(57)【要約】【課題】  燃料電池全体を効率的に小型化することができ、また低コストの燃料電池を提供すること。【解決手段】  不導体基板３０１に開けられた孔部に高分子電解質３０４を流し込んで乾燥、固定化した構造の電解質部を持つ。ここで、不導体基板は、本実施形態の燃料電池のセル構造の基盤をなすものであり、このようにして形成された電解質部に電極３０３、３０２が形成されて燃料電池のセル構造となる。【選択図】  図３
2006120366.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
不導体の一部に電解質材料を満たして形成される電解質部と、
該電解質部の側面部に配置される電極と
を備えたことを特徴とするセル構造。
【請求項２】
前記不導体は、板状の不導体基板であり、
前記電解質部は、該不導体基板を貫通して形成された孔部に電解質材料を満たして形成され、
前記電極は、該孔部の上面および下面に電極材料を被覆することにより、前記電解質部の側面部に配置されることを特徴とする請求項１に記載のセル構造。
【請求項３】
前記不導体基板は、ポリサルフォン酸樹脂の基板であることを特徴とする請求項１または２に記載のセル構造。
【請求項４】
前記不導体基板は、ガラス製の基板であることを特徴とする請求項１または２に記載のセル構造。
【請求項５】
前記電解質材料は、高分子電解質であり、
前記電極は、白金または白金ルテニウム触媒電極であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のセル構造。
【請求項６】
一の不導体の複数の部分に電解質材料を満たして形成された複数の電解質部と、
該複数の電解質部の各々の側面部に配置される複数の電極と
を備え、該複数の電解質部の各々の側面部に配置される電極のうちの１つは、該電解質部に隣接する電解質部の両側に配置される電極のうち、該電極のうちの１つと前記不導体をはさんで反対側に配置された他の電極と接続されることを特徴とするセル構造。
【請求項７】
電極と、電解質部と、燃料供給部と、酸素供給部とを備えた燃料電池であって、
前記電解質部は、不導体の一部に電解質材料を満たして形成され、
前記電極は、該電解質部の側面部に配置されることを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
電極と、電解質部と、燃料供給部と、酸素供給部とを備えた燃料電池であって、
前記電解質部は、一の不導体の複数の部分に電解質材料を満たして形成された複数の電解質部であり、
前記電極は、該複数の電解質部の各々の側面部に配置される複数の電極であり、
該複数の電解質部の各々の側面部に配置される電極のうちの１つは、該電解質部に隣接する電解質部の両側に配置される電極のうち、該電極のうちの１つと前記不導体をはさんで反対側に配置された他の電極と接続されることを特徴とする燃料電池。
【請求項９】
不導体の一部に電解質充填部を形成するステップと、
前記形成された電解質充填部に電解質材料を満たして電解質部を形成するステップと、
前記電解質部の両側に電極を配置するステップと
を備えたことを特徴とするセル構造の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池およびその製造方法に関し、より詳細には、小型化が可能な燃料電池およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題や資源問題への対策が重要になっており、その対策のひとつとして燃料電池が注目されている。特に、直接型燃料電池は、メタノールを燃料に用い、改質やガス化を行わずに直接発電することができるため、構造がシンプルで、小型化、軽量化が容易であり、携帯電話や携帯用のコンピュータ等の小型コンシューマ電源として有望である。直接メタノール型燃料電池では、一般に燃料極側にメタノール水溶液を供給すると、電池反応によって炭酸ガスが発生し、燃料排気物としては廃燃料と炭酸ガスが排出される。一方、空気極側では、酸化剤として空気を供給すると、電池反応により水が発生し、空気とともに排出される。
【０００３】
このように直接メタノール型燃料電池を用いる場合、直接メタノール型燃料電池の作動電圧は、セル当たりの出力電圧が低いため、複数のセルを直列に接続して昇圧する必要がある。このため、通常は図１に示すようにセパレータを介して積層する等により昇圧を行なっていることから、大型化が避けられず、よりいっそうの小型化が必要である。
【０００４】
従来の燃料電池は、電解質材料を２つの電極で挟みセパレータを介して積層し電池ケース等に収容して形成されるものが一般的であり、このような燃料電池の小型化を計るため図２に示すような半導体を作成するための微細加工技術などが用いられて電極を微細化することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開平２００４−１１１３４３号公報
【特許文献２】特開平２００２−２８００１６号公報
【特許文献３】特開平２００３−２６４００３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、燃料電池の電解質部については、電解質として通常用いられる材料に上述の半導体微細加工技術を使用することはできず、逆に微細加工が可能なセラミック系材料を電解質材料として用いると極端に性能が低下することから、電極が小型化されても電解質部の形状が従来とほとんど変わらないため、電池全体としては効果的に小型化ができないという問題がある。
【０００７】
また、従来の電解質材料に電極を狭持する電池の場合、通常、電極同士の短絡や燃料漏れなどを防止するため、電極よりもやや大型の電解質材料を用いるが、電解質材料の電極よりも大きい部分は燃料電池の作用としては使用できない部分となる（例えば、図２を参照すると、電極２０１が電解質膜２０２を挟み込むような構造になっているので、電解質のうち電極にはさまれていない部分は全く電解質部としての役割を果たさず無駄になっている）ため、結果的に高価な電解質材料を無駄にするという問題がある。
【０００８】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、電解質部の構造を微細化可能なものとすることにより、燃料電池の新しいセル構造を提案し、電解質を効率的に利用することを目的とする。また、電解質材料の無駄を回避することにより低コストの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】
【０００９】
このような目的を達成するために、本発明のセル構造は、不導体の一部に電解質材料を満たして形成される電解質部と、電解質部の側面部に配置される電極とを備えたことを特徴とし、一の不導体の複数の部分に電解質材料を満たして形成された複数の電解質部と、複数の電解質部の各々の側面部に配置される複数の電極とを備え、複数の電解質部の各々の側面部に配置される電極のうちの１つは、電解質部に隣接する電解質部の両側に配置される電極のうち、電極のうちの１つと不導体をはさんで反対側に配置された他の電極と接続されることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の燃料電池は、電極と、電解質部と、燃料供給部と、酸素供給部とを備えた燃料電池であって、電解質部は、不導体の一部に電解質材料を満たして形成され、電極は、電解質部の側面部に配置されることを特徴とし、さらに、電解質部は、一の不導体の複数の部分に電解質材料を満たして形成された複数の電解質部であり、電極は、複数の電解質部の各々の側面部に配置される複数の電極であり、複数の電解質部の各々の側面部に配置される電極のうちの１つは、電解質部に隣接する電解質部の両側に配置される電極のうち、電極のうちの１つと前記不導体をはさんで反対側に配置された他の電極と接続されることを特徴とする。
【００１１】
さらに、本発明のセル構造の製造方法は、不導体の一部に電解質充填部を形成するステップと、形成された電解質充填部に電解質材料を満たして電解質部を形成するステップと、電解質部の両側に電極を配置するステップとを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように、本発明によれば、不導体の一部に電解質材料を満たして形成される電解質部と、電解質部の側面部に配置される電極とを備えることにより、燃料電池の新しいセル構造を提案し、電解質を効率的に利用することができる。また、電解質材料の無駄を回避することにより低コストの燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１４】
（燃料電池の構造）
図３は、本発明の一実施形態にかかる燃料電池の構造示す断面図である。従来の燃料電池における電解質部は、上述の通り板状等の電解質材料をそのまま使用していたのに対し、本発明の電解質部は不導体基板に形成された穴部に電解質材料を満たすような形で作成される。すなわち、本発明の電解質部は、従来技術のように電解質材料自体を切削等してセル構造に組み込まれる形態に形成するのではなく、セルを構成する不導体基板等に電解質部を満たす部分があり、その部分に電解質部が形成されるように電解質材料が満たされるようになっている。したがって、燃料電池に用いられる電解質部がこのような構造を有すれば本発明の技術的範囲にあり、その構造の形状や電解質部の形成方法はどのようなものであっても良い。例えば、電解質部の形成方法としては、不導体部に孔部をあけておいてその孔部に電解質溶液を流し込む方法も可能であり、また電解質材料と不導体部を共に形成させる方法によることもできる。結局、その形成方法によらず何らかの形状、材質の不導体に電解質材料を埋め込んだような構造の電解質部を有する燃料電池は、本発明の技術的範囲に含まれるということができる。
【００１５】
図３の示す本実施形態の燃料電池は、不導体基板３０１に開けられた孔部に高分子電解質３０４を流し込んで乾燥、固定化した構造の電解質部を持つ。ここで、不導体基板は、本実施形態の燃料電池のセル構造の基盤をなすものであり、このようにして形成された電解質部に電極３０３、３０２が形成されて燃料電池のセル構造となる。したがって、このような目的を達成するものであれば、プラスチックやガラス等いずれの固体の不導体材料を使用することもでき、形状も本実施形態にあるような板状のものに限られることはない。
【００１６】
図４は、本実施形態の燃料電池を作成するに当たり、複数の孔部をあけられた不導体基板を示す図である。不導体基板３０１には、規則正しく一定の円柱型の孔部４０１が形成されており、孔部４０１は不導体基板３０１を貫通するように形成されている。このように孔部を形成することにより、例えば上面側に燃料極を置き、底面側に空気極を配置すれば容易にセルを作成することができるのである。ただし、孔部４０１は不導体基板を貫通する必要はなく、底面側に空気あるいは燃料を供給する構造を設ければ上面側だけあるいは、両面共に開口する必要はない。
【００１７】
本実施形態では、図４に示す不導体基板３０１の孔部４０１内にある電解質材料が電解質部３０４を構成するが、この電解質部３０４に電極を両側から埋め込む。図３を参照すると、上側から燃料であるメタノール水溶液３０６が供給されるので、燃料極３０３を不導体基板３０１の上側に埋め込み、空気極３０２を下側に埋め込めばよいことが理解できる。本実施形態では３つのセルが燃料極３０３と空気極３０２とを導体接続部３０５により電気的に連結させて直列構造をとるようになっているが、当然３つに限られるわけではなく、連結方法も図３に示されるようなもの以外の方法とすることができるのは明らかである。なお、導体接続部３０５は本実施形態では、後述するような直列接続構造によるが、その他の方法も目的が達成される限り使用することができる。
【００１８】
実際に、多くの直列接続構造が提案されているが（例えば、特許文献２または３参照）、本実施形態のセル構造をこれらの技術と組み合わせて、より一層の効果を奏することは、当業者であれば理解することができる。
【００１９】
以上の構造を有するセル構造に燃料および酸素が供給されて燃料電池として電力を発生させることとなる。燃料および酸素の供給方法や装置の構造については、従来から良く知られており、そのような技術のいずれも本実施形態のセル構造に適用することができる。なお、本実施形態では燃料３０６はメタノール水溶液であり、燃料電池としての作用は、基本的に従来技術のＤＭＦＣ（直接メタノール型燃料電池）と同様であるので、ここでは説明を省略するが、本実施形態の基本構造を有するセルであればＤＭＦＣはもちろん、その他のタイプの燃料電池のセルとして使用することができるのは言うまでもない。
【００２０】
（燃料電池の製造方法）
次に、燃料電池の製造方法、すなわち本発明のセル構造を形成する方法について説明する。図５は、本実施形態のセル構造形成方法を示すフローチャートである。
【００２１】
まず、不導体材料を板状に切削する等により作成し、孔を開けて孔部を形成させる（Ｓ５０１）。次に、形成された孔部に電解質材料を埋め込み（Ｓ５０２）、固定化して電解質部を形成する（Ｓ５０３）。本実施形態では、電解質溶液を孔部に流し込み、乾燥後熱処理を行なって固定化し、電解質部を形成する。電解質部が形成されると、電解質部の両側に電極触媒を埋め込んで（Ｓ５０４）、最後に配線を行なう（Ｓ５０５）。
【００２２】
以上が本発明のセル構造製造方法の一例であるが、当業者であれば、これにより得られたセル構造を用いて本技術分野で知られた、あるいは今後開発される燃料電池の製造方法をさらに適用して燃料電池を製造することがきるが、その詳細は省略する。また、こうしたセル構造から燃料電池を製造する方法は種々存在するが、本発明のセル構造を用いて、いずれの製造方法によっても燃料電池を製造することができるのは明らかである。
【００２３】
（実施例１）
次に本実施形態のセル構造を用いた燃料電池の一例について図３を参照して説明する。本実施形態では、不導体３０１としてポリサルフォン樹脂の１ｍｍ厚の基板を用いたが、材料としてはこれに限られない。ただし、本実施例では一定の耐熱・耐酸性・耐アルコール性が必要なので、これらを満たす材料とした。
【００２４】
本実施例の孔部は直径０．５ｍｍの円形に貫通させるので、孔部４０１の形状は高さ１ｍｍ直径０．５ｍｍの円柱となる。この孔部４０１に２０ｗｔ％Ｎａｆｌｏｎ溶液を０．２μｌ注入し、室温で３０分乾燥させる。その後、１３５℃（通常、１２０℃〜１４０℃が望ましい）に設定された電気炉により、１０分間熱処理を行うことによって、孔部に高分子電解質を固着させる。これにより電解質部が形成される。
【００２５】
次に、高分子電解質の両面に電極触媒を塗布することにより本実施例の燃料電池のセル構造が作成される。電極触媒は、白金触媒や白金ルテニウム合金触媒を電解質溶液とよく混合して、ペースト状の懸濁液を準備して塗布を行なう。すなわち、この触媒懸濁液を高分子電解質の両面に塗布して室温で約３０分間乾燥させ、ホットプレス器を用いて１３５℃（通常、１２０℃〜１４０℃が望ましい）で１分間熱処理を行なうことにより電極を形成する。最後に、基板上に金を蒸着する方法で電流リードのための配線を作成する。
【００２６】
図６は、本実施例のセル１個を用いた燃料電池の出力特性を示す図である。燃料にメタノール溶液（５ｗｔ％）を使用して、燃料極に直接メタノール溶液を供給し、自然吸気により空気の供給を行なってＤＭＦＣ法により電力の出力を確認することができた。これにより本実施例による燃料電池の単セル性能としては、常温で１．６ｍＷ／ｃｍ２の出力密度となるのが理解できる。
【００２７】
また、図８は、同様にセル３個を直列に接続して作成された燃料電池について、出力特性を取ったものである。燃料、空気条件は図６を参照して説明したセル１個の場合と同様である。図８を参照すると、本実施例のセルの場合セルの断面は直径０．５ｍｍであるから３個用いた燃料電池の場合、ほぼ３．８ｍＷ／ｃｍ２の出力密度となるのが理解できる。
【００２８】
以上により、電解質を効率的に利用することができ、また電解質材料の無駄を回避することにより低コストの燃料電池を提供することができる
【００２９】
（実施例２）
本実施例においては、上述の実施例で使用したポリサルフォン樹脂の不導体基板に替えて、ガラス製の不導体基板を使用する。本実施例の不導体基板は十分な耐熱・耐酸性・耐アルコール性を有するので、本発明の実施には最適である。その他の点については実施例１と同様なので説明を省略する。
【００３０】
（実施例３）
図７は、本実施例の直列接続構造を示す図である。従来技術あるいは上述の実施例１を見ても理解できるように一般に単セルでは燃料電池の要求される電圧を得ることはできないから、通常いずれかの方法によりセルを直列接続して必要な電圧を得る必要がある。必要な電圧とは、電子機器で使用するためには３〜５Ｖ程度であるが、使用機器によってはさらに高い電圧を必要とするものもある。
【００３１】
本実施例では、各セルを直列接続するため図７に示すように電極を配線する。図７は、本実施例の基板を上面から見たものであるが、上面側の導電性のセル結合部材７０１、７０６等だけではなく下面側にも導電性のセル結合部材７０４、７０５等が貼り付けられており、これにより各セルの電極同士が電気的に接続される。すなわち、セル部分７０２の下側には、セル接合部７０５の一部があり、その一方セル結合部材７０６の一端７０３には導体接続部３０５が結合されて上面側に不導体基板３０１を貫通してセル接合部７０６に接続されている。以下同様の接続が行なわれて各セルは直列に接続され、セル接合部７０１からセル接合部７０４までが直接接続されることとなる。本実施例では、１３個のセルが直列接続されることとなる。
【００３２】
図８に、上述の実施例１のセルを本実施例の構造で直列接続した本実施例の燃料電池の出力特性を示す。このように直列接続することにより、より実用的な電圧を得ることができる。以上により、微細加工技術によって電極を直列接続にして、実用的な電圧を得ると共に電池全体の小型化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】従来の燃料電池のスタック構造の一例を示す図である。
【図２】従来の半導体を作成するための微細加工技術などを用いて電極を微細化した例を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態にかかる燃料電池の構造を示す断面図である。
【図４】本実施形態の燃料電池を作成するに当たり、複数の孔部をあけられた不導体基板を示す図である。
【図５】本実施形態のセル構造形成方法を示すフローチャートである。
【図６】本実施例のセル１個を用いた燃料電池の出力特性を示す図である。
【図７】本実施例の直列接続構造を示す図である。
【図８】本実施例のセル３個を用いた燃料電池の出力特性を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
１０１    スタック構造
１０２    セパレータ
１０３    燃料極
１０４    固体高分子膜
１０５    空気極
２０１    電極
２０２    電解質膜
３０１    不導体基板
３０２、３０３    電極
３０４    高分子電解質
３０５    導体接続部
３０６    燃料
４０１    孔部
７０１、７０４、７０５、７０６    セル接合部
７０２    セル部
７０３    セル接合部の一端
【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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