(57)【要約】【課題】燃料電池用ユニットセルと、その製造方法及び燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池用ユニットセルは、電解質膜及び電解質膜の両面にそれぞれ形成される一対の電極を含む膜−電極接合体（ＭＥＡ）１１０と、膜−電極接合体１１０を介在して互いに接合され、プラスチック材質からなる一対のプレート１２０、１３０と、プレートと膜−電極接合体との間に介在される集電体１４１、１４２とを含み、プラスチック材質のプレート１２０、１３０を超音波振動を用いて接合することにより、均一な圧力分布による気密性が保障されて、燃料が漏れるリーク（Ｌｅａｋａｇｅ）の発生を抑制することができ、小型化及び薄型化を実現することもできる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜及び前記電解質膜の両面にそれぞれ形成される一対の電極を含む膜−電極接合体（ＭＥＡ）と、
前記膜−電極接合体を介在して互いに接合され、プラスチック材質からなる一対のプレートと、
前記プレートと前記膜−電極接合体との間に介在される集電体とを含む燃料電池用ユニットセル。
【請求項２】
前記プレートは、ポリカーボネート、アセタール、アクリル及びポリエーテルエーテルケトンの中の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用ユニットセル。
【請求項３】
前記一対のプレートは、超音波振動を用いて接合することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用ユニットセル。
【請求項４】
前記膜−電極接合体と前記集電体との間に伝導性接着層をさらに含む請求項１に記載の燃料電池用ユニットセル。
【請求項５】
前記プレートと前記膜−電極接合体との間に介在されて、漏洩を防止するガスケットをさらに含む請求項１に記載の燃料電池用ユニットセル。
【請求項６】
前記集電体は、
軟性絶縁層と、前記軟性絶縁層の一面に形成される伝導性メッキ層とを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用ユニットセル。
【請求項７】
前記伝導性メッキ層は、金（Ａｕ）または銅（Ｃｕ）の中の少なくとも一つを含む材質からなることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池用ユニットセル。
【請求項８】
前記一対のプレートの外周縁部には、互いに噛み合うステップドエッジがそれぞれ形成されることを特徴とする請求項１〜請求項７のうちいずれか一つに記載の燃料電池用ユニットセル。
【請求項９】
一対のプレートの間に膜−電極接合体（ＭＥＡ）が介在されるように、前記一対のプレートと前記膜−電極接合体とをローディングする段階と、
前記プレートが互いに接合されるように、前記プレートの所定位置に超音波振動を提供する段階とを含む燃料電池用ユニットセルの製造方法。
【請求項１０】
前記プレートは、プラスチック材質からなることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池用ユニットセルの製造方法。
【請求項１１】
前記プレートは、ポリカーボネート、アセタール、アクリル及びポリエーテルエーテルケトンの中の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池用ユニットセルの製造方法。
【請求項１２】
前記プレートに超音波振動を提供する前に、
前記プレートと前記膜−電極接合体との間に集電体を介在する段階をさらに含む請求項９に記載の燃料電池用ユニットセルの製造方法。
【請求項１３】
前記膜−電極接合体と前記集電体との間に伝導性接着層を形成する段階をさらに含む請求項１２に記載の燃料電池用ユニットセルの製造方法。
【請求項１４】
前記プレートに超音波振動を提供する前に、
前記プレートと前記膜−電極接合体との間に、ガスケットを介在する段階をさらに含む請求項９に記載の燃料電池用ユニットセルの製造方法。
【請求項１５】
前記一対のプレートの外周縁部には、互いに噛み合うステップドエッジがそれぞれ形成されることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池用ユニットセルの製造方法。
【請求項１６】
前記一対のプレートのうち、いずれか一つの前記所定位置には、前記プレートから突出された形状の融着線が形成されることを特徴とする請求項９〜請求項１５のうちいずれか一つに記載の燃料電池用ユニットセルの製造方法。
【請求項１７】
前記融着線は、前記プレートの外周縁部に沿って形成されることを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池用ユニットセルの製造方法。
【請求項１８】
ユニットセルと、
前記ユニットセルに水素を含んている燃料を供給する燃料供給部と、
前記ユニットセルに空気を供給する空気供給部と、
前記ユニットセルと電気的に繋がる回路部とを含み、
前記ユニットセルは、
電解質膜及び前記電解質膜の両面にそれぞれ形成される一対の電極を含む膜−電極接合体（ＭＥＡ）と、
前記膜−電極接合体を介在して互いに接合されるし、プラスチック材質からなる一対のプレートと、
前記プレートと前記膜−電極接合体との間に介在される集電体とを含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１９】
前記ユニットセルは、複数個であることを特徴とする請求項１８に記載の燃料電池システム。
【請求項２０】
前記プレートは、ポリカーボネート、アセタール、アクリル及びポリエーテルエーテルケトンの中の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１８に記載の燃料電池システム。
【請求項２１】
前記プレートは、超音波振動により接合されることを特徴とする請求項１８に記載の燃料電池システム。
【請求項２２】
前記膜−電極接合体と前記集電体との間に伝導性接着層をさらに含む請求項１８に記載の燃料電池システム。
【請求項２３】
前記プレートと前記膜−電極接合体との間に介在されて、漏洩を防止するガスケット（ｇａｓｋｅｔ）をさらに含む請求項１８に記載の燃料電池システム。
【請求項２４】
前記一対のプレートの外周縁部には、互いに噛み合うステップドエッジがそれぞれ形成されることを特徴とする請求項１８に記載の燃料電池システム。
【請求項２５】
前記集電体は、
軟性絶縁層と、前記軟性絶縁層の一面に形成される伝導性メッキ層とを含むことを特徴とする請求項１８に記載の燃料電池システム。
【請求項２６】
前記伝導性メッキ層は、金（Ａｕ）または銅（Ｃｕ）の中の少なくとも一つを含む材質からなることを特徴とする請求項１８に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池用ユニットセルと、その製造方法及び燃料電池システム（Ｕｎｉｔ  ｃｅｌｌ    ｆｏｒ    ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ、ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  ｔｈｅｒｅｏｆ  ａｎｄ  ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ  ｓｙｓｔｅｍ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば携帯用デジタル放送に係わるＤＭＢ、ナビゲーション（ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ）機能などの多様な機能が追加されることにより小型モバイル機器の消費電力が増加するに伴って、リチウムイオン電池のエネルギ密度より高い電源ソースが求められている。
【０００３】
現在の燃料電池は、発電用、自動車用、住居用、モバイル用などで開発が活発に行われており、その中で、小型燃料電池は、携帯電話、ＰＤＡ、ノートパソコンなどにおけるリチウムイオン電池の代替として注目されている。このようなモバイル機器に使用される燃料電池としては、特に、小さいサイズが求められる。
【０００４】
燃料電池の重要部分であるスタック（ｓｔａｃｋ）は、従来技術によれば、黒鉛バイポーラプレート（ｇｒａｐｈｉｔｅ  ｂｉｐｏｌａｒ  ｐｌａｔｅ）の間にガスケット（ｇａｓｋｅｔ）と膜−電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ；ＭＥＡ）とを多数枚積層した後、両極に厚いエンドプレート（ｅｎｄ  ｐｌａｔｅ）を置いてボルトで締結する方式で製作される。
【０００５】
しかし、このようなスタックの構造は、黒鉛バイポーラプレート（ｇｒａｐｈｉｔｅ  ｂｉｐｏｌａｒ  ｐｌａｔｅ）の強度が弱いため、厚さを減らすことに限界があるし、また厚いエンドプレートを使用しなくてはならないという問題がある。また、ボルトで締付けることにより、締付圧力が膜−電極接合体の全体に均一にならず、ガスケットの間で漏洩（Ｌｅａｋａｇｅ）が発生する可能性が高いという問題がある。
【０００６】
さらに、ボルトの締付けの際に、圧力やトルクに応じてスタックの性能が相当左右されるので、大量生産する際に、再現性や反復性が低い恐れの問題もある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、超音波接合により気密性が確保され、小型化を実現することができる燃料電池用ユニットセルと、その製造方法及び燃料電池システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一実施形態によれば、電解質膜及び電解質膜の両面にそれぞれ形成される一対の電極を含む膜−電極接合体（ＭＥＡ）と、膜−電極接合体を介在して互いに接合される、プラスチック材質からなる一対のプレートと、及びプレートと膜−電極接合体との間に介在される集電体とを含む燃料電池用ユニットセルが提供される。
【０００９】
プレートは、ポリカーボネート、アセタール、アクリル、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ；英国ビクトレックス社商標）の中の少なくとも一つを含むことができ、プレートは超音波振動を用いて接合することができる。
【００１０】
膜−電極接合体と集電体との間には、伝導性接着層を介在してもよく、プレートと膜−電極接合体との間には漏洩を防止するガスケットを介在してもよい。
【００１１】
集電体は、軟性絶縁層と、軟性絶縁層の一面に形成される伝導性メッキ層とを含むことができ、この際、伝導性メッキ層は、金（Ａｕ）または銅（Ｃｕ）の中の少なくとも一つを含む材質からなることができる。
【００１２】
一対のプレートの外周縁部には、互いに噛み合うステップドエッジ（ｓｔｅｐｐｅｄ  ｅｄｇｅ）がそれぞれ形成されてもよい。
【００１３】
本発明の別の実施形態によれば、一対のプレートの間に膜−電極接合体（ＭＥＡ）が介在されるように、一対のプレートと膜−電極接合体とをローディングする段階と、プレートが互いに接合されるようにプレートの所定位置に超音波振動を提供する段階とを含む燃料電池用ユニットセルの製造方法が提供される。
【００１４】
プレートは、プラスチック材質からなってもよく、その例として、ポリカーボネート、アセタール、アクリル、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ；英国ビクトレックス社商標）などを挙げることができる。
【００１５】
プレートに超音波振動を提供する前に、プレートと上記膜−電極接合体との間に集電体を介在してもよく、膜−電極接合体と集電体との間には伝導性接着層を形成してもよい。
【００１６】
また、プレートに超音波振動を提供する前に、プレートと膜−電極接合体との間にガスケット（ｇａｓｋｅｔ）を介在してもよい。
【００１７】
一対のプレートの外周縁部には、互いに噛み合うステップドエッジ（ｓｔｅｐｐｅｄ  ｅｄｇｅ）がそれぞれ形成されてもよく、一対のプレートのうち、いずれか一つの所定位置には、プレートから突出された形状の融着線が形成されてもよい。このような融着線は、プレートの外周縁部に沿って形成されてもよい。
【００１８】
本発明のさらに別の実施形態によれば、ユニットセルと、ユニットセルに水素を含んている燃料を供給する燃料供給部と、ユニットセルに空気を供給する空気供給部と、ユニットセルと電気的につながる回路部とを含み、ユニットセルは、電解質膜及び電解質膜の両面にそれぞれ形成される一対の電極を含む膜−電極接合体（ＭＥＡ）と、膜−電極接合体を介在して互いに接合され、プラスチック材質からなる一対のプレートと、プレートと膜−電極接合体との間に介在される集電体とを含むことを特徴とする燃料電池システムが提供される。
【００１９】
ユニットセルは、複数個で形成されてスタックを構成することもできる。
【００２０】
一方、プレートは、ポリカーボネート、アセタール、アクリル、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ；英国ビクトレックス社商標）の中の少なくとも一つを含むことができ、プレートは超音波振動を用いて接合することができる。
【００２１】
膜−電極接合体と集電体との間には、伝導性接着層を介在してもよく、プレートと膜−電極接合体との間は漏洩を防止するためにガスケットを介在してもよい。
【００２２】
一対のプレートの外周縁部には、互いに噛み合うステップドエッジ（ｓｔｅｐｐｅｄ  ｅｄｇｅ）がそれぞれ形成されてもよい。
【００２３】
また、集電体は、軟性絶縁層と、軟性絶縁層の一面に形成される伝導性メッキ層とを含むことができ、このような伝導性メッキ層は、金（Ａｕ）または銅（Ｃｕ）の中の少なくとも一つを含む材質からなることができる。
【００２４】
上述した以外の別の実施形態、特徴、利点などが以下の図面、特許請求の範囲及び発明の詳細な説明によりさらに明確になるだろう。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の好ましい実施形態によれば、超音波接合を用いることにより、均一な圧力分布による気密性が保障されて、燃料の漏れるリーク（Ｌｅａｋａｇｅ）の発生を抑制することができ、小型化及び薄型化を得ることもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明による燃料電池用ユニットセルと、その製造方法及び燃料電池システムの好ましい実施形態を添付図面を参照して詳しく説明するが、添付図面を参照して説明することにおいて、同一であるか対応する構成要素は同一な図面番号を付与し、これに対する重複する説明は省略する。
【００２７】
図１は、本発明の一実施形態によるユニットセルを示す分解斜視図であり、図２は、本発明の一実施形態によるユニットセルを接合する前の部分断面斜視図であり、図３は、図２のユニットセルを接合した後の部分断面斜視図である。図１ないし図３を参照すると、膜−電極接合体１１０、電解質膜１１２、カソード電極１１４、アノードプレート１２０、燃料チャンネル１２２、カソードプレート１３０、空気チャンネル１３２、集電体１４１と１４２、ホール１４１ｃと１４２ｃ、ガスケット１５１と１５２が示されている。
【００２８】
膜−電極接合体１１０（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ；ＭＥＡ）は、電解質膜１１２と、電解質膜１１２の両面にそれぞれ形成されるカソード電極１１４及びアノード電極（図示せず）とを含むことができる。このような膜−電極接合体１１０は、燃料を触媒と反応させて実質的に電気を発生させる機能をする。
【００２９】
直接メタノール燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ；ＤＭＦＣ）である場合を例に挙げて各電極から起きる化学反応を説明すると次のようである。
【００３０】
［反応式１］アノード電極：ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−
［反応式２］カソード電極１１４：（３／２）Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏ
［反応式３］全体反応：ＣＨ３ＯＨ＋（３／２）Ｏ２→２Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２
以上の反応を通して電気を発生させることができ、カソード電極１１４では水が発生される。前に説明したように、以上の化学反応は、直接メタノール燃料電池の場合に起きる反応であり、燃料電池の類型に応じて各電極から発生する化学反応は多様である。
【００３１】
このような膜−電極接合体１１０は、一対の分離板、すなわち、プレート１２０及び１３０によりカバーされることができる。本実施形態ではカソード電極１１４側をカバーする分離板をカソードプレート１３０と称し、アノード電極側をカバーする分離板はアノードプレート１２０と称する。
【００３２】
このようなアノードプレート１２０は、ポリカーボネート、アセタール、アクリル、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ；英国ビクトレックス社商標）のようなプラスチック材質からなることができる。アノードプレート１２０をプラスチック材質で形成することにより、小型化及び軽量化を実現することができる。これで、本実施形態によるユニットセルの積層構造であるスタックの単位体積当たり、あるいは、単位重量当たりに多くの出力を出すことができ、燃料電池システムの全体のエネルギ密度（Ｗｈ／Ｌ、あるいは、Ｗｈ／ｋｇ）を高めることもできる。
【００３３】
一方、アノードプレート１２０には燃料チャンネル１２２が形成されて、膜−電極接合体１１０のアノード電極（図示せず）に燃料を供給することができる。
【００３４】
アノードプレート１２０をプラスチック材質で形成する場合、電極から発生する電荷を集電する集電体１４１を含むことができる。集電体１４１は、アノード電極から発生する電荷が回路部を経てカソード電極１１４に移動できるようにする手段である。
【００３５】
一方、アノードプレート１２０からアノード電極に燃料が供給されるように、集電体１４１にはアノードプレート１２０に形成された燃料チャンネル１２２に相応するホール１４１ｃが形成されることができる。
【００３６】
このような集電体１４１は、軟性（フレキシブル）絶縁層１４１ａと、軟性（フレキシブル）絶縁層１４１ａの一面に形成される伝導性メッキ層（図示せず）とを含むことができる。ポリイミド（ＰＩ）のような軟性（フレキシブル）絶縁層１４１ａを用いることにより本実施例によるユニットセルの薄型化及び回路部（図示せず）との連結を効果的に実現することができる。
【００３７】
軟性（フレキシブル）絶縁層１４１ａの一面に形成される伝導性メッキ層（図示せず）は、電気伝導性に優れた金または銅を主な材料として構成されることができる。このような集電体１４１を通して、アノード電極から発生する電荷が回路部を経てカソード電極１１４に移動することができる。
【００３８】
一方、膜−電極接合体１１０のアノード電極と集電体１４１との間には伝導性接着層（図示せず）が介在されてもよい。このような伝導性接着層（図示せず）をアノード電極と集電体１４１との間に介在することで、これらの間の接触抵抗を減らすことができる。
【００３９】
その他にも、上述した構造の集電体１４１の代りに、一面には伝導性接着層（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  ａｄｈｅｓｉｖｅ、図示せず）を備え、他面には伝導性金属膜または箔（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  ｍｅｔａｌ  ｆｏｉｌ）を備える伝導性接着金属膜または箔（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  ａｄｈｅｓｉｖｅ  ｍｅｔａｌ  ｆｏｉｌ）を用いてもよい。
【００４０】
一方、アノードプレート１２０と膜−電極接合体１１０との間には、燃料の漏洩を防止するガスケット１５２（ｇａｓｋｅｔ）が介在されてもよい。図１及び図２に示すように、電極が電解質膜１１２の面から突出された形状を有する場合、電極と電解質膜１１２から段差が形成されることもあり、このような段差により、膜−電極接合体１１０とアノードプレート１２０とが緊密に接続されない恐れがあるからである。よって、ガスケット１５２には、電極の形状に相応する凹部または開口部が形成されることが好ましい。図１及び図２には、電極の形状に相応する開口部が形成されたガスケット１５２が示されている。
【００４１】
カソードプレート１３０は、膜−電極接合体１１０のカソード電極１１４側をカバーする分離板であって、上述したアノードプレート１２０のようにプラスチック材質からなることができる。カソードプレート１３０には、空気チャンネル１３２が形成され、膜−電極接合体１１０のカソード電極１１４に空気を供給することができる。
【００４２】
カソードプレート１３０をプラスチック材質で形成する場合、別途の集電体１４２を備えることができることは上述したアノードプレート１２０の場合と同様である。集電体１４２は、アノード電極から発生する電荷が回路部（図示せず）を経てカソード電極１１４に移動できるようにする手段であって、軟性絶縁層１４２ａと、軟性絶縁層１４２ａの一面に形成される伝導性メッキ層１４２ｂとを含むことができ、ホール１４２ｃが形成されることができる。
【００４３】
このような集電体１４２に対する説明は、上述した内容と同様であるので、これに対する具体的な説明は略する。
【００４４】
さらに、膜−電極接合体１１０のカソード電極１１４と集電体１４２との間にも摩擦抵抗を減少させるために伝導性接着層（図示せず）を介在してもよい。
【００４５】
また、カソードプレート１３０と膜−電極接合体１１０との間に燃料の漏洩を防止するガスケット（ｇａｓｋｅｔ）１５１を介在してもよい。これに対する具体的な説明は、アノード電極及びアノードプレート１２０の場合と同様であるので省略する。
【００４６】
一方、カソードプレート１３０とアノードプレート１２０とは、互いに超音波振動を用いて接合することができる。超音波振動を用いた接合が効果的に行われるように、カソードプレート１３０またはアノードプレート１２０には鋭いチップを有する突出された形状の融着線１３６が形成されてもよい（図２参照）。、前記融着線１３６は、例えば前記プレートの周縁に沿うリング状のパターン形状とされているとよい。また、図３においては、前記融着線１３６が溶けて融着した状態が、部分拡大して示された融着線１３６’として表現されている。
【００４７】
図６は、超音波接合工程を示す斜視図であって、超音波接合装置１６０ａ及び１６０ｂを用いて二つの板１６１及び１６２に超音波振動を提供することを示す。
【００４８】
図６に示すように、カソードプレート１３０とアノードプレート１２０とを突き合わせておいて、超音波接合装置１６０ａ及び１６０ｂを用いて、融着線１３６の形成された位置の上下から超音波振動を加えながら圧力を提供すると、融着線１３６と融着線に接している面が溶けて互いに接合することになる。このような接合により気密性が保障されるし、カソードプレート１３０とアノードプレート１２０との間の接合強度も保障されることができる。
【００４９】
図７は、接合面の接合の前と後を示す写真であって、図７を参照すると、超音波振動により融着線１３６とその隣接部分が溶けて、一対のプレートが互いに接合された様子を確認することができる。
【００５０】
カソードプレート１３０とアノードプレート１２０との間のより気密性のある接合のために、融着線１３６はカソードプレート１３０またはアノードプレート１２０の外周縁部に沿って形成されることができる。外周縁部に沿って形成された融着線の部分に超音波振動を加えることにより、カソードプレート１３０とアノードプレート１２０の全体に気密性のある接合を達成することができる。具体的に説明すると、図７に向かって左側及び右側の写真は、図２（並びに図３）の左側及び右側の融着線１３６を含む近傍の断面にそれぞれ相当する部分を示している。そして、上段の写真は接合前の状態を示し、下段の写真は接合後の状態を示し気密融着されていることが分かる。なお、中段の写真は接合中途段階の状態を示している。
【００５１】
また、図４及び図５に示すように、カソードプレート１３０とアノードプレート１２０の外周縁部には、それぞれステップドエッジ１２４及び１３４が形成されており、互いに噛み合う構造となっている。このようなステップドエッジ１２４及び１３４によりカソードプレート１３０とアノードプレート１２０とを接合することにおいて、整列を容易にすることができ、接合の信頼度もさらに向上させることができる。
【００５２】
ステップドエッジは、図４に示したように一回形成されてもよく、図５に示したように二回形成されてもよい。具体的に説明すると、各プレート１２０と１３０の重ね合わせ状態において、その右方には膜−電極接合体や集電体などの部材を収納する容器空間を有しており、図４のステップドエッジ構造は、アノードプレート１２０の外周縁に沿って上方へ立ち上がる下枠部分が形成されており、カソードプレート１３０の外周縁近傍に沿って下方に向かう上枠部分が形成されている。そして、カソードプレート１３０の前記上枠部分の頂面に融着線１３６が設けられていて、アノードプレート１２０の前記下枠の内側壁とカソードプレート１３０の前記上枠の外側壁とが摺り合わされるようにして噛み合わされる関係となっている。また、図５のステップドエッジ構造の場合は、アノードプレート１２０’の外周縁に沿って上方へ立ち上がる下枠部分の表面（上面）に凹部が設けられ、その凹部内に２つのステップドエッジ１２４’が形成されている。これに対してカソードプレート１３０’の外周縁近傍に沿って下方に向かう上枠部分の表面（下面）に前記凹部に対応する凸部が設けられ、その凸部の根元に２つのステップドエッジ１３４’が形成されている。そして、カソードプレート１３０’の前記凸部の頂面に融着線１３６が設けられていて、カソードプレート１３０’の前記凸部の外側壁及び内側壁がアノードプレート１２０の前記凹部両内側壁にそれぞれ摺り合わされるようにして噛み合わされる関係となっている。なお、このような構造は、設計上の必要により多様に変更することができる。
【００５３】
以上で、本発明の一実施形態による燃料電池用ユニットセルの構造に対して説明した。以下では、図８及び図９を参照して本発明の別の実施形態による燃料電池用ユニットセルの製造方法に対して説明するが、説明の便宜のために図１ないし図７もともに参照する。
【００５４】
図８は、本発明の別の実施形態によるユニットセルの製造方法を示すフローチャート図であり、図９は、本発明の別の実施形態によるユニットセルの製造方法を示すフローダイヤグラム図である。図９を参照すると、膜−電極接合体１１０、電解質膜１１２、カソード電極１１４、アノードプレート１２０、燃料チャンネル１２２、カソードプレート１３０、空気チャンネル１３２、集電体１４１及び１４２、ホール１４１ｃと１４２ｃ、ガスケット１５１及び１５２が示されている。
【００５５】
先ず、段階Ｓ１０で、一対のプレートの間に膜−電極接合体（ＭＥＡ）が介在されるように、一対のプレートと膜−電極接合体とをローディングする。
【００５６】
膜−電極接合体１１０は、電解質膜１１２と、電解質膜１１２の両面にそれぞれ形成されるカソード電極１１４及びアノード電極（図示せず）とを含むことができ、燃料を触媒と反応させて実質的に電気を発生させる機能をする。
【００５７】
一対のプレート１２０と１３０は、膜−電極接合体１１０をカバーするものであって、前に説明したように、カソード電極１１４側をカバーする分離板をカソードプレート１３０と称し、アノード電極（図示せず）側をカバーする分離板はアノードプレート１２０と称する。このようなプレートに燃料及び空気を供給するための燃料チャンネル１２２と空気チャンネル１３２が形成できることは、前に説明した通りである。このことが図９の（ａ）に示されている。
【００５８】
次に、段階Ｓ２０で、各プレートが互いに接合されるようにプレートの所定位置に超音波振動を提供する。超音波振動を提供しながら所定圧力をともに供給することで、アノードプレート１２０とカソードプレート１３０を互いに接合させることができる。超音波振動によりプレートが互いに接合された様子が図９の（ｂ）に示されている。
【００５９】
超音波振動を用いた接合が効果的に行われるように、カソードプレート１３０またはアノードプレート１２０には、図２に示したように、鋭いチップを有する、突出された形状の融着線１３６が形成されることができる。また、カソードプレート１３０とアノードプレート１２０との間のより気密性のある接合のために、融着線１３６はカソードプレート１３０またはアノードプレート１２０の外周縁部に沿って形成されることができる。このような融着線１３６に対する説明は上述と同様であるので、これに対する具体的な説明は略する。
【００６０】
一方、図４及び図５に示したように、カソードプレート１３０とアノードプレート１２０との外周縁部には、それぞれステップトエッジ１２４及び１３４が形成されて互いに噛み合う構造をなすことができる。このようなステップトエッジ１２４及び１３４により、カソードプレート１３０とアノードプレート１２０とを接合することにおいて、整列を容易にすることができ、接合の信頼度も向上させることができる。
【００６１】
カソードプレート１３０とアノードプレート１２０とは、ポリカーボネート、アセタール、アクリル、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ；英国ビクトレックス社商標）のようなプラスチック材質からなってもよい。プレートをプラスチック材質で形成することにより、小型化及び軽量化を実現することができ、超音波振動を用いた接合をすることにおいて所要されるエネルギを最小化することができる。
【００６２】
このように、プレートをプラスチック材質で形成する場合、膜−電極接合体１１０の電極から発生する電荷を集電する集電体１４１及び１４２を備えるように、プレートに超音波振動を提供する前に、プレートと膜−電極接合体１１０との間に集電体１４１及び１４２を介在することができる。集電体１４１及び１４２は、アノード電極（図示せず）から発生する電荷が回路部を経てカソード電極１１４に移動できるようにする機能をすることができる。このような集電体１４１及び１４２に対する説明は上述した内容と同様であるので、これに対する具体的な説明は略する。
【００６３】
また、プレートを接合する前に、膜−電極接合体１１０と、集電体１４１及び１４２との間に伝導性接着層（図示せず）を介在してもよい。このような伝導性接着層（図示せず）をアノード電極（図示せず）と、集電体１４１及び１４２との間に介在することにより、これらの間の接触抵抗を減らすことができる。
【００６４】
また、燃料の漏洩を防止するために、プレートに超音波振動を提供する前に、プレートと膜−電極接合体１１０との間にガスケット（ｇａｓｋｅｔ）１５１及び１５２を介在してもよい。図１及び図２に示したように、電極が電解質膜１１２の面から突出された形状を有する場合、電極と電解質膜１１２から段差が発生し得るし、このような段差により膜−電極接合体１１０とアノードプレート１２０とが緊密に接続されない恐れがあるからである。
【００６５】
以上で説明した燃料電池用ユニットセルを用いて、これを備える燃料電池システムを提供することができる。図１０は、本発明のさらに別の実施形態による燃料電池を示す概略図である。図１０を参照すると、ユニットセル２１０、燃料供給部２２０、空気供給部２３０、回路部２４０が示されている。
【００６６】
電気を発生させるために、一つのユニットセル２１０のみを用いてもよいが、効率を高めるためにユニットセル２１０を反復的に積層した構造であるスタック（図示せず）を用いてもよい。
【００６７】
燃料供給部２２０はスタック、すなわち、ユニットセルに燃料を供給し、空気供給部２３０はスタックに空気を供給する機能をする。回路部２４０はスタックの集電体と電気的につながって、スタックから発生する電荷が移動するチャンネルとしての機能をすることができる。
【００６８】
本実施例による燃料電池システムに用いられるユニットセルの構造及びその製造方法は、上述した内容と同様であるので、これに対する具体的な説明は略する。
【００６９】
上述した実施例の以外の多い実施例が本発明の特許請求の範囲内に存在する。なお、軟性絶縁層という用語を用いたが、軟性絶縁層はフレキシブル絶縁層ということもできる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の一実施形態によるユニットセルを示す分解斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態によるユニットセルが接合される前の断面図である。
【図３】図２のユニットセルが接合された後の断面図である。
【図４】ユニットセルの接合面を示す断面図である。
【図５】ユニットセルの接合面を示す断面図である。
【図６】超音波接合工程を示す斜視図である。
【図７】接合面の接合の前後の写真である。
【図８】本発明の別の実施形態によるユニットセル製造方法を示すフローチャートである。
【図９】本発明の別の実施形態によるユニットセル製造方法を示すフローダイアグラムである。
【図１０】本発明のさらに別の実施形態による燃料電池を示す概略図である。
【符号の説明】
【００７１】
１１０  膜−電極接合体
１１２  膜（ｍｅｍｂｒａｎｅ）
１１４  カソード（ｃａｔｈｏｄｅ）電極
１２０  アノード（ａｎｏｄｅ）プレート
１３０  カソード（ｃａｔｈｏｄｅ）プレート
１４１、１４２  集電体
【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８】
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【図９】
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【図１０】
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【図７】
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