JP2002280025A - 燃料電池のための基本複合要素及びその製造方法 - Google Patents
燃料電池のための基本複合要素及びその製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】 (修正有)
【課題】 電解質層の利用効率を高め単位セルの部品数
及び製造コストを削減する。 【解決手段】2つの電極12とそのシールに囲まれた電
解質層11を有する、燃料電池のための基本複合要素で
あって、主として、電解質層と、当該電解質層に隣接し
た、2つの平板状の電極と、当該電解質層と当該電極の
周囲に設けられ、当該電解質層と当該2つの電極からな
るアセンブリに気密性を付与するためのシール13を有
する基本複合要素を得る。
及び製造コストを削減する。 【解決手段】2つの電極12とそのシールに囲まれた電
解質層11を有する、燃料電池のための基本複合要素で
あって、主として、電解質層と、当該電解質層に隣接し
た、2つの平板状の電極と、当該電解質層と当該電極の
周囲に設けられ、当該電解質層と当該2つの電極からな
るアセンブリに気密性を付与するためのシール13を有
する基本複合要素を得る。
Description
【0001】
【発明が属する技術分野】本発明は、固体又は液体電解
質を使用した燃料電池に関する。その関連用途は、地域
ごと又は分散型の発電、電源の陸上、航空、又は海上輸
送である。本発明にかかる燃料電池の発電規模は、数ミ
リワットである移動又は携帯ユニットから、例えば、酸
性又は塩基性固体ポリマーの電解質を使用した電池等、
数キロワットの電力を発生する固定設備まで、非常に広
範囲である。
質を使用した燃料電池に関する。その関連用途は、地域
ごと又は分散型の発電、電源の陸上、航空、又は海上輸
送である。本発明にかかる燃料電池の発電規模は、数ミ
リワットである移動又は携帯ユニットから、例えば、酸
性又は塩基性固体ポリマーの電解質を使用した電池等、
数キロワットの電力を発生する固定設備まで、非常に広
範囲である。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】燃料電
池は、発電構成単位が多層に積層(スタック)された電
気化学的な装置である。そのいずれの発電構成単位も電
解質要素のそれぞれの側に設けられた陽極と陰極を有す
る。異なる原料、つまり燃料及び酸素が両電極のそれぞ
れの外表面に到達する。これらの原料は、電解質要素を
通じて化学反応を起こし、その結果、電極間に電圧が得
られる。
池は、発電構成単位が多層に積層(スタック)された電
気化学的な装置である。そのいずれの発電構成単位も電
解質要素のそれぞれの側に設けられた陽極と陰極を有す
る。異なる原料、つまり燃料及び酸素が両電極のそれぞ
れの外表面に到達する。これらの原料は、電解質要素を
通じて化学反応を起こし、その結果、電極間に電圧が得
られる。
【0003】燃料電池については、非常に多くの用途や
異なるサイズを求めて、近年非常に関心が高まってい
る。数メガワットの発電を行う固体酸素燃料電池等、高
電力固定設備がある。この型の燃料電池は、継続的に冷
却し、残留熱を除去しなければならない。他に、出力が
数ワットを超えない小型携帯装置のための燃料電池とし
ては、例えば、イオン交換膜を有する燃料電池や、冷却
不要の直接メタノール型燃料電池等を挙げることができ
る。
異なるサイズを求めて、近年非常に関心が高まってい
る。数メガワットの発電を行う固体酸素燃料電池等、高
電力固定設備がある。この型の燃料電池は、継続的に冷
却し、残留熱を除去しなければならない。他に、出力が
数ワットを超えない小型携帯装置のための燃料電池とし
ては、例えば、イオン交換膜を有する燃料電池や、冷却
不要の直接メタノール型燃料電池等を挙げることができ
る。
【0004】上記の燃料電池を設計する場合、「クリー
ン」エネルギー、つまり、許容可能な効率を有する一方
で、有毒ガスや温室効果ガスを全くまたは殆んど排出せ
ずにエネルギーを発生させるのが好ましい。高分子電解
質を使用する技術によって、低温度で作動する燃料電池
が有する高速起動のような利点と、固定システムの利
点、つまり液漏れやカウンターイオン移動がないという
利点(実際、電流を流すイオンのみが移動する)を併せ
持たせることが可能である。燃料電池の基本構成要素
は、電解質層を有するアセンブリからなり、電解質層
は、陽極と陰極の2つの電極に挟まれ、これらの電極
は、電解質層に直接、接している。電解質は、高分子若
しくはセラミック物質等の固体物質、又は、濃酸、塩、
若しくは溶解塩等の液体物質のいずれかを含むものであ
る。液体電解質を使用する場合、電解液は、通常、多孔
質体を形成する若干肉厚な基材内に包含されており、2
つの電極は、当該基材に接するように設けられている。
固体物質は、例えば、フィルム状の重合体や、セラミッ
クの固体沈着物の形態を有する。
ン」エネルギー、つまり、許容可能な効率を有する一方
で、有毒ガスや温室効果ガスを全くまたは殆んど排出せ
ずにエネルギーを発生させるのが好ましい。高分子電解
質を使用する技術によって、低温度で作動する燃料電池
が有する高速起動のような利点と、固定システムの利
点、つまり液漏れやカウンターイオン移動がないという
利点(実際、電流を流すイオンのみが移動する)を併せ
持たせることが可能である。燃料電池の基本構成要素
は、電解質層を有するアセンブリからなり、電解質層
は、陽極と陰極の2つの電極に挟まれ、これらの電極
は、電解質層に直接、接している。電解質は、高分子若
しくはセラミック物質等の固体物質、又は、濃酸、塩、
若しくは溶解塩等の液体物質のいずれかを含むものであ
る。液体電解質を使用する場合、電解液は、通常、多孔
質体を形成する若干肉厚な基材内に包含されており、2
つの電極は、当該基材に接するように設けられている。
固体物質は、例えば、フィルム状の重合体や、セラミッ
クの固体沈着物の形態を有する。
【0005】図1に、従来技術に属する基本要素の一例
を示す。2つの電極2に挟持された膜又は電解質層1が
含まれている。これら電極の周縁は、同様に電解層1の
側面を取り囲むように設けられたシール3に囲まれてい
る。このシール3は、電解質層とこれに対向して配置さ
れた電極からなる領域を密封する。つまり、電解質層が
2つの電極の間に挟まれ、しかもシール3に直接接して
いることを考慮すれば、2つの電極2の一方に接触する
燃料又は酸素は、電解質層1を透過することもできない
し、また、このアセンブリから外側へ逃げ出すこともで
きないことが分かる。一般的に、シール3は平坦、又は
O−リングの形状を有する。これらは、電解質層1に直
接溶接されたシール物質からなっていてもよい。
を示す。2つの電極2に挟持された膜又は電解質層1が
含まれている。これら電極の周縁は、同様に電解層1の
側面を取り囲むように設けられたシール3に囲まれてい
る。このシール3は、電解質層とこれに対向して配置さ
れた電極からなる領域を密封する。つまり、電解質層が
2つの電極の間に挟まれ、しかもシール3に直接接して
いることを考慮すれば、2つの電極2の一方に接触する
燃料又は酸素は、電解質層1を透過することもできない
し、また、このアセンブリから外側へ逃げ出すこともで
きないことが分かる。一般的に、シール3は平坦、又は
O−リングの形状を有する。これらは、電解質層1に直
接溶接されたシール物質からなっていてもよい。
【0006】上記の技術によって、基本要素が完全に積
層された構造の全体的な気密性が保証されるが、これ
は、各発電基本要素の電解質層1を合理的に使用するこ
とができない原因である。現在のところ、電解質層1
は、各発電構成単位の両極プレートや触媒と同様に、様
々なタイプの燃料電池の最も重要な部品の一つである。
層された構造の全体的な気密性が保証されるが、これ
は、各発電基本要素の電解質層1を合理的に使用するこ
とができない原因である。現在のところ、電解質層1
は、各発電構成単位の両極プレートや触媒と同様に、様
々なタイプの燃料電池の最も重要な部品の一つである。
【0007】本発明の目的の1つは、各基本要素の製造
費の低減、したがって、電池の製造コストを低減するこ
とによって、販売価格を低減することである。電解質ポ
リマーの性質に関する研究がなされているが、他の方法
も考慮することができる。例えば、電池の効率の向上、
つまり、電解質層の抵抗を減少させ、又は、その使用を
最適化させることが挙げられる。製造過程及び基本要素
によって示唆されているように、本発明では、この目的
を達成するために、後者の方法を選択した。
費の低減、したがって、電池の製造コストを低減するこ
とによって、販売価格を低減することである。電解質ポ
リマーの性質に関する研究がなされているが、他の方法
も考慮することができる。例えば、電池の効率の向上、
つまり、電解質層の抵抗を減少させ、又は、その使用を
最適化させることが挙げられる。製造過程及び基本要素
によって示唆されているように、本発明では、この目的
を達成するために、後者の方法を選択した。
【0008】更に、多くの製品シリーズを考慮すれば、
電極と電解層を具備する基本要素のそれぞれの側へのシ
ールの位置決めの際にも問題が発生することが知られて
いる。従って、本発明の他の目的は、この問題を克服す
ることである。
電極と電解層を具備する基本要素のそれぞれの側へのシ
ールの位置決めの際にも問題が発生することが知られて
いる。従って、本発明の他の目的は、この問題を克服す
ることである。
【0009】上記2つの課題から幾つかの目的が派生す
る。つまり、電解質層の費用の削減、その使用の合理
化、燃料電池を構成するスタックの全部品数の削減、及
び、様々な環境に容易に適合することができるような燃
料電池形状の製作である。
る。つまり、電解質層の費用の削減、その使用の合理
化、燃料電池を構成するスタックの全部品数の削減、及
び、様々な環境に容易に適合することができるような燃
料電池形状の製作である。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明の第一の目的は、
2つの電極とそのシールに囲まれた電解質層を有する、
燃料電池のための基本複合要素であって、主として、電
解質層と、当該電解質層の両面に隣接した、2つの平板
状の電極と、当該電解質層と当該電極の周囲に設けら
れ、当該電解質層と当該2つの電極からなるアセンブリ
を気密に保持するためのシール部を有する基本複合要素
である。
2つの電極とそのシールに囲まれた電解質層を有する、
燃料電池のための基本複合要素であって、主として、電
解質層と、当該電解質層の両面に隣接した、2つの平板
状の電極と、当該電解質層と当該電極の周囲に設けら
れ、当該電解質層と当該2つの電極からなるアセンブリ
を気密に保持するためのシール部を有する基本複合要素
である。
【0011】本発明によると、当該要素は、上述の3要
素のための基本支持部材である、多孔質材あるいは織物
材からなる、厚さが電解質層の厚さを規定する1つのプ
レートを有し、電解質層はこのプレートに収容されて、
電解質層の周縁部つまり織物材からなる当該プレート縁
部はシールを構成している。
素のための基本支持部材である、多孔質材あるいは織物
材からなる、厚さが電解質層の厚さを規定する1つのプ
レートを有し、電解質層はこのプレートに収容されて、
電解質層の周縁部つまり織物材からなる当該プレート縁
部はシールを構成している。
【0012】シールは、電解質層の厚さ、すなわち、織
物材からなるプレートよりも、電解質層のそれぞれの側
面に設けられる電極の厚さ以上に厚いことが好ましい。
物材からなるプレートよりも、電解質層のそれぞれの側
面に設けられる電極の厚さ以上に厚いことが好ましい。
【0013】好適な実施態様では、織物材からなるプレ
ートは、多孔質体である。
ートは、多孔質体である。
【0014】上記多孔質体を形成するためにテフロン又
はガラスを使用することができる。
はガラスを使用することができる。
【0015】本発明の第二の目的は、燃料電池のための
電解質層、2つの電極、及びシールからなる基本複合要
素を製作するための過程であって、当該電解質層は、多
孔質体内の電解質充填物からなる。当該過程は、 − 基本複合要素とそのシールの概略の形状に多孔質体
を成形し、 − 周縁部を除く当該多孔質体の全ての厚さにわたって
イオン導電体を充填して電解質層を形成し、 − 少なくとも両電極の厚さに相当する厚みを当該多孔
質体の両側に形成することとなるようなシール材を当該
多孔質体の周縁部に設ける過程からなる。
電解質層、2つの電極、及びシールからなる基本複合要
素を製作するための過程であって、当該電解質層は、多
孔質体内の電解質充填物からなる。当該過程は、 − 基本複合要素とそのシールの概略の形状に多孔質体
を成形し、 − 周縁部を除く当該多孔質体の全ての厚さにわたって
イオン導電体を充填して電解質層を形成し、 − 少なくとも両電極の厚さに相当する厚みを当該多孔
質体の両側に形成することとなるようなシール材を当該
多孔質体の周縁部に設ける過程からなる。
【0016】上記過程は、電解質層を形成するイオン導
電体に対向するように、電解質層の厚さと合わせてもシ
ールの厚さよりも薄い2つの電極を多孔質体の両側にそ
れぞれ設けることによって完成する。
電体に対向するように、電解質層の厚さと合わせてもシ
ールの厚さよりも薄い2つの電極を多孔質体の両側にそ
れぞれ設けることによって完成する。
【0017】
【発明の実施の形態】本発明及びその技術的な特徴を、
添付図面を参照しながら以下に説明する。
添付図面を参照しながら以下に説明する。
【0018】図2に示すように、本発明の基本要素の製
造に係る第一のステップは、基本要素全体を支持する支
持構造に相当する織物材からなるプレートの成形であ
る。
造に係る第一のステップは、基本要素全体を支持する支
持構造に相当する織物材からなるプレートの成形であ
る。
【0019】多孔質体10は、多孔質ガラス又は多孔質
テフロンを使用して形成するのが好ましい。この多孔質
体の形状にしたがって、基本要素、最終的には燃料電池
の断面形状が決定される。この多孔質物質10の状態及
びその素材に応じて、化学洗浄又は化学処理を施しても
よい。更に、この多孔質物質の材質及び形状は、多孔質
体10に注入される電解質のタイプ及びシールのタイプ
によって異なってもよい。しかし、この多孔質体は、充
分に多孔質であることが好ましく、例えば、織型又は焼
結タイプの多孔質体である、オープン「マット」を有す
るのが好ましい。
テフロンを使用して形成するのが好ましい。この多孔質
体の形状にしたがって、基本要素、最終的には燃料電池
の断面形状が決定される。この多孔質物質10の状態及
びその素材に応じて、化学洗浄又は化学処理を施しても
よい。更に、この多孔質物質の材質及び形状は、多孔質
体10に注入される電解質のタイプ及びシールのタイプ
によって異なってもよい。しかし、この多孔質体は、充
分に多孔質であることが好ましく、例えば、織型又は焼
結タイプの多孔質体である、オープン「マット」を有す
るのが好ましい。
【0020】図3もまた、多孔質体10を図示したもの
である。多孔質体10の中央部にある、黒いドットで示
した領域は、電解質層11を形成するイオン導電充填物
が注入された領域を示している。例えば、多孔質体10
の周縁部にマスクを糊付けした後にイオン導電性充填物
を注入することによって、図に示したように、周縁部以
外の領域にイオン導電性充填物を注入することができ
る。マスクが存在するために、周縁部への電解質の充填
は希薄になる。
である。多孔質体10の中央部にある、黒いドットで示
した領域は、電解質層11を形成するイオン導電充填物
が注入された領域を示している。例えば、多孔質体10
の周縁部にマスクを糊付けした後にイオン導電性充填物
を注入することによって、図に示したように、周縁部以
外の領域にイオン導電性充填物を注入することができ
る。マスクが存在するために、周縁部への電解質の充填
は希薄になる。
【0021】図4に示すように、次の段階は、電解質材
が充填されていない多孔質体10の周縁部の上下面にシ
ール材を接着することである。
が充填されていない多孔質体10の周縁部の上下面にシ
ール材を接着することである。
【0022】上記のように形成されるシール13を作成
するために使用する物質は、化学的に不活性で、電子的
及びイオン的に絶縁性を有するものである必要がある。
シールは、電解質層11よりも厚くなくてはならず、そ
の結果、基本要素を挟む電極プレートが当該基本要素に
圧力を付加することが可能となる。これらプレートの形
状は、シールの厚さ、及び、シールの中央部に敷設され
ることとなる電極の厚さに応じて調整されなければなら
ない。このように、電解質部分の気密性が達成されるこ
ととなる。
するために使用する物質は、化学的に不活性で、電子的
及びイオン的に絶縁性を有するものである必要がある。
シールは、電解質層11よりも厚くなくてはならず、そ
の結果、基本要素を挟む電極プレートが当該基本要素に
圧力を付加することが可能となる。これらプレートの形
状は、シールの厚さ、及び、シールの中央部に敷設され
ることとなる電極の厚さに応じて調整されなければなら
ない。このように、電解質部分の気密性が達成されるこ
ととなる。
【0023】最後に、図5に示すように、本発明に係る
処理の最後の過程は、多孔質体10の両主要面に接する
ように、電解質層11の表面に電極12を設けることで
ある。電極12の厚さは、燃料電池の異なる発電構成単
位が締め付けられた場合に各シール13が極僅かに圧縮
されるように、シール13よりも厚くてはならない。白
金が被覆された木炭粉等の物質を利用すれば、既に電解
質層11で飽和した多孔質体10の上に電極を固定する
ことができる。
処理の最後の過程は、多孔質体10の両主要面に接する
ように、電解質層11の表面に電極12を設けることで
ある。電極12の厚さは、燃料電池の異なる発電構成単
位が締め付けられた場合に各シール13が極僅かに圧縮
されるように、シール13よりも厚くてはならない。白
金が被覆された木炭粉等の物質を利用すれば、既に電解
質層11で飽和した多孔質体10の上に電極を固定する
ことができる。
【0024】
【発明の効果】本特許出願の最初の頁で述べた過程と比
較して、このタイプの基本要素を作成する当該過程の主
要な利点の一つは、実施が容易なことである。当該過程
に必要な操作は、基本的に、懸濁状態又は溶解状態の電
解物質を多孔質体に充填するための操作だけであり、使
用する補助器具はマスクのみである。
較して、このタイプの基本要素を作成する当該過程の主
要な利点の一つは、実施が容易なことである。当該過程
に必要な操作は、基本的に、懸濁状態又は溶解状態の電
解物質を多孔質体に充填するための操作だけであり、使
用する補助器具はマスクのみである。
【0025】この技術は、様々な要素を作成するために
選択された物質の特徴に応じて、高温又は低温型の燃料
電池スタック、換言すれば、冷却を必要とする燃料電池
あるいは冷却を必要としない燃料電池に利用することが
できる。
選択された物質の特徴に応じて、高温又は低温型の燃料
電池スタック、換言すれば、冷却を必要とする燃料電池
あるいは冷却を必要としない燃料電池に利用することが
できる。
【0026】この技術は、形状が多少複雑な場合にも電
池又は燃料電池の基本要素の生産に利用することがで
き、燃料電池が占有する規模に応じて調整することがで
きる。
池又は燃料電池の基本要素の生産に利用することがで
き、燃料電池が占有する規模に応じて調整することがで
きる。
【0027】電解質層は、物質の押出し又は一体成型等
の費用のかさむ技術を利用せずに容易に製造することが
できる。
の費用のかさむ技術を利用せずに容易に製造することが
できる。
【0028】マスクを使用し、織物に直接充填された物
質を重合することによって、様々な要素の、特にシール
について、位置決めを確実に行うことができる。このよ
うに形成され、電極、電解質層及びシールを有する基本
要素は、1つの構造体なので燃料電池のスタックに容易
に組み込むことが可能となる。更に、物質は、多孔質体
の厚さの内にコンパクトに充填されるので、アセンブリ
は、ガスが不透過な均一単体を形成する。
質を重合することによって、様々な要素の、特にシール
について、位置決めを確実に行うことができる。このよ
うに形成され、電極、電解質層及びシールを有する基本
要素は、1つの構造体なので燃料電池のスタックに容易
に組み込むことが可能となる。更に、物質は、多孔質体
の厚さの内にコンパクトに充填されるので、アセンブリ
は、ガスが不透過な均一単体を形成する。
【0029】最後に、本発明の過程は、上記のようにし
て形成された燃料電池に含まれる電解質ポリマーの量を
削減する効果がある。
て形成された燃料電池に含まれる電解質ポリマーの量を
削減する効果がある。
【図1】従来技術の燃料電池の基本要素についての、分
解前面及び平面斜視図である。
解前面及び平面斜視図である。
【図2】本発明の基本燃料電池要素に使用される多孔質
体の分解前面及び平面斜視図である。
体の分解前面及び平面斜視図である。
【図3】電解質層が充填した、図2と同様に多孔質体の
分解前面及び平面斜視図である。
分解前面及び平面斜視図である。
【図4】基本要素のためのシールが沈着した、図3と同
様に多孔質体の分解斜視図である。
様に多孔質体の分解斜視図である。
【図5】2つの電極を具備した図4に図示されたアセン
ブリの分解斜視図である。
ブリの分解斜視図である。
1、10 多孔質体 2、12 電極 3、13 シール 11 電解質層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ディディエ マルサク フランス国 38000 グルノーブル,リュ アドリアン リカール 9 (72)発明者 シルヴィ エスクリバノ フランス国 38000 グルノーブル,リュ ジャン プレボスト 15 Fターム(参考) 3J040 EA16 HA04 5H026 AA02 AA06 EE19
Claims (7)
- 【請求項1】 燃料電池のための、 − 電解質層(11)と、 − 当該電解質層(11)のそれぞれの側面に固定され
た、2つの平板状の電極(12)と、 − 当該電解質層(11)と当該電極(12)の周囲に
設けられ、当該電解質層(11)と当該2つの電極(1
2)からなるアセンブリの気密性を保持するためのシー
ル(13)を具備する基本複合要素であって、 当該複合要素は、当該電解質層(11)の厚さに相当す
る所定の厚さを有するとともに、前記電解質層(11)
の構成部材であると同時に2つの電極(12)とシール
(13)を支持する多孔質材からなるプレートを具備
し、前記電解質層(11)は当該プレートの周縁部を除
く内部に設けられ、前記シール(13)は多孔質材から
なる当該プレートの周縁部と当該周縁部の面外に、当該
電解質層(11)と電極(12)を取り巻くように設け
られたことを特徴とする基本複合要素。 - 【請求項2】 上記シール(13)の厚さは、上記電解
質層(11)の厚さと電極(12)の厚さの合計以上で
あることを特徴とする請求項1に記載の基本複合要素。 - 【請求項3】 多孔質材からなるプレートは、多孔質体
(10)であることを特徴とする請求項1に記載の燃料
電池のための基本複合要素。 - 【請求項4】 多孔質材からなる上記プレートを形成す
る上記多孔質体(10)は、テフロン(登録商標)から
なることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池のため
の基本複合要素。 - 【請求項5】 多孔質材からなる上記プレートを形成す
る上記多孔質体(10)は、ガラスからなることを特徴
とする請求項3に記載の燃料電池のための基本複合要
素。 - 【請求項6】 燃料電池のための電解質層(1)、2つ
の電極(2)、及びシール(3)からなる基本複合要素
の製造方法であって、当該電解質層(11)は多孔質体
内に電解質を充填したものであり、 − 当該基本複合要素とそのシール(13)の概略の平
面形状に多孔質体(10)を成形し、 − 周縁部を除く当該多孔質体(10)の全ての厚さに
わたってイオン導電体を充填して電解質層(11)を形
成し、 − 電解質層と両電極(2)の厚さの合計以上の厚さを
有するシール(13)を、当該多孔質体(10)の周縁
部を取り囲むように設けることを含む方法。 - 【請求項7】 上記の過程は、さらに、前記多孔質体
(10)の両面に、電解質層の厚さと合わせても上記シ
ール(13)の厚さを超過しない電極(12)構成部材
を、上記電解質層(11)を形成するイオン導電体に対
向するように設置することを特徴とする請求項6に記載
の方法。
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