(57)【要約】【課題】ＭＥＡのダメージが小さく、酸素含有ガス及び燃料の供給効率が良好で、接触抵抗が低く出力の高い燃料電池用セル及びその製造方法並びに燃料電池を提供すること。【解決手段】電解質膜と、該電解質膜を挟んで両側に配置された酸素極触媒層及び燃料極触媒層と、該酸素極触媒層上及び該燃料極触媒層上のそれぞれに配置された導電性多孔質基材と、該導電性多孔質基材と電気的に接合された集電電極と、を有する燃料電池用セルにおいて、前記集電電極が枠状部分を有し、各集電電極の枠状部分が該集電電極に接続される導電性多孔質基材の周縁部に配置され、該導電性多孔質基材の周縁部と該枠状部分とが溶接により電気的に接合されていることを特徴とする燃料電池用セル。【選択図】図１
2006107868.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、該電解質膜を挟んで両側に配置された酸素極触媒層及び燃料極触媒層と、該酸素極触媒層上及び該燃料極触媒層上のそれぞれに配置された導電性多孔質基材と、該導電性多孔質基材と電気的に接合された集電電極と、を有する燃料電池用セルにおいて、
前記集電電極が枠状部分を有し、各集電電極の枠状部分が該集電電極に接続される導電性多孔質基材の周縁部に配置され、該導電性多孔質基材の周縁部と該枠状部分とが溶接により電気的に接合されていることを特徴とする燃料電池用セル。
【請求項２】
前記集電電極及び前記導電性多孔質基材の少なくとも一方が、Ｔｉ製であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セル。
【請求項３】
前記集電電極の枠状部分が、シール材を介して所定の間隔で対向配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池用セル。
【請求項４】
前記電解質膜が、固体高分子電解質膜であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池用セル。
【請求項５】
同一平面に複数個のセルが配置された平面型スタック構造を形成していることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池用セル。
【請求項６】
（ａ１）２つの導電性多孔質基材の片面に、酸素極触媒層及び燃料極触媒層のいずれかをそれぞれ形成する工程と、
（ｂ１）前記酸素極触媒層又は燃料極触媒層が形成された導電性多孔質基材の、前記酸素極触媒層又は燃料極触媒層を形成した面と反対側の表面における周縁部に、枠状部分を有する集電電極の該枠状部分をそれぞれ配置し、該導電性多孔質基材の周縁部と該枠状部分とを溶接により接合して、集電電極付き電極部とする工程と、
（ｃ１）酸素極触媒層が形成されている集電電極付き電極部の酸素極触媒層と、燃料極触媒層が形成されている集電電極付き電極部の燃料極触媒層と、によって電解質膜を挟みこみ、全体を熱プレスする工程と、
を有することを特徴とする燃料電池用セルの製造方法。
【請求項７】
（ａ２）２つの導電性多孔質基材の片面における周縁部に、枠状部分を有する２つの集電電極の該枠状部分をそれぞれ配置し、該導電性多孔質基材の周縁部と該枠状部分とを溶接により接合する工程と、
（ｂ２）前記集電電極が接合された２つの導電性多孔質基材の、前記集電電極と接合した面と反対側の表面に、酸素極触媒層及び燃料極触媒層のいずれかをそれぞれ形成して、集電電極付き電極部とする工程と、
（ｃ２）酸素極触媒層が形成されている集電電極付き電極部の酸素極触媒層と、燃料極触媒層が形成されている集電電極付き電極部の燃料極触媒層と、によって電解質膜を挟みこみ、全体を熱プレスする工程と、
を有することを特徴とする燃料電池用セルの製造方法。
【請求項８】
請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池用セルを具備する燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用、特に固体高分子型燃料電池用のセル構造、及びそのセルの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水の電気分解の逆の反応、すなわち水素と酸素との反応を利用することで、電流を取り出す発電装置である。燃料電池は、従来の他の発電装置に比べて発電効率が高く、また発電による生成物が水であるため、省資源、環境保全等の観点から様々な分野における電源として実用化が期待されている。
【０００３】
燃料電池の一般的な基本構成としては、酸素極触媒層及び導電性多孔質基材からなる酸素極電極部、燃料極触媒層及び導電性多孔質基材からなる燃料極電極部、及び、それらの酸素燃料極触媒層及び燃料極触媒層で挟み込まれた電解質膜、で形成された電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）と、ＭＥＡの両表面に配置されている導電性多孔質基材から電気を取り出す集電電極と、で構成されるセルを有する。通常は、このセルを複数直列に接続した状態となっており、複数のセルを厚さ方向に積み重ねた形態を積層型スタック構造、複数のセルを同一平面に配置してセルを直列に接続した形態を平面型スタック構造と呼ぶ。そして、酸素極電極部から酸素（又は空気等の酸素含有ガス）を、燃料極電極部側から水素、メタノール等の燃料を、供給することで、発電する。導電性多孔質基材は、各極触媒層へ酸素又は燃料を拡散する拡散層としての機能を発揮するものである。
【０００４】
積層型スタック構造を構成するセルの構成の一例を図８に示す。電解質膜２の両側には酸素極電極部２１及び燃料極電極部２２が配置されてＭＥＡ１３を構成し、その両側にはセパレーター１２が配置される。セパレーター１２の表面には、溝２０が設けられている。この溝２０は、酸素極電極部２１の表面に酸素（又は空気等の酸素含有ガス）を、燃料極電極部２２の表面に燃料を、供給する流路となるものであり、同時に生成物の排出流路ともなるものである。さらにセパレータ１２は集電電極としての機能を有する。このような積層型スタック構造は、各セパレータ毎に流路となる部分を形成する必要があり、さらには厚さ方向に積層する形態であることから、軽量化、薄型化には不向きである。
【０００５】
携帯電話、ノートパソコンといったモバイル機器用電源としては薄型であることが非常に重要であり、そのような用途に対応可能なものとして、平面型スタック構造が提案されている（特許文献１〜３参照）。平面型スタック構造を形成している状態の一例を図９に示すように、段差を設けた平面型スタック用集電電極１４の半分の面でＭＥＡ１３を挟み込み、必要に応じてシール材６を挟み込み、それらを交互に重ねて直列に接続している形態となっている。この場合、各セルが平面的に配置されているため、薄型化が可能である。
【０００６】
ところで、積層型スタック構造及び平面型スタック構造のいずれにおいても、ＭＥＡの両表面に配置されている導電性多孔質基材と集電電極との電気的接続は、単にこれらを加圧して組み立て当接させることで行っているのが一般的である。しかし、単に当接させるだけでは接触抵抗が生じ、特にスタックするセルの数が多い場合や、電流が大きくなった場合、その接触抵抗は大きな損失となる。この接触抵抗を小さくするためには組立時の圧力を高くする必要がある一方、圧力が高すぎるとＭＥＡがダメージを受けることとなるため、その圧力のバランスが重要である。さらに、その圧力を均一にすることも重要であるが、そのために集電電極の構造を複雑化すると製造コストが高くなる結果となる。
【０００７】
例えば、図９に示す平面型スタック構造では、押さえ板１５、ネジ９を用いて、フレーム７に固定する手法が採られている。特に平面型スタック構造では、集電電極とＭＥＡとを均一な圧力で固定する必要があり、押さえ板の使用、ネジの数を増やすこととなる。結果として、部品点数が多くなり、薄型化の効果が小さくなるだけでなく、重くなってしまう。
【０００８】
そこで、ＭＥＡの両表面に配置されている導電性多孔質基材と集電電極との電気的接続を溶接により行う手法が検討されている。特許文献４には、流路を有するセパレーターと拡散層とを、その接触部位において溶接することが記載されている。
【特許文献１】特開２００２−５６８５５号公報
【特許文献２】特開２００３−１７３８１３号公報
【特許文献３】特開２００３−２０３６４７号公報
【特許文献４】特開２０００−２０８１５３号公報
【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４の方法では、一つのセルで多数箇所溶接する必要があり、しかもその溶接部位が拡散層全体に広がっている。溶接部位のそれぞれにおいてＭＥＡがダメージを受けるため、全体としてＭＥＡは大きなダメージを受けてしまう。このダメージは、各極の触媒層及び電解質の寿命を短くすることとなる。また、そもそもセパレーターに形成された流路を酸素含有ガス及び燃料が流れるため、その溶接部位においては酸素含有ガス及び燃料が供給されず、全体としての酸素含有ガス及び燃料の供給効率が悪い。
【００１０】
本発明は、ＭＥＡのダメージが小さく、酸素含有ガス及び燃料の供給効率が良好で、接触抵抗が低く出力の高い燃料電池用セル及びその製造方法並びに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】
【００１１】
本発明の燃料電池用セルは、
電解質膜と、該電解質膜を挟んで両側に配置された酸素極触媒層及び燃料極触媒層と、該酸素極触媒層上及び該燃料極触媒層上のそれぞれに配置された導電性多孔質基材と、該導電性多孔質基材と電気的に接合された集電電極と、を有する燃料電池用セルにおいて、
前記集電電極が枠状部分を有し、各集電電極の枠状部分が該集電電極に接続される導電性多孔質基材の周縁部に配置され、該導電性多孔質基材の周縁部と該枠状部分とが溶接により電気的に接合されているものである。
【００１２】
本発明の燃料電池用セルの製造方法は、
（ａ１）２つの導電性多孔質基材の片面に、酸素極触媒層及び燃料極触媒層のいずれかをそれぞれ形成する工程と、
（ｂ１）前記酸素極触媒層又は燃料極触媒層が形成された導電性多孔質基材の、前記酸素極触媒層又は燃料極触媒層を形成した面と反対側の表面における周縁部に、枠状部分を有する集電電極の該枠状部分をそれぞれ配置し、該導電性多孔質基材の周縁部と該枠状部分とを溶接により接合して、集電電極付き電極部とする工程と、
（ｃ１）酸素極触媒層が形成されている集電電極付き電極部の酸素極触媒層と、燃料極触媒層が形成されている集電電極付き電極部の燃料極触媒層と、によって電解質膜を挟みこみ、全体を熱プレスする工程と、
を有するものである。
【００１３】
また、本発明の燃料電池用セルの製造方法は、
（ａ２）２つの導電性多孔質基材の片面における周縁部に、枠状部分を有する２つの集電電極の該枠状部分をそれぞれ配置し、該導電性多孔質基材の周縁部と該枠状部分とを溶接により接合する工程と、
（ｂ２）前記集電電極が接合された２つの導電性多孔質基材の、前記集電電極と接合した面と反対側の表面に、酸素極触媒層及び燃料極触媒層のいずれかをそれぞれ形成して、集電電極付き電極部とする工程と、
（ｃ２）酸素極触媒層が形成されている集電電極付き電極部の酸素極触媒層と、燃料極触媒層が形成されている集電電極付き電極部の燃料極触媒層と、によって電解質膜を挟みこみ、全体を熱プレスする工程と、
を有するものである。
【００１４】
本発明の燃料電池は、前記の燃料電池用セルを具備するものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ＭＥＡのダメージが小さく、酸素含有ガス及び燃料の供給効率が良好で、接触抵抗が低く出力の高い燃料電池用セル及びその製造方法並びに燃料電池を提供できる。結果として、押さえ板が不要になる、ネジの数を減らすことができる等により部品点数を減らすことが可能であり、薄型・軽量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】
【００１６】
本発明の燃料電池用セルは、電解質膜と、電解質膜を挟んで両側に配置された酸素極触媒層及び燃料極触媒層と、酸素極触媒層上及び該燃料極触媒層上のそれぞれに配置された導電性多孔質基材と、導電性多孔質基材と電気的に接合された集電電極と、を有するものである。そして、集電電極として枠状部分を有する集電電極を使用し、その枠状部分を導電性多孔質基材の周縁部に配置し、導電性多孔質基材の周縁部と枠状部分とを、溶接により電気的に接合したものである。
【００１７】
以上のような本発明の燃料電池用セルの一例の断面図を図２に、その拡大図を図１に示す。
【００１８】
電解質膜２はその両側から酸素極触媒層４及び燃料極触媒層５によって挟み込まれており、さらに酸素極触媒層４及び燃料極触媒層５の上に導電性多孔質基材３が配置されている。そして、酸素極触媒層４及びその上の導電性多孔質基材３により酸素極電極部２１を、燃料極触媒層５及びその上の導電性多孔質基材３により燃料極電極部２２を形成し、さらにこれら全体が一体となって電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）１３を形成している。
【００１９】
ＭＥＡ１３の両表面に配置されている導電性多孔質基材３は、更にその両側に配置されている集電電極１とそれぞれ溶接により接合されており、溶接部８を介して電気的に接続されている。より具体的には、集電電極１として枠状部分を有する集電電極を使用しており、その枠状部分と、導電性多孔質基材の周縁部と、が溶接により接合されている。
【００２０】
図３に、枠状部分を有する集電電極１と導電性多孔質基材３とを溶接により接合したものを導電性多孔質基材３側から見た構造を示す。図３における集電電極１（図３における符号８の部分を含む）は四角形の枠状部分を有している。そして、その集電電極１の枠状部分における内周の四角形よりも大きい四角形の形状を有する導電性多孔質基材３（図３における符号８の部分を含む）が配置されている。そして、図３における符号８の部分において、集電電極１の枠状部分の一部と、導電性多孔質基材３の周縁部と、が重なりあい、その部分を溶接により電気的に接合し、溶接部８を形成している。そして、集電電極１には電流を取り出す端子１１及び対極側の集電電極とネジで固定するためのネジ穴１０が形成されている。
【００２１】
このような集電電極１は対極となる集電電極と対になるように組み立てられる。そして、対極となる２つの集電電極１は、シール材６を介して所定の間隔で対向配置されており、ネジ９によりフレーム７に固定されている。
【００２２】
以上のように、集電電極として枠状部分を有する集電電極を使用し、その枠状部分と、導電性多孔質基材の周縁部とを、溶接により電気的に接合する形態とすることで、溶接部となる部分を少なくすることができＭＥＡのダメージを小さくすることができる。また、両者を溶接により接合することで、接触抵抗が低くなり出力が高くなる。さらに、導電性多孔質基材は周縁部のみで溶接されており、その溶接部となる周縁部を除いてほぼ全面で酸素含有ガスまたは燃料と接触できることから、酸素含有ガス及び燃料の供給効率が高まる。結果として、押さえ板が不要になる、ネジの数を減らすことができる等により部品点数を減らすことが可能であり、薄型・軽量化を図ることができる。
【００２３】
電解質膜を形成する材料としては、例えば、溶融炭酸塩、固体酸化物、リン酸、固体高分子等、燃料電池の電解質として使用可能な材料から、適宜選択して使用できる。ここで、上記の電解質膜の中でも固体高分子電解質膜を使用した固体高分子型燃料電池は、常温で作動可能であることから、モバイル機器等への適用が期待されている。このような燃料電池は薄型・軽量であることも重要であることから、本発明の燃料電池用セルに固体高分子電解質膜を適用することによって、大きな効果が得られる。
【００２４】
固体高分子電解質膜としては、燃料電池に使用可能なプロトン伝導性を有する、すなわち例えばプロトン伝導率が０．０１Ｓ／ｍ以上である高分子電解質膜から、適宜選択して使用できる。また、燃料のクロスオーバー（透過）が少ないことが好ましい。例えば、パーフルオロスルホン酸系高分子電解質膜、炭化水素系高分子電解質等が使用できる。高いプロトン伝導性を有することから、アニオン基を有する高分子で構成されることが好ましく、スルホン基を有する高分子で構成されることがより好ましい。スルホン基を有する高分子としては、例えば、パーフルオロスルホン酸系ポリマーが挙げられ、入手もしやすく高プロトン伝導性であることから、デュポン社製Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）１１５、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）１１７等のＮａｆｉｏｎ（登録商標）シリーズからなる高分子電解質膜が特に好ましい。
【００２５】
酸素極触媒層及び燃料極触媒層は、電極反応を起こさせるためのものであり、通常、各極用の触媒及び固体電解質を含む。酸素極用の触媒としてはＰｔを、燃料極用の触媒としてはＰｔＲｕを、用いるのが一般的であるが、各極の電極反応の触媒となるものから適宜選択して使用できる。触媒は、微粒子状のものをそのまま使用することもでき、カーボン粉末等の担体に担持された状態もものを使用することもできる。酸素極触媒層及び燃料極触媒層で用いる固体電解質としては、触媒と電解質膜との間をプロトンが伝導可能なプロトン伝導性を有し、かつ触媒のバインダーとしての機能を有するものから、適宜選択して使用できる。通常、この各極の触媒層は、上記の成分を含有するスラリーを導電性多孔質基材上に塗布・乾燥することにより形成する。このスラリーの調製に用いる固体電解質含有液として、デュポン社製Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）溶液（スルホン基を導入したフッ素化ポリオレフィン溶液）等を好適に使用できる。
【００２６】
導電性多孔質基材の材質は、ステンレス、Ｔｉ等の金属、または、カーボン等の導電性材料から、適宜選択することができる。高強度、高脆性であり溶接が容易であることから金属で形成されることが好ましく、特に電気抵抗が小さく耐酸性に優れたＴｉで形成されることが好ましい。導電性多孔質基材は、例えばφ１０〜１００μｍの繊維状となる上記の材料を織り込んだ繊維シートであることが好ましい。導電性多孔質基材の空隙率は２０〜９０％であることが好ましく、厚さは１００〜８００μｍであることが好ましい。
【００２７】
集電電極の材質は、ステンレス、Ｔｉ等の金属、または、カーボン等の導電性材料から、適宜選択することができる。高強度、高脆性であり溶接が容易であることから金属で形成されることが好ましく、特に電気抵抗が小さく耐酸性に優れたＴｉで形成されることが好ましい。
【００２８】
図３では、集電電極１の枠状部分及び導電性多孔質基材３として四角形のものを使用した例を示したが、四角形以外の多角形、円、楕円等の形状を有するものを使用することもできる。ただし、両者の重なり合った箇所を溶接により接合することから、集電電極１の枠状部分の内周よりも導電性多孔質基材３の外周の方が大きく、全体の均一性の観点から、両者は相似形であることが好ましい。重なり合う部分の幅は溶接可能な範囲で適宜選択できるが、０．５〜５ｍｍとすることが好ましい。
【００２９】
なお、従来の集電電極は、図８に示すセパレーター１２のように、溝２０のような流路となる部分を有していなければならない。本発明の集電電極は、枠状部分を有していれば良く、その枠状部分の内部全面に燃料又は酸素含有ガスを供給できるように構成することで、集電電極自体には流路となる部分を有している必要がなく、集電電極の構造が簡素でき製造コストを下げられるという効果も発揮する。
【００３０】
溶接の方法としては、スポット溶接、レーザー溶接、超音波溶接等の２つのものを電気的に接合可能な手法から適宜選択できる。作業性及び溶接箇所の仕上がりが良好であることから、レーザー溶接で行うことが好ましい。
【００３１】
溶接する箇所は前述のように集電電極の枠状部分及び導電性多孔質基材の周縁部の重なり合う部分となるが、その重なり合う部分全面を溶接することもできるが、接触抵抗が大きくならない範囲で重なり合う部分の一部のみを溶接することもできる。一部のみを溶接する場合、溶接部間の間隔は１〜５ｍｍが好ましい。
【００３２】
対向配置される集電電極の枠状部分の間には、必要に応じてシール材を配置することができる。シール材を配置することで、ＭＥＡのダメージをより小さくすることができる。シール材としては、絶縁性及び耐酸性を有しているものを好適に使用することができ、例えばシリコーン製パッキン、フッ素ゴム製パッキン、ＥＰＤＭ製パッキン等を使用することができる。
【００３３】
ここで、電解質膜の大きさは、導電性多孔質基材及び各極の触媒層より大きいことが好ましい。電解質膜を大きくすることで、燃料及び酸素含有ガスを良好にシールすることができる。例えば、図１に示すように、集電電極の枠型部分と電解質膜を同じ大きさとすることが好ましい。このとき、電解質膜の所定位置にネジ穴となる穴が設けられていることが好ましい。
【００３４】
本発明の燃料電池用セルは、積層型スタック構造及び平面型スタック構造を採ることもできる。本発明は薄型・軽量化を図ることが可能であるものであることから、同様の要求の強い平面型スタック構造を形成するのに適用することでより大きな効果が得られる。
【００３５】
平面型スタック構造の一例を図４（上面図）及び図５（断面図）を示す。この図では同一平面に４個のセルが配置された構造を示す。
【００３６】
平面型スタック用集電電極１４としては、２つの枠型部分を有するものと、１つの枠型部分を有するものの２種を使用する。そして、各セルを直列にスタックしたときの最端部の集電電極として後者を、それ以外の内部の集電電極として前者を使用する。２つの枠型部分を有する集電電極は、平面型スタック構造を形成可能なように段差が設けられている。各集電電極は、間にＭＥＡを配置する枠型部分が１対となって向かい合うように組み立てられる。
【００３７】
そして、それらの平面型スタック用集電電極の枠型部分の間にＭＥＡ１３が挟み込まれている。このような構成とすることで、最端部の集電電極の間に４枚のＭＥＡと３つの内部の集電電極が交互に配置されることとなる。
【００３８】
スタックするセルの数は２以上であれば任意に選択でき、例えば、必要出力（電圧）が得られる数を選択できる。スタックしたことで大きな効果が得られるようにする観点から４個以上が好ましい。また、あまり多すぎると配線が複雑になり大きさも大きくなることから、２５個以下が好ましく、１０個以下がより好ましい。
【００３９】
以上のような本発明の燃料電池用セルは、以下のいずれかの方法により好適に製造できる。
【００４０】
（方法１）
（ａ１）２つの導電性多孔質基材の片面に、酸素極触媒層及び燃料極触媒層のいずれかをそれぞれ形成する工程と、
（ｂ１）前記酸素極触媒層又は燃料極触媒層が形成された導電性多孔質基材の、前記酸素極触媒層又は燃料極触媒層を形成した面と反対側の表面における周縁部に、枠状部分を有する集電電極の該枠状部分をそれぞれ配置し、該導電性多孔質基材の周縁部と該枠状部分とを溶接により接合して、集電電極付き電極部とする工程と、
（ｃ１）酸素極触媒層が形成されている集電電極付き電極部の酸素極触媒層と、燃料極触媒層が形成されている集電電極付き電極部の燃料極触媒層と、によって電解質膜を挟みこみ、全体を熱プレスする工程と、
を有することを特徴とする燃料電池用セルの製造方法。
【００４１】
（方法２）
（ａ２）２つの導電性多孔質基材の片面における周縁部に、枠状部分を有する２つの集電電極の該枠状部分をそれぞれ配置し、該導電性多孔質基材の周縁部と該枠状部分とを溶接により接合する工程と、
（ｂ２）前記集電電極が接合された２つの導電性多孔質基材の、前記集電電極と接合した面と反対側の表面に、酸素極触媒層及び燃料極触媒層のいずれかをそれぞれ形成して、集電電極付き電極部とする工程と、
（ｃ２）酸素極触媒層が形成されている集電電極付き電極部の酸素極触媒層と、燃料極触媒層が形成されている集電電極付き電極部の燃料極触媒層と、によって電解質膜を挟みこみ、全体を熱プレスする工程と、
を有することを特徴とする燃料電池用セルの製造方法。
【００４２】
あらかじめ触媒層が形成された導電性多孔質基材と集電電極とを溶接する方法（方法１）では、溶接時に溶接部分の触媒層が消失することがあるため、先に導電性多孔質基材と集電電極とを溶接し、その後に触媒層を形成する方法（方法２）の方が好ましい。
【００４３】
方法１の工程（ｃ１）及び方法２の工程（ｃ２）において行う熱プレスの条件としては、温度は１１０〜１３０℃、圧力は１０ＭＰａ程度、時間は５〜３０分で行うことができる。
【００４４】
以上のような本発明の燃料電池用セルは、例えば、酸素含有ガス供給部及び排出部、並びに、燃料供給部及び排出部を具備する筐体内に配置し、酸素含有ガス供給機構及び燃料供給機構と併せて、燃料電池とすることができる。酸素含有ガスの供給に関しては、単に大気中にさらすことで行うこともできる。
【実施例】
【００４５】
（実施例１）
本実施例では、図２（拡大図：図１）に示した構成の燃料電池用セルを作製した。
【００４６】
まず、導電性多孔質基材３として、ＳＵＳ３１６Ｌ製の金属繊維シート（線径φ３０μｍ、空隙率６０％、厚さ２００μｍ）を□３７×３７ｍｍに切断したものを２枚準備した。その金属繊維シート上に、ＰｔＲｕ担持カーボン触媒（燃料極触媒）［田中貴金属社製］、または、Ｐｔ担持カーボン触媒（酸素極触媒）［田中貴金属社製］、をＮａｆｉｏｎ（登録商標）溶液（デュポン社製、スルホン基を導入したフッ素化ポリオレフィン溶液）に混合したスラリー［触媒：溶液中のＮａｆｉｏｎ（登録商標）＝１：１（質量比）］をスプレー塗布にて乾燥厚さ０．２ｍｍになるように塗布し、１３０℃で乾燥することにより、それぞれ酸素極触媒層４及び燃料極触媒層５を形成し、酸素極電極部２１及び燃料極電極部２２を得た。
【００４７】
上記酸素極電極部２１及び燃料極電極部２２の触媒層を形成した面と反対側に、集電電極１を重ね合わせた。集電電極１としては、内側が□３５×３５ｍｍの枠状部分を有するＳＵＳ３１６Ｌ製のものを用いた。このとき、酸素極電極部２１及び燃料極電極部２２における金属繊維シートの周縁部と集電電極１の枠状部分とが１ｍｍ幅で重なり合うように配置した。そして、その金属繊維シートと集電電極との重なり合う箇所を２．０ｍｍ間隔でスポット溶接により接合した（溶接部８）。
【００４８】
得られた集電電極付き酸素極電極部及び燃料極電極部における酸素極触媒層４及び燃料極触媒層５によって、電解質膜２として固体電解質膜Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）１１５（デュポン社製）を挟みこみ、さらにシール材６としてシリコーン製パッキンを図１及び２に示すように配置して、全体を熱プレスした。熱プレス条件は、１３０℃、１０ｍｉｎ、６．０ＭＰａとした。得られた集電電極付きＭＥＡをネジ９によってフレーム７に固定して、燃料電池用セルを得た。
【００４９】
（実施例２）
金属繊維シートと集電電極とが重なり合う箇所を全面にレーザー溶接で接合したこと以外は、実施例１と同様の方法で燃料電池用セルを作製した。
【００５０】
（実施例３）
導電性多孔質基材３及び集電電極１の材質をＴｉ製としたこと以外は、実施例２と同様の方法で燃料電池用セルを作製した。
【００５１】
（実施例４）
先に金属繊維シートと集電電極１との接合を行い、集電電極を接合した面と反対側の金属繊維シート上に酸素極触媒層４及び燃料極触媒層５を形成して集電電極付き酸素極電極部及び燃料極電極部としたこと以外は、実施例２と同様の方法で燃料電池用セルを作製した。
【００５２】
（比較例１）
金属繊維シートと集電電極との溶接を行わなかったこと以外は、実施例１と同様の方法で燃料電池用セルを作製した。
【００５３】
（実施例１〜４及び比較例１で作製した燃料電池用セルの評価）
実施例１〜４及び比較例１で作製した燃料電池用セルの電流密度−電圧特性を図６に示した。なお、測定に際しては、燃料極側に室温の２Ｍメタノール水溶液を供給し、酸素極側には大気にさらすことで酸素を供給した（以下同様）。溶接を行わなかった比較例１の燃料電池用セルに比べて、溶接を行った実施例１〜４の燃料電池用セルは出力が向上したことが分かる。また、交流インピーダンス法によって直流抵抗成分を測定した結果を表１に示すように、比較例１の燃料電池用セルに比べて、実施例１〜４の燃料電池用セルの直流抵抗成分が小さくなっている。すなわち、上記の出力向上の原因は、ＭＥＡの両表面に配置された導電性多孔質基材と集電電極との電気的接触抵抗が低下したためと考えられる。
【００５４】
【表１】
2006107868.tif 000003
【００５５】
実施例２の燃料電池用セルの出力は、実施例１の燃料電池用セルと同等であったが、レーザー溶接を行ったため、作業性及び溶接箇所の仕上がりが良好であった。
【００５６】
実施例３の燃料電池用セルの出力は、実施例２の燃料電池用セルに比べて、さらに向上した。これは、金属繊維シート及び集電電極の材質をＴｉ製としたことにより、電気抵抗がさらに低下し、出力が向上したものと考えられる。
【００５７】
実施例４の燃料電池用セルの出力は、実施例２の燃料電池用セルに比べて、若干向上した。これは、実施例２では金属繊維シートに触媒層を形成した後で溶接したため、溶接時に溶接部分の触媒層が消失してしまうのに対し、実施例４では先に溶接したためその消失が起こらないことに起因していると考えられる。
【００５８】
（実施例５）
本実施例では、図４及び図５に示した構成の平面型スタック構造を形成している燃料電池用セルを作製した。なお、用いた材料及び製造方法は実施例４に準じて実施し、同一平面に４つのセルが配置された構成とした。
【００５９】
（比較例２）
金属繊維シートと集電電極との溶接を行わずに組み立てたこと以外は、実施例１と同様の方法で燃料電池用セルを作製した。
【００６０】
（実施例５及び比較例２で作製した燃料電池用セルの評価）
実施例５及び比較例２で作製した燃料電池用セルの電流密度−電圧特性を図７に示した。溶接を行わなかった比較例２の燃料電池用セルに比べて、溶接を行った実施例５の燃料電池用セルは出力が向上したことが分かる。また、本発明では、従来の平面型スタック構造を有する燃料電池用セルに用いられている押さえ板（図９参照）を使用する必要がないため、小型・軽量化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の燃料電池用セルの一例の構造を示す拡大断面図である。
【図２】本発明の燃料電池用セルの一例の構造を示す断面図である。
【図３】集電電極と導電性多孔質基材とを溶接により接合したもののの一例の構造を導電性多孔質基材側から見た上面図である。
【図４】本発明の平面型スタック構造の一例を示す上面図である。
【図５】本発明の平面型スタック構造の一例を示す断面図である。
【図６】実施例１〜４及び比較例１の電流−電圧特性の評価結果を示す図である。
【図７】実施例５及び比較例２の電流−電圧特性の評価結果を示す図である。
【図８】従来の積層型スタック構造の一例を示す斜視図である。
【図９】従来の平面型スタック構造の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６２】
１    集電電極
２    電解質膜
３    導電性多孔質基材
４    酸素極触媒層
５    燃料極触媒層
６    シール材
７    フレーム
８    溶接部
９    ネジ
１０  ネジ穴
１１  端子
１２  セパレーター
１３  電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）
１４  平面型スタック用集電電極
１５  押さえ板
２０  溝
２１  酸素極電極部
２２  燃料極電極部
【図１】
2006107868.tif 000004
【図２】
2006107868.tif 000005
【図３】
2006107868.tif 000006
【図４】
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【図５】
2006107868.tif 000008
【図６】
2006107868.tif 000009
【図７】
2006107868.tif 000010
【図８】
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【図９】
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