JP2010049839A - 固体高分子型燃料電池およびその電極部材 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構造で多数の単セルを接続し、セル間の絶縁性および燃料のシール性を確保し、各セルに燃料を均一に供給することにより、薄型化および高出力化された固体高分子型燃料電池を提供する。
【解決手段】電解質層２０を介して燃料極と空気極とを厚さ方向に対向させて構成される単セルＳが面方向に複数配列されるとともに、各単セルＳが燃料極３１ａ，４１ａと空気極３１ｂ，４１ｂとを前記面方向に隣接させるように向きを変えて交互に配置されてなり、前記燃料極および空気極はシート状の金属多孔質体からなるとともに、これら金属多孔質体の間が非通気性の枠部３２，４２により気密に連結され、該枠部には前記金属多孔質体の配列方向に沿って１つおきに、隣接する前記金属多孔質体同士を電気接続する接続手段３３，４３が備えられ、前記接続手段によって隣接する前記単セル同士が直列に接続されている。
【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電極部材に関する。

近年、固体高分子電解質の利用により、携帯可能な小型の固体高分子型燃料電池の開発が進められている。通常、固体高分子型燃料電池では、一対の電極（単セル）による起電力が小さいので、複数の単セルを直列に接続する構造となっている。ところが、複数の単セルを順次接続するために、単セルを積み重ねた状態（いわゆるスタック型）を採用すると、積み重ねた各単セル間にセパレータ板を配置しなければならず、また、積み重ねた狭い流路に燃料であるメタノール水溶液や空気を送るためのポンプなどの補機が必要となる。そのため、体積、重量、コスト等の点で不利となる。そこで、セパレータ板を用いずに単セルを平面に並べて接続することにより省スペース化、薄型化を図る、平面配置型の開発が進められている。

たとえば、特許文献１では、燃料極と空気極との間に電解質層を挟んだ単セルを面方向に並べて、一面側に燃料極、他面側に空気極を配列している。そして、各単セルの燃料極と隣接する単セルの空気極とをＺ字状の接続板で順次接続することにより、面方向に沿って隣り合う単セルを直列接続する構成の平面型燃料電池が提案されている。
また、特許文献２では、ガス拡散層を構成する導電性多孔質体の周囲を樹脂枠で囲むとともに、導電性多孔質体から樹脂枠の外面に端子用タブを突出させることにより、単セルの製造および単セル同士の接続を容易にしている。
特開２００２−５６８５５号公報 特開２００４−３４９１９８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池は、構造が複雑であるため、製造が容易ではなく、セル間の絶縁不良や液体燃料の漏れ等の問題が生じる恐れがある。また特許文献２に記載の構造は、同一面に配列された複数の単セル（ガス拡散層）に対して毛管作用によって燃料を供給するので、大きな燃料供給面に対して燃料が均一に供給されにくい。このために燃料供給が不足し発電が不十分な単セルがあると、全体の発電量が低下してしまうという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、簡易な構造で多数の単セルを接続し、セル間の絶縁性および燃料のシール性を確保し、各セルに燃料を均一に供給することにより、薄型化および高出力化された固体高分子型燃料電池を提供することを目的とする。

本発明の固体高分子型燃料電池は、電解質層を介して燃料極と空気極とを厚さ方向に対向させて構成される単セルが面方向に複数配列されるとともに、各単セルが燃料極と空気極とを前記面方向に隣接させるように向きを変えて交互に配置されてなり、隣接状態の前記燃料極と空気極とは、シート状の金属多孔質体からなるとともに、これら金属多孔質体の間が非通気性の枠部により気密に連結され、該枠部には、前記金属多孔質体の配列方向に沿って１つおきに、隣接する前記金属多孔質体同士を電気接続する接続手段が備えられ、前記接続手段によって、隣接する前記単セル同士が直列に接続されている。

また、本発明の電極部材は、電解質層を介して燃料極と空気極とを厚さ方向に対向させて構成される単セルが面方向に複数配列されてなる固体高分子型燃料電池を構成する電極部材であって、前記面方向に配列され、燃料極または空気極を構成する複数のシート状の金属多孔質体と、隣接する前記金属多孔質体間を気密に連結する非通気性の枠部とを有し、前記枠部には、前記金属多孔質体の配列方向に沿って１つおきに、隣接する前記金属多孔質体同士を電気接続する接続手段が備えられる。

この発明によれば、単セルが面方向に配列された平面配置型の固体高分子型燃料電池において、面方向に隣接する燃料極と空気極とを接続する簡易な構造により、隣接する単セル同士を直列接続できる。また、燃料極と空気極とが面方向に交互に配列されるので、燃料極が燃料電池の両面に分散して配置される。つまり、同一面上に配列された燃料極全体の表面を一つの大きな燃料供給面として一つの燃料タンクから燃料を供給する構造であると、各燃料極に対する燃料供給量に偏りが生じるおそれがあるのに対し、本発明では燃料極を分散して配置することにより一つの燃料供給面を小さくできるので、全ての燃料極に対して均一に燃料を供給することができる。

本発明によれば、平面状に配列した複数の単セルの接続構造が簡易であるので、燃料電池の薄型化、高出力化および生産性の向上が実現できる。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１に、本発明に係る固体高分子型燃料電池（以下、燃料電池）１０の断面を示す。この燃料電池１０は、フッ素樹脂系の高分子電解膜からなるシート状の電解質層２０と、この電解質層２０を介して厚さ方向に対向する一対のシート状の電極部材３０，４０を備え、複数（図示例では５つ）の単セルＳが導電性の接続部材（接続手段）３３，４３によって直列に接続された構造となっている。

電極部材３０は、図２（ａ）の上面図に示すように、複数枚（本実施形態では５枚）の金属多孔質体からなる燃料極３１ａと空気極３１ｂとが、面方向に交互に一列に配列されている。燃料電池１０においては、この電極部材３０の端部に配置された一方の燃料極３１ａが負極となる。これら燃料極３１ａと空気極３１ｂとは、枠部３２によって遮断されるとともに互いに固着されている。また、この電極部材３０において、隣り合う燃料極３１ａと空気極３１ｂとを対をなすように電気接続する接続部材３３が備えられている。この接続部材３３は、面方向に並ぶ枠部３２に対して１つおきに設けられている。
燃料極３１ａおよび空気極３１ｂの電解質層２０に接する表面には、触媒層Ｃが形成されている。触媒層Ｃは、たとえば電解質層２０を形成する高分子電解質の溶液に白金を担持させたカーボン粉末を混ぜて、燃料極３１ａおよび空気極３１ｂの表面に塗布することにより形成される。

燃料極３１ａおよび空気極３１ｂを形成する金属多孔質体は、たとえば金属粉末を含むスラリーを薄く成形して乾燥させたグリーンシートを焼成することにより製造される。スラリーは、例えばＳＵＳ等の金属粉末、有機バインダ、溶媒（水）、加熱処理により昇華あるいは気化する発泡剤を混合したものである。このスラリーを所要の厚さのシート状に成形し、発泡剤を発泡させた後に加熱乾燥させることにより、金属粉末が有機バインダによって結合された状態のグリーンシートが形成される。このグリーンシートを脱脂、焼成することにより有機バインダが除去され、金属粉末同士が焼結された骨格によりなる三次元網目構造を有する金属多孔質体が形成される。

枠部３２は、燃料極３１ａの燃料あるいは空気極３１ｂの空気が漏れないようにシールするとともに、隣接する燃料極３１ａと空気極３１ｂとを電気絶縁する樹脂からなる。枠部３２を形成する樹脂としては、非導電性であり通気性を有していなければよく、たとえば熱可塑性樹脂、ゴムを含むエラストマーなどを用いることができる。この枠部３２は、燃料極３１ａおよび空気極３１ｂをインサート体としたインサート成形によって、これら燃料極３１ａおよび空気極３１ｂを一体に固定するように形成される。この場合、燃料極３１ａおよび空気極３１ｂの微細な空隙内に溶融樹脂が含浸することにより、枠部３２と燃料極３１ａおよび空気極３１ｂとが強固に固定される。

接続部材３３は、金属箔からなり、交互に並ぶ燃料極３１ａと空気極３１ｂとに、枠部３２をまたいでろう付けや半田付けにより固着されている。この接続部材３３によって電気的に接続された各１枚の燃料極３１ａおよび空気極３１ｂの組み合わせが、枠部３２によって電気的に絶縁された状態で面方向に配列される。なお、電極部材３０の両端の枠部３２には、接続部材３３は設けられていない。

一方、電極部材４０は、図２（ｂ）の下面図に示すように、複数枚（本実施形態では５枚）の金属多孔質体からなる燃料極４１ａと空気極４１ｂとが、面方向に交互に一列に配列されている。燃料電池１０においては、この電極部材４０の端部に配置された一方の空気極４１ｂが正極となるこれら燃料極４１ａと空気極４１ｂとは、樹脂製の枠部４２によって遮断されるとともに互いに固着されている。また、電極部材４０において、隣り合う燃料極４１ａと空気極４１ｂとを対をなすように電気接続する接続部材４３が備えられている。さらに、燃料極４１ａおよび空気極４１ｂの電解質層２０に接する表面には、触媒層Ｃが形成されている。
つまり、電極部材４０は、電極部材３０と全く同じ構造であり、配置方向が異なるだけであるが、５枚の金属多孔質体のうち２枚を燃料極４１ａ、３枚を空気極４１ｂとする点で、電極部材３０とは異なっている。

これら電極部材３０，４０は、燃料極３１ａと空気極４１ｂ、空気極３１ｂと燃料極４１ａとをそれぞれ対向させ、かつ接続部材３３と接続部材４３とが対向しないように、電解質層２０を介して対向配置される。これにより、燃料電池１０には、燃料極３１ａと空気極４１ｂとが対向する単セルＳと、空気極３１ｂと燃料極４１ａが対向する単セルＳとが、面方向に交互に並んで形成される。これら単セルＳは、接続部材３３，４３によって直列に接続される。

なお、電極部材３０には、各燃料極３１ａの表面を被覆するシール部材３４と、各空気極３１ｂの端面を被覆するシール部材３５とが設けられている。これらシール部材３４，３５は、通気性がなく非導電性であればよく、たとえば枠部３２と同じ樹脂により形成されて、枠部３２に接着される。なお、これらのシール部材３４，３５は、射出成形により枠部３２と一体に形成してもよい。

同様に、電極部材４０においては、各燃料極４１ａの表面を被覆するシール部材４４と、各空気極４１ｂの端面を被覆するシール部材４５とが、枠部４２に接着されている。これらシール部材４４，４５は、通気性がなく非導電性であればよく、たとえば枠部４２と同じ樹脂により形成される。これらのシール部材４４，４５も、射出成形により枠部４２２と一体に形成してもよい。

つまり、燃料極３１ａ，４１ａは表面が閉塞されて端面のみが開放した状態となり、空気極３１ｂ，４１ｂは表面のみが開放されて端面が閉塞された状態となる。したがって、これらの電極部材３０，４０においては、図３に矢印で示すように燃料（たとえばメタノール水溶液）は燃料極３１ａ，４１ａの端面から供給され、空気は空気極３１ｂ，４１ｂの表面から供給される。

このように構成された燃料電池１０において、図４に示すように、燃料極３１ａ，４１ａの端面に接続する燃料タンク５０が設けられる。この燃料タンク５０から燃料極３１ａ，４１ａに燃料が供給されると、触媒層Ｃにおいて触媒反応によりイオン化した燃料中の水素が、電解質層２０中を移動して電解質層２０を介して対向する空気極３１ｂ，４１ｂに到達し、触媒層Ｃにおいて触媒反応により空気中の酸素と反応して水を生成する。水素のイオン化に伴い発生した電子は、燃料極３１ａ，３１ｂから接続部材３３，４３を通じて隣接する空気極３１ｂ，４１ｂへと移動して空気極３１ｂ，４１ｂおける反応量を増大させ、燃料極（負極）３１ａから外部に設けられた回路（図示せず）を通じて空気極（正極）４１ｂへと移動する。この電子の移動により、５つの単セルＳが直列接続された燃料電池１０の電気エネルギーが発生する。

以上説明したように、本実施形態によれば、面方向に隣接する燃料極と空気極とを接続するという簡素な構造により複数の単セルを直列接続するので、燃料電池の生産性向上とともに、薄型かつ高出力の燃料電池が実現できる。また、燃料極の燃料供給面が燃料電池の両端面に分散して配置されるので、燃料タンクから各燃料極に対して均一に燃料を供給することができる。

なお、本発明は前記実施形態の構成のものに限定されるものではなく、細部構成においては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
前記実施形態の電極部材３０，４０では枠部３２，４２を全て非通気性かつ電気絶縁性の樹脂で形成するとともに接続手段としての接続部材３３，４３を設けたが、電気接続状態とされる燃料極と空気極との間の枠部および接続手段を、非通気性の導電性材料で一部品として形成してもよい。

つまり、図５に示すように、電極部材６０において、面方向に一列に配列された燃料極または空気極を形成する金属多孔質体６１間に、非通気性かつ絶縁性の枠部６２ａと、非通気性かつ導電性の接続枠部６２ｂとを、交互に配列する。この電極部材６０を、枠部６２ａと接続枠部６２ｂとが厚さ方向に対向するように電解質層を挟んで配置することにより、複数の単セルが直列接続された固体高分子型燃料電池を実現することができる。

電極部材６０に備えられる金属多孔質体６１が偶数枚である場合には、図５に示すように電極部材６０の一端が導電性の接続枠部６２ｂとなる。したがって、燃料電池においては、このような電極部材６０を２枚、配置方向を逆にして対向配置すればよい。
一方、電極部材に備えられる金属多孔質体が奇数枚である場合には、両端がいずれも絶縁性の枠部である電極部材と、両端がいずれも導電性の接続枠部である電極部材とを、電解質層を挟んで対向配置することにより、単セルが直列接続された燃料電池を実現することができる。
いずれの場合も、各電極部材の端部に備えられた導電性の接続枠部を、燃料電池の負極端子または正極端子とすることができる。

本発明の固体高分子型燃料電池の一実施形態を示す断面図である。 図１の固体高分子型燃料電池を構成する電極部材を示す上面図（ａ）および下面図（ｂ）である。 図１の固体高分子型燃料電池への燃料および空気の供給路を示す斜視図である。 図１の固体高分子型燃料電池への燃料供給を示す平面図である。 本発明の固体高分子型燃料電池を構成する他の電極部材を示す平面図である。

符号の説明

１０ 固体高分子型燃料電池
２０ 電解質層
３０，４０，６０ 電極部材
３１ａ，４１ａ 燃料極
３１ｂ，４１ｂ 空気極
３２，４２ 枠部
３３，４３ 接続部材（接続手段）
３４，３５，４４，４５ シール部材
５０ 燃料タンク
６１ 金属多孔質体
６２ａ 枠部
６２ｂ 接続枠部（枠部、接続手段）
Ｃ 触媒層
Ｓ 単セル

Claims (2)

1. 電解質層を介して燃料極と空気極とを厚さ方向に対向させて構成される単セルが面方向に複数配列されるとともに、各単セルが燃料極と空気極とを前記面方向に隣接させるように向きを変えて交互に配置されてなり、
   隣接状態の前記燃料極と空気極とは、シート状の金属多孔質体からなるとともに、これら金属多孔質体の間が非通気性の枠部により気密に連結され、該枠部には、前記金属多孔質体の配列方向に沿って１つおきに、隣接する前記金属多孔質体同士を電気接続する接続手段が備えられ、前記接続手段によって、隣接する前記単セル同士が直列に接続されていることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
2. 電解質層を介して燃料極と空気極とを厚さ方向に対向させて構成される単セルが面方向に複数配列されてなる固体高分子型燃料電池を構成する電極部材であって、
   前記面方向に配列され、燃料極または空気極を構成する複数のシート状の金属多孔質体と、隣接する前記金属多孔質体間を気密に連結する非通気性の枠部とを有し、
   前記枠部には、前記金属多孔質体の配列方向に沿って１つおきに、隣接する前記金属多孔質体同士を電気接続する接続手段が備えられることを特徴とする固体高分子型燃料電池の電極部材。

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