＳは、さらにキャリアシート５２によって搬送され、加熱処理を行う発泡槽５５および加熱炉５６を順次通過する。発泡槽５５では高湿度雰囲気下にて加熱処理を行うので、スラリーＳにひび割れを生じさせずに発泡剤を発泡させることができる。そして、発泡により空洞が形成されたスラリーＳが加熱炉５６にて乾燥されると、粒子間に空洞を形成している金属粉末が有機バインダによって接合された状態のグリーンシートＧが形成される。
【００４１】
このグリーンシートＧを、キャリアシート５２から取り外した後、図示しない真空炉にて脱脂・焼成することにより、有機バインダが取り除かれ、金属粉末同士が焼結して三次元網目構造となった発泡金属焼結シート（多孔質体１４）が得られる。
【００４２】
次に、本発明の一実施形態に係るガス拡散層用部材の製造方法について説明する。
この方法は、端子部１３,多孔質体１４,および集電体１５をインサート部品としてインサート成形するものであり、ここでは、１つのガス拡散層用部材１０について、４組の端子部１３,多孔質体１４,および集電体１５をインサートするものとする。
【００４３】
まず、このインサート成形を実施するためのインサート成形用金型装置４０の概略構成について図５および図６に従い説明する。
このインサート成形用金型装置４０は、可動金型面４１ａと固定金型面４２ａとが互いに対向するように配設された一対の可動金型４１と固定金型４２とを備える概略構成とされ、可動金型４１が固定金型４２に向かって進退可能に支持された構成となっている。そして、可動金型４１が固定金型４２に向って前進移動し型締め状態になると、各金型面４１ａ,４２ａ間にキャビティ４３が形成されるようになっている。なお、図示はしていないが、前記インサート部品を金型面４１ａ,４２ａの表面に沿った方向に位置決めするための位置決めピンが、可動金型面４１ａの表面に出没可能に支持されている。
【００４４】
以上のように構成されたインサート成形用金型装置４０により、図１に示すガス拡散層用部材１０を形成するに際しては、まず予め、集電体１５の端面１５ａに端子部１３を溶接しておき、これらのうち集電体１５の表面に多孔質体１４を積層配置したもの４つを、可動金型面４１ａ上のうち、前記位置決めピンが突出した位置に合わせて、互いに面方向に間隔を空けて、集電体１４および端子部１３の表面が可動金型面４１ａと当接するように配置する。
ここで、多孔質体１４の厚さと集電体１５の厚さとの総和は、型締め時に形成されるキャビティ４３の深さ（型開閉方向の大きさ）より大きくされ、具体的には、集電体１５の厚さ以下の大きさだけ、キャビティ４３の深さより大きく設定されている。
【００４５】
次に、可動金型４１を固定金型４２に向って前進移動し型締めを行いキャビティ４３を形成する。この際、前述のように、多孔質体１４と集電体１５との積層方向の大きさは、キャビティ４３の深さより大きく設定されているので、型締め時に、多孔質体１４と固定金型面４２ａとが、および集電体１５と可動金型面４１ａとがそれぞれ一様に密接するとともに、型締め方向に多孔質体１４が塑性変形され、多孔質体１４,集電体１５,および端子部１３が金型面４１ａ，４２ａ間で強固に固定される。また、この際、多孔質体１４は３〜９０％圧縮されることにより、製造するガス拡散層用部材１０を構成する多孔質体１４の気孔率に調整されるとともに、二次元網目構造を構成する集電体１５の複数の孔内に、多孔質体１４が各別に食い込んだ状態で、多孔質体１４と集電体１５とが接続され、これらの各部材１４,１５の互いが対向する表面同士が密接することになる。
【００４６】
そして、前記位置決めピンを可動金型面４１ａ上から後退移動した後に、ランナ４４からゲート４５を通じて射出した溶融樹脂４６をキャビティ４３内に充填することにより、多孔質体１４,集電体１５,および端子部１３と、樹脂部１２とが連なり一体になったインサート成形品であるガス拡散層用部材１０を形成する。
【００４７】
なお、射出圧力や成形温度等の射出成形条件は、樹脂の種類に応じて適宜選定される。たとえば、射出圧力が高すぎると、導電性多孔質体中に樹脂が過剰に充填されてしまい、通気性を損なうなど、多孔質体の機能を発揮できなくなる。また、熱可塑性樹脂を用いる場合は導電性多孔質体に接する金型面を部分的に冷却したり、シリコーンゴムのような熱硬化性樹脂を用いる場合は金型面を部分的に加熱するなどして、多孔質体への樹脂の浸透を制御することができる。具体的に一例を挙げると、樹脂部１２としてポリプロピレンを採用した場合、成形温度１８０℃、８０ｋＮで型締めし、成形圧２５０ｋｇ／ｃｍ２で射出成形すると、このようなガス拡散層用部材１０が得られる。
【００４８】
以上説明したように、本実施形態によるガス拡散層用部材１０によれば、集電体１５が、多孔質体１４の表面に食い込まれているので、多孔質体１４と集電体１５との良好な電気的接続状態を実現できる。また、集電体１５は、面方向に延びる二次元網目構造を有しているので、固体高分子型燃料電池２０で発生した電流を、この集電体１５により面方向に良好に伝導させることができる。
以上により、電気抵抗の小さい、高出力の固体高分子型燃料電池２０を実現することができる。
【００４９】
また、多孔質体１４の外周縁に樹脂部１２が一体に形成されているので、このガス拡散層用部材１０の取り扱い性の向上を図ることができ、このガス拡散層用部材１０を用いて固体高分子型燃料電池２０を組立てる際の組立て工数の低減を図ることができるとともに、組立て精度の向上を図ることができる。
【００５０】
特に、本実施形態では、樹脂部１２を多孔質体１４の外周縁のみならず、集電体１５の外周縁にも一体に形成しているので、これらの多孔質体１４と集電体１５とを互いが対向する表面同士で略一様に接続させることが可能になるとともに、これらの接続状態を長期にわたって維持することが可能になる。さらにこの場合、多孔質体１４と集電体１５との接続状態を長期にわたって維持することが可能になる。
したがって、集電体１５が多孔質体１４の表面に食い込まれていることと相俟って、多孔質体１４と集電体１５との間の電気抵抗を最小限に抑制することができ、さらなる固体高分子型燃料電池２０の高出力化を図ることができるとともに、この電池２０の長寿命化を図ることができる。なお、樹脂部１２が配設されていることにより、この樹脂部１２のみを加工し、装置固定用の穴等の形状を容易に付与することができる。
【００５１】
また、本実施形態によるガス拡散層用部材の製造方法によれば、型締め時に集電体１５を多孔質体１４の表面に食い込ませるので、射出時に、金型面４１ａ,４２ａと前記インサート部品の表面との密接状態を実現することができる。したがって、溶融樹脂４６が、金型面４１ａ,４２ａとインサート部品の表面との間に入り込むことや、射出圧により、インサート部品が位置ずれすることを抑制することができる。これにより、集電体１５と多孔質体１４との良好な電気的接続状態を確実に実現することが可能になるとともに、製造上の不具合を生じさせることなく高精度にガス拡散層用部材１０を形成することが可能になる。
特に、集電体１５としてパンチングメタルを採用した場合には、パンチングメタルの製造プロセス上、集電体１５の表裏面のうち一方の表面における、貫通孔の開口縁部が、この表面から突起することになる。したがって、多孔質体１４の表面に、集電体１５を、前記一方の表面が対向するように配置した状態で、これらを圧縮すると、集電体１５を多孔質体１４の表面に良好に食い込ませることができる。
【００５２】
また、多孔質体１４と樹脂部１２とが接続される部分において、多孔質体１４の側部に開口する気孔中に溶融樹脂が５μｍ〜１０００μｍ程度の深さまで含浸して硬化するので、アンカー効果により多孔質体１４と樹脂部１２とが強固に接続される。これにより、集電体１５が多孔質体１４の表面に食い込まれていることと相俟って、多孔質体１４と集電体１５と樹脂部１２とからなるガス拡散層用部材１０の各部材の接続の高強度化および長寿命化を図ることができる。
【００５３】
なお、以上の実施形態において示した各構成部材、その諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求に基づき種々変更可能である。
例えば、樹脂部１２の材質として前記実施形態では、熱可塑性樹脂を採用した構成を示したが、これに限られるものではない。すなわち、樹脂部１２は、エラストマー（ゴムを含む）など、射出成形可能な材質で、かつ導電性および通気性を有していなければよいので、耐熱温度や硬度等を考慮し、適宜選択することが可能である。軟質な樹脂を用いれば、シール性を高めることができる。
【００５４】
また、樹脂部１２および端子部１３をいわゆる二色成形により成形することもできる。つまり、導電性樹脂を射出成形して端子部１３を形成し、その後、非導電性樹脂を射出成形して樹脂部１２を形成してよい。
【００５５】
さらに、前述したインサート成形を行うに先立ち、多孔質体１４と集電体１５とを予め、ろう付け,スポット溶接,若しくは拡散接合しておいてもよい。この場合、キャビティ４３内に溶融樹脂４６を射出する前に、前記位置決めピンを後退移動させる際の、多孔質体１４と集電体１５との相対的な位置ずれ発生を確実に抑制することができる。
また、ガス拡散層用部材１０を用いて固体高分子型燃料電池を形成するに際して、この部材１０の集電体１５が配設されている表面を電極面１１ａとすることも可能である。
【００５６】
さらに、前記実施形態では、樹脂部１２を多孔質体１４および集電体１５の双方の外周縁部に一体に形成した構成を示したが、図７に示すように、多孔質体１４の外周縁部にのみ樹脂部１２を形成してもよい。この場合においても、ガス拡散層用部材１０を用いた燃料電池の組立て工数を低減できるとともに、組立て精度の向上を図ることができる。
【００５７】
さらにまた、多孔質体１４の表面に集電体１５を食い込ませてガス拡散層用部材１０を製造する方法は、前記実施形態のように、多孔質体１４を塑性変形させる方法に限定されるものではない。例えば、次のようにしてガス拡散層用部材１０を製造することも可能である。
まず、この製造方法を実施するための製造装置の概略構成について図８および図９に従い説明する。この装置は、スラリーＳが充填されたスラリー槽３１と、スラリー槽３１の上端開口部より上方に配設された掻き取り部材３２と、スラリーＳを発泡させて発泡体を形成する図示しない発泡槽と、前記発泡体に乾燥処理を施す図示しない乾燥炉と、該乾燥処理された発泡体を押圧する図示しない押圧ロールと、該押圧された発泡体を脱脂、焼成する焼成炉部と、長尺の集電体１５を走行させる図示しない集電体走行手段とを備える概略構成とされている。集電体走行手段は、長尺の集電体１５が巻回された図示しない複数のローラを備えており、この集電体１５が以上の装置の各構成要素３１、３２・・・を連続的に順次通過させられるようになっている。
【００５８】
掻き取り部材３２は、スラリー槽３１内を通過した集電体１５の表裏面に肉盛状態で付着されたスラリーＳを掻き取る構成とされ、集電体１５の表裏面それぞれに対向するように一対設けられており、これらの間隔は位置調整可能とされている。なお、これら一対の掻き取り部材３２の先端同士の距離を集電体１５の厚さより小さくすることにより、掻き取り部材３２の先端によって、スラリーＳを二次元網目構造を構成する集電体１５の複数の孔（以下、単に「網目」という）内にその表裏面それぞれから押し込み、集電体１５に付着されたスラリーＳ中に空孔が包含されていた場合でも、この空孔をスラリーＳから排除することが可能になる。この場合、掻き取り部材３２を柔軟性を有するゴム材料により形成するのが望ましい。
【００５９】
前記押圧ロールは、走行状態にある集電体１５の幅方向に延びる水平な回転軸回りに回転可能に支持されており、走行状態にある前記集電体１５をその表裏面側から回転しながら押圧するようになっている。
前記焼成炉部は、発泡体を脱脂する図示しない脱脂炉と、脱脂された発泡体を焼成する焼成炉３３とを備え、焼成炉３３の内部には、発泡体を加熱する通電ロール部３４が配設された構成となっている。
通電ロール部３４は、焼成炉３３内に走行状態にある集電体１５の幅方向に延びる水平な回転軸回りに回転可能に支持されるとともに、集電体１５の前記網目内に充填された前記発泡体と接して、これに電流を流す、すなわち通電加熱する一対の通電ロール３４Ａと、該通電ロール３４Ａに電流を供給する電源３４Ｂとを備える概略構成とされている。通電ロール３４Ａは、集電体１５の走行方向Ｆに対して複数箇所（図９の例では、走行方向Ｆに対して前側および後側の２箇所）に設けられ、それぞれのロール３４Ａ・・・は集電体１５および前記発泡体の表裏面にその幅方向全域に亙って接するようになっている。
【００６０】
以上の製造装置によりガス拡散層用部材１０を製造する方法について説明する。
まず、図８に示すように、スラリーＳが充填されたスラリー槽３１の下部からこの槽３１の内部に長尺の集電体１５を進入させ、その後この集電体１５を上方へ移動させて、スラリー槽３１の上端開口部から集電体１５を引出す。この際、長尺の集電体１５の表裏面にスラリーＳが肉盛状態で付着する。そして、この集電体１５をさらに上方へ移動させることにより、スラリー槽３１の上端開口部より上方に配設された一対の掻き取り部材３２の先端によって、前記肉盛状態で付着されたスラリーＳを掻き取る。
【００６１】
次に、スラリーＳを有する集電体１５をさらに走行させて前記発泡槽を通過させる。この発泡槽においては、湿度が約６５％以上に設定された高湿度雰囲気下で、スラリーＳを約２５℃〜８０℃で加熱し、スラリーＳが含有する発泡剤を発泡させる。この際に湿度が約６５％以上に設定されているので、スラリーＳはひび割れることなく良好に発泡される。また、この際、集電体１５の一方の表面を前記発泡槽内の載置面に載置して拘束し、他方の表面を無拘束とすることにより、集電体１５の前記網目内に充填されたスラリーＳが、この他方の表面から膨出することになる。
その後、発泡されたスラリーＳ（以下、単に発泡体という）を有する集電体１５をさらに走行させて前記乾燥炉を通過させる。この乾燥炉においては、その内部が例えば遠赤外線ヒータランプにより３０℃〜１５０℃に加熱されるとともに、その内部に前記ヒータランプによる加熱温度と略同温とされた乾燥エアが供給されている。この環境下において、前記発泡体は乾燥され、前記発泡により粒子間に空洞を形成している金属粉末が有機バインダによって接合された状態となる。
【００６２】
次に、この発泡体を有する集電体１５をさらに走行させて前記押圧ロールの配設位置を通過させる。これにより、前記発泡槽内でスラリーＳが発泡することによって、集電体１５の前記他方の表面から発泡体が無拘束状態で膨出した場合においても、この膨出分を押し潰し、発泡体の厚さや気孔率が調整される。
その後、厚さや気孔率が調整された発泡体を有する集電体１５をさらに走行させて前記焼成炉部を通過させる。この際にまず前記脱脂炉を通過させる。この脱脂炉においては、その内部が４００℃〜７００℃に設定されるとともに、スラリーＳの含有する金属粉末がＳＵＳ３１６Ｌ粉末、あるいはＴｉ粉末の場合は還元雰囲気若しくは真空雰囲気とされている。
【００６３】
そして、この脱脂された発泡体をさらに走行させて焼成炉３３を通過させる。この焼成炉３３においては、その内部が還元雰囲気、不活性雰囲気、若しくは真空雰囲気とされるとともに、スラリーＳがＳＵＳ３１６Ｌ粉末の場合はその内部温度が１１００℃〜１３５０℃に設定されている。この焼成炉３３の内部に前述したように配設された通電ロール３４Ａにより、前記発泡体の表面に沿った方向および厚さ方向の全域に亙って電流を流し、この発泡体にジュール熱を発生させて、この熱により発泡体を焼成する。これにより、前記バインダが取除かれ金属粉末同士が焼結して、三次元網目構造を有する多孔質体１４が形成されるとともに、集電体１５の前記網目に多孔質体１２が接合された長尺のガス拡散層用部材が形成される。その後、この長尺とされたガス拡散層用部材を所定の長さで切断した後に、前述したインサート成形を行い、図１若しくは図７に示すガス拡散層用部材１０を形成する。
【００６４】
以上のように形成されたガス拡散層用部材１０にあっては、前述した実施形態と同様に多孔質体１４に集電体１５を食い込ませることが可能になるとともに、特に集電体１５の前記網目と多孔質体１４とを接合させることが可能になる。従って、集電体１５と多孔質体１４とが強固かつ緊密に接続されることになるので、これら１４、１５の良好な電気的接続状態をさらに確実に実現することが可能になる。
なお、前記実施形態では、ガス拡散層用部材１０を製造する際に、前記乾燥炉により前記発泡体を乾燥させた後、前記焼成炉部により脱脂、焼成する前に、前記押圧ロールにより、前記発泡体を押圧したが、この押圧は必要に応じて実施すれば足りるものであって、必ず実施しなければならないものではない。また、本実施形態の製造方法では、多孔質体１４の表面に集電体１５を食い込ませる形態として、図１および図７に示す形態の他に、多孔質体１４の厚さが集電体１５の厚さ以下とされた形態や、多孔質体１４の内部に集電体１５が完全に埋没された形態も実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
固体高分子型燃料電池のガス拡散層用部材において、導電性多孔質体と集電体との良好な電気的接続状態を実現できる固体高分子型燃料電池のガス拡散層用部材およびその製造方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の一実施形態として示した固体高分子型燃料電池のガス拡散層用部材の平面図および断面図である。
【図２】図１に示す集電体の拡大平面図である。
【図３】図１に示すガス拡散層用部材を用いた固体高分子型燃料電池の一実施形態である。
【図４】多孔質体を製造する方法の一例を示す模式図である。
【図５】本発明の一実施形態として示した固体高分子型燃料電池のガス拡散層用部材をインサート成形する際の第１工程を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態として示した固体高分子型燃料電池のガス拡散層用部材をインサート成形する際の第２工程を示す図である。
【図７】本発明の第二実施形態として示した固体高分子型燃料電池のガス拡散層用部材の断面図である。
【図８】本発明の一実施形態として示したガス拡散層用部材の製造方法において、集電体の網目内にスラリーを充填する一例を示す模式図である。
【図９】本発明の一実施形態として示したガス拡散層用部材の製造方法において、発泡体を焼成する際の一例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００６７】
１０  ガス拡散層用部材
１１ａ  電極面
１２  樹脂部
１４  導電性多孔質体
１５  集電体
２０  固体高分子型燃料電池
４１ａ、４２ａ  金型面
４３  キャビティ
４６  溶融樹脂
【図１】
2005209607.tif 000003
【図２】
2005209607.tif 000004
【図３】
2005209607.tif 000005
【図４】
2005209607.tif 000006
【図５】
2005209607.tif 000007
【図６】
2005209607.tif 000008
【図７】
2005209607.tif 000009
【図８】
2005209607.tif 000010
【図９】
2005209607.tif 000011