JP5591990B2 - 電極−膜−電極の積層体中に集積された集電体を備える燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、第１電極と、前面と背面を有する電解質膜と、第２電極とを含む積層体を備え、かつ積層体中に集積され、第１電極と第２電極とにそれぞれ対応する第１集電体と第２集電体とを備える燃料電池であって、各集電体が、金属堆積を含み、流体を通すための複数の横断通路を備える燃料電池に関する。

プロトン交換膜（例えばＰＥＭＦＣすなわちＰｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ ）、またはＯＨ⁻陰イオン交換膜燃料電池型の燃料電池は、一般に直列で配置される多数の基本セルを備え、電解質膜によって分離されている陽極と陰極とを有する積層体を含む各基本セルを備える。積層体は、２つの集電プレートの間に配置され、一般にＥＭＥ（電極−膜−電極）型積層体と呼ばれる。一組の基本セルが、プレス・フィルタ型の組立体を形成する。

図１に示したように、基本セル１は、陽極２と陰極３と、２つの電極の間に配置されている電解質膜４を備える。ＰＥＭＦＣの場合、陽極２は、反応剤が水素である反応の場所（ｓｅａｔ）であり、陽極２の所で形成されたプロトンＨ^＋と酸素の間の反応が陰極３で生じ、水を形成する。電解質膜４は、プロトンＨ^＋を、陽極２から陰極３へ通過させるように設計される。

陽極２と陰極３にはそれぞれ、一方では、水素源用に純粋な水素、または改質されている、もしくは改質されていない炭化水素でよく、他方では、酸素源用に純粋な酸素または空気でよい反応源に接続された循環流路５ａと５ｂを介して水素と酸素が供給される。循環流路５ａと５ｂは、それぞれ陽極と陰極の外面によって区切られ、かつ電流を集電するように設計されているプレート６ａと、６ｂの内壁によって区切られている。プレート６ａと、６ｂは一般にＥＭＥ積層体を固定する燃料電池セパレータである。

各電極は、拡散層２ａと３ａならびに触媒層２ｂと３ｂによって形成される。したがって、各拡散層２ａまたは３ａは、対応する電極の循環流路５ａまたは５ｂと触媒層２ｂまたは３ｂとの間で、流体、すなわち酸素と水素と水とを、通過させることができる。電気化学反応が、陽極と陰極の触媒層のレベルの所で生じる。

集電プレート６ａと６ｂを使用することは、燃料電池の満足のいく動作にとって不可欠である。しかし、集電プレートは、セルの使用可能な質量エネルギー密度と体積エネルギー密度を著しく損なう恐れがある。さらに、そのような組立体は、嵩張り、かつ容易にその体積を小さくできない。しかし、携帯装置にエネルギーを供給するように意図された特定の用途では、同時にその性能を維持しながら、燃料電池は小サイズでなければならない。

したがって、欧州特許出願公開第１２８２１８５号は、基板の少なくとも１つの構成要素が、除去されるように設計され、第１集電体と、第１電極、電解質膜、第２電極を有する積層体と、第２集電体とを順に堆積するための支持体として働く基板から、円筒形の外形の燃料電池を提供することを企図している。第１電極と第２電極は各々、拡散層と触媒体を備え、第１集電体と第２集電体は、金属繊維のメッシュの形でよい。しかし、その燃料電池生産は、実施するにはあまり実用的でない。

本発明の目的は、従来技術の欠点を是正し、特に、高いエネルギー密度を有し、一方同時に、流体を有する少なくとも１つの電極−膜−電極積層体構成要素を容易に供給することを可能する燃料電池を提供することである。より具体的には、本発明の他の目的は、特にマイクロテクノロジ製作技術を用いて、小型化できる小サイズの燃料電池を提供することである。

本発明によれば、この目的は、第１集電体と第２集電体とが、前記電解質膜と、対応する前記電極との間で、前記電解質膜の前記前面と前記背面とにそれぞれ接して配置されているという事実によって達成される。

本発明の第１の発展形態によれば、第１集電体と第２集電体は、共に格子の形で構築される。

本発明の第２の発展形態によれば、第１集電体と第２集電体は、共に櫛の形で構築される。

本発明の第３の発展形態によれば、第１集電体と第２集電体は多孔性であり、横断通路が集電体の孔によって形成される。

好ましい実施形態によれば、第１集電体と第２集電体は各々、多孔領域と非多孔領域を交互に含み、横断通路が多孔領域の孔によって形成される。

その他の利点と特徴は、単に非制限的な例としてのみ与えられ、かつ添付の図面で提示された本発明の特定の実施形態の以下の説明から、さらに明らかになるであろう。

欧州特許出願公開第１２８２１８５号（２００３）の教示は、非円筒形の外形を備える燃料電池、例えば、ＥＭＥ積層体として知られ、平面層によって形成される電極−膜−電極積層体を備える燃料電池に適用することができる。

したがって、図２に示した燃料電池は、平面層によって形成されたＥＭＥ積層体を備えることができる。したがって、その積層体は、それぞれ拡散層２ａと３ａによって覆われた、それぞれ第１触媒層２ｂと第２触媒層３ｂが配置されている、前面４ａと、背面４ｂを有する電解質膜４を含む。第１触媒層２ｂと第１拡散層２ａが陽極２を形成し、第２触媒層３ｂと第２拡散層３ａが陰極３を形成する。

第１集電体７と第２集電体８は、ＥＭＥ積層体中で集積されている。つまり、ＥＭＥ積層体と第１集電体７および第２集電体８とが単一の集積された組立体を形成する。図２では、第１集電体７と第２集電体８が、それぞれ陽極２と陰極３の第１拡散層２ａと第２拡散層３ａの外面に接して配置されている。それらの各層は、流体を拡散層に通すことを可能にするように設計されている複数の横断通路７ａと８ａを含む金属堆積によって形成される。したがって、水素は陽極集電体７の横断通路７ａを通過して、陽極２の拡散層２ａに達することができ、酸素は陰極集電体８の横断通路８ａを通過して、陰極３の拡散層３ａに達する。同じように燃料電池の動作中に生成される水も同じ横断通路７ａと８ａを通して除去される。

この種の集積構成は、例えばファンを使用するなどのどんな外部エネルギーの供給も無しに、反応性流体の、または形成された流体の拡散を高めて、触媒層のレベルの所で生じる電気化学反応の間に発生する電子を収集することを可能にする。横断通路の数と分布のために、流体は拡散層の表面全体にわたって進入することができ、したがって触媒層の広い表面にわたって反応する。これは、特に電気化学反応の効率の改善を可能にする。

さらに、積層体上に集電体を集積することで、水素還元反応が生じて形成された電子を、対応する電極の集電体と触媒層の間の非常に短い間隔を循環させるようにできる。電子が走破する間隔は、ほぼ数μｍであるので、それが、プレス・フィルタ型装置によって後者が圧縮されない場合に、電極を構成する材料の電気伝導度のレベルに基づく抵抗損を防止する。その電極の電気伝導度は、ほぼ１Ｓ／ｃｍ〜１０Ｓ／ｃｍの範囲である。

しかし、そのような集電体の集積は、電極の損傷を引き起こし、その結果、燃料電池の性能を低下させる恐れがある。したがって、本発明によれば、金属堆積を含み横断通路を備える第１集電体と第２集電体が、電解質膜と対応する電極の間の電解質膜のそれぞれ前面と背面に接して配置されているという事実によって、この弱点は克服される。集電体が、好ましくは貴金属から選択された金属によって形成され、それらの金属は、より具体的には、酸燃料電池の場合には金または白金であり、アルカリ燃料電池の場合にはニッケルである。さらに、電極の触媒要素は、集電体中に形成された横断通路を通して積層体の電解質膜と直接接触した状態に維持されている。

燃料電池の特定の製造方法によれば、図３〜図１０に示したように、電解質膜４を、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）型のパーフルオロスルホン酸ポリマー層の形で基板８に接して堆積する（図３）。次いで、好ましくは、金、金クロム合金または金チタン合金製の金属層９を、蒸着によって電解質膜４の前面４ａに接して堆積する（図４）。

次いで、金属層上に架橋可能な材料で作成されたマスク１０を形成するためにフォトリソグラフィ段階を実施する（図５）。マスク１０は、空隙１０ａを含み（図６）、例えば、金または銅でめっき部が作製される。したがって、めっき部は、空隙１０ａの補完部に対応する隆起部１１を備える。いったん架橋可能な材料を除去した後に（図７）、金属層９をエッチングして（図８）、その結果、プロトンが陽極から電解質膜４へ、あるいは電解質膜４から陰極へ通過できるように設計された横断通路１２を備える。

したがって、めっき部の隆起部１１は、金属層９の横断通路１２の縁部に接して、それぞれ重ねられていて、その組立体が、第１集電体１３を形成する。次いで、第１電極を形成する触媒要素１４を電解質膜４と第１集電体１３によって形成された組立体の表面に接して薄膜の形で堆積する。次いで、横断通路を通して電解質膜４に直接接触するように第１集電体１３の横断通路１２を満たす。さらに隆起部１１を覆う。こうして組立体の燃料電池の半分が形成される。

次いで、電解質膜の背面を解放するために基板８を取り除くことによって、燃料電池の残りの部分を形成する。次いで、電解質膜４と第１集電体１３と第１電極１４によって形成された組立体を、保護層によって覆った場合はその後で、裏返す。次いで、図１０に示したように、第１集電体１３および第１電極１４と同一の方法で、第２集電体１５と第２電極１６を電解質膜４の背面４ｂに接して形成する。次いで、第２電極１６の触媒要素が電解質膜４の背面４ｂに直接接触した状態にするように第２集電体１５に形成された横断通路を満たし、かつ第２集電体１５を覆う。

ＥＭＥ積層体中に集電体を集積することにより、特に、マイクロテクノロジ分野で既知の堆積技術を使用することが可能になり、したがって、小型の燃料電池を製造することが可能になり、かつより迅速に製造することが可能になる。さらに横断通路を備え、電解質膜の前面と背面に接して配置された集電体を備える燃料電池は、プレス・フィルタ型のセルの特性と同等の固有の電気化学特性を与える。しかし、はるかに高い体積エネルギー密度または質量エネルギー密度を有し、かつはるかに嵩張らない。

集電体に接して電極を製作したこともそのような燃料電池の製造方法を簡単なものにする。実際、集電体に接して電極を配置すると、この燃料電池の製造にとって有利である。というのは、電極の触媒要素は集電体より脆いので、脆い要素をより堅固な要素に接して堆積する方が、その逆の場合より容易であるからである。これは、触媒要素の厚さが、もはや集電体によって制限されない、より頑強な燃料電池を得ることも可能にしている。

本発明は、特定の実施形態に限定されない。したがって、燃料電池は、集積された集電体を有する複数のＥＭＥ積層体を備えることができる。燃料電池は、どんな形状でもよく、例えば円筒形でもよい。集電体も、集電体内の電流の連続性を保証するような方法で配置した集電体の横断通路を有するどんな形状のものでもよい。したがって、図１１と図１２に示したように、集電体を格子の形（図１１）、または櫛の形（図１２）で構築することができる。例えば、櫛の形の集電体１３の場合、横断通路１２は、櫛の歯１７の間に形成される。さらに、横断通路の数と分布が、高い反応表面を触媒要素と電解質膜の間に保持することを可能にする。

集電体は、薄膜を得るための既知のどんな種類の方法によっても製造される。薄膜は、特に、物理気相成長（ＰＶＤ）によっても、化学気相成長（ＣＶＤ）によっても、リソグラフィによっても、または電気めっきによっても得られる。集電体は、均一な多孔体であるか、多孔領域と非多孔領域を交互に備えることもでき、どの場合も、孔が、集電体の横断通路の働きをする。

従来技術による燃料電池の基本セルの概略断面図である。 燃料電池の特定の実施形態の概略断面図である。 本発明に従って、燃料電池の製造の種々の段階を示す図である。 本発明に従って、燃料電池の製造の種々の段階を示す図である。 本発明に従って、燃料電池の製造の種々の段階を示す図である。 本発明に従って、燃料電池の製造の種々の段階を示す図である。 本発明に従って、燃料電池の製造の種々の段階を示す図である。 本発明に従って、燃料電池の製造の種々の段階を示す図である。 本発明に従って、燃料電池の製造の種々の段階を示す図である。 本発明に従って、燃料電池の製造の種々の段階を示す図である。 本発明による燃料電池の集電体の第１実施形態と第２実施形態の上面図である。 本発明による燃料電池の集電体の第１実施形態と第２実施形態の上面図である。

Claims (5)

1. 前面と背面とを有する電解質膜を提供する工程と、
   前記電解質膜の前面上に第１の金属層を堆積する工程と、
   第１の空隙を含む第１のマスクを前記第１の金属層上に形成する工程と、
   前記第１の金属層上の前記第１の空隙内に第１の隆起層が形成されるように第１の電気めっきを実行する工程と、
   前記第１のマスクを除去する工程と、
   第１の横断通路が形成されるように前記前面に至るまで前記第１の金属層をエッチング除去し、前記第１の隆起層と前記第１の金属層とで第１の集電体を形成する工程と、
   前記第１の集電体上に第１の触媒要素を堆積する工程と、
   を備え、
   前記第１の電気めっきは、前記第１の空隙の補完部に対応し、
   前記第１の触媒要素は、前記電解質膜と直接接するように前記第１の集電体の前記第１の横断通路を満たして前記第１の隆起層を覆い、
   前記第１の触媒要素は、第１の電極をなし、
   前記電解質膜の背面上に第２の電極を形成する工程をさらに備える、
   燃料電池の製造方法。
2. 前記第２の電極を形成する工程は、
   前記電解質膜の背面上に第２の金属層を堆積する工程と、
   第２の空隙を含む第２のマスクを前記第２の金属層上に形成する工程と、
   前記第２の金属層上の前記第２の空隙内に第２の隆起層が形成されるように第２の電気めっきを実行する工程と、
   前記第２のマスクを除去する工程と、
   第２の横断通路が形成されるように前記背面に至るまで前記第２の金属層をエッチング除去し、前記第２の隆起層と前記第２の金属層とで第２の集電体を形成する工程と、
   前記第２の集電体上に第２の触媒要素を堆積する工程と、
   を含み、
   前記第２の電気めっきは、前記第２の空隙の補完部に対応し、
   前記第２の触媒要素は、前記電解質膜と直接接するように前記第２の集電体の前記第２の横断通路を満たして前記第２の隆起層を覆い、
   前記第２の触媒要素は、第２の電極をなす、
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の製造方法。
3. 前記第１集電体と前記第２集電体が、共に格子の形で構築されることを特徴とする、請求項１または２に記載の燃料電池の製造方法。
4. 前記第１集電体と前記第２集電体が、共に櫛の形で構築されることを特徴とする、請求項１または２に記載の燃料電池の製造方法。
5. 前記第１集電体および前記第２集電体の金属が、貴金属から選択されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池の製造方法。