JP2007109417A

JP2007109417A - 燃料電池およびその製造方法

Info

Publication number: JP2007109417A
Application number: JP2005296063A
Authority: JP
Inventors: Hideki Kodaira; 秀樹小平
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2005-10-11
Filing date: 2005-10-11
Publication date: 2007-04-26

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】
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ガス拡散材が設けられたＭＥＡ（固体高分子電解質膜電極接合体）を備えた燃料電池、または、前記ＭＥＡ（固体高分子電解質膜電極接合体）をセパレータを介して複数積層した燃料電池において、前記ＭＥＡ（固体高分子電解質膜電極接合体）がコルゲート形状であることを特徴とする燃料電池。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池に係わり、更に詳しくは、コルゲート状のＭＥＡ（固体高分子電解質膜電極接合体）を備えた固体高分子型燃料電池の構造と、その製造方法に関するものである。

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２に示す。
図２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材２２ｂ、６６ｂが設けられており、このガス拡散材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、電池セル９９が形成されている。

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、ガス拡散材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、ガス拡散材２２ｂ（燃料極側）およびセパレータ２２ａ（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）

しかし、１つの電池セルでは発電力が小さいため、多数のセルをセパレータを介して電気的に直列に接続している。

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、上記のように多数の電池セルを直列に接続しており部材点数が多くなるため、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、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ガス拡散材が設けられたＭＥＡ（固体高分子電解質膜電極接合体）を備えた燃料電池、または、前記ＭＥＡ（固体高分子電解質膜電極接合体）をセパレータを介して複数積層した燃料電池において、前記ＭＥＡ（固体高分子電解質膜電極接合体）がコルゲート形状であることを特徴とする燃料電池である。

ＭＥＡ（固体高分子電解質膜電極接合体）をコルゲート状にして表面積を増やし、発電の場を広くすることにより、単位電池セルの発電力を高め、電池セル積層数を減らすことが可能となる。

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または請求項４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３乃至請求項５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３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の担持率が１％〜８０％であることを特徴とする請求項３から請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池である。

触媒の担持率が１％未満では燃料電池の出力特性が悪く、触媒の担持率が８０％を超える範囲では電池の出力は変わらず、触媒の無駄使いとなる。

請求項９に記載の発明は、前記ガス拡散材が、導電性多孔性基材であることを特徴とする請求項１から請求項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、前記導電性多孔性基材が、カーボンペーパー、カーボンクロスであることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池である。

請求項１１に記載の発明は、前記セパレータが、ステンレス、銅、軟鉄、または、ニッケルからなることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の燃料電池である。

セパレータとＭＥＡ（固体高分子電解質膜電極接合体）の接触抵抗を低下させるために、セパレータとＭＥＡ（固体高分子電解質膜電極接合体）の密着性を高める必要がある。
通常は、単位電池セルを複数積層し、強い力でナット締めを行って対応している。
本発明でも、強い力でナット締めした際に、ＭＥＡ（固体高分子電解質膜電極接合体）が破壊されない場合は問題ないが、強い力でナット締めした際に、ＭＥＡ（固体高分子電解質膜電極接合体）の破壊が起こった場合は、軟鉄の変形する性質を利用して、セパレータとＭＥＡ（固体高分子電解質膜電極接合体）の密着性を確保することにより、ナット締めに要する力を軽減し、ＭＥＡ（固体高分子電解質膜電極接合体）の破壊を防止する。

請求項１２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、該触媒インクをガス拡散材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、コルゲート形状に成型する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、ＭＥＡ（固体高分子電解質膜電極接合体）をコルゲート状にして表面積を増やし、発電の場を広くすることにより、単位電池セルの発電力を高め、電池セル積層数を減らした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。

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、ガス拡散材１（空気極側）上に触媒層２（空気極側）を、ガス拡散材５（燃料極側）上に触媒層４（燃料極側）を形成する。（図１（ａ）参照）

ガス拡散材１の材料としては、導電性多孔性基材であるカーボンペーパー、カーボンクロスを用いることができる。

触媒層２（空気極側）および触媒層４（燃料極側）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２（空気極側）および触媒層４（燃料極側）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、触媒インクをガス拡散材１（空気極側）上、および、ガス拡散材５（燃料極側）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２（空気極側）および触媒層４（燃料極側）を向かい合わせにして、固体高分子電解質膜３を挟み込んで、コルゲート形状の金型に入れ加熱成型して、コルゲート形状の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（ｃ）参照）

固体高分子電解質膜３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の加熱成型温度としては、触媒層２（空気極側）、触媒層４（燃料極側）および固体高分子電解質膜３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２（空気極側）、触媒層４（燃料極側）および固体高分子電解質膜３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秒の加熱成型条件を用いることができる。

最後に、ＭＥＡの両面にセパレータ７（燃料極側）およびセパレータ８（空気極側）を積層して固体高分子型燃料電池セルを得る（図１（ｄ）参照）。

セパレータ７およびセパレータ８の材料としては、ステンレス、銅、軟鉄、または、ニッケルを用いることができる。

セパレータ７およびセパレータ８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。

また、固体高分子型燃料電池セルを複数接続して利用しても良い。

ます、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。
・白金を担持したカーボン（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、２００ｍｍ×２００ｍｍのサイズに断裁した厚さ１９０μｍのカーボンペーパー上に塗布した。

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。

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、面中央の１１ｃｍ×１１ｃｍの領域に２０本の並行した溝（幅：２ｍｍ、長さ：１０ｃｍ、深さ：０．５ｍｍ、溝間隔：２ｍｍ）が刻んであるオスメス金型に入れ、１３０℃、３０分、３ＭＰａの条件で加熱成型し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。

＜比較例＞
ます、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。
・白金を担持したカーボン（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、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の条件で熱圧着し平板状のＭＥＡを作製した。

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０．７Ｗ／ｃｍ^２であった。

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。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・・・・・ガス拡散材（空気極側）
２・・・・・触媒層（空気極側）
３・・・・・固体高分子電解質膜
４・・・・・触媒層（燃料極側）
５・・・・・ガス拡散材（燃料極側）
６・・・・・ＭＥＡ（固体高分子電解質膜電極接合体）
７・・・・・セパレータ（燃料極側）
８・・・・・セパレータ（空気極側）
９・・・・・ガス流路（燃料極側）
１０・・・・ガス流路（空気極側）
２２ａ・・・セパレータ（燃料極側）
２２ｂ・・・ガス拡散材（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・・・ガス拡散材（空気極側）
６６ｃ・・・ガス流路（空気極側）
９９・・・・電池セル

Claims

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ガス拡散材が設けられたＭＥＡ（固体高分子電解質膜電極接合体）を備えた燃料電池、または、前記ＭＥＡ（固体高分子電解質膜電極接合体）をセパレータを介して複数積層した燃料電池において、前記ＭＥＡ（固体高分子電解質膜電極接合体）がコルゲート形状であ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または請求項４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３乃至請求項５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３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の担持率が１％〜８０％であることを特徴とする請求項３から請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池。
前記ガス拡散材が、導電性多孔性基材であることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池。
前記導電性多孔性基材が、カーボンペーパー、カーボンクロスであることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池。
前記セパレータが、ステンレス、銅、軟鉄、または、ニッケルからなることを特徴とする請求項１から請求項１０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、該触媒インクをガス拡散材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、コルゲート形状に成型する工程を有することを特徴とする燃料電池の製造方法。