JP4929720B2

JP4929720B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP4929720B2
Application number: JP2006002968A
Authority: JP
Inventors: 直樹伊藤; 直人鈴木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-01-10
Filing date: 2006-01-10
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2026-01-10
Also published as: JP2007184211A

Description

本発明は、水素分離膜を備えた燃料電池に関する。

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。

燃料電池のうち固体の電解質を用いたものには、固体高分子型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、水素分離膜電池等がある。ここで、水素分離膜電池とは、緻密な水素分離膜を備えた燃料電池である。緻密な水素分離膜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、アノードとしても機能する。水素分離膜電池は、この水素分離膜上にプロトン導電性を有する電解質が積層された構造をとっている。水素分離膜に供給された水素は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発電が行われる。

上記水素分離膜電池を製造するに際して、水素分離膜基材上にプロトン導電性電解質膜を形成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、水素分離膜が電解質を支持および補強することができる。その結果、電解質膜を十分に薄膜化することができる。

特開２００４−１４６３３７号公報

しかしながら、電解質膜の膜厚を小さくすると、カソードによる集電率が低下する。そのため、カソードの集電周期を小さくしてカソードの集電効率を向上させる必要がある。カソードの集電周期を小さくするためには、カソードを薄膜化する必要がある。この場合、カソード上に形成された集電体からの押し付け圧力によってカソードおよび電解質が破損するおそれがある。

本発明は、カソードの高集電率を維持しつつカソードおよび電解質の破損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、水素分離膜、プロトン導電性電解質膜およびカソードが順に積層されたセルと、カソード上に積層された第１の集電層と、第１の集電層上に積層された第２の集電層とを備え、第１の集電層における積層方向と垂直方向の導電率は第２の集電層における積層方向と垂直方向の導電率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、積層方向と垂直方向の導電率が比較的大きい第１の集電層によって集電した後に、積層方向と垂直方向の導電率が比較的小さい第２の集電層によって集電することができる。この場合、第１の集電層が設けられていない場合に比較して、本発明に係る燃料電池全体の集電率が向上する。それにより、第２の集電層をカソードに対して押し付ける荷重を大きくすることなく、十分な集電効率が得られる。したがって、第２の集電層をカソードに対して押し付ける荷重を低減させることができる。また、第２の集電層からの押し付け圧力を第１の集電層によって分散させることができる。以上のことから、カソードの高い集電率を維持しつつ、電解質膜およびカソードの破損を防止することができる。

第１の集電層のセル側の面における集電間隔は、第２の集電層のセル側の面における集電間隔よりも小さくてもよい。この場合、比較的小さい集電間隔を有する第１の集電層によって集電した後に、比較的大きい集電間隔を有する第２の集電層によって集電することができる。それにより、第１の集電層が設けられていない場合に比較して、本発明に係る燃料電池全体の集電率が向上する。

第１の集電層の空隙率は、第２の集電層の空隙率よりも小さくてもよい。この場合、比較的小さい空隙率を有する第１の集電層によって集電した後に、比較的大きい集電間隔を有する第２の集電層によって集電することができる。それにより、第１の集電層が設けられていない場合に比較して、本発明に係る燃料電池全体の集電率が向上する。

カソードは、非金属電極であってもよい。この場合、３００℃〜６００℃の温度域において、第２の集電層の降伏応力が高くなり、弾性率が小さくなり、弾性域が広くなる。それにより、第２の集電層は、燃料電池内の高温クリープ、セパレータ公差、熱膨張収縮、外部からの衝撃等を吸収することができる。その結果、本発明に係る燃料電池の耐久性が向上する。

第１の集電層のセル側の面における集電間隔は、プロトン導電性電解質膜の膜厚の２分の１〜１０分の１であってもよい。この場合、カソードに酸化剤ガスを十分に供給することができるとともに、プロトン導電性電解質膜から効率よく集電することができる。また、第１の集電層は、カソード上に接合されていてもよい。

本発明によれば、カソードの高集電率を維持しつつカソードおよび電解質の破損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。図１に示すように、燃料電池１００は、補強フレーム１０、水素分離膜２０、電解質膜３０、カソード４０、第１の集電層５０および第２の集電層６０を含む。補強フレーム１０は、ステンレス等の導電性材料から構成され、水素分離膜２０および電解質膜３０を支持および補強する機能を有する。また、補強フレーム１０には複数の貫通孔１１が形成されている。

補強フレーム１０上には、水素分離膜２０が積層されている。水素分離膜２０は、水素透過性金属からなる。水素分離膜２０は、燃料ガスが供給されるアノードとして機能するとともに、電解質膜３０を支持および補強する支持体として機能する。水素分離膜２０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２０の膜厚は、例えば、３μｍ〜５０μｍ程度である。

水素分離膜２０上には、電解質膜３０が形成されている。電解質膜３０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電解質から構成される。電解質膜３０の膜厚は、例えば、１μｍ程度である。電解質膜３０上にはカソード４０が形成されている。カソード４０は、例えば、Ｌａ_０．６Ｓｒ_０．４ＣｏＯ_３、Ｓｍ_０．５Ｓｒ_０．５ＣｏＯ_３等の非金属電極から構成されている。なお、カソード４０を構成する非金属に白金等の触媒が担持されていてもよい。カソード４０上には、第１の集電層５０が接合されている。本実施例においては、第１の集電層５０は、所定の空隙率を有するＡｇの焼結体から構成される。

第１の集電層５０は、カソード４０上にＡｇペーストをスクリーン印刷によって塗布し、３０分程度焼成することによって形成することができる。この場合、Ａｇペーストにガラスを２重量％程度含有させることが好ましい。Ａｇが自己焼結する温度まで加熱しなくても６００℃程度の比較的低温の条件下でＡｇペーストを焼成することができるからである。なお、第１の集電層５０は、レーザーアブレーション法、スパッタリング法、ゾルゲル法等によって形成することもできる。

第１の集電層５０上には、第２の集電層６０が形成されている。第２の集電層６０は、ステンレス等の金属多孔体から構成される。第１の集電層５０の層厚は、例えば、０．５ｍｍ程度である。なお、第１の集電層５０と第２の集電層６０とは接合されていてもよく、接合されていなくてもよい。

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補強フレーム１０の貫通孔１１を介して水素分離膜２０に供給される。燃料ガス中の水素は、水素分離膜２０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２０および電解質膜３０を伝導し、カソード４０に到達する。

一方、第２の集電層６０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、第１の集電層５０を介してカソード４０に供給される。カソード４０においては、酸化剤ガス中の酸素とカソード４０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、第１の集電層５０、第２の集電層６０等を介して回収される。燃料電池１００は、以上の動作によって発電を行う。

本実施例に係る燃料電池１００においては、カソード４０上に第１の集電層５０および第２の集電層６０が形成されていることから、カソード４０の高い集電率を維持したままカソード４０および電解質膜３０の破損を防止することができる。以下、その詳細について説明する。

図２は、電解質膜３０、カソード４０、第１の集電層５０および第２の集電層６０の拡大断面の模式図である。カソード４０に十分に酸化剤ガスを供給する必要があることから、カソード４０、第１の集電層５０および第２の集電層６０には空隙が形成されている。

カソード４０の空隙率は、例えば、５０％程度である。電解質膜３０から効率よく集電する必要があることから、カソード４０には所定の集電間隔が設定されている。カソード４０の電解質膜３０側の面の集電間隔は、電解質膜３０の膜厚の２分の１〜１０分の１程度であることが好ましい。より好ましくは、カソード４０の電解質膜３０側の面の集電間隔は、電解質膜３０の膜厚の１０分の１程度である。この場合、カソード４０に酸化剤ガスを十分に供給することができるとともに、電解質膜３０から効率よく集電することができる。本発明者は、電解質膜３０の膜厚とカソード４０の集電間隔との上記関係を経験的に見出した。

電解質膜３０およびカソード４０の破損を防止するためにはカソード４０の膜厚を大きくすればよいが、上記のようにカソード４０の集電間隔を小さくする必要がある。この場合、カソード４０の集電間隔を小さくするためには、製造法上の観点からカソード４０の膜厚を小さくする必要がある。したがって、カソード４０の膜厚は、電解質膜３０と同様の膜厚にする必要がある。本実施例においては、カソード４０の膜厚は、例えば、１μｍ程度である。

第１の集電層５０の層厚は、例えば、１μｍ程度である。第１の集電層５０の空隙率は例えば３０％程度である。カソード４０から効率よく集電する必要があることから、第１の集電層５０のカソード４０側の面の集電間隔は例えば０．２μｍ程度であり、第１の集電層５０の積層方向と垂直方向の抵抗率は例えば１．２×１０^−７Ωｍ（５００℃）程度である。

第２の集電層６０の層厚は、例えば、０．５ｍｍ程度である。第２の集電層６０において効率よく酸化剤ガスを拡散させる必要があることから、第２の集電層６０の空隙率は例えば９５％程度に設定されている。この場合の第２の集電層６０の第１の集電層５０側の面の集電間隔は例えば１００μｍ程度であり、第２の集電層６０の積層方向と垂直方向の抵抗率は例えば１．０×１０^−５Ωｍ（５００℃）程度である。

本実施例に係る構成の場合、積層方向と垂直方向の抵抗率が比較的小さい第１の集電層５０によって集電した後に、積層方向と垂直方向の抵抗率が比較的大きい第２の集電層６０によって集電することができる。また、小さい集電間隔を有しかつ小さい空隙率を有する第１の集電層５０によって集電した後に、大きい集電間隔を有しかつ大きい空隙率を有する第２の集電層６０によって集電することができる。この場合、第１の集電層５０が設けられていない場合に比較して燃料電池１００全体の集電抵抗が大幅に低下する。

それにより、第２の集電層６０をカソード４０に対して押し付ける荷重を大きくしなくても十分な集電率が得られる。したがって、第２の集電層６０をカソード４０に対して押し付ける荷重を低減させることができる。また、第２の集電層６０からの圧力を第１の集電層５０によって分散させることができる。以上のことから、電解質膜３０およびカソード４０の破損を防止することができる。

なお、本実施例においては第１の集電層５０としてＡｇを用いたが、Ｐｄ，Ｐｔ，Ｌａ_０．６Ｓｒ_０．４ＣｏＯ_３等の導電性材料を用いることもできる。Ｌａ_０．６Ｓｒ_０．４ＣｏＯ_３を用いる場合には、ガラスを１０重量％程度含有させることによって容易に焼成することができる。

また、第２の集電層６０は、降伏応力の高い材料から構成されることが好ましい。例えば、第２の集電層６０として、１９Ｃｒ３Ｍｏ１９Ｆｅ０．５ＡｌＮｉ、３８Ｎｉ１５Ｃｏ０．７Ａｌ１．４Ｔｉ３ＮｂＴａＦｅまたは３８Ｎｉ１５Ｃｏ０．７Ａｌ１．４Ｔｉ３（Ｎｂ＋Ｔａ）Ｆｅを用いることができる。この場合、３００℃〜６００℃の温度域において、第２の集電層６０の降伏応力が高くなり、弾性率が小さくなり、弾性域が広くなる。それにより、燃料電池１００内の高温クリープ、セパレータ公差、熱膨張収縮、外部からの衝撃等を吸収することができる。その結果、燃料電池１００の耐久性が向上する。

１９Ｃｒ３Ｍｏ１９Ｆｅ０．５ＡｌＮｉ、３８Ｎｉ１５Ｃｏ０．７Ａｌ１．４Ｔｉ３ＮｂＴａＦｅまたは３８Ｎｉ１５Ｃｏ０．７Ａｌ１．４Ｔｉ３（Ｎｂ＋Ｔａ）Ｆｅを用いた第２の集電層６０の製造方法は以下の通りである。まず、１９Ｃｒ３Ｍｏ１９Ｆｅ０．５ＡｌＮｉ、３８Ｎｉ１５Ｃｏ０．７Ａｌ１．４Ｔｉ３ＮｂＴａＦｅまたは３８Ｎｉ１５Ｃｏ０．７Ａｌ１．４Ｔｉ３（Ｎｂ＋Ｔａ）Ｆｅからアトマイズ法等によって数ミクロン径の粒子を作成する。その粒子を所定の溶媒および発泡剤と混合し、高温度処理して金属多孔体前駆体を得る。その後、その前駆体を水素雰囲気下１０００℃程度で焼成して焼結せしめる。それにより、第２の集電層６０を製造することができる。

なお、上記アトマイズ法によって作成された粒子を所定の溶剤と混合してウレタンに含浸させ、酸素雰囲気下でウレタンを燃焼させた後に、水素雰囲気下１０００℃程度で還元焼結することによっても第２の集電層６０を製造することができる。また、上記の合金以外にも、第２の集電層６０に要求される必要応力が下記式（１）を満たすものであれば用いることができる。
必要応力＝降伏応力 × （１００−空隙率（％））／１００（１）

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。電解質膜、カソード、第１の集電層および第２の集電層の模式的拡大断面図である。

符号の説明

２０水素分離膜
３０電解質膜
４０カソード
５０第１の集電層
６０第２の集電層
１００燃料電池

Claims

水素分離膜、プロトン導電性電解質膜およびカソードが順に積層されたセルと、
前記カソード上に積層された第１の集電層と、
前記第１の集電層上に積層された第２の集電層とを備え、
前記第１の集電層における積層方向と垂直方向の導電率は、前記第２の集電層における積層方向と垂直方向の導電率よりも大きいことを特徴とする燃料電池。
前記第１の集電層の前記セル側の面における集電間隔は、前記第２の集電層の前記セル側の面における集電間隔よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
前記第１の集電層の空隙率は、前記第２の集電層の空隙率よりも小さいことを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
前記カソードは、非金属電極であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
前記第１の集電層の前記セル側の面における集電間隔は、前記プロトン導電性電解質膜の膜厚の２分の１〜１０分の１であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池。
前記第１の集電層は、前記カソード上に接合されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池。