JP4481703B2

JP4481703B2 - モノポーラ型積層燃料電池の製造方法

Info

Publication number: JP4481703B2
Application number: JP2004108058A
Authority: JP
Inventors: 英一坂上; 征人秋田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2024-03-31
Also published as: JP2005294069A

Description

本発明は燃料電池に係り、さらに詳細には、モノポーラ型積層燃料電池を構成する単電池間の電気的接続を容易にして、製造コストの低減を図ることのできる燃料電池に関する。

通常の燃料電池では、１個の単電池あたりの電力及び電圧が小さいため、それらを電気的に直列に接続して、大電力・高電圧を得ている。図７はその例を示したもので、図７（ａ）は単電池を直列につないだ場合の概略構成図、図７（ｂ）はその電気的接続を示す模式図である。

図７（ａ）に示すように、単電池１は、燃料極３、電解質膜４、及び酸化剤極５を積層してなり、燃料極３に外部から燃料を供給する燃料室２１と、酸化剤極５に同じく外部から酸化剤（主に空気中の酸素）を供給する酸化剤室２２は、電気伝導性を持つ共通の流路板２３内に構成されている。このため、図７（ｂ）に示すように隣り合う単電池１は電気的に直列に接続されることとなる。このような単電池の積層方式をバイポーラ方式という。

一方、この方式の他に、隣り合う燃料極３または酸化剤極５の少なくとも一方を互いに向かい合わせ、絶縁性の流路板２４の両主面に、燃料極３を向かい合わせた場合は燃料室２１を、酸化剤極５を向かい合わせた場合は酸化剤室２３をそれぞれ構成することにより、単電池を積層する方式がある。このような積層方式をモノポーラ方式という。図８はその例を示したもので、図８（ａ）は単電池を直列につないだ場合の概略構成図、図８（ｂ）はその電気的接続を示す模式図である。

この方式では、図７で示したバイポーラ方式とは異なり、流路板２４の燃料室２１もしくは酸化剤室２２をそれぞれ向かい合った２枚の燃料極３ａ，３ｂもしくは酸化剤極５ａ，５ｂで共有できるため、流路板２４が薄くてすむメリットがある。

しかし、従来のモノポーラ方式の欠点は、電気的接続方法が複雑になる場合である。例えば、図８（ａ）に示すように、引出し電極板２５を燃料極／燃料室または酸化剤極／酸化材室との間に挿入し、それらをネジ止め等により接合部２６において接合することによって、電気的接続方法が複雑になる問題の解消を目指している（特許文献1参照）。
特開平６−６０９０５号公報

しかし、上記した従来のモノポーラ方式は、複数の単電池を積層した後、単電池１枚につき２箇所の電気的接合を行わなければならず、製造上の労力を要するとともに、燃料電池の製造コストを高めるという問題があった。

上記課題を解決するために、本発明では、燃料極室、燃料極、電解質膜、酸化剤極及び酸化剤極室の順に積層されて構成される単電池を、隣り合う単電池の燃料極室相互もしくは酸化剤極室相互の少なくとも一方が共有されるように積層するモノポーラ型積層燃料電池の製造方法において、前記モノポーラ型積層燃料電池は、複数の前記電解質膜と、それぞれの前記電解質膜の一方の面に設けられた燃料流路板と、それぞれの前記電解質膜の他方の面に設けられた酸化剤流路板と、前記燃料流路板と前記酸化剤流路板とにそれぞれ設けられ、少なくとも一部が可撓性を有する一対の集電体と、を有するモノポーラ型積層燃料電池の製造方法であって、前記燃料流路板と前記酸化剤流路板とを前記集電体により電気的に接続し、前記燃料流路板と前記酸化剤流路板とが交互に積層されるように、前記集電体の可撓性を有する部分を折り返すことを特徴とするモノポーラ型積層燃料電池の製造方法を提供する。

本発明によれば、燃料極室、燃料極、電解質膜、酸化剤極及び酸化剤極室の順に積層されて構成される単電池を、隣り合う単電池の燃料極室相互もしくは酸化剤極室相互の少なくとも一方が共有されるように積層する、いわゆるモノポーラ型積層燃料電池において、隣り合う単電池間で共通した集電体を共有することにより、電気的接続が容易になり、製造上の労力が軽減され、製造コストの安価な燃料電池を実現することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。

まず、本発明の実施形態の説明に先立って、燃料電池の発電原理並びに燃料電池システムの構成について、図５及び図６を用いて説明する。

図５は、燃料電池を構成する単電池の基本構造を示したものである。燃料電池を構成する単電池１は、燃料極室２、アノード（燃料極）３、電解質膜４、カソード（酸化剤極）５及び酸化剤極室６からなる。一般的に燃料電池における単電池１は、アノード３とカソード５との間に固体高分子電解質膜４を挟み込んだ構成であり、燃料極３側には燃料、酸化剤極５側には酸化剤（主に空気中の酸素）が供給される。以下では、直接型メタノール燃料電池（DMFC）について説明するが、本発明は他のタイプの燃料電池にも適用可能である。

DMFCにおいて、アノード３側には、燃料としてメタノール（ＣＨ₃ＯＨ）と（Ｈ₂Ｏ）との混合液、すなわちメタノール水溶液が供給され、カソード５側には酸化剤として酸素（Ｏ₂）、一般には空気中の酸素が供給されると、特定の触媒の存在下で以下のような反応が行われる。
（アノード３側）
ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂ ⁺
６Ｈ⁺＋６ｅ^-−121.9 KJ／mol …（１）
（カソード５側）
（3／2）Ｏ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^-→３Ｈ₂Ｏ＋141.95 KJ／mol …（２）
ここで、前記電解質膜７は、電子（ｅ^-）を通さずプロトン（Ｈ⁺）のみを透過するという特性を有するので、電子（ｅ^-）は単電池１の外部を回るため、電気エネルギーとして外部に取り出すことができる。

ところで、仮に前記電解質膜７が無い場合には、
ＣＨ₃ＯＨ＋（3／2）Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ＋24.05 KJ／mol …（３）
となり、電気エネルギーとして取り出せず、熱エネルギーとなってしまう。また、前記式（１）式，（２）式から分るように、アノード３側ではＣＯ₂が生成されて放出され、カソード５側ではＨ₂Ｏが生成され放出される。

図６は、前記単電池１を用いた燃料電池システムの概念的な説明図である。この燃料電池においては、メタノールと水とを混合したメタノール水溶液が入っているタンク９と、このタンク９内のメタノール水溶液をアノード３に対して送給するポンプ１１とを備えると共に、外気をカソード５に対して送給するポンプ１３を備えた構成である。

上記構成においては、タンク９内のメタノール水溶液をポンプ１１によってアノード３に対して送給し、かつポンプ１３によって入口１５から外気を吸入し、カソード５に対して外気を送給すると、アノード３及びカソード５において前述したごとき反応が行われ、アノード３側に生成したＣＯ₂、未反応の一部のメタノール（ＣＨ₃ＯＨ）、及びＨ₂Ｏがアノード３側の出口１７から外部に排出される。また、カソード５側において生成したＨ₂Ｏ及び外気中のＮ₂が出口１９から外部に排出される。

なお、以下では上述した構成と同一機能を奏する構成部分については同一符号を付することとして、重複した説明は省略する。

次に、本発明の実施形態について説明する。図1は、本発明に係る燃料電池の第１の実施形態を示すものである。ここでは、モノポーラ方式で積層された３つの単電池を例に説明する。単電池１は、隣り合う燃料極３または酸化剤極５の少なくとも一方を互いに向かい合わせるように配置されている。各単電池１の間には、絶縁性の流路板１１が設けられ、その両主面には、燃料極３を向かい合わせた場合は燃料室２が、酸化剤極５を向かい合わせた場合は酸化剤室６が形成されている。そして、１枚の導電性の板を折り曲げ等により成形し、隣接する単電池１に共通の集電体１２として挿入することにより、電気的接続を実現している。このような構成によれば、電極間の電気的接合部を設ける必要がなく、その接合作業に要する労力が軽減されるとともに、製造コストの安価な燃料電池を実現できる。

図２及び図3は、本発明に係る燃料電池の第２の実施形態に用いられる流路板１１及び集電体１２の構成を示すものである。図２はその平面図、図３はその斜視図である。ここでは、図１（ａ）に示した燃料電池の構成のうち、燃料極３、電解質膜４、及び酸化剤極５の構成を省略して示している。

図２及び図3に示すように、燃料流路板１１ａと酸化剤流路板１１ｂとが交互に積層され、隣り合った燃料流路板１１ａと酸化剤流路板１１ｂを１つの対としてみることができる。そして、各流路板の主面同士を集電体１２が電気的に接続している。本実施形態に用いられる集電体１２は、各流路板に対向して配置される部分１２ａと、それらを電気的に接続する可撓性を有する部分１２ｂから形成されており、図２の矢印方向に展開することが可能である。なお、集電体１２は、全体を導電性のある箔で形成してもよいし、各流路板に対向して配置される部分は導電性のある板で、それらを電気的に接続する部分は可撓性を有する導電性のある箔でそれぞれ形成してもよい。

図４は、図２及び図3に示した各燃料流路板１１ａを図２中の矢印の方向へ略１８０°展開した様子を示したものである。これらを見ると、燃料流路板１１ａ及び酸化剤流路板１１ｂそれぞれの両主面に対向して集電体１２ａが設けられ、燃料流路板１１ａの上面に対向する部分と酸化剤流路板１１ｂの下面に対向する部分、並びに燃料流路板１１ａの下面に対向する部分と酸化剤流路板１１ｂの上面に対向する部分とがそれぞれ可撓性を有する導電性のある箔１２ｂで結ばれている。

次に、本発明に係る燃料電池の積層方法について説明する。図２乃至４において説明した構成のように、まず集電体１２として図４に示すように成形したものを予め用意しておき、１対の燃料流路板１１ａと酸化剤流路板１１ｂとを、図４に示すように、これら集電体１２の流路板１１ａ，１１ｂに対向する部分１２ａに結合させた後、それらを図２及び図４に示した矢印と逆の方向の動作で導電性のある箔の部分１２ｂを折り返すことにより図２及び図3に示すような、燃料流路板１１ａと酸化剤流路板１１ｂとが交互に積層された状態を形成し、最後に燃料流路板１１ａと酸化剤流路板１１ｂの間に、燃料極３、電解質膜４、及び酸化剤極５を積層した構成を挿入することにより、モノポーラ方式による単電池の積層を完了する。かかる積層方法によれば、非常に簡単に電気的接続を行うことができる。

本発明に係る燃料電池の第１の実施形態を示した図。本発明に係る燃料電池の第２の実施形態に用いられる流路板１１及び集電体１２の構成を示した平面図。本発明に係る燃料電池の第２の実施形態に用いられる流路板１１及び集電体１２の構成を示した斜視図。本発明に係る燃料電池の第２の実施形態に用いられる流路板１１及び集電体１２の構成を示した平面図。燃料電池を構成する単電池の基本構造を示した図。単電池１を用いた燃料電池システムの概念的な説明図。単電池を直列につないだ従来のバイポーラ型燃料電池を示した図。単電池を直列につないだ従来のモノポーラ型燃料電池を示した図。

符号の説明

１単電池
２燃料室
３燃料極（アノード）
４電解質膜
５酸化剤極（カソード）
６酸化剤室
１１流路板
１２集電体

Claims

燃料極室、燃料極、電解質膜、酸化剤極及び酸化剤極室の順に積層されて構成される単電池を、隣り合う単電池の燃料極室相互もしくは酸化剤極室相互の少なくとも一方が共有されるように積層するモノポーラ型積層燃料電池の製造方法において、
前記モノポーラ型積層燃料電池は、
複数の前記電解質膜と、
それぞれの前記電解質膜の一方の面に設けられた燃料流路板と、
それぞれの前記電解質膜の他方の面に設けられた酸化剤流路板と、
前記燃料流路板と前記酸化剤流路板とにそれぞれ設けられ、少なくとも一部が可撓性を有する一対の集電体と、を有するモノポーラ型積層燃料電池であって、
前記燃料流路板と前記酸化剤流路板とを前記集電体により電気的に接続し、
前記燃料流路板と前記酸化剤流路板とが交互に積層されるように、前記集電体の可撓性を有する部分を折り返すことを特徴とするモノポーラ型積層燃料電池の製造方法。