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JP4892776B2 - Fuel cell - Google Patents

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JP4892776B2 JP2000320766A JP2000320766A JP4892776B2 JP 4892776 B2 JP4892776 B2 JP 4892776B2 JP 2000320766 A JP2000320766 A JP 2000320766A JP 2000320766 A JP2000320766 A JP 2000320766A JP 4892776 B2 JP4892776 B2 JP 4892776B2
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Description

【0001】
本発明は燃料電池に係り、特に、低コストで供給可能な燃料電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池は、一般的に、発電素子とセパレータとからなるセルをを構成要素としている。発電素子は、真ん中にプロトンを水素極から空気極へ移動させるための電解質膜と、この電解質膜の両側に付された電極膜とから構成され、一番外側にセパレータが配置される。
【0003】
一般的なセパレータの形状を図10に示す。図示されているように、セパレータ101の表面には、凹凸が形成されている。凹部102は、燃料ガスまたは酸化剤ガスの通路とされるものであり、凸部103は、触媒電極表面に密着して集電部となるように構成されている。
【0004】
上記セルは、単一の構成では、工業的用途に活用できるような十分な電流電圧を発生しないので、通常は、このセルを1つの構成単位として多段に積層することによりスタックを形成し、所望の電流電圧が確保される。
【0005】
上記のように、セルを積層してスタックを形成するとき、各セルで発生した電力が、セルの積層方向に流れるようにすれば、最終的にスタックの一端側に設けられた出力端子から電力を取り出すことが可能となる。そして、各セルの外側に位置するセパレータが導電性を有していれば、各セル間は電気的に接続され、各セルで発生した電力がセルの積層方向に流れ、スタックの一端側で電力を取り出すことが可能となる。
【0006】
このため、一般に、セパレータは導電性を有する素材から形成されている。そして、導電性を有するセパレータとしては、カーボンを圧縮してガス不透過としたガス不透過カーボンや、炭素繊維強化プラスチックス(CFRP)或いはアモルファスカーボンなどが素材として使用されていた。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
上記したカーボンを圧縮してガス不透過としたガス不透過カーボンや、炭素繊維強化プラスチックス(CFRP)或いはアモルファスカーボンなどが素材は高価であり、セルのコストが上昇し、結果的に燃料電池のコストが高くなるという問題があった。そこで、コストを低減させるために、金属板の全体に電気伝導性の良好な緻密性カーボングラファイトをコーティングして、導電性を有する素材の使用量を少なくした技術が知られている。
【0008】
しかし、上記した金属板の全体に電気伝導性の良好な緻密性カーボングラファイトをコーティングする技術では、カーボングラファイトのコーティングをセパレータの全体に施す必要があり、生産性や成形性が悪く、結果としてコスト低減を図れなくなるという不都合があった。
【0009】
本発明の目的は、成形性に優れ、生産性の良く、コストの低減が可能な燃料電池セパレータを備えた燃料電池を提供することにある。
【0010】
上記課題は、本発明に係る燃料電池によれば、電解質膜を燃料側の電極膜と空気側の電極膜とで挟持した発電素子と、発電素子を両側から挟持するセパレータとを備え、電解質膜は、プロトン解離性の基を有するフラーレン誘導体からなり、セパレータは、樹脂材料からなる本体の少なくとも厚さ方向に、電気的導通を確保可能な導電性材料が埋設した構成とする、ことにより解決される。
【0011】
このように、本発明の燃料電池は、セパレータが主に導電性を持たない樹脂から形成されているので、成形性の良好な樹脂を選択が可能であり、成形に特別な技術を要求せずに成形できるなど、成形が簡単である。また、安価な樹脂材料により、所望形状の成形が可能であり、低価格で高い生産性で製造することが可能である。また、樹脂に埋め込まれた導電性部材により、セル間の導電性を確保することが可能となる。
【0012】
なお、より具体的には、前記樹脂材料は、供給された燃料としての水素ガスが漏れないように、実質的に水素ガスを透過しない材料から形成される。また、前記導電性材料は、電気的導通を確保するために、カーボンまたは金属から形成される。このとき、耐酸性の金属を用いると好適である。
【0013】
導電性材料は、セパレータ本体を成形加工した後に埋設される。或いは、セパレータ本体の成形加工と同時に一体成形により埋設される。
【0014】
導電性材料は、電極膜と導通する構成であればどのような形状に形成されていても良いが、ロッド状に形成すると、セパレータ本体への取付が容易となり好適である。或いは、ワイヤ状またはリボン状とすると、セパレータ本体と一体成形する場合、セパレータ本体への取付強度を確保することが可能であり、好適である。
【0015】
上記課題は、本発明の請求項に係る燃料電池によれば、電解質膜を燃料側の電極膜と空気側の電極膜とで挟持した発電素子と、発電素子を両側から挟持するセパレータとを備え、電解質膜は、プロトン解離性の基を有するフラーレン誘導体からなり、セパレータは、樹脂材料からなる本体の一部に、電気的導通を確保可能な導電性材料が設けられ、少なくとも前記電極膜と接触する面の一部または全面に、電気的導通を確保可能な導電性の皮膜が形成されてなる、ことにより解決される。
【0016】
このように、導電性の皮膜は、電極膜表面に密着する部分にのみ形成された構成としても、導電性の皮膜と発電素子を介して効率よく且つ連続的に集電可能となり、さらに各セルで発生した電力は導電性材料により接続される。
【0017】
より具体的には、導電性の皮膜はカーボンまたは金属から形成される。このとき、耐酸性の材料からなる金属を用いると好適である。
【0019】
本発明の燃料電池では、プロトン解離性の基を有するフラーレン誘導体からなる電解質膜を使用することにより、セパレータに、水素ガスを加湿するための加湿手段との連携を図るための加工や工夫をする必要なくなり、シンプルでコンパクトな構成とすることが可能となる。また、水素を加湿しない構成とすることが可能であるため、従来の燃料電池のように多量の水が発生しないので、大容量の保水手段や水の排出を考慮したセパレータとすることも不要となる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する部材,配置等は本発明を限定するものでなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。
【0021】
図1乃至図9は本実施の形態を示すものであり、図1は本発明の燃料電池用セパレータを示す説明図、図2は本発明の燃料電池用セパレータを用いた燃料電池の一部を示す説明図、図3はフラーレン分子を主要構成要素としてプロトン解離性の基を備えた一例としてのポリ水酸化フラーレンの構造図、図4はフラーレン分子を主要構成要素としてプロトン解離性の基を備えた一例を示す模式図、図5は炭素クラスターの例を示す説明図、図6は開放端を有する炭素クラスターの例を示す説明図、図7はダイヤモンド構造を持つ炭素クラスターの例を示す説明図、図8は各種のクラスターが結合した炭素クラスターの例を示す説明図、図9は自己加湿型電解質膜の説明図である。
なお、本明細書において、「プロトン(H)の解離」とは、「電離によりプロトンが(官能基から)離れること」を意味し、「プロトン解離性の基」とは、「プロトンが電離により離脱し得る官能基」を意味する。
【0022】
燃料電池10は、図2に示すように、所定の出力を得るためにセルCを連続させたスタックとして形成されている。セルCは、図2に示すように、電解質膜11を、燃料側の電極膜12と空気側の電極膜13とで挟持した発電素子と、この発電素子を両側から挟持するセパレータ15,16とから構成されている。このセルCを積層させてスタックSが形成されている。なおスタックSは、図示しない板体により積層された複数のセルCを加圧狭持している。
【0023】
本例において、空気側の電極膜12側に配設されるセパレータを、空気側のセパレータ15、燃料側の電極膜13側に配設されるセパレータを、燃料側のセパレータ16として説明する。
【0024】
空気側のセパレータ15及び燃料側のセパレータ16は、発電素子14へのガスの供給路となるものである。また、空気側の電極膜12と、燃料側の電極膜13に対して電気導電性を持ち、集電機能を有するとともに、酸化剤ガスとしての空気と、燃料ガスとしての水素ガスとの混合を防止する仕切機能を有している。
【0025】
空気側のセパレータ15は、図1に示すように、本体15aに通路15bが形成され、通路15bの両側に導電性材料15cが埋設して形成されている。燃料側のセパレータ16も、前記空気側のセパレータ15と同様の構成であり、本体16aに通路16が形成され、通路16bの両側に導電性材料16cが埋設して形成されている。
【0026】
空気側のセパレータ15の通路15bには、空気側の電極膜12に供給される酸化剤ガスとしての空気が通過するように構成されている。また、燃料側のセパレータ16の通路16bには、燃料電池に供給される燃料ガスとしての水素ガスが通過するように構成されている。
【0027】
次に、本例のセパレータを形成する材料について説明する。空気側のセパレータ15の本体15a及び燃料側のセパレータ16の本体16aを構成する樹脂材料は、実質的に、水素ガスを透過しない材料から構成されている。
【0028】
上記樹脂材料としては、絶縁性のある材料、耐熱性のある材料、成形加工が容易な材料などが好ましく、具体的には、ポリプロピレン(PP)、ポリ塩化ビニル(PVC)などを挙げることができるが、これらの材料に限定されるものでないことは勿論である。
【0029】
導電性材料15c,16cは、それぞれ、電極膜表面に密着状態になるように配設され、集電部を構成する。導電性材料15c,16cは、発電素子14を介して連続的に接続されるように構成されている。
【0030】
導電性材料15c,16cは、カーボンまたは金属から形成されている。導電性材料は、本体成形時に、本体と一体に成形しても良く、或いは、本体を成形するときに、導電性材料を配置する配置部を設けて成形し、本体成形後に導電性材料を取り付ける構成としても良い。
【0031】
なお、本体成形後に導電性材料を取り付けるときには、本体と導電性材料との間の気密性が保たれるようにする。このため、本体または導電性材料に接着剤を塗布して、導電性材料を配設する構成としても良い。
【0032】
なお、導電性材料として、金属を用いる場合は、耐酸性の材料を使用する。耐酸性の金属材料として、具体的には、金、白金、パラジウム等があるが、加工性を考慮すると金等が好ましい。また、導電性材料は、厚み方向に使用するだけであるので、従来に比して少量の使用で済み、全体のコストは著しく低減する。
【0033】
導電性材料は、電極膜と導通する構成であればどのような形状に形成されていても良いが、例えば、ロッド、ワイヤまたはリボン状に形成される。ロッド状に形成すると、本体に後付で導電性材料を取り付けるときに、本体に形成された導電性材料配置部に取り付けやすくなり好適である。
【0034】
また、導電性材料をワイヤ状またはリボン状に形成する場合は、所定の導電性が得られるように、複数の導電性材料を束ねるようにして使用する。このように、ワイヤ状またはリボン状の導電性材料を用いることにより、本体と導電性材料を一体成形するときに、導電性材料と本体との高い密着性が得られ好適である。またロッド状、ワイヤ状、リボン状は、全て同じものを用いる必要はなく、複合的に用いることも可能である。これにより、最適な形状を適宜選択することが可能となる。
【0035】
なお、上記のように、本体の通路両側に導電性材料を配設する構成の他、通路両側の凸部に、導電性の皮膜を形成した構成としても良い。すなわち、通路両側の凸部頂部は電極膜と接触する面であり、この面の少なくとも一部に、導電性の皮膜を形成する。
【0036】
なお、前記皮膜を凸部の頂部だけでなく、空気側のセパレータ15と燃料側のセパレータ16との接触面に設けても良い。これにより、より高い電気伝導性を確保することが可能となる。
【0037】
導電性の皮膜は、カーボングラファイト,クロム,白金族金属またはその酸化物,導電性ポリマー等を用い、スパッタリングにより、通路両側の凸部に皮膜が形成される。
【0038】
なお、導電性の皮膜の形成はスパッタリングだけでなく、各種の成膜手段を利用することが可能であり、例えば、蒸着、メッキやペースト塗布の厚膜成形プロセスを用いることもできる。
【0039】
以上の構成において、反応ガスが燃料電池スタック構造の各セルCに導入されると、電解質膜11において酸素と水素が反応し、電解質膜中に水素イオンが流れ電力が発生する。
【0040】
そして、電気化学反応で発生した電力は、セパレータを介して、セルCの積層方向に流れる。このようにして、最終的に、スタックの一旦側に設けられた一対の出力端子(図示せず)から電力を取り出すことができる。
【0041】
なお、本実施例の燃料電池10において、電解質膜として、プロトン伝導体からなる電解質膜11を使用すると好適である。プロトン伝導体としては、パーフルオロスルホン酸樹脂(ナフィオン(Nafion(R)):Du pont社製)や、フラーレン誘導体等がある。以下、ここでは、通称「フラレノール(Fullerenol)」と称される水分を介在させないプロトン伝導体からなる電解質膜11について説明する。
【0042】
プロトン伝導体からなる電解質膜11として、ポリ水酸化フラーレンは、図3に示すように、フラーレンに複数の水酸基を付加した構造を持ったものの総称であり、通称「フラレノール(Fullerenol)」と呼ばれている。当然のことながら、フラレノールは1992年にChiangらによって最初に合成例が報告された(Chiang, L. Y. ; Swirczewski, J. W. ; Hsu, C. S. ; Chowdhury, S. K. ; Cameron, S. ; Creegan, K. J. Chem. Soc, Chem. Commun. 1992, 1791)。以来、一定量以上の水酸基を導入したフラレノールは、特に水溶性である特徴が注目され、主にバイオ関連の技術分野で研究されてきた。
【0043】
フラレノールは、図4(A)で概略図示するように凝集体とし、近接し合ったフラレノール分子(図中、○はフラーレン分子を示す。)の水酸基同士に相互作用が生じるようにする。この凝集体はマクロな集合体として高いプロトン伝導特性(換言すれば、フラレノール分子のフェノール性水酸基からのHの解離性)を発揮する。
【0044】
プロトン伝導体からなる電解質膜は、上記フラレノール以外に、たとえば複数の−OSOH基をもつフラーレンの凝集体をプロトン伝導体として用いるものでもよい。OH基がOSOH基と置き換わった図4(B)に示すようなポリ水酸化フラーレン、すなわち硫酸水素エステル化フラレノールは、やはりChiangらによって1994年に報告されている(Chiang, L. Y. ; Wang, L. Y. ; Swirczewski, J. W. ; Soled, S. ; Cameron, S. J. Org. Chem. 1994, 59, 3960)。硫酸水素エステル化されたフラーレンには、一つの分子内にOSOH基のみを含むものもあるし、あるいはこの基と水酸基をそれぞれ複数、もたせたものでもよい。
【0045】
上述したフラーレン誘導体を多数凝集させた時、それがバルクとして示すプロトン伝導性は、分子内に元々含まれる大量の水酸基やOSOH基に由来するプロトンが移動に直接関わるため、雰囲気から水蒸気分子などを起源とする水素、プロトンを取り込む必要はなく、また、外部からの水分の補給、とりわけ外気より水分等を吸収する必要もなく、雰囲気に対する制約はない。また、これらの誘導体分子の基体となっているフラーレンは、特に求電子性の性質を持ち、このことが酸性度の高いOSOH基のみならず、水酸基等においても水素イオンの電離の促進に大きく寄与していると考えられる。
【0046】
また、一つのフラーレン分子中にかなり多くの水酸基およびOSOH基等を導入することができるため、伝導の関与するプロトンの伝導体体積あたりの数密度が非常に多くなる。
【0047】
本例のプロトン伝導体は、その殆どが、フラーレンの炭素原子で構成されているため、重量が軽く、変質もし難く、また汚染物質も含まれていない。フラーレンの製造コストも急激に低下しつつある。資源的、環境的、経済的にみてフラーレンは他のどの材料にもまして、理想に近い炭素系材料であると考えられる。
【0048】
更に、プロトン解離性の基は、前述した水酸基やOSOH基に限定する必要はない。即ち、この解離性の基は、式−XHで表され、Xは2価の結合手段を有する任意の原子もしくは原子団であればよい。更には、この基は、式−OH又は−YOHで表わされ、Yは2価の結合手を有する任意の原子もしくは原子団であればよい。
【0049】
具体的には、プロトン解離性の基としては、前記−OH、−OSOH以外に−COOH、−SOH、−OPO(OH)のいずれかが好ましい。
【0050】
更に、本例では、フラーレン分子を構成する炭素原子に、プロトン解離性の基とともに、電子吸引基、たとえば、ニトロ基、カルボニル基、カルボキシル基、ニトリル基、ハロゲン化アルキル基、ハロゲン原子(フッ素、塩素など)などが導入されていることが好ましい。図4(C)に、−OHの外にZを導入したフラーレン分子を示す。このZは、具体的には、−NO、−CN、−F、−C、−COOR、−CHO、−COR、−CF、−SOCFなどである(ここでRはアルキル基を表わす)。このように電子吸引基が併存していると、その電子吸引効果のために、上記プロトン解離性の基からプロトンが解離し易くなる。
【0051】
但し、フラーレン分子に導入するプロトン解離性の基の数は、フラーレン分子を構成する炭素数の範囲内で任意でよいが、望ましくは5個以上とするのがよい。なお、フラーレンのπ電子性を残し、有効な電子吸引性を出すためには、上記基の数は、フラーレンを構成する炭素数の半分以下が好ましい。
【0052】
プロトン伝導体に用いるフラーレン誘導体を合成するには、フラーレン分子の粉末に対し、たとえば酸処理や加水分解等の公知の処理を適宜組み合わせて施すことにより、フラーレン分子の構成炭素原子に所望のプロトン解離性の基を導入すればよい。
【0053】
より具体的に述べるならば、ポリ水酸化フラーレンの合成は、文献(Chiang, L. Y. ; Wang, L. Y. ; Swirczewski, J. W. ; Soled, S. ; Cameron, S. J. Org. Chem. 1994, 59, 3960)を参考にしておこなった。C70を約15%含むC60/C70フラーレン混合物の粉末2gを発煙硫酸30ml中に投じ、窒素雰囲気中で60℃に保ちながら3日間攪拌した。得られた反応物を、氷浴内で冷やした無水ジエチルエーテル中に少しずつ投下し、その沈澱物を遠心分離で分別し、さらにジエチルエーテルで3回、およびジエチルエーテルとアセトニトリルの2:1混合液で2回洗浄したあと、40℃にて減圧中で乾燥させた。さらに、この乾燥物を60mlのイオン交換水中に入れ、85℃で窒素によるバブリングを行いながら10時間攪拌した。反応生成物は遠心分離によって沈澱物を分離し、この沈澱物をさらに純水で数回洗浄し、遠心分離を繰り返した後に、40℃で減圧乾燥した。このようにして得られた茶色の粉末のFT−IR測定を行ったところ、上記文献に示されているC60(OH)12のIRスペクトルとほぼ一致し、この粉末が目的物質であるポリ水酸化フラーレンと確認された。
【0054】
またポリ水酸化フラーレン凝集ペレットの製造は、次に、このポリ水酸化フラーレンの粉末90mgをとり、直径15mmの円形ペレット状になるように一方方向へのプレスを行った。この時のプレス圧は約7トン/cmであった。その結果、このポリ水酸化フラーレンの粉末は、バインダー樹脂等を一切含まないにも関わらず成形性に優れており、容易にペレット化することができた。そのペレットは厚みが約300ミクロンである。
【0055】
ポリ水酸化フラーレン硫酸水素エステル(全エステル化)の合成も、同様に前記の文献を参考にしておこなった。ポリ水酸化フラーレンの粉末1mgを60mlの発煙硫酸中に投下し、室温にて窒素雰囲気下で3日間攪拌した。得られた反応物を、氷浴内で冷やした無水ジエチルエーテル中に少しずつ投下し、その沈澱物を遠心分離で分別し、さらにジエチルエーテルで3回、およびジエチルエーテルとアセトニトリルの2:1混合液で2回洗浄した後、40℃にて減圧下で乾燥させた。このようにして得られた粉末のTF−IR測定を行ったところ、前記文献中に示されている、全ての水酸基が硫酸水素エステル化されたもののIRスペクトルとほぼ一致し、この粉末が目的物質であると、確認できた。
【0056】
また、ポリ水酸化フラーレン硫酸水素エステル凝集ペレットの製造は、ポリ水酸化フラーレン硫酸水素エステルの粉末70mgをとり、直径15mmの円形ペレット状になるように一方方向へのプレスを行った。この時のプレス圧は約7トン/cmであった。その結果、この粉末はバインダー樹脂等を一切含まないにも関わらず、成形性に優れており、容易にペレット化することができた。このペレットは厚みが約300ミクロンである。
【0057】
さらに、ポリ水酸化フラーレン硫酸水素エステル(部分エステル化)の合成は、C70を約15%含むC60/C70フラーレン混合物の粉末2gを発煙硫酸30ml中に投じ、窒素の雰囲気中にて、60℃に保ちながら3日間攪拌した。得られた反応物を、氷浴内で冷やしたジエチルエーテル中に少しずつ投下した。ただし、この場合のジエチルエーテルは脱水処理を行っていないものを用いた。得られた沈澱物を遠心分離で分別し、さらにジエチルエーテルで3回、およびジエチルエーテルとアセトニトリルの2:1混合液で2回洗浄した後、40℃にて減圧下で乾燥させた。このようにして得られた粉末のFT−IR測定を行ったところ、前記文献に示されている、部分的に水酸基とOSOH基を含むフラーレン誘導体のIRスペクトルとほぼ一致し、この粉末が目的物質であると、確認できた。
【0058】
さらにまた、ポリ水酸化フラーレン硫酸水素エステル凝集ペレットの製造は、一部が硫酸水素エステル化されたポリ水酸化フラーレンの粉末80mgをとり、直径15mmの円形ペレット状になるように一方方向へのプレスを行った。この時のプレス圧は約7トン/cmであった。その結果、この粉末はバインダー樹脂等を一切含まないにも関わらず成形性に優れており、容易にペレット化することができた。このペレットは厚みが約300ミクロンであった。
【0059】
なお、上記の実施の形態では、プロトン伝導膜としては、ポリ水酸化フラーレンでできた膜を用いたが、プロトン伝導膜はこれに限定されるものではない。ポリ水酸化フラーレンは、フラーレン分子を母体とし、その構成炭素分子に水酸基を導入したものであるが、母体としてはフラーレン分子に限らず炭素を主成分とする炭素質材料であればよい。
【0060】
この炭素性材料には、炭素原子が、炭素−炭素間結合の種類を問わず、数個から数百個結合して形成されている集合体である炭素クラスターや、チューブ状炭素質(通称カーボンナノチューブ)が含まれてよい。
【0061】
前者の炭素クラスターには、図9で示されるような、炭素原子が多数個集合してなる、球体又は長球、又はこれらに類似する閉じた面構造を有する種々の炭素クラスターがある。また、図10で示されるような、それらの炭素クラスターの球構造の一部が欠損し、構造中に開放端を有する炭素クラスター、図11で示すような、大部分の炭素原子がSP3結合したダイヤモンド構造を持つ炭素クラスター、更には図12で示すような、これらのクラスターどうしが種々に結合した炭素クラスターが含まれていてよい。
【0062】
またこの種の母体に導入する基としては水酸基に限らず、−XH、より好ましくは−YOHで表されるプロトン解離性の基であればよい。ここでX及びYは2価の結合手を有する任意の原子若しくは原子団であり、Hは水素原子、Oは酸素原子である。具体的には、前記−OH以外に、硫酸水素エステル基−OSOH、カルボキシル基−COOH、他に−SOH、−OPO(OH)のいずれかであることが好ましい。
【0063】
また、ゾルゲル法により作成したプロトン(水素イオン)の高伝導性ガラスであってもよい。この高伝導性ガラスは、例えば、リン酸−ケイ酸塩(P−SiO)系ガラスであり、金属アルコキシド原料を加水分解し、ゲルを作製、500−800度Cで加熱しガラスとして作成でいる。このガラスには2ナノメートル程度の微細孔があり、そこに水分が吸着され、プロトンの移動が促進されるものである。
【0064】
さらに、有機無機ハイブリッドイオン交換膜であってもよい。これは、ポリエチレンオキサイド(PEO)やポリプロピレンオキサイド(PPO)、ポリテトラメチレンオキサイド(PTMO)などとシリカが分子レベルで結合した複合膜であり、モノドテシルフォスフェート(MDP)や1、2−タングストリン酸(PWA)などをプロトン伝導性供与剤としてドープしたものである。
【0065】
また、自己加湿型電解質膜であってもよい。この膜は、例えば図13で示すように、膜中に極微量の白金超微粒子触媒と酸化物(TiO・SiO)超微粒端子を高分散させている。クロスオーバーしてくる水素と酸素を逆用して白金触媒上で水を生成させ、その生成水を酸化物超微粒子に吸着保水させることにより、膜を内部から加湿して含水率を高く保つものである。そして、粒径1〜2nm極微量の白金超微粒子(0.09mg/cm)と粒径5nmのTiO超微粒子(乾燥Nafion重量の3%)を高分散したPt−TiO分散膜を電解質に用いると、完全に外部無加湿の状態でも、きわめて安定で高性能(0.4〜0.6Vで約0.6W/cm)な電池運転が可能になりる。
上記のいずれの変形例によっても、プロトンの伝導に加湿が不要であり、本発明における効果には変わりはない。
【0066】
以上のように、電解質膜として、水分を介在させないプロトン伝導体からなる電解質膜11を使用すると、水素ガスの加湿が不要であり、加湿器を設ける必要がなく、加湿器のための設置スペースを設けることがないため、セパレータを複雑な形状とする必要がなく、燃料電池をコンパクトな構成とすることが可能である。
【0067】
以上のように、本発明の燃料電池はセパレータが主に導電性を持たない樹脂から形成されているので、成形性の良好な樹脂を選択が可能であり、成形に特別な技術を要求せずに成形できるなど、成形が簡単である。また、安価な樹脂材料により、所望形状の成形が可能であり、低価格で高い生産性で製造することが可能である。また、樹脂に埋め込まれた導電性部材により、セル間の導電性を確保することが可能となる。この導電性材料は、使用量が少ないため、従来に比して、セパレータのコストは著しく低下する。導電性材料は、電極膜と導通する構成であればどのような形状に形成されていても良いが、ロッド状に形成すると、セパレータ本体への取付が容易となり好適である。或いは、ワイヤ状またはリボン状とすると、セパレータ本体と一体成形する場合、セパレータ本体への取付強度を確保することが可能であり、好適である。
【0068】
また、本発明の燃料電池はセパレータを樹脂材料からなる本体で形成し、この一部に、電気的導通を確保可能な導電性材料が設け、少なくとも電極膜と接触する面の一部または全面に、電気的導通を確保可能な導電性の皮膜を形成することにより、導電性の皮膜と発電素子を介して効率よく且つ連続的に集電可能となり、さらに各セルで発生した電力は導電性材料により接続される。このように、導電性の皮膜は、電極膜表面に密着する部分にのみ形成された構成としても、導電性の皮膜と発電素子を介して効率よく且つ連続的に集電可能となり、さらに各セルで発生した電力は導電性材料により接続される。
【0069】
また、プロトン解離性の基を有するフラーレン誘導体からなる電解質膜を使用することにより、セパレータに、水素ガスを加湿するための加湿手段との連携を図るための加工や工夫をする必要なくなり、シンプルでコンパクトな構成とすることが可能となる。また、水素を加湿しない構成とすることが可能であるため、従来の燃料電池のように多量の水が発生しないので、大容量の保水手段や水の排出を考慮したセパレータとすることも不要となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の燃料電池用セパレータを示す説明図である。
【図2】本発明の燃料電池用セパレータを用いた燃料電池の一部を示す説明図である。
【図3】フラーレン分子を主要構成要素としてプロトン解離性の基を備えた一例としてのポリ水酸化フラーレンの構造図である。
【図4】フラーレン分子を主要構成要素としてプロトン解離性の基を備えた一例を示す模式図である。
【図5】炭素クラスターの例を示す説明図である。
【図6】開放端を有する炭素クラスターの例を示す説明図である。
【図7】ダイヤモンド構造を持つ炭素クラスターの例を示す説明図である。
【図8】各種のクラスターが結合した炭素クラスターの例を示す説明図である。
【図9】自己加湿型電解質膜の説明図である。
【図10】従来例を示す説明図である。
【符号の説明】
10 燃料電池
11 電解質膜
12 燃料側の電極膜
13 空気側の電極膜
14 発電素子
15 燃料側のセパレータ
15a 本体
15b 通路
15c 導電性材料
16 空気側のセパレータ
16a 本体
16b 通路
16c 導電性材料
C セル
S スタック
[0001]
The present invention For fuel cells In particular, it can be supplied at low cost For fuel cells Related.
[0002]
[Prior art]
In general, a fuel cell includes a cell composed of a power generation element and a separator as a constituent element. The power generation element is composed of an electrolyte membrane for moving protons from the hydrogen electrode to the air electrode in the middle, and electrode films attached to both sides of the electrolyte membrane, and a separator is disposed on the outermost side.
[0003]
A general separator shape is shown in FIG. As shown in the figure, the surface of the separator 101 is uneven. The concave portion 102 serves as a passage for fuel gas or oxidant gas, and the convex portion 103 is configured to be in close contact with the surface of the catalyst electrode to be a current collecting portion.
[0004]
Since the above cell does not generate sufficient current and voltage that can be utilized for industrial applications in a single configuration, the cell is usually stacked in multiple stages as a single unit to form a stack. Current voltage is ensured.
[0005]
As described above, when cells are stacked to form a stack, if the power generated in each cell flows in the cell stacking direction, the power is finally output from the output terminal provided at one end of the stack. Can be taken out. If the separator located outside each cell has conductivity, the cells are electrically connected, and the power generated in each cell flows in the cell stacking direction. Can be taken out.
[0006]
For this reason, in general, the separator is made of a conductive material. As the conductive separator, gas-impermeable carbon, which is made impermeable by compressing carbon, carbon fiber reinforced plastics (CFRP), amorphous carbon, or the like has been used as a material.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
Gas-impermeable carbon, which is made of gas-impermeable by compressing the above-mentioned carbon, carbon fiber reinforced plastics (CFRP), or amorphous carbon is expensive, and the cost of the cell rises. There was a problem of high costs. Therefore, in order to reduce the cost, a technique is known in which the entire metal plate is coated with dense carbon graphite having good electrical conductivity to reduce the amount of conductive material used.
[0008]
However, in the above-described technology for coating dense carbon graphite with good electrical conductivity on the entire metal plate, it is necessary to coat the entire separator with carbon graphite, resulting in poor productivity and formability, resulting in cost. There was an inconvenience that the reduction could not be achieved.
[0009]
An object of the present invention is to provide a fuel cell separator that has excellent moldability, good productivity, and low cost. Equipped with fuel cell It is to provide.
[0010]
According to the fuel cell of the present invention, the above-described problem is a power generation element in which an electrolyte membrane is sandwiched between a fuel-side electrode membrane and an air-side electrode membrane. When, Power generation element From both sides Pinch Ru Palator The electrolyte membrane is made of a fullerene derivative having a proton dissociable group, and the separator is This is solved by providing a structure in which a conductive material capable of ensuring electrical conduction is embedded in at least the thickness direction of the main body made of a resin material.
[0011]
Thus, the present invention Fuel cell Is Separator is Since it is formed mainly from a resin having no electrical conductivity, it is possible to select a resin with good moldability, and it is easy to mold such as molding without requiring a special technique for molding. In addition, an inexpensive resin material can be used to form a desired shape, and it can be manufactured at low cost and high productivity. In addition, the conductivity between cells can be ensured by the conductive member embedded in the resin.
[0012]
More specifically, the resin material is formed of a material that does not substantially transmit hydrogen gas so that hydrogen gas as supplied fuel does not leak. The conductive material is formed of carbon or metal in order to ensure electrical continuity. At this time, it is preferable to use an acid-resistant metal.
[0013]
The conductive material is embedded after the separator body is molded. Alternatively, it is embedded by integral molding simultaneously with the molding process of the separator body.
[0014]
The conductive material may be formed in any shape as long as it is configured to be electrically connected to the electrode film. However, if it is formed in a rod shape, it can be easily attached to the separator body. Alternatively, a wire shape or a ribbon shape is preferable because it is possible to ensure the attachment strength to the separator body when integrally forming with the separator body.
[0015]
The above problem is claimed in the present invention. 9 Pertaining to Fuel cell According to the power generation element, the electrolyte membrane is sandwiched between the fuel-side electrode membrane and the air-side electrode membrane. When, Power generation element From both sides Pinch Ru Palator The electrolyte membrane is made of a fullerene derivative having a proton dissociable group, and the separator is A conductive film capable of ensuring electrical continuity on at least part of or the entire surface in contact with the electrode film provided with a conductive material capable of ensuring electrical continuity on a part of a main body made of a resin material This is solved by forming.
[0016]
As described above, even when the conductive film is formed only on the portion that is in close contact with the electrode film surface, it is possible to collect current efficiently and continuously through the conductive film and the power generation element. The electric power generated in is connected by a conductive material.
[0017]
More specifically, the conductive film is formed from carbon or metal. At this time, it is preferable to use a metal made of an acid resistant material.
[0019]
In the fuel cell of the present invention, by using an electrolyte membrane made of a fullerene derivative having a proton dissociable group, The separator does not need to be processed or devised for cooperation with a humidifying means for humidifying hydrogen gas, and a simple and compact configuration can be achieved. In addition, since it is possible to have a configuration in which hydrogen is not humidified, a large amount of water is not generated unlike conventional fuel cells, so that it is not necessary to use a large-capacity water retaining means or a separator that considers water discharge. Become.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The members, arrangements, and the like described below are not intended to limit the present invention and can be variously modified within the scope of the gist of the present invention.
[0021]
FIG. 1 to FIG. 9 show this embodiment, FIG. 1 is an explanatory view showing a fuel cell separator of the present invention, and FIG. 2 shows a part of a fuel cell using the fuel cell separator of the present invention. FIG. 3 is a structural diagram of a polyhydroxylated fullerene as an example having a fullerene molecule as a main component and a proton dissociable group, and FIG. 4 is a fullerene molecule as a main component and a proton dissociable group. 5 is an explanatory diagram illustrating an example of a carbon cluster, FIG. 6 is an explanatory diagram illustrating an example of a carbon cluster having an open end, and FIG. 7 is an explanatory diagram illustrating an example of a carbon cluster having a diamond structure. FIG. 8 is an explanatory view showing an example of a carbon cluster in which various clusters are combined, and FIG. 9 is an explanatory view of a self-humidifying electrolyte membrane.
In this specification, “proton (H + "Dissociation") means "the proton leaves (from the functional group) by ionization", and "proton dissociable group" means "the functional group from which the proton can be released by ionization".
[0022]
As shown in FIG. 2, the fuel cell 10 is formed as a stack in which cells C are continuous in order to obtain a predetermined output. As shown in FIG. 2, the cell C includes a power generation element that sandwiches the electrolyte membrane 11 between a fuel-side electrode film 12 and an air-side electrode film 13, and separators 15 and 16 that sandwich the power generation element from both sides. It is composed of A stack S is formed by stacking the cells C. Note that the stack S pressurizes and holds a plurality of cells C stacked by plate members (not shown).
[0023]
In this example, the separator disposed on the air-side electrode film 12 side will be described as the air-side separator 15, and the separator disposed on the fuel-side electrode film 13 side will be described as the fuel-side separator 16.
[0024]
The air-side separator 15 and the fuel-side separator 16 serve as a gas supply path to the power generation element 14. In addition, the air-side electrode film 12 and the fuel-side electrode film 13 are electrically conductive, have a current collecting function, and mix air as an oxidant gas and hydrogen gas as a fuel gas. It has a partition function to prevent.
[0025]
As shown in FIG. 1, the separator 15 on the air side is formed by forming a passage 15b in a main body 15a and embedding a conductive material 15c on both sides of the passage 15b. The fuel-side separator 16 also has the same configuration as the air-side separator 15, and a passage 16 is formed in the main body 16 a and a conductive material 16 c is embedded on both sides of the passage 16 b.
[0026]
Air as an oxidant gas supplied to the electrode film 12 on the air side passes through the passage 15b of the separator 15 on the air side. In addition, hydrogen gas as fuel gas supplied to the fuel cell passes through the passage 16b of the separator 16 on the fuel side.
[0027]
Next, materials for forming the separator of this example will be described. The resin material constituting the main body 15a of the air-side separator 15 and the main body 16a of the fuel-side separator 16 is substantially made of a material that does not transmit hydrogen gas.
[0028]
As the resin material, an insulating material, a heat resistant material, a material that can be easily molded, and the like are preferable. Specific examples include polypropylene (PP) and polyvinyl chloride (PVC). However, it is needless to say that the material is not limited to these materials.
[0029]
The conductive materials 15c and 16c are disposed so as to be in close contact with the electrode film surface, respectively, and constitute a current collector. The conductive materials 15 c and 16 c are configured to be continuously connected via the power generation element 14.
[0030]
The conductive materials 15c and 16c are made of carbon or metal. The conductive material may be molded integrally with the main body at the time of molding the main body, or when the main body is molded, an arrangement portion for arranging the conductive material is provided, and the conductive material is attached after the main body is molded. It is good also as a structure.
[0031]
Note that when the conductive material is attached after molding the main body, the airtightness between the main body and the conductive material is maintained. For this reason, it is good also as a structure which apply | coats an adhesive agent to a main body or an electroconductive material, and arrange | positions an electroconductive material.
[0032]
In addition, when using a metal as a conductive material, an acid-resistant material is used. Specific examples of the acid-resistant metal material include gold, platinum, palladium, and the like. Gold is preferable in consideration of workability. In addition, since the conductive material is only used in the thickness direction, it can be used in a small amount as compared with the conventional case, and the overall cost is remarkably reduced.
[0033]
The conductive material may be formed in any shape as long as it is configured to be electrically connected to the electrode film. For example, the conductive material is formed in a rod, wire, or ribbon shape. When formed in a rod shape, it is preferable that the conductive material is easily attached to the conductive material arrangement portion formed in the main body when the conductive material is attached later to the main body.
[0034]
Further, when the conductive material is formed in a wire shape or a ribbon shape, a plurality of conductive materials are bundled so as to obtain predetermined conductivity. Thus, by using a wire-like or ribbon-like conductive material, high adhesion between the conductive material and the main body can be obtained when the main body and the conductive material are integrally formed. The rod shape, wire shape, and ribbon shape need not all be the same, and can be used in combination. Thereby, it becomes possible to select an optimal shape suitably.
[0035]
As described above, in addition to the configuration in which the conductive material is disposed on both sides of the passage of the main body, a configuration in which a conductive film is formed on the convex portions on both sides of the passage may be employed. That is, the tops of the convex portions on both sides of the passage are surfaces in contact with the electrode film, and a conductive film is formed on at least a part of this surface.
[0036]
The film may be provided not only on the top of the convex portion but also on the contact surface between the air-side separator 15 and the fuel-side separator 16. Thereby, it becomes possible to ensure higher electrical conductivity.
[0037]
As the conductive film, carbon graphite, chromium, platinum group metal or oxide thereof, conductive polymer, or the like is used, and the film is formed on the convex portions on both sides of the passage by sputtering.
[0038]
The conductive film can be formed not only by sputtering but also by using various film forming means. For example, a thick film forming process such as vapor deposition, plating, or paste coating can be used.
[0039]
In the above configuration, when the reaction gas is introduced into each cell C of the fuel cell stack structure, oxygen and hydrogen react in the electrolyte membrane 11, and hydrogen ions flow in the electrolyte membrane to generate electric power.
[0040]
And the electric power generated by the electrochemical reaction flows in the stacking direction of the cells C through the separator. In this way, power can be finally taken out from a pair of output terminals (not shown) provided once on the stack side.
[0041]
In the fuel cell 10 of the present embodiment, it is preferable to use an electrolyte membrane 11 made of a proton conductor as the electrolyte membrane. Examples of the proton conductor include perfluorosulfonic acid resin (Nafion (R): manufactured by Du Pont), fullerene derivatives, and the like. Hereinafter, the electrolyte membrane 11 made of a proton conductor that does not interpose moisture, which is commonly called “fullerenol”, will be described.
[0042]
As the electrolyte membrane 11 made of a proton conductor, polyhydroxyl fullerene is a general term for a structure having a plurality of hydroxyl groups added to fullerene, as shown in FIG. 3, and is generally called “fullerenol”. ing. Naturally, fullerenol was first synthesized in 1992 by Chiang et al. (Chiang, LY; Swirczewski, JW; Hsu, CS; Chowdhury, SK; Cameron, S .; Creegan, KJ Chem. Soc, Chem. Commun. 1992, 1791). Since then, fullerenol into which a certain amount or more of hydroxyl groups have been introduced has been particularly noted for its water-soluble characteristics, and has been studied mainly in bio-related technical fields.
[0043]
Fullerenol is aggregated as schematically shown in FIG. 4 (A) so that interactions occur between the hydroxyl groups of adjacent fullerenol molecules (in the figure, ◯ indicates a fullerene molecule). This aggregate is a macro-aggregate with high proton conductivity (in other words, H from the phenolic hydroxyl group of the fullerenol molecule). + ).
[0044]
In addition to the above-mentioned fullerenol, the electrolyte membrane made of a proton conductor may be, for example, a plurality of —OSO 3 An aggregate of fullerene having an H group may be used as a proton conductor. OH group is OSO 3 A polyhydroxylated fullerene as shown in FIG. 4 (B), ie, a hydrogen sulfate esterified fullerenol, replaced with an H group, was also reported in 1994 by Chiang et al. (Chiang, LY; Wang, LY; Swirczewski, JW Soled, S .; Cameron, SJ Org. Chem. 1994, 59, 3960). Hydrogen sulfate esterified fullerene has an OSO in one molecule. 3 Some may include only the H group, or may include a plurality of these groups and hydroxyl groups.
[0045]
When many of the above-mentioned fullerene derivatives are agglomerated, the proton conductivity exhibited as a bulk is a large amount of hydroxyl groups and OSO originally contained in the molecule. 3 Since protons derived from the H group are directly involved in movement, it is not necessary to take in hydrogen or protons originating from water vapor molecules from the atmosphere, and it is also necessary to replenish moisture from the outside, especially to absorb moisture from the outside air. There are no restrictions on the atmosphere. In addition, fullerene, which is the base of these derivative molecules, has particularly electrophilic properties, which is a highly acidic OSO. 3 It is considered that not only the H group but also the hydroxyl group and the like greatly contribute to the promotion of ionization of hydrogen ions.
[0046]
In addition, a considerable number of hydroxyl groups and OSO are contained in one fullerene molecule. 3 Since an H group or the like can be introduced, the number density of protons involved in conduction per conductor volume becomes very large.
[0047]
Most of the proton conductors of this example are composed of fullerene carbon atoms, so that they are light in weight, hardly change in quality, and contain no contaminants. Fullerene production costs are also rapidly decreasing. From the viewpoint of resources, environment, and economy, fullerene is considered to be a carbon material that is closer to the ideal than any other material.
[0048]
Further, the proton dissociable group includes the above-mentioned hydroxyl group and OSO. 3 It is not necessary to limit to the H group. That is, this dissociable group is represented by the formula -XH, and X may be any atom or atomic group having a divalent bonding means. Further, this group is represented by the formula -OH or -YOH, and Y may be any atom or atomic group having a divalent bond.
[0049]
Specifically, examples of the proton dissociable group include the —OH and —OSO. 3 In addition to H, -COOH, -SO 3 H, -OPO (OH) 2 Either of these is preferable.
[0050]
Furthermore, in this example, an electron withdrawing group, for example, a nitro group, a carbonyl group, a carboxyl group, a nitrile group, a halogenated alkyl group, a halogen atom (fluorine, Chlorine and the like) are preferably introduced. FIG. 4C shows a fullerene molecule in which Z is introduced in addition to —OH. This Z is specifically -NO 2 , -CN, -F, -C 1 , -COOR, -CHO, -COR, -CF 3 , -SO 3 CF 3 (Wherein R represents an alkyl group). When the electron withdrawing group coexists in this way, protons are easily dissociated from the proton dissociable group due to the electron withdrawing effect.
[0051]
However, the number of proton dissociable groups introduced into the fullerene molecule may be arbitrary within the range of the number of carbon atoms constituting the fullerene molecule, but is desirably 5 or more. In order to leave the fullerene's π-electron property and to provide effective electron withdrawing property, the number of the groups is preferably half or less of the number of carbon atoms constituting the fullerene.
[0052]
In order to synthesize fullerene derivatives for use in proton conductors, a known proton dissociation is performed on the constituent carbon atoms of the fullerene molecule by, for example, appropriately combining known treatments such as acid treatment and hydrolysis to the fullerene molecule powder. A sex group may be introduced.
[0053]
More specifically, for the synthesis of polyhydroxylated fullerene, refer to literature (Chiang, LY; Wang, LY; Swirczewski, JW; Soled, S .; Cameron, SJ Org. Chem. 1994, 59, 3960). It was done. C 70 Containing about 15% 60 / C 70 2 g of the powder of the fullerene mixture was poured into 30 ml of fuming sulfuric acid and stirred for 3 days while maintaining the temperature at 60 ° C. in a nitrogen atmosphere. The obtained reaction product was dropped little by little into anhydrous diethyl ether cooled in an ice bath, and the precipitate was separated by centrifugation, and further three times with diethyl ether and a 2: 1 mixture of diethyl ether and acetonitrile. After washing twice with the liquid, it was dried at 40 ° C. under reduced pressure. Further, this dried product was placed in 60 ml of ion exchange water and stirred for 10 hours while bubbling with nitrogen at 85 ° C. The reaction product was separated into precipitates by centrifugation, the precipitates were further washed several times with pure water, repeated centrifugation, and then dried at 40 ° C. under reduced pressure. The brown powder thus obtained was subjected to FT-IR measurement. 60 (OH) 12 This powder was confirmed to be the polyhydroxyl fullerene as the target substance.
[0054]
The polyhydroxy fullerene agglomerated pellets were then produced by taking 90 mg of this polyhydroxy fullerene powder and pressing in one direction so as to form a round pellet with a diameter of 15 mm. The press pressure at this time is about 7 tons / cm 2 Met. As a result, this polyhydroxide fullerene powder was excellent in moldability even though it did not contain any binder resin or the like, and could be easily pelletized. The pellet is about 300 microns thick.
[0055]
The synthesis of polyhydroxy fullerene hydrogensulfate (total esterification) was similarly conducted with reference to the above-mentioned literature. 1 mg of polyhydroxy fullerene powder was dropped into 60 ml of fuming sulfuric acid and stirred at room temperature in a nitrogen atmosphere for 3 days. The obtained reaction product was dropped little by little into anhydrous diethyl ether cooled in an ice bath, and the precipitate was separated by centrifugation, and further three times with diethyl ether and a 2: 1 mixture of diethyl ether and acetonitrile. After washing twice with the liquid, it was dried at 40 ° C. under reduced pressure. When TF-IR measurement was performed on the powder thus obtained, the IR spectrum of all the hydroxyl groups hydrogenated to hydrogen sulfate shown in the above-mentioned document was almost identical, and this powder was the target substance. I was able to confirm.
[0056]
In addition, the polyhydroxyl fullerene hydrogensulfate agglomerated pellets were produced by taking 70 mg of the polyhydroxylfullerene hydrogensulfate agglomerated powder and pressing in one direction so as to form a circular pellet with a diameter of 15 mm. The press pressure at this time is about 7 tons / cm 2 Met. As a result, although this powder did not contain any binder resin or the like, it was excellent in moldability and could be easily pelletized. The pellet is about 300 microns thick.
[0057]
Furthermore, the synthesis of polyhydroxyl fullerene hydrogensulfate (partially esterified) 70 Containing about 15% 60 / C 70 2 g of the powder of the fullerene mixture was poured into 30 ml of fuming sulfuric acid and stirred for 3 days while maintaining the temperature at 60 ° C. in a nitrogen atmosphere. The obtained reaction product was dropped little by little into diethyl ether cooled in an ice bath. However, in this case, diethyl ether that had not been dehydrated was used. The resulting precipitate was separated by centrifugation, further washed three times with diethyl ether and twice with a 2: 1 mixture of diethyl ether and acetonitrile, and then dried at 40 ° C. under reduced pressure. The powder thus obtained was subjected to FT-IR measurement. As a result, partial hydroxyl group and OSO as shown in the above-mentioned document were obtained. 3 It almost coincided with the IR spectrum of the fullerene derivative containing an H group, and it was confirmed that this powder was the target substance.
[0058]
Furthermore, polyhydroxy fullerene hydrogensulfate agglomerated pellets can be produced by taking 80 mg of polysulfuric acid fullerene powder partially hydrogenated and pressing in one direction so as to form a circular pellet with a diameter of 15 mm. Went. The press pressure at this time is about 7 tons / cm 2 Met. As a result, although this powder did not contain any binder resin or the like, it was excellent in moldability and could be easily pelletized. The pellet was about 300 microns thick.
[0059]
In the above-described embodiment, a membrane made of polyhydroxy fullerene is used as the proton conducting membrane, but the proton conducting membrane is not limited to this. The polyhydroxylated fullerene is a fullerene molecule as a base material, and a hydroxyl group is introduced into its constituent carbon molecule. However, the base material is not limited to the fullerene molecule, and any carbonaceous material having carbon as a main component may be used.
[0060]
This carbonaceous material includes carbon clusters, which are aggregates formed by bonding several to several hundred carbon atoms, regardless of the type of carbon-carbon bond, and tubular carbonaceous materials (commonly called carbon Nanotubes) may be included.
[0061]
As the former carbon cluster, there are various carbon clusters having a closed surface structure similar to a sphere or a long sphere formed by aggregating a large number of carbon atoms as shown in FIG. Further, a part of the sphere structure of these carbon clusters as shown in FIG. 10 is lost, and the carbon cluster having an open end in the structure, most of the carbon atoms as shown in FIG. 11 are SP3 bonded. Carbon clusters having a diamond structure and carbon clusters in which these clusters are variously bonded as shown in FIG. 12 may be included.
[0062]
Further, the group to be introduced into this type of matrix is not limited to a hydroxyl group, but may be any proton dissociable group represented by -XH, more preferably -YOH. Here, X and Y are any atoms or atomic groups having a divalent bond, H is a hydrogen atom, and O is an oxygen atom. Specifically, in addition to the -OH, a hydrogen sulfate ester group -OSO 3 H, carboxyl group -COOH, other -SO 3 H, -OPO (OH) 2 It is preferable that it is either.
[0063]
Moreover, the high conductivity glass of the proton (hydrogen ion) created by the sol-gel method may be sufficient. This highly conductive glass is, for example, phosphoric acid-silicate (P 2 O 5 -SiO 2 ) Based glass, the metal alkoxide raw material is hydrolyzed to produce a gel, and heated at 500-800 ° C. to produce glass. This glass has fine pores of about 2 nanometers, moisture is adsorbed there, and proton movement is promoted.
[0064]
Furthermore, an organic-inorganic hybrid ion exchange membrane may be used. This is a composite film in which polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), polytetramethylene oxide (PTMO), etc., and silica are combined at the molecular level, such as monodotecil phosphate (MDP) and 1,2-tang Dotrinic acid (PWA) or the like is doped as a proton conductive donor.
[0065]
Alternatively, a self-humidifying electrolyte membrane may be used. For example, as shown in FIG. 13, this film has a very small amount of platinum ultrafine particle catalyst and oxide (TiO 2). 2 ・ SiO 2 ) Highly dispersed ultrafine terminals. By reversing the hydrogen and oxygen that cross over, water is generated on the platinum catalyst, and the generated water is adsorbed and retained by the ultrafine oxide particles, thereby humidifying the membrane from the inside and keeping the moisture content high. It is. Then, a very small amount of platinum ultrafine particles (0.09 mg / cm 2 ) And TiO with a particle size of 5 nm 2 Pt-TiO with highly dispersed ultrafine particles (3% of dry Nafion weight) 2 When a dispersion membrane is used as an electrolyte, it is extremely stable and high performance (approximately 0.6 W / cm at 0.4 to 0.6 V) even in a completely non-humidified state. 2 Battery operation is possible.
In any of the above-described modifications, humidification is unnecessary for proton conduction, and the effect in the present invention is not changed.
[0066]
As described above, when the electrolyte membrane 11 made of a proton conductor that does not contain moisture is used as the electrolyte membrane, it is not necessary to humidify the hydrogen gas, it is not necessary to provide a humidifier, and the installation space for the humidifier is reduced. Since the separator is not provided, the separator does not need to have a complicated shape, and the fuel cell can have a compact configuration.
[0067]
As described above, the present invention Fuel cell , Separator is Since it is formed mainly from a resin having no electrical conductivity, it is possible to select a resin with good moldability, and it is easy to mold such as molding without requiring a special technique for molding. In addition, an inexpensive resin material can be used to form a desired shape, and it can be manufactured at low cost and high productivity. In addition, the conductivity between cells can be ensured by the conductive member embedded in the resin. Since this conductive material is used in a small amount, , The cost of the palator is significantly reduced. The conductive material may be formed in any shape as long as it is configured to be electrically connected to the electrode film. However, if it is formed in a rod shape, it can be easily attached to the separator body. Alternatively, a wire shape or a ribbon shape is preferable because it is possible to ensure the attachment strength to the separator body when integrally forming with the separator body.
[0068]
Also, the present invention Fuel cell , Separator Is formed of a resin material body, and a conductive material capable of ensuring electrical continuity is provided on a part thereof, and at least a part of or the entire surface in contact with the electrode film is electrically conductive. By forming a conductive film, it becomes possible to collect current efficiently and continuously via the conductive film and the power generation element, and the electric power generated in each cell is connected by a conductive material. As described above, even when the conductive film is formed only on the portion that is in close contact with the electrode film surface, it is possible to collect current efficiently and continuously through the conductive film and the power generation element. The electric power generated in is connected by a conductive material.
[0069]
Also, Consists of fullerene derivatives having proton dissociable groups By using the electrolyte membrane, the separator does not need to be processed or devised for cooperation with a humidifying means for humidifying the hydrogen gas, and a simple and compact configuration can be achieved. In addition, since it is possible to have a configuration in which hydrogen is not humidified, a large amount of water is not generated unlike conventional fuel cells, so that it is not necessary to use a large-capacity water retaining means or a separator that considers water discharge. Become.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory view showing a fuel cell separator of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory view showing a part of a fuel cell using the fuel cell separator of the present invention.
FIG. 3 is a structural diagram of a polyhydroxylated fullerene as an example provided with a proton dissociable group having a fullerene molecule as a main constituent element.
FIG. 4 is a schematic view showing an example in which a fullerene molecule is used as a main component and a proton dissociable group is provided.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing an example of a carbon cluster.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing an example of a carbon cluster having an open end.
FIG. 7 is an explanatory diagram showing an example of a carbon cluster having a diamond structure.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing an example of a carbon cluster in which various clusters are bonded.
FIG. 9 is an explanatory diagram of a self-humidifying electrolyte membrane.
FIG. 10 is an explanatory diagram showing a conventional example.
[Explanation of symbols]
10 Fuel cell
11 Electrolyte membrane
12 Fuel-side electrode membrane
13 Air electrode membrane
14 Power generation element
15 Fuel separator
15a body
15b passage
15c conductive material
16 Air side separator
16a body
16b passage
16c conductive material
C cell
S stack

Claims (12)

電解質膜を燃料側の電極膜と空気側の電極膜とで挟持した発電素子と、
前記発電素子を両側から挟持するセパレータとを備え、
前記電解質膜は、プロトン解離性の基を有するフラーレン誘導体からなり、
前記セパレータは、樹脂材料からなる本体の少なくとも厚さ方向に、電気的導通を確保可能な導電性材料が埋設され
燃料電池
A power generation element having an electrolyte membrane sandwiched between a fuel-side electrode membrane and an air-side electrode membrane ;
And a clamping Soo Rousset comparator the generator element from both sides,
The electrolyte membrane is composed of a fullerene derivative having a proton dissociable group,
The separator is embedded with a conductive material capable of ensuring electrical conduction in at least the thickness direction of the main body made of a resin material .
Fuel cell .
前記プロトン解離性の基は、−OH,−OSO3H,−COOH,−SO3Hまたは−OPO(OH) 2 のいずれかである
請求項1記載の燃料電池。
The fuel cell according to claim 1, wherein the proton dissociable group is any one of —OH, —OSO 3 H, —COOH, —SO 3 H, and —OPO (OH) 2 .
前記樹脂材料は実質的に水素ガスを透過しない材料からな
求項1記載の燃料電池
The resin material that Do a material substantially impermeable to hydrogen gas
The fuel cell of Motomeko 1, wherein the.
前記導電性材料はカーボンまたは金属からな
求項1記載の燃料電池
The conductive material that Do carbon or metal
The fuel cell of Motomeko 1, wherein the.
前記金属は耐酸性の材料からな
請求項4記載の燃料電池
The metal that Do from acid-resistant material
The fuel cell according to claim 4 .
前記導電性材料は、セパレータ本体を成形加工した後に埋設されてな
求項1記載の燃料電池
The conductive material that Do is embedded the separator body after molding
The fuel cell of Motomeko 1, wherein the.
前記導電性材料は、セパレータ本体の成形加工と同時に一体成形により埋設されてな
求項1記載の燃料電池
The conductive material that Do is embedded by integrally molding simultaneously with the molding of the separator body
The fuel cell of Motomeko 1, wherein the.
前記導電性材料は、ロッド状、ワイヤ状、リボン状のいずれかとして形成されてな
求項1記載の燃料電池
Wherein the conductive material is a rod-like, wire-like, that Do is formed as either ribbon
The fuel cell of Motomeko 1, wherein the.
電解質膜を燃料側の電極膜と空気側の電極膜とで挟持した発電素子と、
前記発電素子を両側から挟持するセパレータとを備え、
前記電解質膜は、プロトン解離性の基を有するフラーレン誘導体からなり、
前記セパレータは、樹脂材料からなる本体の一部に、電気的導通を確保可能な導電性材料が設けられ、少なくとも前記電極膜と接触する面の一部または全面に、電気的導通を確保可能な導電性の皮膜が形成されてな
料電池。
A power generation element having an electrolyte membrane sandwiched between a fuel-side electrode membrane and an air-side electrode membrane ;
And a clamping Soo Rousset comparator the generator element from both sides,
The electrolyte membrane is composed of a fullerene derivative having a proton dissociable group,
In the separator, a conductive material capable of ensuring electrical continuity is provided on a part of a main body made of a resin material, and electrical continuity can be ensured on at least a part or the entire surface in contact with the electrode film. that Do a conductive coating is formed
Fuel cell.
前記プロトン解離性の基は、−OH,−OSO3H,−COOH,−SO3Hまたは−OPO(OH) 2 のいずれかである
請求項9記載の燃料電池。
The fuel cell according to claim 9, wherein the proton dissociable group is any one of —OH, —OSO 3 H, —COOH, —SO 3 H, and —OPO (OH) 2 .
前記導電性の皮膜はカーボンまたは金属からな
請求項9記載の燃料電池
Coating the conductive that Do carbon or metal
The fuel cell according to claim 9 .
前記金属は耐酸性の材料からな
請求項11記載の燃料電池
The metal that Do from acid-resistant material
The fuel cell according to claim 11 .
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