JP2007095339A

JP2007095339A - 燃料電池およびその製造方法

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Publication number: JP2007095339A
Application number: JP2005279637A
Authority: JP
Inventors: Hideki Kodaira; 秀樹小平
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2005-09-27
Filing date: 2005-09-27
Publication date: 2007-04-12

Abstract

【課題】
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

本発明は、固体高分子型燃料電池およびその製造方法に関する。

固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、固体高分子電解質膜の一方の面に燃料極、他方の面に空気極を密着させて設け、その両側にセパレータを配して、燃料極側のセパレータには燃料ガスを流通させる凹溝状の流路を設けると共に、空気極側のセパレータには酸化剤ガスを流通させる凹溝状の流路を設けて電池セルを構成する。
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。

従来の固体高分子型燃料電池における電池セル断面図を模式的に図３に示す。
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。

セパレータ２２ａ、６６ａにおいては、ガス流路２２ｃ（燃料極側）、６６ｃ（空気極側）が設けられており、ガス流路２２ｃ（燃料極側）に供給される燃料ガスは、ガス拡散層２２ｂ（燃料極側）で拡散し、触媒層３３（燃料極側）内で水素が触媒に接触することにより、水素がプロトンと電子に分かれる。
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。

空気極側でセパレータ６６ａのガス流路６６ｃ（空気極側）に供給される酸化剤ガスは、ガス拡散層６６ｂ（空気極側）を通って拡散し、酸素が触媒層５５（空気極側）の触媒に接触する。
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）

固体高分子型燃料電池は、電気自動車用電源、携帯電話用電源などを目的としていて、コンパクト化、軽量化が要求されているが、現状では、上記のように部材点数が多いために大型かつ重量が重いという問題を抱えていた。

特開２００５−１７４６４１号公報

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。

請求項１に記載の発明は、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である。

請求項２に記載の発明は、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に記載の燃料電池である。

請求項３に記載の発明は、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である。

請求項４に記載の発明は、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に記載の燃料電池である。

請求項５に記載の発明は、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に記載の燃料電池である。

請求項６に記載の発明は、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である。

請求項７に記載の発明は、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である。

触媒となる金、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウムおよびイリジウムの最小粒径自体が１ｎｍ以上であり、触媒の平均粒径が５ｎｍを超える時は、触媒の単位重量当たりの表面積が非常に小さく、触媒活性も小さく、燃料電池の出力特性が悪い。

請求項８に記載の発明は、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である。

触媒担持率が１％未満では燃料電池の出力特性が悪く、触媒担持率が８０％を超えると触媒の効果はそれ以上変わらず、触媒の無駄使いとなる。

請求項９に記載の発明は、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である。

請求項１０に記載の発明は、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である。

多孔質炭素成形体の片面に溝を形成することにより、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できるので、コンパクトかつ軽量な固体高分子型燃料電池を製造することができる。
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。

請求項１１に記載の発明は、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である。

本発明では、ガス流路を設けた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、コンパクトかつ軽量な固体高分子型燃料電池を製造することができる。
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。

本発明の燃料電池およびその製造方法を図１を基にして説明する。

まず、多孔質炭素成形体２および６上に、触媒層３および触媒層５を形成する。（図１（ａ）参照）

多孔質炭素成形体２の材料としては、黒鉛および熱硬化性接着性樹脂を用いることができる。

多孔質炭素成形体２の製造方法としては、慣用の成型法、例えば、射出成型、熱プレス成型などを用いることができる。

射出成型の場合、黒鉛および熱硬化性接着性樹脂を溶融混練し、金型内に、ガス状態または超臨界ガス状態の二酸化炭素からなる発泡剤と共に供給しながら、射出成型することにより多孔質炭素成形体２を製造できる。
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１×１０^１〜１×１０^４Ｐａ×ｓを用いることができる。
射出圧力は、１×１０^１〜１．５×１０^２ＭＰａ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。

金型は、多孔質炭素成形体２の表面形状に応じて適宜選択することができる。
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。

触媒層３および触媒層５の材料としては、プロトン伝導性物質である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、スルホン化ポリイミド等、および、電子伝導性物質である二酸化珪素、炭素等、および、触媒である金、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウムおよびイリジウムを用いることができる。

触媒層３および触媒層５の製造方法としては、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、ＩＰＡやＮＰＡ等のアルコール、および、水に溶解して触媒インクを生成した後、触媒インクを多孔質炭素成形体２上に、バーコート、スプレー、または、スクリーン印刷する方法を用いることができる。

触媒を担持した電子伝導性物質とプロトン伝導性物質は、重量比で１：１〜５０：１の範囲にすることが好ましい。

次に、触媒層３および触媒層５を向かい合わせにして、固体高分子電解質膜４を挟む込んで、固体高分子電解質膜電極接合体（以下ＭＥＡと記述する）を作製する。（図１（ｂ）参照）

固体高分子電解質膜４の材料としては、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を用いることができる。

ＭＥＡの製造方法としては、触媒層３（燃料極側）と触媒層５（空気極側）を向かい合わせにして固体高分子電解質膜４を挟み、熱圧着する方法を用いることができる。
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。

最後に、ＭＥＡの両面に集電板１（燃料極側）および集電板７（空気極側）を積層して固体高分子型燃料電池を得る（図１（ｄ）参照）。

集電板１および集電板７の材料としては、銅、ステンレス鋼、ニッケル、アルミニウムを用いることができる。

集電板１および集電板７の積層方法としては、締結ロッドで固定する方法を用いることができる。

まず、黒鉛をジェットミルで粉砕して、平均粒径１０μｍの黒鉛粉末を得た。

次に、この黒鉛粉末、粉末状ポリフェニレンスルフィド樹脂を高速回転ミキサーで解砕混合して、樹脂粉末が均一に分散した予備分散体を得た。

次に、転動造粒装置を用いて、上記の予備分散体に水を添加しながら回転速度１３０ｒｐｍで撹拌を行い造粒した。
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。

次に、金型の片面には、面中央の１８ｃｍ×１８ｃｍの領域に４０本の平行した溝（幅：２ｍｍ、長さ：１７ｃｍ、深さ：０．５ｍｍ、溝間隔：２ｍｍ）が刻んであり、他の面は平滑な、外寸２０ｃｍ×２０ｃｍ×１ｃｍの射出成型用金型を用いて、上記の造粒物を、金型温度３００℃、射出圧力７０ＭＰａ、成型温度３２０℃にて、圧力２０ＭＰａ、温度１８０℃の超臨界状態の二酸化炭素を金型内に供給しながら射出成型して、多孔質炭素成形体を得た。
多孔質炭素成形体の平均嵩密度は、１．０ｇ／ｃｍ^３、ポア径は２０μｍ、電気比抵抗は４０ｍΩ・ｃｍであった。

次に、以下の組成になるように、平均粒径が３ｎｍの白金を担持した電子伝導性物質（白金：電子伝導性物質＝１：１（重量比））、プロトン伝導性物質を溶媒に溶解した触媒インクを調整した。
・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％
・ＩＰＡ３０．０重量％
・ＮＰＡ３０．０重量％

次に、この触媒インクを、バーコーターを使用して、多孔質炭素成形体の溝が形成された面と反対側の平滑面上に塗布した。

次に、窒素雰囲気中、１２０℃、１時間の熱処理を施した後、３０分間放冷し、燃料電池用触媒電極を作製した。
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。

次に、上記の方法で作製した２枚の燃料電池用触媒電極の触媒層どうしを向かい合わせにして、厚さ５０μｍのスルホン基含有パーフルオロカーボンを挟んで、１３０℃、３０分、３ＭＰａの条件で熱圧着しＭＥＡを作製した。

最後に、ＭＥＡの両面に厚さ０．３ｍｍのＳＵＳ３１０Ｓをロッドで締結して、固体高分子型燃料電池を得た。

次に、固体高分子型燃料電池の出力を、エレクトロケミカルインターフェース（ソーラトロン社製ＳＩ−１２８７）、周波数応答アナライザー（ソーラトロン社製ＳＩ−１２６０）、電子負荷器（スクリブナー社製８９０ＣＬ）が用いられている燃料電池測定システムＧＦＴ−ＳＧ１（株式会社東陽テクニカ製）を用いて、以下のように測定した。

まず、上記の固体高分子型燃料電池をグラファイト製の発電セルに装着後、４０℃、相対湿度１００％の条件にて１時間保管した。
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／ｃｍ^２の直流電流を発電モードで流し続けた。

次に、セル温度を８０℃、アノード加湿器温度を８０℃、カソード加湿器温度を８０℃、配管温度を１２０℃、アノードの水素ガス流量を０．３リットル／分、カソードの酸素ガス流量を１．０リットル／分の条件で固体高分子型燃料電池の出力を測定した。
固体高分子型燃料電池の出力は１．０Ｗ／ｃｍ^２であり、良好な発電特性を示した。

本発明の燃料電池およびその製造方法は、コンパクトかつ軽量であるため、電気自動車用電源、携帯電話用電源等に利用できる。

本発明の燃料電池の製造方法の一例を模式的に示した断面図である。本発明の燃料電池の構造の一例を模式的に示した断面図である。従来の燃料電池の構造の一例を模式的に示した断面図である。

符号の説明

１・・・・・集電板（燃料極側）
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

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。