固体高分子型燃料電池の集電板の製造方法
【課題】 生成水を空気電極層から効率よく取り除くことにある。
【解決手段】 空気電極層（酸化剤電極層）３側に開口するとともに互いに連通し、空気電極層３側において発生した水を毛管現象で吸引する大きさの複数の発泡空孔６ａを有する発泡焼結金属によって形成されており、空気電極層３に向かう方向に貫通するとともに、発泡空孔６ａが開口し、かつ空気（酸化剤ガス）の供給路となる複数の貫通孔６ｂが形成された構成になっている。
【解決手段】 空気電極層（酸化剤電極層）３側に開口するとともに互いに連通し、空気電極層３側において発生した水を毛管現象で吸引する大きさの複数の発泡空孔６ａを有する発泡焼結金属によって形成されており、空気電極層３に向かう方向に貫通するとともに、発泡空孔６ａが開口し、かつ空気（酸化剤ガス）の供給路となる複数の貫通孔６ｂが形成された構成になっている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜の両側に積層された燃料電極層と酸化剤電極層のうち、少なくとも酸化剤電極層に積層される固体高分子型燃料電池の集電板に関するものであって、特に携帯電話やデジタルカメラなどの携帯機器用の電池に適した集電板に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の固体高分子型燃料電池としては、例えば図６に示すように、固体高分子の電解質膜１の両側に水素電極層（燃料電極層）２および空気電極層（酸化剤電極層）３が積層され、これらの水素電極層２および空気電極層３のそれぞれの外面に沿って設置されたセパレータ４、５を備えたものを単位セルとし、この単位セルを複数積層させたスタック構造の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。
水素電極層２および空気電極層３は、図７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】
一方のセパレータ４には、図６に示すように、燃料ガス（水素を有する）を水素電極層２の表面全体に供給するための溝４ａが形成されており、他方のセパレータ５には、酸化剤ガス（酸素を有する）を空気電極層３の表面全体に供給するための溝５ａが形成されている。燃料ガスとしては、例えばほぼ１００％の水素が用いられ、酸化剤ガスとしては、例えば空気が用いられる。
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７に示すような化学反応により電気を作ることができる。燃料となる水素（Ｈ2）は、水素電極層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。
【０００５】
水素イオンは、電解質膜１中を空気電極層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、空気電極層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-→Ｈ2Ｏ …（２）
の電気化学反応が生じ、水が生成される（以下、この水を生成水という）。そして、水素電極層２側の電子が例えば外部の負荷を通って空気電極層３側に流れることから、これを電気エネルギとして使うことができる。
上記電気化学反応は、主に電解質膜１と空気電極層３との境界部で発生することになる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、上記固体高分子型燃料電池においては、連続して運転を行うと、上述した生成水が空気電極３の表面に液膜となって覆うことになり、酸素が電解質膜１に供給されにくくなる。このため、起電力が急激に低下するという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、生成水を酸化剤電極層から効率よく取り除くことによって、高出力で安定した電力を発生させることのできる固体高分子型燃料電池の集電板を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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集電板は、電解質膜の一方の面に積層され、水素を有する燃料ガスが上記電解質膜とは反対側の表面に供給される燃料電極層と、上記電解質膜の他方の面に積層され、酸素を有する酸化剤ガスが上記電解質膜とは反対側の表面に供給される酸化剤電極層とのうち、少なくとも上記酸化剤電極層の上記表面に積層される固体高分子型燃料電池の集電板であって、上記酸化剤電極層側に開口するとともに互いに連通し、上記酸化剤電極層側において発生した水を毛管現象で吸引する大きさの複数の発泡空孔を有する発泡焼結金属によって形成されており、上記酸化剤電極層に向かう方向に貫通するとともに、上記発泡空孔が開口し、かつ上記酸化剤ガスの供給路となる複数の貫通孔が形成されていることを特徴としている。
【０００９】
請求項２に記載の固体高分子型燃料電池の集電板は、請求項１に記載の発明において、上記貫通孔は、機械的加工により形成されていることを特徴としている。
【００１０】
請求項３に記載の固体高分子型燃料電池の集電板は、請求項１に記載の発明において、上記貫通孔は、上記発泡焼結金属の原料の一部として含有された発泡剤の発泡により形成されていることを特徴としている。
【００１１】
請求項４に記載の固体高分子型燃料電池の集電板は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、上記発泡空孔の平均孔径が１〜1５０μｍであり、上記貫通孔の平均孔径が０．２〜３ｍｍであることを特徴としている。
【００１２】
請求項５に記載の固体高分子型燃料電池の集電板は、請求項１〜４の何れかに記載の発明において、気孔率が４０〜９９容量％であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１〜５に記載の発明においては、電解質膜と酸化剤電極層との間に生じ、酸化剤電極層の表面に流出した生成水が発泡空孔に吸引されて、集電板の内方に移動するとともに、各貫通孔の位置まで移動する。また、貫通孔には酸化剤ガスが流通することになることから、当該酸化剤ガスが酸化剤電極層に供給されるとともに、余分な酸化剤ガスは貫通孔から排出されることになる。そして、発泡空孔が貫通孔に開口していることから、当該発泡空孔を介して貫通孔まで吸引された生成水が酸化剤ガス中に効率よく蒸発して、当該酸化剤ガスとともに集電板から排出されることになる。このため、生成水が酸化剤電極層内や表面に滞留するのを防止することができる。したがって、各貫通孔を介して供給された酸化剤ガスを酸化剤電極層から電解質膜側に間断なく供給することができるので、高出力で安定した電力を発生させることができる。
【００１４】
また、固体高分子型燃料電池を、その方向を特定せずに使用するような場合、例えば携帯電話やデジタルカメラなど、携帯用のものとして使用した場合でも、生成水を効率よく排出することができる。すなわち、固体高分子型燃料電池の使用環境によっては、酸化剤電極層の表面が斜め上方を向いたり、水平方向の上方を向いたりすることがあり得るが、このような場合でも、生成水を間断なく排出して、安定した高出力の電力を維持することができる。
【００１５】
請求項２に記載の発明においては、機械的加工としての例えばドリルによる切削加工によって、貫通孔を形成することができる。この際、密度の小さな発泡焼結金属によって形成されているので、切削抵抗が少なく、貫通孔を容易に加工することができるとともに、発泡空孔が貫通孔において閉塞されてしまうのを防止することができる。
また、発泡後、発泡焼結金属として焼結される前の、変形がより容易な時に、例えば先端が尖った複数の針を備えた治具を用い、その針を刺し通すことによる機械的加工によっても、貫通孔を形成することができる。この場合も、複数の貫通孔を短時間で容易に形成することができるとともに、発泡空孔が貫通孔において閉塞された状態になるのを防止することができる。
【００１６】
請求項３に記載の発明においては、複数の貫通孔が発泡焼結金属の原料の一部として含有された発泡剤の発泡によって形成されているので、発泡により成形する過程で複数の貫通孔を形成することができる。すなわち、発泡空孔を形成するための発泡剤とは異なる発泡材であって、当該発泡空孔より大きな空孔を形成するための発泡剤を発泡焼結金属の原料の一部として含有させることにより、互いに連通する発泡空孔とともに、この発泡空孔より大きな複数の貫通孔を形成することができる。したがって、貫通孔を別途加工する必要がないので、製造コストの低減を図ることができる。
【００１７】
請求項４に記載の発明においては、発泡空孔の平均孔径が１〜１５０μｍであり、貫通孔の平均孔径が０．２〜３ｍｍであるので、生成水は孔径のより小さな発泡空孔に吸い寄せられることになり、孔径の大きな貫通孔には水が吸い寄せられることがない。すなわち、貫通孔が単独で存在する場合には、当該貫通孔にも毛管現象によって水が吸い寄せられることになるが、貫通孔の周囲により孔径の小さな発泡空孔が存在することから、当該貫通孔に水が吸い寄せられることがない。したがって、貫通孔は酸化剤ガスを確実に流通させることができるので、酸化剤電極層側への酸化剤ガスの供給および生成水の排出を確実に行うことができる。
【００１８】
なお、貫通孔の平均孔径を０．２〜３ｍｍとしたのは、０．２ｍｍ未満であると、生成水により発泡空孔が部分的に覆われ、酸化剤ガスが酸化剤電極層の表面に有効に供給できなくなるおそれがあるからであり、３ｍｍを超えると、発泡空孔部分が酸化剤電極層の表面に接触する面積が相対的に小さくなって、当該表面から生成水を吸引する量が低下してしまうからである。
【００１９】
請求項５に記載の発明においては、気孔率が４０〜９９容量％であるので、生成水を十分に吸引することができる。しかも、この気孔率によって密度が小さくなっているので、例えばドリルを用いた機械的加工によって、より抵抗少なく容易に貫通孔を形成することができるとともに、発泡空孔が貫通孔において閉塞された状態になるのを防止することができる。また、発泡後、焼結前の状態において、例えば針を備えた治具により貫通孔を形成する場合にも、当該貫通孔をより抵抗少なく容易に形成することができるとともに、発泡空孔が貫通孔において閉塞された状態になるのを防止することができる。
なお、上記気孔率は、６０〜９８容量％にすることが、生成水の吸収量の増大を図り、機械的加工を容易にする上で好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
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。
【００２１】
この実施の形態で示す集電板６は、図１に示すように、固体高分子型燃料電池における他方のセパレータ５と空気電極層（酸化剤電極層）３との間に設置されるようになっている。
【００２２】
すなわち、固体高分子型燃料電池は、電解質膜１の一方の面に積層され、水素を有する燃料ガス（この実施の形態の場合はほぼ１００％の水素）が電解質膜１とは反対側の表面２ａに供給される水素電極層（燃料電極層）２と、電解質膜１の他方の面に積層され、酸素を有する酸化剤ガス（この実施の形態の場合は空気）が上記電解質膜１とは反対側の表面３ａに供給される空気電極層（酸化剤電極層）３とを備えている。
【００２３】
水素電極層２側には、当該水素電極層２の表面２ａに積層するように一方のセパレータ４が設置されている。
また、空気電極層３側には、当該空気電極層３の表面３ａに集電板６が積層されているとともに、この集電板６にさらに積層するようにして他方のセパレータ５が設置されている。
【００２４】
集電板６は、図１および図２に示すように、空気電極層３側に開口するとともに互いに連通し、空気電極層３側において発生した生成水を毛管現象で吸引する大きさの複数の発泡空孔６ａを有する発泡焼結金属によって形成されている。そして、集電板６には、空気電極層３に向かう方向に貫通するとともに、発泡空孔６ａが開口し、かつ空気の供給路となる複数の貫通孔６ｂが形成されている。
【００２５】
この集電板６は、四角形の薄板状に形成された発泡焼結金属によって形成されており、貫通孔６ｂは、発泡焼結金属における一方の表面６ｃと、これに平行な他方の表面６ｄとを貫通するように形成されている。
【００２６】
また、この実施の形態で示す発泡空孔６ａは、四方八方に３次元の網目状に連通しており、上述した空気電極層３側の表面６ｃのみでなく、他方のセパレータ５側の表面６ｄ、周縁部の各端面にも開口している。この発泡空孔６ａの平均孔径は、１〜１５０μｍである。
【００２７】
一方、貫通孔６ｂは、機械的加工により形成された図２（ａ）に示すものと、集電板６の成形過程において発泡によって形成された図２（ｂ）に示すものとがある。
【００２８】
機械的加工により形成された貫通孔６ｂは、この実施の形態の場合には先端が尖った複数の針を備えた孔加工用治具（図示せず）を用い、その針を、発泡後、発泡焼結金属として焼結される前の変形がより容易な時に刺し通す加工を行うことによって形成されている。孔加工用治具は、複数の針が基板上に垂直に立設されたもので構成されている。
【００２９】
そして、機械的加工により形成された貫通孔６ｂは、集電板６の表面６ｃ、６ｄに垂直に形成され、その孔径（平均孔径）が０．２〜３ｍｍに形成されている。また、隣接する貫通孔６ｂ間のピッチは、その孔径の１．５〜３倍に形成されている。例えば、孔径が０．２ｍｍの貫通孔６ｂの場合は、０．３〜０．６ｍｍのピッチで形成されている。
なお、機械的加工により形成される貫通孔６ｂは、ドリル等の他の機械的加工によって形成されたものであってもよい。
【００３０】
一方、発泡により形成された貫通孔６ｂは、発泡焼結金属の原料の一部として含有された発泡剤の発泡によって形成されるようになっている。この発泡により形成された貫通孔６ｂも、その平均孔径およびピッチが機械的加工により形成された貫通孔６ｂの孔径およびピッチと同等に形成されている。
【００３１】
また、上記機械的加工および発泡により形成された貫通孔６ｂを除いた集電板６の気孔率は、４０〜９９容量％になっている。気孔率は、発泡空孔６ａの合計容積を貫通孔６ｂを除いた集電板６の容積で割ったものに１００を掛けてパーセントで表示したものである。
【００３２】
そして、機械的加工による貫通孔６ｂを備えた集電板６は、鉄基合金粉末であるステンレス鋼（本実施の形態ではＪＩＳ記号でＳＵＳ３１６Ｌを使用）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１０μｍのものである。
【００３３】
また、発泡による貫通孔６ｂを備えた集電板６は、上記発泡性スラリーの原料に、さらに貫通孔６ｂを形成するための発泡剤としてのペンタンを０．５〜３重量％加えて混合した発泡性スラリーを原料として用いて成形されたものである。
【００３４】
なお、図１等においては、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、通常は電解質膜１等を垂直方向に立てた状態にして使用することになる。
【００３５】
また、集電板６は、図３に示すドクターブレード法を用いた成形装置によって成形されるようになっている。この成形装置は、キャリヤーシート７、ドクターブレード８、発泡性スラリーを投入するホッパ９、恒温・高湿度槽１０、乾燥槽１１、巻き出しリール１２、巻取リール１３、支持ロール１４、１５を備えたもので構成されている。
【００３６】
次に、上記成形装置を用いて機械的加工による貫通孔６ｂを有する集電板６を製造する方法を説明する。まず、上述した発泡性スラリーをホッパ９に投入する。そして、この発泡性スラリーをキャリヤーシート７上にドクターブレード８により薄板状に成形し、恒温・高湿度槽１０において、湿度が７５〜９５％、温度が３０〜４０℃、滞留時間が１０〜２０分の条件の下でスポンジ状に発泡させる。さらに、乾燥槽１１において、温度が５０〜７０℃、滞留時間が５０〜７０分の条件の下で乾燥させてスポンジ状グリーン板（発泡性成形体）１６を製造する。
【００３７】
このスポンジ状グリーン板１６に、図示しない孔加工用治具の複数の針を刺し通すことにより、貫通孔を形成する。
そして、この貫通孔を有するスポンジ状グリーン板１６を、真空中において、５５０〜６５０℃、２５〜３５分の条件の下で、バインダー成分を除去する脱脂を行い、さらに真空中で、１２００〜１３００℃、６０〜１２０分の条件の下で焼結することにより、厚さが０．５ｍｍで、貫通孔６ｂおよび連続した発泡空孔６ａを有し、気孔率が４０〜９９容量％のスポンジ状焼成金属板（発泡体）を製造する。
【００３８】
このスポンジ状焼成金属板を所定の大きさに切断することにより、集電板６が製造される。なお、上記切断は、発泡空孔６ａをそのまま維持した状態で開口させるため、放電加工によって行うことが好ましい。
そして、得られた集電板６は、連通する発泡空孔６ａの毛管作用を確実に発揮させる目的で、室温において、約３〜１０％塩酸水溶液中で７〜１３分間酸洗処理を行う。酸洗処理の代わりに、紫外光やプラズマを照射してもよい。これにより、固体高分子型燃料電池に設置すべき集電板６が完成する。
【００３９】
一方、発泡による貫通孔６ｂを有する集電板６を製造する場合には、上述したペンタンを０．５〜３重量％加えて混合した発泡性スラリーを原料として用い、上述した成形装置等を用いて、上記各条件の下で製造することになる。ただし、孔加工用治具を用いてスポンジ状グリーン板１６に貫通孔６ｂを形成する工程は削除される。この場合、恒温・高湿度槽１０において、上述した条件の下で、ヘキサンが発泡することによって、互いに連通する発泡空孔６ａの原形となる孔が形成されるとともに、ペンタンが発泡することによって、貫通孔６ｂの原形となる孔が形成されることになる。そして、最終的に塩酸水溶液中での酸洗処理により、上記各原形孔が発泡空孔６ａおよび貫通孔６ｂとして形成された集電板６が完成することになる。
【００４０】
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、一方のセパレータ４における溝４ａの一端部に供給された水素が当該溝４ａ内を流れるとともに、当該溝４ａの他端部から流出する。これによって、水素電極層２の表面２ａの全体に水素が供給されることになることから、水素イオンが水素電極層２から電解質膜１を通って空気電極層３側に効率よく移動する。
【００４１】
一方、他方のセパレータ５における溝５ａの一端部に供給された空気は、当該溝５ａ内を通って溝５ａの他端部に流れ、当該他端部から排出される。これによって、空気が集電板６の表面の全体にわたって供給されるとともに、集電板６の複数の貫通孔６ｂを通って、空気電極層３の表面３ａの全体に供給されることになる。また、各貫通孔６ｂに供給された余剰の空気は、溝５ａに戻って、当該溝５ａの他端部から流出することになる。
【００４２】
そして、空気電極層３の表面３ａに供給された空気は、当該多孔質の空気電極層３内を電解質膜１側に移動する。このため、上述した（２）式の電気化学反応によって生成水が生じるとともに、この生成水が空気電極層３の毛管現象によって表面３ａ側に移動することになる。
【００４３】
そうすると、集電板６は、空気電極層３の表面３ａに移動した生成水を発泡空孔６ａを介して毛管作用によって吸引することになる。また、発泡空孔６ａが貫通孔６ｂに開口し、この貫通孔６ｂに空気が流通することから、各発泡空孔６ａによって吸引された生成水が貫通孔６ｂ内を通る空気中に効率よく蒸発して、空気電極層３に供給されることのない余剰の空気とともに集電板６から運び出されることになる。このため、生成水が空気電極層３内や当該空気電極層３の表面３ａに滞留するのを防止することができる。したがって、集電板６の各貫通孔６ｂを介して供給された空気中の酸素を空気電極層３から電解質膜１側に間断なく供給することができるので、高出力で安定した電力を発生させることができる。
【００４４】
また、固体高分子型燃料電池を、その方向を特定せずに使用するような場合、例えば携帯電話やデジタルカメラなど、携帯用のものとして使用した場合でも、生成水を効率よく排出することができる。すなわち、固体高分子型燃料電池の使用環境によっては、空気電極層３の表面３ａが斜め上方を向いたり、水平方向の上方を向いたりすることがあり得るが、このような場合でも、生成水を間断なく排出して、安定した高出力の電力を維持することができる。
【００４５】
さらに、発泡空孔６ａの平均孔径が１〜１５０μｍであり、貫通孔６ｂの平均孔径が０．２〜３ｍｍであるので、生成水は孔径のより小さな発泡空孔６ａに吸い寄せられることになり、孔径の大きな貫通孔６ｂには当該生成水が吸い寄せられることがない。すなわち、貫通孔６ｂが単独で存在する場合には、当該貫通孔６ｂにも毛管現象によって水が吸い寄せられることになるが、この貫通孔６ｂの周囲により孔径の小さな発泡空孔６ａが存在することから、当該貫通孔６ｂに生成水が吸い寄せられることがない。したがって、貫通孔６ｂは空気を確実に流通させることができるので、空気電極層３側への酸素の供給および生成水の排出を確実に行うことができる。
しかも、気孔率が４０〜９９容量％であるので、生成水を十分に吸引することができる。
【００４６】
また、集電板６が発泡焼結金属によって形成され、密度が小さくなっているので、焼結後においても、ドリルを用いた機械的加工により貫通孔６ｂを容易に成形することができる。この際、切削抵抗が小さいので、発泡空孔６ａが貫通孔６ｂにおいて閉塞した状態になるのを防止することができる。特に、集電板６の気孔率が４０〜９９容量％に形成されていて、当該集電板６の密度が小さくなっているので、貫通孔６ｂを容易に形成することができるとともに、発泡空孔６ａが貫通孔６ｂにおいて閉塞されるのを確実に防止することができる。
【００４７】
さらに、複数の針を有する孔加工用治具によって、貫通孔６ｂを形成する場合には、複数の貫通孔６ｂを短時間で容易に形成することができる利点がある。また、この場合も、発泡後の乾燥した状態で貫通孔６ｂの原形となる孔を形成しているので、極めて抵抗力の少ない状態で、その原形孔を形成することができる。したがって、発泡空孔６ａの原形となる孔が貫通孔６ｂの原形となる孔において、閉塞した状態になるのを防止することができるので、焼結後においても、発泡空孔６ａが貫通孔６ｂにおいて閉塞した状態になるのを防止することができる。
【００４８】
一方、発泡により貫通孔６ｂを形成した場合には、発泡工程で貫通孔６ｂを形成することができ、貫通孔６ｂを別途加工する必要がないので、製造コストの低減を図ることができる。
【００４９】
なお、機械的加工による貫通孔６ｂを有する集電板６を製造するために用いた原料粉末は４５〜５５重量％、メチルセルロースは７．５〜１２．５重量％、アルキルベンゼンスルホン酸塩は１．５〜２．５重量％、ヘキサンは１〜２重量％とすることがより好ましい。また、原料粉末は、平均粒径が１０μｍとすることがより好ましい。
【００５０】
一方、発泡による貫通孔６ｂを有する集電板６を製造する場合には、原料粉末を４５〜５５重量％、メチルセルロースを７．５〜１２．５重量％、アルキルベンゼンスルホン酸塩を１．５〜２．５重量％、ヘキサンを１〜２重量％、ペンタンを１〜２重量％とすることがより好ましい。この場合も、原料粉末は、平均粒径が１０μｍとすることが好ましい。
【００５１】
また、集電板６の気孔率は、６０〜９８容量％にすることが、生成水の吸収量の増大を図り、機械的加工による貫通孔６ｂの形成を容易にする上で好ましい。
【００５２】
また、上記実施の形態においては、集電板６の製造に当たって、鉄基合金粉末であるステンレス鋼粉末を原料粉末として用いた例を示したが、この原料粉末としては、耐食性の良い金属およびその合金、例えばニッケル基耐食合金の粉末等を用いたものであってもよい。
【００５３】
一方、集電板６は、図４に示すように、水素電極層２と一方のセパレータ４との間に積層させるようにして設置してもよい。この場合には、水素とともに供給した水を貫通孔６ｂや発泡空孔６ａを介して水素電極層２に供給し、当該多孔質の水素電極層２を適度に湿潤させることができるので、水素イオンを効率よく発生させることができる。したがって、固体高分子型燃料電池の出力の向上を図ることができる。
【００５４】
また、水素や空気を、それぞれセパレータ４、５の溝４ａ、５ａの一端部に供給して他端部から排出するように構成したが、上記各溝４ａ、５ａを削除するとともに、水素や空気を、図５に示すように、集電板６における一方の端面６ｅに供給して、各電極層２、３の表面２ａ、３ａに沿って移動させ、当該一方の端面６ｅとは反対側に位置する他方の端面６ｆから排出するように構成してもよい。
ただし、この場合には、一方の端面６ｅおよび他方の端面６ｆに開口し、かつ各貫通孔６ｂに連通する連通孔（図示せず）あるいは連通溝（図示せず）を設ける必要がある。
【００５５】
そして、上記連通孔としては、水素電極層２側に設ける集電板６の場合には発泡空孔６ａをそのまま用いることが可能であり、空気電極層３側に設ける集電板６の場合には生成水の吸引量が少ない空気電極層３と反対側の部分に位置する発泡空孔６ａをそのまま用いることが可能である。
また、上記連通溝としては、集電板６の表面６ｃ、６ｄの少なくとも一方に設けることになる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】この発明の一実施の形態としての集電板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】同集電板の要部を示す図であって、（ａ）は機械的加工により形成された貫通孔を有するものを示す要部断面図であり、（ｂ）は発泡により形成された貫通孔を有するものを示す要部断面図である。
【図３】同集電板の成形装置を示す説明図である。
【図４】同集電板を用いた他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５】同集電板を用いたさらに他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６】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７】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】
【００５７】
１ 電解質膜
２ 水素電極層（燃料電極層）
２ａ 表面
３ 空気電極層（酸化剤電極層）
３ａ 表面
６ 集電板
６ａ 発泡空孔
６ｂ 貫通孔
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜の両側に積層された燃料電極層と酸化剤電極層のうち、少なくとも酸化剤電極層に積層される固体高分子型燃料電池の集電板に関するものであって、特に携帯電話やデジタルカメラなどの携帯機器用の電池に適した集電板に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の固体高分子型燃料電池としては、例えば図６に示すように、固体高分子の電解質膜１の両側に水素電極層（燃料電極層）２および空気電極層（酸化剤電極層）３が積層され、これらの水素電極層２および空気電極層３のそれぞれの外面に沿って設置されたセパレータ４、５を備えたものを単位セルとし、この単位セルを複数積層させたスタック構造の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。
水素電極層２および空気電極層３は、図７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】
一方のセパレータ４には、図６に示すように、燃料ガス（水素を有する）を水素電極層２の表面全体に供給するための溝４ａが形成されており、他方のセパレータ５には、酸化剤ガス（酸素を有する）を空気電極層３の表面全体に供給するための溝５ａが形成されている。燃料ガスとしては、例えばほぼ１００％の水素が用いられ、酸化剤ガスとしては、例えば空気が用いられる。
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７に示すような化学反応により電気を作ることができる。燃料となる水素（Ｈ2）は、水素電極層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。
【０００５】
水素イオンは、電解質膜１中を空気電極層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、空気電極層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-→Ｈ2Ｏ …（２）
の電気化学反応が生じ、水が生成される（以下、この水を生成水という）。そして、水素電極層２側の電子が例えば外部の負荷を通って空気電極層３側に流れることから、これを電気エネルギとして使うことができる。
上記電気化学反応は、主に電解質膜１と空気電極層３との境界部で発生することになる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、上記固体高分子型燃料電池においては、連続して運転を行うと、上述した生成水が空気電極３の表面に液膜となって覆うことになり、酸素が電解質膜１に供給されにくくなる。このため、起電力が急激に低下するという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、生成水を酸化剤電極層から効率よく取り除くことによって、高出力で安定した電力を発生させることのできる固体高分子型燃料電池の集電板を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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集電板は、電解質膜の一方の面に積層され、水素を有する燃料ガスが上記電解質膜とは反対側の表面に供給される燃料電極層と、上記電解質膜の他方の面に積層され、酸素を有する酸化剤ガスが上記電解質膜とは反対側の表面に供給される酸化剤電極層とのうち、少なくとも上記酸化剤電極層の上記表面に積層される固体高分子型燃料電池の集電板であって、上記酸化剤電極層側に開口するとともに互いに連通し、上記酸化剤電極層側において発生した水を毛管現象で吸引する大きさの複数の発泡空孔を有する発泡焼結金属によって形成されており、上記酸化剤電極層に向かう方向に貫通するとともに、上記発泡空孔が開口し、かつ上記酸化剤ガスの供給路となる複数の貫通孔が形成されていることを特徴としている。
【０００９】
請求項２に記載の固体高分子型燃料電池の集電板は、請求項１に記載の発明において、上記貫通孔は、機械的加工により形成されていることを特徴としている。
【００１０】
請求項３に記載の固体高分子型燃料電池の集電板は、請求項１に記載の発明において、上記貫通孔は、上記発泡焼結金属の原料の一部として含有された発泡剤の発泡により形成されていることを特徴としている。
【００１１】
請求項４に記載の固体高分子型燃料電池の集電板は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、上記発泡空孔の平均孔径が１〜1５０μｍであり、上記貫通孔の平均孔径が０．２〜３ｍｍであることを特徴としている。
【００１２】
請求項５に記載の固体高分子型燃料電池の集電板は、請求項１〜４の何れかに記載の発明において、気孔率が４０〜９９容量％であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１〜５に記載の発明においては、電解質膜と酸化剤電極層との間に生じ、酸化剤電極層の表面に流出した生成水が発泡空孔に吸引されて、集電板の内方に移動するとともに、各貫通孔の位置まで移動する。また、貫通孔には酸化剤ガスが流通することになることから、当該酸化剤ガスが酸化剤電極層に供給されるとともに、余分な酸化剤ガスは貫通孔から排出されることになる。そして、発泡空孔が貫通孔に開口していることから、当該発泡空孔を介して貫通孔まで吸引された生成水が酸化剤ガス中に効率よく蒸発して、当該酸化剤ガスとともに集電板から排出されることになる。このため、生成水が酸化剤電極層内や表面に滞留するのを防止することができる。したがって、各貫通孔を介して供給された酸化剤ガスを酸化剤電極層から電解質膜側に間断なく供給することができるので、高出力で安定した電力を発生させることができる。
【００１４】
また、固体高分子型燃料電池を、その方向を特定せずに使用するような場合、例えば携帯電話やデジタルカメラなど、携帯用のものとして使用した場合でも、生成水を効率よく排出することができる。すなわち、固体高分子型燃料電池の使用環境によっては、酸化剤電極層の表面が斜め上方を向いたり、水平方向の上方を向いたりすることがあり得るが、このような場合でも、生成水を間断なく排出して、安定した高出力の電力を維持することができる。
【００１５】
請求項２に記載の発明においては、機械的加工としての例えばドリルによる切削加工によって、貫通孔を形成することができる。この際、密度の小さな発泡焼結金属によって形成されているので、切削抵抗が少なく、貫通孔を容易に加工することができるとともに、発泡空孔が貫通孔において閉塞されてしまうのを防止することができる。
また、発泡後、発泡焼結金属として焼結される前の、変形がより容易な時に、例えば先端が尖った複数の針を備えた治具を用い、その針を刺し通すことによる機械的加工によっても、貫通孔を形成することができる。この場合も、複数の貫通孔を短時間で容易に形成することができるとともに、発泡空孔が貫通孔において閉塞された状態になるのを防止することができる。
【００１６】
請求項３に記載の発明においては、複数の貫通孔が発泡焼結金属の原料の一部として含有された発泡剤の発泡によって形成されているので、発泡により成形する過程で複数の貫通孔を形成することができる。すなわち、発泡空孔を形成するための発泡剤とは異なる発泡材であって、当該発泡空孔より大きな空孔を形成するための発泡剤を発泡焼結金属の原料の一部として含有させることにより、互いに連通する発泡空孔とともに、この発泡空孔より大きな複数の貫通孔を形成することができる。したがって、貫通孔を別途加工する必要がないので、製造コストの低減を図ることができる。
【００１７】
請求項４に記載の発明においては、発泡空孔の平均孔径が１〜１５０μｍであり、貫通孔の平均孔径が０．２〜３ｍｍであるので、生成水は孔径のより小さな発泡空孔に吸い寄せられることになり、孔径の大きな貫通孔には水が吸い寄せられることがない。すなわち、貫通孔が単独で存在する場合には、当該貫通孔にも毛管現象によって水が吸い寄せられることになるが、貫通孔の周囲により孔径の小さな発泡空孔が存在することから、当該貫通孔に水が吸い寄せられることがない。したがって、貫通孔は酸化剤ガスを確実に流通させることができるので、酸化剤電極層側への酸化剤ガスの供給および生成水の排出を確実に行うことができる。
【００１８】
なお、貫通孔の平均孔径を０．２〜３ｍｍとしたのは、０．２ｍｍ未満であると、生成水により発泡空孔が部分的に覆われ、酸化剤ガスが酸化剤電極層の表面に有効に供給できなくなるおそれがあるからであり、３ｍｍを超えると、発泡空孔部分が酸化剤電極層の表面に接触する面積が相対的に小さくなって、当該表面から生成水を吸引する量が低下してしまうからである。
【００１９】
請求項５に記載の発明においては、気孔率が４０〜９９容量％であるので、生成水を十分に吸引することができる。しかも、この気孔率によって密度が小さくなっているので、例えばドリルを用いた機械的加工によって、より抵抗少なく容易に貫通孔を形成することができるとともに、発泡空孔が貫通孔において閉塞された状態になるのを防止することができる。また、発泡後、焼結前の状態において、例えば針を備えた治具により貫通孔を形成する場合にも、当該貫通孔をより抵抗少なく容易に形成することができるとともに、発泡空孔が貫通孔において閉塞された状態になるのを防止することができる。
なお、上記気孔率は、６０〜９８容量％にすることが、生成水の吸収量の増大を図り、機械的加工を容易にする上で好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
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。
【００２１】
この実施の形態で示す集電板６は、図１に示すように、固体高分子型燃料電池における他方のセパレータ５と空気電極層（酸化剤電極層）３との間に設置されるようになっている。
【００２２】
すなわち、固体高分子型燃料電池は、電解質膜１の一方の面に積層され、水素を有する燃料ガス（この実施の形態の場合はほぼ１００％の水素）が電解質膜１とは反対側の表面２ａに供給される水素電極層（燃料電極層）２と、電解質膜１の他方の面に積層され、酸素を有する酸化剤ガス（この実施の形態の場合は空気）が上記電解質膜１とは反対側の表面３ａに供給される空気電極層（酸化剤電極層）３とを備えている。
【００２３】
水素電極層２側には、当該水素電極層２の表面２ａに積層するように一方のセパレータ４が設置されている。
また、空気電極層３側には、当該空気電極層３の表面３ａに集電板６が積層されているとともに、この集電板６にさらに積層するようにして他方のセパレータ５が設置されている。
【００２４】
集電板６は、図１および図２に示すように、空気電極層３側に開口するとともに互いに連通し、空気電極層３側において発生した生成水を毛管現象で吸引する大きさの複数の発泡空孔６ａを有する発泡焼結金属によって形成されている。そして、集電板６には、空気電極層３に向かう方向に貫通するとともに、発泡空孔６ａが開口し、かつ空気の供給路となる複数の貫通孔６ｂが形成されている。
【００２５】
この集電板６は、四角形の薄板状に形成された発泡焼結金属によって形成されており、貫通孔６ｂは、発泡焼結金属における一方の表面６ｃと、これに平行な他方の表面６ｄとを貫通するように形成されている。
【００２６】
また、この実施の形態で示す発泡空孔６ａは、四方八方に３次元の網目状に連通しており、上述した空気電極層３側の表面６ｃのみでなく、他方のセパレータ５側の表面６ｄ、周縁部の各端面にも開口している。この発泡空孔６ａの平均孔径は、１〜１５０μｍである。
【００２７】
一方、貫通孔６ｂは、機械的加工により形成された図２（ａ）に示すものと、集電板６の成形過程において発泡によって形成された図２（ｂ）に示すものとがある。
【００２８】
機械的加工により形成された貫通孔６ｂは、この実施の形態の場合には先端が尖った複数の針を備えた孔加工用治具（図示せず）を用い、その針を、発泡後、発泡焼結金属として焼結される前の変形がより容易な時に刺し通す加工を行うことによって形成されている。孔加工用治具は、複数の針が基板上に垂直に立設されたもので構成されている。
【００２９】
そして、機械的加工により形成された貫通孔６ｂは、集電板６の表面６ｃ、６ｄに垂直に形成され、その孔径（平均孔径）が０．２〜３ｍｍに形成されている。また、隣接する貫通孔６ｂ間のピッチは、その孔径の１．５〜３倍に形成されている。例えば、孔径が０．２ｍｍの貫通孔６ｂの場合は、０．３〜０．６ｍｍのピッチで形成されている。
なお、機械的加工により形成される貫通孔６ｂは、ドリル等の他の機械的加工によって形成されたものであってもよい。
【００３０】
一方、発泡により形成された貫通孔６ｂは、発泡焼結金属の原料の一部として含有された発泡剤の発泡によって形成されるようになっている。この発泡により形成された貫通孔６ｂも、その平均孔径およびピッチが機械的加工により形成された貫通孔６ｂの孔径およびピッチと同等に形成されている。
【００３１】
また、上記機械的加工および発泡により形成された貫通孔６ｂを除いた集電板６の気孔率は、４０〜９９容量％になっている。気孔率は、発泡空孔６ａの合計容積を貫通孔６ｂを除いた集電板６の容積で割ったものに１００を掛けてパーセントで表示したものである。
【００３２】
そして、機械的加工による貫通孔６ｂを備えた集電板６は、鉄基合金粉末であるステンレス鋼（本実施の形態ではＪＩＳ記号でＳＵＳ３１６Ｌを使用）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１０μｍのものである。
【００３３】
また、発泡による貫通孔６ｂを備えた集電板６は、上記発泡性スラリーの原料に、さらに貫通孔６ｂを形成するための発泡剤としてのペンタンを０．５〜３重量％加えて混合した発泡性スラリーを原料として用いて成形されたものである。
【００３４】
なお、図１等においては、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、通常は電解質膜１等を垂直方向に立てた状態にして使用することになる。
【００３５】
また、集電板６は、図３に示すドクターブレード法を用いた成形装置によって成形されるようになっている。この成形装置は、キャリヤーシート７、ドクターブレード８、発泡性スラリーを投入するホッパ９、恒温・高湿度槽１０、乾燥槽１１、巻き出しリール１２、巻取リール１３、支持ロール１４、１５を備えたもので構成されている。
【００３６】
次に、上記成形装置を用いて機械的加工による貫通孔６ｂを有する集電板６を製造する方法を説明する。まず、上述した発泡性スラリーをホッパ９に投入する。そして、この発泡性スラリーをキャリヤーシート７上にドクターブレード８により薄板状に成形し、恒温・高湿度槽１０において、湿度が７５〜９５％、温度が３０〜４０℃、滞留時間が１０〜２０分の条件の下でスポンジ状に発泡させる。さらに、乾燥槽１１において、温度が５０〜７０℃、滞留時間が５０〜７０分の条件の下で乾燥させてスポンジ状グリーン板（発泡性成形体）１６を製造する。
【００３７】
このスポンジ状グリーン板１６に、図示しない孔加工用治具の複数の針を刺し通すことにより、貫通孔を形成する。
そして、この貫通孔を有するスポンジ状グリーン板１６を、真空中において、５５０〜６５０℃、２５〜３５分の条件の下で、バインダー成分を除去する脱脂を行い、さらに真空中で、１２００〜１３００℃、６０〜１２０分の条件の下で焼結することにより、厚さが０．５ｍｍで、貫通孔６ｂおよび連続した発泡空孔６ａを有し、気孔率が４０〜９９容量％のスポンジ状焼成金属板（発泡体）を製造する。
【００３８】
このスポンジ状焼成金属板を所定の大きさに切断することにより、集電板６が製造される。なお、上記切断は、発泡空孔６ａをそのまま維持した状態で開口させるため、放電加工によって行うことが好ましい。
そして、得られた集電板６は、連通する発泡空孔６ａの毛管作用を確実に発揮させる目的で、室温において、約３〜１０％塩酸水溶液中で７〜１３分間酸洗処理を行う。酸洗処理の代わりに、紫外光やプラズマを照射してもよい。これにより、固体高分子型燃料電池に設置すべき集電板６が完成する。
【００３９】
一方、発泡による貫通孔６ｂを有する集電板６を製造する場合には、上述したペンタンを０．５〜３重量％加えて混合した発泡性スラリーを原料として用い、上述した成形装置等を用いて、上記各条件の下で製造することになる。ただし、孔加工用治具を用いてスポンジ状グリーン板１６に貫通孔６ｂを形成する工程は削除される。この場合、恒温・高湿度槽１０において、上述した条件の下で、ヘキサンが発泡することによって、互いに連通する発泡空孔６ａの原形となる孔が形成されるとともに、ペンタンが発泡することによって、貫通孔６ｂの原形となる孔が形成されることになる。そして、最終的に塩酸水溶液中での酸洗処理により、上記各原形孔が発泡空孔６ａおよび貫通孔６ｂとして形成された集電板６が完成することになる。
【００４０】
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、一方のセパレータ４における溝４ａの一端部に供給された水素が当該溝４ａ内を流れるとともに、当該溝４ａの他端部から流出する。これによって、水素電極層２の表面２ａの全体に水素が供給されることになることから、水素イオンが水素電極層２から電解質膜１を通って空気電極層３側に効率よく移動する。
【００４１】
一方、他方のセパレータ５における溝５ａの一端部に供給された空気は、当該溝５ａ内を通って溝５ａの他端部に流れ、当該他端部から排出される。これによって、空気が集電板６の表面の全体にわたって供給されるとともに、集電板６の複数の貫通孔６ｂを通って、空気電極層３の表面３ａの全体に供給されることになる。また、各貫通孔６ｂに供給された余剰の空気は、溝５ａに戻って、当該溝５ａの他端部から流出することになる。
【００４２】
そして、空気電極層３の表面３ａに供給された空気は、当該多孔質の空気電極層３内を電解質膜１側に移動する。このため、上述した（２）式の電気化学反応によって生成水が生じるとともに、この生成水が空気電極層３の毛管現象によって表面３ａ側に移動することになる。
【００４３】
そうすると、集電板６は、空気電極層３の表面３ａに移動した生成水を発泡空孔６ａを介して毛管作用によって吸引することになる。また、発泡空孔６ａが貫通孔６ｂに開口し、この貫通孔６ｂに空気が流通することから、各発泡空孔６ａによって吸引された生成水が貫通孔６ｂ内を通る空気中に効率よく蒸発して、空気電極層３に供給されることのない余剰の空気とともに集電板６から運び出されることになる。このため、生成水が空気電極層３内や当該空気電極層３の表面３ａに滞留するのを防止することができる。したがって、集電板６の各貫通孔６ｂを介して供給された空気中の酸素を空気電極層３から電解質膜１側に間断なく供給することができるので、高出力で安定した電力を発生させることができる。
【００４４】
また、固体高分子型燃料電池を、その方向を特定せずに使用するような場合、例えば携帯電話やデジタルカメラなど、携帯用のものとして使用した場合でも、生成水を効率よく排出することができる。すなわち、固体高分子型燃料電池の使用環境によっては、空気電極層３の表面３ａが斜め上方を向いたり、水平方向の上方を向いたりすることがあり得るが、このような場合でも、生成水を間断なく排出して、安定した高出力の電力を維持することができる。
【００４５】
さらに、発泡空孔６ａの平均孔径が１〜１５０μｍであり、貫通孔６ｂの平均孔径が０．２〜３ｍｍであるので、生成水は孔径のより小さな発泡空孔６ａに吸い寄せられることになり、孔径の大きな貫通孔６ｂには当該生成水が吸い寄せられることがない。すなわち、貫通孔６ｂが単独で存在する場合には、当該貫通孔６ｂにも毛管現象によって水が吸い寄せられることになるが、この貫通孔６ｂの周囲により孔径の小さな発泡空孔６ａが存在することから、当該貫通孔６ｂに生成水が吸い寄せられることがない。したがって、貫通孔６ｂは空気を確実に流通させることができるので、空気電極層３側への酸素の供給および生成水の排出を確実に行うことができる。
しかも、気孔率が４０〜９９容量％であるので、生成水を十分に吸引することができる。
【００４６】
また、集電板６が発泡焼結金属によって形成され、密度が小さくなっているので、焼結後においても、ドリルを用いた機械的加工により貫通孔６ｂを容易に成形することができる。この際、切削抵抗が小さいので、発泡空孔６ａが貫通孔６ｂにおいて閉塞した状態になるのを防止することができる。特に、集電板６の気孔率が４０〜９９容量％に形成されていて、当該集電板６の密度が小さくなっているので、貫通孔６ｂを容易に形成することができるとともに、発泡空孔６ａが貫通孔６ｂにおいて閉塞されるのを確実に防止することができる。
【００４７】
さらに、複数の針を有する孔加工用治具によって、貫通孔６ｂを形成する場合には、複数の貫通孔６ｂを短時間で容易に形成することができる利点がある。また、この場合も、発泡後の乾燥した状態で貫通孔６ｂの原形となる孔を形成しているので、極めて抵抗力の少ない状態で、その原形孔を形成することができる。したがって、発泡空孔６ａの原形となる孔が貫通孔６ｂの原形となる孔において、閉塞した状態になるのを防止することができるので、焼結後においても、発泡空孔６ａが貫通孔６ｂにおいて閉塞した状態になるのを防止することができる。
【００４８】
一方、発泡により貫通孔６ｂを形成した場合には、発泡工程で貫通孔６ｂを形成することができ、貫通孔６ｂを別途加工する必要がないので、製造コストの低減を図ることができる。
【００４９】
なお、機械的加工による貫通孔６ｂを有する集電板６を製造するために用いた原料粉末は４５〜５５重量％、メチルセルロースは７．５〜１２．５重量％、アルキルベンゼンスルホン酸塩は１．５〜２．５重量％、ヘキサンは１〜２重量％とすることがより好ましい。また、原料粉末は、平均粒径が１０μｍとすることがより好ましい。
【００５０】
一方、発泡による貫通孔６ｂを有する集電板６を製造する場合には、原料粉末を４５〜５５重量％、メチルセルロースを７．５〜１２．５重量％、アルキルベンゼンスルホン酸塩を１．５〜２．５重量％、ヘキサンを１〜２重量％、ペンタンを１〜２重量％とすることがより好ましい。この場合も、原料粉末は、平均粒径が１０μｍとすることが好ましい。
【００５１】
また、集電板６の気孔率は、６０〜９８容量％にすることが、生成水の吸収量の増大を図り、機械的加工による貫通孔６ｂの形成を容易にする上で好ましい。
【００５２】
また、上記実施の形態においては、集電板６の製造に当たって、鉄基合金粉末であるステンレス鋼粉末を原料粉末として用いた例を示したが、この原料粉末としては、耐食性の良い金属およびその合金、例えばニッケル基耐食合金の粉末等を用いたものであってもよい。
【００５３】
一方、集電板６は、図４に示すように、水素電極層２と一方のセパレータ４との間に積層させるようにして設置してもよい。この場合には、水素とともに供給した水を貫通孔６ｂや発泡空孔６ａを介して水素電極層２に供給し、当該多孔質の水素電極層２を適度に湿潤させることができるので、水素イオンを効率よく発生させることができる。したがって、固体高分子型燃料電池の出力の向上を図ることができる。
【００５４】
また、水素や空気を、それぞれセパレータ４、５の溝４ａ、５ａの一端部に供給して他端部から排出するように構成したが、上記各溝４ａ、５ａを削除するとともに、水素や空気を、図５に示すように、集電板６における一方の端面６ｅに供給して、各電極層２、３の表面２ａ、３ａに沿って移動させ、当該一方の端面６ｅとは反対側に位置する他方の端面６ｆから排出するように構成してもよい。
ただし、この場合には、一方の端面６ｅおよび他方の端面６ｆに開口し、かつ各貫通孔６ｂに連通する連通孔（図示せず）あるいは連通溝（図示せず）を設ける必要がある。
【００５５】
そして、上記連通孔としては、水素電極層２側に設ける集電板６の場合には発泡空孔６ａをそのまま用いることが可能であり、空気電極層３側に設ける集電板６の場合には生成水の吸引量が少ない空気電極層３と反対側の部分に位置する発泡空孔６ａをそのまま用いることが可能である。
また、上記連通溝としては、集電板６の表面６ｃ、６ｄの少なくとも一方に設けることになる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】この発明の一実施の形態としての集電板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】同集電板の要部を示す図であって、（ａ）は機械的加工により形成された貫通孔を有するものを示す要部断面図であり、（ｂ）は発泡により形成された貫通孔を有するものを示す要部断面図である。
【図３】同集電板の成形装置を示す説明図である。
【図４】同集電板を用いた他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５】同集電板を用いたさらに他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６】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７】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】
【００５７】
１ 電解質膜
２ 水素電極層（燃料電極層）
２ａ 表面
３ 空気電極層（酸化剤電極層）
３ａ 表面
６ 集電板
６ａ 発泡空孔
６ｂ 貫通孔
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の一方の面に積層され、水素を有する燃料ガスが上記電解質膜とは反対側の表面に供給される燃料電極層と、上記電解質膜の他方の面に積層され、酸素を有する酸化剤ガスが上記電解質膜とは反対側の表面に供給される酸化剤電極層とのうち、少なくとも上記酸化剤電極層の上記表面に積層される固体高分子型燃料電池の集電板であって、
上記酸化剤電極層側に開口するとともに互いに連通し、上記酸化剤電極層側において発生した水を毛管現象で吸引する大きさの複数の発泡空孔を有する発泡焼結金属によって形成されており、
上記酸化剤電極層に向かう方向に貫通するとともに、上記発泡空孔が開口し、かつ上記酸化剤ガスの供給路となる複数の貫通孔が形成されていることを特徴とする固体高分子型燃料電池の集電板。
【請求項２】
上記貫通孔は、機械的加工により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集電板。
【請求項３】
上記貫通孔は、上記発泡焼結金属の原料の一部として含有された発泡剤の発泡により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集電板。
【請求項４】
上記発泡空孔の平均孔径が１〜1５０μｍであり、上記貫通孔の平均孔径が０．２〜３ｍｍであることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の固体高分子型燃料電池の集電板。
【請求項５】
気孔率が４０〜９９容量％であることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の固体高分子型燃料電池の集電板。
【請求項１】
電解質膜の一方の面に積層され、水素を有する燃料ガスが上記電解質膜とは反対側の表面に供給される燃料電極層と、上記電解質膜の他方の面に積層され、酸素を有する酸化剤ガスが上記電解質膜とは反対側の表面に供給される酸化剤電極層とのうち、少なくとも上記酸化剤電極層の上記表面に積層される固体高分子型燃料電池の集電板であって、
上記酸化剤電極層側に開口するとともに互いに連通し、上記酸化剤電極層側において発生した水を毛管現象で吸引する大きさの複数の発泡空孔を有する発泡焼結金属によって形成されており、
上記酸化剤電極層に向かう方向に貫通するとともに、上記発泡空孔が開口し、かつ上記酸化剤ガスの供給路となる複数の貫通孔が形成されていることを特徴とする固体高分子型燃料電池の集電板。
【請求項２】
上記貫通孔は、機械的加工により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集電板。
【請求項３】
上記貫通孔は、上記発泡焼結金属の原料の一部として含有された発泡剤の発泡により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集電板。
【請求項４】
上記発泡空孔の平均孔径が１〜1５０μｍであり、上記貫通孔の平均孔径が０．２〜３ｍｍであることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の固体高分子型燃料電池の集電板。
【請求項５】
気孔率が４０〜９９容量％であることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の固体高分子型燃料電池の集電板。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００７−３１７６７３（Ｐ２００７−３１７６７３Ａ）
【公開日】平成１９年１２月６日（２００７．１２．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２０１７５１（Ｐ２００７−２０１７５１）
【出願日】平成１９年８月２日（２００７．８．２）
【分割の表示】特願２００２−２１５７０８（Ｐ２００２−２１５７０８）の分割
【原出願日】平成１４年７月２４日（２００２．７．２４）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１２月６日（２００７．１２．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月２日（２００７．８．２）
【分割の表示】特願２００２−２１５７０８（Ｐ２００２−２１５７０８）の分割
【原出願日】平成１４年７月２４日（２００２．７．２４）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
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