JP2005353373A - 燃料電池セル - Google Patents

Abstract

【課題】モバイル機器に好適に用いられる薄型・小型化を実現した燃料電池セルを提供すること。
【解決手段】 板状の固体高分子電解質１と、この固体高分子電解質１の一方側に配置されたカソード側金属板４と、この固体高分子電解質１の他方側に配置されたアノード側金属板５と、カソード側金属板４に設けられ、酸化ガスを注入・排出するための注入口４ｃ及び排出口４ｄと、 アノード側電極板５に設けられ、還元ガスを注入・排出するための注入口４ｄ及び排出口５ｄとを備え、固体高分子電解質１の一方側に酸化ガスを通過させるためのカソード側流路溝１ａを形成し、他方側に還元ガスを通過させるためのアノード側流路溝１ｂを形成している。好ましくは、固体高分子電解質の表面に対する触媒の形成をパット印刷により行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、板状の固体高分子電解質と、その固体高分子電解質の一方側に配置されたカソード側金属板と、他方側に配置されたアノード側金属板とを備えた燃料電池セル及び燃料電池に関するものである。

ポリマー電解質のような固体高分子電解質を使用した高分子型燃料電池は、高いエネルギー変換効率を持ち、薄型小型・軽量であることから、家庭用コージェネレーションシステムや自動車向けに開発が活発化している。かかる燃料電池の従来技術の構造として、図５に示すものが知られている（例えば、非特許文献１参照）。

即ち、図５に示すように、固体高分子電解質膜１００を挟んでアノード１０１とカソード１０２とを配設する。さらに、ガスケット１０３を介して一対のセパレータ１０４により挟持して単位セル１０５を構成する。各々のセパレータ１０４にはガス流路溝が形成されており、アノード１０１との接触により、還元ガス（例えば、水素ガスであり還元性流体に相当）の流路が形成され、カソード１０２との接触により、酸化ガス（例えば、酸素ガスであり酸化性流体に相当）の流路が形成される。各々のガスは、単位セル１０５内の各流路を流通しながら、アノード１０１又はカソード１０２の内部に担持された触媒の作用により電極反応（電極における化学反応）に供され、電流の発生とイオン伝導が生じる。

この単位セル１０５を多数個積層し、単位セル１０５どうしを電気的に直列に接続して燃料電池Ｎを構成し、電極１０６は、積層した両端の単位セル１０５から取り出すことができる。このような燃料電池Ｎは、クリーンかつ高効率という特徴から、種々の用途、特に、電気自動車用電源や家庭用分散型電源として注目されている。

一方、近年のＩＴ技術の活発化に伴い、携帯電話、ノートパソコン、デジカメなどモバイル機器が頻繁に使用される傾向があるが、これらの電源は、ほとんどリチウムイオン二次電池が用いられている。ところが、モバイル機器の高機能化に伴って消費電力がどんどん増大し、その電源用としてクリーンで高効率な燃料電池が注目されてきている。

しかしながら、図５に示すような従来の構造では、構造に自由度が無いため、モバイル機器の電源として求められる薄型小型軽量化や形状の高自由度化に難があり、メンテナス性が悪いという問題もあった。また、従来、セル部品をボルト及びナットの締結部品で相互結合して、セル部品に一定の圧力を加えていたため、シール性を確保する上で、各部材の剛性を高める必要性があり、どうしても薄型化、小型化、軽量化、自由な形状設計が困難であった。
日経メカニカル別冊「燃料電池開発最前線」発行日２００１年６月２９日、発行所：日経ＢＰ社、第３章ＰＥＦＣ、３．１原理と特徴ｐ４６

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その課題は、モバイル機器に好適に用いられる薄型・小型化を実現した燃料電池セル及び燃料電池を提供することである。

上記課題を解決するため本発明に係る燃料電池セルは、
板状の固体高分子電解質と、
この固体高分子電解質の一方側に配置されたカソード側金属板と、
この固体高分子電解質の他方側に配置されたアノード側金属板と、
前記カソード側金属板に設けられ、酸化性流体を注入・排出するための注入口及び排出口と、
前記アノード側電極板に設けられ、還元性流体を注入・排出するための注入口及び排出口とを備え、
前記固体高分子電解質の一方側に酸化性流体を通過させるためのカソード側流路溝を形成し、他方側に還元性流体を通過させるためのアノード側流路溝を形成していることを特徴とするものである。

この構成による燃料電池セルの作用・効果を説明する。この燃料電池セルは、板状の固体高分子電解質の両側にカソード側金属板とアノード側金属板が設けられている。固体高分子電解質の一方側には、酸化性流体を通過させるためのカソード側流路溝が設けられており、カソード側金属板の注入口から注入された酸化性流体は、この流路溝を通過した後、排出口から排出される。また、固体高分子電解質の他方側にも、アノード側流路溝が設けられており、アノード側金属板の注入口から注入された還元性流体は、この流路溝を通過した後、排出口から排出される。

このように、板状の固体高分子電解質をベースとして燃料電池セルを構成しているので、セル全体を薄型化・小型化することができる。また、通常の燃料電池セルは、固体高分子電解質とその両側に配置される金属板との間に電極板（カーボンペーパー等が用いられる）が配置され、この電極板が流体拡散層として機能している。しかし、本発明においては、固体高分子電解質に流路溝を形成することで、流体拡散層として機能する電極板を設けていない。従って、固体高分子電解質の両側に直接金属板を配置し、その分だけセルの厚みを薄くすることができる。流体拡散層をなくすことで、出力が低下することが懸念されるが、後述の実施例からも分かるように、充分に実用に耐えうるものであることを本発明者らは確認した。その結果、モバイル機器に好適に用いられる薄型・小型化を実現した燃料電池セルを提供することができる。

本発明において、固体高分子電解質の表面に対する触媒層の形成をパット印刷により行うことが好ましい。固体高分子電解質の表面には、流路溝を形成しており、流路溝の底面や壁面にも触媒層を形成する必要がある。そこで、凹凸面に対しても印刷が可能なパット印刷を用いることで、固体高分子電解質の表面と流路溝に対して均一に触媒層を形成することができる。

本発明において、カソード側金属板の周縁と、アノード側金属板の周縁とを電気的に絶縁した状態でカシメにより封止してあることが好ましい。

金属板の周縁を電気的に絶縁した状態でカシメを行うことで、両者の短絡を防止しながら厚みをさほど増加させずに燃料電池セルごとに確実に封止を行うことができる。これにより、メンテナンスも容易となり、図５に示す従来構造と比較して、セル部材に剛性が要求されないため、燃料電池セルを大幅に薄型化することができる。更に、板状の固体高分子電解質や金属板を使用することと相まって、自由な平面形状や屈曲が可能となり、小型軽量かつ自由な形状設計が可能となる。

本発明に係る燃料電池セルを複数積層することで燃料電池を構成することができる。各燃料電池セルは、薄型化・小型化されており、これを積層することで、所望の出力電圧を得ることができると共に、燃料電池全体としての厚みも薄くすることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の燃料電池の単位セルの一例を示す組み立て斜視図であり、図２は、本発明の燃料電池の単位セル（燃料電池セル）の一例を示す正面視断面図である。

本発明の燃料電池は、図１〜図２に示すように、板状の固体高分子電解質１と、その固体高分子電解質１の両側に形成されたカソード側流路溝１ａと、アノード側流路溝１ｂが形成されている。

固体高分子電解質１としては、従来の固体高分子膜型電池に用いられるものであれば何れでもよいが、化学的安定性及び導電性の点から、超強酸であるスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体からなる陽イオン交換膜が好適に用いられる。このような陽イオン交換膜としては、ナフィオン（登録商標）が好適に用いられる。

その他、例えば、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂からなる多孔質膜に上記ナフィオンや他のイオン伝導性物質を含浸させたものや、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂からなる多孔質膜や不織布に上記ナフィオンや他のイオン伝導性物質を担持させたものでもよい。

固体高分子電解質１の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、イオン伝導機能、強度、ハンドリング性などを考慮すると、１０〜３００μｍが使用可能であるが、流路溝１ａ，１ｂの形成を更に考慮すると、１００〜３００μｍが好ましい。

本発明に係る単位セルには、ガス拡散層として機能する電極板が固体高分子電解質１の両側に設けられていない。その分だけ、単位セルの厚みを薄くすることができる。固体高分子電解質１の表面には、電極触媒作用を有する触媒を担持させることが好ましい。

一般に、固体高分子電解質１は、燃料電池に供給される還元ガスと酸化ガスに応じた設計がなされる。本発明では、酸化ガス（酸化性流体に相当）として酸素ガスや空気が用いられると共に、還元ガス（還元性流体に相当）として水素ガスや用いられる。また、還元ガスの代わりに、メタノールやジメチルエーテル等（これらも還元性流体に相当）を用いることもできる。

例えば、水素ガスと空気を使用する場合、空気を供給する側の電極（空気極、カソード）では、酸素と水素イオンの反応が生じて水が生成するため、かかる電極反応に応じた設計をするのが好ましい。特に、低作動温度、高電流密度及び高ガス利用率の運転条件では、特に水が生成する空気極において水蒸気の凝縮による電極多孔体の閉塞（フラッディング）現象が起こりやすい。したがって、長期にわたって燃料電池の安定な特性を得るためには、フラッディング現象が起こらないように電極の撥水性を確保することが有効である。

固体高分子電解質１の一方側の面には、カソード側流路溝１ａが形成され、他方側の面にはアノード側流路溝１ｂが形成される。本発明においては、ガス拡散層（流体拡散層）を設けないので、固体高分子電解質１に流路溝１ａ，１ｂが形成される。また、固体高分子電解質１の表面には、触媒層２，３が形成されるが、触媒層２，３は、流路溝１ａ，１ｂの中にも形成される。すなわち、 各流路溝１ａ，１ｂの底面及び壁面にも触媒層２，３が形成される。

触媒を担持させる場合、白金微粒子などの触媒とフッ素樹脂等の撥水性物質とを混合し、これに溶媒を混合して、ペースト状或いはインク状とした後、これを固体高分子電解質膜と対向すべき電極基材の片面に塗布して形成される。

触媒としては、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、銀、ニッケル、鉄、銅、コバルト及びモリブデンから選ばれる少なくとも１種の金属か、又はその酸化物が使用でき、これらの触媒をカーボンブラック等に予め担持させたものも使用できる。

触媒層２，３を形成する方法は種々考えられるが、パット印刷で行うことが好ましい。流路溝１ａ，１ｂにも触媒層２，３を形成する必要があるため、凹凸面でも印刷が可能なパット印刷により触媒層２，３を形成することができる。これにより、固体高分子電解質１の各部に均一の触媒層を形成することができる。

流路溝１ａ，１ｂの大きさについては、適宜設定することができるが、流路溝１ａ，１ｂの深さは、十分な流路を確保する上で５０〜２００μｍが好ましい。流路溝１ａ，１ｂの幅については、５００〜３０００μｍが好ましい。固体高分子電解質１に流路溝１ａ，１ｂを形成する方法としては、加熱プレスや切削などの機械的な方法でもよいが、微細加工を好適に行う上で、レーザ照射によって溝加工を行うことが好ましい。

流路溝１ａ，１ｂの形状は、特定の形状に限定されるものではなく、何れの平面形状や断面形状でもよい。但し、流路密度、積層時の積層密度、屈曲性などを考慮すると、金属板４，５の一辺に平行な縦溝と垂直な横溝を主に形成するのが好ましい。本実施形態では、複数本の縦溝が横溝に直列接続されるようにして、流路密度と流路長のバランスを取っている。また、流路溝９の断面形状は、略四角形、略台形、略半円形、Ｖ字形などが好ましい。

前記固体高分子電解質１の両側には、一対の金属板４，５が直接配置され、金属板４，５には流路溝１ａ，１ｂに連通する注入口４ｃ，５ｃ及び排出口４ｄ，５ｄが設けられている。注入口４ｃ，５ｃ及び排出口４ｄ，５ｄは、それぞれ１個又は複数を形成することができる。従って、注入口４ｃから注入された酸化ガスは、カソード側流路溝１ａに注入された後、排出口４ｄから排出される。注入口５ｃから注入された還元ガスは、アノード側流路溝１ｂに注入された後、排出口５ｄから排出される。

金属板４，５としては、電極反応に悪影響がないものであれば何れの金属も使用できる。但し、強度、耐腐食性、伸び、弾性率、重量などの観点から、ステンレス板、ニッケルなどが好ましい。

固体高分子電解質１の流路溝１ａ，１ｂに連通する注入口４ｃ，５ｃ及び排出口４ｄ，５ｄは、それぞれ１個又は複数を形成することができる。図例では１つずつである。なお、金属板４，５の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、強度、伸び、重量、弾性率、ハンドリング性などを考慮すると、５０〜５００μｍが好ましい。流路溝１ａ，１ｂに連通する注入口４ｃ，５ｃ及び排出口４ｄ，５ｄは、プレスにより形成することもできるが、エッチングで形成することも可能である。

金属板４，５の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、強度、伸び、弾性率、重量、ハンドリング性などを考慮すると、５０〜３００μｍが好ましい。

図２に示す実施形態は、金属板４，５のカシメ部のＳＵＳもエッチングにより厚みを薄くした例である。このように、カシメ部をエッチングして適切な厚さにすることで、カシメによる封止をより容易に行うことができる。この観点から、カシメ部の厚みとしては、０．０５〜０．３ｍｍが好ましい。

本発明では、金属板４，５の周縁は、絶縁材料６を介在させつつカシメにより封止されている。本発明では、カシメを行う際、図２に示すように、金属板４，５の周縁によって固体高分子電解質１を挟持する構造が好ましく、絶縁材料６を介在させつつ固体高分子電解質１を挟持する構造がより好ましい。このような構造によると、固体高分子電解質１の一方の面から他方の面へのガス等の流入を効果的に防止することができる。

絶縁材料６としては、シート状の樹脂、ゴム、熱可塑性エラストマー、セラミックスなどが使用できるが、シール性を高める上で、樹脂、ゴム、熱可塑性エラストマーなどが好ましい。絶縁材料６は、金属板４，５の周縁に直接あるいは粘着剤を介して貼着したり、塗布したりして、予め金属板４，５に一体化しておくことも可能である。

カシメ構造としては、シール性や製造の容易性、厚み等の観点から図２に示すものが好ましい。つまり、一方の金属板５の外縁部５ａを他方の外縁部４ａより大きくしておき、絶縁材料６を介在させつつ、一方の金属板５の外縁部５を他方の金属板４の外縁部４ａを挟圧するように折り返したカシメ構造が好ましい。このカシメ構造では、プレス加工等によって、金属板４の外縁部４ａに段差を設けておくのが好ましい。このようなカシメ構造自体は金属加工として公知であり、公知のカシメ装置によって、それを形成することができる。

本発明では、図２に示すような単位セルＵＣを１個又は複数個使用することができるが、固体高分子電解質１及び一対の金属板４，５で単位セルＵＣを構成し、この単位セルＵＣを複数積層してあることが好ましい。本発明によると、ボルト及びナットの締結部品で相互結合して、セル部品に一定の圧力を加えなくても、高出力の燃料電池を提供することができる。

複数積層する場合、単位セルＵＣどうしの間に、ガス等の流路を形成できるスペーサを設けて積層することも可能であるが、図４に示すように、スペーサを介在させずに積層することが薄型化や設計の自由度の点から好ましい。

図４に示す実施形態では、単位セルＵＣ（金属板４，５）の一辺付近に水素ガス等の注入口４ｃ及び排出口４ｄを設け、対向する一辺の裏側に空気等の注入口５ｃ及び排出口５ｄを設けておき、これらが露出するように各々の単位セルＵＣをずらして積層している。この状態で図４（ｂ）に示すように、主管１１から分岐管１２が分岐したチューブ１０の分岐管１２を注入口４ｃに接続することで、水素ガス等の注入を行うことができる。このようなチューブ１０を注入口５ｃ、排出口４ｄ、排出口５ｄに接続することで、酸化ガスと還元ガスの注入・排出が可能となる。

一方、金属板同士が接触することで、単位セルＵＣが直列に接続されることになり、両端の単位セルＵＣから、積層数に応じた電圧の電流を取り出すことができる。また、複数の単位セルＵＣごとスペーサを設けて（図示省略）、単位セルＵＣごとに電流を取り出すことも可能である。

本発明の燃料電池は、薄型化が可能で小型軽量かつ自由な形状設計が可能なため、特に、携帯電話、ノートＰＣ等のモバイル機器に好適に使用することができる。

以下、本発明の構成と効果を具体的に示す実施例等について説明する。

耐食性を有するＳＵＳ（５０ｍｍ×２６ｍｍ×０．０８ｍｍ厚）を用い、そして絶縁シート（５０ｍｍ×２６ｍｍ×２ｍｍ幅、厚み８０μｍ）をＳＵＳに張り合わせる（図１参照）。また、固体高分子電解質膜：ＰＥＭとしてナフィオンフィルム（デュポン社製ナフィオン１１２）（２５．３ｍｍ×４９．３ｍｍ）を下記のように加工した。白金触媒は、米国エレクトロケム社製２０％白金担持カーボン触媒（ＥＣ−２０−ＰＴＣ）を用いた。この白金触媒と、カーボンブラック（アクゾ社ケッチェンブラックＥＣ）、ポリフッ化ビニリデン（カイナー）を、それぞれ７５重量％、１５重量％、１０重量％の割合で混合し、ジメチルホルムアミドを、２．５重量％のポリフッ化ビニリデン溶液となるような割合で、上記白金触媒、カーボンブラック、ポリフッ化ビニリデンの混合物中に加え、乳鉢中で溶解・混合して、触媒ペーストを作製した。そして、固体高分子電解質膜には予め、プレス又は半導体レーザーを用いてガス溝（幅：２．３ｍｍ、深さ：０．２ｍｍ、間隔：１．０ｍｍ）を固体高分子電解質膜の両側に施す。上記のように作製した固体高分子電解質膜に触媒ペースト約２０ｍｇをパット印刷等で塗布し、８０℃の熱風循環式乾燥機中で乾燥した。こうして得られたガス溝・触媒付き固体高分子電解質膜を上記のＳＵＳ金属板２枚の中央で挟み込みカシメ合わせることで、外寸５０ｍｍ×２６ｍｍ×０．３ｍｍ厚という薄型小型のマイクロ燃料電池を得る事ができた。

このマイクロ燃料電池の電池特性を評価した。燃料電池特性は、東陽テクニカ製燃料電池評価システムを用い、室温下、純水素ガス、純酸素ガスを用いて評価した。ガス流量は、１００Ｌ／ｍｉｎとした。得られた最大出力密度は、図４に示すように、電極面積当たり２５０ｍＷ／ｃｍ² と、一般的に公知になっている出力密度と比べると性能は劣るものの、厚さ０．３ｍｍと究極に薄く、かつ高出力が得られ、エンドプレートが平面であるために、容易に積層でき直列接続できるという利点がある。

＜別実施形態＞
本実施形態に示す燃料電池セルは、一例を示すものであり種々の変形例が可能である。例えば、注入口や排出口の位置は、適宜変更可能である。流路溝のパターンも適宜変更可能である。また、燃料電池セルのどちらの面をカソード側あるいはアノード側にするかについては、適宜決めることができる。

本実施形態では、絶縁材料を介在させて金属板どうしをカシメにより結合しているが、固体高分子電解質の周縁をもう少し延ばし、固体高分子電解質の周縁を介在させた状態で金属板どうしをカシメにより封止してもよい。この場合は、固体高分子電解質の周縁を絶縁層として機能させ、絶縁材料を使用しなくてもよいので、構成を簡素化することができる。

燃料電池セル（単位セル）の構成を示す分解斜視図 燃料電池セルの断面構造を示す図 本発明の燃料電池セルの積層状態の一例を示す図であり、（ａ）はチューブ取り付け前の斜視図、（ｂ）はチューブ取り付け後の要部正面図 本発明の実施例で得られた燃料電池の電圧と出力の関係を示すグラフ 従来技術に係る燃料電池の構成を示す図

符号の説明

１ 固体高分子電解質
１ａ カソード側流路溝
１ｂ アノード側流路溝
２，３ 触媒層
４，５ 金属板
４ｃ，５ｃ 注入口
４ｄ，５ｄ 排出口
６ 絶縁材料

Claims (4)

1. 板状の固体高分子電解質と、
   この固体高分子電解質の一方側に配置されたカソード側金属板と、
   この固体高分子電解質の他方側に配置されたアノード側金属板と、
   前記カソード側金属板に設けられ、酸化性流体を注入・排出するための注入口及び排出口と、
   前記アノード側電極板に設けられ、還元性流体を注入・排出するための注入口及び排出口とを備え、
   前記固体高分子電解質の一方側に酸化性流体を通過させるためのカソード側流路溝を形成し、他方側に還元性流体を通過させるためのアノード側流路溝を形成していることを特徴とする燃料電池セル。
2. 前記固体高分子電解質の表面に対する触媒層の形成をパット印刷により行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
3. カソード側金属板の周縁と、アノード側金属板の周縁とを電気的に絶縁した状態でカシメにより封止してあることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池セル。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池セルを複数積層した燃料電池。

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