JP4768261B2 - 電解質層を通過するメタノールを制限する基本燃料電池要素 - Google Patents

Description

この発明は、プロトン交換膜（ＰＥＭ）型燃料電池、特に燃料としてメタノール又は他のアルコールを用いるダイレクトメタノール型燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell：ＤＭＦＣ）の分野に関する。本発明は特に、携帯装置、すなわち軽量かつ小型の装置へ電力を供給するよう構成された燃料電池に適用される。

燃料電池は通常、燃料として水素を、酸化剤として酸素を用いる。携帯装置に電力を供給するよう構成された燃料電池の場合、燃料によって占められる体積は最低限でなければならない。液体燃料のエネルギー密度は通常、水素の密度よりも大きいので、液体燃料が燃料として好まれる。

他の燃料電池におけるように、燃料は、アノードで触媒作用によって酸化されて、陽子（プロトン）、電子、そして引き続き酸化生成物を生成するよう意図されており、これにより二酸化炭素が生成され得る。次いで、通常ナフィオン（商標）型のプロトン導電膜から構成されている電解質層は、酸素と反応して水を形成するために、陽子をカソードへ向けて移動させる。この種の燃料電池の主な困難は、電解膜を介して燃料を浸透させ、カソードで直接酸素と反応させることである。この反応は、２つの主な結果を有する。第１に、カソードにハイブリッド電圧（hybrid voltage）を生成して電池のグローバル電圧（global voltage）、及び組立体の稼動耐久性を減少させる燃料の過度の消費を低減する。その上、プロトン導体は陽子の通過を容易にするために水の系（aqueous system）を含み、かつ燃料は混和性を有するこの水の系内で非常に敏速に拡散するので、電解質層中で燃料が横方向に移動するのを回避することは実質的に不可能である。

特許文献１は、パラジウム、ニオブ、タンタル、又はバナジウムから形成されたシールドバリヤ（sealed barrier）がアノードとカソードとの間に配置され、好ましくはカソードと接続されたシリコン基板を有する燃料電池を開示している。この原理は純粋に物理的であり、換言するとこの薄層はメタノールの前で経路に対して障害を形成する。その上、この方法は、次のような２つの主な不都合な点を有する：
−金属膜における吸収反応／拡散反応／脱着反応によって引き起こされる陽子（プロトン）の移動が減速する；
−膜における水の移動を妨げ、その結果乾燥区域の生成を妨げ、したがってイオン伝導を少なくする。
国際公開第０１／３７３５７号パンフレット

本発明の目的は、これらの不都合な点を克服すること、及び電解質層に存在するメタノールを用いることによって燃料電池の効率を増加させつつ、メタノールが電解質層を通過してカソードまで到達するのを防止するという異なる思想を提出すること、である。

上述の目的を達成するために、本発明の主な目的は、カソードとアノードとの間に電解質層を備えた基本燃料電池要素を提供することである。

本発明によれば、アノードは、電解質層に配置され埋め込まれる内部部分を備え、該内部部分は、片側のみで電解質層に接触する外部部分と電気的に接続されている。

好ましくは、電解質層は、薄層の形態又は被膜の形態である。

この内部部分は、異なる材料からなる複数の被膜から構成されてよい。

内部部分は好ましくは、外部部分と平行である。

内部部分はまた、少なくとも一つの泡から構成されてもよい。

内部部分は好ましくは、一つ又は複数の格子の形態で形成することができる。

本発明に係る基本要素の一つの好ましい実施例では、燃料は、好ましくはエタノール、メタノール、及びエチレングリコールから選択された、アルコールである。

本発明及び本発明の様々な詳細な特徴は、２つの図面と共に次の説明を読んだ後、より良く理解されるであろう。

上述の目的を達成する方法は常に、燃料がカソードへ到達する前に、燃料を電解質層で反応させることからなる。

図１は、使用される原理を明確に示す、基本要素（basic element）の一部を示す断面図である。電解質層３又は４は、構成要素のほとんどを占める。一方の側では、換言すると右側では、従来の位置である電解質層４の右側部分の外面上にカソード２がある。アノードの外部部分１１は、電解質層３の外面の左側部分にある。アノードはまた、外部部分１１と平行でかつ電解質層に埋め込まれた内部部分１２から構成されている。アノードは、接続部１０を介して外部部分へ電気的に接続されている。接続部１０、外部部分１１、及び内部部分１２から構成されたこの組立体は、要素の外側に位置するコネクタ１３に電気的に接続されている。アノードの内部部分１２が、機械的に交差することのできないバリヤを形成する平板又は固体層から構成されているのではなく、格子状に形成されていることに留意することは重要である。格子は複数の異なる形態とすることができ、網は円、正方形、六角形、又は他の形状とすることができ、これにより膜の水含有量を釣り合わせる陽子の通過と水の移動とが許容される。アノードと、特に内部部分１２から構成された格子とは、パラジウム、プラチナ、又はルテニウム、或いは他のもののような、燃料を酸化させることのできる材料から形成されねばならない。したがって、この内部部分は、外部のアノードで反応しない燃料がこのレベル（level）で反応することを可能にし、その結果カソードに到達する燃料量は最小量となる。

電解質層は、あらゆるプロトン導電性ポリマー、例えばナフィオン（商標）とすることができる。電極は好ましくは、プラチナをベースにしている。燃料は、例えばエタノール、メタノール、エチレングリコールのようなアルコールとすることができる。

電解質層３及び４の内部に示された矢印は、どのように燃料がアノードからカソードへ移動するかを示すとともに、アノードの内部部分の存在による移動現象の限界を示す。水を生成する酸素との陽子反応は、カソード２の近傍で起こる。

アノードの内部部分１２のみが、これらの図には示されている。しかしながら、複数の内部部分１２を、外部部分１１と電気的に接続することができる。

図２は、基本燃料電池要素のより詳細な実施例のための部分断面を示し、特に製造方法を示す。

製造は、組立体を支持するためにシリコン基板２５を用いて行われる。図の左側に示されたこの組立体には、上面に垂直にかつ傾斜面２７上に、酸素供給管２６が設けられている。したがってシリコン基板２５全体は、内部に組立体が形成されねばならない皿を形成する。

組立体の第１製造段階は、シリコン基板２５の表面上に一つ又は複数の皿をエッチングする段階からなる。図２は、これらの皿の一つの端縁部の形状を示す断面図である。これらの皿は、化学侵食（chemical aggression）によって、より詳細には例えば高温水酸化カリウム（hot potassium hydroxide）を用いた基本侵食によって加工される。

第２段階は、基板２５内の皿の底に気相蒸着することによって、金属集電装置から構成されたカソード２０を堆積する段階からなる。カソード２０の厚さは、１マイクロメートルのオーダーである。

第３段階は、コーティングを適用することによってカソード２０上に活性層３５を堆積し、酸素還元反応（oxygen reduction reaction）に触媒作用を及ぼす段階からなる。この活性層３５は、プラチナがコーティングされたグラファイトとＰＶＤＦ結合剤（ポリフッ化ビニリデン・バインダ（poly-vinylidene fluoride binder））との混合物である。この層は数マイクロメートルの厚さを有する。

第４段階は、電解質層２３の第１部分を堆積する段階からなり、この堆積は傾斜面２７によって形成された皿の端縁部まで第１活性層３５を覆わなければならない。電解質層２３は、コーティングを適用することによって形成されたナフィオン（商標）溶液である。この層は約２０μｍの厚さを有する。乾燥させる前に、遠心分離器機にかけることによって放散が行われる。電解質層２３はまた、次の生成物のうちの一つから構成することができる：ポリイミド、スルホン化ポリエーテル・サルホン、スルホン化ポリスチレン、及びこれらのスルホン化誘導体、スルホン化ポリエーテル・セトン（sulfoned polyethercetone）、及びこれらのスルホン化誘導体、スルホン化ポリペンゾ・オキサゾール（sulfoned polybenzoxazole）、ポリペンゾ・イミダゾール（polybenzimidazole）、及びこれらの誘導体、パラフェニレン及びポリパラキシレンのようなポリアリレン（polyarylene）、及びこれらのスルホン化誘導体。電解質層は薄層の形態で堆積することができる。

次の段階は、この実施例では漏れがない訳ではない単一の層から構成されているが、異なる材料の複数の層から構成することのできる、アノードの内部部分３２を堆積する段階からなる。内部部分３２は気相蒸着（ＰＶＤ）される。この堆積は、格子を形成するための機械的なマスキングを用いてアルゴンプラズマ中３ｍｂａｒの圧力で行われる。このアノードの内部部分３２は、皿の側面に連続しており、より正確には、外部部分と同じ堆積によって形成され電気的接触部３０を形成するプレートを延長することによって傾斜面２７に続いている。外部部分３１もまたアノードを形成するものである。これにより、アノード全体は電気的に同質となる。

次の段階は、第１部分と同一の方法で電解質層２３の第２部分を堆積する段階からなる。

次の段階は、ナフィオン（商標）と混合された、プラチナでコーティングされた炭素から構成されたコーティングを適用することによって、アノード端部で活性層３５を堆積することである。アノードの外部部分３１は、プラズマ陰極スパッタリング（plasma cathodic sputtering）によって得られる。外部部分は、皿の端縁部まで、換言すると接続部３０まで続く。組立体の外側で、この層は、気相蒸着によって堆積され、アノードの内部部分３２と同一の材料から形成されたコネクタ３４を形成するように延伸されている。このように基板２５の皿形状によって、外部部分３１及び内部部分３２から構成された２つのアノード層を互いに接続して、接続部３０を形成することが可能となる。

一つの内部部分３２のみが図２に示された実施例に示されている。複数の連続した内部部分をより大きな電解質層に挿入することができることを予想することは容易にできる。

様々な層の堆積はまた、化学的には気相蒸着によって、スパッタリングによって、コーティングによって、浸漬によって、又は遠心分離によって、形成することができる。

特に、この発明は、燃料としてメタノールを用いて、又は使用済電解質層を通って移動する他の液体燃料又は気体燃料を用いて、作動する燃料電池システムに適用できる。本発明はまた、気体に対して過度の透過性を有する非常に薄い膜の場合に燃料として水素を用いる電池にも使用することができる。

本発明に係る基本要素の一般的な原理を示す断面図である。 本発明に係る基本要素の特定の実施例を示す部分断面図である。

３，２３ 電解質層
１１，３１ 外部部分
１２，３２ 内部部分
２０ カソード

Claims (8)

1. アノードとカソードとの間に電解質層（３，２３）を有する基本燃料電池要素であって、
   前記アノードは、燃料を酸化させることのできる材料から形成され、
   前記アノードは、内部部分（１２，３２），外部部分（１１，３１）及び接続部（１０，３０）を備え、
   前記内部部分（１２，３２）は、前記電解質層（３，２３）に埋め込まれており、
   前記外部部分（１１，３１）は、前記内部部分（１２，３２）と対向する一側面でのみ前記電解質層（３，２３）と接触しており、
   前記内部部分（１２，３２）と前記外部部分（１１，３１）は、前記接続部（１０，３０）によって電気的に接続されていることを特徴とする基本燃料電池要素。
2. 請求項１記載の基本燃料電池要素において、
   前記電解質層（３，２３）は、薄層の形態であることを特徴とする基本燃料電池要素。
3. 請求項１記載の基本燃料電池要素において、
   前記電解質層（３，２３）は、被膜の形態であることを特徴とする基本燃料電池要素。
4. 請求項１記載の基本燃料電池要素において、
   前記内部部分（１２，３２）は好ましくは、前記アノードの前記外部部分（３１）と平行であることを特徴とする基本燃料電池要素。
5. 請求項１又は４記載の基本燃料電池要素において、
   前記内部部分（３２）は、少なくとも一つの格子から構成されていることを特徴とする基本燃料電池要素。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の基本燃料電池要素において、
   前記内部部分（３２）は、異なる材料からなる複数の層から構成されていることを特徴とする基本燃料電池要素。
7. 請求項１記載の基本燃料電池要素において、
   前記燃料は、アルコールであることを特徴とする基本燃料電池要素。
8. 請求項７記載の基本燃料電池要素において、
   前記アルコールは、エタノール、メタノール、及びエチレングリコールから選択されたものであることを特徴とする基本燃料電池要素。

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