(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質の表面に設けられた電極に接触させて電極と電気的に導通するとともに、電極の表面との間にガス流路を区画して成形する燃料電池用集電体の製造方法において、
導電性板状素材の複数箇所をその板厚方向に突出させると同時にその変形部分の板厚を減少させて複数の突起部を形成した後、それらの突起部の頂点部分をその突出方向とは反対方向に加圧することにより前記突起部の突出方向に対して垂直な面方向に拡大させて膨出部を形成することを特徴とする燃料電池用集電体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、高分子電解質膜型燃料電池などの固体電解質型の燃料電池で使用される集電体およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体電解質型燃料電池の一例として高分子膜を電解質として使用した燃料電池が知られている。これを、模式的に示せば図３のとおりである。図３において、電解質膜１は、例えばプロトン透過性のある高分子膜の両側に拡散層を有する電極２，３を表面側に積層して形成したものであって、その電極２，３は、多孔質のカーボンに白金やロジウムなどの触媒を担持させて構成されている。その電解質膜１を挟んだ両側に集電体（セパレータ）４が密着して配置されている。
【０００３】
この集電体４は、隣接する電解質膜１の間にガス流路を確保するとともに、各電極２，３に電気的に導通して外部に電力を取り出すためのものであり、カーボンなどの耐食性および導電性に優れた材料によって形成されている。その形状は図３に模式的に示すように、平板部分５に、その一方の面側に凸となる多数の突起６を成形した形状であって、その突起６の先端部を電極２，３に突き当てることにより電極２，３に密着させられ、かつその各突起６同士の間に電解質膜１と平板部分５とによって形成される空間部分が、ガス流路７とされている。
【０００４】
また、２枚の電解質膜１の間には、２枚の集電体４が、いわゆる背中合わせに配置されている。すなわち各集電体４はそれぞれの突起６が互いに反対方向に向いて凸となるように各々の平板部分５を密着させて電解質膜１の間に挟み込まれている。そしてそのいわゆる背中合わせの突起６同士によってそれぞれの内側に区画して形成される空間部分が、冷却水を流すための冷却用流路８とされている。
【０００５】
上記の燃料電池では、電解質膜１を挟んだ一方のガス流路７に燃料ガスとして例えば水素ガスを供給し、また他方のガス流路５に酸化性ガスとして例えば空気を供給すると、一方の電極（燃料極）で電離して生じたプロトンが電解質膜１を透過して他方の電極（空気極）側に移動し、ここで酸素と反応して水を生じる。そして、前記一方の電極で生じた電子が集電体４を介して外部に取り出される。したがって水素ガスが供給されるガス流路７を形成している集電体２が陰極となり、空気が供給されるガス流路７を形成している集電体４が陽極となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記の燃料電池では、電気化学的に反応するガスの量が多いほど、得られる起電力が増大するから、ガスの供給量を増大させるために、前述した各ガス流路７の体積を可及的に大きくすることが望まれる。また、起電力は各電極のみならず、前記の集電体４を介して外部に取り出されるので、電極と集電体との間の電気抵抗を可及的に減少させることが望まれる。
【０００７】
しかしながら、従来の集電体４は、上述したように平板部分５に多数の突起６を形成した構成であるから、ガス流路７の体積を増大させるために突起６の外径を小さくするとすれば、集電体４の電極に対する接触面積が減少し、その部分の電気抵抗が大きくなって燃料電池の発電容量が低下してしまう。これとは反対に、集電体４と電極との接触面積を増大させて両者の間の電気抵抗を低下させるために、突起６の外径を大きくするとすれば、ガス流路７の体積が減少させられ、その結果、ガスの供給量が少なくなって燃料電池の発電容量が低下する問題が生じる。このように集電体４と電極との積極面積の拡大と、ガス流路７の体積の増大とは相反する要求事項であり、一方の要求を満たすと他方の要求が満たされなくなり、結局、燃料電池の性能（発電容量）を向上させることが困難であった。
【０００８】
この発明は、上記の事情に鑑み、充分大きいガス流路体積を確保できると同時に、電極との接触面積を拡大することのできる燃料電池用集電体およびその集電体を製造する方法を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段およびその作用】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、固体電解質の表面に設けられた電極に接触させて電極と電気的に導通するとともに、電極の表面との間にガス流路を区画して成形する燃料電池用集電体の製造方法において、導電性板状素材の複数箇所をその板厚方向に突出させると同時にその変形部分の板厚を減少させて複数の突起部を形成した後、それらの突起部の頂点部分をその突出方向とは反対方向に加圧することにより前記突起部の突出方向に対して垂直な面方向に拡大させて膨出部を形成することを特徴とする燃料電池用集電体の製造方法である。
【００１０】
したがって請求項１の発明によれば、ガス流路の体積を減少させることなく、電極との接触面積を拡大することのできる集電体を得ることができ、さらに電極に電気的に接触する膨出部を容易に形成することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
つぎにこの発明を図面を参照して具体的に説明する。図１の（Ａ）はこの発明に係る集電体１０の一部を示す平面図であり、また図１の（Ｂ）はそのＢ−Ｂ線拡大断面図であり、この集電体１０は、アルミニウム、アルミ合金、ステンレス鋼などの金属によって形成されている。その金属材料としては、加工性および重量の点で、アルミニウムあるいはその合金が好ましい。また、クラッド材のような二種類以上の金属からなる材料を使用することもできる。この集電体１０は、前述した図３に示す従来のものと同様に、電解質膜１１の表面に形成された電極１２に電気的に導通した状態に密着させられるものであり、その電極１２の表面との間にガス流路１３を確保した状態で電極１２と電気的に接触させるために、板面部１４から突出させた多数の突起部１５が形成されている。
【００１８】
これらの突起部１５は予め決められた所定のピッチＰで縦横に配列されている。またその突起部１５の突出高さ（突出量）Ｈは、板面部１４の板厚Ｔの２倍程度である。さらに突起部１５の形状は、円形断面あるいは方形断面もしくは矩形断面など適宜の断面形状であってよく、図１の例では、円形断面のものを示してある。各突起部１５の頂部は、その突出方向に対して垂直な面に沿う方向すなわち板面部１４もしくは電極１２の表面と平行な方向に張り出しており、この部分が膨出部１６となっている。
【００１９】
この膨出部１６について更に説明すると、図１の（Ｂ）には突起部１５の全周に亘って突き出した形状を示してあるが、要は、突起部１５の外回りの寸法が最も小さい部分に対して外側に突き出した形状であればよく、突起部１５の頂部における外周の一部のみが外側に突き出した形状であってもよい。円形断面であれば、膨出部１６の外径が突起部１５の中間部の外径より大きくなっている。またこの膨出部１６を形成することにより、突起部１５の頂部が平坦面とされている。電極１２の表面に電気的に導通させて接触させるためである。
【００２０】
また、突起部１５の肉厚ｔが、板面部１４の板厚Ｔよりも薄くなっている。これは、膨出部１６を形成する加工を容易にするためであり、突起部１５を形成することに伴って肉厚が減少して板面部１４の板厚Ｔより薄くなったものであってもよく、あるいは板厚を減じる加工を施したことによるものであってもよい。
【００２１】
突起部１５の頂部を上記の膨出部１６として形成したことにより、突起部１５同士の間隔Ｌが、膨出部１６より図１の（Ｂ）での下側の部分で広くなっている。言い換えれば、図１に示す構成では、先端部の面積が膨出部１６と同じ面積の中空柱状の突起部を形成した場合の突起部同士の間隔よりも広い間隔の突起部１５が形成され、しかもその突起部１５の電極１２に対する接触面積が広くなっている。
【００２２】
つぎにこの発明の製造方法について説明する。この発明の方法は、集電体１０を金属製としたことに伴って材料の塑性変形を利用して所期の形状を得る方法である。図２の（Ａ），（Ｂ）にこの発明に係る方法による製造過程を模式的に示してある。先ず、アルミ合金などの導電性のある板状素材２０を用意し、その複数箇所を板厚方向に変形させて突起部１５を形成する。この加工は、プレス加工などの加圧装置による加工であってよく、あるいは流体圧により塑性変形を生じさせる加工あるいは硬球などを衝突させることによる衝撃力で塑性変形を生じさせる加工などを採用することができる。
【００２３】
また、突起部１５を形成する加工は、材料の単なる変形にとどまらず、材料の延びなどによる板厚ｔの減少を伴う加工である。そのため、突起部１５を形成する際には、板面部１４のシワ押さえを確実におこなうことが好ましい。したがってその加工は、張り出し加工（コイニング）に分類することのできる加工である。
【００２４】
つぎに、上記のようにして形成した突起部１５の頂部を、その突出方向とは反対の方向から加圧して頂部を平坦形状に圧潰する。この加工は、例えば平面パンチ２１によって突起部１５の頂部を一部圧潰することによりおこなえばよい。その結果、突起部１５の頂部が、板厚が減じられて脆弱もしくは軟弱になっていることにより、板面部１４と平行な方向に押し広げられた形状に変形し、膨出部１６を形成する。その場合、突起部１５の頂部と平面パンチ２１との相対的な摺動を滑らかにして突起部１５の頂部が平面パンチ２１に沿って押し広げられるようにするために、平面パンチ２１の加工面を可及的に平坦に形成し、あるいは潤滑油を供給する。これら両者の間の摩擦係数が小さいほど、膨出部１６の平面径を大きくすることができる。さらに、膨出部１６の加工を容易にするために、突起部１５の頂部を圧潰する際に突起部１５を加熱してもよい。
【００２５】
このような加工をおこなうことにより突起部１５同士の間隔Ｌを減少させずに、その頂部すなわち電極１２に接触する部分の面積を拡大させた集電体１０を得ることができる。
【００２６】
なお、上述した具体例では、金属材料によって集電体を形成することとしたが、この発明の集電体は金属製であることが好ましいものの、これに限定されないのであって、必要に応じて適宜の導電性材料を使用することができる。また、上述した具体例では、板面部の一方の面側にのみ突出した突起部を形成した例を示したが、この発明では、板面部の両側に突出させて突起部を形成してもよい。さらにこの発明の集電体では、突起部の中間部を細くすることにより、突起部の頂部を相対的に大きくして膨出部としてもよい。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１の発明によれば、突起部の頂部を圧潰して突起部の外側に張り出させることにより膨出部を形成するので、ガス流路の体積を減少させることなく、電極との接触面積を拡大することのできる集電体を得ることができ、さらに突起部の頂部を圧潰して膨出部とする突起部の肉厚を薄くしてあるので、電極に電気的に接触する膨出部を容易に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  （Ａ）はこの発明による集電体を示す部分平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線拡大断面図である。
【図２】  （Ａ）および（Ｂ）はこの発明の方法の一例を説明するための過程を示す図である。
【図３】  高分子電解質膜型燃料電池の観念図である。
【符号の説明】
１０…集電体、  １１…電解質膜、  １２…電極、  １３…ガス流路、  １４…板面部、  １５…突起部、  １６…膨出部。
【図１】
0004110626.tif 000002
【図２】
0004110626.tif 000003
【図３】
0004110626.tif 000004