説明

燃料電池

【課題】発電特性を高く維持しつつ、製造コストを抑えることができると共に、製造効率を高めることができる燃料電池を提供する。
【解決手段】電解質1をアノード2及びカソード3で挟み、さらにこれを一対のセパレータ4,5で挟んで形成される燃料電池に関する。カソード3側のセパレータ5の親水性がアノード2側のセパレータ4の親水性よりも高い。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、自動車用電源等として用いられる固体高分子形等の燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【0002】
近年、石油や石炭等の化石燃料が燃焼されて多量の二酸化炭素が大気中に排出され、このことを原因とする地球温暖化問題が深刻さを増している。こうした中で、クリーンな発電システムであって省エネルギー効果が期待される燃料電池が注目を浴び、様々な分野においてその実用化が検討されている(例えば、特許文献1、2参照。)。
【0003】
図1は燃料電池の一例を示すものであり、この燃料電池は、電解質1をアノード2及びカソード3で挟み、さらにこれを一対のセパレータ4,5で挟んで形成されている。そして、アノード2側のセパレータ4に設けた流路6を通して水素をアノード2に供給すると共に、カソード3側のセパレータ5に設けた流路7を通して酸素又は空気をカソード3に供給することによって、水素と酸素を電気化学的に反応させると、電気エネルギーを取り出すことができるものである。
【0004】
通常図1に示すような単セルの発電量は少ないので、数十枚から数百枚の単セルを積層することによって、燃料電池はスタックとして形成されている。そしてさらに発電特性を高めるためにセパレータ4,5の表面には親水化処理が施されている。
【特許文献1】特開2006−19252号公報
【特許文献2】特開2006−216481号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、上記のように製造される燃料電池にあっては製造コストが高く、広く普及するには至っておらず、コストダウンが強く望まれている。
【0006】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、発電特性を高く維持しつつ、製造コストを抑えることができると共に、製造効率を高めることができる燃料電池を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の請求項1に係る燃料電池は、電解質1をアノード2及びカソード3で挟み、さらにこれを一対のセパレータ4,5で挟んで形成される燃料電池において、カソード3側のセパレータ5の親水性がアノード2側のセパレータ4の親水性よりも高いことを特徴とするものである。
【0008】
請求項2に係る発明は、請求項1において、カソード3側のセパレータ5の表面張力が510μN/cm以上であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【0009】
本発明の請求項1に係る燃料電池によれば、発電特性を高く維持しつつ、製造コストを抑えることができると共に、製造効率を高めることができるものである。
【0010】
請求項2に係る発明によれば、水詰まりが抑制され、発電時の電圧の脈動を低減させることができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【0011】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【0012】
図1は本発明に係る燃料電池の一例を示すものであり、この燃料電池は、電解質1をアノード2(燃料極)及びカソード3(空気極)で挟み、さらにこれを一対のセパレータ4,5で挟むことによって形成されている。この燃料電池は単セルとして形成されているが、実用的にはこの単セルを複数積層することによってスタック(図示省略)を製造するものである。
【0013】
電解質1としては、例えば、プロトン伝導性の高分子膜を用いると固体高分子形(PEFC)の燃料電池を製造することができる。また電解質1としてリン酸を用いると、リン酸形(PAFC)の燃料電池を製造することができる。また電解質1として溶融炭酸塩を用いると、溶融炭酸塩形(MCFC)の燃料電池を製造することができる。また電解質1として安定化ジルコニアを用いると、固体電解質形(SOFC)の燃料電池を製造することができる。
【0014】
アノード2及びカソード3としては、例えば、固体高分子形の燃料電池を製造する場合には、カーボンペーパーに白金等の触媒を塗布したものを用いることができる。またリン酸形の燃料電池を製造する場合には、アノード2として、カーボン材に白金又は白金・ルテニウム合金触媒を塗布したものを用い、カソード3として、カーボン材に白金を塗布したものを用いることができる。また溶融炭酸塩形の燃料電池を製造する場合には、アノード2として、ニッケルを主成分としてクロムやアルミが添加された材料を用い、カソード3として、酸化ニッケルを用いることができる。また固体電解質形の燃料電池を製造する場合には、アノード2として、ニッケルと安定化ジルコニアの混合焼結体であるNi/YSZサーメットを用い、カソード3として、ランタナマンガナイトを用いることができる。
【0015】
そして、セパレータ4,5としては、例えば、カーボンモールドセパレータを用いることができる。すなわち、合成樹脂及び黒鉛を含む樹脂組成物を成形したものをセパレータ4,5として用いることができる。
【0016】
ここで、合成樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ジアリルフタレート樹脂等の熱硬化性樹脂や、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリアミド樹脂、アクリル樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリカーボネート樹脂等の熱可塑性樹脂を用いることができる。
【0017】
また黒鉛としては、メソカーボンマイクロビーズ等の炭素質を黒鉛化したもの、石炭系コークスや石油系コークスを黒鉛化したもの、黒鉛電極や特殊炭素材料の加工粉、天然黒鉛、キッシュ黒鉛、膨張黒鉛等の黒鉛粒子を用いることができる。
【0018】
上記合成樹脂及び黒鉛は、例えば、ニーダー、ミキサー、ボールミル等の混練機を用いて混練され、セパレータ成形用の樹脂組成物が調製される。このとき樹脂組成物における合成樹脂と黒鉛の配合割合は、例えば、合成樹脂10〜30質量%、黒鉛70〜90質量%に設定することができる。そして、圧縮成形、射出成形、トランスファー成形等の成形方法を使用して、樹脂組成物を成形することによって、図1に示すようなセパレータ4,5を製造することができる。このとき設けられる水素用又は酸素用の流路6,7は例えばサーペンタイン形状に形成することができる。
【0019】
ただし、本発明においては、カソード3側のセパレータ5の親水性がアノード2側のセパレータ4の親水性よりも高くなるようにしてある。すなわち、親水性を高めるための親水化処理をカソード3側のセパレータ5に施し、アノード2側のセパレータ4には施さないようにしてある。このように、カソード3側のセパレータ5に親水化処理を施して親水性を高めることによって、発電特性を高く維持することができるものである。また、アノード2側のセパレータ4には親水化処理を施さないようにして、この処理にかける費用・時間を節約することによって、製造コストを抑えることができると共に、製造効率を高めることができるものである。ここで、親水化処理としては、例えば、サンドブラスト処理、エアーブラスト処理、コロナ放電処理、プラズマ処理等を施すことができる。なお、カソード3側のセパレータ5に親水化処理を施さずに、アノード2側のセパレータ4に親水化処理を施しても、発電特性を従来の燃料電池と同程度に高めることはできない。
【0020】
そして特に、カソード3側のセパレータ5の表面張力が510μN/cm以上(実質的な上限は730μN/cm)であることが好ましい。このようにカソード3側のセパレータ5の表面張力を設定すると、水詰まり(フラッディング現象)が抑制され、発電時の電圧の脈動を低減させることができるものである。しかし、カソード3側のセパレータ5の表面張力が510μN/cm未満であると、上記のような効果を十分に得ることができないおそれがある。
【0021】
そして、上記のように形成された燃料電池において、アノード2側のセパレータ4に設けた流路6を通して水素をアノード2に供給すると共に、カソード3側のセパレータ5に設けた流路7を通して酸素又は空気をカソード3に供給することによって、水素と酸素を電気化学的に反応させると、電気エネルギーを取り出すことができるものである。
【実施例】
【0022】
以下、本発明を実施例によって具体的に説明する。
【0023】
(実施例1)
財団法人日本自動車研究所製の標準単セル(電極面積25cm)を分解し、カソード側のセパレータのみにサンドブラスト処理を施すことによって、カソード側のセパレータの親水性をアノード側のセパレータの親水性よりも高めた後、再度組み立てた。サンドブラスト処理によってカソード側のセパレータの表面張力は510μN/cmとなった。一方、アノード側のセパレータの表面張力は420μN/cmであった。なお、セパレータの流路はカソード側もアノード側もサーペンタイン形状に形成されている。
【0024】
そして、アノードに水素、カソードに空気を燃料として供給すると共に、アノード利用率を70%、カソード利用率を40%、電流掃引速度を2A/minに設定して、上記標準単セルの発電特性を調べた。その結果をI−V依存性を示すグラフとして図2(セル温度100℃)及び図4(セル温度90℃)に示す。なお、セル温度が100℃の場合には、露点温度を80℃、90℃、95℃、97℃に変化させ、またセル温度が90℃の場合には、露点温度を70℃、80℃、85℃、87℃に変化させた。
【0025】
(実施例2)
カソード側のセパレータの表面張力を650μN/cmとした以外は、実施例1と同様にして標準単セルの発電特性を調べた。
【0026】
(実施例3)
カソード側のセパレータの表面張力を730μN/cmとした以外は、実施例1と同様にして標準単セルの発電特性を調べた。
【0027】
(比較例1)
カソード側及びアノード側のセパレータの両方に親水化処理を施さないようにした以外は、実施例1と同様にして標準単セルの発電特性を調べた。なお、カソード側及びアノード側のセパレータの表面張力はいずれも420μN/cmであった。
【0028】
(比較例2)
カソード側及びアノード側のセパレータの両方にサンドブラスト処理を施すようにした以外は、実施例1と同様にして標準単セルの発電特性を調べた。なお、カソード側及びアノード側のセパレータの表面張力はいずれも580μN/cmであった。
【0029】
(比較例3)
カソード側及びアノード側のセパレータの両方にサンドブラスト処理を施すようにした以外は、実施例1と同様にして標準単セルの発電特性を調べた。なお、カソード側及びアノード側のセパレータの表面張力はいずれも730μN/cmであった。
【0030】
図2、図4にみられるように、セル温度が100℃の場合であっても90℃の場合であっても、カソード側のセパレータの表面張力が420μN/cm、510μN/cm、650μN/cmと増加するにつれて発電特性が高まっていることが確認される。
【0031】
また、図3、図5にみられるように、セル温度が100℃の場合であっても90℃の場合であっても、カソード側のセパレータのみに親水化処理を施した実施例3の標準単セルは、カソード側及びアノード側のセパレータの両方に親水化処理を施した比較例2、3の標準単セルに匹敵するほどの発電特性を有していることが確認される。
【図面の簡単な説明】
【0032】
【図1】燃料電池(単セル)の一例を示す分解斜視図である。
【図2】セル温度が100℃の場合の実施例1〜3及び比較例1についてのI−V依存性を示すグラフである。
【図3】セル温度が100℃の場合の実施例3、比較例2、3についてのI−V依存性を示すグラフである。
【図4】セル温度が90℃の場合の実施例1〜3及び比較例1についてのI−V依存性を示すグラフである。
【図5】セル温度が90℃の場合の実施例3、比較例2、3についてのI−V依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
【0033】
1 電解質
2 アノード
3 カソード
4 セパレータ
5 セパレータ

【特許請求の範囲】
【請求項1】
電解質をアノード及びカソードで挟み、さらにこれを一対のセパレータで挟んで形成される燃料電池において、カソード側のセパレータの親水性がアノード側のセパレータの親水性よりも高いことを特徴とする燃料電池。
【請求項2】
カソード側のセパレータの表面張力が510μN/cm以上であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【公開番号】特開2008−243443(P2008−243443A)
【公開日】平成20年10月9日(2008.10.9)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−79336(P2007−79336)
【出願日】平成19年3月26日(2007.3.26)
【出願人】(000005832)松下電工株式会社 (17,916)
【出願人】(594156880)三重県 (58)
【Fターム(参考)】