JPH10513600A - 隔膜電極ユニットを形成する単一セルのアセンブリおよびそれを使用する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、２〜１００００個の単一セルが、１つの単一セルの電極領域（４、５、６）の階段状の重ね合わせによって次の電池の対向する電極領域（７、８、９）に直列に接続され、それにより一次元隔膜電極ユニット（１）を構成すること、および少なくとも重なり合っている電極領域間に、電子伝導性材料の分路導電構造が配置されることを特徴とする、固体ポリマー電解質とその両側に塗布された電極領域とから構成され、隔膜電極ユニットを形成する平坦な単一セルのアセンブリに関する。

Description

【発明の詳細な説明】 隔膜電極ユニットを形成する単一セルの アセンブリおよびそれを使用する方法 本発明は、単一セルが電極領域の階段状の重ね合わせによって直列に接続され た隔膜電極ユニットを形成する単一セルのアセンブリ、およびポリマー電解質隔 膜燃料電池内でそれを使用する方法に関する。 例えば固体ポリマー電解質（ＰＥＭ）を有する電気化学的電池は、簡単に言え ば、電気化学反応がその上で進行する２つの電極を有し、同時にその電極間にあ り、電極間のイオンを移動させる役目を果たし、イオン導電性ポリマーから製造 される電解質を含んでいる。 両方の電極上で電気化学反応（アノードでは酸化、カソードでは還元）が自発 的に進行するとき、電気化学的電池は電圧を発生する。単一セルは、数ミリボル トから数ボルトまでの範囲内の比較的低い電圧しか発生しない。しかしながら、 例えば、トラクションレンジ（traction range）内の燃料セルの用途など、多数 の実際的な用途には、かなり高い電圧が必要になる。 今までのところ、複数のそのような電池が別々にアセンブルされ、重なり合っ て配置され、単一セルの電圧が加算されるように互いに直列に電気的に接続され る（バイポーラ・スタックタイプ構造）のはこのためである。直列接続を達成す るこの方法では、より高い電圧の実現が確実に可能になる。とは言え、この方法 は多くの欠点をもたらす。例えば、１つの水素／酸素燃料電池スタックについて 、バイポーラ・プレート、水素ガス分配リング、触媒で被覆されたイオン交換膜 、酸素ガス分配リング、それらの構成要素を密封する密封リング、ならびに電流 分配構造が一般に各単一セルごとに必要であるので、そのような直列接続の構造 上の骨折りは甚大である。この場合、合計１０個の構成要素が各単一セルごとに ある。例えば、７０Ｖのスタック出力電圧を実現しようとすると、単一セル電圧 が０．７Ｖの場合、結局１００個の単一セルが必要になる。すなわち、１０００ 個の構成要素をアセンブルしなければならず、その場合、４００個の密封リング を 固定しなければならない。 直列接続の他の欠点は、燃料電池スタック内の１つの単一セルが故障しただけ でも、スタック全体が故障することである。しかしながら、上記の例の冗長なタ イプの構成、すなわち複数の７０Ｖのスタックの並列接続では、構成の努力が絶 対に容認できないものになる。したがって、ＰＥＭ燃料電池の効率的な動作の決 定的要因は、それに応じて隔膜電極ユニットの構造である。 したがって、以上のことから、本発明の目的は、主としてＰＥＭ燃料電池内で 使用するのに適しており、かつ高い出力電圧ならびに簡単かつ低コストの構造を 保持する隔膜電極ユニットを提供することである。 この目的は、請求項１の特徴項によって解決される。サブクレームには有利な 実施形態が示されている。 したがって、本発明によれば、アセンブリが、電極領域が階段状に重なり合う ように実施され、かつ分路導電構造が重ね合わせの領域内に組み込まれる、複数 の単一セルのアセンブリが得られるように隔膜電極ユニットをアセンブルするこ とが提案される。 本発明による隔膜電極ユニットは、両側に電極材料を接着したイオン導電性隔 膜領域を含んでいる。水素／酸素燃料電池の場合、各隔膜領域には、一方の側に 水素電極を接着し、他方の側に酸素電極を接着する。したがって、すべての水素 電極は隔膜の一方の側にあり、すべての酸素電極は隔膜の他方の側にある。接着 した２つの電極とともに、各隔膜領域は、燃料電池ユニットを構成し、したがっ て出力電圧を発生する。次に、本発明による隔膜電極ユニットの特徴的な特徴は 、隔膜内の各単一セルが直列接続されることである。本発明によれば、これは、 １つの単一セルの電極領域と、次の単一セルの対向する電極領域との直列接続の 階段状の重ね合わせを実現することによって達成される。したがって、各単一セ ルのすべての出力電圧が加算される。このようにして、隔膜の上側の第１の電極 上、および隔膜の下側の最後の電極上で、すべての燃料電池ユニットの電圧の総 和が得られる。隔膜電極ユニットに属する本発明による階段状設計の場合、個々 の外部電極領域の非常に良好な分路導電性が達成されることが重要である。これ は、すべての電池電流がこのコーティングの断面を流れなければならないためで ある。 しかしながら、それらの構造形態によれば、電極は、例えば、電極を押し付け触 媒粉末から製造した場合、最大数１００オームまでの不十分な分路導電性を示す 。それによってもたらされる高い電池電圧損失を回避するために、本発明による 隔膜電極ユニットは、重なり合っている電極領域内に配置されたいわゆる分路導 電構造を有する。したがって、電極コーティングの不十分な分路導電性によって 発生し、隣接する対向する２つの電極の間に発生する抵抗が明らかに小さくなる 。したがって、高い出力電圧および簡単かつ低コストの構造を保持するだけでな く、内部電池電圧損失がほとんどない隔膜電極ユニットが初めて得られる。 イオン導電性を保証するために、単一セルは、本明細書では、イオン導電性材 料から製造する。このために、隔膜の形をした固体ポリマー電解質が使用される 。陽イオンまたは陰イオンを移動させなければならないので、隔膜は、陽イオン または陰イオンに対して浸透性でなければならない。陽イオン導電性ポリマー用 の水様環境では、イオン導電性は、本明細書では、一般に、ポリマーが固く結合 したカルボン酸基およびスルホン酸基およびリン酸基を含んでいる場合に得られ る。これらはすべて、いわば、一般に、化学結合によって結合される。陰イオン 導電性ポリマーの場合、イオン導電性は、特に、ポリマーがアミノ基、第四級ア ンモニウム基、またはピリジニウム基を含んでいる場合に得られる。イオン導電 性の特徴は、これまで述べた可能性の場合、発生したイオン、隔膜内に固く結合 したイオン、または膨張した際に水中に発生したイオンによってもたらされる。 その種類の陽イオン導電性ポリマーの例は、硫酸化ポリスルフォン、ポリエー テルスルフォン、ポリエーテルケトンである。 隔膜の厚さは、本明細書では、０．１μｍから５ｍｍの範囲内、好ましくは、 １０μｍから２００μｍの範囲内である。単一セル用の隔膜の表面は、本明細書 では、スタックの所要の性能に応じて設計される。表面は、１００μｍ²から１ ００００００ｍｍ²の範囲内、好ましくは１００ｍｍ²から１００００ｍｍ²の範 囲内である。 次に、単一セルの役目を果たすことができるように、上述の隔膜の両側を電極 材料で被覆する。電池の電気化学反応は電極に影響を及ぼすので、電極は、電気 化学的に反応した材料から製造するか、または電気化学反応を引き起こす材料か ら製造する。材料は、電子伝導性でなければならず、特に、金属、金属酸化物、 混合酸化物、合金、炭素、電子伝導性ポリマー、またはそれらの混合物を含む。 材料は、親水性および疎水性の標定に役立つ添加剤を含んでいる。前記添加剤 の助けを借りて、電極層に、例えば防水特性を持たせることができる。さらに、 材料は、ある一定の多孔性の標定を可能にする添加剤を含むことができる。これ は、気体と、触媒と、イオン導電性領域との間の三相接触が必要となる気体薬品 を電極上で触媒反応させる場合に特に重要である。さらに、いわゆる結合剤を混 合して、電極のイオン導電性領域への安定かつ有効な接続をより容易にすること ができる。 分路導電構造は、非常に良好な電子伝導性を示す材料から製造しなければなら ない。一般に、金属、合金、導電性炭素、導電性ポリマー、または導電性物質と 混合したポリマーがこの用途に使用される。本発明による隔膜電極ユニットの表 面構造中によく組み込むことができる１０μｍから５００μｍの厚さの薄い構造 を利用することが好ましい。さらに、分路導電構造は、電池の寿命中、使用済み 燃料（例えば、Ｈ₂／Ｏ₂燃料電池中の水／酸素）に対して安定であり、かつ発生 する電池電位によって、電気化学的に破壊されないものとする。良好な導電性の 他に、分路導電構造がストリップ・隔膜内に永久的に結合されることが望ましい 。これは、それらの品質に関して、滑らかな表面を示さず、かつ強打または溶解 した際に、隔膜・ポリマーに固く結合するような構造を利用することが好ましい ためである。そのような構造は、例えば、網、組織、多孔性構造、または粗い面 を有する箔である。そのような粗い面は、例えば、化学プロセスまたはプラズマ ・エッチング・プロセスによって達成される。 次に、分路導電構造は、外部電極領域の上まで案内されるように設計される。 分路導電構造は、本明細書では、電極領域をほとんど前部または一部のみ覆う。 好ましい構造形態によれば、さらに、分路導電構造が外部電極領域を一部のみ 覆っている場合、燃料浸透性の電子伝導性分配構造をさらに配置することを提案 する。それらの導電分配構造は、電極領域の上に直接配置されるか、または電極 領域および分路導電構造の上に配置される。前記分配構造の役目は、大きな電気 損失なしに分路導電構造を電極表面全体に接続し、同時に電極表面への燃料供給 を可能にすることである。したがって、分配構造も同様に電子伝導性材料から製 造しなければならない。その例として、本明細書では金属網または焼結金属コン パクトについて述べる。 分路導電構造はまた、電極領域を完全に覆うことができる。しかしながら、こ の場合、分路導電構造は、活性電極領域の範囲内で、電子伝導性の他に、また燃 料浸透性でなければならない。これは、さもなければ、電極への燃料の供給がま ったくできなくなるためである。また、本発明のこの構造形態の場合、分配構造 を使用することが可能であり、有利であるが、その場合、電極表面／分路導電構 造／分配構造の配置または電極表面／分配構造／分路導電構造の配置内に再び配 置される。 隔膜電極ユニットを形成する平坦な単一セルの上述のアセンブリは一次元配置 をもたらす。 次に、本発明によれば、複数個の一次元隔膜電極ユニットをアセンブルして、 「二次元」隔膜電極ユニットを形成することもできる。本明細書によれば、２つ の構造形態が実現可能である。一方、少なくとも２個、高々５０個の一次元隔膜 電極ユニットがアセンブルされる。後者は、平行に配置されるか、並列に接続さ れるか、または直列に接続される。 それらの構造形態により、出力電圧の更なる増大および冗長な電流供給がそれ ぞれ可能になる。 本発明の他の特徴、詳細および利点は、添付の図面に基づく本発明の以下の説 明から得られる。 第１図は、外部電極領域の上まで案内された分路導電構造を有する本発明によ る一構造形態の断面図である。 第２図は、第１図による一構造形態の平面図である。 第３図は、分路導電構造上に配置された分配構造を有する一構造形態の断面図 である。 第４図は、外部電極領域と分路導電構造との間に分配構造が配置された一構造 形態の断面図である。 第５図は、分路導電構造が外部電極領域の上を完全に覆っている一構造形態の 断面図である。 第１図の一構造形態によれば、隔膜電極ユニット１は、両側に電極材料を接着 したイオン導電性隔膜領域３から構成される。水素／酸素／燃料電池の場合、各 隔膜領域３は、したがって、一方の側に水素電極４、５、６が接着され、隔膜の 対向する側に酸素電極７、８、９が接着される。したがって、水素電極４、５、 ６はすべて一方の隔膜側にあり、酸素電極７、８、９はすべて他方の隔膜側にあ る。各隔膜領域は、２つの接着した電極とともに、燃料電池ユニットを構成し、 負荷なしで約１ボルトの出力電圧を発生する。隔膜電極ユニット１の本発明の本 質は、その内部単一セル燃料電池ユニットが直列に接続されることにある。この ために、１つの燃料電池ユニットの下部電極７、８は、一度に導電性電極材料に よって電子伝導的かつ燃料浸透的な形で次の燃料電池ユニットの上部電極５、６ に直列に接続される。このようにして、第１の電極４と下部隔膜側の最後の電極 ９とからすべての燃料電池ユニットの電圧の総和が得られる。次に、電極領域５ 、６および７、８の良好な分路導電性を達成するために、電子伝導性の良好な分 路導電構造２を重なり合った電極領域間に組み込む。本発明によれば、この場合 、分路導電構造２が重なり合った電極領域（記号Ａで示される）のみを覆ってい る場合、不十分である。分路導電構造を下側から上側まで通す事が好ましい。分 路導電構造は、隔膜電極ユニットの１つの電池ユニットの１つの電極領域から隔 膜電極ユニットの次の電池ユニットの対向する電極まで通過する。このようにし て、それぞれ電極領域５、６および７、８は、分路導電構造２によって、それら の分路導電性に対して決定的に強化される。分路導電構造の良好な電子伝導性が 得られるように働くことが重要である。これは、それに応じて電子伝導性材料を 利用することによって達成される。本発明による概念によれば、さらに、分路導 電構造２を隔膜電極ユニット中に案内する際に、隔膜の一方の側から他方の側へ の燃料が浸透できないことが重要である。 そのような隔膜電極ユニットは、電極材料で被覆されたポリマー固体電極部片 から製造される。１つの分路導電構造は、一度に２つの固体電解質部片の間に配 置され、この構造は、それぞれ第１の固体電解質部片の下側から第２の固体電解 質部片の上側に向かって延びる。それぞれ固体電解質部片／分路導電構造／固体 電解質部片から構成されるこれらの配置は、実質上耐久的にかつ燃料が洩れない ように互いに接続される。固体電解質部片同士の接続および固体電解質部片と分 路導電構造との接続は、例えば適切な接着剤を使用した接着技法によって実施さ れる。 次に、第２図に、上述の構造形態の平面図を示し、第１図による構造形態にお いて、分路導電構造２が電極領域５、６を一部のみ覆っていることを再度明らか にする。 次に、第３図による構造形態では、分路導電構造２は、それぞれ個々の電極領 域５、６および７、８上に直接配置される。分路導電構造２は、それとともに、 良好な電極導電性が得られることおよび一方のストリップ・隔膜側から他方のス トリップ・隔膜側への燃料の移動が防げることを条件として、不透明な材料から 製造するか、または網から製造する。その他に、第３図による構造形態では、燃 料浸透性の電子伝導性分配構造１０が分路導電構造２を有する電極領域上に配置 される。構造１０の役目は、大きな損失なしに分路導電構造を電極領域全体に電 気的に接続し、同時に電極表面への燃料供給を可能にすることである。 次に、第４図に、他の構造形態、および燃料浸透性の電子伝導性分配構造１０ がそれぞれ電極領域４、５、６および７、８、９上に配置され、この場合にのみ 分路導電構造２が構造１０上に配置された別形態を示す。この配置は、電極表面 が均一に機械的に加重され、また第３図の構造形態によれば、電池をアセンブル する際に、分路導電構造２の端部を隔膜中に押し込まれるように電極領域上に直 接配置することができるので、有利である。また、第４図の構造形態によれば、 分路導電構造２は、良好な電子伝導性が得られること、および一方の側から他方 の側への燃料の移動が防げることを条件として、不透明な材料から製造するか、 または網から製造する。 分路導電構造はまた、電極領域を完全に覆うことができる。そのような構造形 態を第５図に示す。この場合、分路導電構造１１は、活性電極領域の範囲内で、 電子伝導性の他に、また燃料浸透性でなければならない。これは、さもなければ 、それぞれ電極５、６および７、８への燃料の供給がまったくできなくなるため である。また、この構造形態の場合、上述のように分配構造の追加の使用が可能 で あり、したがってその場合、電極領域／分路導電構造／分配構造の配置または電 極領域／分配構造／分路導電構造の配置が実現可能である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．２〜１００００個の単一セルが、１つの単一セルの電極領域（４、５、６） の階段状の重ね合わせによって次の単一セルの対向する電極領域（７、８、９） に直列に接続され、それにより一次元隔膜電極ユニット（１）を構成すること、 および少なくとも互いに重なり合っている電極領域間に、電子伝導性材料から製 造された分路導電構造（２、１１）が配置されることを特徴とする、それぞれ固 体ポリマー電解質とその両側に塗布された電極領域とから構成され、隔膜電極ユ ニットを形成する平坦な単一セルのアセンブリ。 ２．分路導電構造（２、１１）が、外部電極領域の上まで案内され、同時にそれ に一部重なることを特徴とする請求項１に記載の単一セルのアセンブリ。 ３．分路導電構造（２、１１）が、外部電極領域の上まで案内され、その電極領 域をほとんど全部覆うことを特徴とする請求項１または２に記載の単一セルのア センブリ。 ４．分配構造（１０）が、外部電極領域上および分路導電構造の上に配置され、 少なくとも一部燃料浸透性になるように設計されることを特徴とする請求項１な いし３のいずれか一項に記載の単一セルのアセンブリ。 ５．分配構造（１０）が、外部電極領域と分路導電構造（２、１１）の間に配置 され、少なくとも一部燃料浸透性になるように設計されることを特徴とする請求 項１ないし４のいずれか一項に記載の単一セルのアセンブリ。 ６．分路導電構造（２、１１）の電子伝導性材料が、金属、合金、導電性炭素変 態、導電性ポリマー、またはそれらの混合物から選択されることを特徴とする請 求項１ないし５のいずれか一項に記載の単一セルのアセンブリ。 ７．分路導電構造（２、１１）が厚さ０．１ｍｍ〜５ｍｍであることを特徴とす る請求項１ないし６のいずれか一項に記載の単一セルのアセンブリ。 ８．分路導電構造（２、１１）が、例えば、網、組織、多孔性構造、または粗い 面を有する構造など、滑らかでない表面を有する構造であることを特徴とする請 求項１ないし７のいずれか一項に記載の単一セルのアセンブリ。 ９．分配構造（１０）が、例えば、黒鉛紙や金属網など、電子伝導構造であるこ とを特徴とする請求項１ないし８のいずれか一項に記載の単一セルのアセンブリ 。 １０．少なくとも２個、高々５０個の一次元隔膜電極ユニットがアセンブルされ 、後者がそれぞれ平行に配置され、直列に接続されることを特徴とする請求項１ ないし９のいずれか一項に記載の単一セルのアセンブリ。 １１．少なくとも２個、最大５０個の一次元隔膜電極ユニットがアセンブルされ 、後者がそれぞれ平行に配置され、並列に接続されることを特徴とする請求項１ ないし９のいずれか一項に記載の単一セルのアセンブリ。 １２．隔膜・ポリマー電極電池（ＰＥＭ電池）内で請求項１ないし１１のいずれ か一項に記載のアセンブリを使用する方法。