(57)【要約】      （修正有）【課題】ノートパソコンや携帯電話などの電源として十分な出力が得られ、薄型軽量化を図ることのできる薄型電池用セパレータ構造の燃料電池及びこの薄型電池用セパレータ構造の燃料電池を搭載した携帯用情報端末を提供すること。【解決手段】燃料を酸化するアノード４５と、酸素を還元するカソード４６と、該アノード４５と該カソード４６との間に電解質膜４１を介在させてなる膜−電極接合体４０で構成される単電池を平面状に複数配置して発電部を構成し、該発電部を絶縁板を介して複数積層して薄型電池用セパレータ構造の燃料電池を構成する。【選択図】図８
2006093119.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を酸化するアノードと、酸素を還元するカソードと、該アノードと該カソードとの間に電解質膜を介在させてなる膜−電極接合体で構成される単電池を平面状に複数配置して発電部を構成し、該発電部を絶縁板を介して複数積層して構成したことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記発電部を形成する複数の単電池の各膜−電極接合体を平面内で直列に接続したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記発電部を形成する複数の単電池の各膜−電極接合体の平面内における直列の接続は、カレントコレクタを介して隣り合わせる膜−電極接合体との間で行うものである請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記絶縁板を介して積層する複数の発電部を直列に接続したことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の燃料電池。
【請求項５】
燃料を酸化するアノードと、酸素を還元するカソードと、該アノードと該カソードとの間に電解質膜を介在させてなる膜−電極接合体で構成される単電池を平面状に複数配置して発電部を構成し、該発電部を絶縁板を介して複数積層して構成する燃料電池を搭載したことを特徴とする情報端末。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、特にダイレクトメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）に係り、モバイル用電源として用いるのに適した薄型で高エネルギー密度の電池として構成するのに適した薄型電池用セパレータ構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
最近、ノート型パソコン（ノートＰＣ）やＰＤＡ（携帯端末）、携帯電話等の情報端末が開発され、盛んに用いられている。これら情報端末は、携帯性を向上させるため、情報端末に用いられモバイル用電池をいかにコンパクトにするかが大きな課題となっている。
【０００３】
従来のモバイル用電池の構造には、積層型電池として構成される高分子電解型燃料電池（ＰＥＦＣ）と、パネル型電池として構成されるダイレクトメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）の２つがある。この高分子電解型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、水素（Ｈ２）が持っている化学エネルギーを燃焼課程を経ずに直接電気エネルギーに変換するものである。このように高分子電解型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、水素（Ｈ２）を原料として発電するものであるため水素タンクを必要とし、水素タンクを持つ分大型化し、パソコン等の携帯用電源としては不向きなものとなっている。一方、ダイレクトメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）は、固体高分子電解質膜を電解質に用い、メタノールを直接燃料として発電するもので、性能が温度に顕著に依存している。このダイレクトメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）の電極におけるメタノール酸化反応の活性は、作動温度が高い（例えば、８０℃〜１００℃）ほど高まるが、常温でも特性を確保できれば、ノートパソコンや携帯電話などに使用することも可能である。
【０００４】
ノートパソコンや携帯電話などに使用される電池は、ノートパソコンや携帯電話などを駆動できる電力を提供できることが必要であり、このノートパソコンや携帯電話などに燃料電池を使用しようとすると、駆動可能な電力を得るために燃料電池が大きくなるという問題点を有している。燃料電池は直流であるから、単電池を積んだ分だけ電圧が高くなる。すなわち、燃料電池は、大きな電力を得るためには、単電池を積む必要があり、その分だけ全体の大きさが大きくなってしまい、ノートパソコンや携帯電話などに適さないことになる。
【０００５】
従来の燃料電池では、積層型電池として構成される高分子電解型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、小型化という観点からノートパソコンや携帯電話などに使用する場合、小型化が難しく、適さない。また、パネル型電池として構成されるダイレクトメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）は、高分子電解型燃料電池（ＰＥＦＣ）と比較すると、小型化という点で優れており、ノートパソコンや携帯電話などに使用することも可能である。
【０００６】
ノートパソコンや携帯電話の場合、顧客は、小型軽量化を求めており、燃料電池を用いることにより大型になってしまっては、ノートパソコンや携帯電話としての電源としては、使用できない。そこで、近年、ノートパソコンや携帯電話などの電源としてダイレクトメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）を使用することの検討が行われている。
【０００７】
しかしながら、従来のダイレクトメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）は、パネル型に構成し、薄型構造に適しているが、高エネルギー密度が困難であるため、必要な起電力を得るには、薄い単電池を積み重ねた構成を採っている（例えば、特許文献１参照。）。この特許文献１は、多数個のセパレータ８及びセル１がその厚み方向に積層されている。
【０００８】
【特許文献１】特開平０８−１７４５１号公報（第５頁  第１１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１にあっては、多数個のセパレータ８及びセル１をその厚み方向に積層しているため、薄型軽量化が図れず、ノートパソコンや携帯電話などの電源として用いるには適さないという問題がある。
【００１０】
本発明の１つの目的は、十分な出力が得られ、薄型軽量化を図ることのできる薄型電池用セパレータ構造を提供することにある。
【００１１】
本発明の他の１つの目的は、従来の燃料電池搭載情報端末よりも軽量・小型化を実現することのできる薄型電池用セパレータ構造の燃料電池を搭載した携帯用情報端末を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本願発明に係る燃料電池は、燃料を酸化するアノードと、酸素を還元するカソードと、該アノードと該カソードとの間に電解質膜を介在させてなる膜−電極接合体で構成される単電池を平面状に複数配置して発電部を構成し、該発電部を絶縁板を介して複数積層して構成したものである。
【００１３】
本発明に係る燃料電池を搭載した情報端末は、燃料を酸化するアノードと、酸素を還元するカソードと、該アノードと該カソードとの間に電解質膜を介在させてなる膜−電極接合体で構成される単電池を平面状に複数配置して発電部を構成し、該発電部を絶縁板を介して複数積層して構成する燃料電池をノート型パソコン（ノートＰＣ）やＰＤＡ（携帯端末）、携帯電話等の携帯用情報端末に搭載して構成したものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る燃料電池によれば、小型でコンパクトな燃料電池電源を提供でき、小型化、特に薄型化が強く望まれている携帯電話器、個人情報端末、ノート型パソコンなどの携帯機器用としてリチウムイオン二次電池に替わってエネルギー密度が高く、カートリッジタンクなどで容易に燃料の補給し、発電が継続できる充電操作の無い電源として用いることができる。
【００１５】
また、本発明に係る燃料電池を搭載した情報端末によれば、従来の燃料電池搭載情報端末よりも軽量・小型化を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明に係る燃料電池は、ダイレクトメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）において、同一面内に複数の単電池を配置して、これを直列に接続するとともに、更に、積層電池間で直列に外部接続を取ることで、小型でコンパクトな燃料電池電源を実現する。このように構成すると、従来の電池構造では、積層型スタックでは高電圧電源ほど薄型電源の実現は困難であり、面内に直列に配置した電源では、薄型化は可能なものの、該表面積確保のために小型化が困難であったのに比較して、高電圧型電源でありながら大幅に薄型の電源を実現することができる。
【００１７】
本発明に係る燃料電池を搭載した情報端末は、ダイレクトメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）において、同一面内に複数の単電池を配置して、これを直列に接続するとともに、更に、積層電池間で直列に外部接続を取った小型でコンパクトな燃料電池電源をノート型パソコン（ノートＰＣ）やＰＤＡ（携帯端末）、携帯電話等の携帯用情報端末に搭載することにより実現する。このように構成すると、従来の燃料電池搭載情報端末よりも軽量・小型化を実現することができる。
【実施例１】
【００１８】
以下、本発明の燃料電池の実施例を詳細に説明する。図１には、本発明に係る燃料電池の電源システムの構成が示されている。本実施例においては、ダイレクトメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）を例に採り、薄型電池用セパレータ構造を適用したダイレクトメタノール燃料電池の電源システムの構成を例に採っている。
【００１９】
図１において、電池システムは、燃料電池１と、燃料を循環させるためのマイクロポンプ２と、酸化剤である空気を供給するマイクロブロア３と、燃料循環タンク４と、燃料カートリッジタンク５と、電力端子６及び排ガス孔７とを有している。このマイクロポンプ２は、燃料循環タンク４に貯留されている燃料（メタノール水溶液）を一定の圧力で送り出すものである。また、マイクロブロア３は、酸化剤である空気を一定の圧力で燃料電池内に供給するためのものである。また、燃料循環タンク４は、マイクロポンプ２で燃料電池内に供給する燃料（メタノール水溶液）を貯留しておくものである。そして、燃料カートリッジタンク５は、燃料（メタノール水溶液）を収納する交換可能な燃料（メタノール水溶液）容器である。
【００２０】
また、燃料カートリッジタンク５には、燃料カートリッジタンク５内の燃料量を検出する燃料センサが設けられており、この燃料センサによって検出された燃料量が出力されるようになっている。また、燃料循環タンク４には、燃料電池１内に供給する燃料カートリッジタンク５から送出する燃料（メタノール水溶液）の一時貯留量を検出する貯留量センサが設けられており、この貯留量センサによって検出された一時貯留量が出力されるようになっている、
この電池システムは、電池出力を直流／直流変換器（ＤＣ／ＤＣコンバータ）８を介して図示していない負荷機器に電力を供給する方式をとっている。そして、この直流／直流変換器（ＤＣ／ＤＣコンバータ）８からは、運転時及び停止時の状況に関する信号が出力されるようになっている。なお、６は発電された電力を出力する電力端子で、７は燃料（メタノール水溶液）と空気の反応によって発生するガス（炭酸ガスＣＯ２）を排出する排ガス孔である。
【００２１】
これらの各種センサ類からの検出信号は、制御器９に入力され、この制御器９は、必要に応じて信号を出力するように設定されている。このように電池システムは、マイクロポンプ２、マイクロブロア３、燃料循環タンク４と、燃料カートリッジタンク５と、電力端子６と、排ガス孔７と、直流／直流変換器（ＤＣ／ＤＣコンバータ）８と、制御器９によって構成されている。
【００２２】
制御器９は、この電池システムにかかる負荷の変動に応じて、マイクロポンプ２による燃料循環量を調整したり、マイクロブロア３の送風量を調整して電源電圧の安定を保証したり、燃料電池１の電池運転温度を所定の状態に保つ制御をし、必要に応じては電源の運転状態を負荷機器に表示するようになっている。また、制御器９は、燃料カートリッジタンク５、あるいは燃料循環タンク４の残量が所定値を下回る状況になった場合、あるいはマイクロブロア３の送風量が所定の範囲から外れた場合には、直流／直流変換器（ＤＣ／ＤＣコンバータ）８から負荷への電力供給を停止するとともに音響、音声、パイロットランプ又は文字表示などの警報手段を駆動するようになっている。さらに、制御器９は、正常運転時においても燃料循環タンク４及び燃料カートリッジタンク５の両方あるいはいずれかの燃料残量信号を受けて、負荷機器に燃料量の表示ができるようになっている。
【００２３】
図２には、本発明に係る燃料電池１の外観構成が示されている。図２において、１１ａ、１１ｂは燃料供給マニホールド、１２ａ、１２ｂは空気供給マニホールド、１３ａは燃料供給口、１３ｂは燃料排出口、１４ａは空気供給口、１４ｂは空気排出口、１５はセパレータ、１６ａ、１６ｂは端板、３３は出力端子である。
【００２４】
燃料供給マニホールド１１ａ、１１ｂは、燃料（メタノール水溶液）をセパレータ１５に供給する分岐管である。また、空気供給マニホールド１２ａ、１２ｂは、空気をセパレータ１５に供給する分岐管である。
【００２５】
燃料供給口１３ａは、燃料カートリッジタンク５から燃料循環タンク４を介して供給される燃料（メタノール水溶液）をセパレータ１５に供給するものである。また、燃料排出口１３ｂは、燃料供給口１３ａからセパレータ１５に供給された燃料（メタノール水溶液）で使用しなかった（空気と反応して水素ガスを発生した残りの）燃料を再び燃料循環タンク４に戻すためのものである。
【００２６】
空気供給口１４ａは、燃料循環タンク４から供給される燃料（メタノール水溶液）とマイクロブロア３によって一定の圧力で供給されてくる反応する酸化剤である空気をセパレータ１５に供給するものである。そして、空気排出口１４ｂは、マイクロブロア３によって一定の圧力でセパレータ１５に送出した空気によって燃料（メタノール水溶液）と反応して生成されるガス（炭酸ガスＣＯ２）を含んだ空気を排出するものである。そして、端板１６ａ、１６ｂは、セパレータ１５を図２の上下方向から押さえ付けるものである。なお、出力端子３３は、燃料電池１で発電された電力を出力するための端子である。
【００２７】
図２において、燃料及び空気の供給、排出口の向きが図示されているが、この燃料及び空気の供給、排出口の向きは、システムの構造によって任意の方向を取ることができる。
【００２８】
また、電池積層後の締め付け方法は、本実施例においてはネジによる締め付けが開示されているが、電池積層後の締め付け方法は、本実施例で開示したネジによる締め付けに限定されることなく、これら積層電池を筐体内に挿入して筐体からの圧縮力によって達成することもできる。
【００２９】
図３には、バイポーラープレート２０の構造が示されている。このバイポーラープレート２０は、セパレータ１５の面上に空気と燃料（メタノール水溶液）を効率よく走行させるためのものである。
【００３０】
図３（Ａ）には、バイポーラープレート２０の平面図が、図３（Ｂ）には、図３（Ａ）のＡ−Ａ断面図がそれぞれ示されている。図３において、バイポーラープレート２０は、板状に構成されており、この板状のバイポーラープレート２０の上下両端部には、燃料（メタノール水溶液）を導入する２個の内部マニホールド２１Ａと、酸化剤ガス（空気）を導入する２個の内部マニホールド２１Ｂが設けられている。また、このバイポーラープレート２０の表面には、燃料（メタノール水溶液）を分配するための溝２２Ａが設けられており、さらには、所定形状の座繰り部２３Ａが設けられている。また、バイポーラープレート２０の裏面には、酸化剤ガス（空気）を分配するための溝２２Ｂが設けられており、さらには、座繰り部２３Ｂが設けられている。
【００３１】
バイポーラープレート２０に適宜間隔で形成される孔２４は、積層時締め付け用の孔である。この座繰り部２３Ａ、２３Ｂには、図４に示すカレントコレクタ３０が収納され、座繰り部２３Ａ、２３Ｂの座繰り深さは、図３（Ｂ）のＡ−Ａ断面図に示すようにカレントコレクタ３０を座繰り部２３Ａ、２３Ｂに嵌め込んだ際に、カレントコレクタ３０の面とバイポーラープレート２０面とが同一の面を形成するように構成されている。
【００３２】
また、このバイポーラープレート２０の表裏の面に形成される燃料や酸化剤ガスなど流体を分配する溝２２Ａ、２２Ｂは、図３に図示の実施例においては、サーペンタイン構造をとっているが、その他の並行溝やリターンフロー構造などでもよく、流体がバイポーラープレート２０の面内で均一に分配される構造であれば特に限定されない。
【００３３】
このバイポーラープレート２０は、積層時に面圧が均一にかかるように平滑であり、面内に設置される複数の電池が相互に短絡しないように絶縁された構造であれば、その材料について特に限定されるものではない。したがって、このバイポーラープレート２０の材料には、高密度塩化ビニル、高密度ポリエチレン、高密度ポリプロピレン、エポキシ樹脂、ポリエーテルエーテルケトン類、ポリエーテルスルフォン類、ポリ−カーボネートあるいは、これらをガラス繊維で強化したものが適している。また、バイポーラープレート２０には、炭素板や鋼、ニッケル、その他の合金材料、あるいは、銅−アルミニウムなどに代表される金属間化合物や各種のステンレススチール（クロム−ニッケル鋼等）を用い、表面を不導体化する方法や樹脂を塗布して絶縁化したものを用いることもできる。
【００３４】
図４には、本発明に係る燃料電池１を構成するカレントコレクタ３０が示されている。このカレントコレクタ３０は、セパレータ１５に形成される座繰り部２３Ａ、２３Ｂに嵌着するものである。図４において、カレントコレクタ３０は、板状に形成されている。この板状に形成されるカレントコレクタ３０は、図４（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示す如く各種形状に形成されている。すなわち、図４（Ａ）に示すようなカレントコレクタ３０は、バイポーラープレート２０の溝２２Ａから供給される燃料（メタノール水溶液）を拡散させるための拡散孔３１Ａと、隣接する面内のセルと電気的接続を取るためのインターコネクター３２Ａが設けられている。また、図４（Ｂ）に示すようなカレントコレクタ３０は、バイポーラープレート２０の溝２２Ｂから供給される酸化剤ガス（空気）を拡散させるための拡散孔３１Ｂと、隣接する面内のセルと電気的接続を取るためのインターコネクター３２Ｂが設けられている。
【００３５】
また、図４（Ｃ）に示されるカレントコレクタ３０は、隣接する積層間の電池群を直列に電気接続するための出力端子３３がインターコネクター３２の代わりに設けられている点が図４（Ａ）、（Ｂ）に示されるカレントコレクタ３０と異なっている。他の構成は、図４（Ａ）、（Ｂ）に図示のカレントコレクタ３０と同じである。このように構成されるカレントコレクタ３０の１つが、単電池を構成することになる。
【００３６】
したがって、単電池の形状が正方形の場合には、図４（Ａ）、（Ｂ）は同一の形状構成のものとなり、１つの面に用いられるカレントコレクタ３０は、図４（Ｃ）に示されたカレントコレクタ３０を加えて２種類となるが、矩形の単電池の場合には図４（Ａ）、（Ｂ）は異なる形状構成のものとなるために、バイポーラープレート２０の１つの面に用いられるカレントコレクタ３０は３種類となる。
【００３７】
そして、カレントコレクタ３０に用いられる材料としては、特に限定はないが、炭素板やステンレススチール、チタン、タンタルなどの金属系板あるいはこれらの金属系材料と他の金属例えば、炭素鋼、ステンレススチール、銅、ニッケル等のクラッドなどの複合材料などを用いることができる。更に、金属系カレントコレクタにおいては、加工されたカレントコレクタの通電接触部に耐食性貴金属をメッキすることや、導電性炭素塗料などを塗布して実装時の接触抵抗を低減することは電池の出力密度向上と長期性能安定性の確保には有効である。
【００３８】
このカレントコレクタ３０は、本実施例においては、チタンを用い、一方の面には、サブミクロン単位の金メッキが施されている。このカレントコレクタ３０の一方の面に形成される金メッキは、カレントコレクタ３０の全面積に対して１５％以上、具体的には、１５％〜４０％の金メッキ率が確保されていればよい。カレントコレクタ３０は、バイポーラープレート２０のフランジ面と可能な限り、同一面を構成するように、バイポーラープレート２０の表裏面に形成される座繰り部２３Ａ、２３Ｂに嵌め込まれて接着剤で接合されることが望ましい。このときの接着剤には、メタノール水溶液に溶解、膨潤せず、メタノールよりも電気化学的に安定なものであれば良く、エポキシ樹脂系接着剤などは好適なものである。また、接着剤による固定に限定されること無く、例えば、座繰り部２３Ａ、２３Ｂの一部に、カレントコレクタ３０に設けられた拡散孔３１、或いは特別に設けられた嵌め込み孔と嵌合する突起を設けて固定することができる。また、カレントコレクタ３０とバイポーラプレート２０が同一面を形成することも特に限定的なものではなく、この部分に段差が生じるような構造の場合、例えば、バイポーラプレート２０に座繰り部２３Ａ、２３Ｂを設けることなく、カレントコレクタ３０を接合することも可能で、シールのために用いられるガスケットの構造を変更することで対応できる。
【００３９】
図５には、同一面内に複数の単位電池を直列に配置するセパレータ１５の構造が示されており、図５（Ａ）には、セパレータ１５の平面図が、図５（Ｂ）には、図５（Ａ）のＡ−Ａ断面図が示されている。図５において、セパレータ１５は、内部マニホールド２１Ａ、２１Ｂと、バイポーラープレート２０と、カレントコレクタ３０とによって構成されている。この内部マニホールド２１Ａ、２１Ｂは、燃料（メタノール水溶液）及び酸化剤ガス（空気）を導入するための４個の穴である。また、バイポーラープレート２０には、表裏の面内に燃料（メタノー
ル水溶液）及び酸化剤ガス（空気）を分配するための溝２２Ａ、２２Ｂと、カレントコレクタ３０を固定する座繰り部２３Ａ、２３Ｂと、積層時に締め付けるための孔２４が設けられている。また、カレントコレクタ３０は、図４（Ａ）、（Ｂ）に図示のカレントコレクタ３０と、図４（Ｃ）に図示のカレントコレクタ３０とによって構成されている。
【００４０】
図６、図７には、本発明に係る燃料電池１を構成するセパレータ１５を挟み込む端板１６の構造が示されており、図６には、端板１６の平面図が、図７（Ａ）には、端板１６の図６のＡ−Ａ断面図が、図７（Ｂ）には、図６のＢ−Ｂ断面図が示されている。図６、図７において、端板１６には、その片方の面に燃料（メタノール水溶液）あるいは酸化剤ガス（空気）を導入するための貫通しない２個の内部マニホールド座繰り２１ａが設けられている。また、端板１６の内面側には燃料（メタノール水溶液）あるいは酸化剤ガス（空気）を分配するための溝２２と、燃料（メタノール水溶液）あるいは酸化剤ガス（空気）などの流体を電池に供給するために、燃料（メタノール水溶液）供給口１３ａあるいは酸化剤ガス（空気）供給口１４ａ（図２）、燃料排出口１３ｂ、空気排出口１４ｂ（図２）を有する燃料供給マニホールド１１ａ、１１ｂ、空気供給マニホールド１２ａ、１２ｂ、カレントコレクタ３０を固定する座繰り部２３Ａ、２３Ｂと積層時の締め付け用の孔２４が設けられている。
【００４１】
本実施例においては、端板１６の表裏の面内に形成されている、燃料（メタノール水溶液）あるいは酸化剤ガス（空気）を走行させる溝２２は、サーペンタイン型の流体分配溝構造によって構成しているが、この構造にとらわれることなく、例えば、流体がリターンフローする形を選択した場合には、内部マニホ−ルド座繰り２１ａは端板の内面側に設け、また外部マニホ−ルド１１ａ、１１ｂは端板１６の両端に設けることによって達成することができる。
【００４２】
また、端板１６を構成する材料は、積層時に面圧が均一にかかるように平滑であり、面内に設置される複数の電池が相互に短絡しないように絶縁された構造となれば特に限定は無い。端板１６の材料としては、高密度塩化ビニル、高密度ポリエチレン、高密度ポリプロピレン、エポキシ樹脂、ポリエーテルエーテルケトン類、ポリエーテルスルフォン類、ポリ−カーボネートあるいは、これらをガラス繊維で強化したものを用いるのが最適である。また、炭素板や鋼、ニッケル、その他の合金材料、あるいは、銅−アルミニウムなどに代表される金属間化合物や各種のステンレススチールを用い、表面を不導体化する方法や樹脂を塗布して絶縁化する方法を用いることもできる。さらに、もう１つの実施例として、セパレータ１５を図１３に示す如く、カレントコレクタ座繰り部を持たない構造のバイポーラープレート２０と複合カレントコレクタ８０の貼り合わせで形成したのと同じ方法で端板１６を構成することもできる。
【００４３】
図８には、本発明に係る燃料電池１を構成するＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ；膜−電極接合体）４０の構造が示されている。図８において、ＭＥＡ４０には、相対向して両面に複数の電極４２が接合されている。この電極４２は、電解質膜４１の対応する両面に接合されている。また、電解質膜４１のフランジ部には、燃料（メタノール水溶液）、酸化剤ガス（空気）を供給する内部マニホールド２１、複数の締め付けネジ用孔１４が設けられ、各電極４２の間はミシン目などの不連続切断部４３が設けられている。
【００４４】
この不連続切断部４３は、電池作成時に同一面内にある複数のＭＥＡが実質的に一体として取り扱われるに十分な接続強度を有し、各ＭＥＡ間の電解質短絡が実質的に防止される程度の切断率が選択される。また、ＭＥＡ４０は、図８（Ｂ）に示す如く、電解質膜４１の両面に対向してアノード電極４２（４５）とカソード電極４２（４６）が配置される。
【００４５】
本発明に係るダイレクトメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）においては、メタノール水溶液を燃料とする燃料電池では以下に示す電気化学反応でメタノールの持っている化学エネルギーが直接電気エネルギーに変換される形で発電される。
【００４６】
アノード電極４６側では供給されたメタノール水溶液が（１）式にしたがって反応して炭酸ガスと水素イオンと電子に解離する。
【００４７】
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−          ……（１）
生成された水素イオンＨ＋は電解質膜中をアノードからカソード側に移動し、カソード電極４５上で空気中から拡散してきた酸素ガスと電極上の電子と（２）式に従って反応して水を生成する。
【００４８】
６Ｈ＋＋３／２Ｏ２＋６ｅ−  →  ３Ｈ２Ｏ              ……（２）
したがって、発電に伴う全化学反応は（３）式に示すようにメタノールが酸素によって酸化されて炭酸ガスと水を生成し、化学反応式はメタノールの火炎燃焼と同じになる。
【００４９】
ＣＨ３ＯＨ＋３／２Ｏ２  →  ＣＯ２＋３Ｈ２Ｏ          ……（３）
単位電池の開路電圧は、概ね１．２Ｖで燃料が電解質膜を浸透する影響で実質的には、０．８５Ｖ〜１．０Ｖであり、特に限定されるものではないが実用的な負荷運転の下での電圧は０．３Ｖ〜０．６Ｖ程度の領域が選ばれる。したがって、実際に電源として用いる場合には負荷機器の要求にしたがって所定の電圧が得られるように単位電池を直列接続して用いられる。単電池の出力電流密度は電極触媒、電極構造その他の影響で変化するが、実効的に単電池の発電部面積を選択して所定の電流が得られるように設計される。
【００５０】
ここで、発電部を構成するアノード触媒としては炭素系粉末担体に白金とルテニウムの混合金属或いは白金／ルテニウム合金の微粒子を分散担持したもの、カソード触媒としては炭素系担体に白金微粒子を分散担持したものは容易に製造、利用できる材料である。触媒の主成分である白金の炭素粉末に対する担持量は一般的には５０ｗｔ％以下が好ましく、活性の高い触媒或いは炭素担体上への分散の改善によっては３０ｗｔ％以下でも高い性能の電極を形成することが可能である。電極中の白金量は、アノード電極４５では０．５〜５ｍｇ／ｃｍ２、カソード電極４６では０．１〜２ｍｇ／ｃｍ２が好ましい。
【００５１】
しかしながら、本発明による燃料電池のアノード及びカソードの触媒は通常の直接形メタノール燃料電池に用いられるものであれば特定の触媒組成に制限されるものではなく用いることができ、性能の高い触媒ほど触媒量を削減でき電源システムの低コスト化に有効である。単位電池の開路電圧は、概ね１．２Ｖであるが、燃料が電解質膜を浸透する影響で実質的には０．８Ｖ〜１．０Ｖとなる。このような電池のＭＥＡ４０に用いられる電解質膜の材料としてポリパーフルオロスチレンスルフォン酸、パーフルオロカーボン系スルフォン酸などに代表されるスルフォン酸化したフッ素系ポリマーやポリスチレンスルフォン酸、スルフォン酸化ポリエーテルスルフォン類、スルフォン酸化ポリエーテルエーテルケトン類などの炭化水素系ポリマーをスルフォン化した材料或いは炭化水素系ポリマーをアルキルスルフォン酸化した材料を用いることができる。これらの材料を電解質膜として用いれば一般に燃料電池を８０℃以下の温度で作動することができる。
【００５２】
また、タングステン酸化物水和物、ジルコニウム酸化物水和物、スズ酸化物水和物などの水素イオン導電性無機物を耐熱性樹脂若しくはスルフォン酸化樹脂にミクロ分散した複合電解質膜等を用いることによって、より高温域まで作動する燃料電池とすることもできる。特にスルフォン酸化されたポリエーテルスルフォン類、ポリエーテルエーテルスルフォン類或いは水素イオン導電性無機物を用いた複合電解質類は、ポリパーフルオロカーボンスルフォン酸類に比較して燃料のメタノール透過性の低い膜として好ましい。いずれにしても水素イオン伝導性が高く、メタノール透過性の低い電解質膜を用いると燃料の発電利用率が高くなるため本発明の効果であるコンパクト化及び長時間発電をより高いレベルで達成することができる。
【００５３】
図９には、本発明に係る燃料電池１を構成するガスケット５０の構造が示されており、図９（Ａ）には、ガスケット５０の平面図が、図９（Ｂ）には、図９（Ａ）のＡ−Ａ断面図が示されている。図９において、ガスケット５０は、複数の実装するＭＥＡ４０に対応した、貫通切抜きの通電部５３と燃料（メタノール水溶液）及び酸化剤ガス（空気）供給のための内部マニホールド２１及び締め付けネジを通すための複数の孔２４によって構成される。このガスケット５０は、アノード４５（図８）に供給される燃料（メタノール水溶液）及びカソード４６（図８）に供給される酸化剤ガス（空気）をシールするためのものであり、通常用いられるＥＰＤＭなどの合成ゴム、フッ素系のゴム、シリコーンゴムなどをガスケット材５１として使用することが出来る。面内の各ＭＥＡ間では、バイポーラプレート１０に設けられた流体分配溝１２で電解質膜４１やガスケット５０の溝への落ち込みによる燃料や酸化剤ガスのクロスオーバーを防ぐために、図９（Ｂ）に示される図９（Ａ）のＡ−Ａ断面図に示すように剛性を有する芯材の両面に上記したガスケット材５１をラミネートした層状ガスケットを用いることはシールの信頼性を高める上で有効な方法である。
【００５４】
図１０（Ａ）には、本発明に係る燃料電池１に用いられるカソード拡散層６０の構成が、図１０（Ｂ）には、アノード拡散層７０の構成がそれぞれ示されている。図１０（Ａ）において、カソード拡散層６０は、撥水性の強い撥水層６２と基板６１から構成されており、撥水層６２がカソード電極４６と接するように積層され、アノード拡散層７０とアノード電極４５の面接触に関しては特に限定は無い。カソード拡散層６０の基板６２には導電性で多孔質な材料が用いられる。
【００５５】
一般的には炭素繊維の織布或いは不織布、例えば、炭素繊維織布としてはカーボンクロス（トレカクロス：東レ製）やカーボンペーパー（東レ製：ＴＧＰ−Ｈ−０６０）などを用い、撥水層６２は炭素粉末と撥水性微粒子、撥水性フィブリル又は撥水性繊維、例えば、ポリテトラフルオロエチレンなどを混合して構成される。より詳細に説明すれば、カーボンペーパー（東レ製：ＴＧＰ−Ｈ−０６０）を所定の寸法に切り出し、予め吸水量を求めた後、このカーボンペーパーを焼付け後の重量比が２０〜６０ｗｔ％となるように希釈したポリテトラフルオロカーボン／水分散液（Ｄ−１：ダイキン工業社製）に漬たし、１２０℃で約１時間乾燥し、更に、空気中、２７０〜３６０℃の温度で０．５〜１時間焼き付け操作をする。
【００５６】
次に、炭素粉末（ＸＣ−７２Ｒ：キャボット社製）に対して２０〜６０ｗｔ％となるようにポリテトラフルオロカーボン／水分散液を加えて混練する。ペースト状になった混練物を上記のように撥水化されたカーボンペーパーの一方の面に厚みが１０〜３０μｍとなるように塗布する。これを１２０℃で約１時間乾燥した後、２７０〜３６０℃で０．５〜１時間、空気中で焼成してカソード拡散層６０が得られる。カソード拡散層６０の通気性及び透湿性、即ち、供給酸素及び生成水の拡散性は、ポリテトラフルオロエチレンの添加量、分散性、焼き付け温度に大きく依存するので、燃料電池の設計性能、使用環境などを考慮して適正な条件が選定される。
【００５７】
図１０（Ｂ）において、アノード拡散層７０は、導電性と多孔質の条件を満たす炭素繊維の織布或いは不織布、例えば、炭素繊維織布としてはカーボンクロス（トレカクロス：東レ製）やカーボンペーパー（東レ製：ＴＧＰ−Ｈ−０６０）などの材料は好適なものである。アノード拡散層７０の機能は、水溶液燃料の供給と生成された炭酸ガスの速やかな散逸を促進するものであるため、炭素多孔質板を親水性樹脂を分散したり、酸化チタンなどに代表される強い親水性を有する方法は、燃料電池の出力密度を高めるために有効な方法である。
【００５８】
また、アノード拡散層７０は、上記した材料に限定されること無く、実質的に電気化学不活性な金属系材料（例えば、ステンレススチール繊維不織布、多孔質体、多孔質なチタン、タンタルなど）を用いることもできる。
【００５９】
図１１には、本発明による燃料電池１の組み立ての構成が示されている。図１１において、燃料電池１は、カソード端板１６ｂを開始点として、ガスケット５０、カソード拡散層６０、ＭＥＡ４０、アノード拡散層７０、ガスケット５０の順に積層した電池ユニット１００を繰り返し単位として、所定の数の電池ユニット１００がセパレータ１５を介して積層された後、アノード端板１６ａを積層して構成される。
【実施例２】
【００６０】
図１２には、本発明に係るセパレータの他の実施例が示されている。図１２において、バイポーラープレート２０は、カレントコレクタ３０を嵌め込むための座繰り部２３を持たない構成となっている。この場合、バイポーラープレート２０は、燃料（メタノール水溶液）及び酸化剤ガス（空気）の供給、排出のための４個のマニホールド１１、バイポーラープレート２０の両面に燃料（メタノール水溶液）及び酸化剤ガス（空気）を面内に分配するための溝２２、積層後締め付けネジを通す、複数の孔２４によって構成されている。
【００６１】
一方、図１３に示すように、カレントコレクタ３０とカレントコレクタフレーム８１とを一体化した複合カレントコレクタ８０を構成しておく。このバイポーラープレート２０の両面に複合カレントコレクタ８０を張り合わせることによってセパレータ１５を形成することができる。
【００６２】
なお、ガスケットとカソード拡散層とＭＥＡとアノード拡散層を積層してなる電池ユニットを端板とセパレータとによって挟み込んで積層して構成される燃料電池に、燃料と空気を供給し、発電した電力を制御器によって運転時及び停止時の状況をモニターしながら出力端子から負荷機器に供給するダイレクトメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）においては、出力端子から負荷機器に供給する電力を、直流／直流変換器によって所定電圧に昇圧して供給するようにしてもよい。
【００６３】
また、ガスケットとカソード拡散層とＭＥＡとアノード拡散層を積層してなる電池ユニットを端板とセパレータとによって挟み込んで積層して構成される燃料電池に、燃料と空気を供給し、発電した電力を制御器によって運転時及び停止時の状況をモニターしながら負荷機器に供給するダイレクトメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）においては、燃料電池内で形成される電池ユニットを、セパレータ平面上で複数個に分割してセパレータ平面上に複数個の電池ユニットを形成し、平面上に形成される複数個の電池ユニットを直列に接続するようにしてもよい。
【００６４】
また、ダイレクトメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）によって得られた出力端子から負荷機器に供給する電力は、直流／直流変換器によって所定電圧に昇圧して供給するようにしてもよい。
【００６５】
また、ダイレクトメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）におけるガスケットは、複数の実装するＭＥＡに対応した、貫通切抜きの通電部と内部マニホールドを備え、剛性を有する芯材の両面にガスケット材をラミネートした層状ガスケットによって構成してもよい。さらに、ダイレクトメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）におけるガスケット材は、合成ゴム、フッ素系のゴム、シリコーンゴムのいずれかで構成することができる。さらに、ダイレクトメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）におけるカソード拡散層は、撥水性の強い撥水層と導電性で多孔質な材料の基板とによって構成することができる。
【００６６】
さらにまた、ダイレクトメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）における基板は、炭素繊維の織布或いは不織布で形成してもよい。また、ダイレクトメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）における撥水層は、炭素粉末と撥水性微粒子、撥水性フィブリル又は撥水性繊維で形成したものである。
【００６７】
また、ダイレクトメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）におけるＭＥＡは、電解質膜で構成され、面全体を複数個に分割し、この複数個に分割されたそれぞれの対向する両面に電極を接合し、電解質膜の周囲フランジ部に燃料、酸化剤ガスを供給する内部マニホールドを備え、各同一平面の電極間にミシン目などの不連続切断部を設けて構成してもよい。
【００６８】
さらに、ダイレクトメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）におけるアノード拡散層は、導電性と多孔質の条件を満たす炭素繊維の織布又は不織布、あるいは実質的に電気化学不活性な金属系材料で構成したカレントコレクタによって構成してもよい。またさらに、ダイレクトメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）におけるカレントコレクタは、板状に形成したチタンの一方の面に接触面積の１５％〜４０％のメッキ率の金メッキを施して形成するのが好ましい。
【００６９】
さらにまた、ダイレクトメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）におけるセパレータは、板状に構成し、両端部には、燃料及び酸化剤ガスを導入する４個の内部マニホールドを設け、表裏の面に燃料及び酸化剤ガスを分配するための溝と、カレントコレクタを収納する座繰り部を設けて構成するのが好ましい。
【００７０】
そして、ダイレクトメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）における端板は、片方の面に燃料又は酸化剤ガスを導入するための貫通しない２個の内部マニホールド座繰りを設け、内面側の面内には燃料又は酸化剤ガスを分配するための溝と、燃料又は酸化剤ガス流体を電池に供給するために、燃料供給口又は酸化剤ガス供給口、燃料排出口、空気排出口を有する燃料供給マニホールド、空気供給マニホールド、カレントコレクタを固定する座繰り部とを設けて構成するのが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明に係る薄型電池用セパレータ構造を適用した燃料電池の電源システムの概略構成図。
【図２】本発明が適用される燃料電池１の斜視図。
【図３】バイポーラープレートの構造を示す平面図及び断面図。
【図４】カレントコレクタの平面図。
【図５】セパレータの構造を示す平面図及び断面図。
【図６】本発明に係る燃料電池の端板の平面図。
【図７】図６に図示の端板の断面図。
【図８】燃料電池を構成するＭＥＡの構造を示す平面図及び断面図。
【図９】本発明に係る燃料電池を構成するガスケットの構造を示す平面図および断面図。
【図１０】本発明に係る燃料電池に用いられるカソード拡散層及びアノード拡散層の構成を示す平面図および断面図。
【図１１】本発明による燃料電池の構成を示す展開図。
【図１２】本発明に係るセパレータの他の実施例を示す平面図および断面図。
【図１３】本発明に係るセパレータのさらに別な実施例を示す平面図および断面図。
【符号の説明】
【００７２】
１…燃料電池、２…マイクロポンプ、３…マイクロブロア、４…燃料循環タンク、５…燃料カートリッジタンク、６…電力端子、７…排ガス孔、８…直流／直流変換器（ＤＣ／ＤＣコンバータ）、９…制御器、１１ａ、１１ｂ…燃料供給マニホールド、１２ａ、１２ｂ…空気供給マニホールド、１５…セパレータ、１６ａ、１６ｂ…端板、２０…バイポーラープレート、２３…座繰り部、３０…カレントコレクタ、４０…ＭＥＡ。
【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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