JP5251062B2

JP5251062B2 - 燃料電池用複合集電板及び燃料電池

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Publication number: JP5251062B2
Application number: JP2007260812A
Authority: JP
Inventors: 雅宏清藤; 和彦中川; 高明笹岡; 峰生和島
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Description

本発明は、コンパクト構造の燃料電池に使われるマルチ配線用の薄肉複合集電板及び燃料電池に係り、特に、耐食性・耐久性があり、電気抵抗ロスが少なく、高効率となる燃料電池用複合集電板及び燃料電池に関する。

燃料電池は、化学変化を直接に電気エネルギーに変えることができることから高効率であり、また、窒素や硫黄などを含む燃料を燃焼しないので、大気汚染物質（ＮＯｘ、ＳＯｘなど）の排出量が少なく、地球環境に優しいという特長を有する。この燃料電池には、固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）などがある。特に、ＰＥＦＣは、自動車や一般家庭などの電力用、モバイル機器電源や無停電電源として、将来普及することが期待されている。

図７に、液体燃料を用いる燃料電池のうち、メタノールを燃料とする燃料電池の発電原理を示す。このような電池はダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）と呼ばれている。

図７に示すように、ＤＭＦＣ７１では、燃料であるメタノールは水と混合した状態で燃料極７２に供給され、触媒によって水素イオンになり、同時に二酸化炭素（ＣＯ_２）ガスを発生する。水素イオンは、固体高分子電解質膜７３中を対極側に移動する。そのときイオン化した際の電子と酸化剤である酸素と水素イオンが空気極（酸化剤極）７４で反応し、水を生成する。この一連の反応で発電が行われ、電気エネルギーを取り出すことができる。

液体燃料および空気（酸化剤ガス）は、各々の物質が通過できる流路を備えた流路部材によってそれぞれの極に供給され、この流路部材は発電に際して発生（生成）する水やガスの排出も担う。

例えば、ＤＭＦＣである図８に示すような燃料電池セル８１は、固体高分子電解質膜８２と、その一方の面に設けられた燃料極８３と共にＭＥＡ（Membrane of Electrolyte Assembly）８４を構成する空気極（酸化剤極）８５と、ＭＥＡ８４の一方の面に対して複数の燃料流路８６を有する金属セパレータ８７と、ＭＥＡ８４の他方の面に対して複数の空気（酸化剤ガス）流路８８を有する金属セパレータ８９と、これら金属セパレータ８７，８９間に介在し、ＭＥＡ８４の周囲を封止する部材（シール部材）としてのガスケット９０とを備える。このような燃料電池セル８１は、通常、発電量増加のため、複数積層して使用される。

また、図９に示すような集電板（セパレータ）９２を有する従来の燃料電池９１においては、燃料極（アノード、図９において「−」で示す）と空気極（カソード、図９において「＋」で示す）の配列（積層状態）は、燃料極と空気極とが交互に、すなわち直列に配列されている。

ＤＭＦＣは、液体燃料であるメタノールを使用して電気エネルギーを取り出せるために、現在、二次電池を使用している小型携帯機器への利用が期待され、一部で実用化しつつある。最近、燃料電池車への応用検討が急速に進んできている燃料電池として、燃料に水素ガスを用いたＰＥＦＣがある。水素ガスを供給するためには、例えばメタノールや天然ガスを用い、改質器によって発生させた水素含有ガスを用いる方法がある。

これに対し、ＤＭＦＣでは、直接メタノールから水素イオンを取り出せるために、大幅に電池システムを小型化できる可能性を持っている。しかしＤＭＦＣは、その反面で水素ガスを燃料としたＰＥＦＣなどに比べて単電池（燃料電池セル）あたりの出力密度が低いため、現在、携帯機器などの消費電力の小さな機器への応用に限られて提案されている。また、液体燃料としてはメタノール以外にもジメチルエーテルなど使用可能な液体燃料があり、それぞれに実用化が研究されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１では、ＤＭＦＣの小型化、システムの簡素化を主眼にしており、発電に伴って生成する二酸化炭素ガス（ＣＯ_２）を排出する流路を燃料極側に形成することで、気体と液体を分離する装置が不要になり、ＤＭＦＣシステムが簡素化、小型化できることが記載されている。

また、図９の燃料電池９１においては、隣り合う燃料電池セルの間に、燃料と酸化剤を混合しないように分離して供給する必要があり、燃料および酸化剤の供給経路、ならびに排出物の排出経路が複雑に構成されるというデメリットがある。

ＤＭＦＣの小型化、システムの簡素化を主眼にしたものとして、図１１および図１２に示す膜電極複合体モジュール１１１がある。この膜電極複合体モジュール１１１では、谷線ｖに芯部材１１２を設けて集電板１１３を折り曲げることで、膜電極複合体モジュール１１１とフィルム付きの集電板１１３とを密着させる。

さらに、これを燃料タンク１１４を有するケース１１５に収納して図１０に示す携帯端末Ｐに用いる燃料電池１０１に組み込む方法も採られている（例えば、特許文献２参照）。また、この方法はＤＭＦＣに限らず、ＰＥＦＣにおいても適用できる方法である。

特開２００２−１７５８１７号公報特開２００６−０３１９６３号公報特開２００１−９３５３８号公報特開２００４−１５８４３７号公報

しかしながら、前述したコンパクトな燃料電池においても問題がある。それは、集電板自体の耐食性・耐久性、電気抵抗の問題である。

図９に示す積層型の燃料電池９１の場合、集電板９２は、セパレータと呼ばれ、集電板９２の役目と、燃料ガスと酸化剤ガスとを表裏で分離して流す役目とを兼ねている。このようなセパレータの場合、ＰＥＦＣ、ＤＭＦＣの応用にかかわらず、集電板９２の材質が、どのようであればよいか、多くの検討がなされている。

一例として、緻密性カーボンセパレータか、ステンレス鋼をベース材とし、その表面に貴金属を０．０１〜０．０６μｍメッキする技術（例えば、特許文献３参照）、さらにはＴｉ系耐食金属クラッド材に導電性・耐食性接点材を被覆する技術がある（例えば、特許文献４参照）。

一般に金属をセパレータ（集電板）として使用すると、ＳＵＳ母材の場合、表面処理がないと、母材金属元素の溶出の問題があり、燃料電池の触媒、電解質膜の特性を落としてしまい、寿命が極度に短くなる。また、ＳＵＳ、Ｔｉクラッドの場合、表面酸化被膜の影響で、表面接触抵抗が極度に大きくなり、すなわち電気抵抗ロスの点での劣化が大きくなって使用することができず、何らかの導電表面処理が必要となる。

図１０に示したような平面薄肉、コンパクトな複合配線の燃料電池１０１の場合も同様で、材質および表面処理の最適化が必要であるし、薄肉という点から、金属系の集電板１１３に限定される。さらに、この燃料電池１０１の場合、集電板１１３は、多孔多セルの配線構造となることから、導電処理金属材（Ｔｉ、ＳＵＳ）を用いたとしても、この種の耐食性金属は電気抵抗が大きく、電気抵抗増大の問題が残る。そのために、燃料電池特性が低くなってしまう問題がある。

したがって、前述したコンパクトな燃料電池においても、さらなる構造の最適化が望まれるところである。

そこで、本発明の目的は、コンパクトで高性能な燃料電池用複合集電板及び燃料電池を提供することにある。

本発明は前記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は
絶縁層に導電層を貼り合わせると共に、その絶縁層と導電層にこれらを貫通する貫通孔を形成し、前記導電層で電解質部を挟むように設けられる燃料電池用複合集電板において、
前記導電層を、Ａｕ、Ａｇ、又はＰｔからなるナノ皮膜を表面に形成したＴｉあるいはＳＵＳからなる第１の導電材と、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｓｎ、又はＳｎ合金のいずれかから選択されてなる第２の導電材とで形成し、かつ前記第１の導電材を、電池セルごとに独立したセル電極部として形成すると共に、前記絶縁層に間隔をおいて貼り付け、さらに各セル電極部同士を、前記第２の導電材からなる集電部で部分的に連結したことを特徴とする燃料電池用集電板である。

請求項２の発明は、隣り合うセル電極部同士をアノード集電板およびカソード集電板としてセル電極群を構成し、そのアノード集電板と、前記セル電極群に隣り合う隣接セル電極群のカソード集電板とを、前記集電部で連結した請求項１記載の燃料電池用集電板である。

請求項３の発明は、前記導電層を構成する前記第２の導電材を、電池セルごとに独立したメッシュシート状に形成し、これを前記セル電極部上に設けた請求項１または２記載の燃料電池用複合集電板である。

請求項４の発明は、前記セル電極部上に前記電解質部を設け、前記セル電極部間に位置する前記絶縁層を、その絶縁層を一直線に横断する折返し線で折り返し、前記電解質部に対応するセル電極部を重ねて電池セルを複数個形成した請求項１〜３いずれかに記載の燃料電池用集電板である。

請求項５の発明は、前記絶縁層を折り返す部分である折返し部と、前記絶縁層の周縁部とに、前記電解質部をシールするためのシール材を設けた請求項４記載の燃料電池用集電板である。

請求項６の発明は、請求項１〜５いずれかに記載した燃料電池用複合集電板を用いて作製された燃料電池である。

請求項７の発明は、前記燃料電池は、ダイレクトメタノール型燃料電池、あるいは固体高分子型燃料電池である請求項６記載の燃料電池である。

本発明によれば、電気抵抗が低く、薄く、省スペースであり、小型の燃料電池の性能を向上できる。

本発明者らは、前述したコンパクトな燃料電池における技術的課題に鑑み、その解決策として、燃料電池用の絶縁層と導電層を貼り合わせた燃料電池用複合集電板において、電解質部（発電部）と接する電極面はＴｉ、ＳＵＳなどの耐食性金属とし、その反対面である露出面はＣｕなどの電気抵抗が低い金属とすればよいと考えた。

従来から集電板に使用されている集電板のＴｉ、ＳＵＳは、耐食性はあるものの電気抵抗がかなり高く、この材料を使う限り、電気抵抗ロスは大きくなる。その抵抗値をＣｕと比較して表１に示す。

表１に示すように、ＳＵＳ、Ｔｉは、Ｃｕと比較すると電気抵抗率が３０〜４０倍高いことになる。したがって、集電板に、ほんのわずかでもＣｕのような導電材を組み込んだりして使用することができれば、電気抵抗は大幅に下げられることになる。しかし、Ｃｕのような材料を燃料電池内で露出させると、そのイオン溶出のために急激に特性を劣化させてしまう。

したがって、本発明者らは、Ｃｕのように低抵抗の第２の導電材を露出させず、集電板の内部に組み込むことにより、良好な特性を示す燃料電池を提供できると考え、鋭意研究した結果、本発明を完成した。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本発明の好適な第１の実施形態を示す燃料電池用複合集電板の展開図（平面図）である。

図１に示すように、第１の実施形態に係る燃料電池用複合集電板（以下、複合集電板）１は、簡略化した２セル（２電池セル）構造であり、絶縁層２と導電層３を貼り合わせ、これらを貫通する貫通孔４を複数個形成して主に構成され、導電層３で電解質部（発電部）２２（後述する図２、図３参照）を挟むように設けられる。

絶縁層２としては、片面に接着層を有する２枚のポリイミド絶縁シート（図１では紙面表面側のポリイミド絶縁シートを省略）を用いる。本実施形態では、これら２枚のポリイミド絶縁シートで導電層３を挟み込む構造とした。

導電層３の一方の面（電極面、図１では紙面裏面）は、ＭＥＡなどの電解質部（発電部）２２（後述する図２（ａ）および図２（ｂ）、図３参照）と接する面であり、導電層３の他方の面（絶縁層２を貼り合わせる前は露出面、図１では紙面表面）は、絶縁層２との貼り合わせ面である。

導電層３は、導電性表面処理したＴｉあるいはＳＵＳなどの耐食性金属からなる第１の導電材（第１の導体）５ａと、Ｃｕなどの低抵抗金属からなる第２の導電材（第２の導体）５ｂとで形成される。本実施形態では、耐食性金属の表面に、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔなどの貴金属のナノ膜を形成して導電性表面処理とした。

第２の導電材５ｂとしては、耐食性金属である第１の導電材５ａよりも電気抵抗が低いものを用いるので、例えば、ＣｕまたはＣｕ合金、ＡｌまたはＡｌ合金、ＳｎまたはＳｎ合金のいずれかであるとよい。

第１の導電材５ａは、各電池セルの極ごとに独立した４枚のセル電極部６ａ〜６ｄとして矩形板状に形成され、絶縁層２に間隔をおいて貼り付けられる。本実施形態では、絶縁層２の周縁と、隣り合うセル電極部６ａ〜６ｄ間とにおいて、厚さ方向が絶縁層２のみで構成される部分である。

図１では、複合集電板１の左側面がアノード面、右側がカソード面であり、左側の２枚のセル電極部６ａ，６ｃがアノード集電板、右側の２枚のセル電極部６ｂ，６ｄがカソード集電板である。

左右に隣り合うセル電極部６ａ，６ｂで１セル目のセル電極群６Ａを構成し、そのセル電極群６Ａの下に隣り合い、互いに左右に隣り合うセル電極部６ｃ，６ｄで２セル目のセル電極群（隣接セル電極群）６Ｂを構成する。

前述した電解質部と接する電極面（紙面裏側）に貼り合わせられる一方の絶縁層２には、各セル電極部６ａ〜６ｄと電解質部が直接接し、通電できるように、各セル電極部６ａ〜６ｄの外径に合わせて図示しない窓が開けられる。露出面（紙面表側）に貼り合わせられる他方の絶縁層には、各セル電極部６ａ〜６ｄと各メッシュシートｍａ〜ｍｄが露出しないように、貫通孔４の外径に合わせて窓が開けられる。

複合集電板１では、各セル電極部同士は、第２の導電材６ｂからなる集電部で部分的に連結される。より詳細にいえば、第１の実施形態では、セル電極群６Ａのカソード集電板であるセル電極部６ｂと、セル電極群６Ｂのアノード集電板であるセル電極部６ｃとを、斜めに形成した集電部７で連結した。

さらに、第２の導電材５ｂは、各セル電極部６ａ〜６ｄ上に重ね合わせられるように、電池セルの極ごとに独立したメッシュ状に形成され、これらが４枚のメッシュシートｍａ〜ｍｄとなる。

各メッシュシートｍａ〜ｍｄは、貫通孔４の孔配列に合わせ、目の中に所定数（図１では４個）の貫通孔４の周囲を覆うように、縦横に格子状に形成される（図１では目の数が１０個）。これらメッシュシートｍａ〜ｍｄは、板状の第２の導電材５ｂをプレスなどにより打ち抜き加工して形成するとよい。

本実施形態では、絶縁層２と第１の導電材５ａとを貫通する矩形状の貫通孔４を複数個（図１では、１つのセル電極部あたり４０個、合計１６０個）並列配列した。図１中左側の貫通孔４はメタノールなどの燃料流通孔４ｆであり、右側の貫通孔４は空気、酸素などの酸化剤ガス流通孔４ｇである。

貫通孔４は、絶縁層２に導電層３を貼り合わせた後に形成してもよいし、あらかじめ絶縁層２と導電層３とに、それぞれ孔を形成しておき、これら孔が一致するように絶縁層２に導電層３を貼り合わせて形成してもよい。

また、メッシュシートｍｂとメッシュシートｍｃの対向する角部を接続するように、前述した集電部７が連結される。メッシュシートｍａの周縁には、絶縁層２の周縁を横断して外方に延びるアノード側の取り出し電極８ａが形成され、メッシュシートｍｄの周縁には、絶縁層２の周縁を横断して取り出し電極８ａとは反対側の外方に延びるカソード側の取り出し電極８ｄが形成される。

これら取り出し電極８ａ，８ｄは、打ち抜き加工してメッシュシートｍａ〜ｍｄを作製する際に、集電部７と共に一括形成するとよい。

各セル電極部６ａ，６ｃ（あるいは６ｂ，６ｄ）上（図１では紙面裏面側）には、それぞれ前述した電解質部２２が合計２枚設けられる。また、複合集電板１では、厚さ方向が絶縁層２のみで構成される部分のうち、セル電極部６ａ，６ｃとセル電極部６ｂ，６ｄ間に位置する絶縁層折返し部２ｔを、これを上下に横断する中央の折返し線（山線）Ｔ１で折返し（図１では、紙面裏側に折り曲げ）、前述した電解質部２２上に対応する各セル電極部６ｂ，６ｄ（あるいは６ａ，６ｃ）を重ねることで、電池セルを２個形成する。

さらに、複合集電板１では、絶縁層折返し部２ｔの内側（図１では紙面裏面側）と、絶縁層２の周縁部の内側とに、前述した電解質部２２をシールするためのシール材Ｓが設けられる。

以上説明した構成の複合集電板１に、前述した電解質部２２を組み込み、絶縁層折返し線２ｔで折り返して組み立てると、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すＭＥＡモジュール２１が得られる。

このとき、１セル目の電池セルでは、絶縁層２である一方のポリイミド絶縁シート、メッシュシートｍａ、セル電極部６ａ、電解質部２２、セル電極部６ｂ、メッシュシートｍｂ、絶縁層２である他方のポリイミド絶縁シートを上下に重ねて密着させ、電解質部２２の周囲をシール材Ｓでシール接合して一体化する。２セル目の電池セルについても同様である。

電解質部（ＭＥＡ）２２は、固体高分子電解質膜２３と、その一方の面に設けられた燃料極としてのアノード側のガス拡散電極（アノードガス拡散層）２４ａと、他方の面に設けられた酸化剤極としてのカソード側のガス拡散電極（カソードガス拡散層）２４ｃとからなる。

このＭＥＡモジュール２１は、アノード側をメタノールなどの液体燃料を充填した燃料タンクに接した構造で、カソード側を空気に接する配置となるようにケース内に収納する（例えば、図１１と同様の構造）ことにより、ＤＭＦＣとなる。

ＭＥＡモジュール２１内では、各電解質部２２が、平面内で直列接続しており、取り出し電極８ａ，８ｄ間に、ＭＥＡ枚数分（第１の実施形態では、２枚）の起電力が生ずる。

次に、複合集電板１を用いた本実施形態に係る燃料電池の積層状態を、図３を用いて説明する。

図３に示すように、本実施形態に係る燃料電池３１では、アノード集電板（図３において「−」で示す）と、カソード集電板（図３において「＋」で示す）とは、アノード、カソード、カソード、アノード、アノード、カソード、カソードというように、それぞれアノード集電板同士、カソード集電板同士が対向した（隣り合った）配列となっている。

図３中では示していない（一点鎖線で示した部分に設けられる）が、対向したアノード集電板同士およびカソード集電板同士は、燃料流通路や酸化剤ガス流通路を有するセパレータなどで電気的に絶縁される。したがって、燃料電池３１では、集電板同士を図３の矢印で示される集合配線３２で部分的に接続する。

第１の実施形態の作用を説明する。

複合集電板１は、導電層３を、導電性表面処理した耐食性金属からなる第１の導電材５ａと、これよりも電気抵抗が低い金属からなる第２の導電材５ｂとで形成し、かつ第１の導電材５ａを電池セルごとに独立したセル電極部６ａ〜６ｄとして形成し、さらにセル電極部６ｂ，６ｃ同士を集電部７で連結している。

つまり、複合集電板１を用いてＭＥＡモジュール２１を組み立てると、各電解質部２２が第２の導電材５ｂからなる集電部７によって平面内で直列接続しており、複合集電板１がコンパクトな平面多層構造となっている。

さらに、この複合集電板１は、導電層３を構成する第２の導電材５ａを、電池セルごとに独立したメッシュシートｍａ〜ｍｄとしている。このため、複合集電板１を用いれば、各電池セルからの電流を電気抵抗が低いメッシュシートｍａ〜ｍｄを介して効率よく取り出し、その電流をすべての電池セルを直列接続する集電部７で集電することで、起電力の大きな燃料電池３１が得られる。

一般に、燃料電池の内部に抵抗成分があると、そこで、抵抗ロスが生じ、効率が低下する。耐食性金属を用いた複合集電板の場合、ＭＥＡとの接触抵抗および集電板自体の抵抗が抵抗ロスに影響する。集電板自体の抵抗は、各電極部自体もそうであるが、特に、電極部同士を連結する配線部１２１（図１２参照）での抵抗ロスが大きく影響し、集電材の材質による電池性能の低下の影響がさらに大きい。複合集電板１では、前述したように、これらの問題を集電部７やメッシュシートｍａ〜ｍｄで解決できる。

したがって、複合集電板１によれば、燃料電池用の複合集電板が低抵抗で使えるようになり、薄く、省スペース、小型の燃料電池の性能をさらに向上でき、燃料電池の実用化にも弾みがつく。

また、複合集電板１は、第１の導電材５ａが導電性表面処理した耐食性金属からなり、しかも第１の導電材５ａやメッシュシートｍａ〜ｍｄが絶縁層２で保護されるため、問題となる金属イオンの溶出による燃料電池の特性劣化を防止できると共に、接触、配線の電気抵抗も小さくできる。

これにより、複合集電板１は、寿命的にも安定しており、燃料電池自体を高寿命化でき、この複合集電板１を用いれば、コンパクトで高性能な燃料電池３１を提供できる。

複合集電板１は、メッシュシートｍａ〜ｍｄを含めたいずれの部品単体も、プレスなどにより簡単に加工して作製できるので、量産化が可能な製法を採ることが可能であり、高性能でありながら、集電板自体や燃料電池３１のコスト低下が図れる。

複合集電板１では、セル電極部上に電解質部２２を設け、セル電極部６ａ〜６ｄよりも曲げやすい絶縁層折返し部２ｔで折り返すことで、２個の電池セルを含むＭＥＡモジュール２１、ひいては燃料電池３１を簡単かつコンパクトに作製できる。

また、複合集電板１は、絶縁層折返し部２ｔと、絶縁層２の周縁部とにシール材Ｓを設けているので、電解質部２２を確実にシールして保護でき、図１１や図２の芯部材１１２を用いる従来のものよりも、高性能なＭＥＡモジュール２１、ひいては燃料電池３１を簡単に作製できる。

複合集電板１を用いた燃料電池３１では、アノード集電板同士、カソード集電板同士が対向した配列となっているため、図９の従来の燃料電池９１とは異なり、燃料や酸化剤ガスの供給ラインを共用できる。このため、この点でも燃料電池３１の構造を簡単にでき、低コスト化が可能となる。

第２の実施形態を説明する。

第１の実施形態では、簡略化した２セル構造の複合集電板１を説明したが、さらに電池の出力を大きくするため、多セル化することも簡単である。

図６に示すように、第２の実施形態に係る複合集電板６１は、１０セル構造であり、第１の導電材５ａからなる２０個のセル電極部６と、第２の導電材５ｂからなる２０個のメッシュシートｍとを備え、セル電極群のカソード集電板であるセル電極部６と、そのセル電極群に隣り合う隣接セル電極群のアノード集電板であるセル電極部６とを、斜めに形成した集電部７（合計８個）で連結したものである。

この複合集電板６１では、セル電極部６を図６中の平面視で縦横５列×４行に配列し、第１，４列面がアノード面、第２，３列面がカソード面であり、同様に第１，４列のセル電極部６がアノード集電板、第２，３列のセル電極部６がカソード集電板である。

また、複合集電板６１には、アノード側の取り出し電極８ａと平行となるように、第１行，第３列のセル電極部６にカソード側の取り出し電極８ｄが形成され、第５行，第２列のメッシュシートｍと、第５行，第４列のメッシュシートｍとの角部同士が、略Ｕ字状に形成した集電部６７で連結される。

さらに、複合集電板６１では、片側を折り返す方式の複合集電板１とは異なり、第１，２列間と第２，３列間に位置する絶縁層折返し部６２ｔ，６２ｔを、これらをそれぞれ上下に横断する折返し線Ｔ６で両側から折り返す方式とした。複合集電板６１のその他の構成は、図１の複合集電板１と同様である。

この複合集電板６１によっても、前述と同じ理由により、複合集電板１と同じ作用効果が得られる。

本発明に係る燃料電池用複合集電板は、２セル構造の複合集電板１を１０セル構造の複合集電板６１のように多セル化しても、製造工程は特に増えないので、コンパクトで大出力・高性能の燃料電池を簡単に作製できる。

前記実施形態では、１枚の複合集電板を折り返してＭＥＡ２２を挟む例で説明したが、例えば、図１の複合集電板１を２分割した分割複合集電板を２枚形成し、これら分割複合集電板でＭＥＡ２２を挟み、分割複合集電板同士を集電部で連結してもよい。

また、記実施形態では、燃料電池としてＤＭＦＣの例で説明したが、ＰＥＦＣでも同様に使うことができる。

（実施例１）
セル電極部６ａ〜６ｄとしては、表面に貴金属のナノ膜（Ｍコート）を付けたＴｉ材とし、その厚さは０．１ｍｍとした。また、メッシュシートｍａ〜ｍｄはＣｕ材とし、その厚さは８０μｍとした。これらを用いて図１の複合集電板（ＭコートＴｉ＋Ｃｕ）１を作製した。また、この複合集電板１を用いて図３の燃料電池３１も作製した。

（比較例）
集電材の材質の影響を調べるために、比較例として、ＭコートＴｉのみ（貴金属のナノ膜付きＴｉ、厚さ０．１ｍｍ）をセル電極部として複合集電板を作製し、これを用いた燃料電池も実施例１と同様にして作製した。

図４は、実施例１の複合集電板１と比較例の複合集電板の配線電気抵抗を示したものである。ＭＥＡの代わりに、ガス拡散層のみを挿入し、取り出し電極間の電気抵抗を４端子法で測定した。抵抗値は、加圧面積で変化するが、図４に示すように、実際に使う１０〜２０ｋｇ／ｃｍ^２の面圧付近では、実施例１および比較例ともに抵抗値は安定しているが、実施例１の抵抗値の方が、比較例に比べて１／３．５程度と小さくなっている。正確には、ガス拡散層の電気抵抗を差し引いて比較する必要があり、実施例１ではこれ以上の効果が出ていたことになる。

また、実際に実施例１の燃料電池３１と比較例の燃料電池を発電した結果を図５に示す。ゴア社製のＭＥＡを用い、メタノール濃度２０％、ＲＴ（室温条件）で測定したところ、図５に示すように、比較例は、出力密度が最大約０．０３５Ｗ／ｃｍ^２であり、電流密度が約０．１５Ａ／ｃｍ^２で飽和してしまった。

これに対し、実施例１は、出力密度が最大約０．０４Ｗ／ｃｍ^２であり、電流密度が約０．２Ａ／ｃｍ^２を超えても飽和しなかった。つまり、実施例１と比較例では、両者に出力特性で１５％程度の差があることがわかる。これは比較例の複合集電板の電気抵抗ロスから計算予想される結果であった。

また、発電特性については、経時変化の特性も測定した。これについては、さらに比較用に導電性表面処理のないＣｕ電極も使ってみたが、Ｃｕ電極の場合、２〜３時間程度で特性が劣化してしまうのに対し、実施例１の複合集電板１では、数１００時間でも特性の劣化はなかった。

（実施例２）
実施例１と同様にして図６の複合集電板６１と、これを用いた燃料電池を作製したところ、ＤＭＦＣのメタノールによる発電で、４５ｍＷ／ｃｍ^２程度の出力密度で、２２．５Ｗの出力を達成した。これにより、複合集電板６１を用いれば、コンパクトで出力の大きな燃料電池を製造できることがわかる。

本発明の好適な第１の実施形態を示す燃料電池用複合集電板の展開図（平面図）である。図２（ａ）は、図１に示した燃料電池用複合集電板を折り返し、ＭＥＡを組み込んだＭＥＡモジュールの断面図、図２（ｂ）はその拡大断面図である。図１に示した燃料電池用複合集電板を用いた燃料電池の積層状態の一例を示す概略図である。実施例と比較例の燃料電池用複合集電板の電気抵抗特性図である。実施例と比較例の燃料電池用複合集電板の発電特性図である。本発明の第２の実施形態を示す燃料電池用複合集電板の展開図（平面図）である。ダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）の発電原理を説明する図である。従来の燃料電池（ＤＭＦＣ）セルの構成を示す断面図である。従来の燃料電池の積層状態を示す概略図である。従来のコンパクト燃料電池の取り付け状況を示す携帯端末の斜視図である。図１０に示した従来のコンパクト燃料電池の断面構造図である。図１０に示した従来のコンパクト燃料電池の分解斜視図である。

符号の説明

１燃料電池用複合集電板
２絶縁層
３導電層
４貫通孔
５ａ第１の導電材
５ｂ第２の導電材
６ａ〜６ｄセル電極部
７集電部
ｍａ〜ｍｄメッシュシート

Claims

絶縁層に導電層を貼り合わせると共に、その絶縁層と導電層にこれらを貫通する貫通孔を形成し、前記導電層で電解質部を挟むように設けられる燃料電池用複合集電板において、
前記導電層を、Ａｕ、Ａｇ、又はＰｔからなるナノ皮膜を表面に形成したＴｉあるいはＳＵＳからなる第１の導電材と、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｓｎ、又はＳｎ合金のいずれかから選択されてなる第２の導電材とで形成し、かつ前記第１の導電材を、電池セルごとに独立したセル電極部として形成すると共に、前記絶縁層に間隔をおいて貼り付け、さらに各セル電極部同士を、前記第２の導電材からなる集電部で部分的に連結したことを特徴とする燃料電池用集電板。
隣り合うセル電極部同士をアノード集電板およびカソード集電板としてセル電極群を構成し、そのアノード集電板と、前記セル電極群に隣り合う隣接セル電極群のカソード集電板とを、前記集電部で連結した請求項１記載の燃料電池用集電板。
前記導電層を構成する前記第２の導電材を、電池セルごとに独立したメッシュシート状に形成し、これを前記セル電極部上に設けた請求項１または２記載の燃料電池用複合集電板。
前記セル電極部上に前記電解質部を設け、前記セル電極部間に位置する前記絶縁層を、その絶縁層を一直線に横断する折返し線で折り返し、前記電解質部に対応するセル電極部を重ねて電池セルを複数個形成した請求項１〜３いずれかに記載の燃料電池用集電板。
前記絶縁層を折り返す部分である折返し部と、前記絶縁層の周縁部とに、前記電解質部をシールするためのシール材を設けた請求項４記載の燃料電池用集電板。
請求項１〜５いずれかに記載した燃料電池用複合集電板を用いて作製されたことを特徴とする燃料電池。
前記燃料電池は、ダイレクトメタノール型燃料電池、あるいは固体高分子型燃料電池である請求項６記載の燃料電池。