(57)【要約】      （修正有）【課題】組み立て作業の手間を少なくし、かつ製品の厚さをより薄くすることを可能とした燃料電池およびその組立方法を提供する。【解決手段】電解質膜２６に空気極３２と燃料極３０を具えた膜電極接合体２２の空気極側に組み付けられる空気極封止材に、突片７２を設ける。導電層を具えた導電体２４を折り曲げ、折り曲げた導電体２４の間に膜電極接合体２２を挟む。そして膜電極接合体２２を導電体２４で挟む際に、空気極封止材に設けられた突片７２を、導電体２４に設けられた切り欠きに差し入れ、空気極封止材と導電体２４との位置決めを行う。【選択図】図１
2011065890.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の一方の面に燃料極、他方の面に空気極を有する膜電極接合体と、
前記燃料極に接続される燃料極導電体と前記空気極に接続される空気極導電体とを折曲可能な基板上に有する導電体とを備え、
前記膜電極接合体を、折曲部で折り曲げた前記導電体に組付けて起電体を構成し、該起電体に燃料と酸化剤を供給して発電を行わせる燃料電池において、
前記空気極の外周に、前記電解質膜と前記空気極導電体との間を封止する空気極封止材を載せ、
前記導電体に形成された第１位置決め部と前記空気極封止材に設けられた第２位置決め部とを組み付けて、前記膜電極接合体を前記導電体に組み合わせ前記起電体を組み立てることを特徴とした燃料電池の組立方法。
【請求項２】
前記第１位置決め部は、前記導電体の折曲部に形成された切欠きであり、前記第２位置決め部は、前記空気極封止材に形成された突片であることを特徴とした請求項１に記載の燃料電池の組立方法。
【請求項３】
予め基台に形成された溝部に、前記起電体から突出した前記第１位置決め部を組み合わせ、該起電体を前記基台に収納させることを特徴とした請求項１または２に記載の燃料電池の組立方法。
【請求項４】
前記第１位置決め部は、前記折曲部の両端に形成されており、前記第２位置決め部は、該第１位置決め部に合わせて形成したことを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池の組立方法。
【請求項５】
前記第１位置決め部と前記第２位置決め部の少なくとも一方は、前記起電体に対して左右非対称に形成されていることを特徴とした請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池の組立方法。
【請求項６】
電解質膜の一方の面に燃料極、他方の面に空気極を有する膜電極接合体と、
前記燃料極に接続される燃料極導電体と前記空気極に接続される空気極導電体とを折曲可能な基板上に有する導電体と、
前記空気極の外周に取り付けられ、前記電解質膜と前記空気極導電体との間を封止する空気極封止材と、を備え、
前記膜電極接合体を、折曲部で折り曲げた前記導電体に組付けて起電体を構成し、該起電体に燃料と酸化剤を供給して発電を行わせる燃料電池において、
前記空気封止材と前記導電体の少なくとも一方に位置決め部を設け、該位置決め部により前記空気封止材と前記導電体とを所定の位置関係に組み付け可能に構成したことを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
前記位置決め部は、前記導電体の折曲部に形成された切欠きと、前記空気極封止材に設けられ、該切欠きに組み付け可能に形成された突片とからなることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
起電体を収納する基台に溝部を、前記起電体から突出した前記位置決め部に合わせて形成し、
前記溝部に前記位置決め部を組み合わせて、前記起電体を基台に収納したことを特徴とする請求項６または７に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記位置決め部は、前記導電体に対して左右対称に設けたことを特徴とする請求項７または８に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記位置決め部は、前記導電体に対して左右非対称に設けたことを特徴とする請求項７または８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、組立が容易なダイレクトメタノール形燃料電池、およびその組立方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年燃料電池を、パーソナルコンピュータ、携帯電話等の各種電子機器の電源に用いることが試みられている。燃料電池は、燃料のみを補充・交換すれば連続して発電できるという利点を有しているため、小型化ができれば携帯電子機器の電源として極めて有利といえる。
【０００３】
特に直接メタノール燃料電池（DMFC；Direct Methanol Fuel Cell）は、燃料であるメタノールのエネルギー密度が高く、また取り扱いが水素ガスなどに比べて容易なことから小型機器用電源として実用化が期待されている。
【０００４】
例えば特開２００８−１９２５０６号公報（特許文献１）には、「導電層において、一方のシール枠をカソード導電層に、他方のシール枠をアノード導電層にそれぞれあらかじめ接着あるいは形成している。シール枠により膜電極接合体の周囲が規定されるため、導電層に対する膜電極接合体の位置決めが容易になる。」（段落［００４０］参照）と、シール材を導電層にあらかじめ接着あるいは形成することで燃料電池の組立性を向上させる方法が記載されている。
【０００５】
また特開２００１−３１９６６６号公報（特許文献２）には、「セパレータ面内の外周部に形成された溝部内に液状シールを塗布し、硬化前の液状シールを固体高分子電解質膜の周囲に設けられアノード側拡散電極およびカソード側拡散電極の周囲からはみ出すはみ出し部に密着させた状態で、一対のセパレータで電極膜構造体を挟持し、その後加熱して液状シールを硬化」（段落［０００９］参照）と、セパレータ外周部に液状シールを塗布した後、電解質膜を密着させた状態で加熱硬化する方法が記載されている。
【０００６】
更に特開２００４−４７３９７号公報(特許文献３)には、「単位セルの気密性を高めるために、枠連結体あるいはべタ状の板材に、溝を設け、その溝部にＯリングをシール材として配設している」（段落［０００７］参照）と、枠連結体に溝加工を施し、溝にＯリングを挟みこむ方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−１９２５０６号公報
【特許文献２】特開２００１−３１９６６６号公報
【特許文献３】特開２００４−４７３９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載されている方法は、薄い膜の上に枠状の接着層を均一な厚さで形成することが困難であり、また接着した場合でも、接着後に導電層からの剥がれが生じ接着層から酸化剤がリークする危険があった。そのため、製造の容易性や確実なシール性において、より一層の向上が望まれていた。
【０００９】
特許文献２に記載されている方法は、加熱硬化後はセパレータと電解質膜が分離できないため、部品交換等ができず、また、液状シール塗布、加熱硬化といった工程が増えるため、製造コストが上がる。また、セパレータ部品が必要なため、製品を薄くできないといった課題があった。
【００１０】
特許文献３に記載されている方法は、溝加工するための枠連結体部品が必要であり、さらに、溝加工をするには枠連結体に厚みをある程度の持たせる必要があり、製品を薄くできないといった課題があった。
【００１１】
本発明は、シール材を１つの独立した部品で構成し、かつシール材の位置決めを容易とすることで、組み立て作業の手間を少なくし、かつ製品の厚さをより薄くすることを可能とした燃料電池およびその組立方法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】
【００１２】
上記課題を解決するため、燃料電池の組み付け方法を次のように構成した。
【００１３】
電解質膜の表裏に燃料極と空気極をそれぞれ設けて膜電極接合体を形成する。折曲可能な基材に導電層を設けて導電体を形成する。空気極の外周部分に嵌る枠体状で、導電体と位置決めされる位置決め機構を具えた空気極封止材を形成する。
【００１４】
膜電極接合体に空気極封止材を取り付ける。導電体をほぼ中央で折曲させ、導電体の間に膜電極接合体を、位置決め部材で位置を決めて配置する。空気極封止材を具えた膜電極接合体を導電体で挟み、起電体を形成する。
【００１５】
位置決め機構は、例えば、空気極封止材に設けられた突片と、導電体の折曲部に設けられた切欠きとし、突片を切欠きに組み込むと両者の位置決めがなされるように形成する。
【００１６】
また、起電体を収納する基台に、起電体から突出した突片を嵌める溝部を設け、突片を溝部に合わせて起電体を基台に収納する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明にかかる燃料電池及びその組立方法は、次の効果を有する。
【００１８】
空気極の外周部分に設けられた空気極封止材により、膜電極接合体の所定位置に位置決め機構としての突片が配置される。かかる突片を切欠きに合わせることにより、折曲した導電体の所定位置に膜電極接合体を確実に配置できる。このように位置決め機構を用いて位置決めすることで、作業にかかる手間を簡略化でき、膜電極接合体と導電体とを短時間で確実に組み付けることができる。
【００１９】
位置決め機構により、膜電極接合体と導電体が係合されるので、それらの位置ずれを防止し、不良品などの発生を低減できる。
【００２０】
起電体の突片を基台の溝部に合わせることにより、起電体を基台の所望の位置に、確実に組み付け、収納することができる。また突片が溝部に組み付けられているので、位置ずれを防止し、故障の発生などを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明にかかる燃料電池の一実施形態を示す断面図である。
【図２】導電体の一例を示す斜視図である。
【図３】起電体を示す分解斜視図である。
【図４】図１の燃料電池を示す分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明にかかる燃料電池の一実施形態について、図を用いて説明する。
【００２３】
燃料電池１０は、図１及び図４に示すように基台１２と、蓋体（カバープレート）１４と、起電体１６などから構成されている。
【００２４】
基台１２は、ほぼ直方体で、上面に起電体１６を収納する収納部２０（図４参照。）が形成されている。基台１２には、燃料供給管１８が設けてあり、燃料供給管１８の一方が収納部２０に通じ、他方には、燃料を貯蔵した燃料タンク（図示せず。）などが接続される。また基台１２には、後述する溝部７４が形成されている。
【００２５】
蓋体１４は、ＳＵＳ３０４のような金属板からなり、空気孔１５がほぼ全面に形成されている。蓋体１４は、基台１２の上面にネジ（図示せず。）などで固定されており、基台１２に固定されると起電体１６など、収納部２０内に収納されている各部材を互いに密着させる。
【００２６】
起電体１６を図３に示す。起電体１６は、膜電極接合体２２と、膜電極接合体２２の表裏面に取り付けられた導電体２４などから構成されている。膜電極接合体２２は、電解質膜２６と、燃料極（アノード触媒層）３０と、空気極（カソード触媒層）３２から構成されている。
【００２７】
電解質膜２６は、例えば、ポリパーフルオロスルホン酸系の樹脂膜、具体的には、デュポン社製のナフィオン膜、旭硝子社製のフレミオン膜、あるいは旭化成工業社製のアシプレックス膜など、電子伝導性を持たず、プロトンを輸送することが可能な材料により構成されている。
【００２８】
燃料極３０は、図３において電解質膜２６の裏面側に設けられ、電解質膜２６の側から、アノード触媒層４０とアノードガス拡散層４２（ガス透過層）とを積み重ねた積層構造を有している。
【００２９】
アノード触媒層４０は、例えば、触媒を含む炭素粉末により構成され、燃料を酸化し燃料から電子とプロトンとを取り出す。アノード触媒には、例えば、白金（Ｐｔ）の微粒子、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）あるいはモリブデン（Ｍｏ）などの遷移金属、あるいはその酸化物、あるいはそれらの合金などの微粒子が用いられる。
【００３０】
尚アノード触媒は、上記例に限定されるものではない。また、炭素材料のような導電性担持体を用いる担持触媒を使用しても、あるいは無担持触媒を使用しても良い。またアノード触媒層４０は、プロトンの移動を容易にする点から、電解質膜２６に用いられる樹脂の微粒子と同等の微粒子を含むのが望ましい。
【００３１】
アノードガス拡散層４２は、例えばカーボンペーパーまたは炭素繊維など多孔質の炭素材料よりなる薄膜で構成されている。アノードガス拡散層４２は、アノード触媒層４０に燃料ガスを均一に供給する拡散作用を担うとともに、アノード触媒層４０の集電作用も担っている。
【００３２】
空気極３２は、図３において電解質膜２６の上面側に設けられ、電解質膜２６の側から、カソード触媒層３６とカソードガス拡散層３８（ガス透過層）とを積み重ねた積層構造を有している。カソード触媒層３６は、触媒を含む炭素粉末よりなり、酸素を還元して、電子とアノード触媒層４０で発生したプロトンとを反応させて水を生成する。
【００３３】
カソードガス拡散層３８は、多孔質の炭素材料より形成され、カソード触媒層３６に酸化剤を均一に供給する拡散作用を担うとともに、カソード触媒層３６の集電作用も担っている。
【００３４】
カソード触媒層３６とカソードガス拡散層３８は、例えば上述のアノード触媒層４０及びアノードガス拡散層４２と同様の構成となっている。カソード触媒層３６に用いられる触媒と、アノード触媒層４０の触媒は、同様の材質から構成されている。燃料極３０で発生したプロトンは、電解質膜２６を介して空気極３２に輸送される。
【００３５】
導電体２４を、図２に示す。導電体２４は、図に示すように基板５０と、カソード導電層５２と、アノード導電層５４などから構成されている。基板５０は、例えば樹脂製で、適度な可撓性と電気絶縁性とを具えている。導電体２４は、長手方向中央に幅方向に延びる折曲げ部２５（点線で示す。）を有し、折曲げ部２５で折曲可能となっている。
【００３６】
カソード導電層５２及びアノード導電層５４は、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３１６等）、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、ニッケル合金、チタン、チタン合金、金などの金属材料からなる多孔質層（例えばメッシュ）、もしくは箔体などから構成されている。仮に、十分な耐食性が得られない材質を用いる場合には、金などのメッキを施す。
【００３７】
カソード導電層５２とアノード導電層５４は、図２に示すように基板５０の一表面に設けられている。カソード導電層５２とアノード導電層５４は、それぞれ４枚の短冊状の電極部５３から形成され、各電極部５３は、互いに平行で、導電体２４を折曲げ部２５で折り曲げるとアノード導電層５４の電極部５３とカソード導電層５２の電極部５３が上下にそれぞれ対向するように配置されている。
【００３８】
また、カソード導電層５２の幅方向端部に位置する電極部５３ａと、アノード導電層５４の幅方向端部であり、電極部５３ａと逆側の端部に位置する電極部５３ｂには、それぞれ端子５５が設けられている。また端子５５が設けられていない電極部５３は、導電体２４を折り曲げた際対向する電極部５３の１列隣に配置された電極部５３と導電部材５７によって接続されている。導電部材５７は、折曲可能で、このように４枚の電極部５３を各導電層に配置することにより、導電体２４の間に４直列の燃料電池１０が構成される。また、燃料極３０及び空気極３２も、同様に４分割されている。尚、燃料電池１０は、４列直列に限るものではない。
【００３９】
更にアノード導電層５４には、燃料供給孔５６が、またカソード導電層５２には、ガス通流孔５８が複数形成されている。燃料供給孔５６は、後述する燃料供給機構８０から供給された燃料ガスを通過させる。燃料供給孔５６を通過した燃料ガスは、アノードガス拡散層４２を介してアノード触媒層４０に送り込まれる。
【００４０】
ガス通流孔５８は、蓋体１４に設けられた空気孔１５から導入された空気が通過する。ガス通流孔５８を通過した空気は、後述する保湿板６６を経由して、カソードガス拡散層３８からカソード触媒層３６に送り込まれる。ガス通流孔５８は、蓋体１４を基台１２に固定すると空気孔１５と略一致する位置に形成されている。更に導電体２４には、切欠き７０が形成されている。切欠き７０は、導電体２４の一部を切り欠いて形成したもので、図２、図３に示すように導電体２４の折曲げ部２５の左右両側に、対称に設けられている。
【００４１】
空気極３２には、図３に示すように空気極封止部材としてのシール材６４が設けられる。シール材６４は、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）、フッ素系ゴム、シリコン系ゴムなど、燃料の透過量が少なく、電気抵抗が高いゴム系材料からなり、空気極３２の外周部分に適合した枠状に形成されている。またシール材６４には、突片７２が設けられている。突片７２は、シール材６４の一辺から外方に突出し、シール材６４の一辺の左右両側に、切欠き７０に対応して形成されている。
【００４２】
シール材６４を取り付けた膜電極接合体２２は、折曲げ部２５で二つ折りにした導電体２４の内側に、突片７２を切欠き７０に組み合わせるようして挟みこむ。膜電極接合体２２を、二つ折りにした導電体２４で挟み込むことで、カソードガス拡散層３８がカソード導電層５２に当接し、アノードガス拡散層４２がアノード導電層５４に当接する。起電体１６は、導電体２４の間に膜電極接合体２２を挟み込んで構成されている。
【００４３】
基台１２には、上述したように収納部２０が図４に示すように形成されている。収納部２０は、起電体１６の外形とほぼ同一形状に形成され、更に収納部２０には上述した溝部７４が設けられている。溝部７４は、起電体１６から突出した突片７２に合わせて形成してあり、収納部２０に起電体１６を収納すると、突片７２が溝部７４に嵌るようになっている。
【００４４】
基台１２の下部には、燃料供給機構８０が設けられている。燃料供給機構８０は、外部の燃料タンク（図示せず。）などに接続される燃料供給管１８を有し、燃料供給機構８０の上面、つまり収納部２０の底面には、底板８６を介して気液分離膜８４が設けられている。底板８６には、複数の通気孔８８（図４参照。）が設けられている。気液分離膜８４は、例えば多数の細孔を有するポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）シートなどからなり、液体燃料（メタノール液又はその水溶液）を遮断し、燃料の気化成分のみを透過させる。
【００４５】
蓋体１４は、起電体１６の上面に保湿板６６を配置して、基台１２に取り付けられる。保湿板６６は、気孔率が例えば２０〜６０％の多孔性フィルムなどから構成され、外部からの埃や異物の混入、カソード触媒層３６おいて生成した水の蒸散を防止するとともに、カソードガス拡散層３８に酸化剤を均一に導入させる補助拡散層としての役割を有している。
【００４６】
尚各図においては、図示のため各部の厚み幅を拡大して記載してあり、実際の厚み幅を示しているものではない。
【００４７】
次に、燃料電池１０の組み立て方法について説明する。
【００４８】
膜電極接合体２２にシール材６４を組み付ける。シール材６４は、空気極３２の外周に合わせ、電解質膜２６上に空気極３２を囲むように組み付けられる。これにより、膜電極接合体２２の一端縁に、シール材６４の突片７２が突出する。
【００４９】
導電体２４は、折曲げ部２５で２つに折り曲げておく。導電体２４の間を少し開き、突片７２を切欠き７０に差し入れながら、膜電極接合体２２を導電体２４に組み付ける。
【００５０】
導電体２４を閉じ合わせ、導電体２４の間に膜電極接合体２２を挟み込む。これにより、膜電極接合体２２は、シール材６４の突片７２を介して導電体２４の所定位置に配置され、カソードガス拡散層３８がカソード導電層５２に当接し、アノードガス拡散層４２がアノード導電層５４に当接して起電体１６が構成される。
【００５１】
起電体１６が構成されたなら、起電体１６から突出している突片７２を溝部７４に合わせて、収納部２０に起電体１６を収納する。起電体１６は、溝部７４により基台１２の所定位置に収納される。
【００５２】
したがって燃料電池１０とその組付方法によれば、切欠き７０に突片７２を合わせて、膜電極接合体２２を導電体２４に組み付けることにより、膜電極接合体２２と導電体２４とを所定の位置関係に配置でき、それらを容易に組み付けることができる。
【００５３】
更に突片７２を溝部７４に合わせ、基台１２に起電体１６を収納させることにより、容易にかつ確実に起電体１６を基台１２の所定位置に収納できる。したがって、少ない手間で、起電体１６を構成し、かつ容易に起電体１６を基台１２に収納させることができる。燃料電池１０は、簡易な組付けにより、コストを低減させることができ、しかも部材間のずれが発生しにくく、低い不良品の発生率とすることができる。
【００５４】
尚本発明の燃料電池１０において、位置決め機構は、突片７２と切欠き７０の構成に限るものではない。また、突片７２などを非対称に配置してもよい。非対称に配置するとは、取付位置のみならず、突片の形状や大きさを異ならせて行ってもよい。これらを非対称形状に形成すれば、突片７２の位置から膜電極接合体２２の表裏面が判別でき、例えば燃料極３０と空気極３２で組成を異ならせた場合でも、極性の取り付け間違いなどを防止できる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明は、導電体を２つ折りにした燃料電池に使用できる。
【符号の説明】
【００５６】
１０…燃料電池
１２…基台
１４…蓋体
１６…起電体
２０…収納部
２２…膜電極接合体
２４…導電体
２６…電解質膜
３０…燃料極
３２…空気極
５０…基板
５２…カソード導電層
５３…電極部
５４…アノード導電層
５５…端子
５６…燃料供給孔
５７…導電部材
５８…ガス通流孔
６４…シール材
７２…突片
７４…溝部
８０…燃料供給機構
【図１】
2011065890.tif 000003
【図２】
2011065890.tif 000004
【図３】
2011065890.tif 000005
【図４】
2011065890.tif 000006