JP4894175B2

JP4894175B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP4894175B2
Application number: JP2005177432A
Authority: JP
Inventors: 康浩伊澤; 智青山; 真偉子生野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-06-17
Filing date: 2005-06-17
Publication date: 2012-03-14
Anticipated expiration: 2025-06-17
Also published as: WO2006134849A1; US8137862B2; RU2361328C1; US20080226951A1; KR100925251B1; AU2006258671A1; CA2611610C; CN101199070A; KR20080012970A; EP1892781A4; EP1892781B1; JP2006351402A; CN101199070B; AU2006258671B2; CA2611610A1; DE602006017544D1; EP1892781A1

Description

本発明は、セパレータを備える燃料電池に関する。

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。この構造においては、各セパレータ同士が機械的に接触して電気的に短絡すると、発電効率が低下する。したがって、各セパレータ間において絶縁性を維持する必要がある。そこで、セパレータとセパレータとの間にロウ材を用いてセラミックス層を配置する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この技術によれば、各セパレータ間における絶縁性を確保することができる。

特開２００４−２２７８４８号公報

しかしながら、特許文献１の技術を用いれば、セパレータとセラミックス層との外周が同一形状であるため、各層間のロウ材がはみ出た場合に電気的に短絡するおそれがある。

本発明は、ロウ材による短絡を防止することができる燃料電池を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池は、第１の導電性セパレータ、電解質補強板および第２の導電性セパレータがロウ材により順に接合される接合部を備え、電解質補強板は接合部において第１の導電性セパレータおよび第２の導電性セパレータの接合面よりも大きく形成されており、電解質補強板は、接合部において両面に絶縁層が形成されていることで、少なくとも前記ロウ材との接触部位において絶縁性を有している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、電解質補強板が接合部において第１の導電性セパレータおよび第２の導電性セパレータの接合面よりも大きく形成されていることから、電解質補強板および第１の導電性セパレータの間のロウ材と電解質補強板および第２の導電性セパレータの間のロウ材とが接触することが防止される。それにより、第１の導電性セパレータと第２の導電性セパレータとが短絡することが防止される。以上のことから、本発明に係る燃料電池は、ロウ材による短絡を防止することができる。

また、電解質補強板は、接合部において両面に絶縁層が形成されていることから、電解質補強板の両面の絶縁層により第１のセパレータと第２のセパレータとが絶縁される。両面の絶縁層のいずれか一方は、電解質であってもよい。この場合、電解質によって第１のセパレータと第２のセパレータとが絶縁される。また、燃料電池の発電部分の電解質を用いることにより、新たに絶縁層を設ける必要がない。それにより、本発明に係る燃料電池の製造工程が短縮化され、製造コストが低減される。

絶縁層は、セラミックスであり、絶縁層と電解質補強板との間にプライマ層をさらに備えていてもよい。この場合、プライマ層と電解質補強板との密着性およびプライマ層と絶縁層との密着性は、絶縁層と電解質補強板との密着性よりも高くなる。それにより、電解質補強板と絶縁層との密着性が向上する。その結果、各層間における剥離が発生することが防止される。以上のことから、本発明に係る燃料電池は安定した発電を行うことができる。

本発明によれば、ロウ材による短絡を防止することができる。

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、本発明の第１実施例に係る燃料電池１００の模式的断面図である。本実施例においては、燃料電池として水素分離膜電池を用いた。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る。水素分離膜電池は、この水素分離膜層及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。水素分離膜電池のアノードに供給された水素は触媒を介してプロトンに変換され、プロトン導電性の電解質中を移動し、カソードにおいて酸素と結合して水となる。以下、燃料電池１００の構造について説明する。

図１に示すように、燃料電池１００は、セパレータ１，８、集電材２，７、電解質補強板３、水素分離膜４、電解質５およびカソード６を含む。セパレータ１は、ステンレス等の導電性材料からなり、外周部上面に凸部が形成されている。集電材２は、例えば、ＳＵＳ４３０多孔体、Ｎｉ多孔体、ＰｔめっきＡｌ_２Ｏ_３多孔体、白金メッシュ等の導電性材料から構成され、セパレータ１の中央部上に積層されている。

電解質補強板３は、ステンレス等の導電性材料からなり、水素分離膜４を補強する機能を有する。電解質補強板３は、セパレータ１の凸部および集電材２を介してセパレータ１上に形成されている。電解質補強板３とセパレータ１とは接合されている。電解質補強板３の上面中央部には凹部が形成されており、その凹部には水素分離膜４が埋め込まれている。水素分離膜４は、燃料ガスが供給されるアノードとして機能し、水素透過性金属からなる。水素分離膜４を構成する金属は、例えば、パラジウム、バナジウム、チタン、タンタル等である。

水素分離膜４上には電解質５が積層されている。電解質５は、例えば、ペロブスカイト型プロトン導電体（ＢａＣｅＯ_３等）、固体酸型プロトン導電体（ＣｓＨＳＯ_４）等のプロトン導電性材料からなる。カソード６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、電解質５上に積層されている。

集電材７は、例えば、ＳＵＳ４３０多孔体、Ｎｉ多孔体、ＰｔめっきＡｌ_２Ｏ_３多孔体、白金メッシュ等の導電性材料からなり、カソード６上に積層されている。セパレータ８は、ステンレス等の導電性材料からなり、集電材７上に積層されている。また、セパレータ８は、外周部下面に凸部が形成されている。セパレータ８と電解質補強板３とはセパレータ８の凸部を介して接合されている。以下、セパレータ１，８と電解質補強板３との接合部のことをシール部Ａと呼ぶ、シール部Ａにおいては、電解質補強板３は絶縁性を有する。詳細は後述する。

次に、燃料電池１００の動作について説明する。まず、水素を含有する燃料ガスがセパレータ１のガス流路に供給される。この燃料ガスは、集電材２および電解質補強板３を介して水素分離膜４に供給される。燃料ガス中の水素は、水素分離膜４においてプロトンに変換される。変換されたプロトンは、水素分離膜４および電解質５を伝導し、カソード６に到達する。

一方、セパレータ８のガス流路には酸素を含有する酸化剤ガスが供給される。この酸化剤ガスは、集電材７を介してカソード６に供給される。カソード６においては、酸化剤ガス中の酸素とカソード６に到達したプロトンとから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２，７およびセパレータ１，８を介して回収される。

本実施例においては、電解質補強板３はシール部Ａにおいて絶縁性を有することから、燃料電池１００の発電効率が低下することが防止される。以下、その詳細について説明する。

図２は、図１の燃料電池１００のシール部Ａの拡大断面図である。図２に示すように、シール部Ａにおいては、電解質補強板３は、絶縁層９およびロウ材１１を介してセパレータ１と固定されており、絶縁層１０およびロウ材１２を介してセパレータ８と固定されている。電解質補強板３の端部は、セパレータ１，８よりも燃料電池１００の外側の方向に突出している。

絶縁層９，１０は、Ａｌ_２Ｏ_３等の絶縁性材料からなる。また、絶縁層９，１０の外側の端部はセパレータ１，８の外側の端面よりも数ｍｍ程度外側の方向に広がっており、絶縁層９，１０の内側の端部はセパレータ１，８の内側の端面よりも数ｍｍ程度内側の方向に広がっている。したがって、絶縁層９，１０は、セパレータ１，８と電解質補強板３との接合面よりも大きく形成されていることになる。絶縁層９，１０の膜厚は、例えば、数十μｍ程度である。本実施例においては、セパレータ１，８と電解質補強板３との間に絶縁層９，１０が形成されていることから、セパレータ１，８と電解質補強板３とが電気的に短絡することが防止される。

ロウ材１１，１２は、例えば、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ロウ材等からなり、セパレータ１，８と電解質補強板３とを固定する接着剤として機能する。ロウ材１１，１２の膜厚は、例えば、数μｍ程度である。

シール部Ａにおいては、絶縁層９がセパレータ１と電解質補強板３との接合面よりも大きく形成されかつ絶縁層１０がセパレータ８と電解質補強板２との接合面よりも大きく形成されていることから、セパレータ１，８から電解質補強板３に対して圧力がかかってロウ材１１，１２がセパレータ１，８と電解質補強板３との間からはみ出ても、ロウ材１１とロウ材１２とが接触することが防止される。また、燃料電池１００が高温になってロウ材１１，１２が溶け出しても、溶け出したロウ材１１とロウ材１２とが接触することが防止される。したがって、本実施例に係る燃料電池１００においては、ロウ材による電気的短絡を防止することができる。

続いて、燃料電池１００のシール部Ａの製造方法について説明する。図３は、燃料電池１００のシール部Ａの製造方法を説明するための製造フロー図である。まず、図３（ａ）に示すように、電解質補強板３の外周部において、下面に絶縁層９を形成し、上面に絶縁層１０を形成する。絶縁層９，１０は、溶射法、イオンプレーティング法等により形成することができる。

次に、図３（ｂ）に示すように、絶縁層９下にロウ材１１を形成し、絶縁層１０上にロウ材１２を形成する。次いで、図３（ｃ）に示すように、絶縁層９とセパレータ１とをロウ材１１を介して接触させ、絶縁層１０とセパレータ８とをロウ材１２を介して接触させる。次に、ロウ材１１，１２に加熱処理を施すことによって絶縁層９とセパレータ１とが接合され、絶縁層１０とセパレータ８とが接合される。以上の行程により、図３（ｄ）のシール部Ａが完成する。

なお、セパレータ１，８を絶縁層９，１０に接触させる際にロウ材１１，１２がセパレータ１，８と絶縁層９，１０との間からはみ出ることがある。しかしながら、絶縁層９がセパレータ１と電解質補強板３との接合面よりも大きく形成されかつ絶縁層１０がセパレータ８と電解質補強板２との接合面よりも大きく形成されていることから、はみ出たロウ材１１とロウ材１２とが接触することが防止される。

図４は、シール部Ａの他の例であるシール部Ａ’の模式的断面図である。シール部Ａ’が図２のシール部Ａと異なる点は、電解質補強板３と絶縁層９との間にプライマ層１３が形成されている点および電解質補強板３と絶縁層１０との間にプライマ層１４が形成されている点である。プライマ層１３，１４は、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金、Ａｇ−Ｔｉ合金等の活性金属等からなる。

ここで、一般的に、活性金属と金属との密着性および活性金属とセラミックスとの密着性は、セラミックスと金属との密着性よりも高くなる。それにより、本実施例においてはプライマ層１３，１４が電解質補強板３と絶縁層９，１０との間に形成されていることから、電解質補強板３と絶縁層９，１０との密着性が向上する。したがって、燃料電池１００の各層間における剥離が発生することが防止される。その結果、本実施例に係る燃料電池１００は、安定した発電を行うことができる。

続いて、シール部Ａ’の製造方法について説明する。図５は、シール部Ａ’の製造方法を説明するための製造フロー図である。まず、図５（ａ）に示すように、電解質補強板３の外周部において、下面にプライマ層１３を形成し、上面にプライマ層１４を形成する。プライマ層１３，１４は、物理蒸着法等により形成することができる。

次に、図５（ｂ）に示すように、プライマ層１３下に絶縁層１１を形成し、プライマ層１４上に絶縁層１０を形成する。次いで、図５（ｃ）に示すように、絶縁層９下にロウ材１１を形成し、絶縁層１０上にロウ材１２を形成する。次に、図５（ｄ）に示すように、絶縁層９とセパレータ１とをロウ材１１を介して接触させ、絶縁層１０とセパレータ８とをロウ材１２を介して接触させる。次いで、ロウ材１１，１２に加熱処理を施すことによって絶縁層９とセパレータ１とが接合され、絶縁層１０とセパレータ８とが接合される。以上の行程により、図５（ｅ）のシール部Ａ’が完成する。

図６は、本発明の第２実施例に係る燃料電池１００ａの模式的断面図である。燃料電池１００ａが図１の燃料電池１００と異なる点は、電解質５の代わりに電解質５ａが形成されている点である。電解質５ａは、電解質補強板３の上面全体を覆うように形成されている。なお、電解質５ａは、電解質５と同様の材料から構成されている。本実施例においては、電解質５ａにより電解質補強板３とセパレータ８とが絶縁されている。

図７は、図６の燃料電池１００ａのシール部Ｂの拡大断面図である。シール部Ｂが図２のシール部Ａと異なる点は、絶縁層１０の代わりに電解質５ａが形成されている点である。図７に示すように、電解質５ａは、電解質補強板３の端部にまで形成されている。電解質５ａは、絶縁材料から構成されていることから、電解質補強板３とセパレータ８とを絶縁する。

電解質５ａは、電解質補強板３および水素分離膜４上に、スパッタ、レーザ等によりコートすることができる。本実施例においては、電解質５ａを絶縁層としても用いることから、電解質５および絶縁層１０を個別に形成する場合に比較して、製造工程が短縮化される。したがって、燃料電池１００ａの製造コストが低減される。

第１の実施例および第２の実施例においては、セパレータ１が第１の導電性セパレータに相当し、セパレータ８が第２の導電性セパレータに相当し、シール部Ａ，Ｂが接合部に相当する。

なお、第１実施例と第２実施例を組み合わせることもできる。例えば、本実施例において電解質５ａと電解質補強板３との間にプライマ層が形成されていてもよい。また、第１実施例および第２実施例においては水素分離膜電池に本発明を適用したが、電解質補強板を備える燃料電池であれば本発明を適用することができる。さらに、第１実施例および第２実施例においては電解質補強板の外周部における接合について説明したが、それに限られない。例えば、マニホールド部位等のセパレータと電解質補強板とが接合される箇所についても本発明を適用することができる。

本発明の第１実施例に係る燃料電池の模式的断面図である。図１の燃料電池のシール部の拡大断面図である。燃料電池のシール部の製造方法を説明するための製造フロー図である。シール部の他の例の模式的断面図である。シール部の製造方法を説明するための製造フロー図である。本発明の第２実施例に係る燃料電池の模式的断面図である。図６の燃料電池のシール部の拡大断面図である。

符号の説明

１，８セパレータ
２，７集電材
３電解質補強板
４水素分離膜
５，５ａ電解質
６カソード
９，１０絶縁層
１１，１２ロウ材
１３，１４プライマ層
１００，１００ａ燃料電池
Ａ，Ｂシール部

Claims

第１の導電性セパレータ、電解質補強板および第２の導電性セパレータがロウ材により順に接合される接合部を備え、
前記電解質補強板は、前記接合部において前記第１の導電性セパレータおよび前記第２の導電性セパレータの接合面よりも大きく形成されており、
前記電解質補強板は、前記接合部において両面に絶縁層が形成されていることで、少なくとも前記ロウ材との接触部位において絶縁性を有していることを特徴とする燃料電池。
前記両面の絶縁層のいずれか一方は、電解質であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
前記絶縁層は、セラミックスであり、
前記絶縁層と前記電解質補強板との間にプライマ層をさらに備えることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。