JP2007095339A - 燃料電池およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
本発明の課題は、コンパクトかつ軽量な固体高分子型燃料電池およびその製造方法を提供するものである。
【解決手段】
電池セル内に固体高分子電解質膜を備え、該固体高分子電解質膜の表裏面に、触媒層が設けられ、該触媒層の前記固体高分子電解質膜と反対側の面に多孔質炭素成形体が設けられ、該多孔質炭素成形体の前記触媒層と反対の面に集電板が設けられていることを特徴とする燃料電池。
前記多孔質炭素成形体が、片面に溝が形成され、他の面が平滑であることを特徴とする請求項1乃至請求項9のいずれか1項に記載の燃料電池。
【選択図】 図1
Description
そして、燃料ガスとして、水素を主体とした改質ガス、または、水素ガスを供給すると共に、酸化剤ガスとして、空気または酸素を供給し、固体高分子電解質膜を介して燃料ガスの水素と酸化剤ガスの酸素とにより電気化学反応を生じさせることにより、起電力を得る。
図3において、44は固体高分子電解質膜であり、固体高分子電解質膜44の両面には、触媒層33、35が設けられており、触媒層33、55の固体高分子電解質膜44と逆の面にはガス拡散層22b、66bが設けられており、このガス拡散層22b、66bの触媒層33、35と逆の面にはセパレータ22a、66aが設けられており、このセパレータ22a、66aのガス拡散層22b、66bと逆の面には、集電板11、77が設けられており、この集電板11、77が発電反応により生じた起電力を集電する作用を受け持つ。
プロトンは触媒層33(燃料極側)内のプロトン伝導性物質を伝わって固体高分子電解質膜44に至り、この固体高分子電解質膜44を透過して空気極側の触媒層55に移動する。
一方、電子は触媒層33(燃料極側)内の電子伝導性物質に伝わるが、固体高分子電解質膜44により遮断されて戻り、ガス拡散層22b(燃料極側)およびセパレータ22a(燃料極側)を介して集電板11(燃料極側)に到達し、更に、図示を省略した外部回路を経て空気極側に移動する。
また、燃料極側から空気極側に移動してきたプロトンおよび電子も触媒に接触する。
触媒表面に、これら、酸素、プロトンおよび電子が接触した時、電気化学反応が生じて電力を得ることができる。(特許文献1参照)
また、他の面を平滑に形成することにより触媒層の塗工性を上げることができる。
また、本発明では、多孔質炭素成形体を、セパレータおよびガス拡散層として共用することにより、組立作業性が向上する。
黒鉛および熱硬化性接着性樹脂の溶融粘度は、310〜330℃において1×101〜1×104Pa×sを用いることができる。
射出圧力は、1×101〜1.5×102MPaを用いることができる。
成型温度は、150〜350℃を用いることができ、220〜330℃が好ましい。
金型温度は、通常150〜300℃を用いることができ、200〜250℃が好ましい。
例えば、平滑面を有する金型を用いて、平滑面を有する多孔質炭素成形体2を成型してもよく、凹凸部を有する金型を用いることにより凹凸部を有する多孔質炭素成形体2を成型してもよい。
加熱温度としては、触媒層3、触媒層5および固体高分子電解質膜4の樹脂の軟化温度やガラス転位温度を超える温度を用いることができる。
触媒層3、触媒層5および固体高分子電解質膜4の樹脂がパーフルオロカーボンスルホン酸の場合は、温度=100℃〜300℃、圧力=1MPa〜15MPa、時間=5秒〜400秒の熱圧着条件を用いることができる。
水の使用量は、投入原料(粉体混合物)全体100重量部に対して40重量部とした。
多孔質炭素成形体の平均嵩密度は、1.0g/cm3、ポア径は20μm、電気比抵抗は40mΩ・cmであった。
・白金を担持したC60フラーレン(電子伝導性物質) 7.5重量%
・パーフロロカーボンスルホン酸(プロトン伝導性物質) 2.5重量%
・水 30.0重量%
・IPA 30.0重量%
・NPA 30.0重量%
触媒インクが積層してなる触媒層は、3.8μm〜4.0μmの均一な厚さに形成された。
この間、厚さ50μmのスルホン基含有パーフルオロカーボン膜を十分に湿潤させる目的で固体高分子型燃料電池には1A/cm2の直流電流を発電モードで流し続けた。
固体高分子型燃料電池の出力は1.0W/cm2であり、良好な発電特性を示した。
2・・・・・多孔質炭素成形体(燃料極側)
2c・・・・ガス流路(燃料極側)
3・・・・・触媒層(燃料極側)
4・・・・・固体高分子電解質膜
5・・・・・触媒層(空気極側)
6・・・・・多孔質炭素成形体(空気極側)
6c・・・・ガス流路(空気極側)
7・・・・・集電板(空気極側)
11・・・・集電板(燃料極側)
22a・・・セパレータ(燃料極側)
22b・・・ガス拡散層(燃料極側)
22c・・・ガス流路(燃料極側)
33・・・・触媒層(燃料極側)
44・・・・固体高分子電解質膜
55・・・・触媒層(空気極側)
66a・・・セパレータ(空気極側)
66b・・・ガス拡散層(空気極側)
66c・・・ガス流路(空気極側)
77・・・・集電板(空気極側)
Claims (11)
- 電池セル内に固体高分子電解質膜を備え、該固体高分子電解質膜の表裏面に、触媒層が設けられ、該触媒層の前記固体高分子電解質膜と反対側の面に多孔質炭素成形体が設けられ、該多孔質炭素成形体の前記触媒層と反対の面に集電板が設けられていることを特徴とする燃料電池。
- 前記固体高分子電解質膜がスルホン基含有パーフルオロカーボン、または、カルボキシル基含有パーフルオロカーボンであることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。
- 前記触媒層が、プロトン伝導性物質、電子伝導性物質、および、触媒からなることを特徴とする請求項1または請求項2のいずれか1項に記載の燃料電池。
- 前記プロトン伝導性物質が、パーフルオロカーボンスルホン酸、ポリエーテルスルフォン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、または、スルホン化ポリイミドであることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池。
- 前記電子伝導性物質が、二酸化珪素、または、炭素であることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池。
- 前記触媒が、金、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウムおよびイリジウムから選ばれた1種または2種以上の金属からなることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池。
- 前記触媒の平均粒径が1nm以上5nm以下であることを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の燃料電池。
- 前記電子伝導性物質の前記触媒担持率が1%〜80%であることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の燃料電池。
- 前記集電板が、銅、ステンレス鋼、ニッケル、または、アルミニウムからなることを特徴とする請求項1乃至請求項8のいずれか1項に記載の燃料電池。
- 前記多孔質炭素成形体が、片面に溝が形成され、他の面が平滑であることを特徴とする請求項1乃至請求項9のいずれか1項に記載の燃料電池。
- 触媒を担持した電子伝導性物質とプロトン伝導性物質を溶媒に溶解した触媒インクを生成する工程と、該触媒インクを多孔質炭素成形体上に積層して触媒層を形成する工程と、該触媒層どうしを向かい合わせにして、固体高分子電解質膜を挟みMEA(固体高分子電解質膜電極接合体)を作製する工程と、該MEA(固体高分子電解質膜電極接合体)の両面を集電板で挟む工程を有することを特徴とする燃料電池の製造方法。
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