JP4887597B2

JP4887597B2 - 固体高分子型燃料電池、ガス拡散層用部材およびその製造方法

Info

Publication number: JP4887597B2
Application number: JP2003195937A
Authority: JP
Inventors: 正弘和田; 栄子神田; 公明加藤
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2003-07-11
Filing date: 2003-07-11
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2023-07-11
Also published as: JP2005032546A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子型燃料電池、ガス拡散層用部材およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電解質としてイオン伝導性の固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池が開発され、家庭用の定置用電源や電気自動車の電源、あるいは小型携帯機器の電源として注目されている。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して高電圧を得る構造となっている。
【０００３】
複数の単セルを順次接続するための構造の一つとして、単セルを厚さ方向に積み重ねた、いわゆるスタック型の燃料電池がある（たとえば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−７８０２８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このようなスタック型の燃料電池では、積み重ねた各単セル間にセパレータ板が設けられる。このセパレータ板には、ガス拡散層に燃料（水素）や空気（酸素）を供給するための溝が必要であり、この溝を設けるために、セパレータ板にはある程度の厚さが必要となる。このため、セパレータ板の体積、重量によって、燃料電池の小型軽量化が妨げられるという問題がある。
【０００６】
さらに、ガス拡散層を構成するカーボンシートなどの多孔体が、強度が低く、変形しやすいという性質を有しているため、取り扱いにくく、燃料電池の製造に困難を伴うという問題がある。
【０００７】
本発明は、以上の課題に鑑みてなされたもので、生産性に優れた小型軽量の燃料電池を実現することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明は、固体高分子型燃料電池に用いられるガス拡散層用部材を以下のようにするものである。
すなわち、本発明のガス拡散層用部材は、セパレータ板と、三次元網目構造を有する導電性多孔体からなるシート状のガス拡散電極とを有し、第１の流体を通過させるための第１流路と、第２の流体を通過させるための第２流路とが設けられており、セパレータ板の表面にガス拡散電極が配置されている。そして、セパレータ板に、ガス拡散電極に流体を通過させるための第３流路が該ガス拡散電極に対向するように形成されており、これらガス拡散電極およびセパレータ板の周囲を覆う樹脂枠が、一体に設けられていることを特徴とするものである。
【０００９】
なお、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。
また、樹脂枠をなす樹脂材料は、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。
【００１０】
本発明のガス拡散層用部材によれば、ガス拡散電極がガス拡散層と電極とを兼ねるので、部品点数を削減することができる。また、樹脂枠により一体となっているので取り扱いが容易であり、燃料電池を製造する際のガス拡散電極の破損が防止され、生産性のよい燃料電池を実現することができる。また、樹脂枠によりガス拡散電極の側面が覆われているので、側面に開口している開放気孔が封止され、燃料漏れを効果的に防止することができる。さらに、流体（燃料や空気など）の流路が、導電性多孔体のガス拡散電極中に形成されるので、薄いセパレータ板を用いることができ、燃料電池の小型軽量化を図ることができる。また、本発明のガス拡散層用部材は、第１の流体を通過させるための第１流路と、第２の流体を通過させるための第２流路とが設けられているので、この構成により、各ガス拡散電極に対して、ガス拡散層用部材の外部から、それぞれ異なる流体（燃料および空気）を通過させて電極反応を生じさせることができる。また、本発明のガス拡散層用部材は、前述したガス拡散電極中の流路のみならずセパレータ板に第３流路が形成されているので、ガス拡散電極中の流路が厚さ方向の短いものとなり、供給圧を高めなくても流体を円滑に供給することができる。また、ガス拡散電極の通気性が低く多孔体内部の連通気孔だけでは燃料あるいは酸素の供給・排出が困難である場合にも、セパレータ板の表面に形成された溝形状等の第３流路を用いて円滑に流体を流すことができ、燃料電池における発電量を安定させることができる。
【００１１】
また、本発明のガス拡散層用部材において、第１および第２の流路は、樹脂枠に形成されていることが好ましい。さらに、第１および第２流路が、ガス拡散電極に接続し樹脂枠を貫通して設けられることがより好ましい。
【００１２】
これら第１および第２流路は、種々の形状で設けられるが、その形成箇所が樹脂枠であれば加工が容易であり、一般に高価である導電性多孔体に加工形成するよりもコスト面で有利であるとともに、電極の導電効率に関わる多孔体の表面を有効に利用することができる。さらに、これら第１および第２の流路を、樹脂枠を貫通させて設けることにより、ガス拡散層用部材を積層して燃料電池を構成する場合に、厚さ方向に連通する流路を容易に形成することができ、構造が単純で生産性のよい燃料電池を実現することができる。
【００１３】
さらに、前記第３流路は溝形状をなして前記セパレータ板の両面にそれぞれ形成されており、前記両面のうち一方の面に形成された第３流路と他方の面に形成された第３流路とが、互いに垂直となるように延びていることが好ましい。
【００１４】
本発明のガス拡散層用部材は、導電性多孔体およびセパレータ板をインサート部品として樹脂材料を射出するインサート成形により製造することができる。
インサート成形を採用することにより、導電性多孔体（ガス拡散電極）と樹脂枠とが接続される部分において、導電性多孔体の表面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導電性多孔体と樹脂枠とが強固に接続され、強度が高いガス拡散層用部材が製造できる。
【００１５】
本発明に係る固体高分子型燃料電池は、請求項１から４のガス拡散層用部材が厚さ方向に複数枚重ねられ、各ガス拡散層用部材間に固体高分子電解質からなる電解質層が配置されているとともに、この電解質層と各ガス拡散層用部材のガス拡散電極との界面に設けられた触媒層を備えることを特徴とするものである。
【００１６】
この構成により、本発明の固体高分子型燃料電池は、２枚のガス拡散層用部材の間に電解質層および触媒層を配置するだけの単純な部品構成で、単セルを形成することができる。また、ガス拡散層用部材を複数枚重ねて各部材間にそれぞれ電解質層を配置すれば、複数の単セルを積層したスタック型の燃料電池を容易に形成することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態の前提となる参考例について、図面を参照して説明する。
図１に、本参考例のガス拡散層用部材１０，５０，６０を用いた固体高分子型の燃料電池の要部を示す。この燃料電池は、４組の単セル３０が積層された、いわゆるスタック型の構造を有していて、燃料（たとえばメタノール水溶液）と酸化剤としての空気を供給されることにより電極反応を生じて電力を発生させることができる。
【００１８】
ガス拡散層用部材１０は、図１に示すように、厚さ方向にガス拡散電極１１，１１およびセパレータ板１２が積層され、その面方向周囲を覆う樹脂枠１３が一体に形成された構造となっている。そして、このガス拡散層用部材１０には、図１および図２に示すように、第１の流体（燃料）を通過させるための第１流路１０ａ，１０ｂと、第２の流体（空気）を通過させるための第２流路１０ｃ，１０ｄとが、樹脂枠１３を貫通して設けられている。
なお、図２は図１におけるII−II線に沿う矢視図、図１は図２におけるＩ−Ｉ線に沿う断面矢視図である。
【００１９】
ガス拡散電極１１は、三次元網目構造を有する導電性多孔体からなる薄板であり、表面に開口する気孔が各方向に連通していることにより通気性を有し、軽量で表面積が大きいという特性を有している。このガス拡散電極１１は、略長方形の電極本体１１ａの端部に、第１流路１０ａ，１０ｂおよび第２流路１０ｃ，１０ｄのいずれかに接続するための接続部１１ｂ，１１ｂが、タブ状に設けられた形状となっている。
【００２０】
各ガス拡散電極１１，１１は、電極本体１１ａが重なるように、かつ接続部１１ｂ、１１ｂが互いに重ならないように配置されている。そして、樹脂枠１３を貫通する第１流路１０ａ，１０ｂおよび第２流路１０ｃ，１０ｄのうちのいずれかと、接続部１１ｂとが接続している。つまり、ガス拡散電極１１には、電極本体１１ａに設けられた２カ所の接続部１１ｂに、異なる流路がそれぞれ接続している。
【００２１】
したがって、第１流路１０ａに供給された燃料は、ガス拡散電極１１の連通気孔中を通過して、第１流路１０ｂへと流出する。また、第２流路１０ｃに供給された空気は、ガス拡散電極１１の連通気孔中を通過して、第２流路１０ｄへと流出する。
【００２２】
セパレータ板１２は、空気や燃料となるガスまたは液体を通過させず、導電性を有する、たとえばカーボン板や耐食性のある金属板などで、少なくとも両ガス拡散電極１１，１１に重なるＨ字状よりも大きく形成されている。そして、ガス拡散電極１１，１１間に配置されることにより、各電極間における流体の流通を阻止しつつ、図１に示すように、各ガス拡散電極１１，１１が形成する単セル３０同士を直列に接続している。
なお、ガス拡散電極１１とセパレータ板１２とは、拡散接合により密着固定させることができる。
【００２３】
樹脂枠１３は、厚さ方向に積層されたガス拡散電極１１、セパレータ板１２、ガス拡散電極１１の面方向周囲を覆って一体に設けられており、その両面が各ガス拡散電極１１，１１の表面に連なる同一面となっている。この樹脂枠１３は、ガス拡散電極１１およびセパレータ板１２を埋め込まれた略直方体に形成され、その四隅に、厚さ方向に貫通するボルト挿通孔１０ｅが設けられている。ボルト挿通孔１０ｅには、複数枚のガス拡散層用部材１０および電解質層２０を多層に積層した際にこれらを固定するためのタイボルトを挿通することができる。
【００２４】
また、燃料電池の両端面には、ガス拡散層用部材５０，６０がそれぞれ配置されている。
ガス拡散層用部材５０は、図１および図３に示すように、厚さ方向にガス拡散電極５１およびセパレータ板５２が積層され、その面方向周囲を覆う樹脂枠５３が一体に形成された構造となっている。そして、このガス拡散層用部材５０には、ガス拡散電極５１に第１の流体（燃料）を通過させるための第１流路５０ａ，５０ｂと、第２の流体（空気）を通過させるための第２流路５０ｃ，５０ｄとが、樹脂枠５３を貫通して設けられている。
【００２５】
ガス拡散電極５１は、ガス拡散電極１１と同じく三次元網目構造を有する導電性多孔体からなる薄板であり、表面に開口する気孔が各方向に連通していることにより通気性を有し、軽量で表面積が大きいという特性を有している。このガス拡散電極５１は、略長方形の電極本体５１ａの端部に、第１流路５０ａ，５０ｂのいずれかに接続するための接続部５１ｂ，５１ｂが、タブ状に設けられた形状となっている。
したがって、流路５０ａに供給された燃料は、ガス拡散電極５１の連通気孔中を通過して、流路５０ｂへと流出する。
【００２６】
セパレータ板５２は、セパレータ板１２と同じく空気や燃料となるガスまたは液体を通過させず、導電性を有する、たとえばカーボン板や耐食性のある金属板などで、少なくともガス拡散電極５１の表面を覆うよりも大きく形成されている。そして、ガス拡散電極５１に接して配置されることにより、ガス拡散電極５１から電池外部への流体の流通を阻止している。
なお、ガス拡散電極５１とセパレータ板５２とは、拡散接合により密着固定させることができる。
【００２７】
樹脂枠５３は、厚さ方向に積層されたガス拡散電極５１およびセパレータ板５２の面方向周囲を覆って一体に設けられており、その一面がガス拡散電極５１の表面に連なる同一面となっている。この樹脂枠５３は、ガス拡散電極５１およびセパレータ板５２を埋め込まれた略直方体に形成され、その四隅に、厚さ方向に貫通するボルト挿通孔５０ｅが設けられている。ボルト挿通孔５０ｅには、複数枚のガス拡散層用部材１０，５０および電解質層２０を多層に積層した際にこれらを固定するためのタイボルトを挿通することができる。
【００２８】
また、ガス拡散層用部材６０は、図１および図４に示すように、厚さ方向にガス拡散電極６１およびセパレータ板６２が積層され、その面方向周囲を覆う樹脂枠６３が一体に形成された構造となっている。そして、このガス拡散層用部材６０には、ガス拡散電極６１に第１の流体（燃料）を通過させるための第１流路６０ａ，６０ｂと、第２の流体（空気）を通過させるための第２流路６０ｃ，６０ｄとが、樹脂枠６３を貫通して設けられている。
【００２９】
ガス拡散電極６１は、ガス拡散電極１１，５１と同じく三次元網目構造を有する導電性多孔体からなる薄板であり、表面に開口する気孔が各方向に連通していることにより通気性を有し、軽量で表面積が大きいという特性を有している。このガス拡散電極６１は、略長方形の電極本体６１ａの端部に、第２流路６０ｃ，６０ｄに接続するための接続部６１ｂ，６１ｂが、タブ状に設けられた形状となっている。
したがって、流路６０ｃに供給された空気は、ガス拡散電極６１の連通気孔中を通過して、流路６０ｄへと流出する。
【００３０】
セパレータ板６２は、セパレータ板１２，５２と同じく空気や燃料となるガスまたは液体を通過させず、導電性を有する、たとえばカーボン板や耐食性のある金属板などで、少なくともガス拡散電極６１の表面を覆うよりも大きく形成されている。そして、ガス拡散電極６１に接して配置されることにより、ガス拡散電極６１から電池外部への流体の流通を阻止している。
なお、ガス拡散電極６１とセパレータ板６２とは、拡散接合により密着固定させることができる。
【００３１】
樹脂枠６３は、厚さ方向に積層されたガス拡散電極６１およびセパレータ板６２の面方向周囲を覆って一体に設けられており、その一面がガス拡散電極６１の表面に連なる同一面となっている。この樹脂枠６３は、ガス拡散電極６１およびセパレータ板６２を埋め込まれた略直方体に形成され、その四隅に、厚さ方向に貫通するボルト挿通孔６０ｅが設けられている。ボルト挿通孔６０ｅには、複数枚のガス拡散層用部材１０，５０，６０および電解質層２０を多層に積層した際にこれらを固定するためのタイボルトを挿通することができる。
【００３２】
図１に示す燃料電池において、ガス拡散層用部材１０，５０，６０のガス拡散電極１１，５１，６１に密着して配置される電解質層２０は、たとえばフッ素樹脂系の高分子電解膜で形成される。電解質層２０は、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。電解質層２０には、ガス拡散層用部材１０，５０，６０と重ね合わせたときに第１流路１０ａ，１０ｂ，５０ａ，５０ｂ，６０ａ，６０ｂおよび第２流路１０ｃ，１０ｄ，５０ｃ，５０ｄ，６０ｃ，６０ｄに連通する貫通孔２０ａが形成されている。
【００３３】
この電解質層２０とガス拡散層用部材１０，５０，６０のガス拡散電極１１，５１，６１との界面（本参考例ではガス拡散電極１１，５１，６１の表面側）に、触媒層３１が設けられている。
触媒層３１は、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ガス拡散電極１１，５１，６１の表面に塗布して形成されている。触媒層３１と電解質層２０とは、ホットプレスにより密着固定することができる。また、電解質層２０と各ガス拡散層用部材１０，５０，６０の樹脂部１３，５３，６３とは、超音波接合により密着固定することができる。
なお、触媒層３１は、電解質層２０とガス拡散電極１１，５１，６１との間に介在していればよく、本参考例ではガス拡散電極１１，５１，６１の表面部分に設けることとするが、電解質層２０の表面部分に形成することもできる。
【００３４】
図１に示す燃料電池は、以上説明したガス拡散層用部材１０，５０，６０と、その間に配置した電解質層２０とを積層し、その両側を通気性および導電性のない遮蔽板としてガス拡散層用部材５０，６０に備えられたセパレータ板５２，６２で閉じた構成となっている。樹脂枠１３，５３，６３により一体部品となっているガス拡散層用部材１０，５０，６０は、取り扱いやすく破損しにくいので、破損による無駄が生じにくく、自動機によるハンドリングも容易で、生産性のよい燃料電池を実現させることができる。
【００３５】
この燃料電池では、ガス拡散層用部材１０，５０，６０および電解質層２０を積層したことにより、第１流路１０ａ，５０ａ，６０ａおよび貫通孔２０ａが連通して形成された燃料側供給路Ｆと、第１流路１０ｂ，５０ｂ，６０ｂおよび貫通孔２０ａが連通して形成された燃料側排出路（図示せず）と、第２流路１０ｃ，５０ｃ，６０ｃおよび貫通孔２０ａが連通して形成された空気側供給路Ａと、第２流路１０ｄ，５０ｄ，６０ｄおよび貫通孔２０ａが連通して形成された空気側排出路（図示せず）とが形成されている。
【００３６】
この燃料電池において、燃料側供給路Ｆから燃料（ここではメタノール水溶液）を送り込むと、第１流路１０ａ，５０ａ，６０ａを通じて各ガス拡散電極（燃料極）１１，５１に燃料が供給される。この燃料がガス拡散電極１１，５１中を通過する間に、触媒層３１の界面上で触媒反応により燃料中の水素がイオン化し、残りの流体（未反応部分）は第１流路１０ｂ，５０ｂを通じて燃料側排出路から排出される。
【００３７】
一方、燃料極１１，５１に対向する各ガス拡散電極（空気極）１１，６１に対しては、空気側供給路Ａから第２流路１０ｃ，５０ｃ，６０ｃを通じて空気が供給される。燃料極１１，５１でイオン化した水素は、電解質層２０を移動して空気極１１，６１に到達し、電極反応により空気極１１，６１の触媒層３１の界面上で空気中の酸素と反応して水を生成する。この水は第２流路１０ｄ，６０ｄを通じて空気側排出路から排出される。また、電極反応後の空気の残ガス（未反応部分）も、第２流路１０ｄ，６０ｄを通じて空気側排出路から排出される。
【００３８】
水素のイオン化により発生した電子は、セパレータ板１２を通じて燃料極（ガス拡散電極）１１から空気極（ガス拡散電極）１１へと移動する。この電子の移動により、燃料電池は燃料極５１を陽極、空気極６１を陰極として、電気エネルギを発生させることができる。
【００３９】
ところで、ガス拡散電極１１，５１，６１は、この固体高分子型燃料電池において、３次元網目構造による通気性および導電性を備えることによりガス拡散層と集電板とを兼ねるシート状部材である。このガス拡散電極１１，５１，６１を形成する導電性多孔体としては、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が、ガス拡散性と導電性がともに良好な、三次元網目構造を有する金属製のもの、たとえば金属粉末を焼結したシート、金属不織布、積層メッシュ等を用いることが望ましい。なかでも、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金属粉末を焼結したシートは、このガス拡散層用部材の導電性多孔質体として、より好適である。
【００４０】
さらにまた、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発泡金属焼結シートでは、高い気孔率までも製造可能であることから、より好ましい。
本参考例では、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を採用している。
【００４１】
ここで、発泡金属焼結シートの製造方法について図５を参照して説明する。
発泡金属焼結シートは、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Ｓとし、発泡成形後に焼結して得られるものである。
【００４２】
スラリーＳは、導電性を有する金属粉末、発泡剤（ヘキサン）、有機バインダ（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８０を図５に示す。
【００４３】
グリーンシート製造装置８０において、まず、スラリーＳが貯蔵されたホッパー８１から、キャリアシート８２上にスラリーＳが供給される。キャリアシート８２はローラ８３によって搬送されており、キャリアシート８２上のスラリーＳは、移動するキャリアシート８２とドクターブレード８４との間で延ばされ、所要の厚さに成形される。
【００４４】
成形されたスラリーＳは、さらにキャリアシート８２によって搬送され、加熱処理を行う発泡槽８５および加熱炉８６を順次通過する。発泡槽８５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８６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。
【００４５】
このグリーンシートＧを、キャリアシート８２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（導電性多孔体）が得られる。
【００４６】
このようにして形成された導電性多孔体を所定形状に切断したものと、セパレータ板１２，５２，６２とをインサート部品としてインサート成形を行うことにより、導電性多孔体からなるガス拡散電極１１，５１，６１とセパレータ板１２，５２，６２と樹脂部１３，５３，６３とを一体に備えたガス拡散層用部材１０を製造することができる。
【００４７】
ここで、ガス拡散層用部材１０を製造するインサート成形について図６を参照して説明する。
まず、導電性多孔体（ガス拡散電極１１，１１）とセパレータ板１２とを拡散接合により一体に固定してインサート部品Ｐとする。そして、このインサート部品Ｐを、図６に示す一対の型板７０，７１間に形成されたキャビティ７２中に配置し、ランナ７３からゲート７４を通じて射出した溶融樹脂７５をキャビティ７２内に充填することにより、導電性多孔体からなるガス拡散電極１１、セパレータ板１２および樹脂枠１３が一体となったガス拡散層用部材１０が形成される。
なお、図６では触媒層３１を表面部に形成されたガス拡散電極１１を用いているが、この触媒層３１は、必ずしもガス拡散電極１１上に形成する必要はなく、電解質層２０上に形成してもよく、またガス拡散電極１１上に設ける場合にはインサート成形後に形成することもできる。
【００４８】
また、ガス拡散層用部材５０，６０も前記と同様のインサート成形により製造することができる。
すなわち、導電性多孔体（ガス拡散電極５１，６１）とセパレータ板５２，６２とを拡散接合により一体に固定してインサート部品として、図６に示す一対の型板７０，７１間に形成されたキャビティ７２中に配置し、ランナ７３からゲート７４を通じて射出した溶融樹脂７５をキャビティ７２内に充填することにより、導電性多孔体からなるガス拡散電極５１，６１、セパレータ板５２，６２および樹脂枠５３，６３が一体となったガス拡散層用部材５０，６０が形成される。
【００４９】
以上のようにインサート成形で樹脂枠１３，５３，６３が形成されることにより、ガス拡散電極１１，５１，６１と樹脂枠１３，５３，６３とは、ガス拡散電極１１，５１，６１の側部に開口する気孔中、５μｍ〜１０００μｍ程度の深さまで溶融樹脂が含浸して硬化し、強固に接合される。樹脂枠を貫通する各流路１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄ，６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄやボルト挿通孔１０ｅ，５０ｅ，６０ｅは、金型に設けたピン部材７６により、この射出成形時に形成することができる。
【００５０】
インサート成形では、たとえば樹脂枠１３，５３，６３の材料にポリプロピレンを用いた場合、成形温度１８０℃、８０ｋNで型締めし、成形圧２５０ｋｇ／ｃｍ^２で射出成形すると、複合金属多孔体１０，５０，６０が得られる。
【００５１】
なお、インサート成形によりガス拡散層用部材１０，５０，６０を形成する場合、型閉時のキャビティ７２の厚さ（型開閉方向の大きさ）は、インサート部品Ｐよりも若干小さくし、型閉時に型板７０，７１間でガス拡散電極１１，５１，６１が３〜９０％圧縮されるようにすると、ガス拡散電極１１，５１，６１をキャビティ７２に対して固定して射出樹脂圧によるずれを防止できるとともに、ガス拡散電極１１，５１，６１の平坦度を向上させることができる。
【００５２】
また、ガス拡散電極１１，５１，６１は、気孔径や気孔率が小さすぎると溶融樹脂が気孔中に入り込めないのでアンカー効果が不十分となり、樹脂枠１３，５３，６３との接合強度が十分に得られず、接合部で剥離する虞がある。一方、気孔径や気孔率が大きすぎると、強度が不足し、樹脂成形圧および樹脂硬化時の圧縮に耐えられず、変形してしまう。したがって、気孔径１０μｍ〜２ｍｍ程度、気孔率４０〜９８％程度であるとよい。
一方、樹脂枠１３，５３，６３を形成する樹脂材料の材質は、熱可塑性樹脂、エラストマーなど、射出成形可能な材質であればよいので、耐熱温度や硬度等を考慮し、用途に応じて適宜選択すればよい。
【００５３】
なお、以上の参考例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、本発明の実施形態への適用にあたっては、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。前記参考例では、４組の単セルを備えた燃料電池について説明したが、本発明は４組の単セルに限定されるものではなく、必要に応じてガス拡散層用部材１０および電解質層２０を積層すれば、高出力の燃料電池を得ることができる。
【００５４】
また、前記参考例では、燃料や空気等の流体が各流路からガス拡散電極１１，５１，６１の気孔中のみを通過して排出される構成としたが、ガス拡散電極１１，５１，６１の気孔率が低かったり連通気孔が少なかったりすると、流路が狭くかつ面方向に長くなるため、流体の供給が困難になるおそれがある。そこで、本発明の実施形態では、前述した参考例と同様の構成を有しつつも、それ以外の特別な構成として、図７に示すようにセパレータ板４０の両面に第３流路４０ａ，４０ｂとして溝形状を形成し、この第３流路４０ａ，４０ｂ内に流体を流す構成とすることにより、ガス拡散電極１１中の流路が厚さ方向の短いものとなるので、供給圧を高めなくても流体を円滑に供給することができる。また、燃料の供給圧を高めるポンプなどを設けてもよい。
【００５５】
また、前記実施形態及び参考例では、セパレータの両面にガス拡散電極を設けたガス拡散層用部材１０で複数の単セル３０を形成したが、一方にのみガス拡散電極を設けたガス拡散層用部材５０，６０を、セパレータを背に貼り合わせて利用することもできる。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、強度の高いガス拡散層用部材の実現による部品点数の削減、取り扱い性の向上により、燃料漏れのおそれが小さく、構成が単純で、小型軽量かつ生産性のよい高性能な燃料電池を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の前提となる参考例に係る燃料電池の要部を示す断面図である。
【図２】図１におけるII−II線に沿う矢視図であり、本発明の参考例に係るガス拡散層用部材を示す平面図である。
【図３】図１におけるIII−III線に沿う矢視図であり、本発明の参考例に係るガス拡散層用部材を示す平面図である。
【図４】図１におけるIV−IV線に沿う矢視図であり、本発明の参考例に係るガス拡散層用部材を示す平面図である。
【図５】図２から図４に示すガス拡散層用部材に用いられる導電性多孔体を製造に用いる装置の一例を示す模式図である。
【図６】図２から図４に示すガス拡散層用部材を製造するインサート成形を示す模式断面図である。
【図７】本発明の実施形態に係るガス拡散層用部材に用いるセパレータ板を示す平面図である。
【符号の説明】
１０，５０，６０ガス拡散層用部材
１０ａ，１０ｂ，５０ａ，５０ｂ，６０ａ，６０ｂ第１流路
１０ｃ，１０ｄ，５０ｃ，５０ｄ，６０ｃ，６０ｄ第２流路
１１，５１，６１ガス拡散電極（導電性多孔体）
１２，４０，５２，６２セパレータ板
１３，５３，６３樹脂枠
４０ａ，４０ｂ第３流路
２０電解質層
３０単セル
３１触媒層

Claims

セパレータ板と、該セパレータ板の表面に接する、三次元網目構造を有する導電性多孔体からなるシート状のガス拡散電極とを有するガス拡散層用部材であって、
前記ガス拡散層用部材に、第１の流体を通過させるための第１流路と、第２の流体を通過させるための第２流路とが設けられており、
前記セパレータ板の少なくとも一方の面に前記ガス拡散電極が配置され、
前記セパレータ板に、前記ガス拡散電極に流体を通過させるための第３流路が該ガス拡散電極に対向するように形成されており、
これらガス拡散電極およびセパレータ板の周囲を覆う樹脂枠が一体に設けら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。
前記第１および第２流路が、前記樹脂枠に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池のガス拡散層用部材。
前記第１および第２流路が、前記ガス拡散電極に接続し前記樹脂枠を貫通していることを特徴とする請求項２に記載の固体高分子型燃料電池のガス拡散層用部材。
前記第３流路は溝形状をなして前記セパレータ板の両面にそれぞれ形成されており、
前記両面のうち一方の面に形成された第３流路と他方の面に形成された第３流路とが、互いに垂直となるように延びていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のガス拡散層用部材。
前記導電性多孔体および前記セパレータ板をインサート部品として樹脂材料を射出するインサート成形により、請求項１から４のいずれかに記載の前記ガス拡散層用部材を製造することを特徴とする固体高分子型燃料電池用のガス拡散層用部材の製造方法。
請求項１から４のいずれかに記載のガス拡散層用部材が厚さ方向に複数枚重ねられ、各ガス拡散層用部材間に固体高分子電解質からなる電解質層が配置されているとともに、該電解質層と各ガス拡散層用部材の前記ガス拡散電極との界面に設けられた触媒層を備えることを特徴とする固体高分子型燃料電池。