JP2004504689A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

電解質層（２）と、前記電解質層を挟む対をなすガス拡散電極層（３，４）と、前記各ガス拡散電極層に接する燃料ガス及び酸化剤ガスの通路（１０，１１）を画定するための対をなす配流板（５）とを有する複数のセルから構成された燃料電池に於いて、前記電解質層が（２）、多数の通孔（２１ｂ）を有する格子（２１ａ）を備えた格子状フレーム（２１）と、前記各通孔に保持された電解質（２２）とを有する。電解質自体を、ガス拡散電極層や、配流板のような構造部材で積層方向に挟まないようにすることで、電解質が燃料ガス及び酸化剤ガスの通路内に向けて膨張できるため、好ましくない応力が発生せず、電解質の膨張により構造部材が影響を受けるのを回避することができる。

Description

【０００１】
（関連出願）
本出願は、２０００年５月８日に出願された米国仮出願第６０／２０２，８２７号及び２０００年１０月２３日に出願された米国仮出願第６０／２４２，１３６号を基礎とすることによる利益を受けんとするものであって、それらの記載事項は、本出願の一部をなすものとする。
【０００２】
（技術分野）
本発明は、電解質層と、この電解質層を挟む対をなすガス拡散電極層と、各ガス拡散電極層に接する燃料ガス及び酸化剤ガスの通路を画定するための対をなす配流板とを有するセルを、通常複数組み合わせて構成された燃料電池に関する。
【０００３】
（発明の背景）
燃料電池は、電解質層の両側に一対の電極を取り付け、一方の電極に水素やアルコール等の燃料ガス、他方の電極に酸素や空気などの酸化剤ガスを供給し、触媒による電気化学反応を起こさせて電気を発生させるものであり、電解質層に使用する電解質によってリン酸型、固体高分子型、溶融炭酸塩型等のものがある。
【０００４】
このうち、電解質にイオン交換膜を使用する固体高分子電解質型（ＳＰＥ型）燃料電池は、小型化が可能であり、作動温度が低く（１００℃以下）、発電効率が高いことから注目されている。
【０００５】
固体高分子電解質（ＳＰＥ）としては、例えばパーフロオロカーボンスルフォン酸（Ｎａｆｉｏｎ：商品名）やフェノールスルフォン酸、ポリスチレンスルフォン酸、ポリトリフルオロスチレンスルフォン酸などのイオン交換樹脂の薄膜が用いられ、このイオン交換樹脂の薄膜の両面に白金などからなる触媒紛を含む多孔質のカーボンペーパーをガス拡散電極として設けて膜・電極接合体（ＭＥＡ）とし、このＭＥＡの一方の面側に燃料ガス通路を、他方の面側に空気などの酸化剤ガス通路を配流板（セパレータ）により画定して燃料電池セルを構成している。
【０００６】
この燃料電池セルは、通常、燃料電池セルを積層して積層方向に隣接するセル同士でその間の配流板を共用するなどしてスタックを構成している。スタックを構成する際、ＭＥＡの表面に画定される通路を外部から遮断する必要がある。従来は、燃料電池セル毎にＭＥＡと各配流板その外周をパッキンで囲み、各燃料電池セルを積層した状態で締結するなどして積層方向に外力を加えてそのシールを行っていた。また、外力を加えることでＭＥＡとガス拡散電極とを圧接させ、その接触面積を確保し、更に外部からの電極端子とガス拡散電極とを圧接させ、その電気的接触を行っていた。
【０００７】
しかしながら、ＳＰＥは含水することによりイオン交換膜として機能するが、含水することにより、またその温度により体積変化するため、応力が発生して上記外力を常に一定に管理することが厄介であり、場合によってはシール性を確保する上で、また電極端子とガス拡散電極とを接触させる上で問題があった。圧力が適正でないと、シールが破壊され、電極端子とガス拡散電極との間の電気的接触が失われる場合がある。
【０００８】
（発明の概要）
このような従来技術の問題点に鑑み、本発明の主な目的は、あらゆる条件下で、好適なシール性能を確保し得る燃料電池を提供することにある。
【０００９】
本発明の第２の目的は、電極とガス拡散電極との間の電気的接触を確保し得る燃料電池を提供することにある。
【００１０】
本発明の第３の目的は、小型かつ効率的な燃料電池を提供することにある。
【００１１】
本発明の第４の目的は、製造容易な燃料電池を提供することにある。
【００１２】
このような目的は、本発明によれば、電解質層と、前記電解質層を挟む対をなすガス拡散電極層と、前記各ガス拡散電極層に接する燃料ガス及び酸化剤ガスの通路を画定するための対をなす配流板とを有する少なくとも１つのセルから構成された燃料電池であって、前記電解質層が、多数の通孔を有する格子を備えた格子状フレームと、前記各通孔に保持された電解質とを有することを特徴とする燃料電池を提供することにより達成される。
【００１３】
電解質層自体が、１対のガス拡散電極層或いは配流板間に挟持されていないため、電解質層の膨張は電解質層が通路内に向けて膨出することにより許容され、燃料電池の構造部分には、何ら好ましくない応力が作用することがない。即ち、格子状フレームが、ガス拡散電極層或いは配流板により加えられる圧力を支持する。
【００１４】
好ましくは、ガス拡散電極層は、基板にエッチング処理を行うことにより形成される。格子状フレームも、同様に、基板にエッチング処理を行うことにより形成されるものであって良い。これにより、小型の燃料電池を効率的に製造するために、精密加工或いは他の特殊な加工が不要となり、主に半導体製造技術の分野で開発されたエッチング処理等の従来から知られた方法で製造が可能となる。
【００１５】
特に、格子状フレームの格子に、通孔に位置する突起が設けられていれば、電解質を格子状フレームに確実に保持できる。格子状フレームがシリコン基板、金属基板またはエッチング可能な他の材料の基板からなり、基板をその両面から異方性エッチングすれば、通孔及び突起を、通孔の厚み方向中間部が狭くなるように、容易に形成することができる。
【００１６】
本発明の好適な実施例によれば、各配流板が中央凹部と、該中央凹部に設けられた多数の突起とを有し、前記各配流板の前記各突起が前記各ガス拡散電極層に当接するように、前記各配流板の前記各突起と前記格子状フレームの格子とに前記各ガス拡散電極層が挟まれている。通常、各配流板の突起に前記ガス拡散電極層と外部回路とを電気的に接続するための電極端子が設けられている。従って、突起は、対向するガス拡散電極層に個別に当接することとなり、ガス拡散電極層と電極端子との間に多数の並列電路を形成することができ、これら両部分間に信頼性の高い電気的接触を達成することができる。
【００１７】
本発明の好適な実施例によれば、各配流板がシリコン基板からなり、例えば異方性のウェットエッチング処理を行うことにより、前記中央凹部及び前記配流板の突起が形成される。これによれば、機械的強度の点で信頼性の高い構造が達成され、細い配流通路を精密にかつ容易に形成することができる。
【００１８】
（発明を実施するための形態）
図１は、本発明が適用された燃料電池スタックの構造を示す分解斜視図である。実際にはこのスタックを複数併設して直列または並列に接続し、これにアルコール等を改質し、または直接水素ガスを燃料として供給し、更に空気等を酸化剤ガスとして供給することにより燃料電池が構成される。
【００１９】
この燃料電池スタックは複数の燃料電池セル１を積層してなる。図２（ａ）、（ｂ）に併せて示すように、各燃料電池セル１は、積層方向中央の電解質層２と、その表裏にガス拡散電極層３、４を介して設けられた対をなす配流板５とから構成されている。ここで、各配流板５は、その両面を加工することで、当該セル１と積層方向に隣接する次段または前段のセルと共用している。
【００２０】
電解質層２は、格子状をなすフレーム２１と、このフレーム２１の各格子２１ａ間、即ち通孔２１ｂに電解質として充填されたＳＰＥ２２とからなる。ＳＰＥ２２としては、例えばパーフロオロカーボンスルフォン酸（Ｎａｆｉｏｎ：商品名）やフェノールスルフォン酸、ポリスチレンスルフォン酸、ポリトリフルオロスチレンスルフォン酸などが用いられる。
【００２１】
ここで、格子状フレーム２１はシリコン基板をエッチング、その他の加工をしてなり、四角形かつ環状をなす周縁部と、環状周縁部の内側に設けられた四角形格子部分とを有する。格子状フレーム２１の格子部分の各格子２１ａには、図２（ａ）、図２（ｂ）に示すように、対応する通孔２１ｂ中間部に向けて突出するように突起２１ｃが設けられている。突起２１ｃは、各格子２１ａの長手方向に延在する突条をなし、各通孔２１ｂ内に、狭い中間部を画定している。突起２１ｃは、各通孔２１ｂ内にＳＰＥ２２を保持するのを助ける。
【００２２】
このような突起は、都合良く、格子状フレーム２１を形成するのと同時に形成することができる。図３（ａ）〜図３（ｃ）は、電解質層２を形成する過程を示す。先ず、図３（ａ）に示すように、格子状フレーム２１の材料としてのシリコン基板の表裏両面に、所定のパターンにレジスト１３、１４を形成する。これを、図３（ｂ）に示すように、両面から異方性エッチング（ウェットエッチング）することにより、突起２１ｃにより、その厚み方向中間部が狭くなるようにされた通孔２１ｂが形成される。次に、ＳＰＥ２２を各通孔２１ｂ内に注入し、電解質層２の各面を概ね平坦な面とする。
【００２３】
この実施例では、格子状フレーム２１の対角位置に四角形の通孔２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂが形成されている。格子状フレーム２１の一方の対角位置の通孔２３ａ、２３ｂは燃料ガス供給路及び排出路を構成し、別の対角位置の通孔２４ａ、２４ｂは酸化剤ガス供給路及び排出路を構成する。これら通孔２３ａ、２３ｂ、通孔２４ａ、２４ｂは上記同様な異方性エッチング（ウェットエッチング）により形成すれば通孔２１ｂと同様な形状の方形の開口を有する孔となり、また、例えばドライエッチングにより形成すればその開口形状は任意である。
【００２４】
一方、配流板５もシリコン基板を加工してなり、概ね四角形の同形をなす。その中央部の表裏両面に、平坦な底部を有する四角形の凹部５１、５２が形成され、この中央凹部５１、５２の平坦な底部上には多数の四角錐台状の突起５３、５４が設けられている。また、凹部５１、５２及び各突起５３、５４の表面には外部回路とガス拡散電極層３、４とを接続するための金（Ａｕ）めっき層からなる電極端子膜５５、５６が公知の成膜法により成膜されている。
【００２５】
図４（ａ）〜図４（ｃ）は、各配流板５の形成方法を示す。図４（ａ）に示すように、シリコン基板の各面に所定のパターンにレジスト１５、１６を形成し、図４（ｂ）に示すように、シリコン基板をその両面から異方性エッチングすることにより、凹部５１、５２及び各突起５３、５４を同時に形成する。尚、燃料電池セル１の積層方向両端の配流板５では、内側になる面のみに中央凹部、四角錐台状の突起が設けられていて良い。次に、図４（ｃ）に示すように、凹部５１、５２及び各突起５３、５４の表面に電極端子膜５５、５６を成膜する。
【００２６】
配流板５は、格子状フレーム２１に対して同形であり、従って４角形をなす。４角形の通孔５７ａ、５７ｂ、５８ａ、５８ｂが、その縁部の各隅部に設けられている。一方の対角位置に設けられた通孔５７ａ、５７ｂは、燃料ガス供給路及び排出路を構成し、別の対角位置に設けられた通孔５８ａ、５８ｂは、酸化剤ガス供給路及び排出路を構成する。ここで、図１に示すように、凹部５１と通孔５８ａ、５８ｂとは、縁部に設けられた酸化剤ガス用溝５９ａ、５９ｂにより連通し、凹部５２と通孔５７ａ、５７ｂとは、同様な燃料ガス用溝６０ａ、６０ｂにより連通している。これら溝５９ａ、５９ｂ、溝６０ａ、６０ｂは異方性エッチング（ウェットエッチング）により形成され、Ｖ字状断面の溝となっている。また、通孔５７ａ、５７ｂ、通孔５８ａ、５８ｂも上記同様な異方性エッチングにより形成すれば格子状フレーム２１の通孔２１ｂと同様な形状の方形の開口を有する孔となり、また、例えばドライエッチングにより形成すればその開口形状は任意である。
【００２７】
ガス拡散電極層３、４は、カーボンペーパーからなるガス拡散層３ａ、４ａの電解質層２側の表面側に、ＳＰＥ２２が混入された白金（Ｐｔ）触媒層３ｂ、４ｂを設けたものからなる。
【００２８】
このようにして、各セル内にて、上記電解質層２をガス拡散電極層３、４を介して一対の配流板５で挟み、凹部５１、５２を囲むようにその周囲全周に亘り陽極接合することにより、その内部が気密に密閉されている。従って、各電解質層２の中央凹部５１側に酸化剤ガス通路１０が画定され、各電解質層２の中央凹部５２側に燃料ガス通路１１が画定されている。各突起は、概ね全体に渡って金メッキ層により覆われ、電極端子を構成し、電解質層２の格子状フレーム２１に軽く押し付けられている。従って、各ガス拡散電極層３、４は、対応する配流板５に対して、互いに並列をなす多数の突起を介して、電気的に接続され、電解質層２と外部回路との間の確実な導通が確保される。
【００２９】
格子状フレーム２１と配流板５とは、様々な方法で接合することができる。特に、陽極接合が好ましく、その要領を以下に説明する。電解質層２の格子状フレーム２１の両面に於ける外周部全周に電極膜９及び例えばパイレックスガラス（登録商標）等の耐熱性硬質ガラスからなるガラス膜８をスパッタリング法により予め成膜しておく。また、同様に両配流板５の外周部全周に電極膜９を成膜しておく。次に、ナトリウムイオンが容易に移動可能となる４００℃程度の温度に上昇させて、これに電界をかけてイオンを移動させる。ところが、当該燃料電池では、固体電解質がポリマーである場合、全体を４００℃程度まで加熱すると固体電解質に損傷を与える虞がある。従って、本実施例では、両配流板５の外周部に、この外周部のみを部分的に加熱可能とするべく電極膜９の下層にヒータ（図示せず）を埋設した。このヒータとしては、例えば絶縁層としてＳｉ_３Ｎ_４に挟まれた多結晶Ｓｉを使用すると良い。このとき電極端子膜５５、５６がこのヒータの下層にもあるとヒータの熱利用効率が低下するので、この部分には配置しないことが好ましい。
【００３０】
上記格子状フレーム２１と配流板５を向かい合わせ、積層方向に１００ｇｆ／ｃｍ^２〜２，０００ｇｆ／ｃｍ^２程度の圧力を加える。また、多結晶Ｓｉヒータに通電し、接合部分を局所的に４００℃程度まで昇温させる。この状態で格子状フレーム２１と配流板５との間に１００Ｖ〜５００Ｖの電圧を１０分〜３０分印加する。
【００３１】
或いは、接着剤により格子状フレーム２１と両配流板５とを接着する構造としても良く、その場合でもパッキンによるシール構造や上記外力を加えるための締結構造がやはり不要になり、装置全体を小型化できる効果は同様に得られる。
【００３２】
このような各燃料電池セル１に燃料ガス及び酸化剤ガス（空気）を流すことにより、触媒（Ｐｔ）による電気化学反応が発生し、各電極端子膜５５、５６間に電位差が生じ、これを直列に接続したスタックとして、外部回路に所望の電圧の電源として供給することができる。
【００３３】
上記した燃料電池の燃料及び酸化剤はガスからなるものであったが、液体を含むものであって良い。
【００３４】
以上、本発明を特定の実施例について説明したが、当業者であれば、添付の請求の範囲に記載された本発明の技術分野から逸脱することなく本発明に様々な改変を加え得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用された燃料電池スタックの構造を示す分解斜視図。
【図２ａ】図１のＩＩａ−ＩＩａ線について見た部分拡大断面図。
【図２ｂ】図１のＩＩｂ−ＩＩｂ線について見た部分拡大断面図。
【図３ａ】本発明が適用された燃料電池セルの電解質層の製造手順を説明する断面図。
【図３ｂ】本発明が適用された燃料電池セルの電解質層の製造手順を説明する断面図。
【図３ｃ】本発明が適用された燃料電池セルの電解質層の製造手順を説明する断面図。
【図４ａ】本発明が適用された燃料電池セルの配流板の製造手順を説明する断面図。
【図４ｂ】本発明が適用された燃料電池セルの配流板の製造手順を説明する断面図。
【図４ｃ】本発明が適用された燃料電池セルの配流板の製造手順を説明する断面図。

Claims (8)

1. 電解質層（２）と、前記電解質層を挟む対をなすガス拡散電極層（３，４）と、前記各ガス拡散電極層に接する燃料ガス及び酸化剤ガスの通路（１０，１１）を画定するための対をなす配流板（５）とを有する少なくとも１つのセルから構成された燃料電池であって、
   前記各配流板が、基板をエッチング処理することにより形成されていることを特徴とする燃料電池。
2. 前記電解質層（２）が、多数の通孔（２１ｂ）を有する格子（２１ａ）を備えた格子状フレーム（２１）と、前記各通孔に保持された電解質（２２）とを有し、
   前記格子状フレームも基板をエッチング処理することにより形成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。
3. 電解質層（２）と、前記電解質層を挟む対をなすガス拡散電極層（３，４）と、前記各ガス拡散電極層に接する燃料ガス及び酸化剤ガスの通路を画定するための対をなす配流板とを有する少なくとも１つのセルから構成された燃料電池であって、
   前記電解質層が（２）、多数の通孔（２１ｂ）を有する格子（２１ａ）を備えた格子状フレーム（２１）と、前記各通孔に保持された電解質（２２）とを有することを特徴とする燃料電池。
4. 前記格子状フレームの格子に、前記電解質を保持するための突起（２１ｃ）が前記各通孔内に位置するように設けられていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
5. 前記格子状フレームがシリコン基板からなり、その厚み方向中間部が狭くなるように両面から異方性エッチングすることにより前記多数の通孔及び前記突起が形成されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
6. 前記各配流板が、中央凹部（５１，５２）と、該中央凹部に設けられた多数の突起（５３，５４）とを有し、
   前記各配流板の前記各突起が前記各ガス拡散電極層に当接するように、前記各配流板の前記各突起と前記格子状フレームの格子とに前記各ガス拡散電極層が挟まれていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
7. 前記各配流板の突起に前記ガス拡散電極層と外部回路とを電気的に接続するための電極端子（５５，５６）が設けられていることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
8. 前記各配流板がシリコン基板からなり、異方性エッチングすることにより前記配流板の突起が四角錐台をなすように前記中央凹部及び前記配流板の突起が形成されていることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。

Images