JP2007103223A

JP2007103223A - 燃料電池およびその製造方法

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Publication number: JP2007103223A
Application number: JP2005293290A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Izawa; 康浩伊澤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-10-06
Filing date: 2005-10-06
Publication date: 2007-04-19
Also published as: CA2621418A1; WO2007043366A1; US20090274945A1; DE112006002670T5; CN101283469A

Abstract

【課題】電極同士の短絡を防止することができる燃料電池およびその製造方法を提供する。
【解決手段】燃料電池（１００）は、電解質（５）を含み電解質（５）の一面側に第１の電極（４）が形成され他面側に第２の電極（６）が形成された発電部（１０）と、第１の電極（４）と実質的に同電位であり発電部（１０）を支持する導電性フレーム（３）と、第２の電極（６）の電解質（３）と反対側に形成された集電材（７）と、集電材（７）と導電性フレーム（３）との間に配置された絶縁性部材（９）とを備えることを特徴とする。燃料電池（１００）においては、集電材（７）と導電性フレーム（３）とが接触することが防止される。それにより、第１の電極（４）と第２の電極（６）との短絡が防止される。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池およびその製造方法に関する。

燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率が実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。燃料電池は、例えば、電極により電解質が挟持された発電部を備える構造を有し（例えば、特許文献１参照）し、さらに、発電部において発生する電力を集電するための集電体を備える構造を有する。

特開２００４−１４６３３７号公報

このような構造において発電部の膜厚を小さくするためには、発電部を補強するためのフレームが必要になる。フレームが導電性を有しかつフレームといずれか一方の電極とが接触して同電位である場合には、フレームを介して電極同士が短絡するおそれがある。

本発明は、電極同士の短絡を防止することができる燃料電池およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池は、電解質を含み電解質の一面側に第１の電極が形成され他面側に第２の電極が形成された発電部と、第１の電極と実質的に同電位であり発電部を支持する導電性フレームと、第２の電極の電解質と反対側に形成された集電材と、集電材と導電性フレームとの間に配置された絶縁性部材とを備えることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池においては、集電材と導電性フレームとの間に絶縁性部材が設けられていることから、集電材と導電性フレームとが接触することが防止される。それにより、第１の電極と第２の電極との短絡が防止される。したがって、本発明に係る燃料電池の発電不能が防止される。

絶縁性部材は、第２の電極および集電材と導電性フレームとの間に配置されていてもよい。この場合、第２の電極および集電材と導電性フレームとの接触が防止される。それにより、第１の電極と第２の電極との短絡が確実に防止される。また、導電性フレームは凹部とベース部とを有し、発電部は、凹部に形成されていてもよい。

凹部および発電部の合計の厚さは、ベース部の厚さよりも小さくてもよい。この場合、ベース部の上面に比較して第２の電極の上面が低位置に存在する。この場合、集電材の下部の側面が絶縁性部材により固定される。したがって、集電材の位置ずれが防止される。その結果、集電材とフレームとの接触を確実に防止することができる。

第１の電極は、アノードであってもよい。また、アノードは水素透過性金属であり、電解質はプロトン導電性を有する電解質であってもよい。この場合、導電性フレームによって水素透過性金属および電解質が補強される。それにより、水素透過性金属および電解質の膜厚を小さくすることができる。その結果、本発明に係る燃料電池のコストを低減させることができる。

本発明に係る燃料電池の製造方法は、導電性フレーム上に第１の電極および電解質を形成する工程と、電解質上面の周縁部に絶縁性部材を配置する行程と、電解質上に第２の電極および集電材を形成する工程とを備えることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池の製造方法においては、導電性フレーム上に第１の電極および電解質が形成され、電解質上面の周縁部に絶縁性部材が配置され、電解質上に第２の電極および集電材が形成される。この場合、絶縁性部材によって導電性フレームと集電材および第２の電極との接触が防止される。それにより、第１の電極と第２の電極との短絡が防止される。その結果、本発明に係る燃料電池の発電不能が防止される。また、第１の電極および電解質を形成した後に絶縁性部材を配置することから、導電性フレームと絶縁性部材とを接合する工程が不要になる。したがって、工程の短縮化を図ることができる。

本発明に係る燃料電池の他の製造方法は、導電性フレーム上に第１の電極を形成する工程と、第１の電極の上面の周縁部に絶縁性部材を配置する行程と、第１の電極上に電解質、第２の電極および集電材を順に形成する工程とを備えることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池の他の製造方法においては、導電性フレーム上に第１の電極が形成され、第１の電極の上面の周縁部に絶縁性部材が配置され、第１の電極上に電解質、第２の電極および集電材が順に形成される。この場合、絶縁性部材によって導電性フレームと電解質、集電材および第２の電極との接触が防止される。それにより、第１の電極と第２の電極との短絡が確実に防止される。その結果、本発明に係る燃料電池の発電不能が防止される。また、第１の電極および電解質を形成した後に絶縁性部材を配置することから、導電性フレームと絶縁性部材とを接合する工程が不要になる。したがって、工程の短縮化を図ることができる。また、第１の電極はアノードであってもよい。さらに、アノードは水素透過性金属であり、電解質はプロトン導電性を有する電解質であってもよい。

本発明によれば、集電材と導電性フレームとが接触することが防止される。それにより、第１の電極と第２の電極との短絡が防止される。したがって、本発明に係る燃料電池の発電不能が防止される。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、本発明の第１実施例に係る燃料電池１００を説明するための図である。図１（ａ）は燃料電池１００の模式的断面図であり、図１（ｂ）は絶縁性部材９の平面図である。本実施例においては、燃料電池として水素分離膜電池を用いた。ここで、水素分離膜電池とは、水素分離膜層を備えた燃料電池である。水素分離膜層は水素透過性を有する金属によって形成される層である。水素分離膜電池は、この水素分離膜層及びプロトン導電性を有する電解質を積層した構造をとっている。水素分離膜電池のアノードに供給された水素は触媒を介してプロトンに変換され、プロトン導電性の電解質中を移動し、カソードにおいて酸素と結合して水となる。それにより、電力が発生する。以下、燃料電池１００の構造について説明する。

図１（ａ）に示すように、燃料電池１００は、セパレータ１，８、集電材２，７、フレーム３、発電部１０および絶縁性部材９を含む。発電部１０は、水素分離膜４、電解質５およびカソード６を含む。セパレータ１は、ステンレス等の導電性材料からなる。また、セパレータ１の外周部上面には、凸部が形成されている。集電材２は、例えば、ＳＵＳ４３０多孔体、Ｎｉ多孔体、ＰｔめっきＡｌ_２Ｏ_３多孔体、白金メッシュ等の導電性材料から構成され、セパレータ１の中央部上に積層されている。

フレーム３は、ステンレス等の導電性材料からなり、水素分離膜４および電解質５を補強する機能を有する。フレーム３は、セパレータ１の凸部および集電材２を介してセパレータ１上に形成されている。フレーム３とセパレータ１とは接合されている。フレーム３の上面中央部には凹部が形成されており、その凹部には水素分離膜４および電解質５が埋め込まれている。この凹部のことを以下、凹部３１と呼ぶ。また、フレーム３において凹部３１以外の部分のことをベース部３２と呼ぶ。凹部３１には複数の孔が形成されている。

水素分離膜４は、燃料ガスが供給されるアノードとして機能し、水素透過性金属からなる。水素分離膜４を構成する金属は、例えば、パラジウム、バナジウム、チタン、タンタル等である。凹部３１上に水素分離膜４が形成されていることから、フレーム３と水素分離膜４とは実質的に同電位である。ここで、「実質的に同電位」とは、接触抵抗を考慮に入れない程度の同電位のことをいう。したがって、フレーム３と水素分離膜４との間に接触抵抗による電位差が発生しても、フレーム３と水素分離膜４とは実質的に同電位であるとみなされる。水素分離膜４上には電解質５が積層されている。電解質５は、例えば、ペロブスカイト型プロトン導電体（ＢａＣｅＯ_３等）、固体酸型プロトン導電体（ＣｓＨＳＯ_４）等のプロトン導電性材料からなる。

絶縁性部材９は、アルミナ、ジルコニア等のセラミックス等から構成され、電解質５上面の周縁部からベース部３２の上面にかけて形成されている。したがって、絶縁性部材９は、図１（ｂ）に示すように、発電部１０上面の周縁部を囲むような形状を有する。例えば、絶縁性部材９におけるベース部３２上の幅は０．５ｍｍ程度であり、絶縁性部材９におけるベース部３２上の膜厚は０．２ｍｍ程度であり、絶縁性部材９における電解質５上の幅は、１．０ｍｍ程度である。また、カソード６は、例えば、ランタンコバルトタイト、ランタンマンガネート、銀、白金、白金担持カーボン等の導電性材料から構成され、電解質５上に積層されている。

集電材７は、集電体２と同様の導電性材料からなり、カソード６上に積層されている。集電材７の膜厚は、０．５ｍｍ〜０．８ｍｍ程度である。セパレータ８は、ステンレス等の導電性材料からなり、集電材７上に積層されている。また、セパレータ８の外周部下面には、凸部が形成されている。セパレータ８とフレーム３とはセパレータ８の凸部を介して接合されている。なお、セパレータ８とフレーム３との接合面においては絶縁処理がなされている。それにより、セパレータ８とフレーム３とは電気的に絶縁されている。また、実際の燃料電池においては、本実施例に係る燃料電池１００が複数積層された構造を有する。

次に、燃料電池１００の動作について説明する。まず、水素を含有する燃料ガスがセパレータ１のガス流路に供給される。この燃料ガスは、集電材２および凹部３１の複数の孔を介して水素分離膜４に供給される。燃料ガス中の水素は、水素分離膜４においてプロトンに変換される。変換されたプロトンは、水素分離膜４および電解質５を伝導し、カソード６に到達する。

一方、セパレータ８のガス流路には酸素を含有する酸化剤ガスが供給される。この酸化剤ガスは、集電材７を介してカソード６に供給される。カソード６においては、酸化剤ガス中の酸素とカソード６に到達したプロトンとから水が発生するとともに電力が発生する。発生した電力は、集電材２，７およびセパレータ１，８を介して回収される。

本実施例においては、カソード６および集電材７とフレーム３との間に絶縁性部材９が形成されていることから、カソード６および集電材７とフレーム３とが短絡することが防止される。したがって、水素分離膜４とカソード６との短絡が防止される。また、絶縁性部材９がベース部３２の上面まで伸びていることから、集電材７の位置がずれても集電材７とフレーム３とが接触することが防止される。したがって、燃料電池１００の発電不能を確実に防止することができる。さらに、本発明によれば、カソード６および集電材７を電解質５の上面全体にわたって形成してもカソード６とフレーム３との短絡が防止される。したがって、水素分離膜４とカソード６との短絡を有効に防止しつつ発電効率を最大限に増大させることができる。

なお、フレーム３に絶縁層を設けることによっても短絡防止の効果が得られるが、その場合にはフレーム３に剥離等の不具合が発生する場合がある。本実施例においては、電解質５上に絶縁性部材９を配置させるという簡単な構成によって短絡防止ができる。したがって、フレーム３の剥離という問題は発生しない。また、絶縁性部材９は、水素分離膜４の上面の周縁部からベース部３２の上面にかけて形成されていてもよい。この場合、電解質５を絶縁部材として用いることなく、カソード６および集電材７とフレーム３との接触を確実に防止することができる。

さらに、絶縁性部材９は、水素分離膜４または電解質５の上面の周縁部からベース部３２の全体にかけて形成されていてもよい。この場合、カソード６および集電材７とフレーム３との短絡が確実に防止される。また、絶縁性部材９は、カソード６および集電材７とフレーム３との間に形成されていればどのような形状を有していてもよい。したがって、本実施例に係る絶縁性部材９は矩形の枠形状を有しているが、発電部１０の形状に応じて種々の形状をとることができる。

また、ベース部３２の膜厚は、凹部３１の膜厚と発電部１０の膜厚との合計よりも大きいことが好ましい。すなわち、ベース部３２の上面に比較してカソード６の上面が低位置に存在する。この場合、集電材７の下部の側面が絶縁性部材９により固定される。したがって、集電材７の位置ずれが防止される。その結果、集電材７とフレーム３との接触を確実に防止することができる。さらに、フレーム３によって水素分離膜４および電解質５が補強されることから、水素分離膜４および電解質５の膜厚を小さくすることができる。その結果、本実施例に係る燃料電池１００のコストを低減させることができる。

続いて、燃料電池１００の製造方法について説明する。図２は、燃料電池１００の製造方法を説明するための製造フロー図である。まず、図２（ａ）に示すように、フレーム３の凹部３１上に水素分離膜４を形成する。次に、図２（ｂ）に示すように、セパレータ１上に集電材２を形成し、セパレータ１とフレーム３とを接合する。

次いで、図２（ｃ）に示すように、水素分離膜４上に電解質５を形成する。次に、図２（ｄ）に示すように、あらかじめ作製しておいた絶縁性部材９をフレーム３の凹部３１にはめ込む。すなわち、絶縁性部材９を電解質５の上面の周縁部に配置する。次いで、図２（ｅ）に示すように、電解質５上にカソード６および集電材７を形成する。次に、図２（ｆ）に示すように、フレーム３上および集電材７上にセパレータ８を積層し、フレーム３とセパレータ８とを接合する。以上の工程により、燃料電池１００が完成する。

このように、本実施例に係る燃料電池１００の製造方法においては、あらかじめ作製しておいた絶縁性部材９をフレーム３の凹部３１にはめ込むだけで短絡防止を図ることができる。また、凹部３１に水素分離膜４および電解質５を形成した後に絶縁性部材９をはめ込むことから、フレーム３と絶縁性部材９とを接合する工程が不要になる。したがって、工程の短縮化を図ることができる。

また、フレーム３と絶縁性部材９とを接合させる必要がないことから、金属とセラミックスとの接合不良といった問題の発生が防止される。たとえ、フレーム３と絶縁性部材９とを接合するとしても、接合強度を小さくすることができる。したがって、本発明はコスト面で有利である。さらに、電解質５を形成する前に絶縁性部材９を凹部３１にはめ込んでもよい。この場合、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、カソード６とフレーム３との接触をより効果的に防止することができる。なお、本実施例においては、水素分離膜４が第１の電極に相当し、カソード６が第２の電極に相当し、フレーム３が導電性フレームに相当する。

続いて、本発明の第２実施例に係る燃料電池１００ａについて説明する。図４は、燃料電池１００ａの模式的断面図である。燃料電池１００ａにおいては、絶縁性部材９の代わりに絶縁性部材９ａが設けられている。その他の点においては、燃料電池１００ａは図１の燃料電池１００と同様の構成を有する。なお、実施例１と同様の部位には同一符号を付すことで重複する説明を省略する。

絶縁性部材９ａは、セラミックス等の絶縁性材料から構成され、電解質５上面の周縁部からベース部３２よりも上方に突出した位置にかけて形成されている。したがって、絶縁性部材９ａは、電解質５上面の周縁部を囲むような形状を有する。絶縁性部材９ａの肉厚は、例えば、１．０ｍｍ程度である。

本実施例においては、カソード６および集電材７とフレーム３との間に絶縁性部材９ａが形成されていることから、水素分離膜４とカソード６とが短絡することが防止される。また、絶縁性部材９ａがベース部３２の上面よりも上方まで伸びていることから、集電材７が絶縁性部材９ａによって固定される。したがって、集電材７とフレーム３との接触が確実に防止される。それにより、燃料電池１００ａの発電不能を防止することができる。したがって、必ずしも第１実施例のように絶縁性部材９ａがベース部３２の上面にかけて形成されている必要はない。

なお、絶縁性部材９ａは、水素分離膜４の周縁部からベース部３２よりも上方に突出した位置にかけて形成されていてもよい。この場合、カソード６および集電材７とフレーム３との接触を確実に防止することができる。また、第１実施例と同様に、ベース部３２の膜厚は、凹部３１の膜厚と発電部１０の膜厚との合計よりも大きいことが好ましい。

続いて、本発明の第３実施例に係る燃料電池１００ｂについて説明する。本実施例においては、燃料電池として固体酸化物型燃料電池を用いた。図５は、燃料電池１００ｂの模式的断面図である。燃料電池１００ｂにおいては、水素分離膜４の代わりにアノード４ａが設けられ、電解質５の代わりに電解質５ａが設けられ、カソード６の代わりにカソード６ａが設けられている。その他の点においては、燃料電池１００ｂは図１の燃料電池１００と同様の構成を有する。なお、実施例１と同様の部位には同一符号を付すことで重複する説明を省略する。

アノード４ａは、ニッケルセルメット等から構成される電極である。電解質５ａは、例えば、ＬａＧａＯ_３系酸化物等のプロトン導電性材料から構成される電解質である。カソード６ａは、Ｌａ_０．６Ｓｒ_０．５ＣｏＯ_３等から構成される電極である。

本実施例においては、カソード６ａおよび集電材７とフレーム３との間に絶縁性部材９が形成されていることから、アノード４ａとカソード６ａとが短絡することが防止される。それにより、燃料電池１００ｂの発電不能を防止することができる。なお、絶縁性部材９は、アノード４ａの上面の周縁部からベース部３２よりも上方に突出した位置にかけて形成されていてもよい。また、第１実施例と同様に、ベース部３２の膜厚は、凹部３１の膜厚と発電部１０の膜厚との合計よりも大きいことが好ましい。

なお、上記実施例においては、フレームの凹部に発電部が形成されているが、それに限られない。例えば、平坦なフレーム上に発電部が形成されいてもよい。この場合、絶縁性部材がフレーム上において発電部を囲むように形成されていれば、本発明の効果が得られる。また、第１実施例および第３実施例において第２実施例に係る絶縁性部材９ａを適用してもよく、第２実施例において第１実施例に係る絶縁性部材９を適用してもよい。

さらに、上記実施例においては燃料電池として水素分離膜および固体酸化物型燃料電池をとりあげたが、本発明は電解質を補強する導電性フレームを有する燃料電池であればどのようなものに対しても適用することができる。例えば、３００℃以上の中温域以上の動作温度を有する燃料電池であれば、フレームとして高分子部材を用いることができない。この場合、フレームとしてステンレス等の金属等が用いられることから、本発明は特に有利な効果を発揮する。なお、本実施例においては、アノード４ａが第１の電極に相当し、カソード６ａが第２の電極に相当する。

なお、上記各実施例においては、フレームと水素分離膜とが実質的に同電位でかつフレームとカソード上の集電材とが絶縁性部材によって絶縁されているが、フレームとカソードとが実質的に同電位でかつフレームと水素分離膜上の集電材とが絶縁性部材によって絶縁されていてもよい。

本発明の第１実施例に係る燃料電池を説明するための図である。燃料電池の製造方法を説明するための製造フロー図である。燃料電池の製造方法の他の例を示す図である。本発明の第２実施例に係る燃料電池の模式的断面図である。本発明の第３実施例に係る燃料電池の模式的断面図である。

符号の説明

３，３ａフレーム
４水素分離膜
４ａアノード
５，５ａ電解質
６，６ａカソード
７集電材
９，９ａ絶縁性部材
３１凹部
３２ベース部
１００，１００ａ，１００ｂ燃料電池

Claims

電解質を含み、前記電解質の一面側に第１の電極が形成され、他面側に第２の電極が形成された発電部と、
前記第１の電極と実質的に同電位であり、前記発電部を支持する導電性フレームと、
前記第２の電極の前記電解質と反対側に形成された集電材と、
前記集電材と前記導電性フレームとの間に配置された絶縁性部材とを備えることを特徴とする燃料電池。
前記絶縁性部材は、前記第２の電極および前記集電材と前記導電性フレームとの間に配置されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
前記導電性フレームは、凹部とベース部とを有し、
前記発電部は、前記凹部に形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
前記凹部および前記発電部の合計の厚さは、前記ベース部の厚さよりも小さいことを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
前記第１の電極は、アノードであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池。
前記アノードは、水素透過性金属であり、
前記電解質は、プロトン導電性を有する電解質であることを特徴とする請求項５記載の燃料電池。
導電性フレーム上に第１の電極および電解質を形成する工程と、
前記電解質上面の周縁部に絶縁性部材を配置する行程と、
前記電解質上に第２の電極および集電材を形成する工程とを備えることを特徴とする燃料電池の製造方法。
導電性フレーム上に第１の電極を形成する工程と、
前記第１の電極の上面の周縁部に絶縁性部材を配置する行程と、
前記第１の電極上に電解質、第２の電極および集電材を順に形成する工程とを備えることを特徴とする燃料電池の製造方法。
前記第１の電極は、アノードであることを特徴とする請求項７または８記載の燃料電池の製造方法。
前記アノードは、水素透過性金属であり、
前記電解質は、プロトン導電性を有する電解質であることを特徴とする請求項９記載の燃料電池の製造方法。