WO2005050766A1

WO2005050766A1 - 燃料電池

Info

Publication number: WO2005050766A1
Application number: PCT/JP2004/016953
Authority: WO
Inventors: Masaya Yano; Masakazu Sugimoto; Takuji Okeyui; Toshio Araki
Original assignee: Nitto Denko Corporation
Priority date: 2003-11-19
Filing date: 2004-11-15
Publication date: 2005-06-02
Also published as: US7862954B2; EP1691435A1; EP1691435A4; KR101127028B1; US20090017354A1; KR20060119991A

Abstract

　本発明は、単位セルごとに確実に封止を行うことができ、これによって薄型化が可能となり、メンテナンスも容易になり、しかも小型軽量かつ自由な形状設計が可能な燃料電池を提供するものである。即ち、に関する。板状の固体高分子電解質１と、その固体高分子電解質１の両側に配置された一対の電極板２，３とを備える燃料電池において、前記電極板２，３の両側に配置され、流路溝９とこれに連通する注入口４ｃ，５ｃ及び排出口が設けられた一対の金属板４，５を備え、その金属板４，５の周縁が絶縁材料６を介在させつつ機械的に封止されていることを特徴とする。

Description

明細書

燃料電池

技術分野

[0001] 本発明は、固体高分子電解質を用いた燃料電池に関し、特に厚みを薄くすることのできる高分子型燃料電池に関する。

背景技術

[0002] ポリマー電解質のような固体高分子電解質を使用した高分子型燃料電池は、高いエネルギー変換効率を持ち、薄型小型 '軽量であることから、家庭用コージエネレーシヨンシステムや自動車向けに開発が活発化している。かかる燃料電池の従来技術の構造として、図 16に示すものが知られている（例えば、非特許文献 1参照)。

[0003] 即ち、図 16に示すように、固体高分子電解質膜 100を挟んでアノード 101とカソード 102とを配設する。さらに、ガスケット 103を介して一対のセパレータ 104により挟持して単位セル 105を構成する。各々のセパレータ 104にはガス流路溝が形成されており、アノード 101との接触により、還元ガス (例えば、水素ガス）の流路が形成され、力ソード 102との接触により、酸ィ匕ガス (例えば、酸素ガス）の流路が形成される。各々のガスは、単位セル 105内の各流路を流通しながら、アノード 101又は力ソード 10 2の内部に担持された触媒の作用により電極反応 (電極における化学反応）に供され、電流の発生とイオン伝導が生じる。

[0004] この単位セル 105を多数個積層し、単位セル 105どうしを電気的に直列に接続して燃料電池 Nを構成し、電極 106は、積層した両端の単位セル 105から取り出すことができる。このような燃料電池 Nは、クリーンかつ高効率という特徴から、種々の用途、特に、電気自動車用電源や家庭用分散型電源として注目されて、る。

[0005] 一方、近年の IT技術の活発化に伴、、携帯電話、ノートパソコン、デジカメなどモパイル機器が頻繁に使用される傾向があるが、これらの電源は、ほとんどリチウムィォン二次電池が用いられている。ところが、モノィル機器の高機能化に伴って消費電力がどんどん増大し、その電源用としてクリーンで高効率な燃料電池が注目されてきている。 [0006] し力しながら、図 16に示すような従来の構造では、構造に自由度が無いため、モバィル機器の電源として求められる薄型小型軽量ィ匕ゃ形状の高自由度化に難があり、メンテナス性が悪いという問題もあった。また、燃料電池セル内で酸化還元ガスを相互に混合させないように供給し、かつ、密閉化することが難しぐこれらの条件を満たしながら、燃料電池セルの大きさや重量を低減ィ匕することは困難であった。つまり、従来、セル部品をボルト及びナットの締結部品で相互結合して、セル部品に一定の圧力を加えていたため、シール性を確保する上で、各部材の剛性を高める必要性があり、どうしても薄型化、小型化、軽量化、自由な形状設計が困難であった。

[0007] ところで、下記の特許文献 1には、単位セルカゝらなり、液体燃料をセル内に貯蔵する偏平型液体燃料電池であって、燃料極、電解質、及び酸化剤極の積層体を、その周囲をシール材で一体化し、電池ケース内に収納した構造の燃料電池が開示されている。

[0008] し力しながら、上記のセル構造では、電極を含む積層体の側壁とシール材との圧接力を十分高めることができな、ため、例えば水素ガス燃料を加圧して燃料極側を流通させた場合、水素ガスが酸化剤極側にリークし、発電効率の低下や水素燃焼の危険を伴うといった問題があった。つまり、燃料電池の電極は一般に多孔構造になっており、このため、上記のセル構造において、加圧された水素ガスが燃料極の内部を通り、電解質の側壁とシール材との間から、酸化剤極側にリークし易い構造となっている。

非特許文献 1：日経メカ-カル別冊「燃料電池開発最前線」発行日 2001年 6月 29日、発行所：日経 BP社、第 3章 PEFC、 3. 1原理と特徴 p46

特許文献 1：特開昭 58— 176881号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0009] そこで、本発明の目的は、単位セルごとに確実に封止を行うことができ、これによつて薄型化が可能となり、メンテナンスも容易になり、し力も小型軽量かつ自由な形状設計が可能な燃料電池を提供することにある。

課題を解決するための手段 [0010] 上記目的は、下記の如き本発明により達成できる。

[0011] 即ち、本発明の燃料電池は、板状の固体高分子電解質と、その固体高分子電解質の一方側に配置された力ソード側電極板と、他方側に配置されたアノード側電極板と、前記力ソード側電極板の表面に配置され内面側へのガスの流通を可能とする力ソード側金属板と、前記アノード側電極板の表面に配置され内面側への燃料の流通を可能とするアノード側金属板と、を備える燃料電池であって、前記両側の電極板力前記固体高分子電解質の周縁部を延出させ、その周縁部をこれに対向する前記金属板によって挟持しながら、前記両側の金属板の周縁を電気的に絶縁した状態で機械的に封止してあることを特徴とする。本発明では、例えば前記両側の金属板の周縁が、曲げプレスにより機械的に封止される。

[0012] 本発明の燃料電池によると、両側の電極板から固体高分子電解質の周縁部を延出させ、その周縁部を対向する金属板によって挟持しながら、金属板の周縁を曲げプレス等により機械的に封止してあるため、固体高分子電解質の周縁部と金属板との間に十分な圧接力が得られるので、燃料ガスが力ソード側にリークするのを防止することができる。また、金属板の周縁を電気的に絶縁した状態で曲げプレスにより封止しているため、両者の短絡を防止しながら、厚みをさほど増加させずに単位セルごとに確実に封止を行うことができる。電極板と金属板との接触により、電極反応で生じた電流を金属板力取り出すことができる。し力も図 16に示す従来構造と比較してセル部材に剛性が要求されな、ため、各単位セルを大幅に薄型化することができる。更に、固体高分子電解質や金属板を使用するため、自由な平面形状や屈曲が可能となり、小型軽量かつ自由な形状設計が可能となる。

[0013] 本発明では、特に、前記固体高分子電解質の周縁部を延長して、封止した金属板の周縁から露出させていることが好ましい。この構造によると、曲げプレスによる封止部にも固体高分子電解質が介在するため、シール面積が増加してよりシール性が高まると共に、周縁部を延長して封止部力露出させているため、酸化還元ガスを相互に混合することが全くない。

図面の簡単な説明

[0014] [図 1]本発明の燃料電池の単位セルの一例を示す組み立て斜視図圆 2]本発明の燃料電池の単位セルの一例を示す正面視断面図

圆 3]本発明の燃料電池の単位セルの積層状態の一例を示す図であり、 (a)はチュ一ブ取付前の斜視図、（b)はチューブ取付後の要部正面図

[図 4]本発明の燃料電池の単位セルの使用例を示す図であり、（a)は左側面図、（b) はその I I矢視断面

[図 5]本発明の燃料電池の単位セルの他の例を示す正面視断面図

[図 6]本発明の燃料電池の単位セルの他の例を示す組み立て斜視図

[図 7]本発明の燃料電池の単位セルの他の例を示す正面視断面図

[図 8]本発明の燃料電池の単位セルの他の例を示す組み立て斜視図

[図 9]本発明の燃料電池の単位セルの他の例を示す正面視断面図

[図 10]本発明の燃料電池の単位セルの他の例を示す図であり、 (a)は正面視断面図

、 (b)はそのシール部材を示す平面図

[図 11]本発明の燃料電池の単位セルの他の例を示す組み立て斜視図

[図 12]本発明の燃料電池の単位セルの他の例を示す正面視断面図

圆 13]本発明の実施例 1一 2で得られた燃料電池の電圧と出力の関係を示すグラフ圆 14]本発明の実施例 3で得られた燃料電池の電圧と出力の関係を示すグラフ圆 15]本発明の実施例 4で得られた燃料電池の電圧と出力の関係を示すグラフ

[図 16]従来の燃料電池の一例を示す組み立て斜視図

符号の説明

1 固体高分子電解質

la 周縁部

2, 3 電極板

2a, aa 流路溝

4, 5 金属板

4c, 5c 注入口

4d, 5d 排出口

6 絶縁材料

9 流路溝 9a 縦溝

9b 横溝

SI シール部材

発明を実施するための最良の形態

[0016] 以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図 1は、本発明の燃料電池の単位セルの一例を示す組み立て斜視図であり、図 2は、本発明の燃料電池の単位セルの一例を示す正面視断面図である。

[0017] 本発明の燃料電池は、図 1一図 2に示すように、板状の固体高分子電解質 1と、その固体高分子電解質 1の両側に配置された一対の電極板 2, 3とを備えるものである。一対の電極板 2, 3は、力ソード側電極板 2とアノード側電極板 3とからなる。

[0018] 固体高分子電解質 1としては、従来の固体高分子膜型電池に用いられるものであれば何れでもよいが、化学的安定性及び導電性の点から、超強酸であるスルホン酸基を有するパーフルォロカーボン重合体力なる陽イオン交換膜が好適に用いられる。このような陽イオン交換膜としては、ナフイオン (登録商標）が好適に用いられる。

[0019] その他、例えば、ポリテトラフルォロエチレン等のフッ素榭脂からなる多孔質膜に上記ナフイオンや他のイオン伝導性物質を含浸させたものや、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフイン榭脂からなる多孔質膜ゃ不織布に上記ナフイオンや他のィォン伝導性物質を担持させたものでもよ、。

[0020] 固体高分子電解質 1の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、イオン伝導機能、強度、ハンドリング性などを考慮すると、 10— 300 mが使用可能である

1S 25— 50 mが好ましい。

[0021] 電極板 2, 3は、ガス拡散層としての機能を発揮して、燃料ガスや、酸化ガス及び水蒸気の供給'排出を行なうと同時に、集電の機能を発揮するものが使用できる。電極板 2, 3としては、同一又は異なるものが使用でき、その基材には電極触媒作用を有する触媒を担持させることが好ましい。触媒は、固体高分子電解質 1と接する内面 2b

, 3bに少なくとも担持させるのが好ましい。

[0022] 電極基材としては、例えば、カーボンペーパー、カーボン繊維不織布などの繊維質カーボン、導電性高分子繊維の集合体などの電導性多孔質材が使用できる。一般に、電極板 2, 3は、このような電導性多孔質材にフッ素榭脂等の撥水性物質を添カロして作製されるものであって、触媒を担持させる場合、白金微粒子などの触媒とフッ素榭脂等の撥水性物質とを混合し、これに溶媒を混合して、ペースト状或いはインク状とした後、これを固体高分子電解質膜と対向すべき電極基材の片面に塗布して形成される。

[0023] 一般に、電極板 2, 3や固体高分子電解質 1は、燃料電池に供給される還元ガスと酸ィ匕ガスに応じた設計がなされる。本発明では、酸化ガスとして酸素ガスや空気が用いられると共に、還元ガスとして水素ガスや用いられる。また、還元ガスの代わりに、メタノールゃジメチルエーテル等を用いることもできる。

[0024] 例えば、水素ガスと空気を使用する場合、空気を供給する側の電極 (空気極)では、酸素と水素イオンの反応が生じて水が生成するため、かかる電極反応に応じた設計をするのが好ましい。特に、低作動温度、高電流密度及び高ガス利用率の運転条件では、特に水が生成する空気極において水蒸気の凝縮による電極多孔体の閉塞 (フラッデイング)現象が起こりやすい。したがって、長期にわたって燃料電池の安定な特性を得るためには、フラッデイング現象が起こらなヽように電極の撥水性を確保することが有効である。

[0025] 触媒としては、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、銀、ニッケル、鉄、銅、コバルト及びモリブデン力選ばれる少なくとも 1種の金属力又はその酸ィ匕物が使用でき、これらの触媒をカーボンブラック等に予め担持させたものも使用できる。

[0026] 電極板 2, 3の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効である力電極反応、強度、ハンドリング性などを考慮すると、 50— 500 mが好ましい。

[0027] 電極板 2, 3と固体高分子電解質 1とは、予め接着、融着等を行って積層一体化しておいてもよいが、単に積層配置されているだけでもよい。このような積層体は、薄膜電極組立体（Membrane Electrode Assembly： MEA)として入手することもでき、これを使用してもよ、。

[0028] 前記電極板 2, 3の両側には、一対の金属板 4, 5が配置されている。一対の金属板 4, 5は、力ソード側電極板 2の表面に配置され内面側へのガスの流通を可能とする力ソード側金属板 4と、アノード側電極板 3の表面に配置され内面側への燃料の流通を可能とするアノード側金属板 5とからなる。本実施形態では、金属板 4, 5には流路溝 9と、これに連通する注入口 4c, 5c及び排出口 4d, 5dが設けられている。

[0029] 金属板 4, 5としては、電極反応に悪影響がないものであれば何れの金属も使用できる。但し、伸び、重量、弾性率、強度、耐腐食性、プレスカ卩ェ性、エッチング力卩ェ性などの観点から、ステンレス板、ニッケルなどが好ましい。

[0030] 金属板 4, 5に設けられる流路溝 9は、電極板 2, 3との接触により水素ガス等の流露が形成できるものであれば何れの平面形状や断面形状でもよい。但し、流路密度、積層時の積層密度、屈曲性などを考慮すると、金属板 4, 5の一辺に平行な縦溝 9aと垂直な横溝 9bを主に形成するのが好ましい。本実施形態では、複数本（図示した例では 3本)の縦溝 9aが横溝 9bに直列接続されるようにして、流路密度と流路長のバランスを取っている。

[0031] なお、このような金属板 4, 5の流路溝 9の一部（例えば横溝 9b)を電極板 2, 3の外面に形成してもよい。電極板 2, 3の外面に流路溝 2a, 3aを形成する方法としては、加熱プレスや切削などの機械的な方法でもよいが、微細加工を好適に行う上で、レ一ザ照射によって溝加工を行うことが好ましい。レーザ照射を行う観点からも、電極板 2, 3の基材としては、繊維質カーボンの集合体が好ましい。

[0032] 金属板 4, 5の流路溝 9に連通する注入口 4c, 5c及び排出口 4d, 5dは、それぞれ 1個又は複数を形成することができる。なお、金属板 4, 5の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、強度、伸び、重量、弾性率、ハンドリング性などを考慮すると、 50— 500 m力好まし!/ヽ。

[0033] 金属板 4, 5に流路溝 9を形成する方法としては、プレス加工、切削などの機械的な方法やエッチングなどの化学的な方法が挙げられる。本実施形態では、プレス加工による金属板の変形により流路溝 9が形成されている例を示す。金属板 4, 5への溝形成をプレス加工で行うことで、コスト的に有利に金属板 4, 5を製造できるようになる。また、プレス加工で溝形成した金属板 4, 5は厚みの増加を最小限にすることができ、単位セルごとに確実に封止を行うことと併せて、燃料電池のより薄型化が可能となる図 1の金属板 4の上面には、プレスカ卩ェによる流路溝 9の凸条 9cが示されている。 [0034] 特に、プレス加工による流路溝 9では、幅 0. 1— 10mm、深さ 0. 1— 10mmが好ましい。また、流路溝 9の断面形状は、略四角形、略台形、略半円形、 V字形などが好ましい。

[0035] 本発明では、前記両側の電極板 4, 5から固体高分子電解質 1の周縁部 laを延出させ、その周縁部 laをこれに対向する前記金属板 4, 5によって挟持しながら、前記両側の金属板 4, 5の周縁を電気的に絶縁した状態で機械的に封止してある。機械的な封止は、例えば曲げプレス、即ち所謂カシメにより行うことができる。本実施形態では、固体高分子電解質 1の周縁部 laが絶縁材料 6を介在させつつ金属板 4, 5によって挟持されると共に、金属板 4, 5の周縁が、絶縁材料 6を介在させつつ力シメにより封止されている例を示す。

[0036] 本発明では、力シメを行う際、図 2に示すように、金属板 4, 5の周縁によって固体高分子電解質 1を挟持する構造が好ましぐ絶縁材料 6を介在させつつ固体高分子電解質 1を挟持する構造がより好ましい。このような構造〖こよると、電極板 2, 3の一方から他方へのガス等の流入を効果的に防止することができる。

[0037] 絶縁材料 6としては、シート状の榭脂、ゴム、熱可塑性エラストマ一、セラミックスなどが使用できる力シール性を高める上で、榭脂、ゴム、熱可塑性エラストマ一などが好ましい。絶縁材料 6は、金属板 4, 5の周縁に直接あるいは粘着剤を介して貼着したり、塗布したりして、予め金属板 4, 5に一体ィ匕しておくことも可能である。

[0038] カシメ構造としては、シール性や製造の容易性、厚み等の観点から図 2に示すものが好ましい。つまり、一方の金属板 5の外縁部 5aを他方の外縁部 4aより大きくしておき、絶縁材料 6を介在させつつ、一方の金属板 5の外縁部 5aを他方の金属板 4の外縁部 4aを挟圧するように折り返したカシメ構造が好ましい。このカシメ構造では、プレスカロェ等によって、金属板 4の外縁部 4aに段差を設けておくのが好ましい。このようなカシメ構造自体は金属加工として公知であり、公知のカシメ装置によって、それを形成することができる。

[0039] 本発明では、図 2に示すような単位セル UCを 1個又は複数個使用することができる力固体高分子電解質 1、一対の電極板 2, 3、及び一対の金属板 4, 5で単位セル UCを構成し、この単位セル UCを複数積層してあることが好ましい。本発明によると、ボルト及びナットの締結部品で相互結合して、セル部品に一定の圧力を加えなくても、高出力の燃料電池を提供することができる。

[0040] 複数積層する場合、単位セル UCどうしの間に、ガス等の流路を形成できるスぺーサを設けて積層することも可能である力図 3に示すように、スぺーサを介在させずに積層することが薄型化や設計の自由度の点から好ましい。

[0041] また、金属板 4, 5の流路溝 9の凸条 9cを等間隔で平行に形成しておき、各々の単位セル UCの凸条 9cが相互に嵌まり合うようにすることが好ましい。これによつて、単位セル UCの積層時の厚みをより低減することができる。

[0042] 図 3に示す実施形態では、単位セル UC (金属板 4, 5)の一辺付近に水素ガス等の注入口 4c及び排出口 4dを設け、対向する一辺の裏側に空気等の注入口 5c及び排出口 5dを設けておき、これらが露出するように各々の単位セル UCをずらして積層している。この状態で図 3 (b)に示すように、主管 11から分岐管 12が分岐したチューブ 10の分岐管 12を注入口 4cに接続することで、水素ガス等の注入を行うことができる。このようなチューブ 10を注入口 5c、排出口 4d、排出口 5dに接続することで、酸ィ匕ガスと還元ガスの注入 '排出が可能となる。

[0043] 一方、金属板同士が接触することで、単位セル UCが直列に接続されることになり、両端の単位セル UCから、積層数に応じた電圧の電流を取り出すことができる。また、複数の単位セル UCごとスぺーサを設けて（図示省略）、単位セル UCごとに電流を取り出すことも可能である。

[0044] また、単位セルを使用する際、金属板の燃料の注入口及び排出口には、直接、燃料供給用のチューブを接合することも可能であるが、燃料電池の薄型化を行う上で、厚みが小さぐ金属板の表面に平行なパイプを有するチューブジョイントを設けるのが好ましい。

[0045] 本発明の燃料電池は、薄型化が可能で小型軽量かつ自由な形状設計が可能なため、特に、携帯電話、ノート PC等のモパイル機器に好適に使用することができる。

[0046] また、電流を取り出す際に、図 4 (a)— (b)に示すような実施形態とすることができる。つまり、一方の金属板 5の外縁部 5aを他方の金属板の外縁部 4aより大きくして、前記一方の金属板 5の外縁部 5aにより前記他方の金属板 4の外縁部 4aを挟圧するように折り返したカシメ構造を有すると共に、前記他方の金属板 4の表面と前記折り返した外縁部 5aの表面とを、電流の取り出し部（例えば正極又は負極）としてもよい。その場合、図示したように、他方の金属板 4の表面と折り返した外縁部 5aの表面（図では上面）とを面一または略面一とするのが好ましい。これによつて、電流の取り出し部と、電池ホルダー側の接点端子等との接触力より好適に行えるようになる。

[0047] また、図 4 (a)一 (b)に示す実施形態では、電子機器類などの装置本体側に固定された板パネ製の接点端子 21, 22が、電池セルの電流取り出し部と接触することで、リード線 23, 24により電流を取り出すことができる。

[0048] 但し、電流の取り出し形態は何れでもよぐ電池セルに直線、リード線を半田で接合したり、電池セルにコネクタを設けたりすることも可能である。

[0049] [他の実施形態]

以下、本発明の他の実施形態について説明する。

[0050] (1)前述の実施形態では、金属板には、プレス加工により形成された流路溝と、その流路溝に連通する注入口及び排出口が設けられている例を示したが、本発明では、図 5に示すように、金属板 4, 5に対し、エッチングにより形成された流路溝 9と、その流路溝 9に連通する注入口 4c, 5c及び排出口 4d, 5dを設けるのが好ましい。金属板 4, 5への溝形成をエッチングにより行うことで、剛性の高い金属板にも容易に溝形成が可能となり、その剛性のため薄膜電極組立体に対して圧力をかけやすくなり、ガス漏れを少なくすることができ、高い出力（図 13参照）を得ることができる。

[0051] エッチングによる流路溝 9では、幅 0. 1— 10mm、深さ 0. 05— lmmが好ましい。

また、流路溝 9の断面形状は、略四角形、略台形、略半円形、 V字形などが好ましい

[0052] エッチングは、例えばドライフィルムレジストなどを用いて、金属表面に所定形状のエッチングレジストを形成した後、金属板 4, 5の種類に応じたエッチング液を用いて行うことが可能である。また、 2種以上の金属の積層板を用いて、金属ごとに選択的にエッチングを行うことで、流路溝 9の断面形状をより高精度に制御することができる。なお、流路溝 9に連通する注入口 4c, 5c及び排出口 4d, 5dなどを、エッチングで形成することも可能である。 [0053] 図 5に示す実施形態は、金属板 4, 5のカシメ部の SUSもエッチングにより厚みを薄くした例である。このように、力シメ部をエッチングして適切な厚さにすることで、カシメによる封止をより容易に行うことができる。この観点から、カシメ部の厚みとしては、 0. 05—0. 3mmが好ましい。

[0054] (2)前述の実施形態では、電極板の表面に配置される金属板に、燃料等の流路溝を形成する例を示したが、本発明では、図 6—図 7に示すように、電極板 2, 3の側に燃料等の流路溝 2a, 3aを形成してもよい。そして、力ソード側電極板 2及び/又はァノード側電極板 3の外面には、流路溝 2a, 3aが形成されると共に、その表面に配置される金属板 4, 5には、前記流路溝 2a, 3aに連通する注入口 4c, 5c及び排出口 4d, 5dが設けられて!/、るのが好まし!/、。

[0055] 電極板 2, 3の外面に流路溝 2a, 3aを形成する方法としては、加熱プレスや切削などの機械的な方法でもよいが、微細加工を好適に行う上で、レーザ照射によって溝加工を行うことが好ましい。レーザ照射を行う観点からも、電極板 2, 3の基材としては、繊維質カーボンの集合体が好ましい。

[0056] 電極板 2, 3の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効である力電極反応、強度、ハンドリング性などを考慮すると、 50— 500 mが使用可能である力 200— 35 O /z mが好ましい。また、流路溝 2a, 3aの深さは、十分な流路を確保する上で 100— 500 /z mが好ましい。

[0057] この実施形態では、電極板 2, 3は、繊維質カーボンの集合体の少なくとも片面に触媒が担持され、その他面に、レーザ照射によって前記繊維質カーボンが除去された流路溝が形成されてヽることが好ま、。

[0058] このように、繊維質カーボンの集合体を電極材として使用することにより、ガスの拡散性や集電効率が良好になり、担持された触媒によって電極反応を促進することができる。また、繊維質カーボンはレーザ照射などの方法によって微細加工することができ、繊維質カーボンが除去された流路溝が形成されるため、プレス加工により得られる電極板と比較して、ガスの拡散性を維持しながら、微細なガス流路を形成することがでさる。

[0059] (3)前述の実施形態では、力ソード側の金属板又は電極板に、空気等のガスの流路溝を形成する例を示したが、本発明では、力ソード側の流路溝を省略することも可能である。つまり、金属板 4, 5には、必要に応じて流路溝、燃料やガスの注入ロゃ排出口、開口部などを設けることができ、例えば空気を開口部から自然供給したり、燃料ガスの排出口を省略することも可能である。

[0060] 例えば、図 8—図 9に示すように、力ソード側の金属板 4には、流路溝を設けることなぐ空気中の酸素を供給するための開口部 4eを設けてもよい。開口部 4eは、力ソード側電極板 2が露出可能であれば、その個数、形状、大きさ、形成位置などは何れでもよい。但し、空気中の酸素の供給効率と、力ソード側電極板 2からの集電効果などを考慮すると、開口部 4eの面積は力ソード側電極板 2の面積の 10— 50%であるのが好ましぐ特に 20— 40%であるのが好ましい。力ソード側金属板 4の開口部 4cは、例えば規則的又はランダムに複数の円孔ゃスリット等を設けたり、または金属メッシュによって開口部を設けてもよい。

[0061] カシメ構造については、図 2と同じであるので説明を省略する。アノード側金属板 5 の流路構成は図 1一 2に示すのと同じである。

[0062] (4)前述の実施形態では、図 2に示すように、固体高分子電解質 1の周縁部 laが絶縁材料 6を介在させつつ金属板 4, 5によって挟持されている例を示した力本発明では、金属板 4, 5によって直接周縁部 laを挟持する構造であってもよい。また、両者の間にシール部材を介在させてもよい。特に、固体高分子電解質の厚みがより薄い場合に、このようにシール部材を介して、これを両側の金属板同士で挟持することにより、固体高分子電解質の両側の流体 (例えば燃料ガスと酸化ガス)の混合やリークが効果的に防止できる。

[0063] シール部材を介在させる場合、図 10 (a)— (b)に示すような形態で、シール部材 S 1を介在させてもよい。この実施形態では、固体高分子電解質 1の周縁部 laを、環状のシール部材 S1を介して、両側の金属板 4, 5同士で挟持している。このとき、特に金属板 4, 5の外縁部 4a, 5aで挟持するの力挟持圧を高めてシール性を向上させる観点力も好ましい。

[0064] 環状のシール部材 S 1は、図 10 (b)に示すように、固体高分子電解質 1の周縁部 la に沿った環状形状をなしており、カシメ構造との関係から、外周の 4隅が丸みを帯びた形状となっている。シール部材 S1は、単に挟持するだけでもよいが、金属板 4, 5 や固体高分子電解質 1の周縁に直接あるいは粘着剤を介して貼着してもよい。

[0065] 環状のシール部材 S1の厚みは、固体高分子電解質 1の厚みにもよるが、 20— 200 mが好ましい。また、シール部材 S1の材質としては、弾性を有する材料が好ましく、シリコーン系榭脂、フッ素系榭脂などの榭脂、ゴム、熱可塑性エラストマ一などが好ましい。

[0066] (5)前述の実施形態では、固体高分子電解質の周縁部を封止した金属板の周縁力も露出させない例を示した力本発明では、図 11一図 12に示すように、固体高分子電解質 1の周縁部 laを延長して、封止した金属板 4, 5の周縁から露出させてもよい。この場合、前述の実施形態のように別途絶縁材料を設けてもよいが、絶縁材料を設けなくても、固体高分子電解質 1のみによって、金属板 4, 5間の短絡を防止することがでさる。

[0067] [実施例]

以下に実施例を挙げて本発明を説明するが、本発明はこれら実施例になんら限定されるものではない。

[0068] 〔実施例 1〕

I½'I4^1-¾SUS (50mm X 26mm X 0. 08mm厚）に溝（幅 0. 8mm、深さ 0. 2mm、間隔 1. 6mm)をプレス加工により 21個設けた。そして絶縁シート（50mm X 2 6mm X 2mm幅、厚み 80 μ m)を SUSに張り合わせた。また、薄膜電極組立体（49 . 3mm X 25. 3mm)は、下記のようにして作製した。白金触媒は、米国エレクトロケム社製 20%白金担持カーボン触媒 (EC— 20— PTC)を用いた。この白金触媒と、力一ボンブラック（ァクゾ社ケッチェンブラック EC)、ポリフッ化ビ-リデン (カイナー）を、それぞれ 75重量％、 15重量％、 10重量％の割合で混合し、ジメチルホルムアミドを、 2. 5重量％のポリフッ化ビ-リデン溶液となるような割合で、上記白金触媒、カーボンブラック、ポリフッ化ビ-リデンの混合物中に加え、乳鉢中で溶解'混合して、触媒ペーストを作製した。カーボンペーパー（東レ製 TGP— H— 90、厚み 370 μ m)を 20 mm X 43mmに切断し、この上に、上記のようにして作製した触媒ペースト約 20mg をスパチュラにて塗布し、 80°Cの熱風循環式乾燥機中で乾燥した。このようにして 4 mgの触媒組成物が担持されたカーボンペーパーを作製した。白金担持量は、 0. 6 mgz cm ό、ある。

[0069] 上記のようにして作製した白金触媒担持カーボンペーパーと、固体高分子電解質（陽イオン交換膜）としてナフイオンフィルム（デュポン社製ナフイオン 112) (25. 3mm X 49. 3mm、厚み 50 m)を用い、その両面に、金型を用いて、 135°C、 2MPaの条件にて 2分間ホットプレスした。こうして得られた薄膜電極組立体を上記の SUS板 2枚の中央で挟み込み、図 2に示すようにカシメ合わせることで、外寸 50mm X 26m m X l. 4mm厚という薄型小型のマイクロ燃料電池を得る事ができた。

[0070] このマイクロ燃料電池の電池特性を評価した。燃料電池特性は、東陽テク-力製燃料電池評価システムを用い、室温下、純水素ガス、純酸素ガスを用いて評価した。ガス流量は、 0. 2LZminとした。得られた最大出力密度は、電極面積当たり 400mW Zcm²であった（図 13)。そして 6個の燃料電池セルを積層することで直列接続となり、燃料電池として 18Wの出力が得られた。本発明の特長は、厚さ 1. 4mmで薄くかつ単位電極面積当たり 400mWZcm²と高出力が得られるところにある。

[0071] 〔実施例 2〕

異なる厚みの SUS (50mm X 26mm X O. 3mm厚）を用い、その加工法を塩化第二鉄水溶液によるエッチングに変えて、溝（幅 0. 8mm、深さ 0. 2mm、間隔 1. 6mm )を形成すること以外は、実施例 1と同様にして、図 4に示す薄型小型のマイクロ燃料電池を得た。なお、図 4において、カシメ部の SUSもエッチングにより厚みを薄くした（厚み 0. 1mm)。

[0072] このマイクロ燃料電池の電池特性を実施例 1と同様に評価した。得られた最大出力密度は、電極面積当たり 450mWZcm²であった（図 13)。そして 6個の燃料電池セルを積層することで直列接続となり、燃料電池として 20Wの出力が得られた。本発明の特長は、厚さ 1. 4mmで薄くかつ単位電極面積当たり 450mWZcm² と高出力が得られるところにある。

[0073] 〔参考例 1〕

実施例 2において、固体高分子電解質の厚みを 25 /z m (実施例 2の 1Z2)とすること以外は、同様にして燃料電池を作製し、その際、図 10 (b)に示す形状のシール部材 (材質:フッ素榭脂、厚み 100 m)を用いた場合と用いない場合とで、セル内のガス混合の有無とセル外へのガス漏れの有無とを調べた。

[0074] その結果、シール部材を用いると 10Z10の割合でガス混合及びガス漏れが発生せず、これに対して、シール部材を用いないと 4Z10の割合でガス混合が発生し、 3 Z10の割合でガス漏れが発生した。

[0075] 〔実施例 3〕

耐食性を有する3113 (501!1111 26111111 0. 08mm厚）を用い、そして絶縁シート（ 50mm X 26mm X 2mm幅、厚み 70 μ m)を SUSに張り合わせた。また、薄膜電極組立体 (49. 3mm X 25. 3mm)は、下記のようにして作製した。白金触媒は、米国エレクトロケム社製 20%白金担持カーボン触媒 (EC— 20— PTC)を用いた。この白金触媒と、カーボンブラック（ァクゾ社ケッチェンブラック EC)、ポリフッ化ビ-リデン (カイナー）を、それぞれ 75重量％、 15重量％、 10重量％の割合で混合し、ジメチルホルムアミドを、 2. 5重量％のポリフッ化ビ-リデン溶液となるような割合で、上記白金触媒、カーボンブラック、ポリフッ化ビ-リデンの混合物中に加え、乳鉢中で溶解'混合して、触媒ペーストを作製した。カーボンペーパー（東レ製 TGP— H— 90、厚み 370 m)を 20mm X 43mmに切断し、この上に、上記のようにして作製した触媒ペースト約 20mgをスパチュラにて塗布し、 80°Cの熱風循環式乾燥機中で乾燥した。このようにして 4mgの触媒組成物が担持されたカーボンペーパーを作製した。白金担持量は、 0. 6mg/ cm (？める。

[0076] 上記のようにして作製した白金触媒担持カーボンペーパーの触媒層と反対側に半導体レーザを用い溝加工（幅： 2. 3mm、深さ O . 2mm、間隔： 2. 3mm)を施した。そして、固体高分子電解質 (陽イオン交換膜)としてナフイオンフィルム (デュポン社製ナフイオン 112) (25. 3mm X 49. 3mm、厚み 50 m)を用い、その両面に、金型を用いて、 135°C、 2MPaの条件にて 2分間ホットプレスした。こうして得られた薄膜電極組立体を上記の SUS板 2枚の中央で挟み込み、図 7に示すようにカシメ合わせることで、外寸 50mm X 26mm X I . Omm厚という薄型小型のマイクロ燃料電池を得る事ができた。

[0077] このマイクロ燃料電池の電池特性を評価した。燃料電池特性は、東陽テク-力製燃料電池評価システムを用い、室温下、純水素ガス、純酸素ガスを用いて評価した。ガス流量は、 0. 2LZminとした。得られた最大出力密度は、電極面積当たり 380mW Zcm²であった（図 14)。そして 6個の燃料電池セルを積層することで直列接続となり、燃料電池として 17. 5Wの出力が得られた。本発明の特長は、厚さ 1. Ommで薄くかつ単位電極面積当たり 380mWZcm²と高出力が得られ、エンドプレートが平面であるために、容易に積層でき直列接続できるとヽぅところにある。

[0078] 〔実施例 4〕

I½'I4^1-¾SUS (50mm X 26mm X 0. 08mm厚）に溝（幅 0. 8mm、深さ 0. 2mm,間隔 1. 6mm)をプレスカ卩ェにより 21個設けた。また、薄膜電極組立体（52. 3mm X 28. 3mm)は、下記のようにして作製した。白金触媒は、米国エレクトロケム社製 20%白金担持カーボン触媒 (EC— 20— PTC)を用いた。この白金触媒と、カーボンブラック（ァクゾ社ケッチェンブラック EC)、ポリフッ化ビ-リデン (カイナー）を、それぞれ 75重量％、 15重量％、 10重量％の割合で混合し、ジメチルホルムアミドを、 2 . 5重量％のポリフッ化ビ-リデン溶液となるような割合で、上記白金触媒、カーボンブラック、ポリフッ化ビ-リデンの混合物中に加え、乳鉢中で溶解'混合して、触媒べ一ストを作製した。カーボンペーパー（東レ製 TGP— H— 90、厚み 370 μ m)を 20m m X 43mmに切断し、この上に、上記のようにして作製した触媒ペースト約 20mgをスパチュラにて塗布し、 80°Cの熱風循環式乾燥機中で乾燥した。このようにして 4mg の触媒組成物が担持されたカーボンペーパーを作製した。白金担持量は、 0. 6mg / cm C、め。。

[0079] 上記のようにして作製した白金触媒担持カーボンペーパーと、固体高分子電解質（陽イオン交換膜）としてナフイオンフィルム（デュポン社製ナフイオン 112) (52. 3mm X 28. 3mm、厚み 25 m)を用い、その両面に、金型を用いて、 135°C、 2MPaの条件にて 2分間ホットプレスした。こうして得られた薄膜電極組立体を上記の SUS板 2枚の中央で挟み込み、図 12に示すようにカシメ合わせることで、外寸 50mm X 26 mm X l . 4mm厚という薄型小型のマイクロ燃料電池を得る事ができた。

[0080] このマイクロ燃料電池の電池特性を評価した。燃料電池特性は、東陽テク-力製燃料電池評価システムを用い、室温下、純水素ガス、空気を用いて評価した。水素ガス流量は、 0. lLZminとした。空気流量は 0. 2LZminとした。そして単位セルあたりの出力特性は図 15に示される。本発明によるカシメ構造を利用することで、十分に実用化できるだけの特性が得られた。

Claims

請求の範囲

[1] 板状の固体高分子電解質と、その固体高分子電解質の一方側に配置されたカソード側電極板と、他方側に配置されたアノード側電極板と、前記力ソード側電極板の表面に配置され内面側へのガスの流通を可能とする力ソード側金属板と、前記ァノード側電極板の表面に配置され内面側への燃料の流通を可能とするアノード側金属板と、を備える燃料電池であって、

前記両側の電極板カゝら前記固体高分子電解質の周縁部を延出させ、その周縁部をこれに対向する前記金属板によって挟持しながら、前記両側の金属板の周縁を電気的に絶縁した状態で機械的に封止してある燃料電池。

[2] 前記両側の金属板の周縁が、曲げプレスにより機械的に封止されている請求項 1 記載の燃料電池。

[3] 前記アノード側金属板には、プレス加工により形成された流路溝と、その流路溝に連通する注入口及び排出口が設けられている請求項 1記載の燃料電池。

[4] 前記アノード側金属板には、エッチングにより形成された流路溝と、その流路溝に連通する注入口及び排出口が設けられている請求項 1記載の燃料電池。

[5] 前記力ソード側電極板及び Z又は前記アノード側電極板の外面には、流路溝が形成されると共に、その表面に配置される金属板には、前記流路溝に連通する注入口及び排出口が設けられて、る請求項 1記載の燃料電池。

[6] 前記力ソード側電極板及び Z又は前記アノード側電極板は、繊維質カーボンの集合体の少なくとも片面に触媒が担持され、その他面に、レーザ照射によって前記繊維質カーボンが除去された流路溝が形成されている請求項 5記載の燃料電池。

[7] 前記固体高分子電解質の周縁部を延長して、封止した金属板の周縁から露出させてヽる請求項 1記載の燃料電池。

[8] 前記金属板の周縁と前記固体高分子電解質の周縁部との間に、更に絶縁材料を介在させて!/、る請求項 7に記載の燃料電池。

[9] 前記アノード側金属板又は力ソード側金属板の少なくとも一方の周縁部は、エッチングにより他の部分よりも厚みを薄くしている請求項 1記載の燃料電池。

[10] 前記力ソード側金属板には、空気中の酸素を供給するための開口部が設けられて V、る請求項 1記載の燃料電池。

[11] 前記固体高分子電解質の周縁部を、環状のシール部材を介して、両側の金属板同士で挟持して、る請求項 1記載の燃料電池。

[12] 一方の金属板の外縁部を他方の金属板の外縁部より大きくして、前記一方の金属板の外縁部により前記他方の金属板の外縁部を挟圧するように折り返した構造を有すると共に、前記他方の金属板の表面と前記折り返した外縁部の表面とを、電流の取り出し部とした請求項 1記載の燃料電池。