JP2004119185A

JP2004119185A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2004119185A
Application number: JP2002280646A
Authority: JP
Inventors: Masakazu Sugimoto; 杉本　正和
Original assignee: Nitto Denko Corp
Current assignee: Nitto Denko Corp
Priority date: 2002-09-26
Filing date: 2002-09-26
Publication date: 2004-04-15

Abstract

【課題】薄型小型軽量化や高自由度な形状設計が可能な燃料電池を提供すること。
【解決手段】還元ガスが供給・排出される還元ガス注入口３２・排出口３３と還元ガス用流路と、ガス流路付き電極２が取り付けられる電極取付部が設けられるアノード用パネル３と、酸化ガスが供給・排出される酸化ガス注入口１２・排出口と酸化ガス用流路と、ガス流路付き電極が取り付けられる電極取付部１０ｃが設けられるカソード用パネル１と、アノード用パネル３のガス流路付き電極２と、カソード用パネル１のガス流路付き電極２とにより挟持される固体高分子電解質とを備え、この固体高分子電解質をアノード用パネル３とカソード用パネル１とで挟持することでパネルユニットＰを構成し、各パネル１，３は夫々、平面状に形成され、その内面側に電極取付部１０ｃが設けられ、その外面側に電極取り出し用穴１１ａ，３１ａが形成される。
【選択図】　　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質を用いた燃料電池に関し、特に厚みを薄くすることのできる燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ポリマー電解質のような固体高分子電解質を使用した高分子型燃料電池は、高いエネルギー変換効率を持ち、薄型小型・軽量であることから、家庭用コージェネレーションシステムや自動車向けに開発が活発化している。かかる燃料電池の従来技術の構造として、下記の非特許文献１に開示されており、これを図６に示す。
【０００３】
図６に示すように、固体高分子電解質膜１００を挟んでアノード１０１とカソード１０２とを配設する。さらに、ガスケット１０３を介して一対のセパレータ１０４により挟持して単位セル１０５を構成する。この単位セル１０５を多数個積層し、単位セル１０５どうしを電気的に直列に接続して燃料電池Ｎを構成する。電極１０６は、積層した両端の単位セル１０５から取り出すことができる。このような燃料電池Ｎは、クリーンかつ高効率という特徴から、種々の用途、特に、電気自動車用電源や家庭用分散型電源として注目されている。
【０００４】
【非特許文献１】
日経メカニカル別冊「燃料電池開発最前線」発行日２００１年６月２９日、発行所：日経ＢＰ社、第３章ＰＥＦＣ、３．１原理と特徴ｐ４６
【発明が解決しようとする課題】
一方、近年のＩＴの発展に伴い、携帯電話、ノートパソコン、デジタルカメラ等のモバイル機器のほとんどの電源は、リチウムイオン二次電池が用いられている。しかし、これらモバイル機器の高機能化に伴い消費電力がどんどん増加する傾向にあり、その電源用としてクリーンで高効率な燃料電池に注目が集まっている。
【０００５】
しかしながら、図６に示すような従来構造では、構造に自由度がないので、モバイル機器の電源として求められる薄型小型軽量化や形状の高自由度化の点で難がある。
【０００６】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その課題は、薄型小型軽量化や高自由度な形状設計が可能な燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明に係る燃料電池は、
酸化ガスが供給・排出される酸化ガス注入口・排出口と酸化ガス用流路と、この酸化ガス用流路の一部が形成されるガス流路付き電極が取り付けられる電極取付部が設けられるカソード用パネルと、
還元ガスが供給・排出される還元ガス注入口・排出口と還元ガス用流路と、この還元ガス用流路の一部が形成されるガス流路付き電極が取り付けられる電極取付部が設けられるアノード用パネルと、
前記アノード用パネルのガス流路付き電極と、前記カソード用パネルのガス流路付き電極とにより挟持される固体高分子電解質とを備え、この固体高分子電解質をアノード用パネルとカソード用パネルとで挟持することでパネルユニットを構成し、
前記各パネルは夫々、平面状に形成され、その内面側に前記電極取付部が設けられ、その外面側に電極取り出し用穴が形成されることを特徴とするものである。
【０００７】
この構成による燃料電池の作用・効果は、以下の通りである。すなわち、　アノード用パネルとカソード用パネルにより固体高分子電解質を挟持することでパネルユニットを構成する。この各パネルには、酸化ガスや還元ガスのガス流路が形成される。また各パネルには、電極取付部が設けられており、この電極取付部にガス流路付き電極が取り付けられる。電極取付部やガス流路付き電極の形状、電極取付部のパネル上の配置等を工夫することで、設計の自由度が増す。また、各パネルは、平面状であり、内面側に電極取付部、外面側に電極取り出し用穴を形成している。特に、外面側に電極取り出し用穴を設けることで、パネル、すなわち、　パネルユニットを薄型にすることができる。その結果、薄型小型軽量化や高自由度な形状設計が可能な燃料電池を提供することができる。
本発明の好適な実施形態として、前記各パネルには、前記電極取付部の複数が平面的に並べて配置されるものがあげられる。
【０００８】
平面的に並べることで、出力を大きくすることができる。また、平面的に並べることで、薄型を保持したまま出力を上げることができる。平面的に並べる並べ方を変えれば、形状を自由に変えることができる。
【０００９】
本発明の別の好適な実施形態として、複数の前記パネルユニットを層状に積層してあるものがあげられる。
パネルユニットを層状に積層することでも、出力を高めることができる。
【００１０】
本発明の更に別の好適な実施形態として、前記各パネルは、内面側が樹脂製シートで、外面側が金属製シートで形成されているものがあげられる。
かかるシート構成にすることで、薄型を維持しながらも所望の強度を確保することができる。
【００１１】
本発明の更に別の好適な実施形態として、前記固体高分子電解質は、カソード用膜電極とアノード用膜電極に挟持されており、これが平面状のゴム弾性体に支持されているものがあげられる。
【００１２】
平面状のゴム弾性体で支持し、これをアノード用パネルとカソード用パネルとで挟持することで、薄型に形成することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明に係る燃料電池の好適な実施形態を図面を用いて説明する。図１は、燃料電池を構成するパネル１の構成を示す図である。図２は、パネル１とガス流路付き電極２の断面形状を示す図である。図３は、ガス流路付き電極２の構成を示す斜視図である。
【００１４】
パネル１は、平面状に形成されており、樹脂シート１０とステンレス製の金属シート１１を貼り合わせて形成される。貼りあわせの方法は、適宜の方法で行うことができる。パネル１は、還元ガス（例えば、水素ガス）用と酸化ガス（例えば、酸素ガス）用と２つあるが、形状はいずれも同じである。パネル１には、ガス注入口１２とガス排出口が設けられている。また、パネル１には、ガス流路１０ａ，１０ｂが形成されている。ガス流路は、互いに平行な注入側ガス流路１０ａと排出側ガス流路１０ｂがあり、樹脂シート１０に一体形成されている。注入側ガス流路１０ａの端部には、貫通穴１２ａが形成され、ガス注入口１２と連通する。排出側ガス流路１０ｂの端部にも、貫通穴１３ａが形成され、ガス排出口と連通する。
【００１５】
パネル１の樹脂シート１０には、５つの電極取付部１０ｃ（取り付け穴であり、パネル１の状態では凹部となる）が平面的に並べて形成されている。この電極取付部１０ｃの配置に対応して、金属シート１１には、電極取り出し穴１１ａが形成されている。電極取付部１０ｃの大きさよりも、電極取り出し穴１１ａの大きさのほうが小さい。電極取付部１０ｃ及び電極取り出し穴の形状は、正方形に形成されている。もちろん、これに限定されるものではない。パネル１は、全体として電気絶縁性を有している。外面側に電極取り出し穴１１ａを設けることで、フレキシブル基板と直接接続が可能になる。これにより、薄型とすることができる。
【００１６】
パネル１の内面側に電極取付部１０ｃを設け、外面側に電極取り出し穴１１ａを設けることで、薄型に寄与できる。電極をパネル１の側面部から取り出す方法も考えられるが、この場合は、電極取り出しのためにある程度の高さが必要であり、本発明による構成の方が薄型にできる。
【００１７】
図３は、上記電極取付部１０ｃに取り付けられるガス流路付き電極２を示す。ガス流路付き電極２には、パネル１の注入側ガス流路１０ａと通じる流路入口部２１と、排出側ガス流路１０ｂと通じる流路出口部２２とが一体形成され、さらに、その間に流路２３が形成されている。流路２３の深さは、パネル１に形成された流路１０ａ，１０ｂと同じ深さである。また、ガス流路付き電極２の高さは、電極取付部１０ｃの深さと同一、又は、ほぼ同一である。これにより、パネル１の高さが高くならないようにしている。ガス流路付き電極２におけるガスの流れを矢印で示している。また、ガス流路付き電極２は、通常グラファイト製であり強度的にもろいため、パネル１を金属シート１１で補強しているのである。
【００１８】
図４は、パネルユニットＰ（セル）の組み立て構造を示す図であり、図５は、電解質保持ユニットの構造を示す図である。図４に示すように、カソード用パネル１とアノード用パネル３の間に電解質保持ユニット４が挟持される。既に説明したように、各パネル１，３の構成は同じであり、使用されるガス流路付き電極２も同じ構造のものが使用される。アノード用パネル３も樹脂シート３０と金属シート３１の貼り合わせで構成され、ガス注入口３２とガス排出口３３とが設けられる。金属シート３１にも、電極取り出し穴３１ａが形成されている。
【００１９】
カソード用パネル１のガス流路付き電極２と、アノード用パネル３のガス流路付き電極２とが向かい合う形になり、その間に電解質保持ユニット４により保持される電解質が挟持される形となる。図５に示すように、固体電解質膜４０（例えば、ポリマー電解質）がカソード用膜電極４１とアノード用膜電極４２に挟持されており、これらがゴム弾性体４３により保持されている。各電極４１，４２と固体電解質膜４０により、膜電極接合体を構成する。膜電極接合体は、取り付けられるガス流路付き電極２の数だけ用意されている。
【００２０】
以上のように、カソード用パネル１、電解質保持ユニット４、カソード用パネル３とを重ねて貼り合わせることで、パネルユニットＰを得る。貼り合わせは、超音波融着、熱融着等の方法で行うことができる。このパネルユニットＰのみで燃料電池として用いることができる。また、このパネルユニットＰを層状に積層した燃料電池とすることもできる。
【００２１】
【実施例】
次に、以上のように説明した燃料電池の更に具体的な材料、寸法等について説明する。各パネル１，３の大きさとして、９３ｍｍ×２７ｍｍの長方形とすることができる。また、樹脂シート１０，３０は厚みが０．３ｍｍ、金属シート１１，３１は厚みが０．１ｍｍとすることができる。樹脂シート１０，３０は、樹脂成形で得られる。金属シート１１，３１はプレス成形で得られる。電極取付部１０ｃの大きさは１５ｍｍ×１５ｍｍ、電極取り出し穴１１ａ，３１ａの大きさは５ｍｍ×５ｍｍとすることができる。パネル１，３に形成するガス流路１０ａ，１０ｂは、幅１ｍｍ、深さ０．２ｍｍである。また、ガス流路付き電極２に形成されるガス流路２３は、幅０．６ｍｍ、深さ０．２ｍｍである。ガス流路付き電極２は、グラファイト製である。
【００２２】
対向するグラファイト製ガス流路付き電極２の間に配置される電解質保持ユニット４（ゴム弾性体４３）の厚さは０．２ｍｍである。各パネル１，３の厚さは０．１＋０．３＝０．４ｍｍであるから、パネルユニットＰの厚さは、０．４＋０．４＋０．２＝１ｍｍとなる。
【００２３】
この電解質保持ユニット４は、次のようにして作製した。まず、白金触媒と、カーボンブラック（アクゾ社ケッチェンブラックＥＣ）、ポリフッ化ビニリデン（カイナー）を、それぞれ７５重量％、１５重量％、１０重量％の割合で混合し、ジメチルホルムアミドを２．５重量％のポリフッ化ビニリデン溶液となるような割合で、上記白金触媒、カーボンブラック、ポリフッ化ビニリデンの混合物中に加え、乳鉢中で溶解・混合して、触媒ペーストを作製した。白金触媒は、米国エレクトロケム社製２０％白金担持カーボン触媒（ＥＣ−２０−ＰＴＣ）を用いた。カーボンペーパー（東レ製ＴＧＰ−Ｈ−９０）を１０ｍｍ角に切断し、この上に、上記のようにして作製した触媒ペースト約２０ｍｇをスパチュラにて塗布し、８０℃の熱風循環式乾燥機中で乾燥した。このようにして４ｍｇの触媒組成物が担持されたカーボンペーパーを作製した。白金担持量は、０．６ｍｇ／ｃｍ^２　である。
【００２４】
上記のようにして作製した白金触媒担持カーボンペーパー２枚を、固体電解質膜としてナフィオンフィルム（デュポン社製ナフィオン１１２）１３ｍｍ角を用い、その両面に、金型を用いて、１３５℃、２ＭＰａの条件にて２分間ホットプレスした。こうして得られた電極膜接合体を、上記対向パネル内に装着した。
【００２５】
このようにして、外寸９３ｍｍ×２７ｍｍ×１ｍｍ厚という薄型小型のマイクロ燃料電池を得ることが出来た。このマイクロ燃料電池の電池特性を評価した。
【００２６】
燃料電池特性は、東陽テクニカ製燃料電池評価システムを用い、室温下、純水素ガス、純酸素ガスを用いて評価した。ガス流量は、１００ｍＬ／ｍｉｎとした。得られた最大出力密度は、電極面積当たり７０ｍＷ／ｃｍ^２　であった。そして５個の電極を電気的に接続することで、本発明によるマイクロ燃料電池として３５０ｍＷの出力が得られた。パネルユニットを複数積層すれば、更に高出力とすることができる。
【００２７】
＜別実施形態＞
（１）本実施形態では、ガス流路付き電極２を５つ横に並べているがこれに限定されるものではない。並べる個数は任意である。並べる方向も一直線である必要はなく、適宜の配置にすることができる。これにより、設計の自由度が増す。
【００２８】
（２）燃料電池を構成するパネル１，３、ガス流路付き電極２、電解質保持ユニット４の材料については、特定の種類の材料に限定されるものではない。例えば、パネル１，３を構成する樹脂シート１０，３０や金属シート１１，３１については、適宜の樹脂材料や金属材料を使用することができる。また、パネル１，３として、樹脂と金属の貼り合わせではなく、単一材料により形成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池を構成するパネルの構成を示す図
【図２】パネルとガス流路付き電極の断面形状を示す図
【図３】ガス流路付き電極の構成を示す斜視図
【図４】パネルユニットＰ（セル）の組み立て構造を示す図
【図５】電解質保持ユニットの構造を示す図
【図６】従来技術に係る燃料電池の構成を示す図
【符号の説明】
１　　　カソード用パネル
２　　　ガス流路付き電極
３　　　アノード用パネル
４　　　電解質保持ユニット
１０，３０　　　樹脂シート
１０ａ　　注入側ガス流路
１０ｂ　　排出側ガス流路
１０ｃ　　電極取付部
１１，３１　　　金属シート
１１ａ，３１ａ　　　電極取り出し穴
１２，３２　　　ガス注入口
３３　　　　　　ガス排出口
４０　　　固体高分子電解質
４１　　　カソード用膜電極
４２　　　アノード用膜電極
４３　　　ゴム弾性体

Claims

酸化ガスが供給・排出される酸化ガス注入口・排出口と酸化ガス用流路と、この酸化ガス用流路の一部が形成されるガス流路付き電極が取り付けられる電極取付部が設けられるカソード用パネルと、
還元ガスが供給・排出される還元ガス注入口・排出口と還元ガス用流路と、この還元ガス用流路の一部が形成されるガス流路付き電極が取り付けられる電極取付部が設けられるアノード用パネルと、
前記アノード用パネルのガス流路付き電極と、前記カソード用パネルのガス流路付き電極とにより挟持される固体高分子電解質とを備え、この固体高分子電解質をアノード用パネルとカソード用パネルとで挟持することでパネルユニットを構成し、
前記各パネルは夫々、平面状に形成され、その内面側に前記電極取付部が設けられ、その外面側に電極取り出し用穴が形成されることを特徴とする燃料電池。
前記各パネルには、前記電極取付部の複数が平面的に並べて配置されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
複数の前記パネルユニットを層状に積層してあることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
前記各パネルは、内面側が樹脂製シートで、外面側が金属製シートで形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池。
前記固体高分子電解質は、カソード用膜電極とアノード用膜電極に挟持されており、これが平面状のゴム弾性体に支持されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池。