JP2005174621A - 燃料電池部材とその製造方法およびそれを用いた燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】
しかしながら高い電流密度を取り出す際には生成水の排出が不充分であり、カソード電極上や拡散層内に生成水が蓄積することで酸化剤の供給が妨げられてしまい、出力が低下してしまう。また携帯機器用電源として使用する場合には、作動温度が低いため生成水が結露しやすく、同様の問題が発生する。更に液体であるメタノールを燃料とする場合には発生した二酸化炭素が気泡となり、アノード電極上や拡散層内に蓄積することでメタノールの供給が妨げられてしまう。
【解決手段】
電子伝導性を有した材料を骨格材とする燃料電池用拡散層において、前記骨格材に複数個の貫通孔を設けることである。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に好適な拡散層に関する。

近年、化石燃料の大量消費による地球温暖化・環境汚染問題は深刻な問題となっている。この問題に対する対処手段として、化石燃料を燃やす内燃機関に代わり、固体高分子型燃料電池を始めとする水素やメタノール等を燃料とし、酸素やこれを含む空気等を酸化剤とした燃料電池が注目を集めている。

こうした燃料電池は、一般的に電解質層の両面にアノード電極，カソード電極となる電極触媒層が配置された構造を中心に構成されている。ここでアノード電極，カソード電極の電解質層とは反対の面には、燃料である水素やメタノールあるいは空気や酸素の拡散を潤滑に行うために拡散層が配置される。したがって拡散層は、内部に多数の孔を持つ材料が用いられる。また同時に電子伝導性も要求されるため、現状ではカーボンペーパーやカーボンクロスが用いられている。カソード電極側においては水が生成するため、これを排出するためにカーボンペーパーやカーボンクロスに撥水処理が施されている。

しかしながら高い電流密度を取り出す際には生成水の排出が不充分であり、カソード電極上や拡散層内に生成水が蓄積することで酸化剤の供給が妨げられてしまい、出力が低下してしまう。また携帯機器用電源として使用する場合には、作動温度が低いため生成水が結露しやすく、同様の問題が発生する。更に液体であるメタノールを燃料とする場合には発生した二酸化炭素が気泡となり、アノード電極上や拡散層内に蓄積することでメタノールの供給が妨げられてしまう。

本発明は前記課題を解決するためのものであり、生成物である水や二酸化炭素の排出を容易にすると同時に酸化剤や液体燃料の高い供給能力をもつ燃料電池用拡散層に関するものである。

前記課題を解決するための手段は、電子伝導性を有した材料を骨格材とする燃料電池用拡散層において、前記骨格材に複数個の貫通孔を設けることである。

以上のように、本発明の燃料電池用拡散層を用いることで生成物である水や二酸化炭素の排出が容易になり、高出力密度の燃料電池を提供することができる。

以下、本発明にかかる発明の実施の形態を示す。

図１に本実施例に係る燃料電池用拡散層の断面模式図を示す。骨格材１０１に貫通孔
１０２が設けられる。貫通孔１０２は、生成物である水や二酸化炭素の排出経路となり、電極上や拡散層内に蓄積することを防ぐ役割をする。ここで骨格材１０１は電子伝導性を有するものが必要であり、例えばカーボンペーパー，カーボンクロスを用いることができる。骨格材の厚さは５０μｍ〜５mm程度が望ましく、これより薄いと機械的強度が不足し、これより厚いと燃料や酸化剤の拡散性が低くなってしまう。また貫通孔１０２の直径は、１００ｎｍから１mm程度が好ましく、更に好ましくは１〜１００μｍ程度が良い。直径が小さすぎると、拡散性向上の効果が得られにくく、大きすぎると骨格材の強度を低下させてしまうだけでなく、貫通孔１０２の密度を上げることができなくなり、電極全体に均一な効果が得られなくなってしまう。ここで貫通孔１０２は必ずしも円形である必要は無く、楕円，多角形，非対称形であっても良い。前述の直径は円形に近似したときの値と考える。貫通孔１０２同士の平均近接距離は、最大直径の０.５ 〜１００倍程度が好ましい。貫通孔１０２同士の距離が近すぎると、骨格材１０１の強度を低下させてしまうし、距離が遠すぎると拡散性向上の効果が得られにくい。本実施例に係る燃料電池用拡散層の製造法は、例えば微小突起を有した型を押し当てる方法を用いることができる。微小突起を有した型を押し当てることで、骨格材１０１は打ち抜きあるいは塑性変形効果によって貫通孔１０２を得ることができる。ここで微小突起群を有した型の材質は特に規定されるものではないが、骨格材１０１を打ち抜いたり塑性変形させたりできる強度がある金属等が望ましい。図２に微小突起群を有した型の走査型電子顕微鏡写真を示す。微小突起２０１の中心地点の直径は約２００ｎｍ、高さは約１μｍであり、材質はニッケルである。また貫通孔３０２は、図３に示す様に、骨格材３０１の一方の面と他方の面の直径が異なっていることが好ましく、直径が小さい方の面を電極に接するように配置することが良い。これは電極から離れるほど生成物が凝集するため、その排出を容易に行うためである。本実施例の燃料電池用拡散層をカソード電極側に用いる場合には、撥水処理を施すことで更なる効果が得られる。撥水処理は、例えばポリテトラフルオロエチレン分散液を含浸，乾燥させることやカーボンブラックとポリテトラフルオロエチレン分散液の混合溶液を塗布，乾燥することで行うことができる。

図３に本実施例に係る燃料電池の模式図を示す。前記燃料電池は、アノード電極４０２とカソード電極４０３とその中間に位置する電解質層４０１を中心に構成され、アノード電極４０２とカソード電極４０３の外側には本実施例に係る拡散層４０４，４０５が備えられ、更に外側には集電体４０６，４０７が配置される。アノード電極４０２側には、水素やメタノール水溶液等を主成分とする燃料４０８が供給され、二酸化炭素４０９が排出される。カソード電極４０３側には、酸素，空気等が酸化ガス４１０として供給され、導入した気体中の未反応気体と、水とを含む排ガス４１１が排出される。また集電体４０６，４０７は外部回路４１２へ接続される。

以下に実施の形態を示す。本実施例は直接メタノール型燃料電池の例で示すがこれに限定されるものではなく、水素を燃料とした固体高分子型燃料電池を始めとした他の燃料電池にも適用可能である。

厚さ２００μｍのカーボンペーパーに、平均直径２５μｍ，高さ２５０μｍ，平均近接距離５０μｍの微小突起群をもつニッケル製金型を押し当て、貫通孔を複数個作製し、本実施例に係る燃料電池用拡散層を作製した。このとき得られた貫通孔の平均直径は２５
μｍであった。この貫通孔により、生成物である水，二酸化炭素の排出が容易となる。一方、パーフルオロスルホン酸膜の片面に、白金−ルテニウムを５０重量％となるようにカーボンブラックに担持した触媒を、バインダー（パーフルオロスルホン酸）を用いて塗布することでアノード電極とし、他面に白金を５０重量％となるようにカーボンブラックに担持した触媒を、バインダー（パーフルオロスルホン酸）を用いて塗布することでカソード電極とし、膜／電極接合体を得た。得られた膜／電極接合体は事前に圧力５０kg／cm²，１２０℃で２分間ホットプレスを行った。本実施例に係る燃料電池用拡散層を前記膜／電極接合体のアノード電極，カソード電極の外側に配置することで燃料電池を作成した。
〔比較例１〕
貫通孔を持たないカーボンペーパーを用いる以外は実施例１と同様とした。

厚さ２００μｍのカーボンペーパーに、根元平均直径２５μｍ，高さ２５０μｍ，平均近接距離５０μｍで、先端ほど細くなる形状の微小突起群をもつニッケル製金型を押し当て、貫通孔を複数個作製し、本実施例に係る燃料電池用拡散層を作製した。ここで得られた本実施例に係る燃料電池用拡散層の貫通孔は、一方の面における平均直径が２５μｍ、他方の面における平均直径が１０μｍであった。これを実施例１と同様にして作製した膜／電極接合体の外側に、平均直径が１０μｍの面が接するようにして配置することで燃料電池を作成した。

実施例２と同様の方法で作製した燃料電池用拡散層を、１０重量％のポリテトラフルオロエチレンと微量の界面活性剤を含む水溶液に３０分間浸し、その後大気中、３００℃で１時間焼成することで、本実施例に係る燃料電池用拡散層を得た。これを実施例２と同様にして作製した膜／電極接合体のカソード電極の外側に、平均直径が１０μｍの面が接するようにして配置する以外は実施例２と同様とし、燃料電池を作成した。

実施例１〜３および比較例１で作製した燃料電池の性能を測定した。測定の際にはアノード極側には５ｗｔ％のメタノール水溶液を５ｍｌ／min の条件で供給し、カソード極側には空気を２００ｍｌ／min の条件で供給した。測定は室温で行い、ポテンショスタットを用いて電流を変化させながらその時の電圧を読取った。表１に、電流密度１００ｍＡ／cm² におけるそれぞれの電圧を示す。実施例３の燃料電池が最も高い電圧を示し、性能が高かった。実施例１，実施例２も比較例１に比べ高い電圧を示した。また比較例１の燃料電池は、電流密度１００ｍＡ／cm² を流しつづけると徐々に電圧が降下し始めたが、実施例１〜３の燃料電池ではその降下の度合いが小さかった。

本実施例に係る燃料電池を用いた携帯用電子機器の模式図を図５に示す。携帯用電子機器５０１に接続された、表示部５０２の背面に燃料電池５０３が配置されている。ここで携帯用電子機器５０１や表示部５０２は、燃料電池単独、あるいは他の電源との併用で駆動される。前記のような携燃料電池を用いた携帯用電子機器に、実施例１〜３の燃料電池用拡散層を用いることで、燃料電池の出力密度を向上させることができるため、軽量で小型な燃料電池を用いた携帯用電子機器を提供することができる。

本実施例に係る燃料電池用拡散層の模式図。 本実施例に係る微小突起群を有した型。 本実施例に係る燃料電池用拡散層の模式図。 本実施例に係る燃料電池の模式図。 本実施例に係る燃料電池を用いた携帯用電子機器の模式図。

符号の説明

１０１，３０１…骨格材、１０２，３０２…貫通孔、２０１…微小突起、４０１…電解質層、４０２…アノード電極、４０３…カソード電極、４０４，４０５…拡散層、４０６，４０７…集電体、４０８…燃料、４０９…二酸化炭素、４１０…酸化ガス、４１１…排ガス、４１２…外部回路、５０１…携帯用電子機器、５０２…表示部、５０３…燃料電池。

Claims (13)

1. 電子伝導性を有した材料を骨格材とする燃料電池用拡散層において、前記骨格材が複数個の貫通孔を有することを特徴とする燃料電池用拡散層。
2. 請求項１に記載の燃料電池用拡散層において、前記骨格材が炭素であることを特徴とする燃料電池用拡散層。
3. 請求項２に記載の燃料電池用拡散層において、前記貫通孔の平均直径が１００ｎｍ〜１mmであることを特徴とする燃料電池用拡散層。
4. 請求項３に記載の燃料電池用拡散層において、前記貫通孔の平均直径が１〜１００μｍであることを特徴とする燃料電池用拡散層。
5. 請求項４に記載の燃料電池用拡散層において、前記貫通孔の一方の面における直径が他方の面の直径と異なることを特徴とする燃料電池用拡散層。
6. 請求項５に記載の燃料電池用拡散層において、前記貫通孔の平均近接距離が直径の0.5〜１００倍であることを特徴とする燃料電池用拡散層。
7. 請求項６に記載の燃料電池用拡散層において、前記骨格材の厚さが１０μｍ〜５mmであることを特徴とする燃料電池用拡散層。
8. 請求項１に記載の燃料電池用拡散層において、前記骨格材が撥水処理されていることを特徴とする燃料電池用拡散層。
9. 請求項１に記載の燃料電池用拡散層において、前記貫通孔の内側が撥水性処理されている特徴とする燃料電池用拡散層。
10. 電子伝導性を有した材料を骨格材とする燃料電池用拡散層に、微小突起群を有した型を押し当てることで、前記燃料電池用拡散層に貫通孔を形成することを特徴とする燃料電池用拡散層の形成方法。
11. 電解質層と、該電解質層の両面に配置された触媒を含むアノード電極とカソード電極と、前記アノード電極とカソード電極にそれぞれ接した拡散層と、前記拡散層にそれぞれ接した集電体からなる燃料電池において、前記拡散層の少なくとも一方が請求項１に記載の燃料電池用拡散層であることを特徴とする燃料電池。
12. 請求項１１に記載の燃料電池が固体高分子型燃料電池であることを特徴とする燃料電池。
13. 請求項１２に記載の燃料電池を備えた携帯用電子機器。
    

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