JP4639853B2 - 燃料電池およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、水素透過性金属層を備えた燃料電池およびその製造方法に関する。
燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率が実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。
燃料電池は、例えば、アノードとカソードとにより電解質が挟持された発電部がセパレータを介して積層される構造を有する。この燃料電池においては、カソードと電解質との接触抵抗を低減させることが課題となっている。近年、セパレータの周縁部と電解質の周縁部とをガラスで接着する技術が開発されている(例えば、特許文献1参照)。この技術によれば、セパレータと電解質とがガラスにより接着されていることから、カソードと電解質との密着性が向上する。それにより、カソードと電解質との接触抵抗を低減させることができる。
特開平8−124591号公報
しかしながら、上記燃料電池において電解質とセパレータとの間に集電材等の構成部材が含まれる場合、上記構成部材の変形により電解質が損傷するおそれがある。
本発明は、電解質の損傷を防止することができ、かつ、電解質とカソードとの接触抵抗を低減させることができる燃料電池およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明に係る燃料電池は、水素透過性金属からなる水素透過性金属層と、水素透過性金属層上に積層される電解質層と、電解質層上に積層されるカソードと、カソード上に積層される導電性部材と、カソードおよび導電性部材のいずれか一方または両方と水素透過性金属層の電解質層側の表面とを、電解質層を貫通して接着する接着部と、を備え、水素透過性金属層の膜厚は電解質層の膜厚よりも大きいことを特徴とするものである。
本発明に係る燃料電池においては、水素透過性金属層とカソードおよび導電性部材のいずれか一方または両方とが接着部により接着されていることから、電解質層とカソードとの密着性が向上する。それにより、電解質層とカソードとの接触面における接触抵抗が低減される。その結果、本発明に係る燃料電池の発電効率が向上する。また、燃料電池の温度上昇により導電性部材が膨張しても、水素透過性金属層が電解質層よりも変形しにくいことから、電解質層の変形が抑制される。それにより、電解質層の損傷が防止される。以上のことから、本発明に係る燃料電池においては、電解質層の損傷を防止することができ、かつ、電解質層とカソードとの接触抵抗を低減させることができる。
導電性部材は集電材上にセパレータが積層された構造を有し、接着部はカソード、集電材およびセパレータの少なくとも1つと水素透過性金属層とを、電解質層を貫通して接着してもよい。この場合、電解質層とカソードとの密着性がさらに向上する。
接着部は、ガラスであってもよい。この場合、導電性部材が膨張しても、電解質層とカソードとの密着性の低下が抑制される。したがって、本発明に係る燃料電池の発電効率低下が抑制される。
本発明に係る燃料電池の製造方法は、水素透過性金属層上の一部にマスク材を形成する第1のステップと、水素透過性金属層上に電解質層およびカソードを順に形成する第2のステップと、マスク材を除去する第3のステップと、マスク材が除去された箇所に接着部材を形成する第4のステップと、カソードおよび接着部材上に導電性部材を形成する第5のステップと、接着部材に熱処理を施すことによって水素透過性金属層と導電性部材とを接着する第6のステップとを含むことを特徴とするものである。
本発明に係る燃料電池の製造方法においては、水素透過性金属層上の一部にマスク材が形成され、水素透過性金属層上に電解質層およびカソードが順に形成され、マスク材が除去され、マスク材が除去された箇所に接着部材が形成され、カソードおよび接着部材上に導電性部材が形成され、接着部材に熱処理が施されることによって水素透過性金属層と導電性部材とが接着される。この場合、水素透過性金属層と導電性部材とが接着部により接着されていることから、電解質層とカソードとの密着性が向上する。それにより、電解質層とカソードとの接触面における接触抵抗が低減される。その結果、本発明により製造された燃料電池の発電効率が向上する。また、燃料電池の温度上昇により導電性部材が膨張しても、水素透過性金属層が電解質層よりも変形しにくいことから、電解質層の変形が抑制される。それにより、電解質層の損傷が防止される。
第6のステップは、導電性部材に対して水素透過性金属層方向に圧力を加えつつ接着部材に熱処理を施すことにより、水素透過性金属層と導電性部材とを接着するステップであってもよい。この場合、電解質層とカソードとの密着性がさらに向上する。
本発明によれば、電解質層の損傷を防止することができ、かつ、電解質層とカソードとの接触抵抗を低減させることができる。
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
図1は、第1実施例に係る燃料電池100の構造を説明するための図である。図1(a)は、燃料電池100の模式的断面図であり、図1(b)のA−A線断面図である。図1(b)は、燃料電池100の鳥瞰図である。燃料電池100は、水素分離膜電池からなる。ここで、水素分離膜電池とは、水素分離膜層を備えた燃料電池である。水素分離膜層は水素透過性を有する金属によって形成される層であり、例えば、パラジウム、パラジウム合金等により形成することができる。水素分離膜電池は、この水素分離膜層およびプロトン導電性を有する電解質を積層した構造をとっている。以下、燃料電池100の詳細について説明する。
図1(a)に示すように、燃料電池100は、水素透過性金属層1、電解質層2、カソード3、集電材4、セパレータ5および複数の接着部6を含む。燃料電池100においては、水素透過性金属層1上に電解質層2、カソード3、集電材4およびセパレータ5が順に積層されている。また、水素透過性金属層1とセパレータ5とは、電解質層2、カソード3および集電材5を貫通する複数の接着部6によって接着されている。接着部6は、図1(b)に示すように、水素透過性金属層1上に格子点状に設けられている。
このように、水素透過性金属層1とセパレータ5とが複数の接着部6により接着されていることから、水素透過性金属層1およびセパレータ5の間に積層されている電解質層2とカソード3との密着性が向上する。それにより、電解質層2とカソード3との接触面における接触抵抗が低減される。その結果、本実施例に係る燃料電池100の発電効率が向上する。
水素透過性金属層1は、水素透過性の緻密な金属からなる。水素透過性金属としては、例えば、パラジウム、バナジウム、ニオブ、タンタル等の水素透過性金属を用いることができる。水素透過性金属層1の膜厚は、例えば、100μm程度である。電解質層2は、例えば、ペロブスカイト型プロトン導電体(BaCeO,SrCeO,BaZrO,SrZrO等にドーパントを入れたもの)、固体酸型プロトン導電体(CsHSO,CsHPO等)、Nafion(登録商標),LaPO,LaBO等のプロトン伝導性材料から構成される。電解質層2の膜厚は、例えば、1μm程度である。このように水素透過性金属層1が金属から構成されていることから、水素透過性金属層1は電解質層2に比較して十分な強度を有する。また、電解質層2としてBaCeO等を用いる場合でも、水素透過性金属層1の膜厚が電解質層2の膜厚に比較して大きいことから、水素透過性金属層1は電解質層2に比較して十分な強度を有する。
カソード3は、例えば、ランタンコバルトタイト、ランタンマンガネート、銀、白金、白金担持カーボン等の導電性材料から構成される。カソード3の膜厚は、例えば、2μm〜50μm程度である。集電材4は、例えば、SUS430多孔体、Ni多孔体、PtめっきAl多孔体、白金メッシュ等の導電性材料から構成される。集電材4の膜厚は、例えば、100μm〜800μm程度である。セパレータ5は、例えば、SUS430、SUS316、ニッケル等の導電性材料から構成される。セパレータ5の膜厚は、例えば、0.2mm〜2.5mm程度である。接着部6は、例えば、ガラス等の絶縁性材料から構成される。接着部6は、例えば、0.5mm〜10mmの間隔で設けられている。
次に、燃料電池100の動作について説明する。まず、図示しないアノードに水素含有ガスが供給される。アノードに供給された水素含有ガスに含まれる水素は、水素イオンに変換される。変換された水素イオンは、水素透過性金属層1および電解質層2を伝導し、カソード3に到達する。カソード3には、酸素含有ガスが供給される。カソード3に供給された酸素含有ガスに含まれる酸素とカソード3に到達した水素イオンとが反応し、水が発生するとともに電力が発生する。発生した電力は、集電材4によって集電される。以上の行程により、燃料電池100の発電が行われる。
燃料電池100において発電が行われると、水素イオンと酸素との反応により燃料電池100の温度が上昇する。この場合、集電材4は、燃料電池100の温度上昇とともに熱膨張により変形する。したがって、電解質層2に集電材4から応力が加わる。しかしながら、水素透過性金属層1とセパレータ5とが複数の接着部6により接着されていることから、水素透過性金属層1とセパレータ5との間に挟まれている電解質層2の変形が抑制される。それにより、電解質層2とカソード3との接触面における接触抵抗の増大を抑制することができる。また、水素透過性金属層1が電解質層2よりも変形しにくいことから、電解質層2の変形をより確実に抑制することができる。さらに、電解質層2の変形が抑制されることから、電解質層2の損傷が防止される。
以上のことから、本実施例に係る燃料電池100においては、電解質層2の損傷が防止されるとともに、電解質層2とカソード3との接触抵抗が低減される。
次に、燃料電池100の製造方法について説明する。図2は、燃料電池100の製造フローを説明する図である。まず、図2(a)に示すように、水素透過性金属層1上にマスク材10をスクリーン印刷法等により形成する。マスク材を形成する位置は、接着部6が形成される位置に設定されている。マスク材10としては、金属マスクを用いることもできるし、レジスト等を用いることもできる。
次に、図2(b)に示すように、水素透過性金属層1上に電解質層2およびカソード3をスパッタリング等により順に形成する。次いで、図2(c)に示すように、マスク材10を除去し、マスク材10を除去した箇所にスクリーン印刷法等によりガラスペースト11を形成する。次に、図2(d)に示すように、カソード3上に集電材4を積層し、集電材4およびガラスペースト11上にセパレータ5を積層し、セパレータ5に対して水素透過性金属層1方向に圧力を加えながら熱処理を行う。それにより、ガラスペースト11が溶解し、接着部6が形成される。この場合、接着部6と水素透過性金属層1およびセパレータ5とが接着される。また、セパレータ5に圧力を加えながら熱処理を施していることから、水素透過性金属1とセパレータ5との間に積層されている電解質層2とカソード3との密着性が向上する。以上の工程により、燃料電池100が完成する。
本実施例においては、集電材4およびセパレータ5が導電性部材に相当し、ガラスペースト11が接着部材に相当する。
なお、接着部が設けられる箇所および形状は、上述した接着部6の配置箇所および形状に限られない。以下、接着部が設けられる箇所および形状の他の例について説明する。
図3は、第2実施例に係る燃料電池100aの構造を説明するための図である。図3(a)は、燃料電池100aの模式的断面図であり、図3(b)のB−B線断面図である。図3(b)は、燃料電池100aの鳥瞰図である。燃料電池100aが図1の燃料電池100と異なる点は、接着部6の代わりに接着部6aが設けられている点である。接着部6aは、接着部6と同様の絶縁性材料から構成される。
図3(a)に示すように、燃料電池100aにおいては、図1の燃料電池100と同様に、水素透過性金属層1上に電解質層2、カソード3、集電材4およびセパレータ5が順に積層されている。水素透過性金属層1とセパレータ5とは、電解質層2、カソード3および集電材5を貫通する接着部6aによって接着されている。また、図3(b)に示すように、接着部6aは、水素透過性金属層1上に格子状に設けられている。接着部6aの各格子の間隔は、例えば、0.5〜10mm程度である。
本実施例に係る燃料電池100aにおいては、接着部6aが格子状に設けられていることから、水素透過性金属層1とセパレータ5とがより強固に接着される。したがって、電解質層2とカソード3との密着性がさらに向上する。なお、燃料電池100aは、図2の製造方法と同様の方法により製造することができる。
図4は、第3実施例に係る燃料電池100bの構造を説明するための図である。図4(a)は、燃料電池100bの模式的断面図であり、図4(b)のC−C線断面図である。図4(b)は、燃料電池100bの鳥瞰図である。燃料電池100bが図1の燃料電池100と異なる点は、接着部6が設けられている箇所が異なる点である。
図4(a)に示すように、燃料電池100bにおいては、図1の燃料電池100と同様に、水素透過性金属層1上に電解質層2、カソード3、集電材4およびセパレータ5が順に積層されている。燃料電池100bは、図2の製造方法と同様の方法により製造することができる。また、図4(b)に示すように、本実施例に係る接着部6は、水素透過性金属層1上にランダムに設けられている。
本実施例に係る燃料電池100bにおいても燃料電池100と同様に、水素透過性金属1とセパレータ5との間に積層されている電解質層2とカソード3との密着性が向上する。
なお、接着部6は、燃料電池100bの温度勾配が大きい箇所に多く設けられていてもよい。この場合、集電材4の変形量が大きくなっても、電解質層2の変形を抑制することができる。したがって、電解質層2とカソード3との接触抵抗をより確実に低減させることができるとともに、電解質層2の損傷をより確実に防止することができる。
図5は、第4実施例に係る燃料電池100cの模式的断面図である。燃料電池100cが図1の燃料電池100と異なる点は、接着部6の代わりに接着部6cが設けられている点である。接着部6cは、接着部6と同様の絶縁性材料から構成される。
図5に示すように、燃料電池100cにおいては、水素透過性金属層1上に電解質層2、カソード3、集電材4およびセパレータ5が順に積層されている。接着部6cは、電解質層2を貫通して水素透過性金属層1とカソード3とを接着している。接着部6cは、複数設けられている。
このように、水素透過性金属層1とカソード3とが接着部6cにより接着されていることから、電解質層2とカソード3との密着性が向上する。したがって、電解質層2とカソード3との接触面における接触抵抗が低減される。また、燃料電池100cの温度上昇に伴って集電材4が変形しても、水素透過性金属層1とカソード3とが接着されていることから、電解質層2の変形が抑制される。それにより、電解質層2とカソード3との接触面における接触抵抗の増大を抑制することができる。この場合、水素透過性金属層1が電解質層2よりも変形しにくいことから、電解質層2の変形をより確実に抑制することができる。さらに、電解質層2の変形が抑制されることから、電解質層2の損傷が防止される。
なお、接着部6cは、図1または図4の接着部6のように格子点状またはランダムに設けられてもよいし、図3の接着部6aのように格子状に設けられてもよい。また、燃料電池100cは、図2の製造方法において、電解質層2上およびガラスペースト11上にカソード3を積層することにより製造することができる。
図6は、第5実施例に係る燃料電池100dの模式的断面図である。燃料電池100dが図1の燃料電池100と異なる点は、接着部6の代わりに接着部6dが設けられている点である。接着部6dは、接着部6と同様の絶縁性材料から構成される。
図6に示すように、燃料電池100dにおいては、水素透過性金属層1上に電解質層2、カソード3、集電材4およびセパレータ5が順に積層されている。接着部6dは、電解質層2およびカソード3を貫通して水素透過性金属層1と集電材4とを接着している。接着部6dは、複数設けられている。
このように、水素透過性金属層1と集電材4とが接着部6dにより接着されていることから、電解質層2とカソード3との密着性が向上する。したがって、電解質層2とカソード3との接触抵抗が低減される。また、燃料電池100dの温度上昇に伴って集電材4が変形しても、水素透過性金属層1と集電材4とが接着されていることから、電解質層2の変形が抑制される。それにより、電解質層2とカソード3との接触面における接触抵抗の増大を抑制することができる。さらに、電解質層2の変形が抑制されることから、電解質層2の損傷が防止される。
なお、接着部6dは、図1または図4の接着部6のように格子点状またはランダムに設けられてもよいし、図3の接着部6aのように格子状に設けられてもよい。また、燃料電池100dは、図2の製造方法において、カソード3上およびガラスペースト11上に集電材4を積層することにより製造することができる。
図7は、第6実施例に係る燃料電池100eの模式的断面図である。燃料電池100eが図1の燃料電池100と異なる点は、カソード3と集電材4との間にメッシュ板7が積層されている点および接着部6の代わりに接着部6eが設けられている点である。接着部6eは、接着部6と同様の絶縁性材料から構成される。
図7に示すように、燃料電池100eにおいては、水素透過性金属層1上に電解質層2、カソード3、メッシュ板7、集電材4およびセパレータ5が順に積層されている。接着部6eは、電解質層2およびカソード3を貫通して水素透過性金属層1とメッシュ板7とを接着している。接着部6eは、複数設けられている。
メッシュ板7は、例えば、SUS430、SUS316、ニッケル等の導電性材料から構成される。メッシュ板7の膜厚は、例えば、0.05mm〜0.5mm程度である。
このように、水素透過性金属層1とメッシュ板7とが複数の接着部6eにより接着されていることから、水素透過性金属層1とメッシュ板7との間に積層されている電解質層2とカソード3との密着性が向上する。したがって、電解質層2とカソード3との接触面における接触抵抗が低減される。また、燃料電池100eの温度上昇に伴って集電材4が変形しても、水素透過性金属層1とメッシュ板7とが接着されていることから、電解質層2の変形が抑制される。それにより、電解質層2とカソード3との接触面における接触抵抗の増大を抑制することができる。さらに、電解質層2の変形が抑制されることから、電解質層2の損傷が防止される。
なお、接着部6eは、図1または図4の接着部6のように格子点状またはランダムに設けられてもよいし、図3の接着部6aのように格子状に設けられてもよい。また、燃料電池100eは、図2の製造方法において、カソード3上およびガラスペースト11上にメッシュ板7を積層することにより製造することができる。
本実施例においては、メッシュ板7、集電材4およびセパレータ5が導電性部材に相当する。
図8は、第7実施例に係る燃料電池100fの模式的断面図である。燃料電池100fが図1の燃料電池100と異なる点は、水素透過性金属層1の代わりに水素透過性金属層1fが設けられている点および接着部6が設けられていない点である。水素透過性金属層1fは、水素透過性金属層1と同様の部材から構成される。
図8に示すように、燃料電池100fにおいては、水素透過性金属層1f上に電解質層2、カソード3、集電材4およびセパレータ5が順に積層されている。水素透過性金属1fには複数の突起部20が設けられている。複数の突起部20は、電解質層2、カソード3および集電材4を貫通して、セパレータ5と接着されている。なお、突起部20は、電解質2との接触部位以外の接触部位において絶縁処理がなされている。それにより、短絡防止がなされている。
このように、水素透過性金属層1fとセパレータ5とが複数の突起部20を介して接着されていることから、水素透過性金属層1fとセパレータ5との間に積層されている電解質層2とカソード3との密着性が向上する。したがって、電解質層2とカソード3との接触抵抗が低減される。また、燃料電池100fの温度上昇に伴って集電材4が変形しても、水素透過性金属層1fとセパレータ5とが接着されていることから、電解質層2の変形が抑制される。それにより、電解質層2とカソード3との接触面における接触抵抗の増大を抑制することができる。さらに、電解質層2の変形が抑制されることから、電解質層2の損傷が防止される。
なお、突起部20は、図1または図4の接着部6のように格子点状またはランダムに設けられてもよいし、図3の接着部6aのように格子状に設けられてもよい。また、燃料電池100fは、図2の製造方法において、ガラスペースト11の代わりに突起部20を形成することにより製造することができる。
本実施例においては、突起部20が接着部に相当する。
図9は、第8実施例に係る燃料電池100gの模式的断面図である。燃料電池100gが図1の燃料電池100と異なる点は、セパレータ5の代わりにセパレータ5gが設けられている点および接着部6が設けられていない点である。セパレータ5gは、セパレータ5と同様の部材から構成される。
図9に示すように、燃料電池100gにおいては、水素透過性金属層1上に電解質層2、カソード3、集電材4およびセパレータ5gが順に積層されている。セパレータ5gには複数の突起部30が設けられている。複数の突起部30は、電解質層2、カソード3および集電材4を貫通して、水素透過性金属層1と接着されている。なお、突起部30は、電解質2との接触部位以外の接触部位において絶縁処理がなされている。それにより、短絡防止がなされている。
このように、水素透過性金属層1とセパレータ5gとが複数の突起部30を介して接着されていることから、水素透過性金属層1とセパレータ5gとの間に積層されている電解質層2とカソード3との密着性が向上する。したがって、電解質層2とカソード3との接触抵抗が低減される。また、燃料電池100gの温度上昇に伴って集電材4が変形しても、水素透過性金属層1とセパレータ5gとの接着により電解質層2の変形が抑制される。それにより、電解質層2とカソード3との接触面における接触抵抗の増大を抑制することができる。さらに、電解質層2の変形が抑制されることから、電解質層2の損傷が防止される。
なお、突起部30は、図1または図4の接着部6のように格子点状またはランダムに設けられてもよいし、図3の接着部6aのように格子状に設けられてもよい。また、燃料電池100gは、図2の製造方法において、ガラスペースト11の代わりに突起部30を形成することにより製造することができる。
本実施例においては、突起部30が接着部に相当する。
なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、上記各実施例を混合させた燃料電池を本発明に適用することもできる。例えば、図3の燃料電池100aに図1または図3の接着部6を散りばめた構造を有する燃料電池を適用することもできる。また、図5の接着部6c、図6の接着部6dおよび図7の接着部6eを混在させた構造を有する燃料電池を適用することもできる。さらに、図8の燃料電池100fおよび図9の燃料電池100gに接着部6,6a,6c,6d,6eを散りばめた構造を有する燃料電池を適用することもできる。
第1実施例に係る燃料電池の構造を説明するための図である。 燃料電池の製造フローを説明する図である。 第2実施例に係る燃料電池の鳥瞰図である。 第2実施例に係る燃料電池の鳥瞰図である。 第4実施例に係る燃料電池の模式的断面図である。 第5実施例に係る燃料電池の模式的断面図である。 第6実施例に係る燃料電池の模式的断面図である。 第7実施例に係る燃料電池の模式的断面図である。 第8実施例に係る燃料電池の模式的断面図である。
符号の説明
1 水素透過性金属層
2 電解質層
3 カソード
4 集電材
5 セパレータ
6 接着部
7 メッシュ板
11 ガラスペースト
10 マスク材
20,30 突起部
100 燃料電池

Claims (5)

  1. 水素透過性金属からなる水素透過性金属層と、
    前記水素透過性金属層上に積層される電解質層と、
    前記電解質層上に積層されるカソードと、
    前記カソード上に積層される導電性部材と、
    前記カソードおよび前記導電性部材のいずれか一方または両方と前記水素透過性金属層の前記電解質層側の表面とを、前記電解質層を貫通して接着する接着部と、を備え、
    前記水素透過性金属層の膜厚は前記電解質層の膜厚よりも大きいことを特徴とする燃料電池。
  2. 前記導電性部材は、集電材上にセパレータが積層された構造を有し、
    前記接着部は、前記カソード、前記集電材および前記セパレータの少なくとも1つと前記水素透過性金属層とを、前記電解質層を貫通して接着することを特徴とする請求項1記載の燃料電池。
  3. 前記接着部は、ガラスであることを特徴とする請求項1または2記載の燃料電池。
  4. 水素透過性金属層上の一部にマスク材を形成する第1のステップと、
    前記水素透過性金属層上に電解質層およびカソードを順に形成する第2のステップと、
    前記マスク材を除去する第3のステップと、
    前記マスク材が除去された箇所に接着部材を形成する第4のステップと、
    前記カソードおよび前記接着部材上に導電性部材を形成する第5のステップと、
    前記接着部材に熱処理を施すことによって前記水素透過性金属層と前記導電性部材とを接着する第6のステップとを含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。
  5. 前記第6のステップは、前記導電性部材に対して前記水素透過性金属層方向に圧力を加えつつ前記接着部材に熱処理を施すことにより、前記水素透過性金属層と前記導電性部材とを接着するステップであることを特徴とする請求項4記載の燃料電池の製造方法。
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