JP2004103278A

JP2004103278A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2004103278A
Application number: JP2002259836A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Yamashita; 山下　和也; Hisazumi Oshima; 大島　久純
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-09-05
Filing date: 2002-09-05
Publication date: 2004-04-02

Abstract

【課題】電解質層、電極層および拡散層を積層してなる燃料電池において、圧力によって拡散層がつぶれるのを防止する。
【解決手段】一対の多孔質金属部材１０によって電解質層２０が狭持されており、各々の多孔質金属部材１０のうち電解質層２０に接する部位に電解質成分を含浸させてなる電極層３１、３２が形成されており、各々の多孔質金属部材１０のうち電極層３１、３２の外側の部分が拡散層４０として構成されている。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＰＥＦＣ（固体高分子型燃料電池）等の電解質層、電極層および拡散層を積層してなる燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、自動車用、携帯機器用、据え置き用燃料電池においては、ＰＥＦＣ（固体高分子型燃料電池）が主流となっている。このＰＥＦＣ等の燃料電池は、電解質層、電極層および拡散層を積層してなるものである（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００３】
このＰＥＦＣに代表される燃料電池の一般的な構成を図６に示す。電解質層２００の両側に電極層３００を形成し、この電極層３００の外側に拡散層４００を付すことにより積層体が形成されており、この積層体は、その両側に設けられたセパレータ５００によって狭持されている。
【０００４】
電解質層２００は、水素イオン（プロトン）と水を移動させる機能を有するもので、パーフルオロカーボンスルホン酸等の高分子電解質（イオン伝導体）からなる。電解質層２００を挟む一対の電極層３００は、一方がアノード（燃料極）、他方がカソード（空気極）として構成されており、一般に、白金担持カーボン等の触媒と電解質とから構成されている。
【０００５】
また、拡散層４００は、セパレータ５００等に設けられたガス流路から送られてくる燃料ガス（水素および改質ガス等）または酸化ガス（酸素や空気等）を電極層３００へ均一に拡散させるものである。この拡散層４００は、一般にカーボンクロス、カーボンペーパー等の集電作用を持つ多孔質体からなる。
【０００６】
このような燃料電池においては、アノード（燃料極）にて、Ｈ_２→２Ｈ_＋＋２ｅ⁻の反応が起こり、ここで生じた２個の電子は外部に接続された回路を通って反対側のカソード（空気極）に達する。また、アノードで生じた水素イオンは電解質層２００を通ってカソードへ達し、カソードでは、２Ｈ^＋＋Ｏ_２／２→Ｈ_２Ｏの反応が起こる。これにより、電流が流れる。
【０００７】
【非特許文献１】
池田宏之助著「入門ビジュアルテクノロジー　燃料電池のすべて」、初版、株式会社日本実業出版社、２００１年８月２０日、ｐ．１２６−１２７
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記したような燃料電池は、電解質層、電極層、拡散層の間にて３相界面を形成する必要がある。３相界面は、気体（活物質の酸素や水素）と電解質、触媒の３相が一緒になる界面部分であり、この３相界面が多いほど発電効率が高くなる。
【０００９】
燃料電池においては、この３相界面を形成する必要があることから、一般的に電解質層２００の両面に、電解質溶液および白金担持カーボンの混合溶液を塗布した後、拡散層４００を重ねて高温高圧のプレスで一体化することにより、上記積層構成を形成していた。
【００１０】
また、燃料電池の作動中には、各層の密着性を高め、３相界面を形成するために、燃料電池セルを多大な締め付け圧で維持し、各層間の接触界面を最適にする必要があった。
【００１１】
このような事情に対して、従来では、拡散層４００はクロス（布）やペーパー（紙）など、機械的に脆弱な材料を使用している。そのため、拡散層４００において、燃料ガスや酸化ガスを電極層３００へ供給する際のパス（通り道）がつぶれてガスの拡散が阻害されるため、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学的反応が起こらなくなり、燃料電池の出力が低下するという問題が生じる。
【００１２】
特に、上記図６に示すように、セパレータ５００にガス流路が形成される場合、セパレータ５００には当該ガス流路となる凹凸が刻み込まれる。そのため、その凸部（流路の山部）に多大な締め付け圧力が集中し、凸部と接触する拡散層４００の部位がつぶれやすくなる。
【００１３】
そこで本発明は上記問題に鑑み、電解質層、電極層および拡散層を積層してなる燃料電池において、圧力によって拡散層がつぶれるのを防止することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、一対の多孔質金属部材（１０）によって電解質層（２０）が狭持されており、各々の多孔質金属部材のうち電解質層に接する部位に電解質成分を含浸させてなる電極層（３１、３２）が形成されており、各々の多孔質金属部材のうち電極層の外側の部分が拡散層（４０）として構成されていることを特徴とする。
【００１５】
それによれば、拡散層を多孔質金属にて構成しているため、従来の紙や布等からなる拡散層に比べて、機械的強度が向上した拡散層となる。また、電極層は多孔質金属に電解質成分が含浸されてなるものとなるが、多孔質金属自体が集電作用を有するため、電極層の集電効果も確保される。
【００１６】
このように、本発明では、拡散層の機械的強度が向上するため、圧力によって拡散層がつぶれるのを防止することができる。そして、燃料電池の出力の向上が可能となる。
【００１７】
請求項２に記載の発明では、電解質層（２０）には、絶縁体からなるスペーサ（２２）が含有されていることを特徴とする。
【００１８】
それによれば、燃料電池を形成した後の電解質層の膜厚変化を抑制することができる。また、スペーサによって電解質層自体に圧力が集中するのを防止できるので、電解質層の耐久性向上が図れる。
【００１９】
また、請求項３に記載の発明では、各々の多孔質金属部材（１０）における拡散層（４０）として構成される部位には、燃料ガスまたは酸化ガスが通るガス流路（４２）が形成されていることを特徴とする。
【００２０】
それによれば、従来のように、拡散層の外側にセパレータを設け、このセパレータにガス流路を形成することが不要となる。
【００２１】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。なお、以下の各実施形態相互において、同一の部分には、図中、同一符号を付してある。
【００２３】
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係る燃料電池Ｂ１の構成を示す図である。一対の多孔質金属部材１０によって電解質層２０が狭持されており、各々の多孔質金属部材１０のうち電解質層２０に接する部位に電極層３１、３２が形成されており、各々の多孔質金属部材１０のうち電極層３１、３２の外側の部分が拡散層４０として構成されている。
【００２４】
多孔質金属部材１０は、腐食に強く（特に耐酸性が高く）、電子伝導性が高いものとする。例えば、Ｎｉ合金やＴｉ合金等が挙げられる。また、鉄系金属や銅に対して金や白金等の耐酸性が高く電子伝導性も高い金属材料をメッキ、蒸着したものでも良い。
【００２５】
この多孔質金属部材１０は、発泡金属とも言われ、例えば、樹脂のビーズのまわりを金属メッキしたものに対して熱を加えてバルクとし、その後、樹脂ビーズを加熱除去したり、溶剤で溶かして除去したりすることによって形成することができる。
【００２６】
電解質層２０は、従来の電解質層と同様に水素イオン（プロトン）と水を移動させる機能を有するもので、パーフルオロカーボンスルホン酸等の高分子電解質（イオン伝導体）からなる。
【００２７】
電極層３１、３２は、電解質層２０に用いられるものと同様のパーフルオロカーボンスルホン酸等の電解質成分を、多孔質混属部材１０の内部に含浸させてなる。また、この電極層３１、３２には白金担持カーボン等の触媒が含有されている。ここで、一対の電極層３１、３２のうち図１中の上側の電極層３１をアノード（燃料極）３１、下側の電極層３２をカソード（空気極）３２とする。
【００２８】
そして、拡散層４０は、多孔質金属自体からなる層である。この拡散層４０の外側には、図示しないセパレータが設けられ、このセパレータには燃料ガス（水素および改質ガス等）または酸化ガス（酸素や空気等）が流れるガス流路が形成されている。
【００２９】
このような燃料電池Ｂ１においては、アノード３１側では、燃料ガスである水素ガスが拡散層４０を介してアノード３１まで拡散する。一方、カソード３２側では酸化ガスである酸素が拡散層４０を介してカソード３２まで拡散する。
【００３０】
そして、アノード３１にてＨ_２→２Ｈ_＋＋２ｅ⁻の反応が起こり、ここで生じた２個の電子は外部に接続された回路を通って反対側のカソード３２に達する。同時に、アノード３１で生じた水素イオンは電解質層２０を通ってカソード３２へ達し、カソード３２では、２Ｈ^＋＋Ｏ_２／２→Ｈ_２Ｏの反応が起こる。これにより、電流が流れる。
【００３１】
次に、図２を参照して本実施形態の燃料電池Ｂ１の製造方法を述べる。まず、図２（ａ）に示すように、多孔質金属部材１０を用意する。そして、図２（ｂ）に示すように、ここではカソード３２として示される電極層を形成する。なお、アノード３１の形成も同様である。
【００３２】
具体的には、白金が担持されたカーボン粉末等の触媒と適当な電解質とが当該適当な電解質を溶解しうる溶媒（例えば水＋メタノール混合溶媒等）に混合された溶液を、多孔質金属部材１０に塗布し、乾燥させることで形成する。ここで、塗布する溶液には、エチレングリコール等の親水剤もしくはＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等の撥水剤を混合しても良い。
【００３３】
また、このような溶液塗布により電極層３１、３２が形成されるが、その他、例えば、触媒となる白金や親水材もしくは撥水剤をスパッタ、蒸着、メッキ等で多孔質が埋まらない程度に、多孔質金属部材１０に薄膜状に形成した後、電解質溶液を塗布することによっても、電極層３１、３２を形成できる。
【００３４】
なお、親水処理および撥水処理はプラズマ処理でも良い。例えば、当該プラズマ処理によって多孔質金属部材１０に水酸基を付けることで親水化がなされ、アルキル基を付けることで撥水化がなされる。
【００３５】
また、撥水剤、親水剤に関しては、カソード３２にはフラッティング防止、すなわちカソード表面に水の被膜が生成されて反応ガスの供給が阻害されることを防止するために撥水剤を用い、アノード３１にはカソード３２からの生成水の逆拡散を促すため親水剤を用いることが多い。なお、両方混合して用いても良いし、両方とも用いなくても問題ない。
【００３６】
次に、図２（ｃ）に示すように、一方の多孔質金属部材１０における電極層（図ではカソード３２）の表面に電解質層２０を形成する。この電解質層２０の形成にあたっては、粘度が高いプロトン伝導電解質ゲル溶液を直接塗布することで可能である。
【００３７】
その他、電解質層２０の形成については、多孔質金属部材１０のうち電解質層２０の形成部以外の表面をマスキングした状態で電解質溶液を流し込み、ゾル−ゲル法による加水分解反応によって電解質膜ゲルを形成し、これを電解質層２０としても良い。
【００３８】
そして、図２（ｃ）に示すように、形成された電解質層２０ともう一方の電極層（図ではアノード３１）が形成された多孔質金属部材１０とを接合することにより本燃料電池は形成される。なお、当該接合は、プレスによって圧力をかけて行うが、さらに、接合面に熱を加えながらプレスすることが望ましい。
【００３９】
熱プレスを行うことで、接合界面における分子結合の形成が促進される等によって密着性が向上し、接触界面改善および３相界面の形成が促進されることとなる。
【００４０】
こうして、電解質層２０を多孔質金属部材１０で挟んでなる積層体としての燃料電池Ｂ１が形成される。この燃料電池Ｂ１は、さらにセパレータで挟持されることで使用される。
【００４１】
以上述べてきたように、本実施形態によれば、拡散層４０を多孔質金属にて構成しているため、従来の紙や布等からなる拡散層に比べて、機械的強度が向上した拡散層４０となる。また、電極層３１、３２は多孔質金属に電解質成分が含浸されてなるものとなるが、多孔質金属自体が電子を集める作用すなわち集電作用を有するため、電極層３１、３２の集電効果も確保される。
【００４２】
このように、本実施形態では、拡散層４０の機械的強度が向上するため、上記熱プレスやセパレータで挟持するときに圧力が加わっても多孔質金属部材１０が変形することは極力無く、当該圧力によって拡散層４０がつぶれるのを防止することができる。そして、燃料電池の出力の向上が可能となる。
【００４３】
（第２実施形態）
図３は本発明の第２実施形態に係る燃料電池Ｂ２の構成を示す図である。本燃料電池Ｂ２は、上記第１実施形態の燃料電池において、更に電解質層２０に電気的な絶縁体からなるスペーサ２２を含有させたところが相違点である。
【００４４】
このスペーサ２２の含有によって、燃料電池を形成した後の電解質層２０の膜厚をねらい（規定）どおりに形成でき、形成後の膜厚変化を抑制することができる。また、電解質層２０自体に圧力が集中するのを防止できるので、電解質層２０の耐久性向上が図れる。
【００４５】
このようなスペーサ２２は強固なものである必要があるが、例えばシリカからなるビーズを採用できる。また、形状は直径がそろった球体であることが好ましい。球体でない場合は、スペーサとして利用できる部位の長さがそろっており、且つその部位が確実にスペーサ２２として機能するように電解質層２０内に配置する必要がある。
【００４６】
また、スペーサ２２は、互いのスペーサ２２の凝集を防ぐためにプラスに帯電していることが望ましい。なお、マイナスに帯電させた場合、電解質層２０における水素イオン（プロトン）の移動機能を阻害する可能性が大きく、好ましくない。
【００４７】
本実施形態の燃料電池Ｂ２の製造方法を図４を参照して述べる。本製造方法では、多孔質金属部材１０に電極層３１、３２を形成するところまでは、上記第１実施形態と同様である。
【００４８】
そして、本実施形態では、図４に示すように、電解質層２０を形成する工程において、プロトン伝導電解質ゲルにスペーサ２２を分散させた溶液５０を用いる。この溶液５０を多孔質金属部材１０に塗布することで、電解質層２０を形成する。
【００４９】
その後は、図４に示すように、上記第１実施形態と同様に、形成された電解質層２０ともう一方の電極層（図ではアノード３１）が形成された多孔質金属部材１０とを接合することにより本燃料電池Ｂ２は形成される。
【００５０】
（第３実施形態）
図５（ａ）〜（ｃ）は本発明の第３実施形態に係る燃料電池の製造方法を示す図である。本実施形態は、上記各実施形態の燃料電池において、各々の多孔質金属部材１０における拡散層４０として構成される部位に、燃料ガスまたは酸化ガスが通るガス流路４２を形成した点が相違点である。
【００５１】
具体的には、図５（ａ）に示すように、まず用意した多孔質金属部材１０における拡散層４０となる部位の表面に切削加工やプレス加工等によってガス流路４２となる溝を形成しても良いし、多孔質金属を形成する段階でガス流路となる溝が型どられた型内で形成された多孔質金属を最初から用いても良い。
【００５２】
その後は、図５（ｂ）、（ｃ）に示すように、上記実施形態と同様に、電極層３１、３２および電解質層２０（またはスペーサ２２の含有された電解質層２０）を形成する。
【００５３】
そして、図５に示すように、形成された電解質層２０ともう一方の電極層（図ではアノード３１）が形成され且つ同様にガス流路４２が形成された多孔質金属部材１０とを接合することにより本燃料電池は形成される。本実施形態によれば、従来のように、拡散層４０の外側にセパレータを設け、このセパレータにガス流路を形成することが不要となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池の構成図である。
【図２】図１に示す燃料電池の製造方法を示す工程図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る燃料電池の構成図である。
【図４】図３に示す燃料電池の製造方法を示す工程図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係る燃料電池の製造方法を示す図である。
【図６】燃料電池の一般的な構成を示す図である。
【符号の説明】
１０…多孔質金属部材、２０…電解質層、２２…スペーサ、
３１、３２…電極層、４０…拡散層、４２…ガス流路。

Claims

一対の多孔質金属部材（１０）によって電解質層（２０）が狭持されており、
各々の前記多孔質金属部材のうち前記電解質層に接する部位に電解質成分を含浸させてなる電極層（３１、３２）が形成されており、
各々の前記多孔質金属部材のうち前記電極層の外側の部分が拡散層（４０）として構成されていることを特徴とする燃料電池。
前記電解質層（２０）には、絶縁体からなるスペーサ（２２）が含有されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
各々の前記多孔質金属部材（１０）における前記拡散層（４０）として構成される部位には、燃料ガスまたは酸化ガスが通るガス流路（４２）が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。