(57)【要約】【課題】  薄厚に小型化することができ、燃料，空気の流通を適正に行えて、発電に係る物理的な電極面積に見合う高出力が得られる燃料電池を提供すること【解決手段】  固体高分子物質などの電解質膜１を、山折りと谷折りが平行に連なる波形板体に形成し、その表裏に触媒層，拡散層，集電体４などを組み付けて膜電極体８とする。この膜電極体８を角形筒体５に格納して両端に蓋板６，底板７をそれぞれ固着させる。角形筒体５の内部では、膜電極体８の表裏における頂部がそれぞれ内面に接するので、谷側では対面する内面との間に空隙２８，３８ができ、これらは電解質膜１の表裏について分離し、燃料極２，空気極３それぞれに対応するので、燃料極２の側は燃料を流通させる流路になり、空気極３の側は空気を流通させる流路になる。燃料極２にはメタノールなどの燃料、空気極３には空気（酸化剤）を導入する。【選択図】        図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロトン伝導性を有する電解質膜を有し、当該電解質膜の表裏に、燃料を流通して触媒反応により負荷回路へ電子を送り出す燃料極と、酸化剤を流通して負荷回路から電子を受け取る空気極とをそれぞれ接面する燃料電池において、
前記電解質膜は山折りと谷折りが平行に連なる波形板体とし、当該波形板体の表裏における頂部がそれぞれ内面に接する状態に角形筒体に格納して、当該角形筒体内面との間にできた空隙に前記燃料あるいは前記酸化剤を流通させることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記電解質膜における山折り，谷折りの連なりは直線的にジグザグに連なる波形形状とし、
前記燃料極，前記空気極における集電体は、前記空隙での谷部にフイットする断面に成形した帯板部材とし、当該集電体は前記燃料あるいは前記酸化剤が裏側へ浸透し得るような孔部や多孔質性質を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記電解質膜における山折り，谷折りの連なりは曲線的になだらかに連なる波形形状とし、前記燃料極，前記空気極における集電体は、前記空隙での谷部にフイットする断面に成形した帯板部材とし、当該集電体は前記燃料あるいは前記酸化剤が裏側へ浸透し得るような孔部や多孔質性質を備えることを特徴とする請求項１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、プロトン伝導性を有する電解質膜を有した燃料電池に関するもので、より具体的には、電解質膜の表裏に燃料極と空気極とをそれぞれ接面し、それら燃料極，空気極に燃料，空気（酸化剤）をそれぞれ流通させるような燃料電池の流路の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、基本的には図１に示すように、電解質膜１を挟んで一方面は燃料極２、他方面は空気極３とし、燃料極２にはメタノールなどの燃料（水素）、空気極には空気（酸化剤）を導入する構成になっている。
【０００３】
そして、電解質膜１を固体高分子物質などから形成するものは、低温動作が行えて注目を集めており、その電解質膜１に接面させて白金等の触媒層を設ける必要がある。燃料極２，空気極３は導電性材料から形成し、例えばカーボン材料は多孔質性があるので拡散層として機能させることでき、好まれている。燃料極２，空気極３をなすカーボン板には溝部を複数並べて形成して燃料，空気を流通させる流路とし、両電極２，３の外側にセパレータ１１，１１を配置して全体を保持している。
【０００４】
燃料，空気の流路となる溝部は、例えば特許文献１などに見られるように、セパレータの内側面に設ける構成を採ることもある。何れにしても燃料，空気を流通すると、燃料極２では、水素イオンの離脱反応により電子が放出され、電子は当該極から外部の負荷回路へ向かい、空気極３では電解質膜１を透過してきた水素イオンと外部回路から戻った電子が反応して水が生成し、燃料電池はそれら一連の反応を連続的に行なう発電デバイスになっている。
【０００５】
この種の燃料電池は、発電時の生成物が水だけで環境面に問題が少なく、エネルギ変換効率が非常に高いことから、携帯装置の電源として用いるための開発が盛んであり、これには小型化および高出力が得られることが求められている。例えば特許文献２には、空気極では外気を自然拡散により流通させる構成として薄厚で小型化するような技術の提案があり、特許文献３には、電解質膜の表裏に電極を接合した膜電極接合体を折り曲げて畳み重ねる構成を採り、セルの表面積を大きくして小型化しつつ大出力を得るような技術の提案がある。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−１１０１９１号公報
【特許文献２】特開２０００−２６８８３５号公報
【特許文献３】特開２００３−３３１８６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、そうした従来の燃料電池では以下に示すような問題がある。燃料電池の場合、燃料，空気の流路が不可欠であるが、係る流路として、図１に示す従来例は燃料極２，空気極３に溝部を設ける構成を採り、特許文献１はセパレータの内側面に溝部を設ける構成を採っている。しかし、係る構成では、溝部の深さ分だけ電池本体の厚みが増してしまう問題がある。
【０００８】
また、溝部の縁など、相手面と接触している部分は燃料，空気が到達しにくく、このため、発電に関わる表面積が減ってしまい、物理的な電極面積に見合う出力が得られない問題がある。
【０００９】
さらに、特許文献２に記載された発明では、電解質膜とその表裏に接面した燃料極，空気極は平板形状であることから、高出力を得るにはその平板面積を増すことになり、小型化に限界がある。
【００１０】
特許文献３に記載された発明では、電解質膜の表裏に電極を接合した膜電極接合体は折り曲げて重ねたその間を多孔質体で埋める構成であり、高出力化のために電極に達する燃料および酸化剤の流量を増すには、別途充填装置等を設けなければならず、そのため小型化が困難となる。
【００１１】
この発明は上記した課題を解決するもので、その目的は、薄厚に小型化することができ、燃料，空気の流通を適正に行えて、発電に係る物理的な電極面積に見合う高出力が得られる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】
【００１２】
上記した目的を達成するために、本発明に係る燃料電池は、プロトン伝導性を有する電解質膜を有し、当該電解質膜の表裏に、燃料を流通して触媒反応により負荷回路へ電子を送り出す燃料極と、酸化剤を流通して負荷回路から電子を受け取る空気極とをそれぞれ接面する燃料電池において、前記電解質膜は山折りと谷折りが平行に連なる波形板体とし、当該波形板体の表裏における頂部がそれぞれ内面に接する状態に角形筒体に格納して、当該角形筒体内面との間にできた空隙に前記燃料あるいは前記酸化剤を流通させる構成にした。
【００１３】
また、前記電解質膜における山折り，谷折りの連なりは直線的にジグザグに連なる波形形状とし、前記燃料極，前記空気極における集電体は、前記空隙での谷部にフイットする断面に成形した帯板部材とし、当該集電体は前記燃料あるいは前記酸化剤が裏側へ浸透し得るような孔部や多孔質性質を備える構成にするとよい。
【００１４】
また、前記電解質膜における山折り，谷折りの連なりは曲線的になだらかに連なる波形形状とし、前記燃料極，前記空気極における集電体は、前記空隙での谷部にフイットする断面に成形した帯板部材とし、当該集電体は前記燃料あるいは前記酸化剤が裏側へ浸透し得るような孔部や多孔質性質を備える構成にしてもよい。
【００１５】
係る構成にすることにより本発明では、波形形状に成形した電解質膜を角形筒体に格納した状態では、その電解質膜の表裏における頂部がそれぞれ内面に接するので、谷側では対面する内面との間に空隙ができる。これらは電解質膜の表裏について分離し、燃料極，空気極それぞれに対応するので、燃料極の側は燃料を流通させる流路になり、空気極の側は空気を流通させる流路になる。これらの空隙は、角形筒体の両端に配置する蓋板，底板に、溝部，孔部を適宜に設けることで連係でき、したがって、流路の連係を適宜に設定でき、その結果、燃料，空気を適切に流通させることができる。
【００１６】
そして、電解質膜は山折りと谷折りが平行に連なる波形板体とするので、見かけの面積よりも発電に係る表面積が大きく、従来の平板構成に比べて見かけの面積が同一であっても格段に高出力が得られる。この場合、従来のように流路とするための溝部を特別に設ける必要がなく、電池の厚さを薄くできる。また、電解質膜の組立体を角形筒体に嵌め入れる構成なので、集電体等の組み付け要素を固定するための特別な固定具が不要であり、部品点数を低減でき、軽量化が行える。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る燃料電池では、電解質膜の組立体を角形筒体に嵌め入れることで、その波形板体の谷側では対面する内面との間に空隙ができ、それが燃料極，空気極のそれぞれに対応して流路になり、それら流路の連係を適正に設定することができるので燃料，空気を適切に流通させることができる。
【００１８】
そして、電解質膜は山折りと谷折りが平行に連なる波形板体とするので、見かけの面積よりも発電に係る表面積が大きく、したがって、燃料，空気の流通を適正に行えて、発電に係る物理的な電極面積に見合う高出力が得られる。また、従来のように流路とするための溝部を特別に設ける必要がなく、電池の厚さを薄くでき、薄厚に小型化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図２は、本発明の好適な一実施の形態を示している。本形態において、燃料電池は、波形板体に成形した電解質膜１を有し、その表裏に触媒層，拡散層，集電体４などを組み付けた組立体の状態で角形筒体５に格納して、角形筒体５の両端に蓋板６，底板７をそれぞれ固着させる構成になっている。そして、電解質膜１の表裏はそれぞれ燃料極２，空気極３となり、蓋板６の各孔部から燃料極２にはメタノールなどの燃料、空気極３には空気（酸化剤）を導入するようになっている。
【００２０】
電解質膜１には、例えばデュポン社のナフィオンなどが好ましく使用でき、厚さ２００μｍ、幅３ｃｍ、長さ１０ｃｍ程度の大きさの膜体に形成する。この膜体は、図３に示すように、山折りと谷折りが平行に連なる波形板体に折り曲げ加工するが、その前に表面に触媒層と拡散層を形成する成膜処理を行う。つまり、電解質膜１の表裏には白金等を塗布して触媒層を形成し、その触媒層の上に多孔質体シートを密着させて拡散層を形成する。
【００２１】
多孔質体シートには、後工程で行う折り曲げ加工において充分な強度があるもので、その透水係数は、燃料の拡散性をよくするため水素イオン透過膜における値よりも低値のものがよい。これらの点を考慮すると、例えばカーボンペーパなどは柔軟性もあって好ましく、厚さ３００μｍ程度のカーボンペーパがよい。
【００２２】
電解質膜１の表裏に触媒層，拡散層の成膜処理を行った後に、折り曲げ加工して波形板体に成形するが、本形態では、電解質膜１における山折り，谷折りの連なりは、直線的にジグザグに連なる波形形状に成形している。
【００２３】
集電体４は導電性の帯板部材から形成してあり、図３に示すように、断面を略Ｌ字形状に成形し、これは電解質膜１の谷部にフイットする断面になっている。集電体４の表面には多数の孔部４０を設け、その孔部４０から燃料あるいは酸化剤が裏側へ浸透し得るようになっている。この集電体４は、折り曲げ加工した電解質膜１の谷部分に配列し、電解質膜１の表裏について、拡散層の上に密着させることになる。
【００２４】
電解質膜１に対して、触媒層，拡散層の成膜処理を行い、波形板体に折り曲げ加工し、そして集電体４を密着させた状態、つまり図３に示す組立体を膜電極体８と呼ぶことにする。
【００２５】
集電体４としては、導電性および耐酸化性に優れて強度も高い材料が好ましく、例えば表面に金メッキを施したステンレス鋼などの金属材料を使って厚さは１ｍｍ以下とすることもよく、これは適度な強度が得られる厚さにする。また、集電体４の孔部４０は、燃料あるいは酸化剤を裏側へ浸透させるためなので孔開口に限らなく、例えば部分的にメッシュ部分を設けてもよい。あるいは導電性の帯板部材そのものを、多孔質性質を備える部材にすることもよい。
【００２６】
角形筒体５は、耐熱性および耐酸化性に優れた絶縁材料から形成してあり、例えばＡＢＳ樹脂など樹脂材料が好ましく使用でき、角形の開口５０から膜電極体８を嵌め込み入れて筒内に格納するようになっている。
【００２７】
つまり、角形筒体５の開口５０に対して、膜電極体８のジグザグに連なる波形形状の側（波形側面）を嵌め合わせ、このとき膜電極体８の表裏における頂部がそれぞれ内面に接する嵌め合い設定になっており、筒長さは膜電極体８の山折り谷折りに沿う側と同一に設定している。具体的には、開口５０の内部寸法（厚さ，幅）は、膜電極体８の波形側面における頂部高さおよび全幅よりもそれぞれ０．１ｍｍ程度小さく設定している。これは接面の密着を良好にするためであり、膜電極体８を角形筒体５に嵌め入れた際は、集電体４がそれぞれ谷部で電解質膜１の側に押し付けられるので、当該接面の密着がより確実になる。また、角形筒体５に嵌め入れる膜電極体８には、角形筒体５の内面との接触部分つまり集電体４の縁部などに接着剤を塗り付けて隣り合う領域を互いに封止する。
【００２８】
蓋板６および底板７は、角形筒体５と同様の材料から形成してあり、角形筒体５の開口５０に固着させて封止するようになっている。固着には、例えば接着剤を使用することができ、あるいは熱溶着や超音波溶着などの方法で取り付けてもよい。この蓋板６，底板７には、複数の孔部および溝部を設けてあり、それぞれが燃料および空気を流通するための流路になる。
【００２９】
つまり、膜電極体８を角形筒体５に格納した状態では、膜電極体８の表裏における頂部がそれぞれ内面に接するので、谷側では対面する内面との間に空隙ができる。これらは膜電極体８の表裏について分離し、燃料極２，空気極３それぞれに対応するので、燃料極２の側は空隙２８、空気極３の側は空隙３８と呼ぶことにする。そして、蓋板６，底板７には、それら空隙２８，３８に対面する部位に孔部，溝部を設けていて、燃料，空気を適宜に流通させる構成になっている。
【００３０】
本形態では、蓋板６には、燃料側となる空隙２８に対面させて孔部６２を設けると共に、空気側となる空隙３８に対面させて導入孔部６３を端に１つ設け、その他の空隙３８に対しては隣り合う空隙３８にまたがる状態に溝部６４を設けている。底板７には、空気側となる空隙３８に対面させて導出孔部７３を他方端に１つ設け、その他の空隙３８に対しては隣り合う空隙３８にまたがる状態に溝部７４を設けている。
【００３１】
燃料，空気（酸化剤）の供給には、図４（ａ），（ｂ）に示すように、外部の燃料タンク９から蓋板６の各孔部６２に配管し、導入孔部６３は解放状態そのままとして導出孔部７３に空気ポンプ１０を配管する構成を採ることができる。また、比較的に小出力でよい場合は空気ポンプ１０を外した構成もよい。
【００３２】
すなわち、燃料，空気の流路は、燃料極２においては、図４（ａ）に示すように、燃料は蓋板６の各孔部６２から導入し、その燃料はそのまま空隙２８を流通して他方端に到達する流路構成である。空気極３においては、図４（ｂ）に示すように、空気は蓋板６の導入孔部６３から導入し、その空気は隣り合う空隙３８を順次に流通して他方端に到達し、そして他方端の導出孔部７３から排出する流路構成になっている。
【００３３】
この場合、燃料タンク９から導入した燃料の流通は、蓋板６の各孔部６２からそれぞれの空隙２８を流通して他方端に到達するだけなので、発電反応が進んで燃料の濃度が低下した時点では、燃料タンク９を外して燃料極２の各空隙２８に残った燃料を排出させ、そして新たな燃料タンク９を接続することになる。
【００３４】
このように、膜電極体８を角形筒体５に格納した状態では、その膜電極体８の表裏における頂部がそれぞれ内面に接するので、谷側では対面する内面との間に空隙２８，３８ができ、これらは電解質膜１の表裏について分離し、燃料極２，空気極３それぞれに対応するので、燃料極２の側は燃料を流通させる流路になり、空気極３の側は空気を流通させる流路になる。そして、これらの空隙２８，３８は、角形筒体５の両端に配置する蓋板６，底板７に設けた溝部，孔部により連係しており、流路の連係を適正に設定しているので、燃料，空気を適切に流通させることができる。
【００３５】
そして、電解質膜１は山折りと谷折りが平行に連なる波形板体とするので、見かけの面積よりも発電に係る表面積が大きく、従来の平板構成に比べて見かけの面積が同一であっても格段に高出力が得られる。
【００３６】
したがって本発明によれば、燃料，空気の流通を適正に行えて、発電に係る物理的な電極面積に見合う高出力が得られる。この場合、従来のように流路とするための溝部を特別に設ける必要がなく、電池の厚さを薄くでき、薄厚に小型化することができる。
【００３７】
また、電解質膜１の組立体（８）を角形筒体５に嵌め入れる構成なので、集電体４等の組み付け要素を固定するための特別な固定具が不要であり、部品点数を低減でき、軽量化が行える。
【００３８】
なお、本形態では、電解質膜１における山折り，谷折りの連なりは、直線的にジグザグに連なる波形形状としたが、これに限定されるものではない。本発明では、膜電極体８をケース（角形筒体５）に格納した状態で内面との間に空隙ができる形状であればよく、例えば電解質膜１における山折り，谷折りの連なりは、曲線的になだらかに連なる波形形状とし、集電体４はその空隙での谷部にフイットする断面に成形した帯板部材とすることもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】燃料電池の従来の一例を分離して示す斜視図である。
【図２】本発明に係る燃料電池の一実施の形態を分離して示す斜視図である。
【図３】電解質膜，集電体を分離して示す斜視図である。
【図４】燃料電池における酸化剤，燃料の流通を示す斜視図であり、ケース側面を切断して（ａ）は燃料極、（ｂ）は空気極をそれぞれ露出させて示している。
【符号の説明】
【００４０】
１  電解質膜
２  燃料極
３  空気極
４  集電体
５  角形筒体
６  蓋板
７  底板
８  膜電極体
９  燃料タンク
１０  空気ポンプ
１１  セパレータ
２８，３８  空隙
４０，６２  孔部
５０  開口
６３  導入孔部
６４，７４  溝部
７３  導出孔部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2006210266.tif 000006