(57)【要約】【課題】使用する部品点数を削減し、小型化および低コスト化が図れる、燃料電池を提供する。【解決手段】固体電解質膜１と、固体電解質膜１の上面に積層されるアノード触媒層２と、固体電解質膜１の下面に積層されるカソード触媒層３とを含む。さらに、アノード触媒層２の上面に積層されるアノード拡散層４と、カソード触媒層３の下面に積層されるカソード拡散層５と、アノード拡散層４の上面に接合されるアノード集電体６と、カソード拡散層５の下面に接合されるカソード集電体７とを含む。アノード集電体６およびカソード集電体７のそれぞれに少なくとも１つ以上の開口部１３，２８が形成されている。【選択図】図１
2010153240.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質膜と、
前記固体電解質膜の上面に積層されるアノード触媒層と、
前記固体電解質膜の下面に積層されるカソード触媒層と、
前記アノード触媒層の上面に積層されるアノード拡散層と、
前記カソード触媒層の下面に積層されるカソード拡散層と、
前記アノード拡散層の上面に接合されるアノード集電体と、
前記カソード拡散層の下面に接合されるカソード集電体とを含む燃料電池であって、
前記アノード集電体および前記カソード集電体のそれぞれに少なくとも一つ以上の開口部が形成され、
前記アノード集電体および前記カソード集電体のそれぞれが、前記アノード拡散層と前記カソード拡散層との間の層間を両側から押圧支持するように、燃料電池の発電により生ずる熱により変形する、燃料電池。
【請求項２】
前記アノード集電体および前記カソード集電体は、それぞれ前記開口部が形成される第１領域と、第１領域以外の第２領域とから構成され、
前記第１領域が、前記アノード拡散層と前記カソード拡散層との間の層間を両側から押圧支持するように、燃料電池の発電により生ずる熱により変形する、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記第１領域の変形が、前記第１領域の温度変化に対して可逆である、請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記アノード集電体および前記カソード集電体が形状記憶合金を含む、請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記アノード集電体および前記カソード集電体がバイメタル材料を含む、請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、特に、直接メタノール型燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話およびパーソナルコンピュータなどのモバイル機器は、ディスプレイ電子部品および半導体技術の発達とともに、小型化が図られている。そのため、機器内部に占める電池の容量には制限があるが、機器の使用可能時間は長時間化が求められている。そこで、燃料と酸化剤とを供給することで発電することができ、燃料を補充しつづける限り、連続して発電可能である燃料電池の開発が盛んになってきている。
【０００３】
特に、直接メタノール型燃料電池では、エネルギー密度の高いメタノールを燃料として用い、このメタノールから電極触媒上において直接、電子を取り出すことができる。そのため、燃料から水素を取り出すための改質器が不要となるため、燃料電池の小型化が図れる。さらに、メタノール燃料は水素燃料に比べて取扱いが容易であるため、直接メタノール型燃料電池の開発に期待がされている。
【０００４】
従来の直接メタノール型燃料電池は、セルを構成する各層間の電気抵抗を低減するために、セルの外側からセル全体を押さえ込む押さえ板を含む、複雑な構造になっている。そこで、直接メタノール型燃料電池のセルの構成部材は、押さえ込まれる荷重に耐えうる強度を有するように、厚く強固なものにされている。また、直接メタノール型燃料電池は、流路板および押さえ板をセルに固定するために、ボルトおよびナットを使用している。そのため、本来の発電に必要な燃料電池の構成部品以外の部品により、セルおよびスタックの容積の大きな割合が占められている。
【０００５】
さらに、流路板および押さえ板をセルに固定するために、ボルトおよびナット以外のバネ部材を組み込んでいる燃料電池を開示した先行文献として、特許文献１がある。特許文献１に記載の燃料電池では、ばね性を有する金属板を一対の側辺部を主部により連結してなるコ字状に作製された電圧端子が、セパレータの側面の一部に挟着されている。それにより、セパレータと電圧端子との電気接触抵抗を小さく保つことを可能にしている。
【０００６】
以下、従来の直接メタノール型燃料電池の構造を説明する。図２２は、従来の単セルで構成される直接メタノール型燃料電池のセル構造を示す断面図である。図２２に示すように、固体電解質膜１の上面にアノード触媒層２、下面にカソード触媒層３がそれぞれ積層されている。アノード触媒層２の上面にアノード拡散層４、カソード触媒層の下面にカソード拡散層５がそれぞれ積層されている。アノード拡散層４の上部に、集電の機能を有し燃料供給の流路が形成されているアノード集電体６が配置されている。カソード拡散層５の下部に、集電の機能を有し酸化剤供給の流路が形成されているカソード集電体７が配置されている。アノード集電体６およびカソード集電体７は、カーボンまたは金属製の板から形成されている。電池から電流を取り出すために、アノード集電体６の側方にアノード電極８が設けられ、カソード集電体７の側方にカソード電極９が設けられている。
【０００７】
アノード集電体６およびアノード電極８の上方に、アノード押さえ板３４が配置される。カソード集電体７およびカソード電極９の下方にカソード押さえ板３５が配置される。アノード押さえ板３４とカソード押さえ板３５とは、複数のボルト３６およびナット３７により挟持されている。このように、アノード拡散層４とカソード拡散層５との間の層間を押圧支持することにより、層間の接触抵抗を低減して発電効率の上昇を図っている。
【０００８】
図２３は、単セルを積層したスタック構造で構成される直接メタノール型燃料電池のセル構造を示す断面図である。図２３に示すように、固体電解質膜１、アノード触媒層２、カソード触媒層３、アノード拡散層４、カソード拡散層５、アノード集電体６およびカソード集電体７を含む単セルが複数積層されて、スタックが構成されている。スタックの上方にアノード押さえ板３４が配置され、下方にカソード押さえ板３５が配置される。アノード押さえ板３４とカソード押さえ板３５とは、複数のボルト３６およびナット３７により挟持されている。このようにスタックを押圧支持することにより、積層されている単セル間および単セル内における接触抵抗の低減を図っている。
【０００９】
図２４は、カソードパッシブ構造を有する直接メタノール型燃料電池のセル構造を示す断面図である。図２４に示すように、カソードパッシブ構造を有する直接メタノール型燃料電池は、カソード押さえ板３５に貫通孔が形成されている。この貫通孔から、空気がセル内に流入するようにされている。その他の構成は、図２２に示す、単セルで構成される直接メタノール型燃料電池と同一である。
【特許文献１】特開２００２−３５８９９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来の直接メタノール型燃料電池は、ボルトおよびナットによりセルを押さえ込む構造になっているため、セルを押さえ込むための構成部品により占められる容積が大きい。また、セルを構成する各部材は、押さえ込まれる荷重に耐えうる強度を有するように、厚く強固なものにされているため、燃料電池の小型化の阻害要因となっている。そのため、電池の体積当たりの出力密度を増加させることができなかった。特許文献１に記載された燃料電池では、流路板および押さえ板をセルに固定するために、ボルトおよびナット以外のバネ部材を組み込んでいる。この場合は、使用部品点数が増えるため、材料費および組立加工費が増加し、単位出力当たりのコスト増加の要因となっている。
【００１１】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、使用する部品点数を削減し、小型化および低コスト化が図れる、燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る燃料電池は、固体電解質膜と、固体電解質膜の上面に積層されるアノード触媒層と、固体電解質膜の下面に積層されるカソード触媒層とを含む。さらに、アノード触媒層の上面に積層されるアノード拡散層と、カソード触媒層の下面に積層されるカソード拡散層と、アノード拡散層の上面に接合されるアノード集電体と、カソード拡散層の下面に接合されるカソード集電体とを含む。アノード集電体およびカソード集電体のそれぞれに少なくとも１つ以上の開口部が形成されている。このアノード集電体およびカソード集電体のそれぞれが、アノード拡散層とカソード拡散層との間の層間を両側から押圧支持するように、燃料電池の発電により生ずる熱により変形する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、燃料電池の発電により生ずる熱を利用して、アノード集電体およびカソード集電体を変形させることにより、セルを押圧支持して、セル内およびセル間の接触抵抗を低減する。このようにすることにより、セルを押さえ込むために使用する部品を削減することが可能となるため、燃料電池の小型化および低コスト化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、この発明に基づいた実施の形態における燃料電池について、図を参照しながら説明する。
【００１５】
実施の形態１
図１は、本発明の実施の形態１に係る直接メタノール型燃料電池のセル構造を示す断面図である。図２は、本実施の形態に係る直接メタノール型燃料電池のセル構造を示す斜視図である。図２では、アノード流路１１およびカソード流路１２のみ透明の部材として表わしている。図１，２に示すように、本実施の形態に係る直接メタノール型燃料電池は、固体電解質膜１の上面にアノード触媒層２、下面にカソード触媒層３がそれぞれ積層されている。アノード触媒層２の上面にアノード拡散層４、カソード触媒層３の下面にカソード拡散層５がそれぞれ積層されている。
【００１６】
アノード拡散層４の上面に、集電の機能を有し、少なくとも１つ以上の開口部が形成されているアノード集電体６が接合されている。アノード拡散層４とアノード集電体６との接合は、それぞれの層の互いに対向する接合面に接着剤を塗布して行なってもよい。カソード拡散層５の下面に、集電の機能を有し、少なくとも１つ以上の開口部が形成されているカソード集電体７が接合されている。カソード拡散層５とカソード集電体７との接合は、それぞれの層の互いに対向する接合面に接着剤を塗布して行なってもよい。
【００１７】
アノード拡散層４およびカソード拡散層５の両端部で、固体電解質膜１とアノード集電体６およびカソード集電体７との間に封止材３９が配置されている。この封止材３９は、固体電解質膜１と拡散層および集電体とを接合している。アノード側の封止材３９は、アノード集電体６と固体電解質膜１とを気密に封止するとともに、アノード拡散層４の端面から燃料が流出するのを防止している。封止材３９の外側に集電体固定部材１０が、アノード集電体６およびカソード集電体７に挟まれるように配置されている。
【００１８】
集電体固定部材１０は、アノード集電体６およびカソード集電体７をそれぞれの両端部近傍では変形できないように固定している。封止材３９と集電体固定部材１０とは、同一の部材で形成されてもよい。この場合、集電体固定部材１０は、アノード集電体６と固体電解質膜１とを気密に封止することができ、燃料の透過性が少なく、アノード集電体６とカソード集電体７とを強固に固定できる材料で形成されることが望ましい。アノード集電体６の側方にアノード電極８が設けられ、カソード集電体７の側方にカソード電極９が設けられている。
【００１９】
アノード集電体６およびアノード電極８の上方に、アノード流路１１が設けられている。アノード流路１１には、一方の側面にメタノール水溶液などの燃料が流入する燃料入口１４が、他方の側面に余剰の燃料および反応生成物が流出する燃料出口１５が形成されている。燃料入口１４には、アノード流路１１内を燃料が流れるための圧力を負荷する、図示しないポンプなどの装置が接続されている。
【００２０】
カソード集電体７およびカソード電極９の下方に、カソード流路１２が設けられている。カソード流路１２には、一方の側面に空気などの酸化剤が流入する酸化剤入口１６が、他方の側面に余剰の酸化剤および反応生成物が流出する酸化剤出口１７が形成されている。酸化剤入口１６には、カソード流路１２内を酸化剤が流れるための圧力を負荷する、図示しないファンなどの装置が接続されている。
【００２１】
アノード流路１１とアノード集電体６との接合は、アノード集電体６の外周部において、それぞれの互いに対向する接合面に接着剤を塗布することにより行なってもよい。カソード流路１２とカソード集電体７との接合は、カソード集電体７の外周部において、それぞれの互いに対向する接合面に接着剤を塗布することにより行なってもよい。
【００２２】
アノード流路１１を流れるメタノール水溶液などの燃料は、アノード集電体６のアノード開口部１３を通過してアノード拡散層４に到達する。アノード拡散層４に到達した燃料は、アノード拡散層４の内部を通過して、アノード触媒層２に到達する。一方、カソード流路１２を流れる空気などの酸化剤は、カソード集電体７のカソード開口部２８を通過してカソード拡散層５に到達する。カソード拡散層５に到達した酸化剤は、カソード拡散層５の内部を通過して、カソード触媒層３に到達する。
【００２３】
本実施の形態の係る直接メタノール型燃料電池のアノード触媒層２においては、ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-で表わされる化学反応が行なわれる。カソード触媒層３においては、３／２Ｏ2＋６Ｈ+＋６ｅ-→３Ｈ2Ｏで表わされる化学反応が行なわれる。電池全体の化学反応は、ＣＨ3ＯＨ＋３／２Ｏ2→ＣＯ2＋３Ｈ2Ｏで表わされる。これらの化学反応は、水素イオン(Ｈ+)がアノード触媒層２から固体電解質膜１中を通過してカソード触媒層３に移動することにより起こる。この化学反応時に、アノード電極８とカソード電極９との間に外部負荷を取り付けることにより、外部回路に電流を取り出すことができる。
【００２４】
図３は、本実施の形態に係る、単セルを積層したスタック構造で構成される直接メタノール型燃料電池のセル構造を示す断面図である。図３に示すように、スタック構造で構成される直接メタノール型燃料電池は、図１に示した、単セルで構成される直接メタノール型燃料電池のセル構造が、複数積層されて構成されている。
【００２５】
図４は、本実施の形態に係る、流路の数を減じたスタック構造で構成される直接メタノール型燃料電池のセル構造を示す断面図である。図４に示すように、隣り合うセルの流路を共用することにより、スタックの厚さをさらに薄くすることができる。この場合、積層されるセル構造のアノード電極とカソード電極とが一段ごとに反対となる。
【００２６】
図５は、本実施の形態に係る、カソードパッシブ構造を有する直接メタノール型燃料電池のセル構造を示す断面図である。図５に示すように、カソードパッシブ構造を有する直接メタノール型燃料電池は、ファンなどのカソード流路内における循環装置を使用せずに酸化剤が供給されるため、カソード流路を有さない。そのため、空気などの酸化剤は、対流または濃度勾配などを利用してセル内に供給される。パッシブ構造は、構成が単純になるため、燃料電池の小型化に適している。その他の構成については、図１に示した、直接メタノール型燃料電池のセル構造と同一である。
【００２７】
以下、本実施の形態に係る直接メタノール型燃料電池のセルの組立方法を説明する。図６は、本実施の形態に係る直接メタノール型燃料電池のセルの組立方法を示した断面図である。図６(Ａ)は、集電体を接合する前の状態を示す分解断面図、(Ｂ)は、集電体をプレスにより接合した状態を示す断面図、(Ｃ)は、アノード流路が設けられたカソードパッシブ構造を有する直接メタノール型燃料電池のセル構造を示す断面図である。
【００２８】
まず、図６(Ａ)に示すように、固体電解質膜１、アノード触媒層２、カソード触媒層３、アノード拡散層４およびカソード拡散層５が接合されたものの、上方にアノード電極が接合されたアノード集電体６を、下方にカソード電極９が接合されたカソード集電体７を配置する。
【００２９】
次に、図６(Ｂ)に示すように、アノード集電体６とカソード集電体７とが対向するようにプレスする。このプレスされた状態で、アノード集電体６からカソード集電体７までの各層の周囲の側面に、たとえば、エポキシ系の接着剤を塗布することにより、アノード集電体６およびカソード集電体７を接合する。このようにして、アノード集電体６およびカソード集電体７を接合することにより、電池の発電前の状態から、セル内部に圧縮応力を残留させた状態で接合することができる。
【００３０】
図６(Ｃ)に示すように、アノード集電体６およびカソード集電体７が接合された積層体に、アノード流路１１を接合することにより、カソードパッシブ構造を有する直接メタノール型燃料電池のセルが形成される。さらに、カソード流路１２を接合すると、図１に示すようなアクティブ形直接メタノール型燃料電池を形成することができる。
【００３１】
以下、本実施の形態に係る、直接メタノール型燃料電池のセルの構成部材について説明する。固体電解質膜１は、スルホン基もしくはリン酸基などの強酸基、または、カルボキシル基などの弱酸基を有する材料から構成される。たとえば、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂であるパーフルオロルスルホン酸、または、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂などを使用してもよい。具体的には、ナフィオン（登録商標）のＮａｆｉｏｎ１１７（デュポン社製商品名）を用いてもよい。
【００３２】
アノード触媒層２およびカソード触媒層３として、Ｐｔ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｏｓ，Ｐｄなどの白金族元素の単体金属粒子、または、白金族元素を含有する合金粒子を炭素系粉末担体に担持させたものが使用できる。たとえば、カソード触媒層として、白金粒子を炭素系粉末担体に担持させたものを用いてもよい。アノード触媒層として、一酸化炭素の被毒による触媒性能の低下が抑制されやすい、Ｐｔ−Ｒｕ合金の粒子を炭素系粉末担体に担持させたものを用いてもよい。
【００３３】
アノード拡散層４としては、燃料に対して耐薬品性を有する材料、および、多孔質構造を有する材料が適している。たとえば、アノード拡散層４として、カーボンペーパーまたは導電性を有するカーボン繊維不織布を用いてもよい。アノード拡散層４は、極性を有する液体燃料を供給しやすくするために、親水性処理を施されることが望ましい。アノード拡散層４としてカーボンペーパーを使用する場合は、カーボンペーパーを濃硝酸中にて加熱処理することで親水化させることができる。
【００３４】
また、アノード拡散層４はアノード集電体６と接合するために、スルホン基もしくはリン酸基などの強酸基、または、カルボキシル基などの弱酸基を有するプロトン伝導性材料を塗布して使用してもよい。さらに、ポリテトラフルオロエチレンおよびカーボンを含むマイクロポーラスレイヤーをアノード拡散層４に組み込むことにより、アノード拡散層４とアノード集電体６との間の電気抵抗を低減することができる。
【００３５】
カソード拡散層５として、カーボンペーパーまたは導電性を有するカーボン繊維不織布などの多孔質材料が使用できる。また、カソード拡散層５はカソード集電体７と接合するために、スルホン基もしくはリン酸基などの強酸基、または、カルボキシル基などの弱酸基を有するプロトン伝導性材料を塗布して使用してもよい。さらに、ポリテトラフルオロエチレンおよびカーボンを含むマイクロポーラスレイヤーをカソード拡散層５に組み込むことにより、カソード拡散層５とカソード集電体７との間の電気抵抗を低減することができる。
【００３６】
カソード拡散層５では、カソード触媒層３と導電性カーボンとプロトン伝導性材料との三相の界面が、発電の際にカソード触媒層３で生成される水によって覆われると、空気の供給が滞ってしまう。そのため、撥水性を有するマイクロポーラスレイヤーをカソード拡散層５に組み込むようにしてもよい。このようにした場合、カソード拡散層５において、水と空気との交換が円滑になり、安定して空気の供給を行なうことができる。
【００３７】
アノード集電体６およびカソード集電体７としては、温度変化により形状が変化する、形状記憶合金またはバイメタル材料を使用することができる。形状記憶合金を使用する場合には、Ｎｉ−Ｔｉ系、Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ系、Ａｇ−Ｃｄ系、Ａｕ−Ｃｄ系、Ｃｕ−Ｓｎ系、Ｃｕ−Ｚｎ系、Ｆｅ−Ｐｔ系、Ｍｎ−Ｃｕ系、Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ系、Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ系、Ｃｏ−Ｎｉ−Ａｌ系などの合金を使用してもよい。形状記憶合金の形状が変化する変態温度は、ＣｏまたはＣｕなどの添加剤の添加量を調整することにより調節される。上記の形状記憶合金の表面に金メッキを施すことにより、アノード集電体６およびカソード集電体７の電気抵抗を低減するようにしてもよい。
【００３８】
また、アノード集電体６およびカソード集電体７として使用できるバイメタル材料は、線膨張係数の異なる２種類の導電性材料が接合された構造を有している。たとえば、線膨張係数が１７×１０-6／℃であるステンレス材料と、線膨張係数が９×１０-6／℃であるチタン合金とを接合したバイメタル材料を使用することができる。
【００３９】
金属材料の線膨張係数の参考値を小さい順に示す。Ｃｒ：６．５×１０-6／℃，Ｔｉ：８．９×１０-6／℃，Ｐｔ：９．０×１０-6／℃，ＳＵＳ４３０：１０．４×１０-6／℃，Ｃｏ：１２．５×１０-6／℃，Ｎｉ：１３．３×１０-6／℃，Ａｕ：１４．１×１０-6／℃，ＳＵＳ３１０：１５．８×１０-6／℃，Ｍｏ：１６．０×１０-6／℃，ＳＵＳ３１６：１６．０×１０-6／℃，ＳＵＳ３０１：１６．９×１０-6／℃，Ｃｕ：１７．０×１０-6／℃，ＳＵＳ３０４：１７．３×１０-6／℃，Ａｇ：１９．１×１０-6／℃，Ｍｎ：２３．０×１０-6／℃，Ｐｂ：２９．０×１０-6／℃。
【００４０】
２種類の金属材料を接合したバイメタル材料の場合、加熱されると、線膨張係数の大きい金属材料側に凸状に湾曲する。バイメタル材料の湾曲係数が既知の場合は、下記の式により、バイメタル材料の変形量を推測することができる。
△Ｄ＝（Ｌ×Ｌ×△Ｔ）／（ｋ×ｔ）
△Ｄ：変形量（ｍｍ）
ｋ：湾曲係数
t：バイメタル材料の厚さ（ｍｍ）
Ｌ：バイメタル材料の長さ（ｍｍ）
△Ｔ：温度差
アノード集電体６のアノード拡散層４との接合部、および、カソード集電体７のカソード拡散層５との接合部に使用される材料は、電気抵抗によるロスを少なくするため、電気抵抗率が小さい材料が望ましい。使用するバイメタル材料の表面に金メッキを施すことにより、アノード集電体６およびカソード集電体７の電気抵抗を低減するようにしてもよい。
【００４１】
金属材料の電気抵抗率の参考値を小さい順に示す。Ｃｕ：１．６Ωｍ，Ａｇ：１．６Ωｍ，Ａｕ：２．３Ωｍ，Ｍｏ：５．７Ωｍ，Ｃｏ：６．２４Ωｍ，Ｎｉ：６．８Ωｍ，Ｐｔ：１０．６Ωｍ，Ｃｒ：１２．９Ωｍ，Ｐｂ：２０．６Ωｍ，Ｔｉ：５５．０Ωｍ，ＳＵＳ４３０：６０．０Ωｍ，ＳＵＳ３０１：７２．０Ωｍ，ＳＵＳ３０４：７２．０Ωｍ，ＳＵＳ３１６：７４．０Ωｍ，ＳＵＳ３１０：９０．０Ωｍ，Ｍｎ：１６０．０Ωｍ。
【００４２】
バイメタル材料を構成する２種類の金属材料のうち、線膨張係数が小さい方の金属材料をベース材と称する。このベース材として、Ｆｅ−Ｎｉ系、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ｔｉ系、Ｎｉ−Ｍｏ−Ｆｅ系合金などを使用することができる。さらに、これらの合金の表面に金メッキを施すことにより導電性が改善された材料を使用してもよい。
【００４３】
アノード流路１１およびカソード流路１２は、燃料に対する耐薬品性および耐食性を有する材料で形成される。たとえば、Ａｕ，Ｎｉ，ＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３１６などの金属材料、または、プラスチック材料などが使用できる。本実施の形態に係る直接メタノール型燃料電池では、アノード流路１１およびカソード流路１２から集電する必要がない。そのため、アノード流路１１とアノード集電体６との接合、および、カソード流路１２とカソード集電体７との接合は、燃料または酸化剤の漏れがない程度の封止がされていればよい。この接合は燃料中への溶出が少ない接着剤を使用して行なうことができるため、ボルトおよびナットによる締結固定などが不要となる。
【００４４】
また、アノード流路１１およびカソード流路１２には、発電に必要な燃料の供給および発電の際の化学反応による生成物を排出できるだけの空間が確保されていればよい。そのため、アノード流路１１およびカソード流路１２は、必要とされる強度および容積が少ないため、薄板でコンパクトに形成される。
【００４５】
以下、本実施の形態に係る直接メタノール型燃料電池の作用について説明する。図７は、本実施の形態に係る直接メタノール型燃料電池のセル構造の一部を示した模式図である。図７（Ａ）は、発電により加熱される前の、直接メタノール型燃料電池のセル構造の一部を示した模式図である。図７（Ｂ）は、発電により加熱された後の、直接メタノール型燃料電池のセル構造の一部を示した模式図である。
【００４６】
図７(Ａ)，(Ｂ)では、図面中の右側に示すように、固体電解質膜１、アノード触媒層２、カソード触媒層３、アノード拡散層４およびカソード拡散層５から構成される積層体を１つの層として表記している。その積層体とアノード集電体１８およびカソード集電体１９以外の構成については表記を省略している。なお、図７(Ａ)，(Ｂ)は、アノード集電体１８およびカソード集電体１９がバイメタル材料で形成されている場合の構成を示している。
【００４７】
図７(Ａ)に示すように、アノード集電体１８には、メタノールなどの燃料の供給、および、発電の際の化学反応により生成される二酸化炭素を排出するためのアノード開口部１３が形成されている。カソード集電体１９には、空気などの酸化剤の供給、および、発電の際の化学反応により生成される水を排出するためのカソード開口部２８が形成されている。
【００４８】
開口部１３，２８は、貫通孔または貫通溝などで形成される。集電体に占める開口部の面積が小さすぎると、セルに供給される燃料が不足するため、十分な発電を行なうことができない。一方、集電体に占める開口部の面積が大きすぎると、拡散層と集電体との接触面積が不足するため、集電体の電気抵抗が増加して、発電効率が低下してしまう。そのため、燃料電池の運転状態を考慮して、集電体に設ける開口部１３，２８の数量および大きさを決定する必要がある。また、集電体と拡散層とが良好に接合されるためには、開口部１３，２８は適度に分散して形成されている方がよい。
【００４９】
図７(Ｂ)に示すように、発電による発熱により加熱された集電体は、形状記憶合金またはバイメタル材料で形成されているため、温度が上昇するにともなって変形する。アノード集電体１８およびカソード集電体１９は、集電体固定部材１０により端部が固定されており、常温では略平板状で、高温ではセルの内部方向側に変形するように材料が選定されている。たとえば、集電体に形状記憶合金を使用する場合には、温度上昇にともなって凸状に変形する材料を、アノード集電体１８は下側に凸状となるように、カソード集電体１９は上側に凸状になるように配置される。
【００５０】
また、集電体にバイメタル材料を使用する場合には、アノード集電体１８の上層に線膨張係数の小さいベース材１８ａを配置する。ベース材１８ａの下層に、ベース材１８ａよりも大きい線膨張係数を有する第２部材１８ｂが積層されている。このようにすることにより、アノード集電体１８の温度が上昇すると、第２部材１８ｂの方がベース材１８ａよりも膨張するため、下側に凸状にアノード集電体１８が変形するようになる。
【００５１】
一方、カソード集電体１９は、下層に線膨張係数の小さいベース材１９ａが配置される。ベース材１９ａの上層にベース材１９ａよりも大きい線膨張係数を有する第２部材１９ｂが積層されている。このようにすることにより、カソード集電体１９の温度が上昇すると、第２部材１９ｂの方がベース材１９ａよりも膨張するため、上側に凸状にカソード集電体１９が変形するようになる。
【００５２】
本実施の形態に係る直接メタノール型燃料電池では、アノード集電体１８およびカソード集電体１９が、燃料電池の発電により生ずる熱により、アノード拡散層４とカソード拡散層５との間の層間を両側から押圧支持するように変形する。このように、対向するアノード集電体１８およびカソード集電体１９が互いにセルの内部方向に変形することにより、セル内に圧縮荷重が発生するようになっている。その結果、固体電解質膜１、アノード触媒層２、カソード触媒層３、アノード拡散層４およびカソード拡散層５から構成される積層体において、層間の接触面積を確保して電気抵抗を減少させることができる。
【００５３】
本実施の形態に係る直接メタノール型燃料電池では、集電体の変形によりセル内に圧縮荷重を発生させるため、セルの外側からセル全体を押さえ込む必要がない。そのため、従来の燃料電池で使用していたボルト、ナット、ばねおよび押さえ板を削減することができる。さらに、厚く強固に形成されていた集電体などが、薄くコンパクトに形成することができる。よって、単セルから構成される燃料電池およびスタック構造を有する燃料電池において、部品点数を減らして材料費および組立費を削減し、低コスト化および小型化を実現することができる。
【００５４】
実施の形態２
図７(Ｂ)に示すように、アノード集電体１８およびカソード集電体１９をそれぞれ一体で形成した場合、アノード集電体１８およびカソード集電体１９は両端部近傍を集電体固定部材により固定されているため、変形の際、セルの長さ方向の中心部において集電体が最も変形する。そのため、セル内に発生する圧縮応力は、セルの長さ方向の中心部において最も高くなり、端部において低くなるため不均一である。
【００５５】
図８は、本発明の実施の形態２に係る直接メタノール型燃料電池のセル構造の一部を示した模式図である。図８（Ａ）は、発電により加熱される前の、直接メタノール型燃料電池のセル構造の一部を示した模式図である。図８（Ｂ）は、発電により加熱された後の、直接メタノール型燃料電池のセル構造の一部を示した模式図である。図８(Ａ)，(Ｂ)では、図面中の右側に示すように、固体電解質膜１、アノード触媒層２、カソード触媒層３、アノード拡散層４およびカソード拡散層５から構成される積層体を１つの層として表記している。その積層体とアノード集電体２０およびカソード集電体２１以外の構成については表記を省略している。なお、図８(Ａ)，(Ｂ)は、アノード集電体２０およびカソード集電体２１がバイメタル材料で形成されている場合の構成を示している。
【００５６】
本実施の形態に係る直接メタノール型燃料電池では、図８(Ａ)に示すように、アノード集電体２０およびカソード集電体２１がブロック状に分割されて形成されている。ブロック状のアノード集電体２０は、剛性を有し線膨張係数が小さくて薄い金属板で形成されているアノード集電板２２に、少なくとも一箇所以上接合されている。アノード集電板２２は、発電による発熱ではほとんど膨張しない。そのため、セルの厚み方向において、アノード集電体２０とアノード集電板２２との接合部の位置は、加熱されてもほとんど変化しない。このアノード集電体２０とアノード集電板２２との接合は、接触抵抗が小さくなるように行なわれるのが望ましい。
【００５７】
ブロック状のカソード集電体２１は、剛性を有し線膨張係数が小さくて薄い金属板で形成されているカソード集電板２３に、少なくとも一箇所以上接合されている。カソード集電板２３は、発電による発熱ではほとんど膨張しない。そのため、セルの厚み方向において、カソード集電体２１とカソード集電板２３との接合部の位置は、加熱されてもほとんど変化しない。このカソード集電体２１とカソード集電板２３との接合は、接触抵抗が小さくなるように行なわれるのが望ましい。
【００５８】
アノード集電体２０およびアノード集電板２２には、メタノールなどの燃料の供給、および、発電の際の化学反応により生成される二酸化炭素を排出するためのアノード開口部２９が形成されている。アノード集電体２０におけるアノード開口部２９は、アノード集電体２０自体に設けられてもよいし、図８(Ｂ)に示すように、隣り合うブロック状のアノード集電体２０同士の間に形成されるようにしてもよい。
【００５９】
カソード集電体２１およびカソード集電板２３には、空気などの酸化剤の供給、および、発電の際の化学反応により生成される水を排出するためのカソード開口部３０が形成されている。カソード集電体２１におけるカソード開口部３０は、カソード集電体２１自体に設けられてもよいし、図８(Ｂ)に示すように、隣り合うブロック状のカソード集電体２１同士の間に形成されるようにしてもよい。
【００６０】
開口部２９，３０は、貫通孔または貫通溝などで形成される。集電体に占める開口部の面積が小さすぎると、セルに供給される燃料が不足するため、十分な発電を行なうことができない。一方、集電体に占める開口部の面積が大きすぎると、拡散層と集電体との接触面積が不足するため、集電体の電気抵抗が増加して、発電効率が低下してしまう。そのため、燃料電池の運転状態を考慮して、集電体に設ける開口部２９，３０の数量および大きさを決定する必要がある。
【００６１】
図８(Ｂ)に示すように、発電による発熱により加熱された集電体は、形状記憶合金またはバイメタル材料で形成されているため、温度が上昇するにともなって変形する。アノード集電体２０およびカソード集電体２１は、位置決めおよび電気伝導のためブロックごとに端部の一部が集電板に固定されており、常温では略平板状で、高温ではセルの内部方向側に変形するように材料が選定されている。たとえば、ブロック状の形状記憶合金を使用する場合には、温度上昇にともなって凸状に変形する材料を、アノード集電体２０は下側に凸状となるように、カソード集電体２１は上側に凸状になるように配置される。
【００６２】
また、ブロック状のバイメタル材料を使用する場合には、アノード集電体２０の上層に線膨張係数の小さいベース材２０ａを配置する。ベース材２０ａの下層に、ベース材２０ａよりも大きい線膨張係数を有する第２部材２０ｂが積層されている。このようにすることにより、アノード集電体２０の温度が上昇すると、第２部材２０ｂの方がベース材２０ａよりも膨張するため、下側に凸状にアノード集電体２０が変形するようになる。
【００６３】
一方、カソード集電体２１は、下層に線膨張係数の小さいベース材２１ａが配置される。ベース材２１ａの上層にベース材２１ａよりも大きい線膨張係数を有する第２部材２１ｂが積層されている。このようにすることにより、カソード集電体２１の温度が上昇すると、第２部材２１ｂの方がベース材２１ａよりも膨張するため、上側に凸状にカソード集電体２１が変形するようになる。
【００６４】
本実施の形態に係る直接メタノール型燃料電池は、アノード集電体２０およびカソード集電体２１が、発熱による温度上昇により変形して、セルの内部方向に変形することによりセル内に圧縮荷重が発生するようになっている。このようにすることにより、固体電解質膜１、アノード触媒層２、カソード触媒層３、アノード拡散層４およびカソード拡散層５から構成される積層体において、層間の接触面積を確保して電気抵抗を減少させることができる。
【００６５】
本実施の形態に係る直接メタノール型燃料電池では、集電体の変形によりセル内に圧縮荷重を発生させるため、セルの外側からセル全体を押さえ込む必要がない。そのため、従来の燃料電池で使用していたボルト、ナット、ばねおよび押さえ板を削減することができる。さらに、厚く強固に形成されていた集電体などが、薄くコンパクトに形成することができる。よって、単セルから構成される燃料電池およびスタック構造を有する燃料電池において、部品点数を減らして材料費および組立費を削減し、低コスト化および小型化を実現することができる。
【００６６】
本実施の形態に係る、アノード集電体２０およびカソード集電体２１は、複数のブロック状に分割されて形成されているため、発電の熱による変形の際、ブロック毎に凸状に変形する。そのため、実施の形態１のように集電体を一体で形成した場合と比べて、セルの長さ方向における集電体の変形の度合いは分散して均一となる。よって、セルの長さ方向の全体において、セル内に発生する圧縮荷重の分布を均一化することができる。このようにすることにより、セル内の層間の接触面積を全面的に確保して、電気抵抗をさらに低減することができる。集電体以外の構成については、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。
【００６７】
実施の形態３
図９は、本発明の実施の形態３に係る直接メタノール型燃料電池のセルの一部を示した平面図である。図１０は、図９のＸ−Ｘ線矢印方向から見た断面模式図である。図１１は、発電により加熱された後の、本実施の形態に係る直接メタノール型燃料電池のセル構造の一部を示した断面模式図である。図１２は、発電により加熱された後の、カソードパッシブ構造を有する直接メタノール型燃料電池のセル構造の一部を示した断面模式図である。
【００６８】
図１０，１１では、図面中の右側に示すように、固体電解質膜１、アノード触媒層２、カソード触媒層３、アノード拡散層４およびカソード拡散層５から構成される積層体を１つの層として表記している。その積層体とアノード集電体およびカソード集電体以外の構成については表記を省略している。図１２は、図１１に、さらにアノード流路１１を追加して示したものである。
【００６９】
本実施の形態に係る直接メタノール型燃料電池は、図９，１０に示すように、アノード集電体２４およびカソード集電体２５は、それぞれ一体に形成されている。アノード集電体２４には、開口部３１として、直線状の貫通溝が、セルの幅方向に並列に並ぶように形成されている。この複数の貫通溝は、セルの長さ方向において間隔をおいて、繰り返し設けられるようにしてもよい。アノード集電体２４は、図９中の破線で囲まれている、開口部３１が形成される第１領域２４ａと、第１領域２４ａ以外の第２領域２４ｂとから構成されている。
【００７０】
カソード集電体２５もアノード集電体２４と同様に、開口部として、直線状の貫通溝が、セルの幅方向に並列に並ぶように形成されている。この複数の貫通溝は、セルの長さ方向において間隔をおいて、繰り返し設けられるようにしてもよい。カソード集電体２５は、開口部が形成される第１領域２５ａと、第１領域２５ａ以外の第２領域２５ｂとから構成されている。なお、本実施の形態において記載した、集電体に形成される開口部の形状は例示であって、これに限られるものではない。
【００７１】
アノード集電体２４の第２領域２４ｂおよびカソード集電体２５の第２領域２５ｂは、線膨張係数の小さい金属材料から構成されている。アノード集電体２４の第１領域２４ａおよびカソード集電体２５の第１領域２５ａは、形状記憶合金またはバイメタル材料で形成されている。
【００７２】
図１１に示すように、発電による発熱により加熱された集電体の第１領域は、形状記憶合金またはバイメタル材料で形成されているため、温度が上昇するにともなって変形する。第１領域２４ａ，２５ａは、常温では略平板状で、高温ではセルの内部方向側に変形するように材料が選定されている。たとえば、第１領域に形状記憶合金を使用する場合には、温度上昇にともなって凸状に変形する材料を、アノード集電体２４の第１領域２４ａは下側に凸状となるように、カソード集電体２５の第１領域２５ａは上側に凸状になるように配置する。
【００７３】
また、第１領域にバイメタル材料を使用する場合には、アノード集電体２４の第１領域２４ａの上層に線膨張係数の小さい材料、下層に線膨張係数の大きい材料を積層する。このようにすることにより、アノード集電体２４の温度が上昇すると、第１領域２４ａの下層の方が上層よりも膨張するため、下側に凸状にアノード集電体２４の第１領域２４ａが変形するようになる。
【００７４】
一方、カソード集電体２５の第１領域２５ａの下層に線膨張係数の小さい材料、上層に線膨張係数の大きい材料を積層する。このようにすることにより、カソード集電体２５の温度が上昇すると、第１領域２５ａの上層の方が下層よりも膨張するため、上側に凸状にカソード集電体２５の第１領域２５ａが変形するようになる。
【００７５】
第１領域２４ａ，２５ａはそれぞれ、線膨張係数の小さい金属材料から構成されている第２領域２４ｂ，２５ｂに周囲を囲まれている。そのため、第１領域２４ａと第２領域２４ｂとの接合部、および、第１領域２５ａと第２領域２５ｂとの接合部では、セルの厚み方向において、加熱されても接合部の位置がほとんど変化しない。なお、第１領域２４ａと第２領域２４ｂとの接合、および、第１領域２５ａと第２領域２５ｂとの接合は、陽極接合法、レーザ接合法および拡散接合法などにより行なうことができる。
【００７６】
図１２に示すように、アノード集電体２４の上部にアノード流路１１が設けられる。アノード集電体２４に設けられる開口部３１を通じて、メタノールなどの燃料の供給、および、発電の際の化学反応により生成される二酸化炭素が排出される。カソード集電体２５に設けられる開口部を通じて、空気などの酸化剤の供給、および、発電の際の化学反応により生成される水が排出される。
【００７７】
集電体に占める開口部の面積が小さすぎると、セルに供給される燃料が不足するため、十分な発電を行なうことができない。一方、集電体に占める開口部の面積が大きすぎると、拡散層と集電体との接触面積が不足するため、集電体の電気抵抗が増加して、発電効率が低下してしまう。そのため、燃料電池の運転状態を考慮して、集電体に設ける開口部の数量および大きさを決定する必要がある。
【００７８】
本実施の形態に係る直接メタノール型燃料電池では、アノード集電体２４およびカソード集電体２５が、燃料電池の発電により生ずる熱により、アノード拡散層４とカソード拡散層５との間の層間を両側から押圧支持するように変形する。このように、対向するアノード集電体２４およびカソード集電体２５が互いにセルの内部方向に変形することにより、セル内に圧縮荷重が発生するようになっている。その結果、固体電解質膜１、アノード触媒層２、カソード触媒層３、アノード拡散層４およびカソード拡散層５から構成される積層体において、層間の接触面積を確保して電気抵抗を減少させることができる。
【００７９】
本実施の形態に係る直接メタノール型燃料電池では、集電体の変形によりセル内に圧縮荷重を発生させるため、セルの外側からセル全体を押さえ込む必要がない。そのため、従来の燃料電池で使用していたボルト、ナット、ばねおよび押さえ板を削減することができる。さらに、厚く強固に形成されていた集電体などが、薄くコンパクトに形成することができる。よって、単セルから構成される燃料電池およびスタック構造を有する燃料電池において、部品点数を減らして材料費および組立費を削減し、低コスト化および小型化を実現することができる。集電体以外の構成については、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。
【００８０】
実施の形態４
図１３は、本発明の実施の形態４に係る直接メタノール型燃料電池のセルの一部を示した平面図である。図１４は、図１３のＸＩＶ−ＸＩＶ線矢印方向から見た断面模式図である。図１５は、発電により加熱された後の、本実施の形態に係る直接メタノール型燃料電池のセル構造の一部を示した断面模式図である。図１６は、発電により加熱された後の、カソードパッシブ構造を有する直接メタノール型燃料電池のセル構造の一部を示した断面模式図である。
【００８１】
図１４，１５では、図面中の右側に示すように、固体電解質膜１、アノード触媒層２、カソード触媒層３、アノード拡散層４およびカソード拡散層５から構成される積層体を１つの層として表記している。その積層体とアノード集電体およびカソード集電体以外の構成については表記を省略している。図１６は、図１５に、さらにアノード流路１１を追加して示したものである。
【００８２】
本実施の形態に係る直接メタノール型燃料電池は、図１３，１４に示すように、アノード集電体２６およびカソード集電体２７は、それぞれ一体に形成されている。アノード集電体２６には、開口部３２として、直線状の貫通溝が、セルの幅方向に並列に並ぶように形成され、さらに、その隣り合う貫通溝の一端同士をセルの幅方向に連結するように直線状の貫通溝が形成されている。この貫通溝は、セルの長さ方向において間隔をおいて、繰り返し設けられるようにしてもよい。アノード集電体２６は、図１３中の破線で囲まれている、開口部３２が形成される第１領域２６ａと、第１領域２６ａ以外の第２領域２６ｂとから構成されている。
【００８３】
カソード集電体２７もアノード集電体２６と同様に、開口部として、直線状の貫通溝が、セルの幅方向に並列に並ぶように形成され、さらに、その隣り合う貫通溝の一端同士をセルの幅方向に連結するように直線状の貫通溝が形成されている。この貫通溝は、セルの長さ方向において間隔をおいて、繰り返し設けられるようにしてもよい。カソード集電体２７は、開口部が形成される第１領域２７ａと、第１領域２７ａ以外の第２領域２７ｂとから構成されている。
【００８４】
アノード集電体２６の第２領域２６ｂおよびカソード集電体２７の第２領域２７ｂは、線膨張係数の小さい金属材料から構成されている。アノード集電体２６の第１領域２６ａおよびカソード集電体２７の第１領域２７ａは、形状記憶合金またはバイメタル材料で形成されている。
【００８５】
図１４に示すように、発電による発熱により加熱された集電体の第１領域は、形状記憶合金またはバイメタル材料で形成されているため、温度が上昇するにともなって変形する。第１領域２６ａ，２７ａは、常温では略平板状で、高温ではセルの内部方向側に変形するように材料が選定されている。たとえば、形状記憶合金を使用する場合には、温度上昇にともなって凸状に変形する材料を、アノード集電体２６の第１領域２６ａは下側に凸状となるように、カソード集電体２７の第１領域２７ａは上側に凸状になるように配置する。
【００８６】
また、バイメタル材料を使用する場合には、アノード集電体２６の第１領域２６ａの上層に線膨張係数の小さい材料、下層に線膨張係数の大きい材料を積層する。このようにすることにより、アノード集電体２６の温度が上昇すると、第１領域２６ａの下層の方が上層よりも膨張するため、下側に凸状にアノード集電体２６の第１領域２６ａが変形するようになる。
【００８７】
一方、カソード集電体２７の第１領域２７ａの下層に線膨張係数の小さい材料、上層に線膨張係数の大きい材料を積層する。このようにすることにより、カソード集電体２７の温度が上昇すると、第１領域２７ａの上層の方が下層よりも膨張するため、上側に凸状にカソード集電体２７の第１領域２７ａが変形するようになる。
【００８８】
第１領域２６ａ，２７ａはそれぞれ、線膨張係数の小さい金属材料から構成されている第２領域２６ｂ，２７ｂに周囲を囲まれている。そのため、第１領域２６ａと第２領域２６ｂとの接合部、および、第１領域２７ａと第２領域２７ｂとの接合部では、セルの厚み方向において、加熱されても接合部の位置がほとんど変化しない。なお、第１領域２６ａと第２領域２６ｂとの接合，および、第１領域２７ａと第２領域２７ｂとの接合は、陽極接合法、レーザ接合法および拡散接合法などにより行なうことができる。
【００８９】
図１６に示すように、アノード集電体２６の上部にアノード流路１１が設けられる。アノード集電体２６に設けられる開口部３２を通じて、メタノールなどの燃料の供給、および、発電の際の化学反応により生成される二酸化炭素が排出される。カソード集電体２７に設けられる開口部を通じて、空気などの酸化剤の供給、および、発電の際の化学反応により生成される水が排出される。
【００９０】
集電体に占める開口部の面積が小さすぎると、セルに供給される燃料が不足するため、十分な発電を行なうことができない。一方、集電体に占める開口部の面積が大きすぎると、拡散層と集電体の接触面積が不足するため、集電体の電気抵抗が増加して、発電効率が低下してしまう。そのため、燃料電池の運転状態を考慮して、集電体に設ける開口部の数量および大きさを決定する必要がある。
【００９１】
本実施の形態に係る直接メタノール型燃料電池では、アノード集電体２６およびカソード集電体２７が、燃料電池の発電により生ずる熱により、アノード拡散層４とカソード拡散層５との間の層間を両側から押圧支持するように変形する。対向するアノード集電体２６およびカソード集電体２７が互いにセルの内部方向に変形することにより、セル内に圧縮荷重が発生するようになっている。その結果、固体電解質膜１、アノード触媒層２、カソード触媒層３、アノード拡散層４およびカソード拡散層５から構成される積層体において、層間の接触面積を確保して電気抵抗を減少させることができる。
【００９２】
このように集電体が変形することにより、セル内に圧縮荷重が発生するため、セルの外側からセル全体を押さえ込む必要がない。そのため、従来の燃料電池で使用していたボルト、ナット、ばねおよび押さえ板を削減することができる。さらに、厚く強固に形成されていた集電体などが、薄くコンパクトに形成することができる。よって、単セルから構成される燃料電池およびスタック構造を有する燃料電池において、部品点数を減らして材料費および組立費を削減し、低コスト化および小型化を実現することができる。
【００９３】
また、図１３〜１６に示すように、アノード集電体２６およびカソード集電体２７の第１領域２６ａ，２７ａの形成位置を対向する位置から互いにずらすことにより、セルの長さ方向において分散して略全体に圧縮荷重を発生させることができる。この場合、発生する圧縮荷重は比較的低くなるため、集電体を構成する材料に単位温度当たりの変形量がより大きい材料を使用することが望ましい。
【００９４】
本実施の形態に係る直接メタノール型燃料電池において、アノード集電体２６およびカソード集電体２７の第１領域２６ａ，２７ａの形成位置を互いに対向する位置にしてもよい。その状態を示した図が図１７〜２０であり、第１領域２６ａ，２７ａの形成位置以外は、図１３〜１６で説明した構成と同一である。
【００９５】
図１７は、本実施の形態に係る直接メタノール型燃料電池のセルの一部を示した平面図である。図１８は、図１７のＸＶIII−ＸＶIII線矢印方向から見た断面模式図である。図１９は、発電により加熱された後の、本実施の形態に係る直接メタノール型燃料電池のセル構造の一部を示した断面模式図である。図２０は、発電により加熱された後の、カソードパッシブ構造を有する直接メタノール型燃料電池のセル構造の一部を示した断面模式図である。
【００９６】
図１８，１９では、図面中の右側に示すように、固体電解質膜１、アノード触媒層２、カソード触媒層３、アノード拡散層４およびカソード拡散層５から構成される積層体を１つの層として表記している。その積層体とアノード集電体およびカソード集電体以外の構成については表記を省略している。図２０は、図１９に、さらにアノード流路１１を追加して示したものである。
【００９７】
図１８〜２０に示すように、アノード集電体２６およびカソード集電体２７の第１領域２６ａ，２７ａの形成位置を互いに対向する位置にしているため、変形後のアノード集電体２６の第１領域２６ａと、変形後のカソード集電体２７の第１領域２７ａとは、対向するようにセルの内部方向に傾斜して、強い圧縮荷重を発生している。ただし、アノード集電体２６およびカソード集電体２７の第１領域２６ａ，２７ａの形成位置を対向する位置から互いにずらした場合に比べて、圧縮荷重が発生する場所に偏りができてしまう。
【００９８】
図２１は、本実施の形態に係る直接メタノール型燃料電池のアノード集電体を示した模式図である。図２１(Ａ)は、電池の発電前のアノード集電体の状態、(Ｂ)は、電池の発電中のアノード集電体の状態、(Ｃ)は、電池の発電中のアノード集電体の開口部の拡大模式図である。図２１では、アノード集電体２６の上方にアノード拡散層、下方にアノード流路が形成されているような向きで、アノード集電体２６を示している。
【００９９】
図２１(Ａ)に示すように、発電前の常温の状態では、アノード集電体２６は平板状であるため、開口部３２の開口面積は最初に形成された貫通溝の面積である。そのため、開口部３２を通過して、セル内に供給されるメタノール燃料３８の流量は少ない。電池の発電によりアノード集電体２６の温度が上昇すると、図２１(Ｂ)に示すように、第１領域２６ａが変形するため、開口部３２の開口面積は大きくなる。すると、図２１(Ｃ)に示すように、開口部３２を通過してセル内に供給されるメタノール燃料３８の流量が多くなる。このように、本実施の形態に係る直接メタノール型燃料型燃料電池では、電池の発電量が上昇すると、燃料の供給量も多くなるようにすることができる。
【０１００】
一方、電池の発電量を減少させたい場合には、アノード流路に供給されるメタノール燃料３８の流量を減少させればよい。このようにすると、セル内に供給されるメタノール燃料３８が減少するため、電池からの発熱量が低下してアノード集電体２６の変形量が小さくなる。その結果、開口部３２の開口面積が小さくなるため、開口部３２を通過してセル内に供給されるメタノール燃料３８の流量がさらに減少する。
【０１０１】
このように、本実施の形態に係る直接メタノール型燃料型燃料電池では、第１領域の変形が、第１領域の温度変化に対して可逆である。よって、電池の高出力時には、セル内へのメタノール燃料３８の供給量を増加させて燃料不足となるのを防ぐことができる。一方、電池の低出力時には、メタノール燃料３８が過剰に供給されてメタノールクロスオーバとなることを防ぐことができる。メタノールクロスオーバとなると燃料利用効率が下がるだけでなく、電池から取り出せる電力が極端に低下する。
【０１０２】
本実施の形態に係る直接メタノール型燃料電池は、セル内への燃料供給量を効率よく制御することができるため、燃料利用効率および発電効率の改善を図ることができる。この効果は、実施の形態３においても同様に得ることができる。集電体以外の構成については、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。なお、本実施の形態において記載した、集電体に形成される開口部の形状は例示であって、これに限られるものではない。
【０１０３】
以下、実施の形態１についての検証結果を示す。なお、検証は、アノード集電体およびカソード集電体を構成する材料を３種類とりあげて行なった。その３種類の金属材料は、Ｎｉ−Ｔｉ系の形状記憶合金、ステンレス−Ｔｉ系複合材料およびステンレスである。
【０１０４】
検証例１
固体電解質膜としてデュポン製のナフィオン１１７を使用し、アノード触媒層として炭素系粉末担体に白金とルテニウムの混合金属の微粒子を分散担持させたものを使用した。カソード触媒層には、炭素系担体に白金微粒子を分散担持させたものを使用した。次に、上記触媒層が形成された電解質膜に、ＳＧＬカーボン製の２５Ｂ“Ｃ”で形成したアノード拡散層と、ＳＧＬカーボン製のＧＤＬ２５Ｂ“Ｃ”で形成したカソード拡散層とを１３０℃の温度でホットプレス法により接合を行なった。
【０１０５】
さらに、４５度付近の温度に変態点を有するＮｉ−Ｔｉ系の形状記憶合金で構成される約２００μｍの厚さの板金に、直径２００μｍ程度の貫通孔を無数に開けた後、板金全体に金メッキを施してアノード集電体およびカソード集電体を形成した。このアノード集電体およびカソード集電体を常温でプレスにより、上記固体電解質膜、触媒層および拡散層を含む積層体に固定した。
【０１０６】
そして、積層体を挟持するアノード集電体およびカソード集電体をプレスした状態で、このアノード集電体およびカソード集電体と積層体との周囲の側面に接着剤を塗布することにより、互いに接合した。このとき、接合された積層体の層間に圧縮応力が残留している状態で、接合されている。最後に、厚さ３００μｍ程度のステンレス板に、深さ２００μｍ程度の位置に燃料入口および燃料出口を形成したアノード流路をアノード集電板に接着剤を使用して固定した。
【０１０７】
このように形成した上記セルに、３Ｍのメタノール水溶液をポンプで加圧してアノード流路を通じて供給することにより発電確認を行なった。その結果、本検証例の燃料電池では、セル内における電気抵抗の大きな増加もなく、安定した出力が持続して得えられた。
【０１０８】
検証例２
固体電解質膜としてデュポン製のナフィオン１１７を使用し、アノード触媒層として炭素系粉末担体に白金とルテニウムの混合金属の微粒子を分散担持させたものを使用した。カソード触媒層には、炭素系担体に白金微粒子を分散担持させたものを使用した。次に、上記触媒層が形成された電解質膜に、ＳＧＬカーボン製の２５Ｂ“Ｃ”で形成したアノード拡散層と、ＳＧＬカーボン製のＧＤＬ２５Ｂ“Ｃ”で形成したカソード拡散層とを１３０℃の温度でホットプレス法により接合を行なった。
【０１０９】
さらに、ステンレスーチタンの複合材で構成される約２００μｍの厚さの板金に、直径２００μｍ程度の貫通孔を無数に開けた後、板金全体に金メッキを施してアノード集電体およびカソード集電体を形成した。このアノード集電体およびカソード集電体を常温でプレスにより、上記固体電解質膜、触媒層および拡散層を含む積層体に固定した。
【０１１０】
そして、積層体を挟持するアノード集電体およびカソード集電体をプレスした状態で、このアノード集電体およびカソード集電体と積層体との周囲の側面に接着剤を塗布することにより、互いに接合した。このとき、接合された積層体の層間に圧縮応力が残留している状態で、接合されている。最後に、厚さ３００μｍ程度のステンレス板に、深さ２００μｍ程度の位置に燃料入口および燃料出口を形成したアノード流路をアノード集電板に接着剤を使用して固定した。
【０１１１】
このように形成した上記セルに、３Ｍのメタノール水溶液をポンプで加圧してアノード流路を通じて供給することにより発電確認を行なった。その結果、本検証例の燃料電池では、セル内における電気抵抗の増加率は少なく、検証例１よりも劣るものの下記検証例３よりも高い出力が得えられた。
【０１１２】
検証例３
固体電解質膜としてデュポン製のナフィオン１１７を使用し、アノード触媒層として炭素系粉末担体に白金とルテニウムの混合金属の微粒子を分散担持させたものを使用した。カソード触媒層には、炭素系担体に白金微粒子を分散担持させたものを使用した。次に、上記触媒層が形成された電解質膜に、ＳＧＬカーボン製の２５Ｂ“Ｃ”で形成したアノード拡散層と、ＳＧＬカーボン製のＧＤＬ２５Ｂ“Ｃ”で形成したカソード拡散層とを１３０℃の温度でホットプレス法により接合を行なった。
【０１１３】
さらに、ステンレスで構成される約２００μｍの厚さの板金に、直径２００μｍ程度の貫通孔を無数に開けた後、板金全体に金メッキを施してアノード集電体およびカソード集電体を形成した。このアノード集電体およびカソード集電体を常温でプレスにより、上記固体電解質膜、触媒層および拡散層を含む積層体に固定した。
【０１１４】
そして、積層体を挟持するアノード集電体およびカソード集電体をプレスした状態で、このアノード集電体およびカソード集電体と積層体との周囲の側面に接着剤を塗布することにより、互いに接合した。このとき、接合された積層体の層間に圧縮応力が残留している状態で、接合されている。最後に、厚さ３００μｍ程度のステンレス板に、深さ２００μｍ程度の位置に燃料入口および燃料出口を形成したアノード流路をアノード集電板に接着剤を使用して固定した。
【０１１５】
このように形成した上記セルに、３Ｍのメタノール水溶液をポンプで加圧してアノード流路を通じて供給することにより発電確認を行なった。その結果、本検証例の燃料電池では、発電開始時は、検証例１とセル内の電気抵抗および出力に差は認められなかったが、数日経過した時点でセル内の電気抵抗が上昇し、出力が低下していることが確認された。
【０１１６】
この検証結果から、本発明の実施の形態に係る直接メタノール型燃料電池において、集電体に形状記憶合金またはバイメタルを含むように構成することによって、電池の小型化および低コスト化を図りつつ、安定して電気出力を得られることが確認できた。
【０１１７】
なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施の形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【図面の簡単な説明】
【０１１８】
【図１】本発明の実施の形態１に係る直接メタノール型燃料電池のセル構造を示す断面図である。
【図２】同実施の形態に係る直接メタノール型燃料電池のセル構造を示す斜視図である。
【図３】同実施の形態に係る、単セルを積層したスタック構造で構成される直接メタノール型燃料電池のセル構造を示す断面図である。
【図４】同実施の形態に係る、流路の数を減じたスタック構造で構成される直接メタノール型燃料電池のセル構造を示す断面図である。
【図５】同実施の形態に係る、カソードパッシブ構造を有する直接メタノール型燃料電池のセル構造を示す断面図である。
【図６】同実施の形態に係る直接メタノール型燃料電池のセルの組立方法を示した断面図であり、(Ａ)は、集電体を接合する前の状態を示す分解断面図、(Ｂ)は、集電体をプレスにより接合した状態を示す断面図、(Ｃ)は、アノード流路が設けられたカソードパッシブ構造を有する直接メタノール型燃料電池のセル構造を示す断面図である。
【図７】（Ａ）は、発電により加熱される前の、直接メタノール型燃料電池のセル構造の一部を示した模式図、（Ｂ）は、発電により加熱された後の、直接メタノール型燃料電池のセル構造の一部を示した模式図である。
【図８】本発明の実施の形態２に係る直接メタノール型燃料電池のセル構造の一部を示した模式図であり、（Ａ）は、発電により加熱される前の、直接メタノール型燃料電池のセル構造の一部を示した模式図、（Ｂ）は、発電により加熱された後の、直接メタノール型燃料電池のセル構造の一部を示した模式図である。
【図９】本発明の実施の形態３に係る直接メタノール型燃料電池のセルの一部を示した平面図である。
【図１０】図９のＸ−Ｘ線矢印方向から見た断面模式図である。
【図１１】発電により加熱された後の、同実施の形態に係る直接メタノール型燃料電池のセル構造の一部を示した断面模式図である。
【図１２】発電により加熱された後の、カソードパッシブ構造を有する直接メタノール型燃料電池のセル構造の一部を示した断面模式図である。
【図１３】本発明の実施の形態４に係る直接メタノール型燃料電池のセルの一部を示した平面図である。
【図１４】図１３のＸＩＶ−ＸＩＶ線矢印方向から見た断面模式図である。
【図１５】発電により加熱された後の、本実施の形態に係る直接メタノール型燃料電池のセル構造の一部を示した断面模式図である。
【図１６】発電により加熱された後の、カソードパッシブ構造を有する直接メタノール型燃料電池のセル構造の一部を示した断面模式図である。
【図１７】同実施の形態に係る直接メタノール型燃料電池のセルの一部を示した平面図である。
【図１８】図１７のＸＶIII−ＸＶIII線矢印方向から見た断面模式図である。
【図１９】発電により加熱された後の、同実施の形態に係る直接メタノール型燃料電池のセル構造の一部を示した断面模式図である。
【図２０】発電により加熱された後の、カソードパッシブ構造を有する直接メタノール型燃料電池のセル構造の一部を示した断面模式図である。
【図２１】同実施の形態に係る直接メタノール型燃料電池のアノード集電体を示した模式図である。
【図２２】従来の単セルで構成される直接メタノール型燃料電池のセル構造を示す断面図である。
【図２３】単セルを積層したスタック構造で構成される直接メタノール型燃料電池のセル構造を示す断面図である。
【図２４】カソードパッシブ構造を有する直接メタノール型燃料電池のセル構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１１９】
１  固体電解質膜、２  アノード触媒層、３  カソード触媒層、４  アノード拡散層、５  カソード拡散層、６，１８，２０，２４，２６  アノード集電体、７，１９，２１，２５，２７  カソード集電体、８  アノード電極、９  カソード電極、１０  集電体固定部材、１１  アノード流路、１２  カソード流路、１３，２９，３１，３２  アノード開口部、１４  燃料入口、１５  燃料出口、１６  酸化剤入口、１７  酸化剤出口、１８ａ，１９ａ，２０ａ，２１ａ  ベース材、１８ｂ，１９ｂ，２０ｂ，２１ｂ  第２部材、２２  アノード集電板、２３  カソード集電板、２４ａ，２５ａ，２６ａ，２７ａ  第１領域、２４ｂ，２５ｂ，２６ｂ，２７ｂ  第２領域、２８，３０，３３  カソード開口部、３４  アノード押さえ板、３５  カソード押さえ板、３６  ボルト、３７  ナット、３８  メタノール燃料、３９  封止材。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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