(57)【要約】【課題】簡単な方法で接着でき、接触抵抗を低減できる燃料電池部材の提供。【解決手段】ガス拡散層３２と多孔体流路３４とを用意し、多孔体流路３４が備える凸状突起部にはんだを配置する。さらに、その上に、ガス拡散層３２を乗せ、当該部材をリフロー炉で加熱した上で、ガス拡散層３２及び多孔体流路３４の積層面に対して垂直方向にプレスしながら冷却して、ガス拡散層３２と多孔体流路３４とを固定・接着する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の電気化学反応に供されるガスの透過性と導電性とを有する多孔性部材と、金属製部材とを備えた燃料電池部材の製造方法であって、
前記多孔性部材と前記金属製部材とを用意する工程と、
前記多孔性部材と前記金属製部材とを、はんだ付け、または、ろう付けにより接着させる接着工程と
を備えた燃料電池部材の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池部材の製造方法であって、
前記接着工程は、溶融したはんだ、または、ろう材を、前記多孔性部材が備える孔部の少なくとも一部に入り込ませて固化させることで、前記多孔性部材と前記金属製部材とを接着させる
燃料電池部材の製造方法。
【請求項３】
前記多孔性部材は、非金属性の部材である請求項２記載の燃料電池部材の製造方法。
【請求項４】
請求項２または請求項３記載の燃料電池部材の製造方法であって、
前記接着工程は、前記溶融したはんだ、または、ろう材が固化する前に、前記多孔性部材と前記金属製部材とをプレス処理する工程を備える
燃料電池部材の製造方法。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか記載の燃料電池部材の製造方法であって、
前記多孔性部材は、前記金属製部材と前記燃料電池が備える電解質膜・電極接合体との間に配され、前記ガスを前記電解質膜・電極接合体に供給するガス拡散層である
燃料電池部材の製造方法。
【請求項６】
請求項１ないし請求項４のいずれか記載の燃料電池部材の製造方法であって、
前記多孔性部材は、前記金属製部材と前記燃料電池が備える電解質膜・電極接合体との間に配され、撥水性を有する撥水層である
燃料電池部材の製造方法。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか記載の燃料電池部材の製造方法であって、
前記金属製部材は、前記ガスを前記多孔性部材に供給するための流路を形成する多孔体流路である
燃料電池部材の製造方法。
【請求項８】
前記金属製部材は、セパレータである請求項１ないし請求項６のいずれか記載の燃料電池部材の製造方法。
【請求項９】
前記はんだ付け、または、前記ろう付けは、リフロー方式により行う請求項１ないし請求項８のいずれか記載の燃料電池部材の製造方法。
【請求項１０】
燃料電池部材であって、
燃料電池の電気化学反応に供されるガスの透過性と導電性とを有する多孔性部材と、
はんだ、または、ろう材を介して該多孔性部材と接着する金属製部材と
を備えた燃料電池部材。
【請求項１１】
前記はんだ、または、ろう材は、前記多孔性部材が備える孔部の少なくとも一部に入り込んだ請求項１０記載の燃料電池部材。
【請求項１２】
前記多孔性部材は、非金属性の部材である請求項１１記載の燃料電池部材。
【請求項１３】
請求項１０ないし請求項１２のいずれか記載の燃料電池部材によって構成される燃料電池。
【請求項１４】
燃料電池を構成する、ガス透過性と導電性とを有する多孔性部材と、金属製部材との接着方法であって、
前記多孔性部材と前記金属製部材とを、はんだ付け、または、ろう付けにより接着させる
接着方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の電気化学反応に供されるガスの透過性と導電性とを有する多孔性部材と、金属製部材とを備えた燃料電池部材及びその製造方法、接着方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、例えば、電気化学反応が行われる電解質膜・電極接合体、反応ガスを電解質膜・電極接合体に供給すると共に集電を行うガス拡散層、反応ガスの流路となる多孔体流路、隔壁として機能するセパレータが積層された最小の発電単位であるセルが、複数積層されて構成される。かかる燃料電池の発電性能を確保するためには、上述の各層、例えば、ガス拡散層と多孔体流路とが確実に接着する必要があり、種々の接着技術が開発されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２０８１５３号公報
【特許文献２】特開２００１−３５５０４号公報
【０００４】
上記特許文献１では、セパレータとガス拡散層とを抵抗接着法によって溶接接合する技術を開示している。また、上記特許文献２では、セパレータとガス拡散層との接触面に、炭化水素ガスから分解析出して炭素繊維を成長させる技術を開示している。当該技術は、接触面積を大きく確保することで接触抵抗を低減する効果も奏する。
【０００５】
しかしながら、特許文献１の技術では、確実な接着は確保されるものの、接触面積が限定されるために、接触抵抗の低減効果は比較的小さかった。また、特許技術２の技術では、析出させる工程が複雑であるために、製造管理の困難性や製造コストが問題となっていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述の問題の少なくとも一部を考慮し、本発明が解決しようとする課題は、簡単な方法で接着でき、接触抵抗を低減できる燃料電池部材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］燃料電池の電気化学反応に供されるガスの透過性と導電性とを有する多孔性部材と、金属製部材とを備えた燃料電池部材の製造方法であって、
前記多孔性部材と前記金属製部材とを用意する工程と、
前記多孔性部材と前記金属製部材とを、はんだ付け、または、ろう付けにより接着させる接着工程と
を備えた燃料電池部材の製造方法。
【０００９】
かかる燃料電池部材の製造方法は、多孔性部材と金属製部材とをはんだ付け、または、ろう付けにより接着するという簡単な手法により、多孔性部材と金属製部材について、一定の接触面積を確実に確保でき、接触抵抗を低減することができる。
【００１０】
［適用例２］適用例１記載の燃料電池部材の製造方法であって、接着工程は、溶融したはんだ、または、ろう材を、多孔性部材が備える孔部の少なくとも一部に入り込ませて固化させることで、多孔性部材と金属製部材とを接着させる燃料電池部材の製造方法。
【００１１】
かかる燃料電池部材の製造方法は、はんだ、または、ろう材が、多孔性部材が備える孔部の少なくとも一部に入り込んだ状態で固化されるので、はんだ、または、ろう材と多孔性部材との接触面積を大きく確保できる。その結果、多孔性部材と金属製部材との接触面積も大きくなり、両者の接触抵抗を低減することができる。また、一定の接着力を確保することができる。
【００１２】
［適用例３］多孔性部材は、非金属性の部材である適用例２記載の燃料電池部材の製造方法。
【００１３】
かかる燃料電池部材の製造方法は、一般的には、はんだ付け及びろう付けに適さない非金属性の部材にも適用することができる。
【００１４】
［適用例４］適用例２または適用例３記載の燃料電池部材の製造方法であって、接着工程は、溶融したはんだ、または、ろう材が固化する前に、多孔性部材と金属製部材とをプレス処理する工程を備える燃料電池部材の製造方法。
【００１５】
かかる燃料電池部材の製造方法は、溶融したはんだ、または、ろう材が固化する前に、多孔性部材と金属製部材とをプレス処理するので、はんだ、または、ろう材が多孔性部材の孔部に十分に入り込むことができる。したがって、多孔性部材と金属製部材との接触抵抗を低減できると共に、接着力を高めることができる。
【００１６】
［適用例５］適用例１ないし適用例４のいずれか記載の燃料電池部材の製造方法であって、多孔性部材は、金属製部材と燃料電池が備える電解質膜・電極接合体との間に配され、ガスを電解質膜・電極接合体に供給するガス拡散層である燃料電池部材の製造方法。
かかる燃料電池部材の製造方法は、多孔性部材としてのガス拡散層に適用することができる。
【００１７】
［適用例６］適用例１ないし適用例４のいずれか記載の燃料電池部材の製造方法であって、多孔性部材は、金属製部材と燃料電池が備える電解質膜・電極接合体との間に配され、撥水性を有する撥水層である燃料電池部材の製造方法。
かかる燃料電池部材の製造方法は、多孔体部材としての撥水層に適用することができる。
【００１８】
［適用例７］適用例１ないし適用例６のいずれか記載の燃料電池部材の製造方法であって、金属製部材は、ガスを多孔性部材に供給するための流路を形成する多孔体流路である燃料電池部材の製造方法。
かかる燃料電池部材の製造方法は、金属製部材としての多孔体流路に適用することができる。
【００１９】
［適用例８］金属製部材は、セパレータである適用例１ないし適用例６のいずれか記載の燃料電池部材の製造方法。
かかる燃料電池部材の製造方法は、金属製部材としてのセパレータに適用することができる。
【００２０】
［適用例９］はんだ付け、または、ろう付けは、リフロー方式により行う適用例１ないし適用例８のいずれか記載の燃料電池部材の製造方法。
【００２１】
かかる燃料電池部材の製造方法は、リフロー方式によりはんだ付け、または、ろう付けが行われるので、効率的な製造が可能である。
【００２２】
また、本発明は、適用例１０ないし適用例１２に記載の燃料電池部材、適用例１３に記載の燃料電池、適用例１４に記載の接着方法としても実現できる。
［適用例１０］燃料電池部材であって、燃料電池の電気化学反応に供されるガスの透過性と導電性とを有する多孔性部材と、はんだ、または、ろう材を介して該多孔性部材と接着する金属製部材とを備えた燃料電池部材。
【００２３】
［適用例１１］はんだ、または、ろう材は、多孔性部材が備える孔部の少なくとも一部に入り込んだ適用例１１記載の燃料電池部材。
［適用例１２］多孔性部材は、非金属性の部材である適用例１１記載の燃料電池部材。
［適用例１３］適用例１０ないし適用例１２のいずれか記載の燃料電池部材によって構成される燃料電池。
【００２４】
［適用例１４］燃料電池を構成する、ガス透過性と導電性とを有する多孔性部材と、金属製部材との接着方法であって、多孔性部材と金属製部材とを、はんだ付け、または、ろう付けにより接着させる接着方法。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
Ａ．実施例：
本発明の実施例について説明する。
Ａ−１．燃料電池の概略構成：
本発明の実施例としての燃料電池１００の概略構成を図１に示す。燃料電池１００は、固体高分子形燃料電池であり、図示するように、電解質膜２１の両面にアノード２２、カソード２３が形成された電解質膜・電極接合体２０の両面を、ガス拡散層３２，４２、多孔体流路３４，４４及びセパレータ６０，７０で挟持して形成される。なお、図示する燃料電池１００は、図示する構成を複数積層した構成としてもよい。
【００２６】
電解質膜２１は、湿潤状態でプロトン伝導性を示す固体高分子であり、本実施例では、Nafion（Perfluorosulfonic Acid/PTFE copolymer、登録商標）の膜よりなる。アノード２２及びカソード２３は、導電性を有する担体上に触媒を担持させた電極であり、本実施例においては、白金触媒を担持したカーボン粒子と、電解質膜２１を構成する高分子電解質と同質の電解質（ここではNafion）とを備えている。
【００２７】
ガス拡散層３２及び４２は、電解質膜・電極接合体２０での電気化学反応に供される反応ガス（水素を含有する燃料ガスあるいは酸素を含有する酸化ガス）を電解質膜・電極接合体２０に供給するための流路になると共に、集電を行なうものである。ガス拡散層３２及び３４は、本実施例においては、カーボンクロスを用いたが、これに限定させるものではなく、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、金属繊維などによって形成してもよい。また、ガス拡散層３２及び３４は、ＰＴＦＥ等の撥水性部材を含有させて、撥水機能を有するものとしてもよい。
【００２８】
多孔体流路３４，４４は、反応ガスの流路となる多孔体であり、一般的には、ガス拡散層３２及び３４よりも大径の孔部を有している。本実施例においては、一定間隔で凸状突起部を有するエキスパンドメタルを用いたが、これに限られる必要はなく、発泡金属やメッシュ金属、カーボン繊維など種々の構成が可能である。本願においては、このガス拡散層３２または４２と多孔体流路３４または４４とからなる部材を、ガス流路部材３０，４０と呼ぶ。なお、上述のガス拡散層３２，４２と多孔体流路３４，４４とは、それぞれ所定の方法で接着されているが、その詳細構成と効果については、後述する。
【００２９】
セパレータ６０及び７０は、反応ガスの隔壁となる部材であり、ガス不透過な導電性部材、例えば、ステンレス鋼、チタン合金などによって形成される。本実施例のセパレータ６０及び７０は、平板形状であり、その内部には、多孔体流路３４，４４に燃料ガスや酸化ガスを供給する連絡通路（図示せず）が形成されている。なお、セパレータ６０の表面は、上述したような平板状に限るものではなく、凹凸形状を備えたものであってもよい。
【００３０】
Ａ−２．燃料電池部材の製造方法：
上述したガス流路部材３０の製造方法について、図２を用いて説明する。なお、ガス流路部材４０の製造方法は、ガス流路部材３０と同様である。ガス流路部材３０を製造するには、まず、ガス拡散層３２と多孔体流路３４とを用意する（ステップＳ１１０）。本実施例においては、上述の通り、ガス拡散層３２としてカーボンクロス、多孔体流路３４として、一定間隔で凸状突起部を有するエキスパンドメタルを用意した。
【００３１】
ガス拡散層３２と多孔体流路３４とを用意すると、多孔体流路３４が備える凸状突起部の各々全てにはんだを配置する（ステップＳ１２０）。なお、本実施例においては、図３（ａ）に示すように、すず−鉛系のクリームはんだを多孔体流路３４の凸状突起部に、塗布ガン３８を用いて塗布することにより、はんだを配置するものとしたが、はんだの配置方法は、これに限るものではない。例えば、多孔体流路３４の凸状突起部の面と同一高さの面上に所定のマスキングを行い、スクリーン印刷を行ってもよい。あるいは、基材上に凸状突起部の配置に合わせてスクリーン印刷を行った後、当該基材の印刷部分と多孔体流路３４の凸状突起部とを当接させることで、凸状突起部にはんだ３６を付着させることでもよい。あるいは、クリームはんだを貯留槽に貯めておき、当該貯留槽に多孔体流路３４を所定深さまで浸漬させることで、凸状突起部にはんだ３６を付着させることでもよい。また、はんだの性状や種類も、種々の公知のものを利用できる。
【００３２】
そして、はんだを配置すると、図３（ｂ）に示すように、その上からガス拡散層３２を配置する（ステップＳ１３０）。そして、リフロー炉を用いて、当該部材をピーク温度３００℃で加熱し（ステップＳ１４０）、ガス拡散層３２及び多孔体流路３４の積層面に対して垂直方向にプレスしながら冷却して、ガス拡散層３２と多孔体流路３４とを固定・接着する（ステップＳ１５０）。なお、リフロー工程におけるプロファイルは、実験により、最適な加熱時間や温度を設定すればよい。
【００３３】
なお、はんだ付けの温度条件は、上述の例に限るものではなく、ガス拡散層３２の耐熱性を考慮した温度条件で適宜設定すればよい。例えば、ガス拡散層３２に撥水性機能を持たせるために、ＰＴＦＥ粒子を混入させた場合には、その分解温度である約３９０℃以下の温度条件下で設定する必要がある。また、はんだ付け手法は、リフロー方式に限るものではなく、手付け方式などによるものであってもよい。
【００３４】
かかるガス流路部材３０の製造方法は、ガス拡散層３２と多孔体流路３４とをはんだ付けするという簡単な手法で、ガス拡散層３２と多孔体流路３４とについて、一定の接触面積を確実に確保でき、接触抵抗を低減することができる。
【００３５】
また、かかる製造方法により製造されたガス流路部材３０を図４（ａ）に示す。図示するように、ガス流路部材３０を構成するガス拡散層３２と多孔体流路３４とは、はんだ３６の一部分がガス拡散層３２内に入り込んだ状態で接着する。一方、図４（ｂ）に示すように、従来例としてのガス流路部材３０ｂは、溶接や両側から押し付ける手法等により、ガス拡散層３２と多孔体流路３４とが直接的に当接する。すなわち、本発明の製造方法により製造したガス流路部材３０は、従来例と比べて、ガス拡散層３２と多孔体流路３４との接触面積を増加させて接触抵抗を低減することができると共に、接着性を高めることができる。また、かかるガス流路部材３０を、図１に示したように、電解質膜・電極接合体２０、ガス流路部材４０、セパレータ６０，７０と共に積層して燃料電池１００を製造すれば、効率的な発電を行うことができる。
【００３６】
また、本実施例においては、上述の通り、ステップＳ１５０において、ガス拡散層３２と多孔体流路３４とをプレスしながら冷却する工程を設けている。こうすれば、はんだ３６がガス拡散層３２の内部に十分に入り込む量を増加させて、接触抵抗の低減と接着性の向上の効果を高めることができるからである。ただし、このプレス処理は、必須のものではなく、プレス処理を行わない場合であっても、一定の効果は期待できる。
【００３７】
上述の実施例の変形例について説明する。
Ｂ：変形例：
Ｂ−１．変形例１：
【００３８】
実施例においては、上記ステップＳ１２０において、多孔体流路３４が備える凸状突起部の各々全てにはんだを配置するものとしたが、このような態様に限られるものではない。所定の間隔、例えば、凸状突起部の一つおきに、はんだを配置することとしてもよい。こうすれば、ガス拡散層３２のガス透過性の低下を抑制しつつ、接触抵抗の低減や接着力の増大とった効果を得ることができる。ただし、ガス拡散層３２のガス透過性については、ガス拡散層３２の積層面の概ね６０％以上がガス流路として確保されていれば（当該面におけるはんだの面積占有率が約４０％以下であれば）、燃料電池１００の発電に支障を生じない範囲でガス透過性を確保できることが把握されている。
【００３９】
また、本実施例においては、多孔体流路３４に凸状突起部を有するエキスパンドメタルを用いたため、ガス拡散層３２と多孔体流路３４とは、点接着を行ったが、これに限るものではなく、多孔体流路３４の形状によっては、線接着や面接着であってもよい。
【００４０】
Ｂ−２．変形例２：
実施例においては、ガス拡散層３２と多孔体流路３４とを備えたガス流路部材３０の製造方法について示したが、本発明は、このような部材の製造方法に限られるものではない。例えば、燃料電池１００が、ガス拡散層３２に代えて撥水層を備える構成の場合には、実施例と同様の方法により、撥水層と多孔体流路３４とをはんだ付けすることにより、撥水層と多孔体流路３４とを備えた燃料電池部材の製造方法として実現することができる。なお、撥水層とは、電解質膜・電極接合体２０の外側に設けられる、撥水性を有する層である。撥水層は、電解質膜・電極接合体２０で発生する生成水を電解質膜・電極接合体２０側に適度に保持するとともに、過剰となった生成水が電解質膜・電極接合体２０側から排出されること促進する役割を果たし、例えば、カーボン粒子とＰＴＦＥ粒子とから形成することができる。
【００４１】
あるいは、燃料電池１００が、多孔体流路３４を有さない構成、例えば、図５に示すように、ガス拡散層３２，４２の両側を、燃料ガス流路６２、酸化ガス流路７２を形成する凹凸形状を表面に備えたセパレータ６０，７０で挟持する構成とする場合には、実施例と同様の方法により、ガス拡散層３２とセパレータ６０とをはんだ付けすることにより、ガス拡散層３２とセパレータ６０とを備えた燃料電池部材の製造方法として実現することができる。また、燃料電池１００が、多孔体流路３４を有さず、ガス拡散層３２に代えて上述の撥水層を備える構成の場合にも、同様に、撥水層とセパレータ６０とを備えた燃料電池部材の製造方法として実現することができる。
【００４２】
なお、上述のように、セパレータ６０とガス拡散層３２等とを接着する場合には、上記ステップ１２０においては、例えば、セパレータ６０が備える凸部の各々に、点状、線状、または面状にはんだを配置してもよい。また、実施例で示したように、セパレータ６０の表面が平板状の場合には、セパレータ６０の表面上に、所定の間隔や模様状にはんだを配置してもよい。
【００４３】
Ｂ−３．変形例３：
実施例においては、ガス拡散層３２と多孔体流路３４とをはんだ付けにより接着させる工程を示したが、これらの接着方法は、はんだ付けに限るものではなく、ろう付けであってもよい。例えば、ガス拡散層３２とチタン合金を用いたセパレータ６０とを接着する場合など、はんだ付けが適さない条件下では、必要な耐熱性を有する燃料電池部材を選定しつつ、はんだ付けに代えて、ろう付けを行えば、燃料電池部材を好適に接着することができる。
【００４４】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を脱しない範囲において、種々なる態様で実施できることは勿論である。例えば、本発明は、実施例に示した固体高分子形燃料電池に限らず、ダイレクトメタノール形燃料電池、リン酸形燃料電池など種々の燃料電池に適用することができる。また、本発明は、燃料電池部材の接着方法としても実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】燃料電池１００の概略構成を示す説明図である。
【図２】ガス流路部材３０の製造手順を示す工程図である。
【図３】ガス流路部材３０の製造手順の説明図である。
【図４】ガス流路部材３０の概略構造を示す説明図である。
【図５】変形例としての燃料電池１００の概略構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【００４６】
２０…電解質膜・電極接合体
２１…電解質膜
２２…アノード
２３…カソード
３０，３０ｂ，４０…ガス流路部材
３２，４２…ガス拡散層
３６…はんだ
３４，４４…多孔体流路
６０…セパレータ
６２…燃料ガス流路
７０…セパレータ
７２…酸化ガス流路
１００…燃料電池
【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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