JP2017004942A - 接触抵抗を低減した電気化学セル - Google Patents

Abstract

【課題】周知にある電気化学セルの接触抵抗が高過ぎるため、効果が好ましくないという問題を解決することにある。【解決手段】本発明は、接触抵抗を低減した電気化学セルであって、導電ペーストを利用して主にカーボン材から成る電極の表面上に図形化導電層を形成することで、前記図形化導電層と前記電極間との接触抵抗を低減することができ、セルの性能を向上させている。【選択図】図３

Description

本発明は、電気化学セル、とりわけ、接触抵抗を低減した電気化学セルに関するものである。

電気化学セルは、酸化還元反応を利用し、化学エネルギーを電気エネルギーに変換する装置の一種であり、電力を必要とする様々な領域で幅広く応用されており、例えば、水素と酸素の結合を利用し、化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換する燃料電池であって、燃料電池が電気を発生させた後の副産物は、水と熱であるため、低汚染なエネルギー源に属し、且つエネルギー転換効率が高く、近年注目を集めているエネルギー供給技術の一種である。

この周知の燃料電池として、引例文献１のような「燃料電池モジュールの受圧組立構成」は、燃料電池モジュールと、第一受圧端板と、第一電極集電板と、第二受圧端板と、第二電極集電板と、加圧構成とを包含している。前記第一電極集電板と前記第二電極集電板は、前記燃料電池モジュールの両側にそれぞれ設置され、前記第一受圧端板は、前記燃料電池モジュールから遠離する前記第一電極集電板の一側に設置され、前記第二受圧端板は、前記燃料電池モジュールから遠離する前記第二電極集電板の一側に設置され、前記加圧構成は、加圧板と、前記加圧板に垂直に延伸する一対の側板を包含し、前記加圧板は、前記第二受圧端板に当接し、且つ、前記第一受圧端板と、前記第一電極集電板と、前記第二受圧端板と、前記第二電極集電板とは、前記一対の側板の間に設置されている。また、前記第一受圧端板を介し、前記第二受圧端板方向に向かう圧力を前記燃料電池モジュールに付勢することで、前記燃料電池モジュール内の各セル単体に必要な接触圧力を提供している。

しかしながら、付勢する圧力が大き過ぎると、燃料電池モジュールの構成に変形や損傷が発生するという恐れがあり、付勢する圧力が小さ過ぎると、燃料電池の密着性が好ましくなくなり、水漏れや気体漏れが発生し易くなるだけでなく、燃料電池モジュール間の接触抵抗が増加し、性能を低下させてしまう。

台湾特許公告第I３８２５８４号

本発明の主要な目的は、周知にある電気化学セルの接触抵抗が高過ぎるため、効果が好ましくないという問題を解決することにある。

上述の目的を達成するため、本発明は、高分子電解質膜と、電極コンポーネントと、第二電極と、図面化導電層とを包含する、接触抵抗を低減した電気化学セルを提供している。前記電極コンポーネントは、触媒層と、拡散層と、第一電極とを包含し、前記高分子電解質膜の一側に設置し、前記第二電極は、主にカーボン材から成り、前記電極コンポーネントから遠離する前記高分子電解質膜の一側に設置し、前記高分子電解質膜から遠離する表面を包含し、前記図形化導電層は、導電ペーストを前記表面に塗布し、焼成を経て形成しており、そのうち、水素は、前記図形化導電層を介して前記第二電極に進入し、酸素は、前記第一電極を介して前記触媒層及び前記拡散層に進入し、前記水素は、前記第二電極内で触媒を受けて化学反応を起こし、水素イオンと電子とを形成し、前記水素イオンは、前記高分子電解質膜を介して前記触媒層と前記拡散層に進入し、酸素と結合して水分子を形成している。

また、上述の目的を達成するため、本発明は、高分子電解質膜と、電極コンポーネントと、第二電極と、図形化導電層と、を包含する、接触抵抗を低減した電気化学セルを提供している。前記電極コンポーネントは、触媒層と、拡散層と、第一電極とを包含し、前記高分子電解質膜の一側に設置し、前記第二電極は、主にカーボン材から成り、前記電極コンポーネントから遠離する前記高分子電解質膜の一側に設置し、前記高分子電解質膜から遠離する表面を包含し、前記図形化導電層は、導電ペーストを前記表面に塗布し、焼成を経て形成しており、そのうち、水素は、前記電極コンポーネントを介して前記第一電極に進入し、酸素は、前記図形化導電層を介して前記第二電極に進入し、前記水素は、前記第一電極内で触媒を受けて化学反応を起こし、水素イオンと電子とを形成し、前記水素イオンは、前記高分子電解質膜を介して前記第二電極に進入し、酸素と結合して水分子を形成している。

さらに、上述の目的を達成するため、本発明は、電解質と、金属電極と、第二電極と、図形化導電層とを包含する、接触抵抗を低減した電気化学セルを提供している。前記金属電極は、前記電解質の一側に設置し、前記第二電極は、主にカーボン材から成り、前記金属電極から遠離する前記電解質の一側に設置し、前記電解質から遠離する表面を包含し、前記図形化導電層は、導電ペーストを前記表面に塗布し、焼成を経て形成されており、そのうち、水素は、前記図形化導電層を介して前記第二電極に進入し、前記金属電極は、金属イオンと少なくとも一つの電子とに解離し、前記酸素は、前記電子及び水分子と結合して水酸化イオンを形成している。

以上より、本発明は、従来使用される集電板に取って代わり、前記導電ペーストを利用して前記表面に前記図形化導電層を形成し、前記第二電極に付勢がかからない状況下で組み立てることができ、損傷の可能性を低減し、且つ前記図形化導電層と前記電極との間の付着力が良好であるため、前記図形化導電層と前記第二電極との間の接触抵抗を大幅に低減することができ、製品の性能を向上させている。

本発明に係る第一実施例の集電構成を示す模式図である。 本発明に係る第一実施例における前記図形化導電層の第一様態を示す模式図である。 本発明に係る第一実施例における前記図形化導電層の第二様態を示す模式図である。 本発明に係る第二実施例の電気化学セルの構成を示す模式図である。 本発明に係る第三実施例の電気化学セルの構成を示す模式図である。

本発明に係る詳細な説明と技術的内容について、図面を参照しつつ以下において説明する。

本発明に係る第一実施例の集電構成を示す模式図である図１を参照すると、本発明は、カーボン材電極１０と、図形化導電層２０とを包含し、前記カーボン材電極１０は、カーボン材表面１１を包含し、前記図形化導電層２０は、導電ペーストを前記カーボン材表面１１上に塗布した後、焼成或いはその他の硬化方法を利用し、前記導電ペーストを硬化して前記カーボン材表面１１に形成し、前記カーボン材電極１０と前記図形化導電層２０との間には化学結合が形成されることから、付着力が良好であるため、両者を接触させるための外部圧力を加圧しない状況下で、前記カーボン材電極１０と前記図形化導電層２０との間の接触抵抗を低減させることができる。そのうち、前記導電ペーストは、銀、金、アルミ、銅及びこれ等の組合せからなる群のいずれかである導電金属を含んでいる。また、前記カーボン材電極１０は、グラファイト、カーボン、炭素繊維或いはナノカーボン材等とすることができる。なお、前記ナノカーボン材は、カーボンナノチューブ、グラフィン、ナノグラファイト繊維等とすることができる。

次に、本発明に係る第一実施例における前記図形化導電層の第一様態及び第二態様を示す模式図である図２及び図３を参照されたい。図２において、前記図形化導電層２０は、複数の縦方向導電線２１と複数の横方向導電線２２とを包括し、これ等縦方向導電線２１とこれ等横方向導電線２２とは互いに交差し合うことで、電子がこれ等縦方向導電線２１とこれ等横方向導電線２２上で迅速に伝達し、導電コンポーネント７０から排出し、集電の効果を達成することができ、従来の集電板と電極との組合せに取って代わることができる。図３において、前記図形化導電層２０は、互いに平行し合う複数の第一導電線２３と、これ等第一導電線２３を接続する第二導電線２４とを包括している。上述したことは、あくまでも例示したものに過ぎず、前記図形化導電層２０は、使用者の需要に応じて設計を変えることができる。

続いて、本発明に係る第二実施例の電気化学セルの構成を示す模式図である図４を参照すると、本発明は、高分子電解質膜３０と、電極コンポーネント４０と、第二電極５０と、図形化導電層２０と、導電コンポーネント７０とを包括している。前記電極コンポーネント４０は、触媒層４１と、拡散層４２と、第一電極４３とを含み、前記触媒層４１は、前記高分子電解質膜３０の一側に接続し、前記拡散層４２は、前記高分子電解質膜３０から遠離する前記触媒層４１の一側に設置し、前記第一電極４３は、前記高分子電解質膜３０から遠離する前記拡散層４２の一側に設置し、前記第二電極５０は、前記電極コンポーネント４０から遠離する前記高分子電解質膜３０の一側に設置し、且つ前記高分子電解質膜３０から遠離する表面５１を含み、前記図形化導電層２０は、導電ペーストを前記表面５１に形成し、前記導電コンポーネント７０は、前記図形化導電層２０と前記第一電極４３とに接続し、そのうち、前記図形化導電層２０は、図２と図３を参考することができることから、ここでは言及しない。また、特筆すべき点として、前記第二電極５０は、主にカーボン材から成り、気体の拡散、酸化還元反応及び電子の引導等の機能を兼ね備えている。

操作時において、水素と酸素とを注入し、前記水素は、前記図形化導電層２０を介して前記第二電極５０に進入し、前記第二電極５０内で触媒を受けて化学反応を起こし、水素イオンと電子とを形成し、さらに前記高分子電解質膜３０を介し、前記触媒層４１と前記拡散層４２とに注入しており、前記酸素は、前記第一電極４３を介して前記触媒層４１と前記拡散層４２とに進入し、前記水素イオンと結合して水分子を形成し、前記電子は、前記導電コンポーネント７０を利用して前記図形化導電層２０から前記第一電極４３に伝達することで、発電を行っている。

また、本実施例において、前記水素と前記酸素との注入位置は変更することもでき、即ち、前記水素は、前記電極コンポーネント４０を介して前記第一電極４３に進入し、前記第一電極４３内で触媒を受けて化学反応を起こし、水素イオンと電子とを生成し、前記酸素は、前記図形化導電層２０を介して前記第二電極５０に進入し、前記水素イオンと結合して水分子を形成し、前記電子は、前記導電コンポーネント７０を利用して前記第一電極４３から前記図形化導電層２０に伝達することで、発電を行っている。

そのうち、前記導電ペーストは、塗布することで前記表面５１に形成し、焼成することで前記表面５１上に硬化することができ、前記図形化導電層２０と前記第二電極５０との間で化学結合が形成することから、互いの付着力が良好で、圧力を加圧しない状況下で、前記第二電極５０と前記図形化導電層２０との間の接触抵抗を低減することができ、製品の性能を向上させている。また、前記第二電極５０から遠離する前記図形化導電層２０の一側に、もう一つの電気化学セルに係る前記第一電極４３をさらに接続させて直列に接続する構成を形成することができ、前記図形化導電層２０と前記第一電極４３との間は、同じように圧力を加圧する必要がないことから、接触抵抗を低減することができる。

次に、本発明に係る第三実施例の電気化学セルの構成を示す模式図である図５を参照すると、本発明は、電解質６０と、金属電極８０と、第二電極５０と、図形化導電層２０と、導電コンポーネント７０とを包含している。前記金属電極８０は、主に、マグネシウム、マグネシウム合金、アルミニウム、アルミニウム合金及びこれ等の組合せからなる群のいずれかである金属から成り、前記電解質６０の一側に設置し、前記第二電極５０は、前記金属電極８０から遠離する前記電解質６０の一側に設置し、且つ前記電解質６０から遠離する表面５１を含み、前記図形化導電層２０は、導電ペーストを前記表面５０に形成し、前記導電コンポーネント７０は、前記図形化導電層２０及び前記金属電極８０に接続しており、そのうち、前記図形化導電層２０は、図２と図３を参考することができることから、ここでは言及しない。また、特筆すべき点として、前記第二電極５０は、主にカーボン材から成り、気体の拡散、酸化還元反応及び電子の引導等の機能を兼ね備えている。また、本発明において、カーボン材は、グラファイト、カーボン、炭素繊維或いはナノカーボン材等とすることができる。なお、前記ナノカーボン材は、カーボンナノチューブ、グラフィン、ナノグラファイト繊維等とすることができる。

操作時において、酸素を注入し、注入した酸素は、前記図形化導電層２０を介して前記第二電極５０に進入し、前記金属電極８０は、金属イオンと少なくとも１つの電子とに解離し、前記少なくとも１つの電子は前記導電コンポーネント７０を利用し、前記図形化導電層２０から前記金属電極８０に伝達し、酸素及び水分子と結合して水酸化イオンを形成することで、発電を行っている。

本発明に係る実施例において、前記導電ペーストは、塗布することで前記表面５１上に形成し、焼成することで前記表面５１上に硬化することができ、前記図形化導電層２０と前記第二電極５０との間に化学結合が形成することから、互いの付着力が良好で、圧力を加圧しない状況下で、前記第二電極５０と前記図形化導電層２０との間の接触抵抗を低減することができ、製品の性能を向上させている。また、前記第二電極５０から遠離する前記図形化導電層２０の一側に、もう一つの電気化学セルに係る前記金属電極８０を接続して直列に接続する構成を形成することができ、前記図形化導電層２０と前記金属電極８０との間は、同じように圧力を加圧する必要がないことから、接触抵抗を低減することができる。

以上のことから、前記図形化導電層を前記表面上に形成することによって、圧力を加圧しない状況下で、前記第二電極と前記図形化導電層との間の接触抵抗を低減することができ、且つ直列に接続する構成を形成した際、前記図形化導電層と、前記第一電極と、前記金属電極との間は、同じように圧力を加圧する必要がないことから、接触抵抗を低減することができ、効率を向上させている。

以上をもって、本発明を詳細に説明したが、上述したことは、本発明に係る好ましい実施例に過ぎず、本発明が請求する範囲を限定するものではない。本発明が請求する範囲に基づいて行った変更や修正は、いずれも本発明に係る特許請求の範囲に属するものである。

１０ カーボン材電極
１１ カーボン材表面
２０ 図形化導電層
２１ 縦方向導電線
２２ 横方向導電線
２３ 第一導電線
２４ 第二導電線
３０ 高分子電解質膜
４０ 電極コンポーネント
４１ 触媒層
４２ 拡散層
４３ 第一電極
５０ 第二電極
５１ 表面
６０ 電解質
７０ 導電コンポーネント
８０ 金属電極

Claims (18)

1. 高分子電解質膜と、
   前記高分子電解質膜の一側に設置し、触媒層と、拡散層と、第一電極とを包括する電極コンポーネントと、
   前記電極コンポーネントから遠離する前記高分子電解質膜の一側に設置し、主にカーボン材から成り、前記高分子電解質膜から遠離する表面を包含する第二電極と、
   導電ペーストを前記表面に塗布し、焼成を経て形成される図形化導電層とを包含する、接触抵抗を低減した電気化学セルであって、
   水素は、前記図形化導電層を介して前記第二電極に進入し、酸素は、前記第一電極を介して前記触媒層と前記拡散層に進入し、前記酸素は、前記第二電極内で触媒を受けて化学反応を起こし、水素イオンと電子とを形成し、前記水素イオンは、前記高分子電解質膜を介して前記触媒層と前記拡散層に注入し、前記酸素と結合して水分子を形成することを特徴とする、接触抵抗を低減した電気化学セル。
2. 前記導電ペーストは、銀、金、アルミ、銅及びこれ等の組合せからなる群のいずれかである導電金属を包含することを特徴とする請求項１に記載の、接触抵抗を低減した電気化学セル。
3. 前記図形化導電層と前記電極コンポーネントとに接続する導電コンポーネントをさらに包含することを特徴とする請求項１に記載の、接触抵抗を低減した電気化学セル。
4. 前記図形化導電層は、複数の縦方向導電線と、これ等縦方向導電線と交差し合う複数の横方向導電線を包括することを特徴とする請求項１に記載の、接触抵抗を低減した電気化学セル。
5. 前記図形化導電層は、互いに平行し合う複数の第一導電線と、これ等第一導電線を接続する第二導電線とを包括することを特徴とする請求項１に記載の、接触抵抗を低減した電気化学セル。
6. 前記カーボン材は、グラファイト、カーボン、炭素繊維及びナノカーボン材からなる群のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の、接触抵抗を低減した電気化学セル。
7. 高分子電解質膜と、
   前記高分子電解質膜の一側に設置し、触媒層と、拡散層と、第一電極とを包括する電極コンポーネントと、
   前記電極コンポーネントから遠離する前記高分子電解質膜の一側に設置し、主にカーボン材から成り、前記高分子電解質膜から遠離する表面を包含する第二電極と、
   導電ペーストを前記表面に塗布し、焼成を経て形成される図形化導電層と、を包含する、接触抵抗を低減した電気化学セルであって、
   水素は、前記電極コンポーネントを介して前記第一電極に進入し、酸素は、前記図形化導電層を介して前記第二電極に進入し、前記酸素は、前記第一電極内で触媒を受けて化学反応を起こし、水素イオンと電子とを形成し、前記水素イオンは、前記高分子電解質膜を介して前記第二電極に注入し、前記酸素と結合して水分子を形成することを特徴とする、接触抵抗を低減した電気化学セル。
8. 前記図形化導電層と前記電極コンポーネントとに接続する導電コンポーネントを更に包含することを特徴とする請求項７に記載の、接触抵抗を低減した電気化学セル。
9. 前記導電ペーストは、銀、金、アルミ、銅及びこれ等の組合せからなる群のいずれかである導電金属を包含することを特徴とする請求項７に記載の、接触抵抗を低減した電気化学セル。
10. 前記図形化導電層は、複数の縦方向導電線と、これ等縦方向導電線と交差し合う複数の横方向導電線を包括することを特徴とする請求項７に記載の、接触抵抗を低減した電気化学セル。
11. 前記図形化導電層は、互いに平行し合う複数の第一導電線と、これ等第一導電線を接続する第二導電線とを包括することを特徴とする請求項７に記載の、接触抵抗を低減した電気化学セル。
12. 前記カーボン材は、グラファイト、カーボン、炭素繊維及びナノカーボン材からなる群のいずれかであることを特徴とする請求項７に記載の、接触抵抗を低減した電気化学セル。
13. 電解質と、
    前記電解質の一側に設置する金属電極と、
    前記金属電極から遠離する前記電解質の一側に設置し、主にカーボン材から成り、前記電解質から遠離する表面を包含する第二電極と、
    導電ペーストを前記表面に塗布し、焼成を経て形成される図形化導電層とを包含する、接触抵抗を低減した電気化学セルであって、
    水素は前記図形化導電層を介して前記第二電極に進入し、前記金属電極は、金属イオンと少なくとも一つの電子とに解離し、前記酸素は、前記電子及び水分子と結合して水酸化イオンを形成することを特徴とする、接触抵抗を低減した電気化学セル。
14. 前記図形化導電層と前記電極コンポーネントとに接続する導電コンポーネントをさらに包含することを特徴とする請求項１３に記載の、接触抵抗を低減した電気化学セル。
15. 前記導電ペーストは、銀、金、アルミ、銅及びこれ等の組合せからなる群のいずれかである導電金属を包含することを特徴とする請求項１３に記載の、接触抵抗を低減した電気化学セル。
16. 前記図形化導電層は、複数の縦方向導電線と、これ等縦方向導電線と交差し合う複数の横方向導電線を包括することを特徴とする請求項１３に記載の、接触抵抗を低減した電気化学セル。
17. 前記図形化導電層は、互いに平行し合う複数の第一導電線と、これ等第一導電線を接続する第二導電線とを包括することを特徴とする請求項１３に記載の、接触抵抗を低減した電気化学セル。
18. 前記カーボン材は、グラファイト、カーボン、炭素繊維及びナノカーボン材からなる群のいずれかであることを特徴とする請求項１３に記載の、接触抵抗を低減した電気化学セル。