JP2005150008A

JP2005150008A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2005150008A
Application number: JP2003389053A
Authority: JP
Inventors: Masaya Yano; 雅也矢野; Masakazu Sugimoto; 正和杉本
Original assignee: Nitto Denko Corp
Current assignee: Nitto Denko Corp
Priority date: 2003-11-19
Filing date: 2003-11-19
Publication date: 2005-06-09
Also published as: CN100392906C; CN1894814A

Abstract

【課題】単位セルごとに確実に封止を行うことができ、これによって薄型化が可能となり、メンテナンスも容易になり、しかも小型軽量かつ自由な形状設計が可能な燃料電池を提供する。
【解決手段】板状の固体高分子電解質１と、その固体高分子電解質１の両側に配置され外面に流路溝２ａ，３ａが形成された一対の電極板２，３とを備える燃料電池において、前記電極板２，３の両側に配置され、前記流路溝２ａ，３ａに連通する注入口４ｃ，５ｃ及び排出口が設けられた一対の金属板４，５を備え、その金属板４，５の周縁が絶縁材料６を介在させつつカシメにより封止されていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

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高分子型燃料電池に関する。

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、図６に示すものが知られている（例えば、非特許文献１参照）。

即ち、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。各々のセパレータ１０４にはガス流路溝が形成されており、アノード１０１との接触により、還元ガス（例えば、水素ガス）の流路が形成され、カソード１０２との接触により、酸化ガス（例えば、酸素ガス）の流路が形成される。各々のガスは、単位セル１０５内の各流路を流通しながら、アノード１０１又はカソード１０２の内部に担持された触媒の作用により電極反応（電極における化学反応）に供され、電流の発生とイオン伝導が生じる。

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を構成し、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。

一方、近年のＩＴ技術の活発化に伴い、携帯電話、ノートパソコン、デジカメなどモバイル機器が頻繁に使用される傾向があるが、これらの電源は、ほとんどリチウムイオン二次電池が用いられている。ところが、モバイル機器の高機能化に伴って消費電力がどんどん増大し、その電源用としてクリーンで高効率な燃料電池が注目されてきている。

しかしながら、図６に示すような従来の構造では、構造に自由度が無いため、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に難があり、メンテナス性が悪いという問題もあった。また、燃料電池セル内で酸化還元ガスを相互に混合させないように供給し、かつ、密閉化することが難しく、これらの条件を満たしながら、燃料電池セルの大きさや重量を低減化することは困難であった。つまり、従来、セル部品をボルト及びナットの締結部品で相互結合して、セル部品に一定の圧力を加えていたため、シール性を確保する上で、各部材の剛性を高める必要性があり、どうしても薄型化、小型化、軽量化、自由な形状設計が困難であった。それに加えて、燃料電池で高出力を得るには、酸化還元ガスの流路を確保する必要があり、薄型化する際にその流路をプレス機等でエンドプレート（セパレータ）に形成すると、どうしても燃料電池セルの総厚が増し、かつ、積層する際に流路がエンドプレート表面に形成されているため、どうしても積層が困難であった。

他方、燃料電池のセル内のガス流路溝をセパレータ側ではなく、アノードとカソード側に形成した燃料電池も知られている（例えば、特許文献１参照）。この構造によると、セパレータを平坦化できるという利点がある。

しかしながら、この燃料電池の構造も、上記従来技術と同様に、セル部品を締結部品で相互結合して一定の圧力を加える構造であるため、シール性を確保する上で、各部材の剛性を高める必要性があり、どうしても薄型化、小型化、軽量化、自由な形状設計が困難であった。
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特開２０００−６７８７６号公報

そこで、本発明の目的は、単位セルごとに確実に封止を行うことができ、これによって薄型化が可能となり、メンテナンスも容易になり、しかも小型軽量かつ自由な形状設計が可能な燃料電池を提供することにある。

上記目的は、下記の如き本発明により達成できる。

即ち、本発明の燃料電池は、板状の固体高分子電解質と、その固体高分子電解質の両側に配置され外面に流路溝が形成された一対の電極板とを備える燃料電池において、前記電極板の両側に配置され、前記流路溝に連通する注入口及び排出口が設けられた一対の金属板を備え、その金属板の周縁が絶縁材料を介在させつつカシメにより封止されていることを特徴とする。

本発明の燃料電池によると、外面に流路溝が形成された電極板と金属板との接触により、ガスの注入口及び排出口に連通するガス流路を形成でき、各々の電極板で電極反応を生じさせることができ、金属板から電流を取り出すことができる。また、金属板の周縁が絶縁材料を介在させつつカシメにより封止されているため、両者の短絡を防止しながら、厚みをさほど増加させずに単位セルごとに確実に封止を行うことができる。これによってメンテナンスも容易になり、しかも図６に示す従来構造と比較してセル部材に剛性が要求されないため、各単位セルを大幅に薄型化することができる。更に、固体高分子電解質や金属板を使用するため、自由な平面形状や屈曲が可能となり、小型軽量かつ自由な形状設計が可能となる。

上記において、前記電極板は、繊維質カーボンの集合体の少なくとも片面に触媒が担持され、その他面に、レーザ照射によって前記繊維質カーボンが除去された流路溝が形成されていることが好ましい。

繊維質カーボンの集合体を電極材として使用することにより、ガスの拡散性や集電効率が良好になり、担持された触媒によって電極反応を促進することができる。また、繊維質カーボンはレーザ照射などの方法によって微細加工することができ、繊維質カーボンが除去された流路溝が形成されるため、プレス加工により得られる電極板と比較して、ガスの拡散性を維持しながら、微細なガス流路を形成することができる。従って、より薄型化した電極板とすることができ、単位セルごとに確実に封止を行うことと併せて、より薄型化が可能となる。

また、前記固体高分子電解質、一対の電極板、及び一対の金属板で単位セルを構成し、この単位セルを複数積層してあることが好ましい。これによると各々の単位セルを薄型化できるため、全体として高出力の燃料電池を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の燃料電池の単位セルの一例を示す組み立て斜視図であり、図２は、本発明の燃料電池の単位セルの一例を示す正面視断面図である。

本発明の燃料電池は、図１〜図２に示すように、板状の固体高分子電解質１と、その固体高分子電解質１の両側に配置され外面に流路溝２ａ，３ａが形成された一対の電極板２，３とを備えるものである。

固体高分子電解質１としては、従来の固体高分子膜型電池に用いられるものであれば何れでもよいが、化学的安定性及び導電性の点から、超強酸であるスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体からなる陽イオン交換膜が好適に用いられる。このような陽イオン交換膜としては、ナフィオン（登録商標）が好適に用いられる。

その他、例えば、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂からなる多孔質膜に上記ナフィオンや他のイオン伝導性物質を含浸させたものや、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂からなる多孔質膜や不織布に上記ナフィオンや他のイオン伝導性物質を担持させたものでもよい。

固体高分子電解質１の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、イオン伝導機能、強度、ハンドリング性などを考慮すると、１０〜３００μｍが使用可能であるが、２５〜５０μｍが好ましい。

電極板２，３は、ガス拡散層としての機能を発揮して、燃料ガスや、酸化ガス及び水蒸気の供給・排出を行なうと同時に、集電の機能を発揮するものが使用できる。電極板２，３としては、同一又は異なるものが使用でき、その基材には電極触媒作用を有する触媒を担持させることが好ましい。触媒は、固体高分子電解質１と接する内面２ｂ，３ｂに少なくとも担持させるのが好ましい。

電極基材としては、例えば、カーボンペーパー、カーボン繊維不織布などの繊維質カーボン、導電性高分子繊維の集合体などの電導性多孔質材が使用できる。一般に、電極板２，３は、このような電導性多孔質材にフッ素樹脂等の撥水性物質を添加して作製されるものであって、触媒を担持させる場合、白金微粒子などの触媒とフッ素樹脂等の撥水性物質とを混合し、これに溶媒を混合して、ペースト状或いはインク状とした後、これを固体高分子電解質膜と対向すべき電極基材の片面に塗布して形成される。

一般に、電極板２，３や固体高分子電解質１は、燃料電池に供給される還元ガスと酸化ガスに応じた設計がなされる。本発明では、酸化ガスとして酸素ガスや空気が用いられると共に、還元ガスとして水素ガスや用いられる。また、還元ガスの代わりに、メタノールやジメチルエーテル等を用いることもできる。

例えば、水素ガスと空気を使用する場合、空気を供給する側の電極（空気極）では、酸素と水素イオンの反応が生じて水が生成するため、かかる電極反応に応じた設計をするのが好ましい。特に、低作動温度、高電流密度及び高ガス利用率の運転条件では、特に水が生成する空気極において水蒸気の凝縮による電極多孔体の閉塞（フラッディング）現象が起こりやすい。したがって、長期にわたって燃料電池の安定な特性を得るためには、フラッディング現象が起こらないように電極の撥水性を確保することが有効である。

触媒としては、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、銀、ニッケル、鉄、銅、コバルト及びモリブデンから選ばれる少なくとも１種の金属か、又はその酸化物が使用でき、これらの触媒をカーボンブラック等に予め担持させたものも使用できる。

電極板２，３の外面に流路溝２ａ，３ａを形成する方法としては、加熱プレスや切削などの機械的な方法でもよいが、微細加工を好適に行う上で、レーザ照射によって溝加工を行うことが好ましい。レーザ照射を行う観点からも、電極板２，３の基材としては、繊維質カーボンの集合体が好ましい。

電極板２，３の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、電極反応、強度、ハンドリング性などを考慮すると、５０〜５００μｍが使用可能であるが、２００〜３５０μｍが好ましい。また、流路溝２ａ，３ａの深さは、十分な流路を確保する上で１００〜５００μｍが好ましい。

電極板２，３と固体高分子電解質１とは、予め接着、融着等を行って積層一体化しておいてもよいが、単に積層配置されているだけでもよい。このような積層体は、薄膜電極組立体（ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）として入手することもでき、各々の電極表面に流路溝２ａ，３ａを形成してもよい。

前記電極板２，３の両側には、一対の金属板４，５が配置され、金属板４，５には流路溝２ａ，３ａに連通する注入口４ｃ，５ｃ及び排出口４ｄ，５ｄが設けられている。注入口４ｃ，５ｃ及び排出口４ｄ，５ｄは、それぞれ１個又は複数を形成することができる。

金属板４，５としては、電極反応に悪影響がないものであれば何れの金属も使用できる。但し、強度、耐腐食性、伸び、弾性率、重量などの観点から、ステンレス板、ニッケルなどが好ましい。

金属板４，５の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、強度、伸び、弾性率、重量、ハンドリング性などを考慮すると、５０〜３００μｍが好ましい。

本発明では、金属板４，５の周縁は、絶縁材料６を介在させつつカシメにより封止されている。本発明では、カシメを行う際、図２に示すように、金属板４，５の周縁によって固体高分子電解質１を挟持する構造が好ましく、絶縁材料６を介在させつつ固体高分子電解質１を挟持する構造がより好ましい。このような構造によると、電極板２，３の一方から他方へのガス等の流入を効果的に防止することができる。

絶縁材料６としては、シート状の樹脂、ゴム、熱可塑性エラストマー、セラミックスなどが使用できるが、シール性を高める上で、樹脂、ゴム、熱可塑性エラストマーなどが好ましい。絶縁材料６は、金属板４，５の周縁に粘着テープを貼着したり、塗布したりして、予め金属板４，５に一体化しておくことも可能である。

カシメ構造としては、シール性や製造の容易性、厚み等の観点から図２に示すものが好ましい。つまり、一方の金属板５の外縁部５ａを他方の外縁部４ａより大きくしておき、絶縁材料６を介在させつつ、一方の金属板５の外縁部５を他方の金属板４の外縁部４ａを挟圧するように折り返したカシメ構造が好ましい。このカシメ構造では、プレス加工等によって、金属板４の外縁部４ａに段差を設けておくのが好ましい。このようなカシメ構造自体は金属加工として公知であり、公知のカシメ装置によって、それを形成することができる。

また、図３（ａ）に示すカシメ構造ものでもよく、このカシメ構造は、両方の金属板４，５の外縁部４ａ，５ａを折り返したカシメ構造である。なお、この単位セルＵＣでは、各々の電極板２，３から拡散したガスが混合しないように、金属板４，５の各々と固体高分子電解質１との間に、シール部材Ｓを介在させている。

更に、図３（ｂ）に示すカシメ構造ものでもよく、このカシメ構造は、両方の金属板４，５の外縁部４ａ，５ａを折り返さずに、別の金属板７によって、各々の金属板４，５を絶縁する絶縁材料６ａ，６ｂを介して、挟圧したカシメ構造である。なお、カシメ構造では、両者の金属板４，５をプレス加工せずに平板のまま使用することも可能である。

本発明では、図２に示すような単位セルＵＣを１個又は複数個使用することができるが、固体高分子電解質１、一対の電極板２，３、及び一対の金属板４，５で単位セルＵＣを構成し、この単位セルＵＣを複数積層してあることが好ましい。本発明によると、ボルト及びナットの締結部品で相互結合して、セル部品に一定の圧力を加えなくても、高出力の燃料電池を提供することができる。

複数積層する場合、単位セルＵＣどうしの間に、ガス等の流路を形成できるスペーサを設けて積層することも可能であるが、図４に示すように、スペーサを介在させずに積層することが薄型化や設計の自由度の点から好ましい。

図４に示す実施形態では、単位セルＵＣ（金属板４，５）の一辺付近に水素ガス等の注入口４ｃ及び排出口４ｄを設け、対向する一辺の裏側に空気等の注入口５ｃ及び排出口５ｄを設けておき、これらが露出するように各々の単位セルＵＣをずらして積層している。この状態で図４（ｂ）に示すように、主管１１から分岐管１２が分岐したチューブ１０の分岐管１２を注入口４ｃに接続することで、水素ガス等の注入を行うことができる。このようなチューブ１０を注入口５ｃ、排出口４ｄ、排出口５ｄに接続することで、酸化ガスと還元ガスの注入・排出が可能となる。

一方、金属板同士が接触することで、単位セルＵＣが直列に接続されることになり、両端の単位セルＵＣから、積層数に応じた電圧の電流を取り出すことができる。また、複数の単位セルＵＣごとスペーサを設けて（図示省略）、単位セルＵＣごとに電流を取り出すことも可能である。

本発明の燃料電池は、薄型化が可能で小型軽量かつ自由な形状設計が可能なため、特に、携帯電話、ノートＰＣ等のモバイル機器に好適に使用することができる。

以下、本発明の構成と効果を具体的に示す実施例等について説明する。

〔実施例〕
耐食性を有するＳＵＳ（５０ｍｍ×２６ｍｍ×０．０８ｍｍ厚）を用い、そして絶縁シート（５０ｍｍ×２６ｍｍ×２ｍｍ幅、厚み７０μｍ）をＳＵＳに張り合わせた。また、薄膜電極組立体（４９．３ｍｍ×２５．３ｍｍ）は、下記のようにして作製した。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。この白金触媒と、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。カーボンペーパー（東レ製ＴＧＰ−Ｈ−９０、厚み３７０μｍ）を２０ｍｍ×４３ｍｍ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／ｃｍ²である。

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の触媒層と反対側に半導体レーザを用い溝加工（幅：２．３ｍｍ、深さO ．２ｍｍ、間隔：２．３ｍｍ）を施した。そして、固体高分子電解質（陽イオン交換膜）としてナフィオンフィルム（デュポン社製ナフィオン１１２）（２５．３ｍｍ×４９．３ｍｍ、厚み５０μｍ）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。こうして得られた薄膜電極組立体を上記のＳＵＳ板２枚の中央で挟み込み、図２に示すようにカシメ合わせることで、外寸５０ｍｍ×２６ｍｍ×１．０ｍｍ厚という薄型小型のマイクロ燃料電池を得る事ができた。

このマイクロ燃料電池の電池特性を評価した。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、０．２Ｌ／ｍｉｎとした。得られた最大出力密度は、電極面積当たり３８０ｍＷ／ｃｍ²であった（図５）。そして６個の燃料電池セルを積層することで直列接続となり、燃料電池として１７．５Ｗの出力が得られた。本発明の特長は、厚さ１．０ｍｍで薄くかつ単位電極面積当たり３８０ｍＷ／ｃｍ²と高出力が得られ、エンドプレートが平面であるために、容易に積層でき直列接続できるというところにある。

本発明の燃料電池の単位セルの一例を示す組み立て斜視図本発明の燃料電池の単位セルの一例を示す正面視断面図本発明の燃料電池のカシメ構造の他の例を示す要部断面図本発明の燃料電池の単位セルの積層状態の一例を示す図であり、（ａ）はチューブ取付前の斜視図、（ｂ）はチューブ取付後の要部正面図本発明の実施例で得られた燃料電池の電圧と出力の関係を示すグラフ従来の燃料電池の一例を示す組み立て斜視図

符号の説明

１固体高分子電解質
２，３電極板
２ａ，３ａ流路溝
４，５金属板
４ｃ，５ｃ注入口
４ｄ，５ｄ排出口
６絶縁材料

Claims

板状の固体高分子電解質と、その固体高分子電解質の両側に配置され外面に流路溝が形成された一対の電極板とを備える燃料電池において、
前記電極板の両側に配置され、前記流路溝に連通する注入口及び排出口が設けられた一対の金属板を備え、その金属板の周縁が絶縁材料を介在させつつカシメにより封止されていることを特徴とする燃料電池。
前記電極板は、繊維質カーボンの集合体の少なくとも片面に触媒が担持され、その他面に、レーザ照射によって前記繊維質カーボンが除去された流路溝が形成されている請求項１記載の燃料電池。
前記固体高分子電解質、一対の電極板、及び一対の金属板で単位セルを構成し、この単位セルを複数積層してある請求項１又は２に記載の燃料電池。