(57)【要約】【課題】薄く・軽く、組み立て性の良い固体高分子型燃料電池及びその製造方法を提供する。【解決手段】燃料極と酸化剤極とによって固体高分子電解質膜の挟まれた構造を有する膜・電極接合体と、前記燃料極に接合された燃料極用接合枠と、前記燃料極用接合枠に一体に接合され、前記燃料極を燃料保持部を介して被覆するように設けられた燃料極バッグと、を具備する。前記燃料保持部は、燃料の供給及び排出を行うための燃料流路に連通している。前記燃料極バッグは、前記燃料極用接合枠に一体に接合されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極と酸化剤極とによって固体高分子電解質膜が挟まれた構造を有する膜・電極接合体と、
前記燃料極に一体に接合された燃料極用接合枠と、
前記燃料極を、燃料保持部を介して被覆するように設けられた燃料極バッグと、
を具備し、
前記燃料保持部は、燃料の供給及び排出を行うための燃料流路に連通し、
前記燃料極バッグは、前記燃料極用接合枠に一体に接合されている
固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載された固体高分子型燃料電池であって、
前記燃料極用接合枠は、枠状である
固体高分子型燃料電池。
【請求項３】
請求項１又は２に記載された固体高分子型燃料電池であって、
前記燃料極バッグは、熱溶着性の樹脂を含んでいる
固体高分子型燃料電池。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載された固体高分子型燃料電池であって、
前記燃料極バッグは、柔軟性を有している
固体高分子型燃料電池。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載された固体高分子型燃料電池であって、
前記燃料極バッグは、金属シートを含んでいる
固体高分子型燃料電池。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載された固体高分子型燃料電池であって、
前記燃料極用接合枠は、熱溶着性の樹脂を含んでいる
固体高分子型燃料電池。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載された固体高分子型燃料電池であって、
前記燃料流路を形成する部材が、前記燃料極バッグと前記燃料極用接合枠との間に挟まれており、
前記燃料流路を形成する部材の開放端が、前記燃料保持部内に配置されている
固体高分子型燃料電池。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載された固体高分子型燃料電池であって、
更に、
前記酸化剤極に接合された酸化剤極用接合枠と、
前記酸化剤極用接合枠に接合され、前記酸化剤極を酸化剤保持部を介して被覆するように設けられた酸化剤極バッグと、
を具備し、
前記酸化剤保持部は、酸化剤の供給及び排出を行うための酸化剤流路に連通している
固体高分子型燃料電池。
【請求項９】
請求項８に記載された固体高分子型燃料電池であって、
前記酸化剤極用接合枠は、枠状である
固体高分子型燃料電池。
【請求項１０】
請求項８又は９に記載された固体高分子型燃料電池であって、
前記酸化剤バッグは、熱溶着性の樹脂を含んでいる
固体高分子型燃料電池。
【請求項１１】
請求高８乃至１０のいずれかに記載された固体高分子型燃料電池であって、
前記酸化剤バッグは、柔軟性を有している
固体高分子型燃料電池。
【請求項１２】
請求項８乃至１１のいずれかに記載された固体高分子型燃料電池であって、
前記酸化剤バッグは、金属シートを含んでいる
固体高分子型燃料電池。
【請求項１３】
請求項８乃至１２のいずれかに記載された固体高分子型燃料電池であって、
前記酸化剤極用接合枠は、熱溶着性の樹脂を含んでいる
固体高分子型燃料電池。
【請求項１４】
請求項８乃至１３のいずれかに記載された固体高分子型燃料電池であって、
更に、
前記燃料極の側部を、前記酸化剤保持部に連通させるように設けられたガス排出口
を具備し、
前記膜・電極接合体の側部の少なくとも一部は、前記ガス排出口を挟んで、前記燃料極用接合枠と前記酸化剤極用接合枠とにより覆われている
固体高分子型燃料電池。
【請求項１５】
請求項１３に記載された固体高分子方燃料電池であって、
前記ガス排出口には、気液分離膜が設けられている
固体高分子型燃料電池。
【請求項１６】
燃料極と酸化剤極とによって固体高分子電解質膜の挟まれた構造を有する膜・電極接合体と、
前記酸化剤極に接合された酸化剤極用接合枠と、
前記酸化剤極用接合枠に接合され、前記酸化剤極を酸化剤保持部を介して被覆するように設けられた酸化剤極バッグと、
を具備し、
前記酸化剤保持部は、燃料の供給及び排出を行うための酸化剤流路に連通している
固体高分子型燃料電池。
【請求項１７】
燃料極と酸化剤極とによって固体高分子電解質膜が挟まれた構造を有する膜・電極接合体と、
前記燃料極に一体に接合された燃料極用接合枠と、
前記燃料極を、燃料保持部を介して被覆するように設けられた燃料極バッグと、
を具備し、
前記燃料保持部は、燃料の供給及び排出を行うための燃料流路に連通し、
前記燃料極バッグは、柔軟性を有している
固体高分子型燃料電池。
【請求項１８】
固体高分子電解質膜を燃料極と酸化剤極とによって挟んで、膜・電極接合体を形成する工程と、
前記膜・電極接合体に、燃料極用電極を配置する電極配置工程と、
前記膜・電極接合体に、前記燃料極用電極を一体に接合させる電極接合工程と、
前記電極接合工程の後に、前記燃料極用電極上に、燃料極バッグを、前記燃料極が燃料保持部を介して被覆されるように配置するバッグ配置工程と、
前記燃料極バッグを、前記燃料極用電極に一体に接合させるバッグ接合工程と、
を具備する
固体高分子型燃料電池の製造方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載された固体高分子型燃料電池の製造方法であって、
前記バッグ配置工程において、前記燃料保持部を燃料流路に連通させるための連通用部材を挟むようにして、前記燃料極バッグを前記燃料極用電極上に配置する
固体高分子型燃料電池の製造方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載された固体高分子型燃料電池の製造方法であって、
前記燃料極バッグと前記連通用部材とは、熱溶着性の樹脂を含んでおり、
前記バッグ接合工程において、前記連通用部材を、前記燃料極バッグに一体化させる
固体高分子電解質型燃料電池の製造方法。
【請求項２１】
請求項１９又は２０に記載された固体高分子型燃料電池の製造方法であって、
前記連通用部材の材質は、前記燃料流路を形成する部材と同じである
固体高分子型燃料電池。
【請求項２２】
請求項１８乃至２１のいずれかに記載された固体高分子型燃料電池の製造方法であって、
前記電極配置工程は、前記酸化剤極上に酸化剤用電極を配置する工程を有し、
前記バッグ配置工程は、前記酸化剤極用電極上に、前記酸化剤極を酸化剤保持部を介して被覆するように、酸化剤極バッグを配置する工程を有し、
前記電極接合工程において、前記酸化剤極用電極を前記酸化剤極に接合させ、
前記バッグ接合工程において、前記酸化剤極バッグを前記酸化剤極用電極に接合させる
固体高分子型燃料電池の製造方法。
【請求項２３】
請求項１８乃至２２のいずれかに記載された固体高分子型燃料電池の製造方法であって、
前記電極接合工程において、加熱プレスにより一体に接合させる
固体高分子型燃料電池の製造方法。
【請求項２４】
請求項１８乃至２３のいずれかに記載された固体項分子型燃料電池の製造方法であって、
前記バッグ接合工程において、加熱プレスにより一体に接合させる
固体高分子型燃料電池の製造方法。
【請求項２５】
請求項１８乃至２２のいずれかに記載された固体高分子型燃料電池の製造方法であって、
前記電極接合工程及び前記バッグ接合工程において、接着剤を用いて一体化に接合させる
固体高分子型燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子型の燃料電池とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子を電解質膜として用いた固体高分子型燃料電池が知られている。その固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜を燃料極と酸化剤極とで挟持した構造の膜・電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ  以下、ＭＥＡという。）を有している。その固体高分子型燃料電池では、燃料極に燃料として水素やアルコール等が供給され、酸化剤極に空気又は酸素が供給されることで、燃料電池内で電気化学反応が起こる。この電気化学反応で生じた電力が取り出され、利用される。
【０００３】
燃料極へ燃料を供給するために、ＭＥＡの燃料極側には空間（以下、燃料保持部）が設けられることがある。その燃料保持部が燃料で満たされることで、燃料極へ燃料が供給される。
【０００４】
図５は、従来例の固体高分子型燃料電池の構造を示す斜視図、及び分解斜視図である。図５に示されるように、固体高分子型燃料電池は、ＭＥＡと、ガスケットと、流路形成枠と、底板と、カソード端子と、アノード端子と、を有している。ＭＥＡの両側には、カソード端子とアノード端子が配置されている。アノード端子側には、ガスケットを介して流路形成枠、底板が配置されている。尚、ガスケット、アノード端子、及び流路形成枠は枠状である。流路形成枠は所定の厚みを有しており、流路形成枠の内側は空間となっている。この空間が、燃料保持部である。
【０００５】
固体高分子型燃料電池においては、燃料が流体であるため、燃料保持部から流体の漏洩しない気密な構造が求められる。流体が漏洩しないように、カソード端子から底板までの部材は、ネジ止めなどの機械的締結により密着固定されている。ガスケット７を均一に圧縮させるために、その多数のネジは設定された間隔で設けられる。
【０００６】
燃料保持部は、流路形成枠に設けられた貫通口を介して、外部に連通している。発電に必要な燃料は、外部タンクからポンプなどにより、チューブを介して供給される。燃料保持部には流入口と流出口の複数の貫通口が設けられ、燃料はＭＥＡの燃料極面全体の燃料濃度が設定された濃度範囲になるようにコントロールされながら循環している。
【０００７】
このような構成により、燃料極に水素やアルコールなどの燃料が送り込まれると、燃料は燃料極上に固定された触媒粒子の作用により分解されてプロトン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）に分離する。そのプロトンは、固体高分子電解質膜を通過して酸化剤極上で空気中の酸素と反応し、水を生成する。このとき、電子が外部負荷を通って燃料極から酸化剤極に移動することにより、電力が取り出される。
【０００８】
ところで、このようにネジを用いた固定方式を用いると、部品点数が多いことおよび、各部品の位置決め積層が必要であることから、作業性が悪かった。また、ネジ締めに必要なタップ深さを確保するために、流路形成枠の積層方向厚みを所定の厚さ以上とする必要がある。よって、燃料電池の厚みを薄くするにあたり、限界があった。製造時の作業性が良好になり、積層方向の厚みを薄くすることのできる技術の提供が望まれていた。
【０００９】
上記と関連して、特許文献１、２には、ネジ止め以外の手法により電池を組み立てることが記載されている。即ち、特許文献１、２にはラミネートシートを用いることが記載されている。
【００１０】
また、特許文献３には、燃料極に燃料を供給するための構造についての記載がある。即ち、特許文献３には、水素吸蔵合金によって発電を行う小型燃料電池システムにおいて、水素吸蔵合金を収納するタンクの側面に、水素流路を具備することが記載されている。
【００１１】
また、特許文献４には、アノード触媒層とカソード触媒層の表面夫々に、保護膜が形成された固体高分子電解質燃料電池において、その保護膜の表面を酸素遮断性の高いフィルムシールで全面を覆うことが記載されている。
【００１２】
また、特許文献５には、燃料極と、この燃料極に対向して配置され酸化剤ガス取り入れ口を有する酸化剤極と、その燃料極及びその酸化剤極に挟持された電解質層と、その酸化剤ガス取り入れ口を露出させるとともに、その燃料極及びその酸化剤極を覆う外装材と、その外装材から露出しその酸化剤極と電気的に接続された第１のリード端子と、その外装材から露出し、その燃料極と電気的に接続され且つ発生ガス排出孔が形成された第２の外部リード端子とを有することを特徴とする燃料電池、が開示されている。
【００１３】
【特許文献１】特開２００１−３２５９２６号  公報
【特許文献２】特開２００１−３３８６９５号  公報
【特許文献３】特開２００４−２４１２６０号  公報
【特許文献４】特開２００５−２５９３６０号  公報
【特許文献５】特許第３４９６９３４号  公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の目的は、薄く・軽く、組み立て性の良い固体高分子型燃料電池及びその製造方法を提供することに有る。
本発明の他の目的は、燃料の漏洩が防止された信頼性の高い固体高分子型燃料電池及びその製造方法を提供することに有る。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
その課題を解決するための手段が、下記のように表現される。その表現中に現れる技術的事項には、括弧（）つきで、番号、記号等が添記されている。その番号、記号等は、本発明の実施の複数の形態又は複数の実施例のうちの少なくとも１つの実施の形態又は複数の実施例を構成する技術的事項、特に、その実施の形態又は実施例に対応する図面に表現されている技術的事項に付せられている参照番号、参照記号等に一致している。このような参照番号、参照記号は、請求項記載の技術的事項と実施の形態又は実施例の技術的事項との対応・橋渡しを明確にしている。このような対応・橋渡しは、請求項記載の技術的事項が実施の形態又は実施例の技術的事項に限定されて解釈されることを意味しない。
【００１６】
本発明にかかる固体高分子型燃料電池（１）は、燃料極（１２）と酸化剤極（１３）とによって固体高分子電解質膜（１１）の挟まれた構造を有する膜・電極接合体（１０）と、燃料極（１２）に接合された燃料極用接合枠（３０−１）と、燃料極（１２）を燃料保持部（６０）を介して被覆するように設けられた燃料極バッグ（４０）と、を具備する。燃料保持部（６０）は、燃料の供給及び排出を行うための燃料流路に連通しており、燃料極用電極（３０−１）に一体に接合されている。
【００１７】
このように、燃料極バッグ（４０）を燃料極用接合枠（３０）に接合させることで燃料保持部（６０）を形成させれば、ネジなどの固定具を必要としない。ネジなどの固定具を必要としないので、部品点数を少なくすることができる。また、構成上の制約（ネジ止めするために必要な厚さ、など）も特に無く、軽薄化させることができる。
【００１８】
上記の固体高分子型燃料電池（１）において、燃料極用接合枠（３０−１）は、枠状であることが好ましい。
【００１９】
また、燃料極バッグ（４０）は、一の観点から、熱溶着性の樹脂を含むことが好ましい。熱溶着性の樹脂を用いれば、加熱して圧力を加えるだけで、燃料極バッグ（４０）を燃料極用接合枠（３０−１）に接合させることができる。
【００２０】
また、燃料極バッグ（４０）は、他の一観点から、金属シートを有していることが好ましい。金属シートは強度が強く、燃料を確実に遮断することができるので、燃料の漏洩することを防止することができる。
【００２１】
また、燃料極バッグ（４０）は、柔軟性を有していることが好ましい。柔軟性を有している事により、燃料保持部に大量の燃料が流れ込んだとしても、燃料極バッグが膨らむので、燃料が流出したり、燃料電池が破損したりする事がない。
【００２２】
また、燃料極用接合枠（３０−１）は、熱溶着性の樹脂を含んでいることが好ましい。
熱溶着性の樹脂を用いれば、加熱して圧力を加えるだけで、燃料極バッグ（４０）を燃料極用接合枠（３０−１）に接合させることができる。
【００２３】
上記の固体高分子型燃料電池（１）は、一の観点において、燃料流路を形成する部材（４１−１、４１−２）が、燃料極バッグ（４０）と燃料極用接合枠（３０−１）との間に挟まれており、その燃料流路を形成する部材（４１−１、４１−２）の開放端が、燃料保持部（６０）内に配置されていることが好ましい。
【００２４】
このような構成に依れば、部材（４１−１、４１−２）を挟んだ状態で、燃料極バッグ（４０）を燃料極用接合枠（３０−１）に接合させるだけでよいので、製造時における作業性を向上させることができる。燃料流路形成用の部材を、燃料保持部の開口形成のための部材として兼用できるので、部品点数を更に削減させることができる。
【００２５】
上記の固体高分子型燃料電池（１）は、更に、酸化剤極（１３）に接合された酸化剤極用接合枠（３０−２）と、酸化剤極用接合枠（３０−２）に接合され、酸化剤極（１３）を酸化剤保持部（７０）を介して被覆するように設けられた酸化剤極バッグ（５０）と、を具備し、酸化剤保持部（７０）は、酸化剤の供給及び排出を行うための酸化剤流路に連通していることが好ましい。
【００２６】
このように、酸化剤極バッグ（５０）を酸化剤極用接合枠（３０−２）に接合させることで酸化剤保持部（７０）を形成させれば、酸化剤極用接合枠（３０−２）を固定させるためのネジなどを必要としない。ネジなどの固定具を必要としないので、部品点数を少なくすることができる。また、構成上の制約（ネジ止めするために必要な厚さ、など）も特に無く、小型化させることができる。
【００２７】
ここで、酸化剤極用接合枠（３０−２）は、枠状であることが好ましい。
【００２８】
また、酸化剤バッグ（５０）は、一観点から、熱溶着性の樹脂を含むことが好ましく、他の一観点からは、金属シートであることが好ましい。
【００２９】
また、酸化剤バッグ（５０）は、柔軟性を有していることが好ましい。
【００３０】
また、酸化剤極用接合枠は、熱溶着性の樹脂を含んでいることが好ましい。
【００３１】
本発明にかかる固体高分子型燃料電池（１）の他の１形態は、燃料極（１２）と酸化剤極（１３）とによって固体高分子電解質膜（１１）の挟まれた構造を有する膜・電極接合体（１０）と、酸化剤極（１３）に接合された酸化剤極用接合枠（３０−２）と、酸化剤極用接合枠（３０−２）に接合され、酸化剤極（１３）を酸化剤保持部（７０）を介して被覆するように設けられた酸化剤極バッグ（５０）と、を具備する。酸化剤保持部（７０）は、燃料の供給及び排出を行うための酸化剤流路に連通している。
【００３２】
本発明にかかる固体高分子型燃料電池の製造方法は、固体高分子電解質膜（１１）を燃料極（１２）と酸化剤極（１３）とによって挟んで、膜・電極接合体（１０）を形成する工程（ステップＳ１０）と、膜・電極接合体（１０）に、燃料極用電極（３０−１）を配置する電極配置工程（ステップＳ２０）と、膜・電極接合体（１０）に、燃料極用電極（３０−１）を一体に接合させる電極接合工程（ステップＳ３０）と、その電極接合工程（Ｓ３０）の後に、燃料極用電極（３０−１）上に、燃料極バッグ（４０）を、燃料極（１２）が燃料保持部（６０）を介して被覆されるように配置するバッグ配置工程（ステップＳ４０）と、燃料極バッグ（４０）を、燃料極用電極（３０−１）に一体に接合させるバッグ接合工程（ステップＳＳ５０）と、を具備する。
【００３３】
このように、一体化させることにより、燃料極バッグ（４０）と燃料極用接合枠（３０−１）との間の隙間を、確実になくすことができる。隙間を確実になくすことで、燃料保持部（６０）内の燃料が、隙間から漏洩することが防止される。また、各部材を配置して、これを一体化させるだけでよく、多数のネジ止めなどの工程は必要ない。即ち、組み立て性が良好である。
【００３４】
ここで、バッグ配置工程（Ｓ４０）において、燃料保持部（６０）を燃料流路に連通させるための連通用部材（４１）を挟むようにして、燃料極バッグ（４０）を燃料極用電極（３０−１）上に配置することが好ましい。
【００３５】
また、燃料極バッグ（４０）と連通用部材（４１）とは、熱溶着性の樹脂を含んでおり、バッグ接合工程（Ｓ５０）において、連通用部材（４１）を、燃料極バッグ（４０）に一体化させることが好ましい。
【００３６】
また、連通用部材（４１）は、燃料流路を形成する部材と同じであることが好ましい。
【００３７】
上記の固体高分子型燃料電池の製造方法において、電極配置工程（Ｓ２０）は、酸化剤極（１３）上に酸化剤用電極（３０−２）を配置する工程を有し、
バッグ配置工程（Ｓ４０）は、酸化剤極用電極（３０−２）上に、酸化剤極（１３）を酸化剤保持部（７０）を介して被覆するように、酸化剤極バッグ（５０）を配置する工程を有し、
電極接合工程（Ｓ３０）において、酸化剤極用電極（３０−２）を酸化剤極（１３）に接合させ、
バッグ接合工程（Ｓ５０）において、酸化剤極バッグ（５０）が酸化剤極用電極（３０−２）に接合させることが好ましい。
【００３８】
上記の固体高分子型燃料電池の製造方法は、一観点から、電極接合工程（Ｓ３０）において、加熱プレスにより一体に接合させることが好ましい。また、バッグ接合工程（Ｓ５０）においても、加熱プレスにより一体に接合させることが好ましい。また、他の一観点からは、電極接合工程（Ｓ３０）及びバッグ接合工程（Ｓ５０）において、接着剤を用いて一体に接合させることが好ましい。
【発明の効果】
【００３９】
本発明に依れば、薄く・軽く、組み立て性の良い固体高分子型燃料電池及びその製造方法が提供される。
本発明に依れば、更に、燃料の漏洩が防止された信頼性の高い固体高分子型燃料電池及びその製造方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
（第１の実施形態）
本発明にかかる第１の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００４１】
図３（ａ）は、本実施形態に係る固体高分子型燃料電池システム１００の構成を示す概略平面図であり、図３（ｂ）はその概略側面図である。固体高分子型燃料電池システム１００は、固体高分子型燃料電池１と、ファン１１０と、ポンプ１２０と、輸液チューブ１３０と、燃料調整部１４０と、を有している。固体高分子型燃料電池１には、酸化剤供給のための開口（酸化剤極貫通口５０−１、５０−２）と、燃料の供給排出のための開口（燃料極貫通口４０−１、４０−２）とが、２箇所づつ設けられている。尚、燃料としては、例えばメタノール水溶液が用いられる。酸化剤としては、例えば空気が用いられる。
【００４２】
ファン１１０は、酸化剤極貫通口５１−１を介して固体高分子型燃料電池１に接続されており、例えば空気などの酸化剤ガスを固体高分子型燃料電池１に供給する。固体高分子型燃料電池１で消費されなかった酸化剤ガスは、酸化剤極貫通口５１−２を介して外部へ排出される。
【００４３】
ポンプ１２０は、燃料の取り入れ口と排出口を有している。ポンプ１２０は、燃料の排出口側で、チューブを介して固体高分子型燃料電池１の燃料極貫通口４０−１に接続されている。また、取り入れ口側で、輸液チューブ１３０を介して燃料調整部１４０に接続されている。即ち、燃料調整部１４０から燃料を取り入れ、固体高分子型燃料電池１に送出するようになっている。燃料調整部１４０は、燃料の濃度を調整するシステムである。燃料調整部１４０は、固体高分子型燃料電池１の燃料極貫通口４０−２に接続されている。
【００４４】
このように、固体高分子型燃料電池１、燃料調整部１４０、及びポンプ１２０が直列に接続されていることにより、固体高分子型燃料電池１の燃料極貫通口４０−２から排出された燃料が、燃料調整部１４０、ポンプ１２０、燃料極貫通口４０−１を介して循環するようになっている。
【００４５】
図１、図２を参照して、固体高分子型燃料電池１の構成を説明する。図１は、固体高分子型燃料電池１の分解斜視図である。図２は、（ａ）固体高分子型燃料電池１の全体断面図と、（ｂ）固体高分子電解質膜の構成を示す部分断面図、である。
【００４６】
図１に示されるように、固体高分子型燃料電池１は、膜・電極接合体（以下、ＭＥＡ１０と記載する）と、接合枠３０と、燃料極バッグ４０と、酸化剤極バッグ５０とを有している。ＭＥＡ１０はシート状であり、接合枠３０は枠状である。ＭＥＡ１０の周縁部分は、両面側から、接合枠３０によって挟まれている。尚、ＭＥＡ１０の一方の面上には燃料制限膜（図１には図示されていない）が配置されており、接合枠３０はこの燃料制限膜を介してＭＥＡ１０の周縁部分を挟んでいる。
【００４７】
燃料極バッグ４０及び酸化剤極バッグ５０は、袋状体である。燃料極バッグ４０は、ＭＥＡ１０の片面側に配置され、酸化剤極バッグ５０はＭＥＡ１０の他の片面側に配置される。燃料極バッグ４０及び酸化剤極バッグ５０は、バッグの開口縁が接合枠３０に対応するように配置されている。
【００４８】
このような構成において、接合枠３０とＭＥＡ１０は、接触部分で一体に形成されている。同様に、接合枠３０と燃料極バッグ４０も、接触部分で一体に形成されている。さらに、接合枠３０と酸化剤極バッグ５０も、接触部分で一体に形成されている。
【００４９】
図２（ａ）、（ｂ）を参照して、より固体高分子型燃料電池１の詳細な構造を説明する。
【００５０】
ＭＥＡ１０は、固体高分子電解質膜１１と、燃料極１２と、酸化剤極１３とを有している。固体高分子電解質膜１１は、燃料極１２と酸化剤極１３とによって挟持されている。
【００５１】
図２（ｂ）に示されるように、燃料極１２は、固体高分子電解質膜１１に設けられたアノード触媒層１２−１と、このアノード触媒層１２−１上に設けられたアノードガス拡散電極１２−２と、を有している。また、酸化剤極１３も、固体高分子電解質膜１１上に設けられたカソード触媒層１３−１と、このカソード触媒層１３−１上に設けられたカソードガス拡散電極１３−２とを有している。また、アノードガス拡散電極１２−２上には、燃料制限膜２０が密着して設けられている。
【００５２】
尚、燃料極用接合枠３０−１は、アノードガス拡散電極１２−２の接合枠浸透部３１にて、ＭＥＡ１０と一体に接合している。この接合枠浸透部３１は、燃料極用接合枠３０−１の熱溶着性の樹脂成分がアノードガス拡散電極１２−２に浸透した箇所である。同様に、酸化剤極用接合枠３０−２も、カソードガス拡散電極１３−２の接合枠浸透部３２にて、ＭＥＡと一体に接合している。
【００５３】
固体高分子電解質膜１１としては、燃料に対する耐食性を有すると共に、水素イオン（プロトン）の伝導性が高く、かつ、電子伝導性をもたない高分子膜が好ましい。このような高分子膜として、スルホン基、リン酸基、ホスホン基、ホスフィン基等の強酸基や、カルボキシル基等の弱酸基等の極性基を有するイオン交換樹脂がより好ましい。具体例としては、パーフルオロスルホン酸系樹脂、スルホン化ポリエーテルスルホン酸系樹脂、スルホン化ポリイミド系樹脂等が挙げられる。より具体的には、例えば、スルホン化ポリ（４−フェノキシベンゾイル−１，４−フェニレン）、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリイミド、アルキルスルホン化ポリベンゾイミダゾール等の芳香族系高分子を含むものを挙げることができる。
【００５４】
固体高分子電解質膜１１の膜厚は、その材質や燃料電池の用途等に応じて、１０〜３００μｍ程度の範囲内で適宜選定可能である。
【００５５】
アノードガス拡散電極１２−２及びカソードガス拡散電極１３−２としては、燃料分子（メタノール分子）及び酸素分子が透過可能な連続気泡（空隙）を有する導電性素材を用いる事ができる。このようなものとして、カーボンペーパー、カーボンの成形体、カーボンの焼結体、焼結金属、発泡金属等、導電性を有する多孔質体、金属のパンチング板、及び金属細線を有する不織シート、などが例示される。その発泡金属としては、ＳＵＳ３１６の発泡金属マットが例示される。また、１００μｍ〜３００μｍの厚みであり、気孔率が４０％〜９０％のものが好適に用いられる。
【００５６】
燃料制限膜２０は、燃料として例えばメタノール等の液体燃料を用いた場合に、気化成分のみを選択的に燃料極へ供給させるためのものである。燃料制限膜２０としては、多孔質膜等を用いる事ができる。
【００５７】
図２（ａ）に戻り、説明を続ける。接合枠３０は、燃料極用接合枠３０−１と、酸化剤極用接合枠３０−１と、燃料極用接合枠３０−１及び酸化剤極用接合枠３０−２とを一体化させている抱合部３０−３と、を有している。燃料極用接合枠３０−１は、ＭＥＡ１０の燃料極１２側に、燃料制限膜２０の端部を挟むようにして配置されている。酸化剤極用接合枠３０−２は、ＭＥＡ１０の酸化剤極１３側に配置されている。燃料極用接合枠３０−１と酸化剤極用接合枠３０−２とは、少なくとも一部でＭＥＡ１０からはみ出している。抱合部３０−３は、このＭＥＡからはみ出した部分で、燃料極用接合枠３０−１と酸化剤極用接合枠３０−２とを一体化させている。
【００５８】
抱合部３０−３の内側（ＭＥＡ１０側）には、空洞が設けられており、ガス排出口１４となっている。ガス排出口１４は、燃料極１２の側部と後述する酸化剤保持部７０とを接続するように設けられている。また、ガス排出口１４の途中には、気液分離膜１４が配置されている。尚、ガス排出口１５は、接合枠３０の全周に沿って設けられている必要はなく、少なくとも一部に設けられていればよい。気液分離膜１４は、燃料制限膜２０と同じく、燃料の気体成分のみを選択的に透過させることのできるものであればよい。気液分離膜１４としては、例えば多孔質膜が用いられる。
【００５９】
このように、ガス排出口１５を設けておく事で、燃料電池の発電時に燃料極１２で発生する二酸化炭素を、燃料極１２の側部から酸化剤保持部７０へ排出させる事ができる。これにより、燃料極１２側の内圧が上昇して、燃料の供給が阻害される事が防止される。また、気液分離膜１４を設けておく事によって、燃料の液体成分が酸化剤保持部７０側へ流入することを防止できる。すなわち、気体成分のみを選択的に酸化剤保持部７０へ排出することができる。
【００６０】
燃料極用接合枠３０−１とアノードガス拡散電極１２−２との接合部分では、接合枠３０−１を構成する成分がアノードガス拡散電極１２−２の空隙部分に浸透しており、接合枠浸透部３１を形成している。このようにして、燃料極用接合枠３０−１は、アノードガス拡散電極１２−２に一体に接合している。
【００６１】
酸化剤極用接合枠３０−２も、燃料極用接合枠３０−１と同様に、カソードガス拡散電極１３−２に一体に接合している。すなわち、酸化剤極用接合枠３０−２の構成成分の一部がカソードガス拡散電極１３−２に浸透して、接合枠浸透部３２を形成している。
【００６２】
接合枠３０の材質としては、熱溶着性の樹脂を含んだものを用いることが好ましい。このような熱溶着性の樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、及びアイオノマーを挙げることができる。また、接合枠３０は、燃料極と酸化剤極とがショートしないように、絶縁性である必要がある。
【００６３】
接合枠３０の一辺では、ＭＥＡ１０が接合枠３０からはみ出している。そして、接合枠３０からはみ出したＭＥＡ１０には、取り出し用電極１６が接続されている。取り出し用電極１６は、燃料極１２側に接続された燃料極用取り出し電極と、酸化剤極１３側に接続された酸化剤極用取り出し電極とを有している。取り出し用電極１６は、アノードガス拡散電極１２−２又はカソードガス拡散電極に接合されている。これにより、ＭＥＡ１０で発生した電力が、取り出し用電極１６を介して外部へ取り出される。なお、取り出し用電極１６としては、例えば、ＳＵＳ３１６などの金属製のものを用いることができる。
【００６４】
燃料極用接合枠３０−１上には、燃料極バッグ４０が配置されている。燃料極バッグ４０は、袋状体であり、開口縁を燃料極用接合枠３０−１の全周に対応させて設けられている。
【００６５】
燃料極バッグ４０とＭＥＡ１０（燃料制限膜２０）とで形成された空間は、燃料保持部６０となっている。燃料極バッグ４０には、２箇所に開口が設けられており、これらが既述した燃料極貫通口４０−１と４０−２とになっている。即ち、燃料は、燃料極貫通口４０−１から燃料保持部６０に導入され、燃料極貫通口４０−２から排出される。
【００６６】
燃料極バッグ４０の材質としては、燃料を保持できる物性を有し、熱溶着や接着の可能な素材が用いられる。また、燃料の沸点以上の耐熱性を有している物を用いる事が好ましい。例えば、燃料としてメタノールを用いる場合には、１００℃以上の耐熱性を有していればよい。燃料保持部や燃料流路における燃料温度は、高くても燃料の沸点近傍までであるので、燃料の沸点以上の温度に耐えられる素材を用いていれば、発電時による発熱で損傷してしまうこともない。
【００６７】
また、燃料極バッグ４０は、例えば点滴パックに用いられる素材のように、柔軟性（可とう性）を有していることが好ましい。具体的には、燃料保持部６０に急激に燃料が流れ込んだ場合に、燃料の流入量に応じて膨らむ程度に十分に柔らかい事が好ましい。燃料の流入量に応じて膨らむ事ができれば、燃料の流入量が急激に増大したとしても燃料が漏れにくくなる。また、燃料の流入量が急激に減少したとしても、容積に応じて縮小するので、気泡などが発生しづらくなる。更に、燃料電池が落下などした際に、割れやひびなどが発生する怖れがないので、耐衝撃性の観点から有利となる。
【００６８】
上述のような性質を持つ燃料極バッグ４０の素材として、熱溶着性の樹脂と、金属シートとを含んだものが好適に用いられる。熱溶着性の樹脂フィルムを含んでいる事によって、後述するように加熱プレスするだけで燃料極バッグ４０を接合枠３０に一体化させる事ができる。また、金属シートを含んでいる事により、揮発性の燃料を用いた場合でも、燃料保持部６０内の燃料が揮発して燃料バッグ４０を透過してしまう事がない。
【００６９】
熱溶着性の樹脂と金属シートとを含んだものとしては、金属シートが熱溶着性の樹脂フィルムによって挟まれた積層フィルムが挙げられる。その熱溶着性の樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、及びアイオノマーを挙げることができる。また、その金属シートとしては、金属箔や、金属の蒸着されたフィルムが挙げられる。これらの熱溶着性樹脂や金属シートは、燃料成分や発電反応の過程で生成する成分に対する対薬品耐性の点からも、好ましい。
【００７０】
酸化剤極バッグ５０も、燃料極バッグ４０と同様に、袋状体である。その開口縁で、酸化剤極用接合枠３０−２に一体に接合されている。酸化剤極バッグ４０とＭＥＡ１０とで形成された空間は、酸化剤保持部７０となっている。
【００７１】
酸化剤極バッグ５０には、２箇所に開口が設けられており、これらが既述した酸化剤極貫通口５０−１と５０−２とになっている。即ち、酸化剤ガスは、酸化剤極貫通口５０−１から酸化剤保持部７０に導入され、酸化剤極貫通口５０−２から排出される。
【００７２】
酸化剤極バッグ５０の材質としては、燃料極バッグ４０と同様に、酸化剤を保持できる物性を有し、熱溶着や接着の可能な素材が用いられる。また、酸化剤極バッグ５０も柔軟性を有していることが好ましい。
【００７３】
尚、図１、２では、燃料極貫通口４０−２と酸化剤極貫通口５０−２とは別々の形状をしているが、貫通口であればその形状などは必要に応じて変更可能である。
【００７４】
以上説明した本実施形態にかかる固体高分子型燃料電池の構成は、燃料極バッグ４０や酸化剤極バッグ５０が、接合枠３０と一体に接合されており、ネジなどの機械的締結を行うための部材は用いられていない。従って、部品点数が少なくなっており、軽薄化されている。また、一体に接合されていることにより、燃料保持部６０内の燃料が、部材間の隙間などを介して漏洩することも防止されている。
【００７５】
また、接合枠３０、燃料極バッグ４０、及び酸化剤極バッグ５０として、熱溶着性の樹脂を用いれば、加熱してプレスするだけで、接合枠３０に対して燃料極バッグ４０や酸化剤極バッグ５０を一体に接合させることができる。
【００７６】
続いて、上述のような構成を有する固体高分子型燃料電池１の動作方法について説明する。
【００７７】
図３において、ポンプ１２０が始動すると、燃料調整部１４０で濃度調整された燃料が、燃料極貫通口４０−１を介して燃料保持部６０に導入される。また。ファン１１０が始動すると酸化剤ガスが酸化剤極貫通口５１−１を介して、酸化剤保持部７０ｂに導入される。
【００７８】
図２（ａ）を参照する。燃料保持部６０に導入された燃料は、燃料制限膜２０を介して、燃料極１２に供給される。一方、酸化剤保持部７０に導入された酸化剤ガスは、直接に酸化剤極１３に供給される。燃料極１２に供給された燃料は、アノード触媒層２ａで分解されてプロトン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）に分離する。生成したプロトンは、固体高分子電解質膜１を通過してカソード触媒層１３−１上で酸化剤ガスと反応し、水を生成する。このとき、電子が外部負荷（図示せず）を通って燃料極１２から酸化剤極１３に移動することにより、電力が取り出される。尚、消費されなかった燃料や酸化剤ガスは、燃料極貫通口４０−２や酸化剤極貫通口５０−２を介して排出される。
【００７９】
続いて、上述の固体高分子型燃料電池１の製造方法について説明する。図６は、固体高分子型燃料電池１の製造方法のフローチャートである。図６に示されるステップＳ２０〜Ｓ５０までの工程によって、固体高分子型燃料電池１が製造される。各工程の動作について、以下に説明する。
【００８０】
ステップＳ１０；ＭＥＡの形成
まず、固体高分子電解質膜１１を燃料極１２と酸化剤極１３とで挟んだＭＥＡ１０を形成する。ＭＥＡ１０は、公知の方法によって形成することができる。
【００８１】
ステップＳ２０；接合枠の配置
続いて、接合枠３０をＭＥＡ１０の両面に配置する。図７Ａ（ａ）は、この時の配置の様子を示す側面図である。ＭＥＡ１０の燃料極側には、燃料制限膜２０と燃料極側接合枠３０−１とが配置される。一方、ＭＥＡ１０の酸化剤極側には、酸化剤極側接合枠３０−２と気液分離膜１４とが配置される。燃料極側接合枠３０−１と酸化剤極側接合枠３０−２には、貫通口が設けられている。この貫通口は、ガス排出口１５形成用のものである。気液分離膜１４は、ＭＥＡ１０と酸化剤極側接合枠３０−２の間において、貫通口に対応する位置に配置される。
【００８２】
ステップＳ３０；接合枠の接合
ステップＳ２０で所定の位置に配置されたＭＥＡ１０と接合枠３０との積層体を、加熱プレスする。図７Ａ（ｂ）は、加熱プレス後の接合枠付きＭＥＡ１０の構造を示す断面図である。加熱プレスにより、接合枠３０の熱溶着樹脂成分が溶融し、多孔質体であるＭＥＡ１０のアノードガス拡散電極１２−２、カソードガス拡散電極１３−２に浸透して、接合枠浸透部３１、３２を形成する。すなわち、接合枠３０がＭＥＡ１０に一体に接合される。また、燃料極側接合枠３０−１と酸化剤極側接合枠３０−２のうち、ＭＥＡ１０からはみ出した部分は、両者が一体化して抱合部３０−３となる。さらに、貫通口の部分は、気液分離膜１４の介在したガス排出口１５を形成する。
【００８３】
尚、固体高分子電解質膜１１と接合枠３０が仮に熱融着しない（融点が違う）場合であっても、複数の位置でＭＥＡ１０の側部を接合枠３０で抱合させるようにすれば、一体化させることができる。
【００８４】
ステップＳ４０；バッグの配置
続いて、燃料極バッグ４０及び酸化剤極バッグ５０を配置する。図７Ｂ（ａ）は、燃料極バッグ４０及び酸化剤極バッグ５０を配置した様子を示す側面図である。燃料極バッグ４０及び酸化剤極バッグ５０は、それらのバッグの開口縁が接合枠３０に一致するように配置される。ここで、燃料極バッグ４０は、その開口縁がガス排出口１５の開口を覆う様に配置される。燃料極バッグ４０及び酸化剤極バッグ５０の夫々には、予め、二箇所に貫通口が形成されている。
【００８５】
ステップＳ５０；バッグの接合
燃料極バッグ４０及び酸化剤極バッグ５０の配置された積層体を、加熱プレスする。図７Ｂ（ｂ）は、バッグの接合された後の様子を示す断面図である。加熱プレスにより、燃料極バッグ４０及び酸化剤極バッグ５０の熱溶着樹脂成分が溶融し、接合枠３０に接合して一体化する。
【００８６】
以上のステップＳ１０〜５０の工程により、ＭＥＡ１０、接合枠３０、燃料極バッグ４０、酸化剤極バッグ５０が一体に接合した固体高分子型燃料電池１が製造される。尚、取り出し用電極１６は、ＭＥＡ１０のうち、接合枠３０からはみ出した部分に接合される。取り出し用電極１６の接合のタイミングは特に限定されず、接合枠３０やバッグ４０がＭＥＡ１０に接合される前後のどちらでもよい。
【００８７】
以上説明してきたように、本実施の形態に依れば、ＭＥＡ１０、接合枠、燃料極バッグ４０、及び酸化剤極バッグ４０を一体に接合させることで、ネジなどの機構部品を用いずに済む。これにより、固体高分子型燃料電池１を軽薄化できる。これは、機構部品に必要な締結部材が不要となることによって、部品点数が削減できるからである。
【００８８】
また、部品点数が少なくできるので、作業工数も削減できる。また、接合にあたり、熱溶着性の樹脂による溶着を用いれば、接合部位を確実に一体化させることができ、燃料や酸化剤ガスなどの漏洩を防止することができる。
【００８９】
尚、本実施形態では、燃料極バッグ４０及び酸化剤極バッグ５０に、予め貫通口が形成されている場合について説明したが、予めバッグに貫通口が形成されていなくても、バッグを接合枠３０に接合させる際に連通用部材を介在させ、燃料極貫通口４０−１、４０−２や酸化剤極貫通口５０−１、５０−２を形成してもよい。図８は、燃料極貫通口４０−１、４０−２を連通用部材によって形成する際の各部材の配置を示す斜視図である。図８に示されるように、円筒状の連通用部材を、燃料極バッグ４０と接合枠３０との間の少なくとも二箇所に配置しておき、この状態で加熱プレスを行えば、燃料極貫通口４０−１、４０−２が形成される。ここで、連通用部材４１の素材としては、加熱プレス時に接合枠３０及び燃料極バッグ４０に一体化するように、熱溶着性の樹脂を含んでいることが好ましい。酸化剤極バッグ５０についても同様である。
【００９０】
また、本実施形態では、各部材を一体に接合させるにあたり、熱溶着を用いた場合について説明したが、一体化できる工法であれば、例えば接着などの他の手法でも構わない。
【００９１】
また、本実施形態では、接合枠の接合（Ｓ３０）とバッグの接合（Ｓ５０）とを別工程で行う場合について説明したが、接合枠とバッグとを同時に配置し、接合枠とバッグとを同一工程で接合させる事で、ＭＥＡ、接合枠、及びバッグを一体化させてもよい。
【００９２】
（第２の実施形態）
続いて、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態では、第１の実施形態と比較して、燃料極貫通口４０−１、４０−２の構成が更に工夫されている。燃料極貫通口４０−１、４０−２以外の点については、第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
【００９３】
図４は、固体高分子型燃料電池１の燃料極１２側の構成を示す分解斜視図である。本実施形態では、ポンプ１２０と燃料保持部７０とを接続する燃料流路が、弾性を有するチューブ４１−１により形成されている。また、燃料保持部７０から燃料調整部１４０までの燃料流路も、チューブ４１−２によって形成されている。チューブ４１−１、４１−２は、燃料極バッグ４０と接合枠３０とによって挟まれている。そして、チューブ４１−１、４１−２の開放端は接合枠３０の内側、即ち燃料保持部７０内、に配置されている。
【００９４】
このような構成とすれば、燃料流路形成用の部材と、貫通口形成用の部材とを別部品にする必要が無いので、部品点数を更に少なくすることができる。
【００９５】
以上、第１と第２の実施形態について説明した。但し、これらの実施形態の工夫は、必要に応じて組み合わせて使用することもできる。また、燃料極１２側で例示した構成の工夫を、酸化剤極１３側の構成に適用することも、当業者にとっては自明的であろう。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】第１の実施形態にかかる固体高分子型燃料電池の分解斜視図である。
【図２】第１の実施形態にかかる固体高分子型燃料電池の断面模式図である。
【図３】本発明にかかる固体高分子型燃料電池システムの模式図である。
【図４】第２の実施形態にかかる固体高分子型燃料電池の分解斜視図である。
【図５】従来の固体高分子型燃料電池の分解斜視図である。
【図６】固体高分子型燃料電池の製造方法を示すフローチャートである。
【図７Ａ】接合枠を配置する際の様子を示す説明図である。
【図７Ｂ】バッグを配置する際の様子を示す説明図である。
【図８】連通用部材の配置を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００９７】
１          固体高分子型燃料電池
１０        ＭＥＡ
１１      固体高分子電解質膜
１２      燃料極
１２−１  アノード触媒層
１２−２  アノードガス拡散電極
１３      酸化剤極
１３−１  カソード触媒層
１３−２  カソードガス拡散電極
１４      気液分離膜
１５      ガス排出口
１６      取出用電極
２０      燃料制限膜
３０      接合枠
３０−１  燃料極用接合枠
３０−２  酸化剤極用接合枠
３０−３  抱合部
３１      接合枠浸透部
３２      接合枠浸透部
４０      燃料極バッグ
４０−１  燃料極貫通口
４０−２  燃料極貫通口
４１      連通用部材
４１−１  チューブ
４１−２  チューブ
５０      酸化剤極バッグ
５０−１  酸化剤極貫通口
５０−２  酸化剤極貫通口
５１      連通用部材
６０      燃料保持部
７０      酸化剤保持部
１００    燃料電池システム
１１０    ファン
１２０    ポンプ
１３０    輸液チューブ
１４０    燃料調整部
【図１】
2008077954.tif 000003
【図２】
2008077954.tif 000004
【図３】
2008077954.tif 000005
【図４】
2008077954.tif 000006
【図５】
2008077954.tif 000007
【図６】
2008077954.tif 000008
【図７Ａ】
2008077954.tif 000009
【図７Ｂ】
2008077954.tif 000010
【図８】
2008077954.tif 000011