JP2001076745A

JP2001076745A - 高分子電解質型燃料電池セル

Info

Publication number: JP2001076745A
Application number: JP25137399A
Authority: JP
Inventors: Kazuyuki Inoue; 和之井上
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1999-09-06
Filing date: 1999-09-06
Publication date: 2001-03-23

Abstract

(57)【要約】【課題】高分子電解質膜の改良により電池のエネルギ
ー効率および電流密度の高い高分子電解質型燃料電池セ
ルを提供すること。【解決手段】燃料極と空気極との間に介設される高分
子電解質層に、絶縁性のある粒子状のスペーサ部材を配
合している。スペーサ部材はＳｉＯ_２などの保湿性を有
する多孔質なセラミックス材料であって、５〜２５ｗｔ
％程度配合されている。電解質層の厚さは、１０〜５０
μｍと薄くすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高分子電解質型燃
料電池セルに関し、さらに詳しくは、この種の燃料電池
セルにおいて燃料極と空気極との間に介設される高分子
電解質膜の改良技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の高分子電解質型燃料電池
は、電解質として固体高分子電解質膜（以下、単に「電
解質膜」という）が用いられ、出力密度が高いこと、構
造が単純であること、作動温度が比較的低いこと、静粛
性があること、等の特徴を有していることから、宇宙開
発用あるいは軍用の電源として用いられている。また、
この燃料電池に水素ガスを燃料ガスとして用いた場合に
は、本質的には窒素酸化物および炭酸ガスを排出しない
ことから、近年では、自動車用の低公害動力源としても
注目されているものである。

【０００３】図５に、この高分子電解質型燃料電池の基
本構造の一例を示す。図５において、高分子電解質型燃
料電池の発電単位となる電池セル３０は、電解質膜３２
の一方の面に燃料極３４が接合され、他方の面に空気極
（図示されず）が接合される。そして燃料極および空気
極の外側から集電体（セパレータ）３８、３８で挟み、
燃料極１４側には水素ガスなどの燃料ガスの流路４０が
形成され、また空気極側には空気などの酸化剤ガスの流
路４２が形成された構造となっている。

【０００４】この場合に前記電解質膜３２には、一般
に、ナフィオン（登録商標、デュポン社製）の商品名で
知られるパーフルオロスルホン酸膜に代表される、厚さ
５０〜２００μｍのフッ素系電解質膜が用いられてい
る。

【０００５】また、燃料極３４および空気極は、図示は
しないが、それぞれ白金等の電極触媒を担持させたカー
ボン粒子と電解質からなる多孔質の触媒層が電解質膜３
２との接触面側に設けられ、また反対側面にガスが拡散
可能な多孔質材料からなる拡散層が設けられた２層構造
により構成されている。

【０００６】このような構造を有する高分子電解質型燃
料電池の発電メカニズムとしては、電池セル３０の集電
体３８，３８間に負荷を接続した状態で、燃料極１４側
に改質ガス等の水素を含む燃料ガスを流し、空気極側に
空気等の酸素を含む酸化剤ガスを流すと、電気化学的反
応により水素と酸素から水が生成され、その際の自由エ
ネルギー変化が、電池セル３０の両側に配した集電体３
８，３８から直接、電気エネルギーとして取り出される
ものである。

【０００７】すなわち、図６にその燃料電池の反応概念
図を示して説明すると、燃料極３４側では、燃料ガス流
路４０を通って供給されてきた燃料ガス（水素など）が
水素イオン（Ｈ^＋）と電子イオン（ｅ−）となり、水素
イオン（Ｈ^＋）は電解質膜３２中を移動して空気極へ到
達し、電子イオン（ｅ−）は負荷回路を介して空気極へ
送られてくる。そして空気極３６側では、その送られて
きた水素イオン（Ｈ^＋）と電子イオン（ｅ−）、並びに
酸化剤ガス流路４２を通って供給されてきた酸化剤ガス
（空気など）が反応して水（Ｈ_２Ｏ）が生成され、これ
により電気エネルギーが取り出されることになる。

【０００８】このような構成の高分子電解質型燃料電池
の電解質膜に要求される特性としては、イオン伝導性
（または、プロトン移動性）に優れること、膜抵抗が
小さいこと、膜強度が高いこと、電池の電流密度が
高く、エネルギー効率が良いことなどが挙げられる。そ
してそのための方策の１つとして電解質膜を極力薄くす
る試みがなされている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ナフィオン系の電解質膜では、均一な膜厚形成が難しい
とされている。また膜強度もそれ程十分ではない。その
ために電池のエネルギー効率および電流密度を向上させ
るため電解質膜を薄くすると、電池セルを集電体（セパ
レータ）により挟持する圧力の高い部分では電解質膜と
集電体との間の隙間からガスのリークが発生することが
懸念された。

【００１０】また、電解質膜がイオン伝導性（または、
プロトン移動性）を具備するためには、膜そのものが含
水状態にあることが必要であるが、電解質膜を薄くする
と、その含水状態が損なわれることになる。そこで電解
質膜中の含水量を維持するために燃料ガスや酸化剤ガス
にミストを添加して電解質膜に水分を供給する加湿制御
を行うことが検討されているが、この電解質膜の含水状
態の管理が大変難しいという問題もある。

【００１１】本発明の解決しようとする課題は、高分子
電解質型燃料電池セルの電解質膜の膜強度を高め、電解
質膜を薄くすることにより電池のエネルギー効率および
電流密度の向上を図り、また、電極間の短絡（ショー
ト）やガスリークが発生することもなく、さらには電解
質膜の保湿性も保たれるようにして電解質膜の含水状態
の制御も容易ならしめることにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明の高分子電解質型燃料電池セルは、請求項１に
記載のように、燃料極と空気極との間に介設される高分
子電解質層に、絶縁性のある粒子状のスペーサ部材を配
合してなることを要旨とするものである。

【００１３】電解質層にスペーサ部材を配合することに
より電解質層の材料強度が高められ、そのために電解質
層を薄くすることができ、電池のエネルギー効率および
電流密度を向上させることができる。

【００１４】また電解質層の材料強度が高められること
により電解質層を薄くしても均一な層厚さが得られ、ま
た絶縁性のスペーサ部材によって電極間の間隔も一定に
保たれるものであるから、したがって、電極間で短絡
（ショート）が生じたり、電解質層と集電体との間から
燃料ガスや酸化剤ガスなどのリーク漏れが発生すること
も回避される。

【００１５】スペーサ部材の材料としては、請求項２に
記載のように、酸化物系セラミックス材料、窒化物系セ
ラミックス材料より選ばれた１種または２種以上のセラ
ミックス材料であることが望ましく、酸化物系セラミッ
クス材料としては、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３などが好適な
ものとして挙げられ、また窒化物系セラミックス材料と
しては、ＳｉＮなどが挙げられる。

【００１６】そしてこのスペーサ部材は、請求項３に記
載のように保湿性を有する多孔質なものであることによ
り電解質層を薄くしても電解質を加湿状態に保つための
水分がスペーサ部材の空孔などに吸着保持されることと
なり、電解質のプロトン移動性が安定して保たれること
はもとより、電解質を加湿状態に保つための加湿制御並
びに水管理も比較的楽に行えることになる。

【００１７】また電解質層へのスペーサ部材の配合量と
しては、請求項４に記載のように、５〜２５ｗｔ％の範
囲にあることが望ましい。スペーサ部材の配合量が５ｗ
ｔ％以下であると、電解質層の含水率が低下し、電解質
の加湿制御が難しくなる。またスペーサ部材の配合量が
２５ｗｔ％を越えると、電解質層を集電体で挟圧した時
に電解質層に微小クラックなどが発生して燃料ガスや酸
化剤ガスがそこからリークするようになる。

【００１８】上述したような構成により、本発明の燃料
電池セルの電解質層の厚さは、１０〜５０μｍの電解質
膜を使用する燃料電池セルよりも大幅に電解質層の薄肉
化が達成されるものである。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下に本発明の好適な実施の形態
を図面を参照して詳細に説明する。

【００２０】図１は、本発明の一実施形態に係る高分子
電解質型燃料電池セルの構成を示している。この高分子
電解質型燃料電池セル１０は、高分子電解質膜１２を挟
んでの一方の面に燃料極１４が設けられ、他方の面に空
気極１６が設けられている。そして燃料極１４側、およ
び空気極１６側にはそれぞれ集電体（セパレータ）１８
ａ，１８ｂが配設され、燃料極１４側には水素ガスなど
の燃料ガスが貫流する燃料ガス流路２０が形成されると
共に、空気極１６側には空気などの酸化剤ガスが貫流す
る酸化剤ガス流路２２が形成されている。そしてこの燃
料電池セル１０は積層状に組み立てられて積層型燃料電
池として使用されるものである。

【００２１】この場合に、前記高分子電解質膜３２は、
既述したナフィオン（登録商標、デュポン社製）の商品
名で知られるパーフルオロスルホン酸のポリマーに酸化
ケイ素（ＳｉＯ_２）の微粒子をスペーサ部材として分散
配合したものが用いられている。膜厚は、１０〜５０μ
ｍが好適な範囲としている。

【００２２】酸化ケイ素の微粒子の形状としては、球
状、柱状、棒状などの各種の形状のものが適用される。
その粒子径は、特にこだわるものではないが、直径１０
μｍ程度のものが好ましい。酸化ケイ素に代えて、アル
ミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）や窒化アルミ（ＡｌＮ）などを用い
ることもできる。要するに、絶縁性であって、保湿性を
有するように多孔質であり、適度の硬さを持った粒子状
のものであればよい。スペーサ部材の配合量としては、
５〜２５ｗｔ％の範囲とされている。

【００２３】また、燃料極１４および空気極１６は、図
２に拡大して示したように、電解質膜１２との接触面側
に触媒層１４ａ，１６ａが設けられ、セパレータ１８
ａ，１８ｂとの接触面側にガス拡散層１４ｂ，１６ｂが
設けられている。触媒層１４ａ，１４ｂはともに、白金
（Ｐｔ）等の電極触媒をカーボン粒子に担持させた層で
あり、ガス拡散層１６ａ，１６ｂは多孔質材料により構
成されている。例えば、反応ガスや生成ガス、水等の物
質の拡散性と、電子の伝導性とを両立させることが可能
な材料、具体的には、カーボンペーパー、カーボンクロ
ス、あるいはカーボン粉末をポリテトラフルオロエチレ
ンなどの高分子バインダと共にシート状に成形したもの
等、通気性を有し、しかも均一な気孔径分布を有する多
孔質の炭素系材料が用いられる。さらに集電体（セパレ
ータ）は、集電性能が高く、酸化水蒸気雰囲気下でも安
定な緻密質のグラファイトが一般的に用いられている。

【００２４】次に実施例について説明する。＜実施例＞パーフルオロスルホン酸ポリマのイオン交換
樹脂であるナフィオン（商品名、デュポン社の登録商
標）のアルコール溶液（ポリマ含量１０％、デュポン
社）をポリマ含量４０ｍｇ相当を計り取り、同溶液に酸
化ケイ素からなる直径１０±０．２μｍの球状多孔質微
粒子を添加し、出力２００Ｗの超音波分散器を用いて２
０分間分散した。分散処理後の溶液を１０ｃｍ角の型に
流し込み、溶液に酸化ケイ素微粒子の圧縮破壊荷重以下
の荷重（例えば１０ｇ／ｃｍ^２）を掛けながら、真空乾
燥機を用いて乾燥した。得られた厚さ１５μｍの電解質
膜に触媒を塗布し、さらにガス拡散層を重ねて、集電板
（セパレータ）で挟持し、燃料電池セルを作製した。電
解質膜への酸化ケイ素微粒子配合量は１５％としてい
る。

【００２５】また比較例として次の供試サンプルを作成
した。＜比較例＞電解質膜に微粒子を含まないナフィオン（同
上）の１１２膜（乾燥厚さ５０μｍ）を用い、同膜に触
媒を塗布し、さらにガス拡散層を重ねて、集電板（セパ
レータ）で挟持し、燃料電池セルを作製した。

【００２６】正極に空気、負極に純水素をそれぞれ２ａ
ｔａ供給したときの上記実施例と比較例の燃料電池セル
の電流−電圧特性を図３に示す。図３において横軸に電
流（Ａ／ｃｍ^２）を採り、縦軸に電圧（Ｖ）を採ってい
る。

【００２７】そしてこの図３のデータからわかるよう
に、本実施例の燃料電池セルの方が、比較例の燃料電池
セルよりも高い電流−電圧特性で推移している。このこ
とは本実施例の燃料電池セルの方が、比較例の燃料電池
セルよりも高い電気エネルギーが得られ、また電圧を同
じとするならば、高い電流密度が得られることを示して
いる。そしてこの結果が得られた理由としては、やはり
電解質膜を薄くしたことが大きく、電解質膜に酸化ケイ
素微粒子を配合することによるマイナスは認められなか
った。

【００２８】図４は、本実施例の燃料電池セルについ
て、ガスリーク発生率（％）および電解質膜の含水率
（％）と、高分子電解質膜に配合される酸化ケイ素微粒
子の配合量（ｗｔ％）との関係を示している。図におい
て、横軸に酸化ケイ素微粒子の配合量（ｗｔ％）を採
り、縦軸にガスリーク発生率（％）および含水率（％）
を採っている。

【００２９】そしてこの図４に示されるように、初めに
ガスリーク発生率（％）については、酸化ケイ素微粒子
を全く配合しない状態（０ｗｔ％）では約４０％の値を
示し、酸化ケイ素微粒子の配合量を増やしていくにつれ
てガスリーク発生率が低下し、およそ１５ｗｔ％配合し
たところでガスリーク発生率が５％と最も低い値を示し
た。そしてこれより更に酸化ケイ素微粒子の配合量を増
やしていくと、ガスリーク発生率は悪くなる傾向にあ
り、およそ４０ｗｔ％でガスリーク発生率２５％まで低
下する結果となった。

【００３０】この結果から、高分子電解質膜に酸化ケイ
素微粒子を配合することによりガスリーク発生率が低下
し、電解質膜に酸化ケイ素微粒子を配合することがガス
リーク発生率の低下に寄与することがわかる。そして酸
化ケイ素微粒子の配合量としては１５ｗｔ％程度が最も
良く、５〜２５ｗｔ％程度配合すれば十分であることが
明らかとなった。

【００３１】また、この図４に示されるように、電解質
膜の含水率（％）については、酸化ケイ素微粒子を全く
配合しない状態（０ｗｔ％）ではほとんど水を含まず、
酸化ケイ素微粒子の配合量を増やしていくにつれて含水
率が上昇する傾向を示している。そして酸化ケイ素微粒
子の配合量が２５ｗｔ％程度で含水率は４０％程度の値
を示し、これ以上に酸化ケイ素微粒子の配合量を増やし
ても含水率の上昇は緩やかになってあまり変わらないと
の結果となった。

【００３２】そしてこの結果から、高分子電解質膜に酸
化ケイ素微粒子を配合することにより電解質膜の含水率
が上昇し、電解質膜の保湿性が高められることがわか
る。酸化ケイ素微粒子は多孔質であるため、その微粒子
の空孔内などに、水分が吸着保持されるのであろうと考
察される。これにより電解質膜を加湿状態に保つための
外部からの水の供給量を低減でき、またその加湿状態の
制御が容易となる。

【００３３】本発明は、上記した実施の形態に何ら限定
されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で
種々の改変が可能である。例えば、上記実施例では、高
分子電解質膜にパーフルオロスルホン酸ポリマを用いた
が、現状この材料が最も優れているとされるものであっ
て、これ以外の材料を用いた場合にも本発明が適用され
ることは本発明の趣旨より明らかである。また、これに
配合されるスペーサ部材として酸化ケイ素の微粒子の例
を説明したが、これについても既に述べたように、他の
セラミックス材料が用いられることは言うまでもない。

【００３４】

【発明の効果】本発明の高分子電解質型燃料電池セルに
よれば、燃料極と空気極との間に介設される高分子電解
質層に、絶縁性のある粒子状のスペーサ部材を配合する
ことにより、電解質層の材料強度を高め、電解質層を薄
くできるようにしたものであるから、電池のエネルギー
効率および電流密度の向上を図ることができ、また電解
質層の材料強度を高めることによって電解質層を薄くし
ても、電解質層の厚さを均一にすることができるから、
電極間の短絡（ショート）やガスのリーク漏れなども生
じることはなく、燃料電池運転上の安全性も確保され
る。そして電解質層に配合されるスペーサ部材が保湿性
を有する多孔質なものとすることにより電解質層の加湿
制御並びに水管理も容易となり、自動車用燃料電池とし
ての搭載など、その実用性は極めて高いものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る高分子電解質型燃料
電池セルの概略構成を示した断面図である。

【図２】図１に示した燃料電池セルの要部の拡大断面図
である。

【図３】本実施例の燃料電池セルと比較例の燃料電池セ
ルの電流−電圧特性を比較して示した図である。

【図４】本実施例の燃料電池セルについて、高分子電解
質膜に配合される酸化ケイ素微粒子の配合量と、ガスリ
ーク発生率および電解質膜の含水率との関係を示した図
である。

【図５】従来一般に知られる高分子電解質型燃料電池
（積層タイプ）の基本構造を示す分解斜視図である。

【図６】この種燃料電池の反応メカニズムを説明した反
応概念図である。

【符号の説明】

１０高分子電解質型燃料電池セル１２高分子電解質膜（層）１４燃料極１４ａ触媒層１４ｂガス拡散層１６空気極１６ａ触媒層１６ｂガス拡散層１８ａ，１８ｂ集電体（セパレータ）２０燃料ガス流路２２酸化剤ガス流路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料極と空気極との間に介設される高分
子電解質層に、絶縁性のある粒子状のスペーサ部材を配
合してなることを特徴とする高分子電解質型燃料電池セ
ル。
【請求項２】前記スペーサ部材が、酸化物系セラミッ
クス材料、窒化物系セラミックス材料より選ばれた１種
または２種以上のセラミックス材料であることを特徴と
する請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池セル。
【請求項３】前記スペーサ部材は保湿性を有する多孔
質なものであることを特徴とする請求項１または２に記
載の高分子電解質型燃料電池セル。
【請求項４】前記スペーサ部材の配合量が、５〜２５
ｗｔ％の範囲にあることを特徴とする請求項１ないし３
のいずれかに記載の高分子電解質型燃料電池セル。
【請求項５】前記電解質層の厚さが、１０〜５０μｍ
の範囲にあることを特徴とする請求項１ないし４のいず
れかに記載の高分子電解質型燃料電池セル。