JP2007265691A

JP2007265691A - 燃料電池

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Publication number: JP2007265691A
Application number: JP2006086627A
Authority: JP
Inventors: Shinichiro Imura; 真一郎井村
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2006-03-27
Filing date: 2006-03-27
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2026-03-27
Also published as: JP5153083B2

Abstract

【課題】燃料、空気および生成物の拡散性を損なうことなく、構造が簡便化、薄型化されたＤＭＦＣを提供する。
【解決手段】電解質膜１６を挟んでアノード触媒層１２およびカソード触媒層１４とが設けられている。燃料室７０に貯蔵された液体燃料がアノード触媒層１２に直に供給される。集電体１８および集電体２０は、それぞれ、アノード触媒層１２およびカソード触媒層１４に接した状態で載置されている。集電体１８および集電体２０には、面方向に対して略垂直方向に複数の細孔が設けられた平板状の金属シートで構成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、液体燃料がアノードに直接供給される燃料電池に関する。

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持っているので、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。

図７は、従来のＤＭＦＣの概略構成を示す断面図である。ＤＭＦＣは、電解質膜５００を挟んで燃料極５３０および空気極５６０が設けられた膜電極接合体を有する。燃料極５３０は、アノード触媒層５１０およびアノード拡散層５２０を含む。また、空気極５６０は、カソード触媒層５４０およびカソード拡散層５５０を含む。燃料極５３０は、ケーシング５７０に設けられたリブ５７２により押さえつけられている。同様に、空気極５６０は、ケーシング５８０に設けられたリブ５８２により押さえつけられている。このような構成は、特許文献１にも開示されている。
特開２００５−２０９５８４号公報

従来のＤＭＦＣでは、拡散層、触媒層および電解質膜の接触抵抗を低減するために、ナット、ボルトなどの締結部材を用いて締め付ける必要がある。このため、ＤＭＦＣの各部材は締め付け圧力に耐えるだけの強度を有することが求められていた。特に、拡散層、触媒層などについては、強度を確保するために厚膜化せざるを得ずなかった。また、拡散層を押さえつけるために、リブが必要であったため、ＤＭＦＣの構造が複雑化、大型化し、燃料、空気および生成物の拡散の妨げになっていた。また、小型化およびメンテナンスが困難になるとともに、コストが増大するといった問題が生じていた。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料、空気および生成物の拡散性を損なうことなく、ＤＭＦＣの構造を簡便化、薄型化する技術の提供にある。

本発明のある態様は、燃料電池である。当該燃料電池は、電解質膜と、電解質膜を挟んで設けられたアノード触媒層またはカソード触媒層と、アノード触媒層に直に供給される液体燃料を貯蔵する燃料室と、アノード触媒層およびカソード触媒層に接し、面方向に対して略垂直方向に複数の細孔が設けられた平板状の金属シートで構成された集電体と、を備えることを特徴とする。

この態様の燃料電池によれば、リブなどの支持体を用いることなく、集電体と触媒層とが密着した状態が保たれる。これにより、集電体と触媒層とを密着させるための部材を削減することにより、燃料電池の構造を簡便化し、メンテナンスを容易にするとともに、製造コストを低減することができる。また、ボルト、ナットなどの締結部材などにより燃料電池のケーシングに加えられる荷重を低減することができるため、燃料電池のケーシング触媒層等の肉厚を薄くすることができ、燃料電池全体の大きさをコンパクトにすることができる。

上記態様の燃料電池において、集電体の一部または全体がアノード触媒層またはカソード触媒層に埋め込まれていてもよい。

この態様によれば、集電体と触媒層とのアンカー効果により、集電体と触媒層との密着性をさらに向上させることができる。

上記態様の燃料電池において、集電体の表面に耐腐食性の金属が被覆されていてもよい。

この態様によれば、集電体の導電性を向上させるとともに、集電体を構成する金属が溶出することを抑制することができ、燃料電池の動作安定性を向上させることができる。

上記態様の燃料電池において、集電体に設けられた複数の細孔が規則的に配設されていてもよい。

この態様によれば、集電体の面方向における開口率が一様になるため、燃料および空気の拡散性が場所によりばらつくことを抑制し、燃料電池の動作安定性を向上させることができる。

本発明によれば、集電体と電極とを押さえつけなくても接触抵抗が低減するので燃料電池を小型化することができる。

図１は、実施の形態に係る燃料電池の分解斜視図である。図２（Ａ）および図２（Ｂ）は、図１のＡ−Ａ’線上の断面図である。

燃料電池１０は、平面上に配設された複数のセル１１を備える。各セル１１は、アノード触媒層１２と、カソード触媒層１４と、アノード触媒層１２とカソード触媒層１４とに狭持された電解質膜１６からなる膜電極接合体を備える。アノード触媒層１２には、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）が供給される。また、カソード触媒層１４には、空気が供給される。燃料電池１０は、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。

電解質膜１６は、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示すことが好ましく、アノード触媒層１２とカソード触媒層１４との間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能する。電解質膜１６は、含フッ素重合体や非フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成され、例えば、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例として、ナフィオン（デュポン社製：登録商標）１１２などがあげられる。また、非フッ素重合体の例として、スルホン化された、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホンなどがあげられる。

アノード触媒層１２の一方の面に電解質膜１６が接合し、アノード触媒層１２の他方の面に集電体１８が接合している。この構造は、スプレー塗布、スクリーン印刷、転写法等によって電解質膜１６にアノード触媒層１２を形成した上に集電体１８を載置することにより得ることができる。集電体１８の詳細については後述する。アノード触媒層１２側の電解質膜１６の周縁部にアノード側ガスケット４０が設けられている。アノード側ガスケット４０を介してアノード側ハウジング２６が設置され、アノード側ハウジング２６により、メタノール燃料が貯蔵される燃料室７０が形成されている。なお、各集電体１８の長手方向の端部は、アノード側ガスケット４０により押さえ付けられている。燃料室７０に貯蔵されたメタノール燃料は、アノード触媒層１２に直に供給される。

アノード側ハウジング２６の主面には、開口２７が設けられている。開口２７の内側に気液分離フィルター２８が設置されている。アノードで生成したガスは、気液分離フィルター２８を透過し、開口２７を通ることにより、外部に排出される。アノード側ハウジング２６は、耐メタノール性、耐酸性、機械的剛性などの特性を具備することが望ましい。

アノード側ハウジング６０を構成する材料としては、ステンレス系金属、チタン系合金などの金属材料、または、アクリル樹脂、エポキシ、ガラスエポキシ樹脂などの合成樹脂が挙げられる。

なお、アノード側ハウジング２６には、燃料電池１０の外部に設けられた燃料タンク（図示せず）などからメタノール燃料を吸い上げる燃料吸引部（図示せず）を有し、燃料室７０内にメタノール燃料が適宜補充される。

カソード触媒層１４の一方の面に電解質膜１６が接合し、カソード触媒層１４の他方の面に集電体２０が接合している。集電体２０の構成は集電体１８と同様である。カソード触媒層１４側の電解質膜１６の周縁部にカソード側ガスケット４２が設けられている。カソード側ガスケット４２を介してカソード側ハウジング３４が設置されている。なお、各集電体２０の長手方向の端部は、カソード側ガスケット４２により押さえ付けられている。
カソード側ハウジング３４の主面には、空気取り込み用の空気取込口３６が設けられている。空気取込口３６から流入した空気は、カソード触媒層１４に到達する。カソード側ハウジング３４を構成する材料として、アノード側ハウジング２６について例示した材料を用いることができる。

各セル１１は、電気的に直列に接続されている。具体的には、隣接するセルにおいて、一方のセルの集電体１８と他方の集電体２０とが配線２４により接続されている。

以下、本実施の形態で用いられる集電体について説明する。集電体１８と集電体２０とは同様な構成のため、集電体１８を例にとって説明する。

集電体１８の母材に要求される特性としては、導電性、剛性が挙げられる。このような特性を備えた母材として、無酸素銅、タフピッチ銅、燐青銅、黄銅、ベリリウム銅などの銅系材料、コバール、パーマロイ、ニクロム、アンバー、インコネルなどのニッケル合金、ＳＵＳ、モリブデン、アルミ合金などからなる平板状の金属シートが挙げられる。

集電体１８の母材は、金、白金などの耐腐食性を有する金属で被覆されていることが望ましい。耐腐食性を有する金属の層厚は、たとえば、１００ｎｍ以下である。耐腐食性を有する金属は、スパッタ法、めっき法などにより集電体１８の母材に被覆することができる。集電体１８の母材を耐腐食性を有する金属で被覆することにより、コストを抑制しつつ、集電体の導電性を向上させるととともに、集電体１８を構成する母材金属が溶出することを抑制し、ひいては燃料電池の動作安定性を向上させることができる。

集電体１８は剛性を有するため、リブなどの支持体で押圧しない状態であっても、集電体１８とアノード触媒層１２とが密着した状態が保たれる。これにより、集電体１８とアノード触媒層１２とを密着させるための部材を削減することにより、燃料電池の構造を簡便化し、メンテナンスを容易にするとともに、製造コストを低減することができる。また、ボルト、ナットなどの締結部材などにより燃料電池のケーシングに加えられる荷重を低減することができるため、燃料電池のケーシング、触媒層等の肉厚を薄くすることができ、燃料電池全体の大きさをコンパクトにすることができる。

集電体１８には、面方向に対して略垂直方向に複数の細孔が設けられている。このような細孔は、リソグラフィ法により所定の形状の開口を有するマスクを金属シート上に形成した後、エッチング法を用いて、金属シートを選択的にエッチングすることにより得ることができる。集電体１８に設けられた細孔を通って、アノード触媒層１２に液体燃料が供給される。

集電体１８に設けられた複数の細孔は、規則的に配設されていることが望ましい。これによれば、集電体１８の面方向における開口率が一様になるため、燃料および空気の拡散性が場所によりばらつくことを抑制し、燃料電池の動作安定性を向上させることができる。

集電体１８に設けられた細孔の形状は多角形とすることができ、（正）三角形、（正）四角形、（正）六角形またはこれら２種類以上の組み合わせで構成することが望ましい。

図３は、母材にＳＵＳを用いて実際に作製した集電体の顕微鏡像である。この例では、細孔を正六角形とし、集電体１８をハニカム構造とした。集電体１８をハニカム構造にすることにより、細孔を効率よく設けつつ、剛性をより高めることができる。

表１に、ハニカム構造を有する集電体の寸法の例を示す。表１のａ、ｂおよびｃは、それぞれ、細孔の中心から正六角形の辺までの距離、隣接する正六角形の辺の距離、正六角形の１辺の長さである（図４参照）。開口率は次式により得られる。

開口率＝細孔の全面積／（細孔の全面積＋集電体の占有面積）×１００

各寸法のハニカム構造の集電体を用いて発電試験を行ったところ、いずれも集電体と電極との密着性が良好であり、出力が十分かつ安定して得られることが確認された。なお、燃料および空気の拡散性を確保する観点から、集電体１８の開口率は５０〜９０％であることが望ましい。

集電体１８の断面形状として好ましい形態は、電極側の辺を長辺とする台形状である（図５参照）。集電体１８の断面を台形状とすることにより、集電体１８の底面積が増加するため、集電体１８とアノード触媒層１２との接触面積が増加する。この結果、集電体１８とアノード触媒層１２の接触抵抗が低減する。

図６は、集電体１８とアノード触媒層１２との接続構造の一例を示す図である。この例では、集電体１８の底部がアノード触媒層１２に埋め込まれている。これにより、集電体１８とアノード触媒層１２との密着性がさらに向上し、集電体１８がアノード触媒層１２から剥離することが抑制される。集電体１８をアノード触媒層１２に埋め込む場合には、集電体１８の細孔部分の側面に両側からテーパーを設け、細孔側面の頂点がアノード触媒層１２に埋め込まれるようにすることが望ましい。細孔側面のテーパーの典型的な角度（図６（Ｂ）に示すθ）は、６０〜７０°である。これによれば、集電体１８とアノード触媒層１２との密着性がさらに向上する。図６に示した断面形状の集電体は、両面にレジストをマスクとして設けた状態でエッチングすることにより得ることができる。

集電体１８がアノード触媒層１２に埋め込まれた構造は、基材となるアノード触媒層１２ａの上に集電体１８を設置した後に、スプレー法などでアノード触媒層１２ａを形成する手法により得ることができる。

図６の例では、集電体１８が部分的にアノード触媒層１２に埋め込まれているが、集電体１８の表面が露出した状態で、集電体１８全体がアノード触媒層１２に埋め込まれていてもよい。

本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。

実施形態に係る燃料電池の分解斜視図である。図２（Ａ）は、実施の形態に係る燃料電池の図１のＡ−Ａ’線上の断面図である。図２（Ｂ）は、実施の形態に係る燃料電池の図１のＢ−Ｂ’線上の断面図である。母材にＳＵＳを用いて実際に作製した集電体の顕微鏡像である。ハニカム構造を有する集電体の諸寸法を示す図である。集電体の断面形状を示す図である。集電体とアノード触媒層との接続構造の一例を示す図である。図６（Ａ）は、集電体およびアノード触媒層の平面図である。図６（Ｂ）は、図６（Ａ）のＣ−Ｃ’線上の断面図である。従来のＤＭＦＣの構造を示す断面図である。

符号の説明

１０燃料電池、１２アノード触媒層、１４カソード触媒層、１６電解質膜、１８，２０集電体、２６アノード側ハウジング、３４カソード側ハウジング。

Claims

電解質膜と、
前記電解質膜を挟んで設けられたアノード触媒層およびカソード触媒層と、
前記アノード触媒層に直に供給される液体燃料を貯蔵する燃料室と、
前記アノード触媒層または前記カソード触媒層に接し、面方向に対して略垂直方向に複数の細孔が設けられた平板状の金属シートで構成された集電体と、
を備えることを特徴とする燃料電池。
前記集電体の一部または全体が前記アノード触媒層または前記カソード触媒層に埋め込まれていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記集電体の表面に耐腐食性の金属が被覆されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
前記集電体に設けられた複数の細孔が規則的に配設されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池。