JP2011138688A - 燃料電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】金属化合物からなる電解質層の割れを抑制し、アノード電極とカソード極の極間クロスリークに起因する電池の特性低下を防止する。
【解決手段】
イオン伝導性を有する金属化合物と高分子バインダーとからなる電解質層と、前記電解質層の一方の表面に接するアノード電極および他方の表面に接するカソード電極とからなる燃料電池とし、前記金属化合物は、前記高分子バインダーの融点以下でイオン伝導性を有するものを用いる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池に関し、特に、電解質層に金属化合物を用いた燃料電池に関するものである。
一対の電極で電解質層を挟み、アノード電極に水素を、カソード電極に酸素を含有するガスを供給して発電を行う燃料電池において、その電極を構成する触媒層は、反応ガスの反応場として、触媒能、イオン伝導、反応ガス拡散、電子伝導の機能が要求される。
近年、３００℃以下の運転温度で発電が可能な金属化合物電解質を用いた燃料電池の研究が進められている（非特許文献１、２）。このような電解質としては、ＮａＣｏ2Ｏ4、ＬａＦｅ3Ｓｒ3Ｏ10、Ｂｉ4Ｓｒ14Ｆｅ24Ｏ56が例として挙げられる。
そして、これらの金属化合物電解質を用いた燃料電池のアノード電極２とカソード電極３とでは次の反応が進行すると考えられ、カソード電極３の標準電極電位が低く、酸素の還元反応が進行し易いことが特徴である。
アノード反応： H2+2OH- →2H2O +2e- ・・・ （２）
カソード反応： 1/2O2+H2O +2e-→2OH- ・・・ （１）
竹口 竜弥、「平成20年度中間年報 固体高分子形燃料電池実用化戦略的技術開発 次世代技術開発 アニオン伝導塩基性酸化物燃料電池の開発」、[online] 、2009年5月29日、独立行政法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構 成果報告書、管理番号100014171、[2009年11月10日検索]、インターネット<https://app5.infoc.nedo.go.jp/disclosure/Search> 竹口他、3R30「アニオン伝導層状酸化物を電解質とする燃料電池の発電特性」、電気化学会第７６回大会、学術講演要旨集、457頁
従来の金属化合物を電解質とする燃料電池の電解質層は、金属化合物のみで形成していた。金属化合物だけの構造では、電解質膜に柔軟性が乏しく、電池の製作時や電池の積層時、また、電池を締め付けた時に電解質が割れ易いという問題があった。電解質膜が割れると、アノード電極とカソード極の極間クロスリークが生じて、電池の特性が著しく低下する可能性がある。極間クロスリークが増加すると、無負荷での電圧（開回路電圧）が大きく低下するという問題があった。
上記の課題を解決するために、本発明の燃料電池は、イオン伝導性を有する金属化合物および高分子バインダーとからなる電解質層と、前記電解質層の一方の表面に接するアノード電極および他方の表面に接するカソード電極とを備えるものとし、かつ、前記金属化合物を前記高分子バインダーの融点以下でイオン伝導性を有するもので構成した。
前記金属化合物は、アニオン伝導性層状酸化物を用いることができ、例えば、ＮａＣｏ2Ｏ4、ＬａＦｅ3Ｓｒ3Ｏ10、Ｂｉ4Ｓｒ14Ｆｅ24Ｏ56などを用いることができる。また、前記高分子バインダーは、フッ素樹脂を用いることができ、例えばポリテトラフルオロエチレンなどを用いることができる。
さらに、前記電解質層中の前記金属化合粒と高分子バインダーとの組成比を１００：１〜１００：５０の範囲内にすることとした。
本発明に係る燃料電池は、電解質層にフッ素樹脂等の高分子をバインダーとして含有するため、電解質層に柔軟性が生じて、電解質層自体のひび割れの発生を防ぐことができる。これにより、電解質層を介した極間クロスリークを抑制し、電池特性の低下を防止することが可能となる。
本発明の実施形態に係る燃料電池の単セルの模式図
図１に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池の単セルの構造は、電解質層１の一方の表面にアノード触媒層２が接して設けられており、電解質層１の他方の表面にカソード触媒層３が接して設けられている。
アノード触媒層２およびカソード触媒層３の各々の電解質層１とは反対側の表面には、ガス拡散層４が各々接して設けられ、さらに、ガス拡散層４に接して集電板５が設けられている。
電解質層１は、金属化合物粒子６と高分子バインダー７とから形成されている。
以下に本発明の実施形態に係る燃料電池の製造方法について説明する。
［電解質層の形成］
本発明の燃料電池は、以下に述べる方法により、ＮａＣｏ2Ｏ4の粉末とポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）とからなる電解質層を構成した。
まず、ＮａＣｏ2Ｏ4の粉末とＰＴＦＥディスパージョンとをエチレングリコールを溶媒として混合し、超音波を印加しながら攪拌した。
本実施形態においては、ＮａＣｏ2Ｏ4の粉末とＰＴＦＥディスパージョンは、組成比で１００：５の割合で混合した。
尚、ＮａＣｏ2Ｏ4の粉末とＰＴＦＥディスパージョンの組成は、１００:１〜１００:５０の範囲が好ましい。これよりＰＴＦＥが少ないと、ＰＴＦＥによるバインダーとしての効果が十分に得られず、電解質の割れやクロスリークが生じる恐れがあり、一方、前記の範囲よりもＰＴＦＥが多くなると、電解質層のイオン伝導性が低下するため好ましくない。
次に、上記により得られたNaCo2O4粉末とＰＴＦＥとを含有するペーストをポリイミドフイルムにスクリーン印刷法により塗布した。塗布後のペーストを280℃の空気雰囲気下で熱処理することにより、電解質層を形成した。
［アノード触媒層］
アノード触媒層には、NaCo2O4粉末にPdを15wt%担持したものを用い、これをエチレングリコールと混合して、上記の方法により製作した電解質膜の表面に、スクリーン印刷法により塗布した後、熱処理を施した。
［カソード触媒層］
カソード触媒層には、NaCo2O4粉末を用い、NaCo2O4粉末をエチレングリコールと混合したものを、上記のアノード触媒層が形成された面とは反対側の電解質膜の表面に、スクリーン印刷法により塗布した後、熱処理を施した。
以上の方法により形成したアノード触媒層２／電解質層１／カソード触媒層３からなる電解質−触媒層接合体の両触媒層の表面に、各々カーボン多孔質基材からなるガス拡散層４とカーボン板からなる集電板５とを配置して挟持することにより、本発明の燃料電池を製作することができる。
１ 電解質層
２ アノード触媒層
３ カソード触媒層
４ ガス拡散層
５ 集電板
６ 金属化合物粒子
７ 高分子バインダー

Claims (4)

  1. イオン伝導性を有する金属化合物および高分子バインダーとからなる電解質層と、前記電解質層の一方の表面に接するアノード電極および他方の表面に接するカソード電極とを備え、前記金属化合物は、前記高分子バインダーの融点以下でイオン伝導性を有することを特徴とする燃料電池。
  2. 前記金属化合物は、アニオン伝導性層状酸化物であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
  3. 前記高分子バインダーは、フッ素樹脂であ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。
  4. 前記電解質層中の前記金属化合粒と高分子バインダーとの組成比が、１００：１〜１００：５０の範囲内にあることを特徴とする燃料電池。
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