JP4853904B2

JP4853904B2 - モノポーラ型の膜電極アセンブリ

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Publication number: JP4853904B2
Application number: JP2006144226A
Authority: JP
Inventors: 京煥崔; 在▲ヨン▼ 李; 珍虎金
Original assignee: Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2005-05-24
Filing date: 2006-05-24
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2026-05-24
Also published as: US8003275B2; EP1727228A1; JP2006332058A; US20060269829A1

Description

本発明は、携帯用電子機器の電源として使用するためのモノポーラ型直接液体燃料電池の構造に関し、さらに詳細には、電流集電体が触媒の上部または下部に配置されたモノポーラ型の膜電極アセンブリに関する。

直接メタノール燃料電池（ＤｉｒｅｃｔＭｅｔｈａｎｏｌＦｕｅｌＣｅｌｌ；以下、「ＤＭＦＣ」とする。）は、燃料であるメタノールと酸化剤である酸素との反応により電気を生成する発電装置である。直接メタノール燃料電池は、エネルギー密度および電力密度が非常に高く、メタノールを燃料として直接使用するため、燃料改質器などの周辺装置が不要であり、燃料の貯蔵および供給が容易であるという長所がある。

モノポーラ型ＤＭＦＣは、一枚の電解質膜に複数のセルを配列した後、各セルを直列で連結する方式で厚さおよび体積を大幅に減らすことができるので、薄型の小型ＤＭＦＣの製作が可能な方式である。

特許文献１は、各電極上にメッシュタイプの電流集電部と、電流集電部を連結する導電部とを開示している。しかし、電極上に電流集電部が設けられることによって、電極と電流集電部との間の段差が生じて燃料の流出可能性があり、また、液体燃料が導電部に沿って漏れてしまう。また、電流集電部と電極との接触抵抗の増加や、触媒層で生成された電子が電極の燃料拡散部および電極支持体を通過して電流集電部に移動するときに発生する抵抗の増加が、燃料電池の効率を低下させる可能性がある。

米国特許第６，４１０，１８０号明細書

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、電極とメンブレインとの間、または電極内の触媒層と燃料拡散部との間に電流集電体を形成することによって、抵抗を最小化したモノポーラ型の膜電極アセンブリを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、複数のセル領域が形成される電解質膜と、電解質膜の一側の面に設置されたアノード電流集電体、および電解質膜の他側の面に設置されたカソード電流集電体と、アノード電流集電体の、電解質膜と反対側の面に設置されたアノード電極、およびカソード電流集電体の、電解質膜と反対側の面に設置されたカソード電極と、を備え、アノード電流集電体およびカソード電流集電体は、セル領域で電流を集電する電流集電部と、電流集電部の一側に連結された導電部とからなり、電流集電部は、金属メッシュである、モノポーラ型の膜電極アセンブリが提供される。

ここで、電解質膜には、複数の開口部が形成されており、カソード電流集電体の導電部の端は、開口部を介して隣接したアノード電流集電体の導電部の端と電気的に直列連結することができる。

また、カソード電流集電体の導電部の端は、アノード電流集電体の導電部の端と開口部に位置するように配置され、開口部は、導電性の金属で満たすことができる。

カソード電流集電体の導電部の端およびアノード電流集電体の導電部の端は、それぞれ電解質膜の外部に露出されるように設置されて、カソード電流集電体の導電部端とアノード電流集電体の導電部の端とが電気的に直列連結される。

また、電流集電体は、電気伝導度が約１Ｓ／ｃｍ以上である第１金属または導電性高分子から形成することができる。第１金属は、例えばＡｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｓｎおよびこれらの合金からなる群から選択することができる。この第１金属上には、第２金属をコーティングすることもできる。第２金属は、例えばＡｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｓｎおよびこれらの合金からなる群から選択することができる。また、導電性高分子は、例えばポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェンからなる群から選択されたいずれか一つで形成することができる。

また、膜電極アセンブリは、電解質膜の両面でセル領域に該当する複数の第１開口部が形成され、アノード電流集電体およびカソード電流集電体がそれぞれ第１開口部上に配置されるアノード支持体およびカソード支持体をさらに備えることもできる。

電解質膜および支持体には、それぞれ複数の第２開口部を形成し、カソード電流集電体の導電部の端は、第２開口部を介して隣接したアノード電流集電体の導電部の端と電気的に直列連結させてもよい。

一方、カソード電流集電体の導電部の端は、アノード電流集電体の導電部の端と第２開口部に位置するように配置され、第２開口部は、導電性金属で満たすこともできる。

また、カソード電流集電体の導電部の端およびアノード電流集電体の導電部の端を、それぞれ電解質膜の外部に露出されるように設置させ、カソード電流集電体の導電部端とアノード電流集電体の導電部の端とを電気的に直列連結させてもよい。

このような支持体は、例えば非導電性高分子で製造することができる。例えば、支持体は、ポリイミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニルからなる群から選択される物質で製造されることが望ましい。

また、支持体および電流集電体は、一体型に形成されたフレキシブル印刷回路基板であってもよい。

また、このようなモノポーラ型の膜電極アセンブリを備える燃料電池を提供することもできる。

本発明の他の観点によれば、複数のセル領域が形成される電解質膜と、電解質膜の一側の面および他側の面のセル領域にそれぞれ形成された触媒層と、電解質膜の一側の面に形成された触媒層の、電解質膜と反対側の面に設置されたアノード電流集電体および電解質膜の他側の面に形成された触媒層の、電解質膜と反対側の面に設置されたカソード電流集電体と、アノード電流集電体の、電解質膜と反対側の面に設置されたアノード拡散部およびカソード電流集電体の、電解質膜と反対側の面に設置されたカソード拡散部と、を備え、アノード電流集電体およびカソード電流集電体は、セル領域で電流を集電する電流集電部と、電流集電部の一側に連結された導電部とからなり、電流集電部は、金属メッシュである、モノポーラ型の膜電極アセンブリが提供される。

電解質膜には、複数の開口部を形成し、カソード電流集電体の導電部の端を、開口部を介して隣接したアノード電流集電体の導電部の端と電気的に直列連結させることもできる。

カソード電流集電体の導電部の端は、アノード電流集電体の導電部の端と開口部に位置するように配置され、開口部は、導電性金属で満たされるようにしてもよい。

カソード電流集電体の導電部の端およびアノード電流集電体の導電部の端は、それぞれ電解質膜の外部に露出されるように設置され、カソード電流集電体の導電部端とアノード電流集電体の導電部の端とを電気的に直列連結させるようにしてもよい。

電流集電体は、電気伝導度が約１Ｓ／ｃｍ以上である第１金属または導電性高分子で形成することができる。第１金属は、例えばＡｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｓｎおよびこれらの合金からなる群から選択することができる。この第１金属上には、第２金属をコーティングしてもよい。第２金属は、例えばＡｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｓｎおよびこれらの合金からなる群から選択することができる。また、導電性高分子は、例えばポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェンからなる群から選択されたいずれか一つとすることができる。

また、電解質膜の両面でセル領域に該当する複数の第１開口部が形成され、アノード電流集電体およびカソード電流集電体は、それぞれ第１開口部上に配置されるアノード支持体およびカソード支持体をさらに備えるようにしてもよい。

電解質膜および支持体には、それぞれ複数の第２開口部が形成され、カソード電流集電体の導電部の端は、第２開口部を介して隣接したアノード電流集電体の導電部の端と電気的に直列連結させてもよい。

カソード電流集電体の導電部の端は、アノード電流集電体の導電部の端と第２開口部に位置するように配置させ、第２開口部は、導電性金属で満たされるようにしてもよい。

カソード電流集電体の導電部の端およびアノード電流集電体の導電部の端は、それぞれ電解質膜の外部に露出されるように設置され、カソード電流集電体の端とアノード電流集電体の導電部の端とを電気的に直列連結させてもよい。

電流集電体は、電気伝導度が約１Ｓ／ｃｍ以上である第１金属または導電性高分子で形成することができる。第１金属は、例えばＡｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｓｎおよびこれらの合金からなる群から選択することができる。この第１金属上には、第２金属をコーティングさせてもよい。第２金属は、例えばＡｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｓｎおよびこれらの合金からなる群から選択することができる。また、導電性高分子は、例えばポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェンからなる群から選択されたいずれか一つとすることができる。

支持体は、非導電性高分子で製造することもできる。非導電性高分子は、例えば、ポリイミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニルからなる群から選択された物質とすることができる。

支持体および電流集電体は、一体型に形成されたフレキシブル印刷回路基板であってもよい。

本発明によれば、本発明にかかるモノポーラ型の膜電極アセンブリは、電流集電部の間の導電部の長さが短く、電流集電部が、直接電子が生成される触媒層に接触するように設置される。したがって、抵抗が低くなって電池効率が向上する。また、電流集電部が燃料と電極との間に設置されないので、燃料の疎通が円滑になり、従来のメッシュ構造は、メッシュを通じて液体燃料が漏れるという問題があるが、本発明の液体燃料電池は、電流集電部がメンブレインと電極との間に薄膜として存在するので、燃料の漏れがほとんど発生しない。

以上説明したように本発明によれば、電極とメンブレインとの間、または電極内の触媒層と燃料拡散部との間に電流集電体を形成することによって、抵抗を最小化したモノポーラ型の膜電極アセンブリを提供することができる。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態にかかるモノポーラ型の膜電極アセンブリについて説明する。なお、図１は、本実施形態にかかるモノポーラ型の膜電極アセンブリの概略的な断面図である。図２は、本実施形態にかかる燃料電池の電解質膜を示す平面図である。図３および図４は、それぞれ図１の膜電極アセンブリに挿入された電流集電体を示す平面図である。図３は、アノード電流集電部Ａ１〜Ａ８の平面図であり、図４は、カソード電流集電部Ｃ１〜Ｃ８の平面図であり、電解質膜と共に示した。

図１〜図４に示すように、本実施形態の電流集電体が挿入されたモノポーラ型の膜電極アセンブリ１００は、複数のセル領域、例えば、８個のセル領域（第１セル〜第８セル）が形成される電解質膜１１０を備える。電解質膜１１０の第１面１１１で各セル領域上には、図３に示すように、メッシュ状のアノード電流集電部１２０Ａ１〜１２０Ａ８が形成されている。アノード電流集電部１２０の一側には、導電部１２２が形成されている。また、アノード電流集電部１２０上には、アノード電極１３０が設置されている。

電解質膜１１０の第２面１１２で各セル領域上には、図４に示すように、メッシュ状のカソード電流集電部１６０Ｃ１〜１６０Ｃ８が形成されている。カソード電流集電部１６０の一側には、導電部１６２が形成されている。また、カソード電流集電部１６０上には、カソード電極１７０が設置されている。

電流集電部１２０、１６０および電流集電部１２０、１６０に連結された導電部１２２、１６２は、電流集電体を形成する。アノード電流集電部１２０Ａ１の導電部１２２と、カソード電流集電部１６０Ｃ８の導電部１６２とには、それぞれ外部への電気的な連結のための端子１２４、１６４が連結される。端子１２４、１６４は、それぞれアノード１２０電流集電部Ａ１の導電部１２２とカソード電流集電部１６０Ｃ８の導電部１６２とから延びて形成されることが望ましい。

カソード電流集電部１６０Ｃ１の導電部１６２の端１６２ａは、電解質膜１１０に形成された開口部（図２の１１０ａ）を介して第２セルであるアノード電流集電体１２０Ａ２の導電部１２２の端１２２ａと電気的に連結される。すなわち、開口部１１０ａ内は、導電性金属１１５で満たされている。このように、各セルのアノード電流集電部１２０Ａ２〜Ａ８は、開口部１１０ａを介して近隣セルのカソード電流集電体１６０Ｃ１〜Ｃ７と電気的に連結される。したがって、第１セル〜第８セルは直列連結される。

電流集電部１２０、１６０、導電部１２２、１６２、導電性金属１１５、端子（ターミナル）１２４、１６４には、電気伝導度が約１Ｓ／ｃｍ以上である遷移金属である第１金属を使用することができる。そして、第１金属上を、腐食を防止するための第２金属でコーティングすることもできる。

第１金属および第２金属として、それぞれ例えばＡｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｓｎおよびこれらの合金を使用することができる。第１金属の代用として、例えばポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェンなどの導電性高分子を使用することができる。

電流集電体の形成方法は、電解質膜上に第１金属および第２金属を直接形成する方法と、電流集電体を別途に製作した後、電解質膜と接合させる方法とがある。前者の方法としては、例えばスパッタリング方法、ＣＶＤ蒸着方法および電気的蒸着があり、後者の方法としては、例えば金属薄膜を電流集電体の形状にパターニングし、金属エッチングして使用する方法がある。

第１の実施形態にかかるモノポーラ型の膜電極アセンブリ１００は、アノード電極１３０とカソード電極１７０とを電気的に連結する導電部が電解質膜１１０に形成された開口部１１０ａを介して直接連結される。このため、導電部の長さが非常に短く、電気的な抵抗が小さくなる。また、電流集電部１２０、１６０が、反応界面である電解質膜１１０と電極１３０、１７０の触媒層との間に設置されるので、触媒層で生成された電子が直接接触した電流集電部で集電される。したがって、従来の触媒層で生成された電子が電極の燃料拡散部および電極支持体を通過して発生した電気的な抵抗がなくなる。

（第２の実施形態）
次に、図５〜図７に基づいて、本発明の第２の実施形態にかかるモノポーラ型の膜電極アセンブリについて説明する。なお、図５は、本実施形態にかかるモノポーラ型の膜電極アセンブリ２００の概略的な断面図である。図６および図７は、図５の膜電極アセンブリに挿入された電流集電体を示す平面図である。図６は、アノード電流集電部２２０Ａ１〜２２０Ａ８の平面図であり、図７は、カソード電流集電部２６０Ｃ１〜２６０Ｃ８の平面図であり、電解質膜と共に示した。また、図１〜図４の構成要素と実質的に同じ構成要素には同じ名称を使用し、その詳細な説明を省略する。

図５〜図７に示すように、本実施形態にかかる電流集電体が挿入されたモノポーラ型の膜電極アセンブリ２００は、複数のセル領域、例えば、８個のセル領域（第１セル〜第８セル）が形成される電解質膜２１０を備える。電解質膜２１０の第１面２１１で各セル領域上には、メッシュ状のアノード電流集電部２２０Ａ１〜２２０Ａ８が形成されている。アノード電流集電部２２０の一側には、導電部２２２が形成されている。アノード電流集電部２２０上には、アノード電極２３０が設置されている。

電解質膜２１０の第２面２１２で各セル領域上には、メッシュ状のカソード電流集電部２６０Ｃ１〜２６０Ｃ８が形成されている。カソード電流集電部２６０の一側には、導電部２６２が形成されている。カソード電流集電部２６０上には、カソード電極２７０が設置されている。

導電部２２２、２６２の端２２２ａ、２６２ａは、それぞれ電解質膜２１０の外部に延びている。各電極２３０、２７０は、触媒層、燃料拡散部および電極支持体からなる。

アノード電流集電部２２０Ａ１の導電部２２２とカソード電流集電部２６０Ｃ８の導電部２６２とは、それぞれ外部への電気的な連結のための端子２２４、２６４が連結される。端子２２４、２６４は、それぞれアノード電流集電部２２０Ａ１の導電部２２２とカソード電流集電部２６０Ｃ８の導電部２６２とから延びて形成されることが望ましい。

カソード電流集電部２６０Ｃ１の導電部２６２の端２６２ａと、第２セルであるアノード電流集電体２２０Ａ２の導電部２２２の端２２２ａとは、電気的に連結される。端２２２ａ、２６２ａは、導電性金属２１５で満たされて電気的に連結され得る。このように、アノード電流集電部２２０Ａ２〜２２０Ａ８は、近隣セルのカソード電流集電体２６０Ｃ１〜２６０Ｃ７と電気的に連結される。したがって、第１セル〜第８セルは、直列連結される。

本実施形態にかかるモノポーラ型の膜電極アセンブリの２００は、アノード電極２３０とカソード電極２７０とを電気的に連結する導電部を電解質膜外部で容易に連結させることができる。また、電流集電部２２０、２６０は、反応界面である電解質膜２１０と電極２３０、２７０の触媒層との間に設置されるので、触媒層で生成された電子が直接接触した電流集電部で集電される。したがって、従来の触媒層で生成された電子が電極の燃料拡散部および電極支持体を通過して発生した電気的な抵抗はなくなる。

（第３の実施形態）
次に、図８〜図１１に基づいて、本発明の第３の実施形態にかかるモノポーラ型の膜電極アセンブリについて説明する。なお、図８は、本実施形態にかかるモノポーラ型の膜電極アセンブリの概略的な断面図である。図９は、図８の支持体の平面図である。図１０および図１１は、それぞれ図８の支持体上に形成された電流集電部、導電部および端子を備える電流集電体を示す平面図である。図１０は、アノード電流集電部３２０Ａ１〜３２０Ａ８を備えるアノード電流集電体の平面図であり、図１１は、カソード電流集電部３６０Ｃ１〜３６０Ｃ８を備えるカソード電流集電体の平面図である。

図８〜図１１に示すように、本実施形態の電流集電体が挿入されたモノポーラ型の膜電極アセンブリ３００は、複数のセル領域、例えば、８個のセル（第１セル〜第８セル）領域が形成される電解質膜３１０を備える。電解質膜３１０の両面には、それぞれセル領域に対応する複数の４角開口部３１４ａ、３１６ａが形成された非導電性支持体３１４、３１６、例えば、ポリイミドフィルムが設置されている。支持体３１４、３１６は、電解質膜３１０の外側に延びるように形成されており、この延びた領域には、複数の開口部３１４ｂ、３１６ｂが形成されている。各支持体３１４、３１６で各セル領域上には、アノード電流集電部３２０Ａ１〜Ａ８とカソード電流集電部３６０Ｃ１〜Ｃ８とが形成されている。アノード集電部３２０およびカソード集電部３６０上には、それぞれアノード電極３３０およびカソード電極３７０が設置されている。

各電極３３０、３７０は、触媒層、燃料拡散部および電極支持体から構成される。

非導電性支持体３１４、３１６は、例えばポリエチレンおよびポリプロピレン、塩化ポリビニルからも形成することができる。

アノード電流集電部３２０Ａ１〜Ａ８とカソード電流集電部３６０Ｃ１〜Ｃ８とは、メッシュ状を含む多様な形状とすることができる。アノード電流集電部３２０の一側には、導電部３２２が形成されており、カソード電流集電部３６０の一側には、導電部３６２が形成されている。アノード電流集電部３２０上には、アノード電極３３０が設置されている。カソード電流集電部３６０上には、カソード電極３７０が設置されている。

また、図１０および図１１には、ポリイミドフィルム３１４、３１６上に導電性金属からなる電流集電体が共に形成されたフレキシブル印刷回路ボード（ＦｌｅｘｉｂｌｅＰｒｉｎｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔＢｏａｒｄ：ＦＰＣＢ）が示されている。この場合、電流集電体をポリイミドフィルム３１４、３１６と一体型に製作した後、電解質膜と接合させる。

アノード電流集電部３２０Ａ１に連結された導電部３２２と、カソード電流集電部３６０Ｃ８に連結された導電部３６２とは、それぞれ外部への電気的な連結のための端子３２４、３６４が連結される。端子３２４、３６４は、アノード電流集電部３２０Ａ１に連結された導電部３２２と、カソード電流集電部３６０Ｃ８に連結された導電部３６２とから延びて形成されることが望ましい。

第１セルにおけるカソード電流集電部３６０Ｃ１の導電部３６２の端３６２ａは、支持体３１６に形成された開口部３１６ｂに位置し、第２セルにおけるアノード集電部３２０Ａ２の導電部３２２の端３２２ａは、支持体３１４に形成された開口部３１４ｂに位置する。カソード電流集電部３６０、導電部３６２、端子３６４が形成された支持体３１６をカソード電極３７０と電解質膜３１０との間に配置し、アノード電流集電部３２０、導電部３２２および端子３２４が形成された支持体３１４を、アノード電極３３０と電解質膜３１０との間に配置する。次いで、支持体３１４、３１６に形成された開口部３１４ｂ、３１６ｂを整列させた状態で１２５℃、３トンの圧力で３分間ホットプレシングした後、導電部３２２、３６２の端３２２ａ、３６２ａを、開口部３１４ｂ、３１６ｂを介してスポット溶接機または超音波溶接機で接合して電気的に連結する。このように、各セルのアノード電流集電部３２０Ａ２〜３２０Ａ８は、開口部３１４ｂ、３１６ｂを介して近隣セルのカソード電流集電部３６０Ｃ１〜３６０Ｃ７と電気的に連結される。したがって、第１セル〜第８セルは、直列連結される。

電流集電部３２０、３６０、導電部３２２、３６２、端子３２４、３６４は、例えば電気伝導度が約１Ｓ／ｃｍ以上である遷移金属である第１金属を使用することができる。また、第１金属上に腐食を防止するための第２金属でコーティングしてもよい。

第１金属および第２金属として、それぞれ例えばＡｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｓｎおよびこれらの合金を使用することができる。第１金属の代用として、例えばポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェンなどの導電性高分子を使用できる。

第３実施形態にかかるモノポーラ膜電極アセンブリ３００は、アノード電流集電部３２０とカソード電流集電部３６０とを連結する導電部３２２、３６２が、支持体３１４、３１６に形成された開口部３１４ｂ、３１６ｂを介して直接連結される。したがって、導電部３２２、２６２の長さが非常に短く、電気的な抵抗が低い。また、電流集電部３２０、３６０が電解質膜３１０と触媒層との間に設置されるので、触媒層で生成された電子が電極の燃料拡散部および電極支持体を通過するときに発生する電気的な抵抗がなくなる。

（第４の実施形態）
次に、図１２に基づいて、本発明の第４の実施形態にかかるモノポーラ型単電池膜電極アセンブリについて説明する。なお、図１２は、本実施形態にかかるモノポーラ型単電池膜電極アセンブリ４００の概略的な分離斜視図である。

図１２は、触媒層４１２と燃料拡散部／電極支持体４３０、４７０との間に、アノード電流集電体４２０およびカソード電流集電体４６０が挿入された膜電極アセンブリ４００を概略的に示す。電流集電体が統合された電解質膜電極アセンブリは、まず、電解質膜４１０の両面にデカル法、スクリーンプリンティング法、または直接コーティングにより触媒層４１２をまず形成した後、その上に電流集電体４２０、４６０および燃料拡散部／電極支持体４３０、４７０を形成してホットプレシングすることにより完成することができる。

一枚の電解質膜４１０に複数の電極が形成された電解質膜電極アセンブリも、同じ工程を通じて製作が可能である。すなわち、電解質膜の両面に複数の触媒層が形成されたＣＣＭ（ＣａｔａｌｙｓｔＣｏａｔｅｄＭｅｍｂｒａｎｅ）上に、電気的に直列連結構造を有する電流集電体と複数の燃料拡散部および電極支持体とをホットプレシングにより接合することによって、複数の電極が直列連結された膜電極アセンブリを完成させることができる。

図１３は、本発明の第１の実施形態によって電解質膜と触媒層との間に電流集電体を挿入した構造の燃料電池単位セルの性能と、従来の技術によって電極外部上にＮｉ−ｍｅｓｈ電流集電体を使用した単位セルの性能とを比較したグラフである。出力電圧が、０．３Ｖで電流密度値は、Ｎｉ−ｍｅｓｈを使用した場合、約３７ｍＡ／ｃｍ^２であるが、電解質膜と触媒層との間に電流集電体を挿入した場合には、約４２ｍＡ／ｃｍ^２と約１３％向上した。すなわち、電子が発生する触媒層での電流集電が、電極外部での電流集電より電気的な抵抗が小さいため、性能が向上したことが表されている。

（性能評価）
図１４は、本発明の第４の実施形態によって製作した触媒層と燃料拡散部との間に電流集電体を挿入した燃料電池の単位セルの性能を示すグラフである。

直接メタノール燃料電池の単電極は、開回路電圧が１Ｖ以下であり、実際の作動電圧は０．３〜０．５Ｖであるので、複数の単位セルを直列連結すれば、高い電圧が得られる。

本発明の第４の実施形態により一つの電解質膜上に、面積が約２．２ｃｍ×１．１ｃｍである電極１２個を直列連結した１２セル膜電極アセンブリを製作した。１２個の触媒層が形成されたＣＣＭと各触媒層に対応する燃料拡散部との間に１２個のセルを直列連結するための構造が形成された電流集電体を備えるＦＰＣＢを挿入した後、約１４０℃、約３メートルトンの条件でホットプレシングして、１２セル膜−電極接合体を完成させる。１２セルが直列連結された膜電極アセンブリの性能を測定した結果を図１５に示し、経時的なパワー密度を図１６に示した。

図１５に示すように、出力電圧３．６Ｖ（セル当り０．３Ｖ）で約１４５．２ｍＡ（約６０ｍＡ／ｃｍ^２）の性能で約５２８ｍＷの出力を得た。最大出力は、３．３５Ｖで約１６２．５ｍＡ（約６７ｍＡ／ｃｍ^２）で約５４４ｍＷであった。高い作動電圧を得るために、複数枚のセルを直列で連結すると電気的な抵抗が大きくなり、セル連結の不良発生率が高まるが、本発明の第４の実施形態にかかる電流集電体を使用する場合、抵抗が低下して歩留まりを向上させることができるという長所がある。

また、図１６に示すように、本発明の第４の実施形態にかかる燃料電池のパワー密度が、約４０ｍＷ／ｃｍ^２程度と良好であった。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、モノポーラ型の膜電極アセンブリに関連した技術分野に適用可能である。

本発明の第１の実施形態にかかる電流集電体が挿入されたモノポーラ型の膜電極アセンブリの概略的な断面図である。図１の電解質膜を示す平面図である。図１の膜電極アセンブリに挿入された電流集電体を示す平面図である。図１の膜電極アセンブリに挿入された電流集電体を示す平面図である。本発明の第２の実施形態にかかるモノポーラ型の膜電極アセンブリの概略的な断面図である。図５の膜電極アセンブリに挿入された電流集電体を示す平面図である。図５の膜電極アセンブリに挿入された電流集電体を示す平面図である。本発明の第３の実施形態にかかる電流集電体が統合されたモノポーラ型の膜電極アセンブリの概略的な断面図である。図８の支持体の平面図である。図８の支持体上に形成された電流集電部、導電部および端子を示す平面図である。図８の支持体上に形成された電流集電部、導電部および端子を示す平面図である。本発明の第４の実施形態にかかる電流集電体が挿入された膜電極アセンブリの概略的な分離斜視図である。本発明の第１の実施形態によって電解質膜と触媒層との間に電流集電体を挿入した膜電極アセンブリを備えた燃料電池単位セルの性能と、従来の技術によって電極上にＮｉ−ｍｅｓｈ電流集電体を使用した単位セルの性能とを比較したグラフである。本発明の第４の実施形態によって製作した触媒層と燃料拡散部との間に電流集電体を挿入した膜電極アセンブリ燃料電池単位セルの性能を示すグラフである。本発明の第４の実施形態に電流集電体が挿入された１２セル膜電極アセンブリを備えた燃料電池の性能を示すグラフである。図１５の燃料電池の経時的なパワー密度を示すグラフである。

符号の説明

１００モノポーラ型の膜電極アセンブリ
１１０電解質膜
１１１電解質膜の第１面
１１２電解質膜の第２面
１１５導電性金属
１２０アノード電流集電部
１２２ａ連結部材の端
１３０アノード電極
１６０電流集電部
１６２ａ導電部の端
１７０カソード電極

Claims

複数のセル領域が形成される電解質膜と、
前記電解質膜の一側の面に設置されたアノード電流集電体、および前記電解質膜の他側の面に設置されたカソード電流集電体と、
前記アノード電流集電体の、前記電解質膜と反対側の面に設置されたアノード電極、および前記カソード電流集電体の、前記電解質膜と反対側の面に設置されたカソード電極と、
を備え、
前記アノード電流集電体および前記カソード電流集電体は、前記セル領域で電流を集電する電流集電部と、前記電流集電部の一側に連結された導電部とからなり、
前記電流集電部は、金属メッシュであることを特徴とする、モノポーラ型の膜電極アセンブリ。
前記電解質膜には、複数の開口部が形成され、
前記カソード電流集電体の導電部の端は、前記開口部を介して隣接した前記アノード電流集電体の導電部の端と電気的に直列連結されることを特徴とする、請求項１に記載のモノポーラ型の膜電極アセンブリ。
前記カソード電流集電体の導電部の端は、前記アノード電流集電体の導電部の端と前記開口部に位置するように配置され、
前記開口部は、導電性の金属で満たされることを特徴とする、請求項２に記載のモノポーラ型の膜電極アセンブリ。
前記カソード電流集電体の導電部の端および前記アノード電流集電体の導電部の端は、それぞれ前記電解質膜の外部に露出されるように設置され、前記カソード電流集電体の導電部端と前記アノード電流集電体の導電部の端とが電気的に直列連結されることを特徴とする、請求項１に記載のモノポーラ型の膜電極アセンブリ。
前記電流集電体は、電気伝導度が１Ｓ／ｃｍ以上である第１金属または導電性高分子から形成されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のモノポーラ型の膜電極アセンブリ。
前記第１金属は、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｓｎおよびこれらの合金からなる群から選択されることを特徴とする、請求項５に記載のモノポーラ型の膜電極アセンブリ。
前記第１金属上には、第２金属がコーティングされていることを特徴とする、請求項５または６に記載のモノポーラ型の膜電極アセンブリ。
前記第２金属は、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｓｎおよびこれらの合金からなる群から選択されることを特徴とする、請求項７に記載のモノポーラ型の膜電極アセンブリ。
前記導電性高分子は、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェンからなる群から選択されたいずれか一つであることを特徴とする、請求項５に記載のモノポーラ型の膜電極アセンブリ。
前記電解質膜の両面で前記セル領域に該当する複数の第１開口部が形成され、
前記アノード電流集電体および前記カソード電流集電体は、それぞれ前記第１開口部上に配置されるアノード支持体およびカソード支持体をさらに備えることを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載のモノポーラ型の膜電極アセンブリ。
前記電解質膜および前記支持体には、それぞれ複数の第２開口部が形成され、
前記カソード電流集電体の導電部の端は、前記第２開口部を介して隣接した前記アノード電流集電体の導電部の端と電気的に直列連結されることを特徴とする、請求項１０に記載のモノポーラ型の膜電極アセンブリ。
前記カソード電流集電体の導電部の端は、前記アノード電流集電体の導電部の端と前記第２開口部に位置し、
前記第２開口部は、導電性金属で満たされることを特徴とする、請求項１１に記載のモノポーラ型の膜電極アセンブリ。
前記カソード電流集電体の導電部の端および前記アノード電流集電体の導電部の端は、それぞれ前記電解質膜の外部に露出されるように設置され、前記カソード電流集電体の導電部端と前記アノード電流集電体の導電部の端とが電気的に直列連結されることを特徴とする、請求項１０に記載のモノポーラ型の膜電極アセンブリ。
前記電流集電体は、電気伝導度が１Ｓ／ｃｍ以上である第１金属または導電性高分子で形成されることを特徴とする、請求項１０〜１３のいずれかに記載のモノポーラ型の膜電極アセンブリ。
前記第１金属は、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｓｎおよびこれらの合金からなる群から選択されることを特徴とする、請求項１４に記載のモノポーラ型の膜電極アセンブリ。
前記第１金属上には、第２金属がコーティングされていることを特徴とする、請求項１４または１５に記載のモノポーラ型の膜電極アセンブリ。
前記第２金属は、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｓｎおよびこれらの合金からなる群から選択されることを特徴とする、請求項１６に記載のモノポーラ型の膜電極アセンブリ。
前記導電性高分子は、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェンからなる群から選択されたいずれか一つであることを特徴とする、請求項１４に記載のモノポーラ型の膜電極アセンブリ。
前記支持体は、非導電性高分子で製造されることを特徴とする、請求項１０に記載のモノポーラ型の膜電極アセンブリ。
前記支持体は、ポリイミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニルからなる群から選択された物質で製造されることを特徴とする、請求項１９に記載のモノポーラ型の膜電極アセンブリ。
前記支持体および前記電流集電体は、一体型に形成されたフレキシブル印刷回路基板であることを特徴とする、請求項１９または２０に記載のモノポーラ型の膜電極アセンブリ。
請求項１〜２１のいずれかに記載のモノポーラ型の膜電極アセンブリを備えることを特徴とする、燃料電池。
複数のセル領域が形成される電解質膜と、
前記電解質膜の一側の面および他側の面の前記セル領域にそれぞれ形成された触媒層と、
前記電解質膜の一側の面に形成された前記触媒層の、前記電解質膜と反対側の面に設置されたアノード電流集電体および前記電解質膜の他側の面に形成された前記触媒層の、前記電解質膜と反対側の面に設置されたカソード電流集電体と、
前記アノード電流集電体の、前記電解質膜と反対側の面に設置されたアノード拡散部および前記カソード電流集電体の、前記電解質膜と反対側の面に設置されたカソード拡散部と、
を備え、
前記アノード電流集電体および前記カソード電流集電体は、前記セル領域で電流を集電する電流集電部と、前記電流集電部の一側に連結された導電部とからなり、
前記電流集電部は、金属メッシュであることを特徴とする、モノポーラ型の膜電極アセンブリ。
前記電解質膜には、複数の開口部が形成され、
前記カソード電流集電体の導電部の端は、前記開口部を介して隣接した前記アノード電流集電体の導電部の端と電気的に直列連結されることを特徴とする、請求項２３に記載のモノポーラ型の膜電極アセンブリ。
前記カソード電流集電体の導電部の端は、前記アノード電流集電体の導電部の端と前記開口部に位置するように配置され、
前記開口部は、導電性金属で満たされることを特徴とする、請求項２４に記載のモノポーラ型の膜電極アセンブリ。
前記カソード電流集電体の導電部の端および前記アノード電流集電体の導電部の端は、それぞれ前記電解質膜の外部に露出されるように設置され、前記カソード電流集電体の導電部端と前記アノード電流集電体の導電部の端とが電気的に直列連結されることを特徴とする、請求項２３に記載のモノポーラ型の膜電極アセンブリ。
前記電流集電体は、電気伝導度が１Ｓ／ｃｍ以上である第１金属または導電性高分子で形成されることを特徴とする、請求項２３〜２６のいずれかに記載のモノポーラ型の膜電極アセンブリ。
前記第１金属は、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｓｎおよびこれらの合金からなる群から選択されることを特徴とする、請求項２７に記載のモノポーラ型の膜電極アセンブリ。
前記第１金属上には、第２金属がコーティングされていることを特徴とする、請求項２７または２８に記載のモノポーラ型の膜電極アセンブリ。
前記第２金属は、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｓｎおよびこれらの合金からなる群から選択されることを特徴とする、請求項２９に記載のモノポーラ型の膜電極アセンブリ。
前記導電性高分子は、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェンからなる群から選択されたいずれか一つであることを特徴とする、請求項２７に記載のモノポーラ型の膜電極アセンブリ。
前記電解質膜の両面で前記セル領域に該当する複数の第１開口部が形成され、
前記アノード電流集電体および前記カソード電流集電体は、それぞれ前記第１開口部上に配置されるアノード支持体およびカソード支持体をさらに備えることを特徴とする、請求項２３〜３１のいずれかに記載のモノポーラ型の膜電極アセンブリ。
前記電解質膜および前記支持体には、それぞれ複数の第２開口部が形成され、
前記カソード電流集電体の導電部の端は、前記第２開口部を介して隣接した前記アノード電流集電体の導電部の端と電気的に直列連結されることを特徴とする、請求項３２に記載のモノポーラ型の膜電極アセンブリ。
前記カソード電流集電体の導電部の端は、前記アノード電流集電体の導電部の端と前記第２開口部に位置するように配置され、
前記第２開口部は、導電性金属で満たされることを特徴とする、請求項３３に記載のモノポーラ型の膜電極アセンブリ。
前記カソード電流集電体の導電部の端および前記アノード電流集電体の導電部の端は、それぞれ前記電解質膜の外部に露出されるように設置され、前記カソード電流集電体の端と前記アノード電流集電体の導電部の端とが電気的に直列連結されることを特徴とする、請求項３２に記載のモノポーラ型の膜電極アセンブリ。
前記電流集電体は、電気伝導度が１Ｓ／ｃｍ以上である第１金属または導電性高分子で形成されることを特徴とする、請求項３２〜３５のいずれかに記載のモノポーラ型の膜電極アセンブリ。
前記第１金属は、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｓｎおよびこれらの合金からなる群から選択されることを特徴とする、請求項３６に記載のモノポーラ型の膜電極アセンブリ。
前記第１金属上には、第２金属がコーティングされていることを特徴とする、請求項３６または３７に記載のモノポーラ型の膜電極アセンブリ。
前記第２金属は、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｓｎおよびこれらの合金からなる群から選択されることを特徴とする、請求項３８に記載のモノポーラ型の膜電極アセンブリ。
前記導電性高分子は、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェンからなる群から選択されたいずれか一つであることを特徴とする、請求項３６に記載のモノポーラ型の膜電極アセンブリ。
前記支持体は、非導電性高分子で製造されることを特徴とする、請求項３２に記載のモノポーラ型の膜電極アセンブリ。
前記非導電性高分子は、ポリイミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニルからなる群から選択された物質で製造されることを特徴とする、請求項４１に記載のモノポーラ型の膜電極アセンブリ。
前記支持体および前記電流集電体は、一体型に形成されたフレキシブル印刷回路基板であることを特徴とする、請求項４１または４２に記載のモノポーラ型の膜電極アセンブリ。
請求項２３〜４３のいずれかに記載のモノポーラ型の膜電極アセンブリを備えることを特徴とする、燃料電池。