JP2015159021A - Porous collector and electrochemical device - Google Patents
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Abstract
Description
本願発明は、多孔質集電体及び電気化学装置に関する。詳しくは、水素を含むガスを用いて発電を行う燃料電池等の電気化学装置用の集電体及びこれを備える電気化学装置に関する。 The present invention relates to a porous current collector and an electrochemical device. Specifically, the present invention relates to a current collector for an electrochemical device such as a fuel cell that generates power using a gas containing hydrogen, and an electrochemical device including the current collector.
たとえば、アンモニアガスは農業や工業に不可欠の化合物であるが、人には有害であるため、水中や大気中のアンモニアガスを分解する種々の方法が知られている。上記アンモニアガスを分解するガス分解装置として、固体電解質層とこの固体電解質層を内外から挟むように積層形成された第１の電極層及び第２の電極層とを備えて構成された膜電極接合体を備えるガス分解装置が提案されている。上記ガス分解装置においては、アンモニアガスを触媒下において加熱することにより水素ガスを発生させ、上記水素ガスを上記第２の電極層に作用させてこれを分解すると同時に発電を行うように構成されている。 For example, ammonia gas is an indispensable compound for agriculture and industry, but since it is harmful to humans, various methods for decomposing ammonia gas in water and in the atmosphere are known. As a gas decomposition apparatus for decomposing ammonia gas, a membrane electrode junction comprising a solid electrolyte layer and a first electrode layer and a second electrode layer formed so as to sandwich the solid electrolyte layer from inside and outside A gas decomposition apparatus having a body has been proposed. The gas decomposition apparatus is configured to generate hydrogen gas by heating ammonia gas under a catalyst, and to generate power at the same time as the hydrogen gas acts on the second electrode layer to decompose it. Yes.
また、上記膜電極接合体は、種々の燃料電池にも利用される。たとえば、固体高分子形燃料電池は、フッソ樹脂等の高分子膜から形成された固体電解質層の一側に酸素を含む気体が作用させられる第１の電極層を設ける一方、他側に水素を含む燃料気体が作用させられる第２の電極層を設けた膜電極接合体を備えて構成される。上記固体高分子形燃料電池は、他の形式の燃料電池に比べて低温で作動するため、自動車用のエネルギ源として期待されている。 The membrane electrode assembly is also used in various fuel cells. For example, in a polymer electrolyte fuel cell, a first electrode layer on which a gas containing oxygen is allowed to act on one side of a solid electrolyte layer formed of a polymer film such as a fluororesin is provided with hydrogen on the other side. A membrane electrode assembly provided with a second electrode layer on which the contained fuel gas is allowed to act is provided. The polymer electrolyte fuel cell is expected to be an energy source for automobiles because it operates at a lower temperature than other types of fuel cells.
上記ガス分解装置や燃料電池等の出力は、作用させられるガスの濃度や流量等に大きく影響される。たとえば、燃料気体である水素の濃度や流量が低下すると発電性能が低下する。このため、一定の発電性能を維持するには、水素濃度が一定の燃料ガスを、一定の流量で作用させる必要がある。 The output of the gas decomposition apparatus, the fuel cell, etc. is greatly influenced by the concentration and flow rate of the gas to be acted on. For example, when the concentration or flow rate of hydrogen, which is a fuel gas, decreases, the power generation performance decreases. For this reason, in order to maintain a constant power generation performance, it is necessary to cause a fuel gas having a constant hydrogen concentration to act at a constant flow rate.
ところが、特許文献３に記載されているようなガス分解発電システムにおいては、し尿処理工程や堆肥製造工程等において排出されるアンモニアガスから生成される水素を利用しているため、水素濃度が一定の燃料ガスを供給するのは困難である。このため、アンモニアガス等を濃縮して、一定の濃度の水素を含む燃料ガスを生成するためのガス濃縮装置等を設ける必要があり、装置やシステムが大掛かりになるという問題がある。 However, in the gas decomposition power generation system as described in Patent Document 3, since hydrogen generated from ammonia gas discharged in the human waste treatment process or the compost manufacturing process is used, the hydrogen concentration is constant. It is difficult to supply fuel gas. For this reason, it is necessary to provide a gas concentrator for concentrating ammonia gas and the like to generate a fuel gas containing hydrogen at a constant concentration, and there is a problem that the apparatus and system become large.
また、電気自動車においては、走行状態が一定でないためモータに要求される負荷が変動する。たとえば、加速時等において出力の増加が要求される場合、水素ガスの消費量が増大し、燃料極近傍の水素ガスの圧力や濃度が低下する。上記負荷の変動を蓄電池等で吸収することもできるが、モータの負荷に対応した電力を供給できれば、蓄電池や燃料電池システムのエネルギ効率も高まる。ところが、燃料電池内の水素ガスの濃度や流量を、走行状態によって変化する上記モータの負荷に応じて変更するのは非常に困難である。 Moreover, in an electric vehicle, since the running state is not constant, the load required for the motor varies. For example, when an increase in output is required during acceleration or the like, the consumption of hydrogen gas increases, and the pressure and concentration of hydrogen gas near the fuel electrode decrease. The fluctuation of the load can be absorbed by a storage battery or the like, but if the electric power corresponding to the load of the motor can be supplied, the energy efficiency of the storage battery and the fuel cell system is increased. However, it is very difficult to change the concentration and flow rate of hydrogen gas in the fuel cell according to the load of the motor that changes depending on the running state.
本願発明は、上記課題を解決し、ガス分解装置や燃料電池等の電気化学装置において、供給される燃料ガスの濃度の変化や要求される出力の変化に迅速に対応できる電気化学装置を構成できる集電体を提供することを課題とする。 The invention of the present application can solve the above-mentioned problems, and can constitute an electrochemical device capable of quickly responding to changes in the concentration of fuel gas supplied and changes in required output in electrochemical devices such as gas decomposition devices and fuel cells. It is an object to provide a current collector.
本願発明は、固体電解質層と、この固体電解質層の一側に設けられて酸素を含むガスが作用させられる第１の電極層と、他側に設けられて水素を含むガスが作用させられる第２の電極層とを備えて構成される電気化学装置の上記第２の電極層に積層される多孔質集電体であって、上記水素を含むガスを流動させる連続気孔を備えるとともに、少なくとも上記各気孔の表面に水素吸蔵層を備えて構成される。 The present invention includes a solid electrolyte layer, a first electrode layer provided on one side of the solid electrolyte layer on which a gas containing oxygen is applied, and a gas provided on the other side on which a gas containing hydrogen is applied. A porous current collector laminated on the second electrode layer of an electrochemical device comprising two electrode layers, comprising continuous pores through which the gas containing hydrogen flows, and at least the above Each pore is provided with a hydrogen storage layer on the surface.
供給される水素ガスの濃度が変化した場合や、要求される出力の変化によって燃料ガスの消費量が変化した場合に、第２の電極層に作用する水素ガス濃度を調節できる。 The concentration of hydrogen gas acting on the second electrode layer can be adjusted when the concentration of the supplied hydrogen gas changes or when the consumption amount of the fuel gas changes due to a change in required output.
〔本願発明の実施形態の概要〕
本実施形態は、固体電解質層の一側に設けられて酸素を含むガスが作用させられる第１の電極層と、他側に設けられて水素を含むガスが作用させられる第２の電極層とを備えて構成される電気化学装置の上記第２の電極層に積層される多孔質集電体であって、上記水素を含むガスを流動させる連続気孔を備えるとともに、少なくとも上記各気孔の表面に水素吸蔵層を備えて構成される。
[Outline of Embodiment of the Present Invention]
The present embodiment includes a first electrode layer that is provided on one side of the solid electrolyte layer and on which a gas containing oxygen is applied, and a second electrode layer that is provided on the other side and on which a gas containing hydrogen is applied. A porous current collector laminated on the second electrode layer of an electrochemical device comprising: a continuous pore through which a gas containing hydrogen flows; and at least a surface of each pore It is configured with a hydrogen storage layer.
本実施形態に係る多孔質集電体は、水素を含むガスを電極層に供給する流路に設置される。上記多孔質集電体は、ガスを流動させる連続気孔を備えるため、上記水素ガスを含む燃料ガスが気孔内部を流動させられ、上記流動する水素ガスの一部が上記水素吸蔵層に吸蔵される。 The porous current collector according to the present embodiment is installed in a flow path that supplies a gas containing hydrogen to the electrode layer. Since the porous current collector has continuous pores through which the gas flows, the fuel gas containing the hydrogen gas is caused to flow inside the pores, and a part of the flowing hydrogen gas is occluded in the hydrogen storage layer. .
上記水素吸蔵層における水素の吸蔵量は、温度条件や圧力条件の他に、周囲の水素濃度によっても変化する。このため、温度条件や圧力条件が同一でも、周囲の水素ガス濃度が変化すれば、これに応じて水素ガスが吸蔵あるいは放出される。したがって、上記各条件が一定の場合は、所定量の水素ガスが上記水素吸蔵層に吸蔵された状態となる。一方、燃料電池等に供給される水素ガスの濃度が変化した場合、上記水素吸蔵層から水素ガスが放出されて、第２の電極層近傍の水素ガス濃度の低下が緩和される。このため、燃料ガス中の水素ガスの濃度が急激に低下したり、一時的に水素ガスの供給が停止した場合に、燃料電池の出力の急激な低下を緩和することが可能となる。 The amount of hydrogen stored in the hydrogen storage layer varies depending on the surrounding hydrogen concentration in addition to the temperature and pressure conditions. For this reason, even if the temperature condition and the pressure condition are the same, if the surrounding hydrogen gas concentration changes, the hydrogen gas is occluded or released accordingly. Therefore, when each of the above conditions is constant, a predetermined amount of hydrogen gas is stored in the hydrogen storage layer. On the other hand, when the concentration of the hydrogen gas supplied to the fuel cell or the like changes, the hydrogen gas is released from the hydrogen storage layer, and the decrease in the hydrogen gas concentration in the vicinity of the second electrode layer is alleviated. For this reason, when the concentration of hydrogen gas in the fuel gas rapidly decreases or when the supply of hydrogen gas is temporarily stopped, it is possible to mitigate the rapid decrease in the output of the fuel cell.
また、電気自動車に用いられる燃料電池のように所要の電力が変化する場合、大きな出力が要求されると、上記水素ガスの消費量が増大し、電極層近傍の水素ガスの濃度及び圧力が低下する。この場合にも、上記水素吸蔵層から水素が供給されて、大きな出力に対応することが可能となる。 In addition, when the required power changes as in a fuel cell used in an electric vehicle, if a large output is required, the consumption of hydrogen gas increases and the concentration and pressure of hydrogen gas near the electrode layer decrease. To do. Also in this case, hydrogen is supplied from the hydrogen storage layer, and it becomes possible to cope with a large output.
水素ガスを用いて発電を行うものであれば、上記電気化学装置の種類は特に限定されることはない。たとえば、ガス分解装置や燃料電池に本実施形態に係る多孔質集電体を適用できる。 The type of the electrochemical device is not particularly limited as long as it generates electricity using hydrogen gas. For example, the porous current collector according to this embodiment can be applied to a gas decomposition apparatus or a fuel cell.
本実施形態に係る多孔質集電体は、上記水素を含むガスを流動させることができる連続気孔を備えて構成される。上記連続気孔を備えることにより、水素を含むガスを多孔質体内で流動させて水素ガスを吸蔵及び放出させることが可能となる。 The porous current collector according to the present embodiment includes continuous pores that can flow the gas containing hydrogen. By providing the continuous pores, it becomes possible to occlude and release hydrogen gas by flowing a gas containing hydrogen in the porous body.
また、上記多孔質集電体を、上記水素を含むガスを上記第２の電極層の面方向に流動させて、上記第２の電極層の各部に供給するガス流路を構成するように設定するのが好ましい。これにより、多孔質集電体を利用してガス流路を構成できるとともに、この多孔質集電体内に水素を含むガスを流動させて、上記水素吸蔵層における水素ガスの吸蔵及び放出を効率よく行うことができる。また、第２の電極層の全域に対して水素ガスを均一に供給できるとともに、水素ガスの濃度が変化した場合において、多孔質集電体の全域から水素ガスを放出することが可能となる。 Further, the porous current collector is set so as to constitute a gas flow path for supplying the hydrogen-containing gas in the surface direction of the second electrode layer and supplying the gas to each part of the second electrode layer. It is preferable to do this. Accordingly, a gas flow path can be configured using the porous current collector, and a gas containing hydrogen is caused to flow into the porous current collector, thereby efficiently storing and releasing hydrogen gas in the hydrogen storage layer. It can be carried out. Further, hydrogen gas can be uniformly supplied to the entire area of the second electrode layer, and hydrogen gas can be released from the entire area of the porous current collector when the concentration of the hydrogen gas changes.
また、本実施形態に係る多孔質集電体は、少なくとも上記各気孔の表面に水素吸蔵層が設けられている。このため、多孔質体内に、大きな表面積を備える水素吸蔵層を形成できる。そして、上記気孔内を流動するガスに含まれる水素を効率よく吸蔵し、また放出することが可能となる。 In the porous current collector according to this embodiment, a hydrogen storage layer is provided at least on the surface of each pore. For this reason, a hydrogen storage layer having a large surface area can be formed in the porous body. And it becomes possible to efficiently occlude and release hydrogen contained in the gas flowing in the pores.
上記水素吸蔵層を形成する部位は各気孔の表面にのみ限定されることはない。たとえば、多孔質集電体の一部又は全部を導電性の水素吸蔵合金から形成することもできる。また、上記集電体の上記電極層と接する面と反対側の面の近傍では、ガスを流動させる必要は低いため、上記連続気孔を埋めるようにして水素吸蔵層を設けることもできる。 The site for forming the hydrogen storage layer is not limited to the surface of each pore. For example, a part or all of the porous current collector can be formed of a conductive hydrogen storage alloy. Further, in the vicinity of the surface of the current collector opposite to the surface in contact with the electrode layer, it is not necessary to flow the gas. Therefore, a hydrogen storage layer can be provided so as to fill the continuous pores.
上記多孔質集電体は、種々の導電性多孔質体から形成することができる。たとえば、ニッケル等の種々の導電性金属材料、窒化アルミ、導電性ジルコニア等の導電性セラミック材料を採用できる。導電性多孔質体の形態等は特に限定されることはなく、たとえば所定の厚みを有するシート状の導電性多孔質体を採用できる。上記水素吸蔵層を形成できるとともに、上記第２の電極層に作用させられる水素ガスを含む気体を流動させるために、気孔率を３０％〜９５％に設定するのが好ましい。気孔率が３０％未満の場合、水素吸蔵層を形成するのが困難であるとともに、ガスの流動抵抗が大きくなって充分な量の水素ガスを電極層に供給できない。一方、気孔率が９５％を越えると、集電体としての導電性が低下するとともに機械的強度を確保しにくくなる。また、平均気孔径を１００μｍ〜１０００μｍに設定するのが好ましい。気孔径が１００μｍ未満では、水素吸蔵層を形成するのが困難である、一方、平均気孔径が１０００μｍを越えると、水素ガスを電極層の全域に拡散して供給しにくくなる。 The porous current collector can be formed from various conductive porous bodies. For example, various conductive metal materials such as nickel, and conductive ceramic materials such as aluminum nitride and conductive zirconia can be employed. The form of the conductive porous body is not particularly limited, and for example, a sheet-like conductive porous body having a predetermined thickness can be employed. It is preferable to set the porosity to 30% to 95% so that the hydrogen storage layer can be formed and the gas containing hydrogen gas that acts on the second electrode layer is caused to flow. When the porosity is less than 30%, it is difficult to form a hydrogen storage layer, and the flow resistance of the gas increases, so that a sufficient amount of hydrogen gas cannot be supplied to the electrode layer. On the other hand, if the porosity exceeds 95%, the electrical conductivity as a current collector is lowered and it is difficult to ensure the mechanical strength. The average pore diameter is preferably set to 100 μm to 1000 μm. When the pore diameter is less than 100 μm, it is difficult to form a hydrogen storage layer. On the other hand, when the average pore diameter exceeds 1000 μm, it is difficult to diffuse and supply hydrogen gas over the entire electrode layer.
上記多孔質集電体を、ニッケル、又は、ニッケルに、クロム、スズ、チタン、コバルト又はタングステンのうち少なくとも一つを添加した合金材料から形成される導電性多孔質体に、上記水素吸蔵層を設けて構成することができる。これらの金属材料を採用することにより、電気伝導性が高い多孔質集電体を構成できる。また、ニッケルの合金を採用することにより、耐蝕性を向上させることができる。 The porous hydrogen collector is formed of nickel or an electrically conductive porous body formed of an alloy material obtained by adding at least one of chromium, tin, titanium, cobalt, or tungsten to nickel. It can be provided and configured. By adopting these metal materials, a porous current collector having high electrical conductivity can be configured. Further, by employing a nickel alloy, the corrosion resistance can be improved.
連続気孔を備えていれば、上記導電性多孔質体の形態も特に限定されることはない。たとえば、繊維を編成して構成された導電性多孔質体を採用できる。また、上記導電性多孔質体として、外殻と、中空又は導電性材料の一方又は双方からなる芯部とを有する骨格を備え、上記骨格が一体的に連続する三次元網目構造を備えたものを採用できる。三次元編目構造を備える導電性多孔質体を採用することにより、水素を含むガスを円滑に流動させることができるとともに、内部に大きな面積を有する水素吸蔵層を形成することが可能となる。 The shape of the conductive porous body is not particularly limited as long as it has continuous pores. For example, a conductive porous body formed by knitting fibers can be employed. Also, the conductive porous body has a skeleton having an outer shell and a core made of one or both of a hollow or a conductive material, and has a three-dimensional network structure in which the skeleton is integrally continuous. Can be adopted. By employing a conductive porous body having a three-dimensional stitch structure, it is possible to smoothly flow a gas containing hydrogen and to form a hydrogen storage layer having a large area inside.
燃料電池の作動環境に適用できるものであれば、上記水素吸蔵物質として、種々の材料から形成されたものを採用できる。たとえば、種々の水素吸蔵合金材料や、セラミックス材料から形成された水素吸蔵物質を採用できる。 As long as it can be applied to the operating environment of the fuel cell, those formed from various materials can be adopted as the hydrogen storage substance. For example, various hydrogen storage alloy materials and hydrogen storage materials formed from ceramic materials can be employed.
上記水素吸蔵物質を、たとえば、パラジウム（Ｐｇ）、マグネシウム（Ｍｇ）、チタン鉄（ＴｉＦｅ）、チタンコバルト（ＴｉＣｏ），チタンクロム（ＴｉＣｒ），ロジウム銀（ＲｈＡｇ）から選ばれた１又は２以上の水素吸蔵成分を含んで構成することができる。上記水素吸蔵物質は、種々のめっき法や塗着法等を用いて、上記導電性多孔質体の気孔表面にコーティングすることができる。また、上記水素吸蔵物質の粉体を上記連続気孔の表面にコーティングして水素吸蔵層を形成することもできる。さらに、上記導電性多孔質体の少なくとも表面層自体を合金化して水素吸蔵合金層とすることもできる。たとえば、ニッケル、鉄又はコバルトから形成された導電性多孔質体に、チタン、パラジウム又はマグネシウムをめっきし、熱拡散させて合金化することにより、上記導電性多孔質体と一体化された水素吸蔵層を設けることができる。 The hydrogen storage material is, for example, one or more selected from palladium (Pg), magnesium (Mg), titanium iron (TiFe), titanium cobalt (TiCo), titanium chromium (TiCr), and rhodium silver (RhAg). A hydrogen storage component can be included. The hydrogen storage material can be coated on the pore surfaces of the conductive porous body using various plating methods, coating methods, and the like. In addition, the hydrogen storage layer can be formed by coating the surface of the continuous pores with the powder of the hydrogen storage material. Furthermore, at least the surface layer itself of the conductive porous body can be alloyed to form a hydrogen storage alloy layer. For example, hydrogen storage is integrated with the conductive porous body by plating titanium, palladium, or magnesium on a conductive porous body formed of nickel, iron, or cobalt, and thermally diffusing and alloying. A layer can be provided.
通常、燃料電池は、上記固体電解質層と上記電極層とが積層された平板状の膜電極接合体を複数備えるとともに、各膜電極接合体間に導電性のセパレータが配置されて構成されている。このため、上記セパレータと各電極表面との間に設定されて、水素を含むガスを面方向に流動させるガス流路に上記多孔質集電体を設けるのが好ましい。 In general, a fuel cell includes a plurality of flat membrane electrode assemblies in which the solid electrolyte layer and the electrode layer are stacked, and a conductive separator is disposed between the membrane electrode assemblies. . For this reason, it is preferable to provide the said porous collector in the gas flow path which is set between the said separator and each electrode surface, and flows the gas containing hydrogen to a surface direction.
上記ガス流路に、本実施形態に係る多孔質集電体を設けることにより、ガスを面方向に流動させて、第２の電極層に水素ガスを円滑に作用させることができる。しかも、この多孔質集電体に大量の水素を保持させて、供給される水素ガスの濃度が変化した場合等に迅速に放出させることができる。 By providing the porous current collector according to the present embodiment in the gas flow path, it is possible to cause the gas to flow in the surface direction and to cause hydrogen gas to act smoothly on the second electrode layer. In addition, a large amount of hydrogen can be held in the porous current collector, and can be quickly released when the concentration of the supplied hydrogen gas changes.
〔実施形態の詳細〕
以下、本願発明の実施形態の詳細を図に基づいて説明する。
[Details of the embodiment]
Hereinafter, details of embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図１に、多孔質集電体が適用される燃料電池のセル構造の一例を示す。なお、図１には、一つのセル構造を示しているが、発電の電圧を高めるため複数のセルが、導電性のセパレータを介して厚み方向に複数積層されて燃料電池が構成される。 FIG. 1 shows an example of a cell structure of a fuel cell to which a porous current collector is applied. Although FIG. 1 shows a single cell structure, a fuel cell is configured by stacking a plurality of cells in the thickness direction via conductive separators in order to increase the voltage of power generation.
燃料電池セル１０１は、固体電解質層２を挟むようにして、空気極としての第１の電極層３と燃料極としての第２の電極層４とが積層形成された膜電極接合体５を備えて構成される。上記固体電解質層２として、たとえば、固体酸化物型燃料電池においては、イットリウム添加ジルコン酸バリウム（ＢＺＹ）や、イットリウム添加バリウムセレイト（ＢＣＹ）等の固体電解質を採用できる。また、固体高分子型燃料電池では、たとえば、ナフィオン等から形成された高分子膜を用いたものを採用できる。 The fuel cell 101 includes a membrane electrode assembly 5 in which a first electrode layer 3 as an air electrode and a second electrode layer 4 as a fuel electrode are stacked so as to sandwich the solid electrolyte layer 2. Is done. As the solid electrolyte layer 2, for example, in a solid oxide fuel cell, a solid electrolyte such as yttrium-added barium zirconate (BZY) or yttrium-added barium selate (BCY) can be employed. In addition, in the polymer electrolyte fuel cell, for example, a battery using a polymer membrane formed from Nafion or the like can be adopted.
上記第１の電極層３及び上記第２の電極層４は、触媒及び導電性材料等から形成されており、上記固体電解質層に積層して一体形成される。本願発明では、固体電解質層の縁部を除く所定の矩形領域に上記第１の電極層３及び第２の電極層４が形成されている。 The first electrode layer 3 and the second electrode layer 4 are formed of a catalyst, a conductive material, and the like, and are integrally formed by being stacked on the solid electrolyte layer. In the present invention, the first electrode layer 3 and the second electrode layer 4 are formed in a predetermined rectangular region excluding the edge of the solid electrolyte layer.
上記膜電極接合体５の一側には、本実施形態に係る第１の多孔質集電体８ａと第１の板状集電体８ｂを備える第１の集電体６が設けられている。一方、他側には、第２の多孔質集電体９ａと第２の板状集電体９ｂとを備える第２の集電体７が設けられている。本実施形態では、上記板状集電体８ｂ，９ｂは、ステンレスやカーボン等の板状導電性材料から形成されており、内面に溝等を形成することにより、ガスを流動させる第１のガス流路１０と第２のガス流路１１がそれぞれ設けられている。 On one side of the membrane electrode assembly 5, a first current collector 6 including a first porous current collector 8 a and a first plate current collector 8 b according to the present embodiment is provided. . On the other hand, a second current collector 7 including a second porous current collector 9a and a second plate-like current collector 9b is provided on the other side. In the present embodiment, the plate-like current collectors 8b and 9b are made of a plate-like conductive material such as stainless steel or carbon, and the first gas that causes the gas to flow by forming a groove or the like on the inner surface. A flow path 10 and a second gas flow path 11 are provided.
上記多孔質集電体８ａ，９ａは、導電性を有する多孔質体から形成されており、上記ガス流路１０，１１を流れるガスを各電極層３，４に拡散して作用させるとともに、上記各電極層３，４と上記板状集電体８ｂ，９ｂとを電気的に接続して導通させるように構成されている。 The porous current collectors 8a and 9a are formed of a conductive porous material, and the gas flowing through the gas flow paths 10 and 11 is diffused and acted on the electrode layers 3 and 4, and Each of the electrode layers 3 and 4 and the plate-like current collectors 8b and 9b are electrically connected to conduct.
上記膜電極接合体５の両側に、上記多孔質集電体８ａ，９ａ及び上記板状集電体８ｂ，９ｂを積層するとともに、電極層が設けられていない周縁部をガスケット１５，１６でシールして、上記燃料電池セル１０１が構成されている。 The porous current collectors 8a and 9a and the plate current collectors 8b and 9b are laminated on both sides of the membrane electrode assembly 5, and the peripheral portion where no electrode layer is provided is sealed with gaskets 15 and 16. Thus, the fuel cell 101 is configured.
上記第１のガス流路１０には酸化剤としての酸素を含む空気が導入され、上記第１の電極層３に、上記第１の多孔質集電体８ａを介して酸素が供給される。上記第２のガス流路１１には、燃料として水素を含む燃料ガスが導入され、上記第２の電極層４に上記第２の多孔質集電体９ａを介して水素が供給される。 Air containing oxygen as an oxidant is introduced into the first gas flow path 10, and oxygen is supplied to the first electrode layer 3 through the first porous current collector 8 a. A fuel gas containing hydrogen as a fuel is introduced into the second gas flow path 11, and hydrogen is supplied to the second electrode layer 4 through the second porous current collector 9a.
上記第２の電極層４において、Ｈ2→２Ｈ+ + ２ｅ- の反応が生じる。一方、第１の電極層３においては、１／２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ- →Ｈ2Ｏの反応が生じる。これにより、水素イオンが第２の電極層４から電解質層２を通って第１の電極層３へと移動するとともに、電子が第２の電極層４から上記第２の多孔質集電体９ａ、第２の板状集電体９ｂ、第１の板状集電体８ｂ、第１の多孔質集電体８ａを介して第１の電極層３へと流れ、電力が得られる。なお、上記燃料電池セル１０１は、図示しない加熱装置によって所定温度に加熱される。 In the second electrode layer 4, a reaction of H 2 → 2H + + 2e − occurs. On the other hand, in the first electrode layer 3, a reaction of 1 / 2O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O occurs. As a result, hydrogen ions move from the second electrode layer 4 through the electrolyte layer 2 to the first electrode layer 3, and electrons move from the second electrode layer 4 to the second porous current collector 9a. The second plate-like current collector 9b, the first plate-like current collector 8b, and the first porous current collector 8a flow to the first electrode layer 3 to obtain electric power. The fuel battery cell 101 is heated to a predetermined temperature by a heating device (not shown).
図１においては、理解を容易にするため、第１の電極層３及び第２の電極層４の厚みを実際より大きく描いている。また、第１のガス流路１０及び第２のガス流路１１を連続した大きな空間として描いているが、上記板状集電体８ｂ，９ｂの内面に所定幅の溝等を形成して構成されている。 In FIG. 1, in order to facilitate understanding, the thicknesses of the first electrode layer 3 and the second electrode layer 4 are drawn larger than the actual thickness. In addition, the first gas channel 10 and the second gas channel 11 are drawn as a continuous large space, but are configured by forming a groove having a predetermined width on the inner surface of the plate-like current collectors 8b and 9b. Has been.
本実施形態に係る上記第１の多孔質集電体８ａ及び第２の多孔質集電体９ａは、図２〜図４に示すように、外殻５０ａと、中空又は導電性材料の一方又は双方からなる芯部５０ｂとを有する骨格５０を備え、上記骨格５０が一体的に連続する三次元網目構造を備えた導電性多孔質体６０を用いて形成されている。上記導電性多孔質体６０は、三角柱状の骨格５０が三次元に連続して連なった形態を備え、上記骨格５０を構成する複数の枝部５１が結節部５３に集合して一体的に連続する形態を備える。上記導電性多孔質体６０は、連続気孔５２を有する多孔質状に形成されているため、上記連続気孔５２内でガスを円滑に流動させて、上記各電極層３，４に作用させることができる。 As shown in FIGS. 2 to 4, the first porous current collector 8 a and the second porous current collector 9 a according to the present embodiment include an outer shell 50 a and one of hollow or conductive materials, or It is formed using a conductive porous body 60 having a skeleton 50 having a core portion 50b composed of both, and having a three-dimensional network structure in which the skeleton 50 is integrally continuous. The conductive porous body 60 has a form in which triangular columnar skeletons 50 are continuously connected in a three-dimensional manner, and a plurality of branch parts 51 constituting the skeleton 50 are gathered into a knot part 53 to be integrated continuously. It has a form to do. Since the conductive porous body 60 is formed in a porous shape having continuous pores 52, the gas can smoothly flow in the continuous pores 52 to act on the electrode layers 3 and 4. it can.
上記多孔質集電体８ａ，９ａは電極と接して積層されるため、腐食環境におかれる。特に、上記第１の多孔質集電体８ａは、空気極である第１の電極層３に接触して配置されるため、耐蝕性を有する材料から形成する必要がある。このため、本実施形態では、上記導電性多孔質体６０は、ニッケルにクロムを添加した合金から形成されている。以下に、上記多孔質集電体８ａ，９ａを構成する導電性多孔質体６０の製造方法を説明する。 Since the porous current collectors 8a and 9a are laminated in contact with the electrodes, they are placed in a corrosive environment. In particular, since the first porous current collector 8a is disposed in contact with the first electrode layer 3 that is an air electrode, it is necessary to form the first porous current collector 8a from a material having corrosion resistance. For this reason, in this embodiment, the said electroconductive porous body 60 is formed from the alloy which added chromium to nickel. Below, the manufacturing method of the electroconductive porous body 60 which comprises the said porous electrical power collector 8a, 9a is demonstrated.
まず、ウレタンシート（市販品：平均孔径５００μｍ、厚み１．４ｍｍ、気孔率９６％）に導電処理を施す。上記導電処理は、ニッケルを無電解めっきし、あるいは、カーボン粒子を塗布等することにより導電性材料を積層して行うことができる。上記導電処理を終えたウレタンシートを、大気中で８００℃で焼却除去した後、還元性雰囲気中で１０００℃で熱処理して還元処理を行い、ニッケル多孔質体を形成する。上記手法によって、目付量が４００ｇ／ｍ2 で、平均孔径５００μｍ、厚み１．４ｍｍのニッケル多孔質体が得られる。 First, a conductive treatment is applied to a urethane sheet (commercially available product: average pore diameter 500 μm, thickness 1.4 mm, porosity 96%). The conductive treatment can be performed by electroless plating of nickel or laminating conductive materials by applying carbon particles or the like. The urethane sheet that has been subjected to the conductive treatment is removed by incineration at 800 ° C. in the air, and then heat-treated at 1000 ° C. in a reducing atmosphere to perform a reduction treatment to form a nickel porous body. By the above method, a nickel porous body having a basis weight of 400 g / m 2 , an average pore diameter of 500 μm, and a thickness of 1.4 mm is obtained.
次に、上記ニッケル多孔質体にクロマイジング処理を行うことにより耐蝕性を付与する。たとえば、クロム粉末とハロゲン化物、アルミナを混合した浸透材（クロム９０％、ＮＨ4 Ｃｌ：１％、Ａｌ2 Ｏ3 ：９％）を、上記ニッケル多孔質体に充填し、水素ガス等の還元性雰囲気下で８００℃に加熱することにより、ニッケル多孔質体にクロムを添加して合金化する。上記加熱時間を調節することにより、クロム含有量を調節することができ、所要の耐蝕性を有するニッケル−クロム合金製の金属多孔質体を得ることができる。 Next, corrosion resistance is imparted to the nickel porous body by performing chromizing treatment. For example, the above nickel porous body is filled with a penetrating material (chromium 90%, NH4Cl: 1%, Al2O3: 9%) mixed with chromium powder, halide, and alumina, and in a reducing atmosphere such as hydrogen gas. By heating to 800 ° C., chromium is added to the porous nickel body to form an alloy. By adjusting the heating time, the chromium content can be adjusted, and a metal porous body made of nickel-chromium alloy having the required corrosion resistance can be obtained.
たとえば、クロムの添加量を、１０〜５０重量％に設定することができる。また、クロムの添加量は、３〜４０重量％に設定するのが好ましく、さらに、２０〜４０重量％に設定するのがより好ましい。クロムの添加量が少なすぎると耐蝕性が低下する。一方、クロムの添加量が多すぎると、ニッケルとの間で金属間化合物が形成されて強度が低下する。 For example, the addition amount of chromium can be set to 10 to 50% by weight. Moreover, it is preferable to set the addition amount of chromium to 3 to 40 weight%, and it is more preferable to set to 20 to 40 weight%. If the amount of chromium added is too small, the corrosion resistance decreases. On the other hand, when there is too much addition amount of chromium, an intermetallic compound will be formed between nickel and intensity will fall.
なお、本実施形態では、導電性多孔質体６０に、ニッケル−クロム合金から形成された金属多孔質体を採用したが、ニッケルに、スズ、チタン、コバルト、鉄、タングステンのうち少なくとも一つを添加して形成される金属多孔質体を採用することもできる。 In the present embodiment, a metal porous body formed of a nickel-chromium alloy is used for the conductive porous body 60, but at least one of tin, titanium, cobalt, iron, and tungsten is used for nickel. It is also possible to employ a porous metal body formed by addition.
上記構造の金属多孔質体は、樹脂多孔質体から形成することができるため、所要の気孔率や所要の孔径を備えるものを容易に形成することができる。また、骨格が三次元網目構造に形成されているため、気孔率の大きな金属多孔質体を形成することができる。しかも、各気孔の孔径をほぼ一定に形成することができるため、ガスの拡散性が高く、電極層３，４に対してガスを均一に作用させることができる多孔質集電体８ａ，９ａを構成することができる。 Since the metal porous body having the above structure can be formed from a resin porous body, a metal porous body having a required porosity and a required pore diameter can be easily formed. Moreover, since the skeleton is formed in a three-dimensional network structure, a metal porous body having a large porosity can be formed. Moreover, since the pore diameter of each pore can be formed almost constant, the porous current collectors 8a and 9a having high gas diffusibility and capable of causing the gas to act uniformly on the electrode layers 3 and 4 are provided. Can be configured.
上記導電性多孔質体６０から形成された多孔質集電体８ａ，９ａは、耐蝕性を備えるとともに、電気抵抗率が従来のカーボンシートに比べて小さくなる。このため、各電極層３，４と各板状集電体８ｂ，９ｂとの間の電気抵抗を低減させることができ、発電効率を高めることができる。 The porous current collectors 8a and 9a formed from the conductive porous body 60 have corrosion resistance and a lower electrical resistivity than a conventional carbon sheet. For this reason, the electrical resistance between each electrode layer 3 and 4 and each plate-shaped collector 8b, 9b can be reduced, and electric power generation efficiency can be improved.
また、上記導電性多孔質体６０では、従来のカーボンシートより気孔率を大きく設定できるため、各電極層３，４に作用させるガスの流量を増大させることができる。しかも、各気孔の径をカーボンシートより均一に設定できるため、ガスを電極層に対して均一に作用させることができる。このため、発電効率を高めることができる。 Moreover, in the said conductive porous body 60, since a porosity can be set larger than the conventional carbon sheet, the flow volume of the gas made to act on each electrode layer 3 and 4 can be increased. And since the diameter of each pore can be set more uniformly than a carbon sheet, gas can be made to act uniformly with respect to an electrode layer. For this reason, power generation efficiency can be improved.
なお、上記導電性多孔質体の気孔率は、３０〜９５％に設定することができる。また、気孔率を、４０〜９６％に設定するのが好ましく、さらに、５０〜９２％に設定するのがより好ましい。気孔率が低い場合、ガス拡散性が低下し、ガスを電極層に対して均一に作用させることができない。一方、気孔率が大きすぎると、金属多孔質層の強度が低下する。 In addition, the porosity of the said electroconductive porous body can be set to 30 to 95%. Moreover, it is preferable to set a porosity to 40 to 96%, and it is more preferable to set to 50 to 92%. When the porosity is low, the gas diffusibility is lowered and the gas cannot be uniformly applied to the electrode layer. On the other hand, when the porosity is too large, the strength of the metal porous layer is lowered.
上記導電性多孔質体６０の目付量は、３００〜１０００ｇ／ｍ2 に設定することができる。また、目付量を、３５０〜８００ｇ／ｍ2 に設定するのが好ましく、さらに、４００〜７５０ｇ／ｍ2
に設定するのがより好ましい。目付量が小さいと、強度が低くなるとともに、電気伝導率も低くなるため、電極層と集電体間の電気抵抗が大きくなり、集電効率が低下する。一方、目付量が大きすぎると、気孔率が小さくなってガスの流動抵抗が大きくなり、電極層にガスを十分作用させることができなくなる。
The basis weight of the conductive porous body 60 can be set to 300 to 1000 g / m 2 . The basis weight is preferably set to 350 to 800 g / m 2 , and more preferably 400 to 750 g / m 2.
It is more preferable to set to. When the basis weight is small, the strength is lowered and the electrical conductivity is also lowered. Therefore, the electrical resistance between the electrode layer and the current collector is increased, and the current collection efficiency is lowered. On the other hand, if the basis weight is too large, the porosity decreases and the flow resistance of the gas increases, and the gas cannot sufficiently act on the electrode layer.
上記導電性多孔質体６０の厚みは、燃料電池の形態等によって設定することができる。第１の電極層３に対するガスの拡散性を確保するために、１００〜１０００μｍの厚みに設定することができる。また、導電性多孔質体６０の厚みを１２０〜９００μｍに設定するのがより好ましく、１５０〜８００μｍに設定するのがさらに好ましい。多孔質集電体の厚みが小さすぎると、ガスの拡散性が低下して、ガスを均一に電極層３，４に作用させることができない。一方、厚みが大きすぎると、セルの大きさが大きくなるため、燃料電池の体積エネルギ密度が低下する。 The thickness of the conductive porous body 60 can be set according to the form of the fuel cell. In order to ensure gas diffusibility with respect to the first electrode layer 3, the thickness can be set to 100 to 1000 μm. Further, the thickness of the conductive porous body 60 is more preferably set to 120 to 900 μm, and further preferably set to 150 to 800 μm. If the thickness of the porous current collector is too small, the gas diffusibility is lowered, and the gas cannot be uniformly applied to the electrode layers 3 and 4. On the other hand, if the thickness is too large, the size of the cell increases, and the volume energy density of the fuel cell decreases.
本実施形態では、厚み１．４ｍｍの導電性多孔質体６０から形成される多孔質集電体８ａ，９ａを電極層３，４と板状集電体８ｂ，９ｂの内面との間で挟圧して一部を圧縮変形させ、これら部材の表面に密着させることにより、これら部材と電気的に接続している。このため、上記電極層３，４と上記板状集電体８ｂ，９ｂとの間の接触抵抗も大幅に低減させることができる。 In the present embodiment, the porous current collectors 8a and 9a formed from the conductive porous body 60 having a thickness of 1.4 mm are sandwiched between the electrode layers 3 and 4 and the inner surfaces of the plate-like current collectors 8b and 9b. A part is compressed and deformed by pressure and brought into close contact with the surface of these members, thereby being electrically connected to these members. For this reason, the contact resistance between the electrode layers 3 and 4 and the plate-like current collectors 8b and 9b can be greatly reduced.
上記第１の電極層３に積層される第１の多孔質集電体８ａとして、上記導電性多孔質体６０をそのまま採用することができる。 As the first porous current collector 8a laminated on the first electrode layer 3, the conductive porous body 60 can be adopted as it is.
一方、本実施形態では、第２の電極層４に積層される第２の多孔質集電体９ａとして、図３及び図４に示すように、上記導電性多孔質体６０の各連続気孔５２の表面に、パラジウムから形成された水素吸蔵層５５を設けたものを採用している。上記水素吸蔵層５５は、以下に説明する無電解めっきを用いて形成することができる。 On the other hand, in the present embodiment, as the second porous current collector 9a laminated on the second electrode layer 4, as shown in FIGS. 3 and 4, each continuous pore 52 of the conductive porous body 60 is provided. The surface is provided with a hydrogen storage layer 55 made of palladium. The hydrogen storage layer 55 can be formed by using electroless plating described below.
上記導電性多孔質体６０を、６５℃の脱脂液（奥野製薬製ＯＰＣ−３７０ コンデクリーンＭ １００ｍｌ／Ｌ）に５分間浸漬して、汚れ等を除去する。次に、脱イオン水で洗浄後、室温においてプレディップ液（奥野製薬製ＯＰＣ−ＳＡＬ プレディップ剤 １７０ｇ／Ｌ、塩酸１０ｍｌ／Ｌ）に３分間浸漬する。 The conductive porous body 60 is immersed in a degreasing solution at 65 ° C. (OPC-370 Condeclean M 100 ml / L manufactured by Okuno Pharmaceutical Co., Ltd.) for 5 minutes to remove dirt and the like. Next, after washing with deionized water, it is immersed in a pre-dip solution (OPC-SAL pre-dip agent 170 g / L, manufactured by Okuno Seiyaku, hydrochloric acid 10 ml / L) at room temperature for 3 minutes.
その後、洗浄せずに、触媒付与液（奥野製薬製ＯＰＣ−８０ キャタリスト ５０ｍｌ／Ｌ、奥野製薬製ＯＰＣ−ＳＡＬ プレディップ剤 １７０ｇ／Ｌ、塩酸３０ｍｌ／Ｌ）に６分間浸漬する。次に脱イオン水を用いて洗浄後、３０℃の活性化処理液（奥野製薬製ＯＰＣ−５５５ アクセレータＭ １００ｍｌ／Ｌ）に５分間浸漬する。 Then, it is immersed for 6 minutes in a catalyst imparting solution (OPC-80 Catalyst 50 ml / L, Okuno OPC-SAL Predip Agent 170 g / L, hydrochloric acid 30 ml / L) without washing. Next, after washing with deionized water, it is immersed in an activation treatment solution at 30 ° C. (OPC-555 Accelerator M 100 ml / L, manufactured by Okuno Pharmaceutical) for 5 minutes.
上記工程によって処理した導電性多孔質体６０を、６０℃に加熱したパラジウム（Ｐｄ）めっき液（奥野製薬製パラトップＡ １００ｍｌ／Ｌ）に浸漬することにより、上記水素吸蔵層５５を備える第２の多孔質集電体９ａを形成した。 The conductive porous body 60 treated in the above step is immersed in a palladium (Pd) plating solution heated to 60 ° C. (Paratop A 100 ml / L, manufactured by Okuno Pharmaceutical Co., Ltd.), whereby the second hydrogen storage layer 55 is provided. The porous current collector 9a was formed.
上記手法を採用することにより、上記導電性多孔質体６０の気孔表面に、パラジウム（Ｐｄ）から形成された厚みが約１０μｍの水素吸蔵層５５を形成することができる。パラジウム（Ｐｄ）は、自己の体積の約９００倍以上の水素を吸蔵することができる。また、パラジウムは、貴金属であるため、水蒸気等の不純物ガスと反応しにくく、水素を選択的に吸蔵することができる。 By adopting the above method, the hydrogen storage layer 55 made of palladium (Pd) and having a thickness of about 10 μm can be formed on the pore surface of the conductive porous body 60. Palladium (Pd) can occlude more than about 900 times its own volume of hydrogen. Further, since palladium is a noble metal, it hardly reacts with an impurity gas such as water vapor and can selectively occlude hydrogen.
上記第２の多孔質集電体９ａを採用することにより、図１に示すように、上記多孔質集電体９ａ内を電極に向かって流動する水素ガスの一部が、上記水素吸蔵層５５に吸蔵させることができる。 By adopting the second porous current collector 9a, as shown in FIG. 1, a part of the hydrogen gas flowing toward the electrode in the porous current collector 9a is part of the hydrogen storage layer 55. Can be occluded.
上記水素吸蔵層において、供給される水素ガスの濃度、温度及び圧力が一定であれば、一定量の水素ガスが吸蔵された状態で燃料電池の運転が行われる。一方、上記燃料電池１０１に供給される燃料ガスの水素濃度が低下すると、上記水素吸蔵層５５から水素ガスが放出される。このため、供給される水素ガスの濃度が急変したり、水素ガスの供給が停止した場合に、出力が急激に低下するのを緩和することが可能となる。 If the concentration, temperature, and pressure of the supplied hydrogen gas are constant in the hydrogen storage layer, the fuel cell is operated in a state where a certain amount of hydrogen gas is stored. On the other hand, when the hydrogen concentration of the fuel gas supplied to the fuel cell 101 decreases, hydrogen gas is released from the hydrogen storage layer 55. For this reason, when the concentration of the supplied hydrogen gas changes suddenly or when the supply of hydrogen gas is stopped, it is possible to mitigate the sudden decrease in output.
また、電気自動車等において、要求される出力が急激に増加した場合、水素ガスの消費量が増加し、燃料極近傍の水素ガス濃度が低下する。この場合においても、上記水素吸蔵層５５から水素ガスが放出されて、上記出力の増加に対応することが可能となる。 In addition, in an electric vehicle or the like, when the required output increases rapidly, the amount of hydrogen gas consumption increases and the hydrogen gas concentration near the fuel electrode decreases. Even in this case, hydrogen gas is released from the hydrogen storage layer 55, and the increase in output can be accommodated.
図５に、第２の実施形態に係る燃料電池のセル２０１の構造の断面図を示す。なお、図５に示す第１の多孔質集電体２８ａ及び第２の多孔質集電体２９ａの基本的構成は、第１の実施形態のものと同様であるので説明は省略する。なお、図５においては、上記固体電解質層と上記第１の電極層２３と上記第２の電極層２４とを一体のものとして表わしている。 FIG. 5 shows a cross-sectional view of the structure of the cell 201 of the fuel cell according to the second embodiment. The basic configuration of the first porous current collector 28a and the second porous current collector 29a shown in FIG. 5 is the same as that of the first embodiment, and a description thereof will be omitted. In FIG. 5, the solid electrolyte layer, the first electrode layer 23, and the second electrode layer 24 are shown as an integral unit.
本実施形態では、多孔質集電体２８ａ，２９ａが、各電極層２３，２４と、各板状集電体２８ｂ，２９ｂの内面との間に設定された空間に充填されており、多孔質集電体２８ａ，２９ａ自体がガス流路２０，２１を構成している。このため、第１の板状集電体２８ｂ及び第２の板状集電体２９ｂの内面に、ガス流路を構成する溝を形成する必要がない。このため、板状集電体２８ｂ，２９ｂの製造工程を削減することができ、製造コストを低減させることができる。 In the present embodiment, the porous current collectors 28a and 29a are filled in the spaces set between the respective electrode layers 23 and 24 and the inner surfaces of the respective plate-like current collectors 28b and 29b. The current collectors 28 a and 29 a themselves constitute the gas flow paths 20 and 21. For this reason, it is not necessary to form the groove | channel which comprises a gas flow path in the inner surface of the 1st plate-shaped collector 28b and the 2nd plate-shaped collector 29b. For this reason, the manufacturing process of the plate-shaped collectors 28b and 29b can be reduced, and manufacturing cost can be reduced.
しかも、上記第２の多孔質集電体２９ａの内部には、水素を含むガスが流動させられるため、水素ガスを吸蔵する水素吸蔵層の面積を大きく設定することが可能となり、大量の水素を吸蔵することも可能となる。 In addition, since a gas containing hydrogen flows inside the second porous current collector 29a, the area of the hydrogen storage layer that stores the hydrogen gas can be set large, and a large amount of hydrogen can be stored. It can also be occluded.
特に、第２の実施形態においては、水素を含む燃料ガスが導入口から導入され、上記ガス流路２１内を各電極層２３，２４の面方向に流動しながら、各電極層２３，２４に作用させられる。すなわち、本実施形態では、上記金属多孔質層２８が、従来のガス流路とガス拡散手段とを兼用するように設けられている。このため、ガスを各電極に円滑に供給できるとともに、第２の多孔質集電体２９ａにおいて、水素ガスを効率よく水素吸蔵層に吸蔵させ、また、放出させることができる。 In particular, in the second embodiment, a fuel gas containing hydrogen is introduced from the introduction port, and flows into the electrode layers 23, 24 while flowing in the gas flow path 21 in the surface direction of the electrode layers 23, 24. It is made to act. That is, in the present embodiment, the metal porous layer 28 is provided so as to serve as both a conventional gas flow path and a gas diffusion means. Therefore, the gas can be smoothly supplied to each electrode, and in the second porous current collector 29a, the hydrogen gas can be efficiently occluded and released in the hydrogen occlusion layer.
〔水素吸蔵層の性能試験〕
上記第２の実施形態に係る燃料電池を用いて、従来の集電体を備えた第２の多孔質集電体と、水素吸蔵層を設けた第２の多孔質集電体を用いて、比較試験を行った。
[Performance test of hydrogen storage layer]
Using the fuel cell according to the second embodiment, using a second porous current collector provided with a conventional current collector and a second porous current collector provided with a hydrogen storage layer, A comparative test was conducted.
〔膜電極接合体の構成〕
固体電解質層：イットリウム添加ジルコン酸バリウム（ＢＺＹ）
第１の電極層（空気極）：ランタンコバルトセリア系材料（ＬＳＣＦ）
第２の電極層（燃料極）：Ｎｉ−ＢＺＹ
[Configuration of membrane electrode assembly]
Solid electrolyte layer: Yttrium-added barium zirconate (BZY)
First electrode layer (air electrode): lanthanum cobalt ceria-based material (LSCF)
Second electrode layer (fuel electrode): Ni-BZY
〔導電性多孔質体の構成〕
導電性多孔質体として図２〜図４に示す三次元編目構造を備える金属多孔質体を用いた。金属多孔質体の形態は下記のとおりである。この導電性多孔質体を、そのまま第１の多孔質集電体２８ａとして採用する一方、この導電性多孔質体の連続気孔の表面に水素吸蔵層を形成したものを第２の多孔質集電体２９ａとして採用した。
金属多孔質体：ニッケル多孔質体に厚み１０μｍのＡｇめっきを施したもの
気孔率：９５％
平均気孔径：４５０μｍ
厚み：１．４ｍｍ
[Configuration of conductive porous body]
The metal porous body provided with the three-dimensional stitch structure shown in FIGS. 2 to 4 was used as the conductive porous body. The form of the metal porous body is as follows. While this conductive porous body is employed as it is as the first porous current collector 28a, the second porous current collector is obtained by forming a hydrogen storage layer on the surface of the continuous pores of the conductive porous body. Adopted as body 29a.
Metal porous body: Nickel porous body subjected to Ag plating with a thickness of 10 μm Porosity: 95%
Average pore diameter: 450 μm
Thickness: 1.4mm
〔水素吸蔵層の構成〕
第１の実施形態において説明した手法によって、パラジウムから形成された１０μｍの厚みを有する水素吸蔵層５５を、第２の多孔質集電体２９ａを構成する導電性多孔質体の連続気孔の表面に形成した。
[Configuration of hydrogen storage layer]
By the method described in the first embodiment, the hydrogen storage layer 55 made of palladium and having a thickness of 10 μm is formed on the surface of the continuous pores of the conductive porous body constituting the second porous current collector 29a. Formed.
〔性能試験の概要〕
燃料電池セルを６００℃に加熱した状態で、空気を１００ｃｃ／ｍｉｎの流量で第１の多孔質集電体２８ａを介して第１の電極層２３に作用させるとともに、水素ガスの濃度１００％の燃料ガスを、１００ｃｃ／ｍｉｎの流量で、上記第２の多孔質集電体２９ａを介して第２の電極層２４に作用させた。そして、定常状態における発電性能をそれぞれ測定した。この結果、初期の発電性能は、いずれの多孔質集電体を装着した場合においても、２５４ｍＷ／ｃｍ2 であった。
[Outline of performance test]
With the fuel cell heated to 600 ° C., air is applied to the first electrode layer 23 through the first porous current collector 28a at a flow rate of 100 cc / min, and the hydrogen gas concentration is 100%. Fuel gas was applied to the second electrode layer 24 through the second porous current collector 29a at a flow rate of 100 cc / min. Then, the power generation performance in the steady state was measured. As a result, the initial power generation performance was 254 mW / cm 2 when any porous current collector was mounted.
次に水素ガスを遮断し、１分後の燃料電池の出力をそれぞれ計測した。図６に示すように、水素吸蔵層５５を設けた第２の多孔質集電体２９ａを備える燃料電池では、出力の低下割合が低くなり、水素吸蔵層の効果が実証された。 Next, the hydrogen gas was shut off, and the output of the fuel cell after 1 minute was measured. As shown in FIG. 6, in the fuel cell including the second porous current collector 29 a provided with the hydrogen storage layer 55, the output decrease rate was low, and the effect of the hydrogen storage layer was demonstrated.
本願発明の範囲は、上述の実施形態に限定されることはない。今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって、制限的なものでないと考えられるべきである。本願発明の範囲は、上述した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The scope of the present invention is not limited to the embodiment described above. The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined not by the above-mentioned meaning but by the scope of the claims, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of the claims.
供給される水素ガスの濃度や要求される出力が変化しても、水素ガスの供給量を調節できる燃料電池を構成できる。 Even if the concentration of hydrogen gas to be supplied or the required output changes, a fuel cell that can adjust the supply amount of hydrogen gas can be configured.
２ 固体電解質層
３ 第１の電極層（空気極）
４ 第２の電極層（燃料極）
５ 膜電極接合体
６ 第１の集電体（空気極側）
７ 第２の集電体（燃料極側）
８ａ 第１の多孔質集電体
８ｂ 第１の板状集電体
９ａ 第２の多孔質集電体
９ｂ 第２の板状集電体
１０ 第１のガス流路
１１ 第２のガス流路
１５ ガスケット
１６ ガスケット
２０ 第１のガス流路
２１ 第２のガス流路
２３ 第１の電極層
２４ 第２の電極層
２５ 膜電極接合体
２６ 第１の集電体
２７ 第２の集電体
２８ａ 第１の多孔質集電体
２８ｂ 第１の板状集電体
２９ａ 第２の多孔質集電体
２９ｂ 第２の板状集電体
５０ 骨格
５０ａ 外殻
５０ｂ 芯部
５１ 枝部
５２ 連続気孔
５３ 結節部
５５ 水素吸蔵層
６０ 導電性多孔質体
１０１ 燃料電池セル
２０１ 燃料電池セル
2 Solid electrolyte layer 3 First electrode layer (air electrode)
4 Second electrode layer (fuel electrode)
5 Membrane electrode assembly 6 First current collector (air electrode side)
7 Second current collector (fuel electrode side)
8a 1st porous current collector 8b 1st plate-shaped current collector 9a 2nd porous current collector 9b 2nd plate-shaped current collector 10 1st gas flow path 11 2nd gas flow path DESCRIPTION OF SYMBOLS 15 Gasket 16 Gasket 20 1st gas flow path 21 2nd gas flow path 23 1st electrode layer 24 2nd electrode layer 25 Membrane electrode assembly 26 1st electrical power collector 27 2nd electrical power collector 28a First porous current collector 28b First plate-shaped current collector 29a Second porous current collector 29b Second plate-shaped current collector 50 Skeleton 50a Outer shell 50b Core portion 51 Branch portion 52 Continuous pores 53 Nodal portion 55 Hydrogen storage layer 60 Conductive porous body 101 Fuel cell 201 Fuel cell
Claims (9)
上記水素を含むガスを流動させる連続気孔を備えるとともに、少なくとも上記各気孔の表面に水素吸蔵層を備える、多孔質集電体。 A solid electrolyte layer; a first electrode layer provided on one side of the solid electrolyte layer on which a gas containing oxygen is applied; and a second electrode layer provided on the other side on which a gas containing hydrogen is applied. A porous current collector laminated on the second electrode layer of an electrochemical device comprising:
A porous current collector comprising continuous pores through which the gas containing hydrogen flows, and at least a hydrogen storage layer on the surface of each pore.
上記水素吸蔵物質が、パラジウム（Ｐｇ）、マグネシウム（Ｍｇ）、チタン鉄（ＴｉＦｅ）、チタンコバルト（ＴｉＣｏ），チタンクロム（ＴｉＣｒ），ロジウム銀（ＲｈＡｇ）から選ばれた１又は２以上の水素吸蔵成分を含んで構成されている、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の多孔質集電体。 The hydrogen storage layer is formed by coating the surface of the continuous pores with a hydrogen storage material,
The hydrogen storage material is one or more hydrogen storage materials selected from palladium (Pg), magnesium (Mg), titanium iron (TiFe), titanium cobalt (TiCo), titanium chromium (TiCr), and rhodium silver (RhAg). The porous current collector according to any one of claims 1 to 3, comprising a component.
上記セパレータと各電極表面との間に設定されて、水素を含むガスを面方向に流動させて上記各電極層に作用させるガス流路に上記多孔質集電体を設けた、請求項７に記載の電気化学装置。 The electrochemical device includes a plurality of flat membrane electrode assemblies in which the solid electrolyte layer and the electrode layer are laminated, and a conductive separator is disposed between the membrane electrode assemblies. ,
The porous current collector is provided in a gas flow path that is set between the separator and each electrode surface and causes a gas containing hydrogen to flow in a plane direction and act on each electrode layer. The described electrochemical apparatus.
The electrochemical device according to claim 7 or 8, wherein the electrochemical device is a gas decomposition device or a fuel cell.
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