JP2010092699A

JP2010092699A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2010092699A
Application number: JP2008261136A
Authority: JP
Inventors: Yoshifumi Ota; 佳史大田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-10-07
Filing date: 2008-10-07
Publication date: 2010-04-22

Abstract

【課題】良好な発電性能を得ることができる燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池（１０）は、膜−電極接合体（２０）と、膜−電極接合体の電極面に固着し、導電性および反応ガス透過性を有する集電体（３０，４０）と、集電体の膜−電極接合体と反対側に配置され、集電体との間に反応ガス流動用の空間（５１，６１）を画定するセパレータ（５０，６０）と、を備え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よれば、集電体が触媒層に固着していることから、燃料電池に余分な締結荷重を加えなくても良好な集電効率が得られる。また、セパレータと集電体とによって反応ガス流動用の空間が形成されることから、ガス拡散層およびガス流路部材を設けなくてもよい。それにより、反応ガスの触媒層までのガス拡散抵抗が小さくなり、触媒層からの生成水排出抵抗が小さくなる。それにより、発電性能が向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に関する。

燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ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、プロトン伝導性を有する電解質膜と、電解質膜に沿って配置されたカソード触媒層およびアノード触媒層と、を備える。このような燃料電池においては、カソード側に酸素を含むカソードガスが供給され、アノード側に水素を含むアノードガスが供給される。それにより、発電が行われる。

特許文献１には、電極内に反応ガス透過性を有する集電体を埋設した燃料電池が開示されている。この燃料電池においては、発電で生じた電力は集電体を介して外部に取り出される。

特開２００５−１７４８７２号公報

特許文献１に係る燃料電池では、集電体は、触媒層におけるプロトン伝導に対する阻害要因になるとともに、触媒層における反応ガス拡散に対する阻害要因になる。その結果、良好な発電性能を得ることが困難である。

本発明は、良好な発電性能を得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、膜−電極接合体と、膜−電極接合体の電極面に固着し、導電性および反応ガス透過性を有する集電体と、集電体の膜−電極接合体と反対側に配置され、集電体との間に反応ガス流動用の空間を画定するセパレータと、を備え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よれば、集電体が触媒層に固着していることから、燃料電池に余分な締結荷重を加えなくても良好な集電効率が得られる。また、セパレータと集電体とによって反応ガス流動用の空間が形成されることから、ガス拡散層およびガス流路部材を設けなくてもよい。それにより、反応ガスの触媒層までのガス拡散抵抗が小さくなり、触媒層からの生成水排出抵抗が小さくなる。それにより、発電性能が向上する。

上記構成において、集電体の一部は、電極に埋没していてもよい。

上記構成において、集電体の一部は、セパレータよりも外部に露出していてもよい。この構成によれば、集電体の露出部分を出力端子として用いることができる。

上記構成において、セパレータは、絶縁性材料からなるものであってもよい。上記構成において、セパレータは、樹脂からなるものであってもよい。この構成によれば、セパレータを軽量化および低コスト化することが可能であるとともに、セパレータに耐食性を持たせることができる。

上記構成において、集電体は、表面の接触角が９０度以上である第１線材と、少なくとも表面に導電性を有する第２線材と、を含んでいてもよい。この構成によれば、第１線材の撥水機能によって集電体における水膜の発生が抑制される。その結果、燃料電池の発電の継続性が向上する。

上記構成において、集電体は、第１線材と第２線材とが網状に編まれた構成を有していてもよい。上記構成において、集電体は、第１線材を縦糸として第２線材を横糸とする網状の構造を有し、集電体の一部は、横糸の延長方向にセパレータよりも外部に露出していてもよい。この場合、集電体の集電効率が向上する。

本発明によれば、良好な発電性能を得ることができる燃料電池を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

本発明の実施例１に係る燃料電池１０について説明する。図１は、実施例１に係る燃料電池１０の模式的断面図である。なお、図１は、燃料電池１０にモータ、補機等の負荷７０が接続された状態を示している。燃料電池１０は、膜−電極接合体２０と、集電体（カソード集電体３０およびアノード集電体４０）と、セパレータ（カソードセパレータ５０およびアノードセパレータ６０）と、を備える。膜−電極接合体２０は、電解質膜２１と、触媒層（カソード触媒層２２およびアノード触媒層２３）と、を備える。

電解質膜２１としては、特に限定されないが、例えばプロトン伝導性を有する固体高分子電解質が用いられる。電解質膜２１の厚みは、特に限定されないが、例えば２０μｍ程度である。

カソード触媒層２２およびアノード触媒層２３は、電解質膜２１を挟持するように配置されている。カソード触媒層２２およびアノード触媒層２３は、触媒を含有する導電性材料からなる。カソード触媒層２２の触媒は、プロトンと酸素との反応を促進させる。アノード触媒層２３の触媒は、水素のプロトン化を促進させる。例えば、カソード触媒層２２およびアノード触媒層２３は、白金担持カーボン等を含んでいる。カソード触媒層２２およびアノード触媒層２３の厚みは、特に限定されないが、例えば５μｍ程度である。

カソード集電体３０は、カソード触媒層２２の電解質膜２１と反対側の面に沿って配置されている。アノード集電体４０は、アノード触媒層２３の電解質膜２１と反対側の面に沿って配置されている。カソード集電体３０およびアノード集電体４０は、発電によって生じた電力を集電するための部材である。本実施例において、カソード集電体３０およびアノード集電体４０は、セパレータの外部に露出した部分を有している。このセパレータの外部に露出した部分には、負荷７０が電気的に接続されている。それにより、燃料電池１０と負荷７０とを含む電気回路が構成されている。すなわち、上記露出部分は、燃料電池１０の出力端子としての機能を有する。この場合、セパレータに導電性材料を用いる必要がなくなることから、セパレータの材料選択の幅が広がる。

カソード集電体３０およびアノード集電体４０は、触媒層に固着されている。本実施例においては、カソード集電体３０およびアノード集電体４０は、ホットプレスによって触媒層に圧着されている。それにより、カソード集電体３０およびアノード集電体４０の一部は、触媒層に埋没している。

カソード集電体３０およびアノード集電体４０は、導電性およびガス透過性を有する部材であれば、特に限定されない。カソード集電体３０およびアノード集電体４０として、例えば、金網、エキスパンドメタル、パンチングメタル（金属板に貫通孔を形成したもの）、線状の部材に導電性物質をコーティングした部材を網状に編んだもの、カーボンクロス、カーボンペーパー等が用いられる。カソード集電体３０およびアノード集電体４０のさらに詳しい構成は、後述する。

カソードセパレータ５０およびアノードセパレータ６０は、膜−電極接合体２０を挟持するように配置されている。カソードセパレータ５０およびアノードセパレータ６０は、外周部において膜−電極接合体２０に対して突出して接触する接触部を有する。それにより、カソードセパレータ５０とカソード集電体３０との間にカソードガス流動用のカソード空間部５１が画定される。また、アノードセパレータ６０とアノード集電体４０との間にアノードガス流動用のアノード空間部６１が画定される。なお、カソードセパレータ５０およびアノードセパレータ６０には、反応ガスの流動を阻害しない範囲で、外周部以外に膜−電極接合体２０と接触する接触部を有していてもよい。ただし、反応ガスの膜−電極接合体２０への拡散性を考慮すると、膜−電極接合体２０の全面またはほぼ全面にわたって反応ガス流動用の空間部が形成されていることが好ましい。

カソードセパレータ５０およびアノードセパレータ６０にはそれぞれ、反応ガス入口（図示せず）および反応ガス出口（図示せず）が形成されている。カソードガスおよびアノードガスはそれぞれ、反応ガス入口を通って、カソード空間部５１およびアノード空間部６１に拡散する。また、発電に供されたカソードガスおよびアノードガスは、反応ガス出口を通って、燃料電池１０の外部に排出される。

なお、カソード空間部５１におけるカソードセパレータ５０とカソード集電体３０との間隔は、特に限定されないが、例えば１００μｍ程度である。また、カソードセパレータ５０およびアノードセパレータ６０の材質は特に限定されない。

図２（ａ）は、カソード集電体３０の断面の拡大図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）の上面図である。本実施例においては、カソード集電体３０として、複数の縦糸部材３１と複数の横糸部材３２とが網状に編まれた金網を用いる。この場合、反応ガスは、縦糸部材３１と横糸部材３２とで囲まれた空間を透過することができる。

縦糸部材３１および横糸部材３２は、少なくとも表面が導電性を有している。縦糸部材３１および横糸部材３２として、例えば、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）等の金属線が用いられる。なお、金属線の代わりにカーボン線を用いてもよい。カーボン（Ｃ）は導電性を有するからである。あるいは、非導電性材料からなる線状部材の表面をこれらの導電性材料でコーティングしたものを用いてもよい。ただし、縦糸部材３１および横糸部材３２は、耐酸性を有することが好ましい。耐酸性を有することによって、電解質膜２１から発生する酸（例えば硫酸）に起因する腐食が抑制されるからである。

カソード集電体３０の厚みは、特に限定されないが、例えば１００μｍ程度である。また、縦糸部材３１および横糸部材３２の線径は、特に限定されないが、例えば５０μｍ程度である。隣接する縦糸部材３１間および横糸部材３２間の距離はそれぞれ、特に限定されないが、例えば５０μｍ程度である。なお、アノード集電体４０は図２（ａ）および図２（ｂ）と同様の構成を有している。アノード集電体４０の説明は省略する。

燃料電池１０は、以下のように動作する。アノードガスは、アノードセパレータ６０の反応ガス入口を通ってアノード空間部６１に流入する。アノード空間部６１に流入したアノードガスは、アノード集電体４０を透過して、アノード触媒層２３に拡散する。アノード触媒層２３において、アノードガス中の水素はプロトンと電子とに分離される。プロトンは、電解質膜２１を伝導して、カソード触媒層２２に到達する。電子は、アノード集電体４０によって集電されて負荷７０に供給された後に、カソード集電体３０に到達する。

カソードガスは、カソードセパレータ５０の反応ガス入口を通ってカソード空間部５１に流入する。カソード空間部５１に流入したカソードガスは、カソード集電体３０を透過して、カソード触媒層２２に拡散する。カソード触媒層２２においては、カソードガス中の酸素と電解質膜２１を伝導したプロトンと負荷７０からの電子とから水が生成される。生成された水（生成水）は、主としてカソード触媒層２２を通ってカソード空間部５１に流入した後に、カソードセパレータ５０の反応ガス出口から外部へ排出される。また、カソード側およびアノード側の排出ガスはそれぞれ、カソードセパレータ５０およびアノードセパレータ６０の反応ガス出口から外部へ排出される。以上のように、燃料電池１０は動作する。

本実施例によれば、集電体が触媒層に固着していることから、燃料電池１０に余分な締結荷重を加えなくても良好な集電効率が得られる。また、セパレータと集電体とによって反応ガス流動用の空間が形成されることから、ガス拡散層およびガス流路部材を設けなくてもよい。それにより、部品点数を抑制することができる。その結果、燃料電池１０の薄型化および軽量化を図ることができる。また、反応ガスの触媒層までのガス拡散抵抗が小さくなり、触媒層からの生成水排出抵抗が小さくなる。それにより、発電性能が向上する。また、生成水排出抵抗が小さくなると、生成水の排出が促進される。それにより、カソード空間部５１における腐食雰囲気形成が抑制される。その結果、燃料電池１０の耐久性が向上する。

集電体の少なくとも一部は触媒層の外部に配置されることから、集電体の腐食が抑制される。また、触媒層の内部に集電体の全部を埋設する必要がないことから、触媒層を薄くすることができる。それにより、白金等のように高価な触媒材料の使用量を低減させることができる。その結果、燃料電池１０の製造コストを低減できる。

また、カソードセパレータ５０およびアノードセパレータ６０に導電性が要求されないことから、カソードセパレータ５０およびアノードセパレータ６０として、金属に比較して軽量および低コストな材料を用いてもよい。例えば樹脂を用いることによって、カソードセパレータ５０およびアノードセパレータ６０を軽量化および低コスト化することが可能であるとともに、カソードセパレータ５０およびアノードセパレータ６０に耐食性を持たせることができる。

本実施例において、縦糸部材３１は、第１線材に相当し、横糸部材３２は、第２線材に相当する。

続いて、本発明の実施例２に係る燃料電池１０ａ（図示せず）について説明する。燃料電池１０ａは、カソード集電体３０の代わりにカソード集電体３０ａを備える点において燃料電池１０と異なる。その他の構成は燃料電池１０と同様のため、説明を省略する。

図３は、カソード集電体３０ａの上面図である。なお、図３において生成水８０も図示されている。カソード集電体３０ａは、縦糸部材３１の代わりに縦糸部材３１ａを備える点において、図２（ｂ）に示すカソード集電体３０と異なる。縦糸部材３１ａは、少なくとも表面の接触角が９０度以上の材料からなる。その他の構成は、図２（ｂ）に示すカソード集電体３０と同様である。したがって、カソード集電体３０ａは、導電性の横糸部材３２と撥水性の縦糸部材３１ａとから構成される。導電性の横糸部材３２の表面の接触角は、９０度未満であってもよい。

縦糸部材３１ａとしては、表面の接触角が９０度以上のものであれば特に限定されない。縦糸部材３１ａとして、例えばＰＴＦＥ（ＰｏｌｙＴｅｔｒａＦｌｕｏｒｏＥｔｈｙｌｅｎｅ）樹脂、ＦＥＰ（ＦｌｕｏｒｉｎａｔｅｄＥｔｈｙｌｅｎｅＰｒｏｐｙｌｅｎｅＣｏｐｏｌｙｍｅｒ）樹脂、ＰＦＡ（ＴｅｔｒａＦｌｕｏｒｏＥｔｈｙｌｅｎｅ−ｐｅｒｆｌｕｏｒｏＡｌｋｙｌｖｉｎｙｌＥｔｈｅｒＣｏｐｏｌｙｍｅｒ）樹脂等のフッ素系樹脂の線状部材が用いられる。あるいは、線状部材の表面をこれらフッ素系樹脂でコーティングしたものを縦糸部材３１ａに用いてもよい。

なお、カソード集電体３０ａの一部は、横糸部材３２の延長方向にセパレータよりも外部に露出している。カソード集電体３０ａにおいては、上記露出部分が出力端子として機能する。また、導電性の横糸部材３２の延長方向に出力端子が配置されることから、カソード集電体３０ａの集電効率が向上する。

本実施例に係るカソード集電体３０ａによれば、縦糸部材３１ａの表面の接触角が９０度以上であることから、縦糸部材３１ａの撥水機能によって水膜の発生が抑制される。その結果、燃料電池１０ａの発電の継続性が向上する。

なお、燃料電池１０ａにおいて、アノード集電体４０は、図３と同様の構成を有していてもよい。

本実施例において、縦糸部材３１ａは、第１線材に相当し、横糸部材３２は、第２線材に相当する。

図１は、実施例１に係る燃料電池１０の模式的断面図である。図２（ａ）は、実施例１に係るカソード集電体３０の断面の拡大図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）の上面図である。図３は、実施例２に係るカソード集電体３０ａの上面図である。

符号の説明

１０燃料電池
２０膜−電極接合体
２１電解質膜
２２カソード触媒層
２３アノード触媒層
３０カソード集電体
３１縦糸部材
３２横糸部材
４０アノード集電体
５０カソードセパレータ
５１カソード空間部
６０アノードセパレータ
６１アノード空間部
７０負荷
８０生成水

Claims

膜−電極接合体と、
前記膜−電極接合体の電極面に固着し、導電性および反応ガス透過性を有する集電体と、
前記集電体の前記膜−電極接合体と反対側に配置され、前記集電体との間に反応ガス流動用の空間を画定するセパレータと、を備えることを特徴とする燃料電池。
前記集電体の一部は、前記電極に埋没していることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
前記集電体の一部は、前記セパレータよりも外部に露出していることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
前記セパレータは、絶縁性材料からな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。
前記セパレータは、樹脂からなることを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
前記集電体は、表面の接触角が９０度以上である第１線材と、少なくとも表面に導電性を有する第２線材と、を含む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。
前記集電体は、前記第１線材と前記第２線材とが網状に編まれた構成を有することを特徴とする請求項６記載の燃料電池。
前記集電体は、前記第１線材を縦糸として前記第２線材を横糸とする網状の構造を有し、
前記集電体の一部は、前記横糸の延長方向に前記セパレータよりも外部に露出していることを特徴とする請求項７記載の燃料電池。