(57)【要約】【課題】  導電性の低い部材を用いた場合であっても、発電効率の低下を防止した燃料電池スタックを提供する。【解決手段】  燃料電池スタック４０は、電解質膜を燃料極及び空気極で挟み込み、更に燃料極側セパレータ及び空気極側セパレータで挟み込んだ複数の燃料電池セル、燃料電池セルと並行に配置された支持部材４２、一の燃料電池セルを形成する燃料極と、他の燃料電池セルを形成する空気極との間を電気的に接続するように支持部材４２に形成された配線４４、配線４４を介して燃料電池セルにおいて発生した電子を集める集電板４６、集電板４６により集められた電子を取り出す外部回路５０、積層された複数の燃料電池セルを固定する締め付け板４８により構成されている。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽イオン導電性を有する電解質を燃料極と空気極からなる一対の電極で挟み込み、更に燃料極に燃料を供給する燃料流路が形成された燃料極側のセパレータと、空気極に空気を供給する空気流路が形成された空気極側のセパレータとにより挟み込み接合させて形成された燃料電池セルを複数積層させて構成される燃料電池スタックにおいて、
前記燃料電池スタックは、
積層された前記燃料電池セルと並行に配置された支持部材を備え、
前記支持部材に、一の燃料電池セルを形成する燃料極と、他の燃料電池セルを形成する空気極とを電気的に接続する配線が形成されていることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記セパレータは、該セパレータが前記配線と接する部分の少なくとも一部分に形成された集電構造を備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記セパレータを形成する部材としてシリコン部材を用いることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記セパレータを形成する部材としてガラス部材を用いることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記セパレータを形成する部材としてプラスチック部材を用いることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
請求項１〜請求項５の何れか一項に記載の燃料電池スタックを電力供給源として備えることを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料と酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電する燃料電池セルを複数積層させて構成される燃料電池スタック及び該燃料電池スタックを備える電子機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は酸化還元反応を利用して発電を行うものであり、長時間の発電を行った後の発電特性が初期の発電特性に比較して低下する傾向がある。この原因として長時間の発電を行うことによりセパレータの腐食劣化が生じ、セパレータと電極間の接触抵抗が増加することが考えられる。従って、セパレータの部材としては、腐食劣化が生じにくいカーボン材や、耐食性が高いとされるステンレス鋼又はチタン鋼に酸化膜等の耐食保護膜を形成したものが用いられている。
【０００３】
なお、ステンレス鋼等の金属性の部材を用いたセパレータの表面を多層膜によりコーティングすることにより、セパレータの耐食性を向上させた燃料電池のセパレータが存在する（特許文献１参照）。また、金属性の部材を用いたセパレータに金属層と導電性を有する被覆層を形成することにより、腐食を防止したセパレータが存在する（特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１６４２２８号公報
【特許文献２】特開２００３−２７２６５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、セパレータの部材としてカーボン材を用いた場合、材料自体が高価であるため燃料電池の製造コストそのものが高くなっている。また、カーボン材が脆い材料であるため、割れを防止するためにセパレータを厚くする必要があり、燃料電池の小型化が制約されるという問題がある。また、セパレータの部材としてステンレス鋼を用いた場合には、材料自体が強度を有するために薄いセパレータを形成でき、小型化には有利だが比重が重く軽量化には不利という問題がある。同様に、チタン鋼を用いた場合にも小型化には有利だが軽量化には不利である上、材料コストが高く低コスト化には不利という問題がある。ここで、酸化還元反応に基づくセパレータの耐食等は、例えば、ガラス等の導電性の低い部材を用いてセパレータを形成することにより防止することが可能である。しかし、導電性の低い部材を用いてセパレータを形成し燃料電池セルを形成した場合、抵抗が大きくなり、発電効率が低下してしまうという問題があった。
【０００６】
この発明の課題は、導電性の低い部材からなるセパレータにより形成された燃料電池セルにより構成された場合であっても発電効率の低下を防止した燃料電池スタック及び該燃料電池用スタックを備えた電子機器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る燃料電池スタックは、陽イオン導電性を有する電解質を燃料極と空気極からなる一対の電極で挟み込み、更に燃料極に燃料を供給する燃料流路が形成された燃料極側のセパレータと、空気極に空気を供給する空気流路が形成された空気極側のセパレータとにより挟み込み接合させて形成された燃料電池セルを複数積層させて構成される燃料電池スタックにおいて、前記燃料電池スタックは、積層された前記燃料電池セルと並行に配置された支持部材を備え、前記支持部材に、一の燃料電池セルを形成する燃料極と、他の燃料電池セルを形成する空気極とを電気的に接続する配線が形成されていることを特徴とする。
【０００８】
この燃料電池用スタックによれば、燃料電池セルと並行に配置された支持部材に形成された配線により、一の燃料電池セルを形成する燃料極と、他の燃料電池セルを形成する空気極とが電気的に接続されている。従って、セパレータを形成する部材として、カーボン材やステンレス鋼等のように高い導電性を有している部材を用いる必要がなく、導電性の低い（抵抗値の高い）部材からなるセパレータを用いた燃料電池セルにより、発電効率の低下を防止した燃料電池スタックを構成することができる。
【０００９】
また、この発明に係る燃料電池スタックは、前記セパレータが、該セパレータが前記配線と接する部分の少なくとも一部分に形成された集電構造を備えることを特徴とする。この燃料電池用スタックによれば、セパレータが集電構造を備えているため、配線との間の接触抵抗を低減し効率的に集電を行うことができ、燃料電池スタックの発電効率を向上させることができる。
【００１０】
また、この発明に係る燃料電池スタックは、前記セパレータを形成する部材としてシリコン部材を用いることを特徴とする。また、この発明に係る燃料電池スタックは、前記セパレータを形成する部材としてガラス部材を用いることを特徴とする。また、この発明に係る燃料電池スタックは、前記セパレータを形成する部材としてプラスチック部材を用いることを特徴とする。
【００１１】
これらの燃料電池スタックによれば、セパレータを形成する部材としてシリコン、ガラス、プラスチック等の導電性が低い部材を用いた場合であっても、支持部材に形成された配線により、燃料極と空気極との間の導通を確保することができる。即ち、カーボン材や金属のセパレータを用いることなく、燃料極と空気極とを電気的に接続した状態にすることができ、燃料電池スタックの発電効率が低下することを適切に防止することができる。
【００１２】
また、この発明に係る電子機器は、この発明に係る燃料電池スタックを電力供給源として備えることを特徴とする。この電子機器によれば、地球環境に適切に配慮したクリーンエネルギーを電力供給源として備えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態に係る燃料電池スタックを構成する燃料電池セルについて説明する。以下においては、この実施の形態に係る燃料電池スタックを構成するダイレクトメタノール型燃料電池を例として説明する。
【００１４】
図１は、燃料電池セルの構成の一例を示す図である。図１に示すように、燃料電池セルは、電解質膜１を燃料極２及び空気極３により挟持し、燃料極２に燃料を供給する流路７が形成された燃料極側のセパレータ４、空気極３に空気を供給する流路８が形成された空気極側のセパレータ５、固定用のパッキン６を備えたセル枠体１０、１１により構成されている。セル枠体１０には、セパレータ４に通ずる流路、即ち、反応／生成物を供給／排出するための流路１２、１３が設けられている。
【００１５】
図１に示す燃料電池セルにおいては、流路１２から燃料電池セルに導入された燃料であるメタノール水溶液が、セパレータ４に形成された流路７を介して燃料極２に供給されることにより、燃料極触媒と電解質膜１（固体高分子電解質膜）とメタノール水溶液とが接触する３相界面において、メタノールと水とが反応して酸化反応を起こし電子とプロトン（水素イオン）が発生すると共に、反応生成物として二酸化炭素が生成される。二酸化炭素と未反応のメタノール水溶液は流路１３を介して燃料電池セルの外部に排出され、燃料極２で発生するプロトンは、陽イオン導電性を有する電解質膜１を透過して空気極３に移動する。空気極３においては、セパレータ５に形成された流路８を介して供給された空気と空気極触媒と電解質膜１とが接触する３相界面で、空気中の酸素と電解質膜１を介して移動してきたプロトンとが還元反応を起こして水が生成される。この酸化還元反応で発生した電子をセパレータ４、５に形成された集電構造（図示せず）を介して図示しない外部回路に取り出すことにより発電が行われる。
【００１６】
次に、ダイレクトメタノール型燃料電池の燃料極側に用いられるセパレータ（燃料極側のセパレータ）を製造する工程について説明する。
【００１７】
まず、図２（ａ）に示すような矩形平板状の基板２０、ここではガラス基板２０の表面にレジスト溶液を塗布する。ここで、レジスト溶液は、図２（ｂ）に示すように、図中、手前方向から奥に向かって所定の間隔をおいて直線状に塗布される。即ち、基板２０において、メタノール水溶液を供給するための流路を形成する部分を残して、それ以外の部分に対してのみレジスト溶液が塗布される。
【００１８】
次に、所定の位置にレジスト溶液が塗布された基板２０（図２（ｂ）参照）の表面に、流路を形成するために行われるエッチング用の溶剤、例えば、フッ酸水溶液を塗布する。この時、基板２０の表面には、流路を形成する部分以外の部分にはレジスト溶液が塗布されているため、レジスト溶液が塗布されていない部分がフッ酸水溶液によりエッチングされ、図３（ａ）に示すように、流路７が形成される。即ち、基板２０に形成された互いに略平行な複数の凹部により、基板２０の一方の側面から他方の側面に延びる断面コ字形状の流路７が形成される。また、図３（ａ）に示すように流路７が形成された基板２０をレジスト除去液に浸漬し、レジストの除去が行われ、図３（ｂ）に示すように流路７が形成されセパレータ４が形成される。なお、基板２０に対するレジスト溶液やフッ酸水溶液の塗布は、インクジェット式の吐出装置等を用いて行われ、流路幅が狭い微細な流路７が形成される。また、微細な流路７を、例えば、半導体プロセス等において利用されている微細加工技術を基本とするＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）やサンドブラスト法等を用いて形成してもよい。
【００１９】
また、上述のように、流路幅の狭い微細な流路７が形成された場合には、メタノール水溶液の流速を向上させ、燃料の供給性を高めることができると共に、酸化還元反応により生成される副生成物（二酸化炭素）の排出性も向上させることができる。
【００２０】
次に、セパレータ４に集電構造を形成する。即ち、セパレータ４を形成する基板２０として、シリコン、ガラス、プラスチック等の導電性の低い素材の基板２０を用いた場合、そのままでは導電性が低く酸化還元反応で発生した電子を効率的に外部回路に取り出すことができないため、セパレータ４に集電構造を形成する。
【００２１】
ここで、セパレータ４に集電構造を形成する方法として、セパレータ４に導電性膜を成膜する方法等が存在する。この場合、ダイレクトメタノール型燃料電池においては、燃料としてメタノール水溶液を用いるため、流路７が形成されているセパレータ４の表面はメタノール水溶液に接触した状態になる。また、酸化還元反応で発生した電子を外部回路に取り出す必要があるため、燃料極と空気極間とは電気的に接続された状態となっており、燃料極側のセパレータがメタノール水溶液と接触する部分では電気化学反応が生じる可能性がある。そのため、導電性膜としてイオン化傾向が高い金属膜を使用している場合には、導電性膜がメタノール水溶液中に溶け出してしまい、集電構造の劣化が生じやすく、燃料電池の発電効率を低下させるという問題があった。
【００２２】
従って、水素標準電極を基準とした標準電極電位が正の金属を用いた導電性膜、即ち、イオン化傾向が低い金属の膜を導電性膜としてスパッタリング等によりセパレータ４に成膜することにより集電構造を形成する。なお、水素標準電極を基準とした標準電極電位が正の金属としては、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）又は銀（Ａｇ）等が存在する。
【００２３】
また、セパレータ４を形成する基板２０として、シリコン基板２０を用いている場合には、導電性膜を成膜することなく、セパレータ４にボロンをドーピングすることにより集電構造を形成するようにしてもよい。即ち、シリコンのような半導体に不純物としてボロンを加えることによって、セパレータ４の導電性を向上させセパレータ４の一部を集電構造としてもよい。
【００２４】
図４は、集電構造が形成されたセパレータの一例を示す図である。セパレータ４には、図４に示すように、基板２０に流路７及び集電構造２２が形成されている。集電構造２２は、図４に示すように、セパレータ４が電極２と接する（図１参照）流路７が形成されている面に形成されており、裏面には形成されていない。
【００２５】
ここで、一つの燃料電池セルでは出力が不足する場合等には、出力要求に応じて複数の燃料電池セルを積層させることによって燃料電池スタックが製造される。この場合、燃料電池スタックは、一の燃料電池セルを構成する燃料極（空気極）側のセパレータの裏面（流路が形成されていない面）と、他の燃料電池セルを構成する空気極（燃料極）側のセパレータの裏面（流路が形成されていない面）とを貼り合わせることによって形成される。
【００２６】
図５は、燃料電池セルを複数積層させることによって形成される燃料電池スタックの一例を示す図である。燃料電池スタック３０は、図５に示すように、燃料電池セル３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅを積層させることにより形成されている。即ち、燃料電池セル３０ａを形成するセパレータ５（燃料電池セル３０ａの空気極側のセパレータ）の流路８が形成されていない面に、燃料電池セル３０ｂを形成するセパレータ４（燃料電池セル３０ｂの燃料極側のセパレータ）の流路７が形成されていない面を貼り合わせる。そして、燃料電池セル３０ｂを形成するセパレータ４の流路７が形成された面に、燃料電池セル３０ｂの燃料極が接するように膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を配置し、配置された膜電極接合体の空気極に流路８が形成された面が接するようにセパレータ５を配置することによって燃料電池セル３０ｂを形成する。同様にして燃料電池セルを積層させることによって、燃料電池スタック３０が形成される。
【００２７】
ここで、電解質膜としては、パーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂からなるイオン交換膜が用いられ、例えば、デュポン社製のＮａｆｉｏｎ（登録商標）や、旭硝子株式会社製のＦｌｅｍｉｏｎ（登録商標）等が用いられる。
【００２８】
また、燃料極は、メタノール水溶液を拡散させる拡散層と、拡散層上に膜状に形成された触媒層とにより構成されている。触媒層は、貴金属触媒を担持したカーボン粉末からなり、拡散層は撥水化処理が施されたカーボンペーパからなっている。燃料極の触媒層においては貴金属触媒として、例えば、白金（Ｐｔ）−ルテニウム（Ｒｕ）等が用いられる。空気極は、燃料極と同様、拡散層と拡散層上に膜状に形成された触媒層とにより構成され、空気極の触媒層における貴金属触媒には白金が用いられている。
【００２９】
膜電極接合体は、電解質膜が燃料極及び空気極で挟み込まれた状態で、一般的には、ホットプレス等により一体化されており、この膜電極接合体をセパレータで挟み込み接合させることによって、燃料電池セルが製造される。そして、製造された燃料電池セルを積層させることにより、燃料電池スタックが製造される。
【００３０】
図６は、この実施の形態に係る燃料電池スタックの一例を示す図である。燃料電池スタック４０は、図６に示すように、膜電極接合体を燃料極側セパレータ及び空気極側セパレータで挟み込んだ複数の燃料電池セル、支持部材４２、配線４４、集電板４６、締め付け板４８及び外部回路５０により構成されている。
【００３１】
支持部材４２は、燃料電池セルの積層方向に並行に配置されており、配線４４は、燃料極側セパレータの表面（燃料極側の面）と、空気極側セパレータの表面（空気極側の面）とを、即ち、燃料極と空気極とを電気的に接続するように支持部材４２の燃料電池セル側の表面に形成されている。また、集電板４６は、配線４４と接続されており、配線４４を介して燃料電池セルにおいて発生した電子を集め、集電板４６により集められた電子が外部回路５０により外部に取り出されている。また、締め付け板４８は、積層された複数の燃料電池セルを固定するための部材であり、図示しないボルト等により固定されている。
【００３２】
ここで、配線４４は、インクジェット式の吐出装置により導電性部材、例えば、金属の粒子を分散させたインクを支持部材４２上の所定位置に、即ち、図６に示すように、燃料電池セルを構成する膜電極接合体と接する部分を除く部分に吐出し、乾燥焼結させることにより形成される。また、金属メッキを施したり、銅ペーストや銀ペースト等の金属ペーストをディスペンサ等により支持部材４２上の膜電極接合体と接する部分を除く部分に印刷することにより配線４４を形成するようにしてもよい。なお、製造された燃料電池スタックは、電子機器、例えば、携帯電話等の携帯用電子機器等に電力供給源として組み込むことができる。
【００３３】
この実施の形態に係る燃料電池スタックによれば、複数の燃料電池セルを積層させて燃料電池スタックを製造する場合に、燃料電池セルと並行に配置された支持部材に形成された配線により集電構造間、即ち、燃料極と空気極との間を電気的に接続している。従って、導電性が低く抵抗値が高い部材を用いたセパレータにより燃料電池セルが製造されている場合であっても、燃料電池スタックの発電効率が低下することを防止できる。
【００３４】
また、この実施の形態に係る燃料電池スタックによれば、コストが高いカーボン材や、チタン鋼等の金属を用いることなく、ガラスやプラスチック等の安価な部材をセパレータの部材として用いることができるため、低コストでセパレータを製造することができ、燃料電池スタックの製造コストを低減することができる。また、セパレータの部材として金属を用いた場合のように、酸化膜等の耐食保護膜の劣化や金属の腐食等によりセパレータの抵抗値が上昇し、時間の経過と共に燃料電池スタックの出力が低下することを防止できる。
【００３５】
また、セパレータの部材としてシリコン、ガラス、プラスチック等を用いることができるため、セパレータの厚みを薄くすることができると共に、金属よりも比重が軽い素材を用いることができるため、燃料電池スタックの小型化、軽量化を適切に実現することができる。
【００３６】
また、この実施の形態に係る燃料電池スタックによれば、シリコン、ガラス、プラスチック等の導電性の低い部材からなるセパレータを用いた燃料電池セルを複数積層させて製造構成されている。従って、長期に亘り安定した出力を維持し、高い発電効率を維持することができる。また、この燃料電池スタックを電子機器の電力供給源として用いることにより、廃棄される際にも有毒物質等が流出する心配のない、地球環境に配慮したクリーンなエネルギーを電子機器の電力供給源とすることができる。
【００３７】
なお、上述の実施の形態に係る燃料電池スタックにおいては、セパレータ表面（燃料極又は空気極と接する面）の全面に集電構造が形成されているが、流路内を除くセパレータ表面の一部分に集電構造が形成されていてもよい。即ち、電極の一部及び支持部材に形成された配線に接触する部分であれば、例えば、図８に示すような部分にのみ形成されていればよい。
【００３８】
また、セパレータ表面に集電構造が形成されていなくてもよい。即ち、配線が燃料極及び空気極に接するように形成されている場合には、電極で生じた電子を配線を介して集電板において集電し外部回路に取り出すことができるため、セパレータの表面（電極と接する面）に集電構造が形成されていなくてもよい。
【００３９】
また、上述の実施の形態に係る燃料電池スタックにおいては、図６に示すように、積層された複数の燃料電池セルの積層方向に並行に支持部材が設けられているが、積層された複数の燃料電池セルを覆うように支持部材を設けるようにしてもよい。即ち、図６中において、積層された複数の燃料電池セルの上下に支持部材が設けられているが、積層された複数の燃料電池セルの外周部を覆うべく四方（四面）に支持部材を設けるようにしてもよい。
【００４０】
また、上述の実施の形態に係る燃料電池用セパレータにおいては、図３（ｂ）に示すような流路を形成しているが、セパレータの表面端部において隣接する流路が繋がっているようにしてもよい。即ち、図９に示すように、セパレータの端部を除く部分において流路の各々が互いに平行な直線形状になっており、セパレータの端部において流路が隣接する流路と繋がっている、いわゆる一筆書き状の流路を形成するようにしてもよい。
【００４１】
また、上述の実施の形態においては、ダイレクトメタノール型燃料電池を例としているが、上述の実施の形態に係る燃料電池用セパレータを用いてダイレクトメタノール型燃料電池以外の燃料電池を製造するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】実施の形態に係る燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの構成図。
【図２】実施の形態に係るセパレータの製造工程を説明する図。
【図３】実施の形態に係るセパレータの製造工程を説明する図。
【図４】実施の形態に係るセパレータを示す図。
【図５】燃料電池スタックの一例を示す図。
【図６】実施の形態に係る燃料電池スタックの一例を示す図。
【図７】実施の形態に係る燃料電池セルの他の一例を示す図。
【図８】実施の形態に係るセパレータの集電構造の他の例を示す図。
【図９】実施の形態に係るセパレータに形成される他の流路を説明する図。
【符号の説明】
【００４３】
１…電解質膜、２…燃料極、３…空気極、４、５…セパレータ、６…パッキン、７、８…流路（燃料／空気を供給する流路）、１０、１１…セル枠体、１２、１３…流路（反応／生成物を供給／排出する流路）、２０…基板、２２…集電構造、４０…燃料電池スタック、４２…支持部材、４４…配線、４６…集電板、４８…締め付け版、５０…外部回路。
【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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