JP2005322477A - 高分子電解質形燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 コンパクトな小型電源として利用できる高分子電解質形燃料電池を提供する。
【解決手段】 高分子電解質１０と、燃料極１１及び空気極１２を有する少なくとも一つの電極体１３と、高分子電解質１０及び電極体１３を一方面に支持する基材２１とを備え、高分子電解質１０を挟んで、その両側に高分子電解質１０と接するよう燃料極１１と空気極１２とが対向配置されている、高分子電解質形燃料電池。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ）に関する。

現在、地球規模で環境問題、エネルギー問題が大きな課題となっているが、その解決に貢献しうる次世代の有力な発電装置として、燃料電池が注目されている。燃料電池は、それを構成する電解質の種類により、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、高分子電解質形などに分類されるが、中でも高分子電解質形燃料電池は、他の方式に比べて、出力密度が高く、１００℃程度の低温で作動できるという特徴を有するため、自動車用電源、家庭用据置型電源、又は携帯機器用電源として、次世代の主力を担うシステムと位置付けられている。

高分子電解質形燃料電池の基本構造は、高分子電解質膜の両側に触媒が担持された電極を配置した構造であり、これを単電池セルとして、その外側に、燃料、酸素の通路となる一対のセパレータを設置するとともに、隣り合う単電池セルを相互に連結することで、所望の電力を取り出せるよう構成される（例えば、特許文献１参照）。
特開平５−１９０１９３号公報

ところで、特許文献１に開示されている高分子電解質形燃料電池において、高い発電性能を得るためには、単電池セルを複数個接続して使用する必要がある。ところが、これら複数の単電池セルは積層することで接続しなければならないため、セルの数が増えるとかさ高になり、コンパクト性に欠けるという問題があった。

本発明は、このような問題を解決すべくなされたものであって、コンパクトな小型電源として利用できる高分子電解質形燃料電池を提供することを目的とする。

本発明の上記目的は、高分子電解質と、燃料極及び空気極を有する少なくとも一つの電極体と、前記高分子電解質及び電極体を一方面に支持する基材とを備え、前記高分子電解質を挟んで、その両側に前記高分子電解質と接するよう前記燃料極と空気極とが対向配置されている、第１の高分子電解質形燃料電池により達成される。

この第１の高分子電解質形燃料電池において、前記基材の他方面に、前記高分子電解質と、前記燃料極及び空気極を有する少なくとも１つの電極体とが配置されていることが好ましい。

また、前記高分子電解質及び電極体を、前記基材との間に挟む蓋体をさらに備えており、前記高分子電解質は、前記基材及び蓋体の双方に接触することが好ましい。

また、前記基材及び蓋体のいずれかに、前記燃料極に燃料を供給する供給孔、及び前記空気極に酸化剤ガスを供給する供給孔が形成されていることが好ましい。

また、本発明の上記目的は、高分子電解質と、燃料極及び空気極を有する少なくとも一つの電極体と、前記高分子電解質及び電極体を一方面に支持する基材とを備え、前記高分子電解質を挟んでその両側には、当該高分子電解質によって気密に仕切られた一対の収納室が形成されており、前記燃料極及び空気極は、前記各収納室内にそれぞれ配置され、前記高分子電解質と接触し互いに対向している、第２の高分子電解質形燃料電池により達成される。

この第２の高分子電解質形燃料電池において、前記基材の他方面に、高分子電解質と、燃料極及び空気極を有する少なくとも一つの電極体とが配置されており、当該基材の他方面において、前記高分子電解質を挟んでその両側には、当該高分子電解質によって気密に仕切られた一対の収納室が形成されており、前記燃料極及び空気極は、前記各収納室内にそれぞれ配置され、前記高分子電解質と接触し互いに対向していることが好ましい。

また、前記高分子電解質及び電極体を、前記基材との間に挟む蓋体をさらに備えており、 前記高分子電解質は、前記基材及び蓋体の双方に接触することで前記収納室を形成することが好ましい。

また、前記基材及び蓋体のいずれかに、前記燃料極に燃料を供給する供給孔、及び前記空気極に酸化剤ガスを供給する供給孔が形成されていることが好ましい。

また、第１及び第２の高分子電解質形燃料電池においては、次のように構成することが好ましい。すなわち、前記電極体が前記基材上に複数個配置されており、当該各電極体を構成する電極は、隣接する電極体の電極と所定間隔をおいて配置されていることが好ましい。

また、前記電極体を複数個配置するときは、前記隣接する電極体間において燃料極と空気極とを接続するインターコネクタをさらに備えていることが好ましい。

また、前記高分子電解質の前記燃料極及び空気極による挟持方向の幅が、1〜５００μm程度であることが好ましい。

また、前記高分子電解質が水素イオン伝導性高分子であることが好ましい。

本発明によれば、コンパクトな小型電源として利用できる高分子電解質形燃料電池を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態にかかる高分子電解質形燃料電池の平面図（ａ）、Ａ−Ａ線矢視断面図（ｂ）及びＢ−Ｂ線矢視断面図（ｃ）である。

図１（ｂ）に示すように、本実施形態に係る高分子電解質形燃料電池１は、高分子電解質１０と、燃料極１１及び空気極１２を有する複数の電極体１３とを備えており、これらは矩形状のシート材からなる基材２１と蓋体２２との間に配置されている。

高分子電解質１０は、基材２１の一方面に帯状に形成されており、この高分子電解質１０を挟んでその両側に一対の収納室１４，１５、つまり第1収納室１４及び第2収納室１５が形成されている。第1収納室１４は、燃料極１１を配置する燃料極用収納室であり、第2収納室１５は、空気極１２を配置する空気極用収納室である。また、蓋体２２は基材２１と平行に配置されて高分子電解質１０の上面と接触しており、この高分子電解質１０により第1収納室１４及び第2収納室１５は気密に仕切られている。

各電極体１３を構成する燃料極１１及び空気極１２は、高分子電解質１０と接触し互いに対向した状態で、第1収納室１４及び第2収納室１５にそれぞれ配置されている。すなわち、燃料極１１と空気極１２とは、互いに非接触状態で基材２１上に配置されている。〔注：追加いたしました。〕また、複数の電極体１３は、基材２１の延びる方向に所定間隔を置いて配置されている。すなわち、燃料極１１及び空気極１２は、隣接する電極体１３の燃料極１１及び空気極１２と所定間隔をおいて配置されている。また、燃料極１１及び空気極１２の基材２１からの高さは、高分子電解質１０の高さと同じ高さとなるように形成されている。

上記複数の電極体１３は、インターコネクタ１６によって直列に接続されている。すなわち、図１（ａ）に示すように、隣接する電極体１３間において、燃料極１１と空気極１２とがインターコネクタ１６により接続されている。また、インターコネクタ１６は、高分子電解質１０の上面を通るように配置されている。さらに、インターコネクタ１６により直列に結ばれた電極体１３の両端部に位置する燃料極１１及び空気極１２には電流を取り出すための集電部１７がそれぞれ形成されている。

ところで、後述するように、第1及び第２収納室１４，１５には、発電時に燃料及び酸化剤ガスがそれぞれ供給される。そのため、基材２１及び蓋体２２には、第１及び第２収納室１４，１５内に上述した燃料、或いは酸化剤ガスを導入するための複数の第1供給孔２３及び第２供給孔２４が形成されている。このとき、各供給孔２３，２４は、その一部が各電極１１，１２によってふさがれるように配置されており、これによって各電極１１，１２と燃料、或いは酸化剤ガスとの接触を良好なものとしている。

図１（ｂ）に示すように、高分子電解質１０の燃料極１１及び空気極１２による挟持方向の幅ｗは、高い出力が得られるようにできるだけ狭いことが好ましい。幅ｗが大きすぎると、高分子電解質１０の内部抵抗が大きくなって発電効率が低下するおそれがあるからである。かかる観点から幅ｗの上限は、５００μｍ以下が好ましく、２００μｍ以下が更に好ましく、５０μｍ以下が特に好ましい。一方、幅ｗの下限であるが、効率的な形成が難しくなること、及び燃料極１１と空気極１２とが接触して短絡が発生することを防止するため、１μｍ以上が好ましく、１０μｍ以上が更に好ましい。また、幅ｗが小さすぎる場合，燃料のクロスオーバーによる短絡や収納室１４，１５の気密不足が発生する可能性がある。

次に、上記高分子電解質形燃料電池１を構成する材料について説明する。基材２１及び蓋体２２は、高分子電解質１０、燃料極１１、空気極１２との密着性に優れ，かつ、電子導電性を有さない材料で形成されることが好ましい。具体的には、例えば、シリコンやクオーツ、導電性を有さない樹脂等を被覆した金属板、プラスチックフィルム等が使用できる。導電性を有さない樹脂等を被覆した金属板としては、例えば、ステンレス、鉄、銅、チタン等の金属またはそれらの合金をガラスエポキシ樹脂で被覆したものが上げられる。プラスチックフィルムとしては、例えば、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリエーテルサルホン、ポリエフェニレンサルファイド、ポリエーテルイミド、ポリアリレート等の高分子フィルムを挙げることができる。また、エチレンテトラフルオロ共重合体（ETFE）、テトラフルオロエチレンーヘキサフルオロプロピレン共重合体（FEP）、テトラフルオロパーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（PFA）、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）等の耐熱性フッ素樹脂を用いることもできる。

基材２１の厚みは特に限定されないが、強度面及びコスト面から１００μｍ〜５ｍｍ程度を例示することができる。

また、基材２１及び蓋体２２は、金属板としては、安価で加工が容易なステンレスが好ましく、高分子フィルムでは安価で耐熱安定性の面からもポリエチレンテレフタレートが好ましい。

高分子電解質１０の材料としては、公知の水素イオン伝導性高分子が使用でき、例えば、パーフルオロスルホン酸系のフッ素イオン交換樹脂、より具体的には、炭化水素系イオン交換膜のＣ−Ｈ結合をフッ素で置換したパーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマー（ＰＦＳ系ポリマー）等が挙げられる。このような水素イオン伝導性高分子電解質の具体例としては、デュポン社製の「Nafion」、旭硝子（株）製の「Flemion」、旭化成（株）製の「Aciplex」、ゴア（Gore）社製の「Gore Select」等が挙げられる。

燃料極１１及び空気極１２は、触媒を担持させた炭素粒子及び水素イオン伝導性高分子電解質を含有する公知のものを使用することができる。触媒としては、例えば白金、白金化合物等が挙げられる。白金化合物としては、例えば、ルテニウム、パラジウム、ロジウム、ニッケル、モリブデン、イリジウム、鉄等からなる群から選ばれる少なくとも１種の金属と白金との合金等が挙げられる。燃料極１１に含まれる触媒は、通常、前記金属と白金との合金であり、空気極１２に含まれる触媒は、通常、白金である。

インターコネクタ１６及び集電部１７の材料として、例えば、Ｐｔ、Ａｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｃｕ、又はＳＵＳなどの材料を用いることができる。また、これらのうちの１種を単独で使用してもよいし、２種以上を混合して使用してもよい。

次に、上述した高分子電解質形燃料電池１の製造方法の一例を、図２を参照しながら説明する。

まず、高分子電解質を適当な溶剤に混合して高分子電解質形成用ペーストを作製する。また、触媒を担持させた炭素粒子及び高分子電解質を適当な溶剤に混合、分散して燃料極形成用ペースト及び空気極形成用ペーストを作製する。燃料極形成用ペースト及び空気極形成用ペーストは、それらに含まれる炭素粒子に担持されている触媒の種類が異なるだけで、他の成分は同じでよい。さらに、インターコネクタ及び集電部の材料を適当な溶剤に混合して、インターコネクタ形成用ペースト及び集電部ペーストを作製する。各ペーストの粘度は、１０³〜１０⁶ｍＰａ・ｓ程度であることが好ましい。

ここで、使用する溶剤としては、例えば、各種アルコール類、各種エーテル類、各種ジアルキルスルホキシド類、水又はこれらの混合物等が挙げられる。これら溶剤の中でも、アルコール類が好ましい。アルコール類としては、例えば、メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、イソプロパノール、ｎ−ブタノール、ｔｅｒｔ−ブタノール等の炭素数１〜４の一価アルコール、各種の多価アルコール等が挙げられる。

次に、図２（ａ）に示すように、第1供給孔２３及び第2供給孔２４を所定位置に形成した基材２１上に、高分子電解質形成用ペーストをスクリーン印刷により帯状に塗布した後、乾燥することにより高分子電解質１０を形成する。

また、上記ペーストの乾燥に際しての乾燥温度は、通常４０〜１００℃程度、好ましくは６０〜８０℃程度である。乾燥時間は、乾燥温度にもよるが、通常５分〜２時間程度、好ましくは３０分〜１時間程度である。なお、この乾燥条件は次に説明する燃料極、空気極、インターコネクタ及び集電部においても同様である。

続いて、図２（ｂ）に示すように、燃料極形成用ペーストを高分子電解質１０の一方側に隣接するように塗布した後、乾燥を行うことにより燃料極１１を形成する。更に、図２（ｃ）に示すように、空気極形成用ペーストを高分子電解質１０の他方側に隣接するように塗布した後、乾燥を行うことにより空気極１２を形成する。高分子電解質１０、燃料極１１及び空気極１２の基材２１表面からの高さは、使用材料の粒径や印刷などの塗布方法による限界を考慮すると、５〜１００μm程度であることが好ましい。

これに続いて、インターコネクタ形成用ペーストを複数の電極体を直列に接続するように、高分子電解質１０の上面に線状に塗布し、乾燥させることによりインターコネクタ１６を形成する。このとき，インターコネクタ１６は、隣接する電極体１３の燃料極１１と空気極１２とを結ぶように形成する。また、インターコネクタ１６により直列に結ばれた電極体１３の両端部に位置する燃料極１１及び空気極１２に接触するように集電部ペーストを塗布し、乾燥させて集電部１７を形成する。

その後、図２（ｄ）に示すように、第1供給孔２３及び第2供給孔２４を所定位置に形成した蓋体２２を高分子電解質１０、燃料極１１及び空気極１２の上面に接触させるように取り付けると、図１で示した高分子電解質形燃料電池１が形成される。

また、燃料極１１及び空気極１２の形成順序は、特に限定がなく、基材２１上に空気極１２を形成した後、燃料極１１を形成してもよい。また、基材２１上に燃料極１１及び空気極１２を同時に形成してもよい。

上記のように構成された高分子電解質形燃料電池１は、次のように発電が行われる。まず、第１収納室１４に燃料を供給すると共に、第２収納室１５に酸化剤ガスを導入する。これにより、燃料極１１と空気極１２との間の高分子電解質１０で水素イオン伝導が起こって発電が行われる。なお、燃料としては、気体燃料の場合、水素ガスあるいは炭化水素系のガスを改質した改質水素ガスが使用でき、液体燃料の場合、メタノール等のアルコール等を使用することができる。酸化剤ガスとしては、酸素あるいは空気を使用することができる。

以上のように本実施形態に係る高分子電解質形燃料電池１によれば、同一基材２１上に高分子電解質１０と、複数の電極体１３とを配置しているため、多数の電極を接続するような場合であっても、従来例のように複数の電極を積層するのに比べて、高分子電解質形燃料電池の形状をコンパクトなものとすることができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の具体的な態様は上記実施形態に限定されない。

例えば、上記実施形態においては、基材２１の一方面に、高分子電解質１０及び電極体１３を設ける構成としているが、これに加えて、図３に示すように、基材２１の他方面に一方面と同一の構成を有する高分子電解質１０及び電極体１３を設けてもよい。このような構成により、高分子電解質形燃料電池１をコンパクトにしたままで、より高い発電出力を得ることができる。この場合、基材２１の各面の電極体１３を接続するには種々の方法があるが、例えば、基材２１に貫通孔２５を形成して、この貫通孔２５にインターコネクタ１６を通し、基材２１の一方面及び他方面に設けられた電極体１３を接続することができる。

また、上記実施形態において、高分子電解質１０及び電極体１３が、基材２１と蓋体２２との間に配置されているが、次のように構成することができる。すなわち、図４に示すように、高分子電解質１０と電極体１３とが基材２１の一方面に配置された一対の高分子電解質形燃料電池を準備し、これらを絶縁体２６を挟んで対向配置する。このとき、各電池の高分子電解質１０及び電極体１３が絶縁体２６に接触するように配置する。すなわち、蓋体２２として絶縁体２６を用い、一対の電池が蓋体２２を共有するように構成する。このような構成により、高分子電解質形燃料電池１をコンパクトにしたままで、より高い発電出力を得ることができる。

また、上記実施形態において、高分子電解質形燃料電池１は、蓋体２２を備えているが、この蓋体２２は必ずしも必要ではなく、燃料と酸化剤ガスとが別々に供給されるよう高分子電解質上に仕切りが形成されていればよい。また、高分子電解質形燃料電池１をセットする装置等に蓋体２２や仕切りに相当する部材を設けておき、高分子電解質形燃料電池１がセットされたときに収納室１４，１５が形成されるように構成されていればよい。同様に、インターコネクタ１６及び集電部１７も高分子電解質形燃料電池１をセットする装置側に設けられていてもよい。

また、上記実施形態においては、基材２１及び蓋体２２の双方に第１供給孔２３及び第２供給孔２４を設けているが、基材２１又は蓋体２２のいずれか一方にのみ設けてもよく、あるいは、蓋体２２に第１供給孔２３、基材２１に第２供給孔２４というように、蓋体２２及び基材２１のいずれかの所定位置に供給孔２３，２４を形成するようにしてもよい。また、高分子電解質形燃料電池１がセットされる装置側に設けてもよい。

また、上記実施形態においては、燃料極１１及び空気極１２の基材２１からの高さは、高分子電解質１の基材２１からの高さと等しくなるように構成しているが、次のように構成することができる。すなわち、燃料と酸化剤ガスとが混合しないように、一対の収納室１４，１５が高分子電解質１０により気密に仕切られていればよいため、高分子電解質１０の高さよりも低く構成することもできる。

また、インターコネクタ１６は、上述したように隣接する複数の電極体１３を直列に接続するように配置すればよく、その形成場所は特に限定されない。例えば、基材２１上の所定位置にインターコネクタ１６を形成した後に高分子電解質１０及び電極体１３を形成してもよく、又、蓋体２２の所定位置に形成してもよい。

また、上記実施形態において、高分子電解質形成用ペーストや燃料極形成用ペースト等の各種ペーストの塗布方法として、スクリーン印刷法を用いているが、特にこれに限定されるものではなく、例えば、ナイフコーター、バーコーター、スプレー、ディップコーター、スピンコーター、ロールコーター、ダイコーター、カーテンコーター等の一般的な方法を採用できる。

本発明の一実施形態に係る高分子電解質形燃料電池を示す（ａ）平面図、（ｂ）Ａ−Ａ線矢視断面図、及び（ｃ）Ｂ−Ｂ線矢視断面図である。 図１に示す高分子電解質形燃料電池の製造方法の一例を示す図である。 図１に示す高分子電解質形燃料電池の変形例である。 図１に示す高分子電解質形燃料電池の変形例である。

符号の説明

１ 高分子電解質形燃料電池
１０ 高分子電解質
１１ 燃料極
１２ 空気極
１３ 電極体
１４ 第１収納室
１５ 第2収納室
１６ インターコネクタ
１７ 集電部
２１ 基材
２２ 蓋体
２３ 第１供給孔
２４ 第2供給孔
２５ 貫通孔
２６ 絶縁体

Claims (12)

1. 高分子電解質と、
   燃料極及び空気極を有する少なくとも一つの電極体と、
   前記高分子電解質及び電極体を一方面に支持する基材とを備え、
   前記高分子電解質を挟んで、その両側に前記高分子電解質と接するよう前記燃料極と空気極とが対向配置されている、高分子電解質形燃料電池。
2. 前記基材の他方面に、前記高分子電解質と、前記燃料極及び空気極を有する少なくとも１つの電極体とが配置されている請求項１に記載の高分子電解質形燃料電池。
3. 前記高分子電解質及び電極体を、前記基材との間に挟む蓋体をさらに備えており、
   前記高分子電解質は、前記基材及び蓋体の双方に接触する、請求項１又は２に記載の高分子電解質形燃料電池。
4. 高分子電解質と、
   燃料極及び空気極を有する少なくとも一つの電極体と、
   前記高分子電解質及び電極体を一方面に支持する基材とを備え、
   前記高分子電解質を挟んでその両側には、当該高分子電解質によって気密に仕切られた一対の収納室が形成されており、
   前記燃料極及び空気極は、前記各収納室内にそれぞれ配置され、前記高分子電解質と接触し互いに対向している、高分子電解質形燃料電池。
5. 前記基材の他方面に、高分子電解質と、燃料極及び空気極を有する少なくとも一つの電極体とが配置されており、当該基材の他方面において、
   前記高分子電解質を挟んでその両側には、当該高分子電解質によって気密に仕切られた一対の収納室が形成されており、
   前記燃料極及び空気極は、前記各収納室内にそれぞれ配置され、前記高分子電解質と接触し互いに対向している、請求項４に記載の高分子電解質形燃料電池。
6. 前記高分子電解質及び電極体を、前記基材との間に挟む蓋体をさらに備えており、
   前記高分子電解質は、前記基材及び蓋体の双方に接触することで前記収納室を形成する、請求項４又５に記載の高分子電解質形燃料電池。
7. 前記基材に、前記燃料極に燃料を供給する供給孔、及び前記空気極に酸化剤ガスを供給する供給孔が形成されている、請求項１から６のいずれかに記載の高分子電解質形燃料電池。
8. 前記基材及び蓋体のいずれかに、前記燃料極に燃料ガスを供給する供給孔、及び前記空気極に酸化剤ガスを供給する供給孔が形成されている、請求項３又は６に記載の高分子電解質形燃料電池。
9. 前記電極体が前記基材上に複数個配置されており、
   当該各電極体を構成する電極は、隣接する電極体の電極と所定間隔をおいて配置されている、請求項１から８のいずれかに記載の高分子電解質形燃料電池。
10. 前記電極体が複数個設けられ、前記隣接する電極体間において燃料極と空気極とを接続するインターコネクタをさらに備えている、請求項１から９のいずれかに記載の高分子電解質形燃料電池。
11. 前記高分子電解質の前記燃料極及び空気極による挟持方向の幅が、1〜５００μm程度である請求項１から１０のいずれかに記載の高分子電解質形燃料電池。
12. 前記高分子電解質が水素イオン伝導性高分子である請求項１から１１のいずれかに記載の高分子電解質形燃料電池。

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