JP2006310078A

JP2006310078A - 集電体およびそれを用いた燃料電池

Info

Publication number: JP2006310078A
Application number: JP2005131012A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Kabumoto; 浩揮株本
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2005-04-28
Filing date: 2005-04-28
Publication date: 2006-11-09

Abstract

【課題】
燃料電池の電解質層の膨張あるいは収縮に合わせることができ、電解質層との剥離を起こしにくい集電体、および、この集電体を用いた燃料電池を提供する。
【解決手段】
電解質層１１６と電解質層の両主面に設けられた電極１１２と電極の集電を行う集電体１１８とを備える燃料電池１２２の集電体１１８において、電解質層の変形に応じて変形可能であることを特徴とする。また、電解質層１１６と、電解質層の一方の主面に設けられた第１の電極１１２と、電解質層の他方の主面に設けられた第２の電極と、第１の電極１１２の集電を行う第１の集電体１１８と、第２の電極の集電を行う第２の集電体と、を備える燃料電池１２２において、少なくとも第１の集電体１１８は、電解質層１１６の変形に応じて変形可能であることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、集電体およびその集電体を用いた燃料電池に関し、具体的には、小型の固体高分子形燃料電池の各セルから電力を集電する伸縮性を有する集電体に関する。

燃料電池は水素と酸素とから電気エネルギを発生させる装置であり、高い発電効率を得ることができる。燃料電池の主な特徴としては、従来の発電方式のように熱エネルギや運動エネルギの過程を経ない直接発電であるので、小規模でも高い発電効率が期待できる、窒素化合物等の排出が少なく、騒音や振動も小さいので環境性が良いなどが挙げられる。このように、燃料電池は燃料のもつ化学エネルギを有効に利用でき、環境にやさしい特性をもっているので、２１世紀を担うエネルギ供給システムとして期待され、宇宙用から自動車用、携帯機器用まで、大規模発電から小規模発電まで、種々の用途に使用できる将来有望な新しい発電システムとして注目され、実用化に向けて技術開発が本格化している。

中でも、固体高分子形燃料電池は、他の種類の燃料電池に比べて、作動温度が低く、高い出力密度を持つ特徴が有り、特に近年、固体高分子形燃料電池の一形態として、ダイレクトメタノール燃料電池（ＤｉｒｅｃｔＭｅｔｈａｎｏｌＦｕｅｌＣｅｌｌ：ＤＭＦＣ）が注目を集めている。ＤＭＦＣは、燃料であるメタノール水溶液を改質することなく直接アノードへ供給し、メタノール水溶液と酸素との電気化学反応により電力を得るものであり、この電気化学反応によりアノードからは二酸化炭素が、カソードからは生成水が、反応生成物として排出される。メタノール水溶液は水素に比べ、単位体積当たりのエネルギが高く、また、貯蔵に適しており、爆発などの危険性も低いため、自動車や携帯機器（携帯電話、ノート型パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ、ＭＰ３プレーヤ、デジタルカメラあるいは電子辞書（書籍））などの電源への利用が期待されている。

燃料電池はその起電力を目的に合わせて大きくしたスタック構造のものが一般的であるが、小型、軽量が要求される携帯機器用のＤＭＦＣでは平面形の構成が採られる。
特開２００３−２８２１３１号公報

しかしながら、従来の平面形の燃料電池は、できるだけ小型化するために、複数の膜−電極集合体（ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）を平面状に配設した燃料電池の周囲を締め付ける構成を採っていた。しかしながら、この構成では、平面形燃料電池の中央部分を締め付けていないので、固体高分子膜のように保持している水分量によって膨潤（あるいは乾燥して収縮）してしまう電解質層を有する燃料電池では、固体高分子膜とその周辺部材（集電体など）との伸縮性の差異によって、圧着した固体高分子膜とその周辺部材とが剥離してしまうという問題があった。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、燃料電池の電解質層、特に固体高分子形燃料電池の固体高分子膜の膨張あるいは収縮（伸縮）に合わせることができ、電解質層との剥離を起こしにくい集電体、および、この集電体を用いた燃料電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、電解質層と前記電解質層の両主面に設けられた電極と前記電極の集電を行う集電体とを備える燃料電池の集電体において、前記電解質層の変形に応じて変形可能であることを特徴とする。これにより、燃料電池の電解質層、特に固体高分子形燃料電池の固体高分子膜の伸縮（変形）に合わせることができ、電解質層との剥離を起こしにくい。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の集電体において、前記集電体の主面上における第１の方向の弾性率と、前記集電体の主面上であって前記第１の方向に直交する第２の方向の弾性率と、が異なることを特徴とする。また、請求項３記載の発明は、請求項１記載の集電体において、前記集電体は少なくとも第１の繊維と第２の繊維とを有し、前記第１の繊維の弾性率と、前記第２の繊維の弾性率と、が異なることを特徴とする。これにより、方向によって変形量の異なる電解質層に対しても、電解質層の変形に合わせることができ、電解質層との剥離を起こしにくい。

そして、請求項４記載の発明は、電解質層と、前記電解質層の一方の主面に設けられた第１の電極と、前記電解質層の他方の主面に設けられた第２の電極と、前記第１の電極の集電を行う第１の集電体と、前記第２の電極の集電を行う第２の集電体と、を備える燃料電池において、少なくとも前記第１の集電体は、請求項１から３のいずれかに記載の集電体であることを特徴とする。

本発明の集電体は、燃料電池の電解質層、特に固体高分子形燃料電池の固体高分子膜の膨張あるいは収縮（伸縮）に合わせることができ、電解質層との剥離を起こしにくい。

本発明のＤＭＦＣ１０の基本構成について、図１を用いて説明する。図１はＤＭＦＣ１０内部の構造を模式的に表した分解斜視図であり、ＤＭＦＣ１０は、メタノール水溶液あるいは純メタノール（以下、「メタノール燃料」と記載する）が毛細管現象により供給されるアノード側電極１２と空気が供給されるカソード側電極１４とこのアノード側電極１２とカソード側電極１４とに挟持される電解質膜１６とを備えており、メタノール燃料中のメタノールと空気中の酸素との電気化学反応により発電する。１８および２０は各ＭＥＡ２２に設けられた集電体であり、配線２４によって、アノード側集電体１８とカソード側集電体２０とをつなぐことで、複数のＭＥＡ２２を直列に接続することができる。アノード側電極１２の底部には、アノード側電極１２へ供給するメタノール燃料が貯蔵されるメタノール燃料貯蔵部２６が設けられており、メタノール燃料貯蔵部２６に満たされたメタノール燃料は、メタノール燃料供給口２８から集電体１８を介して、アノード側電極１２へ供給される。一方、空気は、筐体３４の上部に空気取込口３６が設けられており、この空気取込口３６から自然に生じる空気の流れを利用してカソード電極１４へ供給される。

アノード側電極１２は、イオン伝導性を有する厚さ５０〜２００μｍの電解質膜（本実施の形態では、Ｄｕｐｏｎｔ社製Ｎａｆｉｏｎ１１５）１６の一方の面に、Ｐｔ−Ｒｕ黒と５ｗｔ％Ｎａｆｉｏｎ溶液（ＤｕＰｏｎｔ社製）とを混合した触媒ペーストを塗布して作製する。一方、カソード側電極１４は、上記の電解質膜１６の他方の面に、Ｐｔ黒と５ｗｔ％Ｎａｆｉｏｎ溶液（ＤｕＰｏｎｔ社製）とを混合した触媒ペーストを塗布して作製する。本実施の形態では、電極１２、１４を電解質膜１６上に形成する方法を採ったが、作製方法はカーボンペーパなどの電極基材上に触媒層を形成する方法を用いてもよく、また、メタノールからＨ⁺を、あるいは、Ｈ⁺と酸素から水を生成する触媒機能を有する触媒であれば、Ｐｔ−ＲｕやＰｔからなる粒子（Ｐｔ−Ｒｕ黒やＰｔ黒）ではなく、触媒をカーボンブラックに担持させた触媒担持カーボンを用いてもよい。

本発明の実施例１に係る集電体１１８の構成について、図２を用いて詳細に説明する。図１は１枚の電解質膜１６に複数のＭＥＡ２２が形成される構成を採っているが、本実施例では、集電体１１８を詳細に説明するため、１つのＭＥＡ１２２についてアノード側からの上面図（図２参照）を用いて説明する。説明はアノード側について行うが、本発明の集電体は、アノード側のみならずカソード側でも利用可能である。

図２に示すように、電解質膜１１６は、保持している水分量によって大きく伸縮する方向（図２における上下方向）と、伸縮の小さい方向（図２における左右方向）とが存在する。このような電解質膜１１６上に電極１１２（裏面には、図示しない電極１１４が存在する）を形成しているＭＥＡ１２２から集電する集電体１１８は、電解質膜１１６の、伸縮の大きい方向（上下方向）に大きく伸縮し、伸縮の小さい方向（左右方向）にはあまり伸縮しないように、金の繊維でバネ定数の異なる２種類のバネを網目状に形成した構成を用いる。具体的には、図２では、バネ定数の小さいコイルバネ（縦糸）とバネ定数の大きいコイルバネ（横糸）とを織布状にした集電体となっている。本実施例では、同じ金繊維を用いて、バネの巻きの径を変えることでバネ定数を変化させているが、異なる太さの金繊維を用いて、巻きの径を同じにすることでバネ定数を変化させても良い。図２での上下方向に対してはバネ定数が小さいので大きく伸縮し、左右方向に対してはバネ定数が大きいので上下方向よりも伸縮が小さくなる。

本発明の実施例２に係る集電体２１８の構成について、図３を用いて詳細に説明する。実施例２の構成は、ほぼ実施例１と同様であるが、実施例１と異なる点は、図３に示すように、実施例１でのバネ定数の小さい縦糸を蛇行している金の繊維とし、バネ定数の大きい横糸は通常の直線状の金繊維としたところである。本実施例では、蛇行している金繊維と直線状の金繊維とを用いて織布状の集電体を形成しているが、横糸も蛇行している金繊維を用いても良く、また、通常の平面形織布状の集電体を蛇行させて、図３と同様の集電体を形成しても良い。

本発明の実施例３に係る集電体３１８の構成について、図４を用いて詳細に説明する。実施例３の構成は、縦糸と横糸とが斜め（θ＜９０°）に交わる織布状の集電体となっており、縦糸と横糸とが斜めに交わっているので、図４での上下方向に対しては大きく伸縮し、左右方向に対しては上下方向よりも伸縮が小さくなる。

本発明は、起電力をそれほど必要とせず、できるだけ薄いことが要求される携帯機器用の平面形ＤＭＦＣに限らず、家庭用あるいは自動車用の燃料電池においても利用可能である。

本発明に係るＤＭＦＣの基本構成を示す分解斜視図である。本発明の実施例１に係るＭＥＡの構成を示す上面模式図である。本発明の実施例２に係るＭＥＡの構成を示す斜視模式図である。本発明の実施例３に係るＭＥＡの構成を示す上面模式図である。

符号の説明

１０ＤＭＦＣ
１２、１１２、２１２、３１２アノード側電極
１４、１１４、２１４、３１４カソード側電極
１６、１１６、２１６、３１６電解質膜
１８、１１８、２１８、３１８アノード側集電体
２０、１２０、２２０、３２０カソード側集電体
２２、１２２、２２２、３２２ＭＥＡ
２４配線
２６メタノール燃料貯蔵部
２８メタノール燃料供給口
３４筐体
３６空気取込口

Claims

電解質層と前記電解質層の両主面に設けられた電極と前記電極の集電を行う集電体とを備える燃料電池の集電体において、
前記電解質層の変形に応じて変形可能であることを特徴とする集電体。
請求項１記載の集電体において、
前記集電体の主面上における第１の方向の弾性率と、前記集電体の主面上であって前記第１の方向に直交する第２の方向の弾性率と、が異なることを特徴とする集電体。
請求項１記載の集電体において、
前記集電体は少なくとも第１の繊維と第２の繊維とを有し、
前記第１の繊維の弾性率と、前記第２の繊維の弾性率と、が異なることを特徴とする集電体。
電解質層と、前記電解質層の一方の主面に設けられた第１の電極と、前記電解質層の他方の主面に設けられた第２の電極と、前記第１の電極の集電を行う第１の集電体と、前記第２の電極の集電を行う第２の集電体と、を備える燃料電池において、
少なくとも前記第１の集電体は、請求項１から３のいずれかに記載の集電体であることを特徴とする燃料電池。