JPH06223836A - 燃料電池 - Google Patents
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Abstract
体高分子型燃料電池において、ガス交換膜ないし集電体
として従来用いられてきたカーボンシートに代えて、よ
りガス供給能に優れると共により抵抗の小さな材料を用
い、これによって発電効率を向上させると共に、高分子
イオン交換膜中のスルホン酸基によって集電体の材料が
腐食されることを防止する。 【構成】 固体高分子電解質の両側に設けられる燃料極
と酸化極とにおいて、それぞれ、ガス供給側に設けられ
る集電体をニッケル発泡体のような多孔質金属材料にて
形成すると共に、該集電体と触媒層との間にカーボン層
を介在させる。
Description
電解質として高分子イオン交換膜を用いる固体高分子型
燃料電池に関する。
フィオン(Nafion−登録商標)の商品名の下に提
供されるパーフルオロカーボンスルホン酸重合体等の高
分子イオン交換膜を用い、この電解質の両側に燃料極と
空気極とを配し、燃料極と酸化極とにそれぞれ水素と酸
素とを供給することによって電池反応を得る、いわゆる
固体高分子型燃料電池は公知である。
することができ、電解質が固体であるために逸失のおそ
れがない等の有利性より、ガソリンエンジンに代えて或
いは併用して作動させる電気モータの電源として車載用
に適するものとして注目されている。
特開平3−295176号公報の第1図に記載の通りで
あって、固体高分子電解質膜1の両側に燃料極及び酸化
極となるガス拡散電極2A、2Bを配し、燃料極となる
ガス拡散電極2Aにはガスセパレータ5を介して水素を
供給すると共に、酸化極となるガス拡散電極2Bにはガ
スセパレータ6を介して酸素を供給するよう構成されて
いる。
は、固体高分子電解質膜1の側の反応膜3A、3Bとガ
ス供給側のガス拡散膜4A、4Bとが接合されてなる。
5、6を介して供給されるガス(水素、酸素)を均等に
拡散しつつ反応膜3A、3Bへと供給する役割を果たす
必要があると共に、固体高分子電解質膜1に含まれるス
ルホン酸基(−SO3H)によって腐食されないもので
あること、導電性を持つことが要求され、これらの要求
を満たすものとして、一般にカーボンシートが用いられ
ている。
Bを経て供給されるガス(水素、酸素)によって、固体
高分子電解質膜1との界面において電池反応を得るもの
であって、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PT
FE)等の撥水性材料と白金(Pt)や白金担持カーボ
ン等の触媒粒子との混合物を焼結させたものが用いられ
ている。
電池用電極におけるガス拡散膜として用いられるカーボ
ンシートは、一般に抵抗値が大きい。
えば東海マテリアル社製のカーボンペーパーPC356
5のガス供給能はカタログ値で850ml・mm/hr
・cm2・mmAq程度であるに過ぎない。
ーボンシートに比して、より小さな抵抗を有すると共に
より優れたガス透過性を有する材料を電極のガス拡散膜
に用いることが望まれる。
決するため、従来のカーボンシートに代えて、ニッケル
(Ni)発泡体等の多孔質金属材料を電極のガス拡散膜
ないし集電体として用いることを想起した。そして、後
述のように、多孔質金属材料をガス拡散膜に用いた電極
は、従来のカーボンシートをガス拡散膜に用いた電極に
比べるときわめて比抵抗値が小さいものであることが判
明した。また、ガス供給能についても、カーボンシート
よりも更に良好であることが確認された。
スルホン酸基に対する耐食性に乏しく、電解質と接触す
ると容易に腐食し、電解質中に溶出して電池反応に直接
関与してしまうことに鑑み、これを防止するために、反
応膜ないし触媒層との間に耐腐食性材料、特にカーボン
よりなる層を介在させることにより、本発明を完成させ
た。
び酸化極を配してなる燃料電池であって、これら燃料極
及び酸化極が、ガス供給側に設けられる多孔質金属材料
よりなる集電体と、供給されるガスを電池反応させるた
めに固体電解質に接して設けられる触媒層と、これら集
電体と触媒層との間に設けられ電解質中の強酸性成分に
対して耐食性を示す材料よりなる耐食層とからなること
を特徴とする燃料電池である。
あるイオン交換樹脂を含み、触媒層の全般にわたって電
池反応が得られることを可能にする。
さく、またガス供給能が良好であり、発電効率を高める
作用を果たす。
は、電解質中の強酸性成分、特にナフィオン等の固体高
分子電解質が用いられた場合のスルホン酸基に対して耐
食性を示す材料、例えばカーボンより形成され、集電体
の多孔質金属材料が該強酸性成分によって腐食されるこ
とを防止する。
的に示すもので、固体高分子電解質10の両側に燃料極
11及び酸化極15が積層されてなる。固体高分子電解
質10をなすイオン交換樹脂としては一般にナフィオン
が用いられるが、その他、例えばPSSA−PVA等を
用いることも可能である。
給され、酸化極15には酸化剤としての酸素を含む空気
が供給される。公知のように、燃料極11においてはH
2→2H++2e−の反応が、酸化極15においては1
/2O2+2H++2e−→H2Oの反応が、それぞれ
得られ、水素イオンが燃料極11から固体高分子電解質
10を通って酸化極15へと移動すると共に、電子が燃
料極11から酸化極15に向かって流れ、電力が得られ
る。
多孔質金属材料よりなる集電体12、その内側にカーボ
ン層13、また固体高分子電解質10と接する側に触媒
層14を有してなる。
例えばニッケル発泡体を400kg/cm2程度の圧力
でコールドプレスしてシート状とし、更に、これを7.
5重量%程度のPTFE水溶液に2分間程度浸漬した後
乾燥させることによって撥水化処理したものが用いられ
る。
シートを用いても良く、またカーボン粉体を焼結やスパ
ッタリング等の手段によって集電体12の多孔質金属材
料の片面に薄膜状に付着させたものであっても良い。
体高分子電解質10の成分であるイオン交換樹脂を混合
し、この混合体をプレスやスクリーン印刷等の手法によ
りシート状に一体成形されてなる。
ール等の原料炭化水素ガスを改質装置によって水素リッ
チな状態として燃料極11に供給する場合であっても、
幾分の一酸化炭素ガスの混入を避けることができない。
そこで、供給される水素ガス中に含まれる一酸化炭素ガ
スによって白金が被毒されることを防止するため、白金
とルテニウム(Ru)または白金とスズ(Sn)等の合
金を触媒として用いることが好ましい。
媒層14を積層した後ホットプレスにて一体化すること
により、燃料極11が得られる。
厚さに形成される。カーボン層13及び触媒層14の厚
さは一般に前者が20μm程度、後者が40〜50μm
程度であるが、各々の作用を損なわない限りにおいてで
きるだけ薄いものを用いることが、電極全体としての抵
抗値を低減させる上において有利である。
1と略同様であって、空気ガスが供給される側に多孔質
金属材料よりなる集電体16、その内側にカーボン層1
7、また固体高分子電解質10と接する側に触媒層18
を有し、これらをホットプレスにて積層一体化してな
る。
空気が供給される酸化極15の触媒層18にあっては、
燃料極11の触媒層14において考慮したような一酸化
炭素による被毒の問題は生じないので、触媒には白金単
体が用いられる。
と比較するため、従来のカーボンシートによる集電体と
本発明のニッケル発泡体の多孔質金属材料よりなる集電
体を用意し、図2に示す要領にて集電体としての比抵抗
値を測定した。
1、21で集電体20を挟み、ポテンショスタット(図
示せず)の電位測定端子22、22を各Cu板上に取り
付けると共に、電流測定端子23、23を集電体上の任
意の箇所にL2(cm)の間隔を配して取り付ける。集
電体20の厚さをd(cm)とすると、比抵抗ρ(Ω・
cm)は、断面積が一様である長さL2の部分の抵抗R
(Ω)において、ρ=R・d・L1/L2で算出され
る。なお、抵抗Rはポテンショスタットで測定した電流
値Iと電位EとからR=E/Iにより算出される。
の集電体の比抵抗値は0.90Ω・cmであったのに対
し、本発明の集電体の比抵抗値は0.46×10−4Ω
・cmであり、格段に低いことが実証された。
ると共に抵抗が低減され、発電効率の優れた燃料電池が
供給される。
図である。
ある。
Claims (4)
- 【請求項1】 電解質の両側に燃料極及び酸化極を配
してなる燃料電池であって、これら燃料極及び酸化極
が、ガス供給側に設けられる多孔質金属材料よりなる集
電体と、供給されるガスを電池反応させるために固体電
解質に接して設けられる触媒層と、これら集電体と触媒
層との間に設けられ電解質中の強酸性成分に対して耐食
性を示す材料よりなる耐食層とからなることを特徴とす
る燃料電池。 - 【請求項2】 前記集電体の多孔質金属材料がニッケ
ル発泡体よりなることを特徴とする請求項1の燃料電
池。 - 【請求項3】 前記耐食層がカーボンよりなることを
特徴とする請求項1の燃料電池。 - 【請求項4】 前記触媒層に前記電解質に含まれる強
酸性成分と同一成分が含まれることを特徴とする請求項
1の燃料電池。
Priority Applications (2)
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1993
- 1993-01-22 JP JP5027362A patent/JP2649470B2/ja not_active Expired - Lifetime
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