燃料電池用金属多孔体
【課題】
平坦部を形成してガスケットと一体化するか、分離板及びガスケットと一体化することにより、ハンドリング及び作業性に優れ、正確で精密な積層が可能で、セル性能の安定性、気密性、及び生産性を向上できる燃料電池用金属多孔体を提供する。
【解決手段】
本発明による燃料電池用金属多孔体は、膜電極接合体の反応領域に接合する反応領域部分が多孔体構造で形成され、反応領域に該当する多孔体部分を除いた残りの外周縁部分が平らな面構造の平坦部であることを特徴とする。このような本発明の燃料電池用金属多孔体は、外周縁部分に沿って平らな面構造の平坦部が形成されるため、鋭い切断面をなくして膜電極接合体の損傷を防止し、ガスケットを成形して一体化を可能にする。
平坦部を形成してガスケットと一体化するか、分離板及びガスケットと一体化することにより、ハンドリング及び作業性に優れ、正確で精密な積層が可能で、セル性能の安定性、気密性、及び生産性を向上できる燃料電池用金属多孔体を提供する。
【解決手段】
本発明による燃料電池用金属多孔体は、膜電極接合体の反応領域に接合する反応領域部分が多孔体構造で形成され、反応領域に該当する多孔体部分を除いた残りの外周縁部分が平らな面構造の平坦部であることを特徴とする。このような本発明の燃料電池用金属多孔体は、外周縁部分に沿って平らな面構造の平坦部が形成されるため、鋭い切断面をなくして膜電極接合体の損傷を防止し、ガスケットを成形して一体化を可能にする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用金属多孔体に係り、より詳しくは、ハンドリング及び作業性に優れ、正確で精密な積層が可能で、燃料電池スタックの生産性を向上できる燃料電池用金属多孔体に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料が持っている化学エネルギーを燃焼により熱に変えず、燃料電池スタック内で電気化学的な反応により電気エネルギーに変換させる一種の発電装置であり、産業用、家庭用、及び車両駆動用電力を供給し、それだけでなく小型の電気／電子製品、特に携帯用装置の電力供給にも適用される。
【０００３】
このような燃料電池としては、車両を駆動させるための電力供給源として最も多く研究されている高分子電解質膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）が挙げられるが、これは、水素イオンが移動する電解質膜を中心に、膜の両側に電気化学反応が起こる触媒電極層が設けられた膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）、反応気体を均一に分布させ、発生した電気エネルギーを伝達する気体拡散層（ＧＤＬ：Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ）、反応気体及び冷却水の気密性と適正の締結圧を維持するためのガスケット及び締結機構、また反応気体及び冷却水を移動させる分離板（Ｂｉｐｏｌａｒ Ｐｌａｔｅ）を含んで構成される。
【０００４】
この中、気体拡散層は、燃料電池の高分子電解質膜の表面に酸化極及び還元極のために塗布された触媒層の外表面に接着され、反応気体の水素及び空気（酸素）の供給、電気化学反応により生成された電子の移動、反応生成水の排出により燃料電池セル（Ｃｅｌｌ）内のフラッディング（Ｆｌｏｏｄｉｎｇ）を最小化するなど、様々な機能を行う。
【０００５】
最近、燃料電池用気体拡散層として炭素繊維（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ）の代わりに網状の構造を有する薄い金属板、すなわちエキスパンドメタル（Ｅｘｐａｎｄｅｄ Ｍｅｔａｌ）及び金属メッシュ（Ｍｅｔａｌ Ｍｅｓｈ）などの多孔体構造物を適用する研究が国内外で盛んに進められている。（特許文献１）
【０００６】
図１は、燃料電池用気体拡散層に用いられる金属多孔体としてエキスパンドメタル（図１の（ａ））と金属メッシュ（図１の（ｂ））を示しており、エキスパンドメタル１は金属板を金型内でプレス（Ｐｒｅｓｓｉｎｇ）またはロール（Ｒｏｌｌｉｎｇ）加工して矩形孔１ａを形成した多孔体板の例であり、金属メッシュ２は複数の金属ワイヤー２ａを網状に交差して固定した多孔体板の例である。
【０００７】
このような金属多孔体は、規則的な多孔体構造を有するため、セル内で使用する時、均一な性能を発揮でき、セル間のバラツキも減少させる利点がある。また、反応気体の拡散性に優れ、水の排出が容易であるため、セルの性能を向上させる。
【０００８】
上記のような金属多孔体１，２を気体拡散層に用いる場合、通常と同様に、膜電極接合体、分離板、ガスケットなどのセルの構成部品と共に積層して燃料電池スタックを完成する。
【０００９】
従来、図１に示す金属多孔体１，２を分離板内の反応領域（膜電極接合体の反応活性領域）の大きさに合わせて切断し、分離板上に単に載置するように組み立てたが、この時、金属多孔体１，２は、セルのどの構成品とも一体化されていない独立部品として存在する。
【００１０】
しかし、金属多孔体を使用すると、素材の特性上、切断後に外周縁部分が非常に鋭くなるため、既存の独立部品の金属多孔体を適用する場合、セルの積層時、鋭い外郭形状によりハンドリング（Ｈａｎｄｌｉｎｇ）及び作業性に問題が生じる。
【００１１】
さらに、セルの積層により接触するようになる膜電極接合体（ＭＥＡ）にピンホールなどの損傷をもたらし、燃料電池スタックの性能を低下させるなどの問題を引き起こす。
【００１２】
また、周辺の部品と一体化されていない独立部品として提供されるため、セルの積層時に配列が不規則になるなど、正確で精密な積層が困難であり、空気吸入法などの自動組立（積層）方式を適用することも不可能であるため、スタックの生産性を低下させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２０１０−４０１６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は前記のような点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、ハンドリング及び作業性に優れた燃料電池用金属多孔体を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、正確で精密な積層及び自動組立方式の適用が可能で、スタックの生産性を向上させる燃料電池用金属多孔体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
このような目的を達成するための本発明の燃料電池用金属多孔体は、金属多孔体で構成されるセルが積層されてなる燃料電池において、膜電極接合体の反応領域に接合する反応領域部分が多孔体構造で形成され、前記反応領域に該当する多孔体部分を除いた残りの外周縁部分が平らな面構造の平坦部であることを特徴とする。
【００１６】
好ましい実施例では、前記平坦部において、前記多孔体部分の周辺にガスケットが一体に成形され、ガスケットと一体に接合されることを特徴とする。
【００１７】
また、両端に位置する平坦部に、分離板の水素、空気、冷却水用マニホールドホールと一致する位置及び大きさをもって、水素、空気、冷却水が通過するマニホールドホールが形成され、前記平坦部の各マニホールドホールが、セルの積層後、分離板のマニホールドホールと共に水素、空気、冷却水用入口マニホールドと出口マニホールドを構成することを特徴とする。
【００１８】
また、前記平坦部において、各マニホールドホールの周辺にガスケットが一体に成形され、マニホールドホールの周辺のガスケットと一体に接合されることを特徴とする。
【００１９】
また、前記ガスケットは、金属多孔体の平坦部の両面上に成形して接合されるか、前記平坦部を外郭を含んで両面を囲むように成形して接合されることを特徴とする。
【００２０】
また、分離板に積層された状態で、前記ガスケットが前記平坦部と共に前記分離板の外周縁部分を囲むように成形され、前記ガスケットにより分離板がさらに一体化した構造を有することを特徴とする。
【００２１】
また、前記平坦部において、ガスケットが成形される位置に沿って貫通孔が形成され、前記貫通孔に充填（Ｉｎｓｅｒｔ）されたガスケットの樹脂により、平坦部の両面に成形されたガスケットと強固に一体化した構造を有することを特徴とする。
【００２２】
また、前記平坦部において、ガスケットが成形される位置に沿って貫通孔が形成され、前記平坦部の貫通孔と一致する分離板の位置に貫通孔が形成され、前記分離板に積層された状態で、前記ガスケットが、貫通孔が形成された部分を含んで平坦部と共に分離板の外周縁部分を囲むように成形され、前記貫通孔によりガスケット及び分離板と強固に一体化した構造を有することを特徴とする。
【００２３】
また、前記反応領域に該当する多孔体部分がエキスパンドメタルまたは金属メッシュであることを特徴とする。
【００２４】
また、前記反応領域に該当する多孔体部分がエキスパンドメタルである場合、前記多孔体部分にだけホールが形成されたエキスパンドメタルとして製作され、ホールが形成されていない外周縁部分の金属板部分は、ホールが形成された多孔体部分に一体化した前記平坦部になることを特徴とする。
【００２５】
また、前記反応領域に該当する多孔体部分が金属メッシュである場合、金属メッシュの外周縁部分を薄い金属膜で囲むか、四角枠状の金属部材の開口部の内側溝に金属メッシュの外周縁を係合して組み立てることにより、前記金属膜または金属部材が平坦部になり、前記金属メッシュが多孔体部分になることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明による燃料電池用金属多孔体は、外周縁部分に沿って平らな面構造の平坦部が形成された構造であるため、ハンドリング及び作業性に優れた利点がある。
【００２７】
また、本発明による平坦部を有する金属多孔体は、鋭い切断面がないため、気体拡散層として用いる場合、膜電極接合体にピンホールなどの損傷をもたらすことを防止し、その結果、スタック性能の低下を防止する。
【００２８】
また、本発明による金属多孔体によれば、スタックを組み立てる時、正確で精密に積層し、自動組立方式が適用可能なため、スタックの生産性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】燃料電池用スタックセル構成部品に用いられる金属多孔体としてエキスパンドメタル（ａ）と金属メッシュ（ｂ）の例を示す図面である。
【図２】本発明による平坦部を有する金属多孔体を示す平面図である。
【図３】本発明によるガスケット一体型金属多孔体の実施例を示す平面図である。
【図４】本発明によるガスケット一体型金属多孔体の他の実施例を示す平面図である。
【図５】本発明でガスケットとの一体性を向上させた金属多孔体の実施例を説明するための図面である。
【図６】本発明でガスケットとの一体性を向上させた金属多孔体の実施例を説明するための図面である。
【図７】本発明による貫通孔を用いたガスケット一体型金属多孔体の更に他の実施例を示す平面図である。
【図８】本発明によるガスケット一体型金属多孔体と分離板、膜電極接合体の積層状態を示す図面である。
【図９】本発明によるガスケット一体型金属多孔体と分離板、膜電極接合体の積層状態を示す図面である。
【図１０】本発明によるガスケット一体型金属多孔体と分離板、膜電極接合体の積層状態を示す図面である。
【図１１】本発明によるガスケット一体型金属多孔体と分離板、膜電極接合体の積層状態を示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、添付した図面を参照し本発明の実施例に対して本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が容易に実施するように詳細に説明する。
【００３１】
本発明は、燃料電池スタックのセル構成部品における気体拡散層として用いられる燃料電池用金属多孔体に関し、特に、金属多孔体の外周縁部分に沿って平らな面構造の平坦部が形成された構造を有することを主な特徴とする。
【００３２】
図２は、本発明による平坦部を有する金属多孔体を示す平面図であって、（ａ）は金属多孔体のエキスパンドメタルを用いた例を示し、（ｂ）は他の形態の金属多孔体の金属メッシュを用いた例を示している。
【００３３】
また、図２に、平坦部を有する金属多孔体の横断面図（「Ａ−Ａ」断面図、「Ｂ−Ｂ」断面図）を示した。
【００３４】
図２に示すように、本発明による燃料電池用金属多孔体１０は、既存のエキスパンドメタルと金属メッシュにおいて、燃料電池内（分離板内）の反応領域（Ａｃｔｉｖｅ Ａｒｅａ）（膜電極接合体の触媒層に接合される反応活性領域）に該当する部分を従来と同様に多孔体部分１１で形成し、これを除いた残りの部分、すなわち外周縁部分を平らな面構造を有する平坦部１２で形成する。
【００３５】
この時、素材に複数のホールを形成して製作するエキスパンドメタルの場合は、図２の（ａ）に示すように、外周縁部分にホールを加工せずに平坦部１２が形成される。例えば、素材の金属板を金型内でプレス（Ｐｒｅｓｓｉｎｇ）またはロール（Ｒｏｌｌｉｎｇ）加工して複数の矩形孔を形成するが、平坦部に該当する所定の外周縁部分を除き、その内側領域だけ多孔体構造にしてホールを形成する。
【００３６】
この場合、ホールが形成されない外周縁部分の金属板は平坦部１２になり、ホールが形成される内側領域は燃料電池（分離板）内の反応領域に該当する多孔体部分１１になる。
【００３７】
一方、金属メッシュの場合は、素材そのものが複数のワイヤーを交差配置して固定した多孔体板であるため、エキスパンドメタルのように素材を用いて外周縁部分に一体型の平坦部を形成することは困難であり、平坦部１２を形成するための別途の部材を組み合わせて製作する。
【００３８】
すなわち、図２の（ｂ）に示すように、燃料電池用金属多孔体１０の中央に金属メッシュ（多孔体部分）１１を張って四角枠状の金属部材（平坦部）１２を製作し、「Ｂ−Ｂ」断面図に示すように、前記金属部材１２において、矩形開口部の内側溝に金属メッシュ１１の外周縁を係合して金属部材１２の矩形開口部に金属メッシュ１１が位置するように一体型に組み立てることにより、外周縁部分に平坦部１２を有する金属メッシュ型の多孔体１０を製作することができる。
【００３９】
この場合、金属メッシュの外周縁に沿って配置される四角枠状の金属部材１２が平坦部になり、金属メッシュ１１が反応領域に該当する多孔体部分になる。
【００４０】
また、金属メッシュの外周縁部分に沿って前記平坦部１２に該当する領域に金属膜を被せて平坦部を形成してもよい。
【００４１】
好ましい実施例では、上記のような金属多孔体１０は、分離板の全体大きさとほぼ同様の大きさで製作され、セルの積層時、分離板及び膜電極接合体（ＭＥＡ）に組み立てられるが、金属多孔体１０の両端の平坦部１２には水素と空気、冷却水が通過するマニホールドホール１３が形成される。
【００４２】
前記マニホールドホール１３は、分離板の水素、空気、冷却水が通過するマニホールドホールと一致する位置及び大きさで形成され、これによって、金属多孔体１０の両端の各マニホールドホール１３が、セルの積層後、分離板のマニホールドホールと共に、水素、空気、冷却水を各単位セル（分離板の各流路）に供給したり、単位セルから排出したりする燃料電池スタックの入口マニホールド及び出口マニホールドになる。
【００４３】
結局、上記のように製作された金属多孔体１０は、外周縁部分に沿って平坦部１２を有するため、前記平坦部１２にガスケットを一体に成形でき、これによって、ガスケット一体型金属多孔体を製造することが可能になる。
【００４４】
図３は、本発明によるガスケット一体型金属多孔体の実施例を示す平面図であって、（ａ）はエキスパンドメタルを用いたガスケット一体型金属多孔体１０を、（ｂ）は金属メッシュを用いたガスケット一体型金属多孔体１０を示している。
【００４５】
前記ガスケット一体型金属多孔体１０は、図２のように製作された金属多孔体１０（平坦部と多孔体部分が一体化されたもの）を射出金型内に固定した後、ガスケットの素材であるゴム樹脂を平坦部１２の表面のガスケット２０の位置に沿って射出成形して製作する。
【００４６】
このように金属多孔体１０の平坦部１２にガスケット２０を射出して一体に接合するに当たって、金属多孔体１０の平坦部の両面にガスケットを射出成形して接合する。
【００４７】
図３を参照すると、ガスケット２０を反応領域に該当する多孔体部分１１と各マニホールドホール１３の周辺の全体周縁に沿って射出成形して金属多孔体１０と一体に接合した構造が示されている。
【００４８】
従来、金属多孔体（平坦部のない構造）にガスケットを射出して一体化することが不可能であったが、本発明では図３に示すように、金属多孔体１０の外周縁部分に平坦部１２が形成されるため、この平坦部１２上にガスケット２０を射出成形してガスケット一体型の金属多孔体１０を製作することができる。
【００４９】
結局、本発明によるガスケット一体型の金属多孔体１０を製作して使用することにより、単位セルを積層して燃料電池スタックを組み立てるときの生産性を向上できる利点がある。
【００５０】
また、従来の金属多孔体は外周縁部分が鋭いが、本発明による金属多孔体１０は、基本的に外周縁部分に沿って平坦部１２が形成されるため、セルの積層時、取り扱い性及び作業性に優れ、膜電極接合体の損傷も最小化でき、セル性能の均一性及び安全性が向上する。
【００５１】
図４は、本発明によるガスケット一体型金属多孔体の他の実施例を示す平面図であって、（ａ）はエキスパンドメタルを用いたガスケット一体型金属多孔体１０を、（ｂ）は金属メッシュを用いたガスケット一体型金属多孔体１０を示している。
図４の実施例は、金属多孔体１０において、反応領域の多孔体部分１１と、セルの積層後、スタックの入口・出口マニホールドを形成する各マニホールドホール１３を除いた平坦部（図２の図面符号「１２」）を、その外郭と共に両面全体をガスケット２０が囲むようにして一体化した実施例である。
【００５２】
図４に示すように、金属多孔体１０の両面に、平坦部を囲むようにガスケット２０を射出成形することができ、多孔体部分１１及び各マニホールドホール１３の周辺の平坦部の領域にガスケットの素材であるゴム樹脂を射出して多孔体部分１１及び各マニホールドホール１３の周辺の平坦部がガスケット２０と一体化されたガスケット−金属多孔体の接合体を製作する。
【００５３】
このように平坦部にガスケット２０を接合したガスケット一体型金属多孔体１０は、空気吸入法などの自動積層方式を適用したスタック組立設備の使用を可能にする。
【００５４】
一方、図５と図６は、図３のような金属多孔体とガスケットの一体性を向上させた実施例を説明するための図面であって、図５は、ガスケットを接合する前の状態を、図６は、ガスケットを一体に接合した状態をそれぞれ示す。また、図５と図６で、（ａ）は金属多孔体としてエキスパンドメタルを用いた実施例を、（ｂ）は金属多孔体として金属メッシュを用いた実施例を示す。
【００５５】
図５と図６に示すように、金属多孔体１０の平坦部１２において、ガスケット２０が射出される位置に沿って貫通孔１４を形成した後、この貫通孔１４が埋め立てられるように平坦部１２にガスケット２０を射出成形するが、射出時にゴム樹脂が貫通孔１４内に充填（ｉｎｓｅｒｔ）されるため、金属多孔体１０の平坦部１２にガスケット２０が強固に固定される。
【００５６】
特に、金属多孔体１０の両面において、それぞれの平坦部１２の貫通孔１４の位置に沿ってガスケット２０が射出成形されるため、金属多孔体１０の両面のガスケット２０が貫通孔１４を介して連結して一体化され、強固に固定されることになる。
【００５７】
前記貫通孔１４は、平坦部１２におけるガスケット２０が接合される位置、すなわち反応領域の多孔体部分１１及び各マニホールドホール１３の周辺に所定間隔で複数形成される。本発明の実施例では円形の貫通孔１４が示されているが、貫通孔の形状は三角形、四角形など様々な形状にしてもよく、貫通孔の個数、大きさ、間隔なども金属多孔体の大きさに応じて変えてもよい。本発明では、貫通孔の形状や個数、大きさ、間隔などに対しては特に限定しない。
【００５８】
また、ガスケット２０の形状及び大きさも金属多孔体１０の大きさなどを考慮して多様に選択適用してもよく、多孔体部分１１と各マニホールドホール１３の気密性を維持できる構造であれば、本発明で特に限定しない。
【００５９】
図７は、本発明による貫通孔を用いたガスケット一体型金属多孔体の更に他の実施例を示す平面図であって、図６のように貫通孔（図６の図面符号「１４」）を形成した後、金属多孔体１０の平坦部（図６の図面符号「１２」）をガスケット２０により囲むように一体化した実施例を示している。
【００６０】
図７に示すように、金属多孔体１０の両面に、平坦部を囲むようにガスケット２０を射出成形することができ、多孔体部分１１及び各マニホールドホール１３の周辺の平坦部の領域にガスケットの素材であるゴム樹脂を射出して多孔体部分１１及び各マニホールドホール１３の周辺の平坦部がガスケットにより一体化されたガスケット−金属多孔体の接合体を製作することができる。
【００６１】
一方、図８から図１１は、本発明によるガスケット一体型金属多孔体１０、分離板３０、膜電極接合体４０の積層状態を示す図面であって、本発明の金属多孔体１０は、ガスケット２０と一体に接合して積層してもよく（図８及び図１０参照）、金属多孔体１０、ガスケット２０、分離板３０を一体に接合して積層してもよい（図９及び図１１参照）。
【００６２】
このように本発明は、ガスケット一体型金属多孔体１０と、分離板３０がさらに一体化された金属多孔体１０、すなわちガスケット２０及び分離板３０が一体型である金属多孔体１０を含み、これらを膜電極接合体４０と共に繰り返し積層してスタックを構成する。
【００６３】
図８と図９は、平面型金属分離板を、図１０と図１１は、流路型金属分離板をそれぞれ示しており、図２の「Ａ−Ａ」、「Ｂ−Ｂ」線と同一方向から見たときの積層構造の断面図を示す。
【００６４】
各図面で（ａ）はガスケット２０が一体に接合された金属多孔体１０の使用例を、（ｂ）はガスケット２０と共に分離板３０が一体化された金属多孔体１０の使用例を示す。
【００６５】
図８の（ａ）は、図５に示すように、金属多孔体１０の平坦部１２に貫通孔１４を形成し、図６に示すように、ガスケット２０を射出して貫通孔１４によりガスケット２０と金属多孔体１０を強固に一体化したガスケット−金属多孔体の接合体を用いた例を示す。
【００６６】
ここで、ガスケット２０と一体化された金属多孔体１０としてエキスパンドメタルまたは金属メッシュが用いられ、図面ではガスケット２０が貫通孔の位置に沿って射出された図６のガスケット一体型金属多孔体１０が積層されているが、このような図６のガスケット一体型金属多孔体の代わりに、貫通孔１４を含んで平坦部を囲むようにガスケット２０を射出成形した図７のガスケット一体型金属多孔体１０が用いられてもよい。
【００６７】
積層状態は、図８の（ａ）に示すように、膜電極接合体４０の両側にガスケット一体型金属多孔体１０が積層され、ガスケット一体型金属多孔体１０の外側に分離板３０が積層された構造である。
【００６８】
すなわち、分離板３０、ガスケット一体型金属多孔体１０、膜電極接合体４０、ガスケット一体型金属多孔体１０、分離板３０の順で繰り返し積層され、この時、金属多孔体１０に一体に接合されたガスケット２０が、分離板３０と膜電極接合体４０の高分子電解質膜４１に接合された状態で気密性を維持することになる。
【００６９】
図９の（ａ）は、貫通孔を形成せずに一体化したガスケット−金属多孔体の接合体を用いた例、すなわち図３のガスケット−金属多孔体の接合体を用いた例を示している。
【００７０】
ここで、ガスケット一体型金属多孔体１０は、図３に示すように、反応領域（膜電極接合体の反応活性領域）の多孔体部分１１と各マニホールドホール（図９には図示せず、図３の図面符号「１３」）の周縁に沿ってガスケット２０を射出成形して製造したものであるが、このようなガスケット一体型金属多孔体１０の代わりに平坦部１２を囲むようにガスケット（図７の図面符号「２０」）を射出成形して製造したガスケット一体型金属多孔体を用いてもよい（図７の実施例で貫通孔を省略した構造）。
【００７１】
これは、燃料電池スタックを組み立てる時、分離板３０、ガスケット一体型金属多孔体１０、膜電極接合体４０、ガスケット一体型金属多孔体１０、分離板３０の順で繰り返し積層されることが図８の（ａ）と同様である。
【００７２】
反面、図８の（ｂ）は、分離板３０の外周縁部分に、金属多孔体１０の貫通孔１４と一致する別途の貫通孔３１を形成した後、積層された状態の金属多孔体１０と分離板３０における貫通孔の位置にガスケット２０を射出成形することで、ガスケット２０により金属多孔体１０と分離板３０が一体に接合されたガスケット−分離板−金属多孔体の接合体を使用した例を示す。
【００７３】
図面に示すように、金属多孔体１０が分離板３０に積層された状態で、貫通孔１４，３１の位置を含む金属多孔体１０の平坦部１２と分離板３０の外周縁部分にガスケット２０を射出成形し、両面に射出されたガスケット２０が貫通孔１４，３１により連結されることにより、分離板３０をさらに一体化して製作することができる。
【００７４】
この場合、燃料電池スタックを組み立てる時、膜電極接合体４０を挟んで膜電極接合体の両側にガスケット２０−分離板３０−金属多孔体１０の接合体が配置されるように積層するが、スタックが組み立てられた状態で全体的に膜電極接合体４０の両側に金属多孔体１０が、金属多孔体１０の外側に分離板３０が配置される積層構造となる。
【００７５】
すなわち、分離板３０、金属多孔体１０、膜電極接合体４０、金属多孔体１０、分離板３０の順で繰り返し積層される。
【００７６】
図８の（ｂ）には、ガスケット２０が貫通孔１４，３１の位置に沿って射出されたガスケット−分離板−金属多孔体接合体が示されているが、このようなガスケット−分離板−金属多孔体接合体の代わりに、貫通孔と共に金属多孔体の平坦部及び分離板の外周縁部分を囲むようにガスケットを射出成形した図７のガスケット−分離板−金属多孔体接合体を用いてもよい（図９の（ｂ）で貫通孔を追加した構造）。
【００７７】
次に、図９の（ｂ）は、貫通孔を形成せずに一体化したガスケット２０−分離板３０−金属多孔体１０の接合体を示した例である。
【００７８】
ここで、ガスケット２０−分離板３０−金属多孔体１０の接合体は、ガスケット２０により分離板３０と金属多孔体１０を一体化するために、金属多孔体１０の平坦部１２及び分離板３０の外周縁部分を共に囲むようにガスケット２０を射出成形して一体化したものである。
【００７９】
この場合、図９の（ａ）に示すように、燃料電池スタックを組み立てる時、膜電極接合体４０を挟んで膜電極接合体の両側にガスケット２０−分離板３０−金属多孔体１０の接合体が配置されるように積層するが、スタックが組み立てられた状態で全体的に膜電極接合体４０の両側に金属多孔体１０が、金属多孔体１０の外側に分離板３０が配置される積層構造となる。
【００８０】
すなわち、分離板３０、金属多孔体１０、膜電極接合体４０、金属多孔体１０、分離板３０の順で繰り返し積層される。
【００８１】
図８と図９の（ｂ）に示すように、金属多孔体と一体化された分離板を用いる場合、分離板のマニホールドホールの周辺に沿ってガスケットが一体に成形される。
【００８２】
一方、図１０と図１１は、図８と図９の平板型金属分離板の代わりに流路型金属分離板を用いたが、図８と図９の平板型金属分離板を用いた場合の一体化接合構造及び積層構造とほぼ同様である。
【００８３】
すなわち、図１０及び図１１の（ａ）に示すガスケット２０と金属多孔体１０の一体化接合構造、及びガスケット２０−金属多孔体１０の接合体と膜電極接合体４０、分離板３０の積層順序が、図８及び図９の（ａ）とほぼ同様であり、図１０及び図１１の（ｂ）に示すガスケット２０と分離板３０、金属多孔体１０の一体化接合構造、及びガスケット２０−分離板３０−金属多孔体１０の接合体と膜電極接合体４０の積層順序が図８及び図９の（ｂ）とほぼ同様である。
【００８４】
図１０は、貫通孔１４，３１を形成して一体化した構造、図１１は、貫通孔を形成せずに一体化した構造である。
【００８５】
以上、本発明の実施例に対して詳細に説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲で定義する本発明の基本概念を用いた様々な変形及び改良形態も本発明の権利範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明は、ハンドリング及び作業性に優れ、正確で精密な積層が可能で、燃料電池スタックの生産性を向上できる燃料電池用金属多孔体に関する分野に適用可能である。
【符号の説明】
【００８７】
１０ 金属多孔体
１１ 多孔体部分（反応領域）
１２ 平坦部
１４ 貫通孔
２０ ガスケット
３０ 分離板
３１ 貫通孔
４０ 膜電極接合体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用金属多孔体に係り、より詳しくは、ハンドリング及び作業性に優れ、正確で精密な積層が可能で、燃料電池スタックの生産性を向上できる燃料電池用金属多孔体に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料が持っている化学エネルギーを燃焼により熱に変えず、燃料電池スタック内で電気化学的な反応により電気エネルギーに変換させる一種の発電装置であり、産業用、家庭用、及び車両駆動用電力を供給し、それだけでなく小型の電気／電子製品、特に携帯用装置の電力供給にも適用される。
【０００３】
このような燃料電池としては、車両を駆動させるための電力供給源として最も多く研究されている高分子電解質膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）が挙げられるが、これは、水素イオンが移動する電解質膜を中心に、膜の両側に電気化学反応が起こる触媒電極層が設けられた膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）、反応気体を均一に分布させ、発生した電気エネルギーを伝達する気体拡散層（ＧＤＬ：Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ）、反応気体及び冷却水の気密性と適正の締結圧を維持するためのガスケット及び締結機構、また反応気体及び冷却水を移動させる分離板（Ｂｉｐｏｌａｒ Ｐｌａｔｅ）を含んで構成される。
【０００４】
この中、気体拡散層は、燃料電池の高分子電解質膜の表面に酸化極及び還元極のために塗布された触媒層の外表面に接着され、反応気体の水素及び空気（酸素）の供給、電気化学反応により生成された電子の移動、反応生成水の排出により燃料電池セル（Ｃｅｌｌ）内のフラッディング（Ｆｌｏｏｄｉｎｇ）を最小化するなど、様々な機能を行う。
【０００５】
最近、燃料電池用気体拡散層として炭素繊維（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ）の代わりに網状の構造を有する薄い金属板、すなわちエキスパンドメタル（Ｅｘｐａｎｄｅｄ Ｍｅｔａｌ）及び金属メッシュ（Ｍｅｔａｌ Ｍｅｓｈ）などの多孔体構造物を適用する研究が国内外で盛んに進められている。（特許文献１）
【０００６】
図１は、燃料電池用気体拡散層に用いられる金属多孔体としてエキスパンドメタル（図１の（ａ））と金属メッシュ（図１の（ｂ））を示しており、エキスパンドメタル１は金属板を金型内でプレス（Ｐｒｅｓｓｉｎｇ）またはロール（Ｒｏｌｌｉｎｇ）加工して矩形孔１ａを形成した多孔体板の例であり、金属メッシュ２は複数の金属ワイヤー２ａを網状に交差して固定した多孔体板の例である。
【０００７】
このような金属多孔体は、規則的な多孔体構造を有するため、セル内で使用する時、均一な性能を発揮でき、セル間のバラツキも減少させる利点がある。また、反応気体の拡散性に優れ、水の排出が容易であるため、セルの性能を向上させる。
【０００８】
上記のような金属多孔体１，２を気体拡散層に用いる場合、通常と同様に、膜電極接合体、分離板、ガスケットなどのセルの構成部品と共に積層して燃料電池スタックを完成する。
【０００９】
従来、図１に示す金属多孔体１，２を分離板内の反応領域（膜電極接合体の反応活性領域）の大きさに合わせて切断し、分離板上に単に載置するように組み立てたが、この時、金属多孔体１，２は、セルのどの構成品とも一体化されていない独立部品として存在する。
【００１０】
しかし、金属多孔体を使用すると、素材の特性上、切断後に外周縁部分が非常に鋭くなるため、既存の独立部品の金属多孔体を適用する場合、セルの積層時、鋭い外郭形状によりハンドリング（Ｈａｎｄｌｉｎｇ）及び作業性に問題が生じる。
【００１１】
さらに、セルの積層により接触するようになる膜電極接合体（ＭＥＡ）にピンホールなどの損傷をもたらし、燃料電池スタックの性能を低下させるなどの問題を引き起こす。
【００１２】
また、周辺の部品と一体化されていない独立部品として提供されるため、セルの積層時に配列が不規則になるなど、正確で精密な積層が困難であり、空気吸入法などの自動組立（積層）方式を適用することも不可能であるため、スタックの生産性を低下させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２０１０−４０１６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は前記のような点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、ハンドリング及び作業性に優れた燃料電池用金属多孔体を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、正確で精密な積層及び自動組立方式の適用が可能で、スタックの生産性を向上させる燃料電池用金属多孔体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
このような目的を達成するための本発明の燃料電池用金属多孔体は、金属多孔体で構成されるセルが積層されてなる燃料電池において、膜電極接合体の反応領域に接合する反応領域部分が多孔体構造で形成され、前記反応領域に該当する多孔体部分を除いた残りの外周縁部分が平らな面構造の平坦部であることを特徴とする。
【００１６】
好ましい実施例では、前記平坦部において、前記多孔体部分の周辺にガスケットが一体に成形され、ガスケットと一体に接合されることを特徴とする。
【００１７】
また、両端に位置する平坦部に、分離板の水素、空気、冷却水用マニホールドホールと一致する位置及び大きさをもって、水素、空気、冷却水が通過するマニホールドホールが形成され、前記平坦部の各マニホールドホールが、セルの積層後、分離板のマニホールドホールと共に水素、空気、冷却水用入口マニホールドと出口マニホールドを構成することを特徴とする。
【００１８】
また、前記平坦部において、各マニホールドホールの周辺にガスケットが一体に成形され、マニホールドホールの周辺のガスケットと一体に接合されることを特徴とする。
【００１９】
また、前記ガスケットは、金属多孔体の平坦部の両面上に成形して接合されるか、前記平坦部を外郭を含んで両面を囲むように成形して接合されることを特徴とする。
【００２０】
また、分離板に積層された状態で、前記ガスケットが前記平坦部と共に前記分離板の外周縁部分を囲むように成形され、前記ガスケットにより分離板がさらに一体化した構造を有することを特徴とする。
【００２１】
また、前記平坦部において、ガスケットが成形される位置に沿って貫通孔が形成され、前記貫通孔に充填（Ｉｎｓｅｒｔ）されたガスケットの樹脂により、平坦部の両面に成形されたガスケットと強固に一体化した構造を有することを特徴とする。
【００２２】
また、前記平坦部において、ガスケットが成形される位置に沿って貫通孔が形成され、前記平坦部の貫通孔と一致する分離板の位置に貫通孔が形成され、前記分離板に積層された状態で、前記ガスケットが、貫通孔が形成された部分を含んで平坦部と共に分離板の外周縁部分を囲むように成形され、前記貫通孔によりガスケット及び分離板と強固に一体化した構造を有することを特徴とする。
【００２３】
また、前記反応領域に該当する多孔体部分がエキスパンドメタルまたは金属メッシュであることを特徴とする。
【００２４】
また、前記反応領域に該当する多孔体部分がエキスパンドメタルである場合、前記多孔体部分にだけホールが形成されたエキスパンドメタルとして製作され、ホールが形成されていない外周縁部分の金属板部分は、ホールが形成された多孔体部分に一体化した前記平坦部になることを特徴とする。
【００２５】
また、前記反応領域に該当する多孔体部分が金属メッシュである場合、金属メッシュの外周縁部分を薄い金属膜で囲むか、四角枠状の金属部材の開口部の内側溝に金属メッシュの外周縁を係合して組み立てることにより、前記金属膜または金属部材が平坦部になり、前記金属メッシュが多孔体部分になることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明による燃料電池用金属多孔体は、外周縁部分に沿って平らな面構造の平坦部が形成された構造であるため、ハンドリング及び作業性に優れた利点がある。
【００２７】
また、本発明による平坦部を有する金属多孔体は、鋭い切断面がないため、気体拡散層として用いる場合、膜電極接合体にピンホールなどの損傷をもたらすことを防止し、その結果、スタック性能の低下を防止する。
【００２８】
また、本発明による金属多孔体によれば、スタックを組み立てる時、正確で精密に積層し、自動組立方式が適用可能なため、スタックの生産性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】燃料電池用スタックセル構成部品に用いられる金属多孔体としてエキスパンドメタル（ａ）と金属メッシュ（ｂ）の例を示す図面である。
【図２】本発明による平坦部を有する金属多孔体を示す平面図である。
【図３】本発明によるガスケット一体型金属多孔体の実施例を示す平面図である。
【図４】本発明によるガスケット一体型金属多孔体の他の実施例を示す平面図である。
【図５】本発明でガスケットとの一体性を向上させた金属多孔体の実施例を説明するための図面である。
【図６】本発明でガスケットとの一体性を向上させた金属多孔体の実施例を説明するための図面である。
【図７】本発明による貫通孔を用いたガスケット一体型金属多孔体の更に他の実施例を示す平面図である。
【図８】本発明によるガスケット一体型金属多孔体と分離板、膜電極接合体の積層状態を示す図面である。
【図９】本発明によるガスケット一体型金属多孔体と分離板、膜電極接合体の積層状態を示す図面である。
【図１０】本発明によるガスケット一体型金属多孔体と分離板、膜電極接合体の積層状態を示す図面である。
【図１１】本発明によるガスケット一体型金属多孔体と分離板、膜電極接合体の積層状態を示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、添付した図面を参照し本発明の実施例に対して本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が容易に実施するように詳細に説明する。
【００３１】
本発明は、燃料電池スタックのセル構成部品における気体拡散層として用いられる燃料電池用金属多孔体に関し、特に、金属多孔体の外周縁部分に沿って平らな面構造の平坦部が形成された構造を有することを主な特徴とする。
【００３２】
図２は、本発明による平坦部を有する金属多孔体を示す平面図であって、（ａ）は金属多孔体のエキスパンドメタルを用いた例を示し、（ｂ）は他の形態の金属多孔体の金属メッシュを用いた例を示している。
【００３３】
また、図２に、平坦部を有する金属多孔体の横断面図（「Ａ−Ａ」断面図、「Ｂ−Ｂ」断面図）を示した。
【００３４】
図２に示すように、本発明による燃料電池用金属多孔体１０は、既存のエキスパンドメタルと金属メッシュにおいて、燃料電池内（分離板内）の反応領域（Ａｃｔｉｖｅ Ａｒｅａ）（膜電極接合体の触媒層に接合される反応活性領域）に該当する部分を従来と同様に多孔体部分１１で形成し、これを除いた残りの部分、すなわち外周縁部分を平らな面構造を有する平坦部１２で形成する。
【００３５】
この時、素材に複数のホールを形成して製作するエキスパンドメタルの場合は、図２の（ａ）に示すように、外周縁部分にホールを加工せずに平坦部１２が形成される。例えば、素材の金属板を金型内でプレス（Ｐｒｅｓｓｉｎｇ）またはロール（Ｒｏｌｌｉｎｇ）加工して複数の矩形孔を形成するが、平坦部に該当する所定の外周縁部分を除き、その内側領域だけ多孔体構造にしてホールを形成する。
【００３６】
この場合、ホールが形成されない外周縁部分の金属板は平坦部１２になり、ホールが形成される内側領域は燃料電池（分離板）内の反応領域に該当する多孔体部分１１になる。
【００３７】
一方、金属メッシュの場合は、素材そのものが複数のワイヤーを交差配置して固定した多孔体板であるため、エキスパンドメタルのように素材を用いて外周縁部分に一体型の平坦部を形成することは困難であり、平坦部１２を形成するための別途の部材を組み合わせて製作する。
【００３８】
すなわち、図２の（ｂ）に示すように、燃料電池用金属多孔体１０の中央に金属メッシュ（多孔体部分）１１を張って四角枠状の金属部材（平坦部）１２を製作し、「Ｂ−Ｂ」断面図に示すように、前記金属部材１２において、矩形開口部の内側溝に金属メッシュ１１の外周縁を係合して金属部材１２の矩形開口部に金属メッシュ１１が位置するように一体型に組み立てることにより、外周縁部分に平坦部１２を有する金属メッシュ型の多孔体１０を製作することができる。
【００３９】
この場合、金属メッシュの外周縁に沿って配置される四角枠状の金属部材１２が平坦部になり、金属メッシュ１１が反応領域に該当する多孔体部分になる。
【００４０】
また、金属メッシュの外周縁部分に沿って前記平坦部１２に該当する領域に金属膜を被せて平坦部を形成してもよい。
【００４１】
好ましい実施例では、上記のような金属多孔体１０は、分離板の全体大きさとほぼ同様の大きさで製作され、セルの積層時、分離板及び膜電極接合体（ＭＥＡ）に組み立てられるが、金属多孔体１０の両端の平坦部１２には水素と空気、冷却水が通過するマニホールドホール１３が形成される。
【００４２】
前記マニホールドホール１３は、分離板の水素、空気、冷却水が通過するマニホールドホールと一致する位置及び大きさで形成され、これによって、金属多孔体１０の両端の各マニホールドホール１３が、セルの積層後、分離板のマニホールドホールと共に、水素、空気、冷却水を各単位セル（分離板の各流路）に供給したり、単位セルから排出したりする燃料電池スタックの入口マニホールド及び出口マニホールドになる。
【００４３】
結局、上記のように製作された金属多孔体１０は、外周縁部分に沿って平坦部１２を有するため、前記平坦部１２にガスケットを一体に成形でき、これによって、ガスケット一体型金属多孔体を製造することが可能になる。
【００４４】
図３は、本発明によるガスケット一体型金属多孔体の実施例を示す平面図であって、（ａ）はエキスパンドメタルを用いたガスケット一体型金属多孔体１０を、（ｂ）は金属メッシュを用いたガスケット一体型金属多孔体１０を示している。
【００４５】
前記ガスケット一体型金属多孔体１０は、図２のように製作された金属多孔体１０（平坦部と多孔体部分が一体化されたもの）を射出金型内に固定した後、ガスケットの素材であるゴム樹脂を平坦部１２の表面のガスケット２０の位置に沿って射出成形して製作する。
【００４６】
このように金属多孔体１０の平坦部１２にガスケット２０を射出して一体に接合するに当たって、金属多孔体１０の平坦部の両面にガスケットを射出成形して接合する。
【００４７】
図３を参照すると、ガスケット２０を反応領域に該当する多孔体部分１１と各マニホールドホール１３の周辺の全体周縁に沿って射出成形して金属多孔体１０と一体に接合した構造が示されている。
【００４８】
従来、金属多孔体（平坦部のない構造）にガスケットを射出して一体化することが不可能であったが、本発明では図３に示すように、金属多孔体１０の外周縁部分に平坦部１２が形成されるため、この平坦部１２上にガスケット２０を射出成形してガスケット一体型の金属多孔体１０を製作することができる。
【００４９】
結局、本発明によるガスケット一体型の金属多孔体１０を製作して使用することにより、単位セルを積層して燃料電池スタックを組み立てるときの生産性を向上できる利点がある。
【００５０】
また、従来の金属多孔体は外周縁部分が鋭いが、本発明による金属多孔体１０は、基本的に外周縁部分に沿って平坦部１２が形成されるため、セルの積層時、取り扱い性及び作業性に優れ、膜電極接合体の損傷も最小化でき、セル性能の均一性及び安全性が向上する。
【００５１】
図４は、本発明によるガスケット一体型金属多孔体の他の実施例を示す平面図であって、（ａ）はエキスパンドメタルを用いたガスケット一体型金属多孔体１０を、（ｂ）は金属メッシュを用いたガスケット一体型金属多孔体１０を示している。
図４の実施例は、金属多孔体１０において、反応領域の多孔体部分１１と、セルの積層後、スタックの入口・出口マニホールドを形成する各マニホールドホール１３を除いた平坦部（図２の図面符号「１２」）を、その外郭と共に両面全体をガスケット２０が囲むようにして一体化した実施例である。
【００５２】
図４に示すように、金属多孔体１０の両面に、平坦部を囲むようにガスケット２０を射出成形することができ、多孔体部分１１及び各マニホールドホール１３の周辺の平坦部の領域にガスケットの素材であるゴム樹脂を射出して多孔体部分１１及び各マニホールドホール１３の周辺の平坦部がガスケット２０と一体化されたガスケット−金属多孔体の接合体を製作する。
【００５３】
このように平坦部にガスケット２０を接合したガスケット一体型金属多孔体１０は、空気吸入法などの自動積層方式を適用したスタック組立設備の使用を可能にする。
【００５４】
一方、図５と図６は、図３のような金属多孔体とガスケットの一体性を向上させた実施例を説明するための図面であって、図５は、ガスケットを接合する前の状態を、図６は、ガスケットを一体に接合した状態をそれぞれ示す。また、図５と図６で、（ａ）は金属多孔体としてエキスパンドメタルを用いた実施例を、（ｂ）は金属多孔体として金属メッシュを用いた実施例を示す。
【００５５】
図５と図６に示すように、金属多孔体１０の平坦部１２において、ガスケット２０が射出される位置に沿って貫通孔１４を形成した後、この貫通孔１４が埋め立てられるように平坦部１２にガスケット２０を射出成形するが、射出時にゴム樹脂が貫通孔１４内に充填（ｉｎｓｅｒｔ）されるため、金属多孔体１０の平坦部１２にガスケット２０が強固に固定される。
【００５６】
特に、金属多孔体１０の両面において、それぞれの平坦部１２の貫通孔１４の位置に沿ってガスケット２０が射出成形されるため、金属多孔体１０の両面のガスケット２０が貫通孔１４を介して連結して一体化され、強固に固定されることになる。
【００５７】
前記貫通孔１４は、平坦部１２におけるガスケット２０が接合される位置、すなわち反応領域の多孔体部分１１及び各マニホールドホール１３の周辺に所定間隔で複数形成される。本発明の実施例では円形の貫通孔１４が示されているが、貫通孔の形状は三角形、四角形など様々な形状にしてもよく、貫通孔の個数、大きさ、間隔なども金属多孔体の大きさに応じて変えてもよい。本発明では、貫通孔の形状や個数、大きさ、間隔などに対しては特に限定しない。
【００５８】
また、ガスケット２０の形状及び大きさも金属多孔体１０の大きさなどを考慮して多様に選択適用してもよく、多孔体部分１１と各マニホールドホール１３の気密性を維持できる構造であれば、本発明で特に限定しない。
【００５９】
図７は、本発明による貫通孔を用いたガスケット一体型金属多孔体の更に他の実施例を示す平面図であって、図６のように貫通孔（図６の図面符号「１４」）を形成した後、金属多孔体１０の平坦部（図６の図面符号「１２」）をガスケット２０により囲むように一体化した実施例を示している。
【００６０】
図７に示すように、金属多孔体１０の両面に、平坦部を囲むようにガスケット２０を射出成形することができ、多孔体部分１１及び各マニホールドホール１３の周辺の平坦部の領域にガスケットの素材であるゴム樹脂を射出して多孔体部分１１及び各マニホールドホール１３の周辺の平坦部がガスケットにより一体化されたガスケット−金属多孔体の接合体を製作することができる。
【００６１】
一方、図８から図１１は、本発明によるガスケット一体型金属多孔体１０、分離板３０、膜電極接合体４０の積層状態を示す図面であって、本発明の金属多孔体１０は、ガスケット２０と一体に接合して積層してもよく（図８及び図１０参照）、金属多孔体１０、ガスケット２０、分離板３０を一体に接合して積層してもよい（図９及び図１１参照）。
【００６２】
このように本発明は、ガスケット一体型金属多孔体１０と、分離板３０がさらに一体化された金属多孔体１０、すなわちガスケット２０及び分離板３０が一体型である金属多孔体１０を含み、これらを膜電極接合体４０と共に繰り返し積層してスタックを構成する。
【００６３】
図８と図９は、平面型金属分離板を、図１０と図１１は、流路型金属分離板をそれぞれ示しており、図２の「Ａ−Ａ」、「Ｂ−Ｂ」線と同一方向から見たときの積層構造の断面図を示す。
【００６４】
各図面で（ａ）はガスケット２０が一体に接合された金属多孔体１０の使用例を、（ｂ）はガスケット２０と共に分離板３０が一体化された金属多孔体１０の使用例を示す。
【００６５】
図８の（ａ）は、図５に示すように、金属多孔体１０の平坦部１２に貫通孔１４を形成し、図６に示すように、ガスケット２０を射出して貫通孔１４によりガスケット２０と金属多孔体１０を強固に一体化したガスケット−金属多孔体の接合体を用いた例を示す。
【００６６】
ここで、ガスケット２０と一体化された金属多孔体１０としてエキスパンドメタルまたは金属メッシュが用いられ、図面ではガスケット２０が貫通孔の位置に沿って射出された図６のガスケット一体型金属多孔体１０が積層されているが、このような図６のガスケット一体型金属多孔体の代わりに、貫通孔１４を含んで平坦部を囲むようにガスケット２０を射出成形した図７のガスケット一体型金属多孔体１０が用いられてもよい。
【００６７】
積層状態は、図８の（ａ）に示すように、膜電極接合体４０の両側にガスケット一体型金属多孔体１０が積層され、ガスケット一体型金属多孔体１０の外側に分離板３０が積層された構造である。
【００６８】
すなわち、分離板３０、ガスケット一体型金属多孔体１０、膜電極接合体４０、ガスケット一体型金属多孔体１０、分離板３０の順で繰り返し積層され、この時、金属多孔体１０に一体に接合されたガスケット２０が、分離板３０と膜電極接合体４０の高分子電解質膜４１に接合された状態で気密性を維持することになる。
【００６９】
図９の（ａ）は、貫通孔を形成せずに一体化したガスケット−金属多孔体の接合体を用いた例、すなわち図３のガスケット−金属多孔体の接合体を用いた例を示している。
【００７０】
ここで、ガスケット一体型金属多孔体１０は、図３に示すように、反応領域（膜電極接合体の反応活性領域）の多孔体部分１１と各マニホールドホール（図９には図示せず、図３の図面符号「１３」）の周縁に沿ってガスケット２０を射出成形して製造したものであるが、このようなガスケット一体型金属多孔体１０の代わりに平坦部１２を囲むようにガスケット（図７の図面符号「２０」）を射出成形して製造したガスケット一体型金属多孔体を用いてもよい（図７の実施例で貫通孔を省略した構造）。
【００７１】
これは、燃料電池スタックを組み立てる時、分離板３０、ガスケット一体型金属多孔体１０、膜電極接合体４０、ガスケット一体型金属多孔体１０、分離板３０の順で繰り返し積層されることが図８の（ａ）と同様である。
【００７２】
反面、図８の（ｂ）は、分離板３０の外周縁部分に、金属多孔体１０の貫通孔１４と一致する別途の貫通孔３１を形成した後、積層された状態の金属多孔体１０と分離板３０における貫通孔の位置にガスケット２０を射出成形することで、ガスケット２０により金属多孔体１０と分離板３０が一体に接合されたガスケット−分離板−金属多孔体の接合体を使用した例を示す。
【００７３】
図面に示すように、金属多孔体１０が分離板３０に積層された状態で、貫通孔１４，３１の位置を含む金属多孔体１０の平坦部１２と分離板３０の外周縁部分にガスケット２０を射出成形し、両面に射出されたガスケット２０が貫通孔１４，３１により連結されることにより、分離板３０をさらに一体化して製作することができる。
【００７４】
この場合、燃料電池スタックを組み立てる時、膜電極接合体４０を挟んで膜電極接合体の両側にガスケット２０−分離板３０−金属多孔体１０の接合体が配置されるように積層するが、スタックが組み立てられた状態で全体的に膜電極接合体４０の両側に金属多孔体１０が、金属多孔体１０の外側に分離板３０が配置される積層構造となる。
【００７５】
すなわち、分離板３０、金属多孔体１０、膜電極接合体４０、金属多孔体１０、分離板３０の順で繰り返し積層される。
【００７６】
図８の（ｂ）には、ガスケット２０が貫通孔１４，３１の位置に沿って射出されたガスケット−分離板−金属多孔体接合体が示されているが、このようなガスケット−分離板−金属多孔体接合体の代わりに、貫通孔と共に金属多孔体の平坦部及び分離板の外周縁部分を囲むようにガスケットを射出成形した図７のガスケット−分離板−金属多孔体接合体を用いてもよい（図９の（ｂ）で貫通孔を追加した構造）。
【００７７】
次に、図９の（ｂ）は、貫通孔を形成せずに一体化したガスケット２０−分離板３０−金属多孔体１０の接合体を示した例である。
【００７８】
ここで、ガスケット２０−分離板３０−金属多孔体１０の接合体は、ガスケット２０により分離板３０と金属多孔体１０を一体化するために、金属多孔体１０の平坦部１２及び分離板３０の外周縁部分を共に囲むようにガスケット２０を射出成形して一体化したものである。
【００７９】
この場合、図９の（ａ）に示すように、燃料電池スタックを組み立てる時、膜電極接合体４０を挟んで膜電極接合体の両側にガスケット２０−分離板３０−金属多孔体１０の接合体が配置されるように積層するが、スタックが組み立てられた状態で全体的に膜電極接合体４０の両側に金属多孔体１０が、金属多孔体１０の外側に分離板３０が配置される積層構造となる。
【００８０】
すなわち、分離板３０、金属多孔体１０、膜電極接合体４０、金属多孔体１０、分離板３０の順で繰り返し積層される。
【００８１】
図８と図９の（ｂ）に示すように、金属多孔体と一体化された分離板を用いる場合、分離板のマニホールドホールの周辺に沿ってガスケットが一体に成形される。
【００８２】
一方、図１０と図１１は、図８と図９の平板型金属分離板の代わりに流路型金属分離板を用いたが、図８と図９の平板型金属分離板を用いた場合の一体化接合構造及び積層構造とほぼ同様である。
【００８３】
すなわち、図１０及び図１１の（ａ）に示すガスケット２０と金属多孔体１０の一体化接合構造、及びガスケット２０−金属多孔体１０の接合体と膜電極接合体４０、分離板３０の積層順序が、図８及び図９の（ａ）とほぼ同様であり、図１０及び図１１の（ｂ）に示すガスケット２０と分離板３０、金属多孔体１０の一体化接合構造、及びガスケット２０−分離板３０−金属多孔体１０の接合体と膜電極接合体４０の積層順序が図８及び図９の（ｂ）とほぼ同様である。
【００８４】
図１０は、貫通孔１４，３１を形成して一体化した構造、図１１は、貫通孔を形成せずに一体化した構造である。
【００８５】
以上、本発明の実施例に対して詳細に説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲で定義する本発明の基本概念を用いた様々な変形及び改良形態も本発明の権利範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明は、ハンドリング及び作業性に優れ、正確で精密な積層が可能で、燃料電池スタックの生産性を向上できる燃料電池用金属多孔体に関する分野に適用可能である。
【符号の説明】
【００８７】
１０ 金属多孔体
１１ 多孔体部分（反応領域）
１２ 平坦部
１４ 貫通孔
２０ ガスケット
３０ 分離板
３１ 貫通孔
４０ 膜電極接合体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属多孔体で構成されるセルが積層されてなる燃料電池において、
膜電極接合体の反応領域に接合する反応領域部分が多孔体構造で形成され、前記反応領域に該当する多孔体部分を除いた残りの外周縁部分が平らな面構造の平坦部であることを特徴とする燃料電池用金属多孔体。
【請求項２】
前記平坦部において、前記多孔体部分の周辺にガスケットが一体に成形され、ガスケットと一体に接合されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属多孔体。
【請求項３】
両端に位置する平坦部に、分離板の水素、空気、冷却水用マニホールドホールと一致する位置及び大きさをもって、水素、空気、冷却水が通過するマニホールドホールが形成され、前記平坦部の各マニホールドホールが、セルの積層後、分離板のマニホールドホールと共に水素、空気、冷却水用入口マニホールドと出口マニホールドを構成することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属多孔体。
【請求項４】
前記平坦部において、各マニホールドホールの周辺にガスケットが一体に成形され、マニホールドホールの周辺のガスケットと一体に接合されることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池用金属多孔体。
【請求項５】
前記ガスケットは、金属多孔体の平坦部の両面上に成形して接合されるか、前記平坦部の外郭を含んで平坦部の両面を囲むように成形して接合されることを特徴とする請求項２または４に記載の燃料電池用金属多孔体。
【請求項６】
分離板に積層された状態で、前記ガスケットが前記平坦部と共に前記分離板の外周縁部分を囲むように成形され、前記ガスケットにより分離板がさらに一体化した構造を有することを特徴とする請求項２または４に記載の燃料電池用金属多孔体。
【請求項７】
前記分離板と一体化された構造において、分離板のマニホールドホールの周辺に沿ってガスケットが成形されて接合されることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池用金属多孔体。
【請求項８】
前記平坦部において、ガスケットが成形される位置に沿って貫通孔が形成され、前記貫通孔に充填（Ｉｎｓｅｒｔ）されたガスケットの樹脂により平坦部の両面に成形されたガスケットと強固に一体化した構造を有することを特徴とする請求項２または４に記載の燃料電池用金属多孔体。
【請求項９】
前記平坦部において、ガスケットが成形される位置に沿って貫通孔が形成され、
前記平坦部の貫通孔と一致する分離板の位置に貫通孔が形成され、
前記分離板に積層された状態で、前記ガスケットが、貫通孔が形成された部分を含んで平坦部と共に分離板の外周縁部分を囲むように成形され、前記貫通孔によりガスケット及び分離板と強固に一体化した構造を有することを特徴とする請求項２または４に記載の燃料電池用金属多孔体。
【請求項１０】
前記反応領域に該当する多孔体部分がエキスパンドメタルまたは金属メッシュであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属多孔体。
【請求項１１】
前記反応領域に該当する多孔体部分がエキスパンドメタルである場合、前記多孔体部分にだけホールが形成されたエキスパンドメタルとして製作され、ホールが形成されていない外周縁部分の金属板部分は、ホールが形成された多孔体部分に一体化した前記平坦部になることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池用金属多孔体。
【請求項１２】
前記反応領域に該当する多孔体部分が金属メッシュである場合、金属メッシュの外周縁部分を薄い金属膜で囲むか、四角枠状の金属部材の開口部の内側溝に金属メッシュの外周縁を係合して組み立てることにより、前記金属膜または金属部材が平坦部になり、前記金属メッシュが多孔体部分になることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属多孔体。
【請求項１】
金属多孔体で構成されるセルが積層されてなる燃料電池において、
膜電極接合体の反応領域に接合する反応領域部分が多孔体構造で形成され、前記反応領域に該当する多孔体部分を除いた残りの外周縁部分が平らな面構造の平坦部であることを特徴とする燃料電池用金属多孔体。
【請求項２】
前記平坦部において、前記多孔体部分の周辺にガスケットが一体に成形され、ガスケットと一体に接合されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属多孔体。
【請求項３】
両端に位置する平坦部に、分離板の水素、空気、冷却水用マニホールドホールと一致する位置及び大きさをもって、水素、空気、冷却水が通過するマニホールドホールが形成され、前記平坦部の各マニホールドホールが、セルの積層後、分離板のマニホールドホールと共に水素、空気、冷却水用入口マニホールドと出口マニホールドを構成することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属多孔体。
【請求項４】
前記平坦部において、各マニホールドホールの周辺にガスケットが一体に成形され、マニホールドホールの周辺のガスケットと一体に接合されることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池用金属多孔体。
【請求項５】
前記ガスケットは、金属多孔体の平坦部の両面上に成形して接合されるか、前記平坦部の外郭を含んで平坦部の両面を囲むように成形して接合されることを特徴とする請求項２または４に記載の燃料電池用金属多孔体。
【請求項６】
分離板に積層された状態で、前記ガスケットが前記平坦部と共に前記分離板の外周縁部分を囲むように成形され、前記ガスケットにより分離板がさらに一体化した構造を有することを特徴とする請求項２または４に記載の燃料電池用金属多孔体。
【請求項７】
前記分離板と一体化された構造において、分離板のマニホールドホールの周辺に沿ってガスケットが成形されて接合されることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池用金属多孔体。
【請求項８】
前記平坦部において、ガスケットが成形される位置に沿って貫通孔が形成され、前記貫通孔に充填（Ｉｎｓｅｒｔ）されたガスケットの樹脂により平坦部の両面に成形されたガスケットと強固に一体化した構造を有することを特徴とする請求項２または４に記載の燃料電池用金属多孔体。
【請求項９】
前記平坦部において、ガスケットが成形される位置に沿って貫通孔が形成され、
前記平坦部の貫通孔と一致する分離板の位置に貫通孔が形成され、
前記分離板に積層された状態で、前記ガスケットが、貫通孔が形成された部分を含んで平坦部と共に分離板の外周縁部分を囲むように成形され、前記貫通孔によりガスケット及び分離板と強固に一体化した構造を有することを特徴とする請求項２または４に記載の燃料電池用金属多孔体。
【請求項１０】
前記反応領域に該当する多孔体部分がエキスパンドメタルまたは金属メッシュであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属多孔体。
【請求項１１】
前記反応領域に該当する多孔体部分がエキスパンドメタルである場合、前記多孔体部分にだけホールが形成されたエキスパンドメタルとして製作され、ホールが形成されていない外周縁部分の金属板部分は、ホールが形成された多孔体部分に一体化した前記平坦部になることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池用金属多孔体。
【請求項１２】
前記反応領域に該当する多孔体部分が金属メッシュである場合、金属メッシュの外周縁部分を薄い金属膜で囲むか、四角枠状の金属部材の開口部の内側溝に金属メッシュの外周縁を係合して組み立てることにより、前記金属膜または金属部材が平坦部になり、前記金属メッシュが多孔体部分になることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属多孔体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−１０４４７５（Ｐ２０１２−１０４４７５Ａ）
【公開日】平成２４年５月３１日（２０１２．５．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２１５３８（Ｐ２０１１−２２１５３８）
【出願日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【出願人】（５９１２５１６３６）現代自動車株式会社 (1,064)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月３１日（２０１２．５．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【出願人】（５９１２５１６３６）現代自動車株式会社 (1,064)
【Ｆターム（参考）】
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