(57)【要約】【課題】燃料電池において、安価で接触抵抗が低く、しかも、安定した出力を得ることが可能であり且つ小型化を可能とする。【解決手段】  電解質膜と、電解質膜の一方の面に配置された複数の燃料極と、電解質膜の他方の面に配置され燃料極のそれぞれと対向する複数の空気極と、を有する膜電極接合体２と、  膜電極接合体２における燃料極１３のそれぞれに接触する複数の第１電極部２１と、空気極１６のそれぞれに接触する複数の第２電極部２２と、を有し、第１電極部２１と第２電極部２２が燃料極と空気極との各組を電気的に直列に接続する連結部２８によって連結された集電体２０と、を備えた燃料電池に適用される集電体２０は、第１電極部２１及び第２電極部２２が膜電極接合体２に向かって局所的に突出するようなウエーブ形状を有することを特徴とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に配置された複数の燃料極と、前記電解質膜の他方の面に配置され前記燃料極のそれぞれと対向する複数の空気極と、を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体における前記燃料極のそれぞれに接触する複数の第１電極部と、前記空気極のそれぞれに接触する複数の第２電極部と、を有し、前記第１電極部と前記第２電極部が前記燃料極と前記空気極との各組を電気的に直列に接続する連結部によって連結された集電体と、
を備えた燃料電池であって、
この燃料電池に適用される前記集電体は、前記第１電極部及び前記第２電極部が前記膜電極接合体に向かって局所的に突出するようなウエーブ形状を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記第１電極部及び前記第２電極部は、それぞれ貫通孔を有し、かつ、各貫通孔の周囲に前記膜電極接合体に向かって突出した突起を備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記第１電極部及び前記第２電極部は、基材を金メッキすることによって形成されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
さらに、前記膜電極接合体に対して燃料を供給するとともに前記膜電極接合体との間で前記第１電極部を挟持する燃料供給機構と、
前記膜電極接合体の前記空気極側に配置され前記膜電極接合体との間で前記第２電極部を挟持するカバー部材と、を備え、
前記第１電極部及び前記第２電極部は、前記膜電極接合体に対して実質的に全面で接触するもしくは局所的に接触することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記膜電極接合体に供給される燃料は、メタノール燃料であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記メタノール燃料は、メタノール濃度が８０ｗｔ％以上のメタノール水溶液または純メタノールであることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に係り、特に膜電極接合体の電極に接触して集電する集電体に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子技術の進歩により、電子機器の小型化、高性能化、ポータブル化が進んでおり、携帯用電子機器においては、使用される電池の高エネルギ密度化の要求が強まっている。このため、軽量で小型でありながら高容量の電源が要求されている。
【０００３】
このような状況のもと、小型の燃料電池が注目を集めている。例えば、メタノールを燃料として用いた直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ：Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）は、水素ガスを使用する燃料電池に比べ、水素ガスの取り扱いの困難さや、有機燃料を改質して水素を作り出す装置などが必要なく、小型化が可能であり、さらに燃料の取り扱いも容易である。
【０００４】
ＤＭＦＣでは、燃料極においてメタノールが酸化分解され、二酸化炭素、プロトン及び電子が生成される。一方、空気極では、空気から得られる酸素と、電解質膜を経て燃料極から供給されるプロトン及び燃料極から外部回路を通じて供給される電子によって水が生成される。また、この外部回路を通る電子によって、電力が供給されることになる。
【０００５】
燃料電池から得られる電圧は、通常、微小であるため、ＤＣ／ＤＣコンバーターによって昇圧して使用する場合が多い。その際の昇圧の効率を高めるため、燃料電池は電極を直列に接続して電圧を高める事が一般的に行われている。
【０００６】
燃料電池は、内部抵抗が大きく、大電流を取り出そうとすると電位の低下が生じる。このため、実用化のためには内部抵抗の低減が重要である。内部抵抗は、アノード及びカソードでのそれぞれの反応抵抗や、電解質膜で生じる抵抗が主であるが、電極から電気を取り出すための集電体の抵抗も重要な要素となる。
【０００７】
特に、小型携帯機器用途では、燃料電池の厚さを薄く保つために、電極と集電体とを強い力で密着する機構をもつことができない。このため、集電体は、金箔のような柔軟で接触抵抗が小さい材料で形成し、各電極と平面接触させることにより導通をとっている。金箔は、燃料電池反応で発生する腐食性の雰囲気にも耐える強い耐食性があり好ましい。
【０００８】
しかしながら、単なる平面接触による導通では、接触抵抗が安定せず、たとえば反応に伴うガス発生などにより電極にかかる応力が変化した場合には、著しい接触抵抗の増大を生ずるおそれがある。
【０００９】
このような課題に対して、例えば、特許文献１によれば、電極に対する摩耗を抑制するために、燃料電池の電極と接触する面部分を有し、その面部分と電極との間の接触面圧を上昇させる接触面圧上昇部を備えた集電体が開示されている。
【特許文献１】特開２００５−３５３４１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１に開示されているような構造では、実質的に集電体の厚さが増大してしまう。このため、小型化を追及する携帯機器の電源として好適な構造の燃料電池が要望されている。
【００１１】
この発明の目的は、安価で接触抵抗が低く、しかも、安定した出力を得ることが可能であり、且つ小型化が可能な燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明の態様による燃料電池は、
電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に配置された複数の燃料極と、前記電解質膜の他方の面に配置され前記燃料極のそれぞれと対向する複数の空気極と、を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体における前記燃料極のそれぞれに接触する複数の第１電極部と、前記空気極のそれぞれに接触する複数の第２電極部と、を有し、前記第１電極部と前記第２電極部が前記燃料極と前記空気極との各組を電気的に直列に接続する連結部によって連結された集電体と、
を備えた燃料電池であって、
この燃料電池に適用される前記集電体は、前記第１電極部及び前記第２電極部が前記膜電極接合体に向かって局所的に突出するようなウエーブ形状を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、安価で接触抵抗が低く、しかも、安定した出力を得ることが可能であり、且つ小型化が可能な燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、この発明の一実施の形態に係る燃料電池について図面を参照して説明する。なお、この実施の形態においては、燃料電池１として、内部気化方式のパッシブ型について説明するが、この方式に限定されるものではない。
【００１５】
図１に示すように、燃料電池１は、燃料電池１の起電部を構成する膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）２を備えている。すなわち、燃料電池１において、膜電極接合体２は、アノード触媒層１１とアノードガス拡散層１２とを有するアノード（燃料極）１３と、カソード触媒層１４とカソードガス拡散層１５とを有するカソード（空気極／酸化剤極）１６と、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４とで挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜１７とを備えて構成されている。
【００１６】
アノード触媒層１１やカソード触媒層１４に含有される触媒としては、例えば白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）、パラジウム（Ｐｄ）等の白金族元素の単体、白金族元素を含有する合金等が挙げられる。アノード触媒層１１には、メタノールや一酸化炭素等に対して強い耐性を有するＰｔ−ＲｕやＰｔ−Ｍｏ等を用いることが好ましい。カソード触媒層１４には、ＰｔやＰｔ−Ｎｉ等を用いることが好ましい。ただし、触媒は、これらに限定されるものではなく、触媒活性を有する各種の物質を使用することができる。触媒は、炭素材料のような導電性担持体を使用した担持触媒、あるいは無担持触媒のいずれであってもよい。
【００１７】
電解質膜１７を構成するプロトン伝導性材料としては、例えばスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸重合体のようなフッ素系樹脂（ナフィオン（商品名、デュポン社製）やフレミオン（商品名、旭硝子社製）等）、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂等の有機系材料、あるいはタングステン酸やリンタングステン酸等の無機系材料が挙げられる。ただし、プロトン伝導性の電解質膜１７は、これらに限られるものではない。
【００１８】
アノード触媒層１１に積層されるアノードガス拡散層１２は、アノード触媒層１１に燃料を均一に供給する役割を果たす。カソード触媒層１４に積層されるカソードガス拡散層１５は、カソード触媒層１４に酸化剤を均一に供給する役割を果たす。これらのアノードガス拡散層１２及びカソードガス拡散層１５は、例えば多孔質の炭素素材よりなる薄膜機材によって構成され、具体的にはカーボンペーパーまたは炭素繊維などによって構成されている。
【００１９】
電解質膜１７のアノード側及びカソード側には、それぞれゴム製のＯリングなどのシール材１９が配置されており、これらによって膜電極接合体２からの燃料漏れを防止している。
【００２０】
この実施の形態においては、膜電極接合体２は、同一の電解質膜１７における一方の面１７Ａ上に配置された複数のアノード１３と、電解質膜１７における他方の面１７Ｂ上に配置された複数のカソード１６とを有しており、各アノード１３と各カソード１６とが電解質膜１７を介して対向している。つまり、単一のＭＥＡを構成するアノード１３とカソード１６との各組が同一平面上に複数個配列されている。
【００２１】
図２及び図３に示した例では、膜電極接合体２は、単一の電解質膜１７の一方の面１７Ａ上に配置された４個のアノード１３１〜１３４と、電解質膜１７の他方の面１７Ｂに配置された４個のカソード１６１〜１６４と、を有している。アノード１３１とカソード１６１とがそれぞれ対向するように配置されており、１組のＭＥＡを構成している。同様に、アノード１３２とカソード１６２とがそれぞれ対向するように配置され、アノード１３３とカソード１６３とがそれぞれ対向するように配置され、アノード１３４とカソード１６４とがそれぞれ対向するように配置されており、４組のＭＥＡが同一平面上に配列されている。
【００２２】
燃料電池１は、これらのアノード１３とカソード１６との各組を電気的に直列に接続する集電体２０を備えている。
【００２３】
すなわち、図４に示すように、集電体２０は、膜電極接合体２の外形寸法の概ね２倍の面積を有しており、二つに折り曲げることによって膜電極接合体２を挟持するものである。この集電体２０は、複数の第１電極部２１と、複数の第２電極部２２とを有している。これらの第１電極部２１及び第２電極部２２は、支持体２３における同一面上に配置されている。支持体２３は、フレキシブルな絶縁材料によって形成されている。
【００２４】
第１電極部２１は、アノード１３のそれぞれに対応して設けられたものであり、膜電極接合体２に含まれるアノード１３と同数個備えられている。第２電極部２２は、カソード１６のそれぞれに対応して設けられたものであり、膜電極接合体２に含まれるカソード１６と同数個備えられている。
【００２５】
図４に示した例では、集電体２０は、４個の第１電極部２１１〜２１４、及び、４個の第２電極部２２１〜２２４を有している。第１電極部２１１はアノード１３１に対応し、同様に、第１電極部２１２はアノード１３２に対応し、第１電極部２１３はアノード１３３に対応し、第１電極部２１４はアノード１３４に対応する。第２電極部２２１はカソード１６１に対応し、同様に、第２電極部２２２はカソード１６２に対応し、第２電極部２２３はカソード１６３に対応し、第２電極部２２４はカソード１６４に対応する。
【００２６】
このような集電体２０において、第１電極部２１及び第２電極部２２は、それぞれ対応するアノード１３及びカソード１６の周縁に接触するような枠状に形成されても良いし（図４に示した例）、それぞれ対応するアノード１３及びカソード１６の略中央に直線的に接触するようなＩ字形状に形成されても良い（図５に示した例)。いずれの例においても、アノード１３及びカソード１６は、それぞれの一部が集電体２０から露出し、アノード触媒層１１に燃料を供給するための燃料供給孔、及び、カソード触媒層１４に空気を供給するための空気流通孔を有している。
【００２７】
集電体２０において、互いに最も離れた位置に配置された第１電極部２１１及び第２電極部２２４は、それぞれ集電した電気を取り出す端子２６及び２７を有している。端子を有していない第１電極部２１及び第２電極部２２は、それぞれ連結部２８によって電気的に接続されている。図４に示した例では、第１電極部２１２と第２電極部２２１とが連結部２８１によって接続され、同様に、第１電極部２１３と第２電極部２２２とが連結部２８２によって接続され、第１電極部２１４と第２電極部２２３とが連結部２８３によって接続されている。
【００２８】
上述したような構造の集電体２０において、二つ折りにされた内側空間に膜電極接合体２が収容されている。すなわち、各第１電極部２１は対応するアノード１３と電気的に接続され、また、各第２電極部２２は対応するカソード１６と電気的に接続されるように、二つ折りされた集電体２０により膜電極接合体２が挟み込まれている。
【００２９】
燃料電池１は、さらに、膜電極接合体２に対して燃料Ｆを供給する燃料供給機構３を備えている。この燃料供給機構３は、燃料Ｆを収容する燃料収容部３０を備えている。この燃料収容部３０は、膜電極接合体２のアノード１３側に配置され、膜電極接合体２のアノード１３に対して燃料を供給するものである。膜電極接合体２は、たとえば矩形の平面形状を有し、燃料収容部３０も同一矩形の平面形状を有している。燃料収容部３０は、膜電極接合体２のアノード１３と対向する面に設けられた開口部３０Ａを有している。すなわち、燃料収容部３０は、その上面全面が開口された箱状容器となっている。このような燃料収容部３０の内部には、膜電極接合体２に対応した液体燃料Ｆを収容している。
【００３０】
液体燃料Ｆとしては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。なお、液体燃料Ｆは、必ずしもメタノール燃料に限られるものではない。液体燃料Ｆは、例えばエタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、膜電極接合体２に応じた液体燃料が使用される。
【００３１】
燃料収容部３０は、例えば樹脂製容器によって構成される。燃料収容部３０は、液体燃料Ｆの残量を外部から目視することが可能なように透明樹脂によって形成されることが望ましい。また、このような透明樹脂は、耐メタノール性などを有していることが好ましい。なお、燃料収容部３０は、全体を透明樹脂で形成しても良いし、その一部を透明樹脂で形成しても良い。
【００３２】
上述した透明樹脂としては、例えばポリエチレンナフタレート、ポリエチレンテレフタレート、環状オレフィンコポリマー、シクロオレフィンポリマー、ポリメチルペンテン、ポリフェニルサルホンなどが挙げられる。ただし、一般的なポリエチレン樹脂やポリプロピレン樹脂などのオレフィン系樹脂などで構成した燃料収容部３０を除外するものではない。
【００３３】
燃料収容部３０の開口部３０Ａと膜電極接合体２との間には、図１に示したように、気液分離膜が設置されていてもよい。この気液分離膜は、燃料収容部３０の開口部３０Ａを塞ぐように配置され、液体燃料Ｆの気化成分を透過するとともに液体燃料を透過させない膜によって形成されている。これにより、燃料収容部３０内で気化した液体燃料Ｆの気化成分は、燃料収容部３０の開口部３０Ａ及び気液分離膜を介して膜電極接合体２のアノード１３に供給される。
【００３４】
このような気液分離膜の構成材料としては、例えば、シリコン、ポリテトラフルオロエチレンのようなフッ素系樹脂などが挙げられる。ここで、液体燃料Ｆの気化成分とは、例えば液体燃料Ｆとしてメタノール水溶液を適用した場合には、メタノールの気化成分と水の気化成分とからなる混合気を意味し、液体燃料Ｆとして純メタノールを適用した場合には、メタノールの気化成分を意味する。
【００３５】
膜電極接合体２のカソード１６上には、保湿層が配置されても良い。この保湿層は、カソード触媒層１４で生成された水の一部を含浸して、水の蒸散を抑制すると共に、カソードガス拡散層１５に酸化剤を均一に導入することで、カソード触媒層１４への酸化剤（空気）の均一拡散を促進する機能を有している。この保湿層は、たとえば多孔質構造の部材で構成され、具体的な構成材料としては、ポリエチレンやポリプロピレンの多孔質体などが挙げられる。
【００３６】
また、この実施の形態において、燃料電池１は、さらに、膜電極接合体２のカソード（空気極）１６側に配置されたカバー部材１８を備えている。このカバー部材１８は、外観が略箱状のものであり、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）によって形成されている。また、カバー部材１８は、酸化剤である空気を取入れるための複数の開口（空気導入孔）１８Ａを有している。開口１８Ａは、例えば略等間隔に形成されている。
【００３７】
このようなカバー部材１８は、集電体２０に挟持された膜電極接合体２を覆うようにして燃料収容部３０に固定されている。つまり、膜電極接合体２は、燃料収容部３０とカバー部材１８との間に配置されている。そして、集電体２０の第１電極部２１は、膜電極接合体２のアノード１３と燃料供給機構３との間に挟持されている。また、集電体２０の第２電極部２２は、膜電極接合体２のカソード１６とカバー部材１８との間に挟持されている。
【００３８】
上述したような構成の燃料電池１においては、以下のようなプロセスによって発電する。
【００３９】
すなわち、燃料収容部３０内のメタノール燃料などの液体燃料Ｆが気化し、この気化成分が膜電極接合体２に供給される。膜電極接合体２内において、液体燃料Ｆの気化成分は、アノードガス拡散層１２を拡散してアノード触媒層１１に供給される。液体燃料Ｆとしてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層１１に供給された気化成分は、下記の（１）式に示したメタノールの内部改質反応を生じさせる。
【００４０】
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-  …（１）
なお、メタノール燃料として純メタノールを使用した場合には、燃料収容部３０から水蒸気が供給されないため、カソード触媒層１４で生成した水や電解質膜１７中の水をメタノールと反応させて（１）式の内部改質反応を生起させる。あるいは、上記した（１）式の内部改質反応によらず、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じさせる。
【００４１】
この内部改質反応で生成された電子（ｅ-）は、集電体を経由して外部に導かれ、いわゆる電気として携帯用電子機器等を動作させた後、カソード１６に導かれる。また、（１）式の内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ+）は、電解質膜１７を経てカソード１６に導かれる。
【００４２】
一方、カソード１６には、酸化剤として空気が供給される。すなわち、カバー部材１８に設けられた開口１８Ａから導入された空気は、カソードガス拡散層１５を通過し、カソード触媒層１４へと供給される。カソード１６に到達した電子（ｅ-）とプロトン（Ｈ+）は、カソード触媒層１４で空気中の酸素と下記の（２）式にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成する。
【００４３】
６ｅ-＋６Ｈ+＋（３／２）Ｏ2  →  ３Ｈ2Ｏ  …（２）
上述した燃料電池１の発電反応において、発電する電力を増大させるためには触媒反応を円滑に行わせると共に、膜電極接合体２の電極全体をより有効に発電に寄与させることが重要となる。
【００４４】
ところで、この発明の実施の形態に係る燃料電池１に適用される集電体２０は、少なくとも第１電極部２１及び第２電極部２２が膜電極接合体２に向かって局所的に突出するようなウエーブ形状を有している。すなわち、第１電極部２１及び第２電極部２２は、通常用いられる金箔よりも高い剛性を有する材料を用いてウエーブ加工を施すことによって形成されている。このため、第１電極部２１及び第２電極部２２は、それぞれアノード１３及びカソード１６に面接触させるような平面圧力を受けたときに、実質的に電極部の厚さまで略平坦に変形しても、この平面圧力を除けば、ウエーブが復元するような弾性力を持っている。
【００４５】
例えば図４に示したような枠状の電極部を有する集電体２０について説明すると、ウエーブ形状とは、図６Ａに示すように、第１電極部２１及び第２電極部２２の短辺方向に沿った断面においてその少なくとも一部が正弦波や三角波などの形状を有しているもの、また、図６Ｂに示すように、第１電極部２１及び第２電極部２２の長辺方向に沿った断面においてその少なくとも一部が正弦波や三角波などの形状を有しているものを含む。また、ウエーブ形状とは、１以上のエンボスによって形成しても良い。エンボスの平面形状は、円形、楕円形、多角形、あるいは複数の形状の組み合わせであっても良い。要するに、第１電極部２１及び第２電極部２２は、集電体２０の厚み方向に凹凸を有するような形状であれば良く、その凸部が膜電極接合体２に向かって突出した部分に相当するものであれば良い。
【００４６】
このような構成によれば、集電体２０において、膜電極接合体２に接触する第１電極部２１及び第２電極部２２がウエーブ形状を有しているため、そのバネ性により膜電極接合体２と集電体２０との間に加わる圧力が変化し微小の隙間ができても、安定して膜電極接合体２と集電体２０との電気的接触を保持することができる。これにより、膜電極接合体２に集電体２０を接触させることにより集電する燃料電池１において、接触抵抗が低く、しかも、安定した出力を得ることが可能となる。
【００４７】
このような構成の集電体２０を適用したことにより、膜電極接合体２と燃料供給機構３との間に挟持された第１電極部２１、及び、膜電極接合体２とカバー部材１８との間に挟持された第２電極部２２は、膜電極接合体２に対して実質的に全面で接触するもしくは局所的に接触している。
【００４８】
つまり、膜電極接合体２と、燃料供給機構３及びカバー部材１８との間のギャップが集電体２０の実質的な厚みと同等以下の大きさであれば、第１電極部２１及び第２電極部２２は、略平坦となって、それぞれの全面が膜電極接合体２に面接触する。また、膜電極接合体２と、燃料供給機構３及びカバー部材１８との間のギャップが集電体２０の実質的な厚みより大きい大きさであれば、第１電極部２１及び第２電極部２２は、ウエーブ形状を保持し、膜電極接合体２に向かって突出した凸部が膜電極接合体２に接触する。
【００４９】
このような構成によれば、燃料供給機構３に積層された膜電極接合体２とカバー部材１８との間のギャップが加工マージンなどによって集電体２０の実質的な厚みより大きい場合であっても、ウエーブ形状を有する第１電極部２１及び第２電極部２２のバネ性により、適度に膜電極接合体２を加圧する。このため、膜電極接合体２の位置ずれを抑制することが可能となるとともに集電体２０と膜電極接合体２との電気的な接触を安定的に保持することが可能となる。
【００５０】
また、膜電極接合体のアノード側での反応に伴って発生したガスにより内圧が上昇した場合であっても、ウエーブ形状を有する第１電極部２１及び第２電極部２２のバネ性により、膜電極接合体２の変形を吸収しつつ適度に膜電極接合体２を加圧する。このため、カバー部材１８の変形を抑制することが可能であるとともに膜電極接合体２と集電体２０との電気的な接触を安定的に保持することが可能となる。
【００５１】
したがって、膜電極接合体２と集電体２０との接触抵抗を低減することが可能となるのに加えて、集電体２０の実質的な厚さが増大しないため、集電体２０によって挟持された膜電極接合体２を燃料供給機構３とカバー部材１８との間に保持した構成のセルの厚さの増大を抑制することができ、燃料電池の小型化が可能となる。
【００５２】
さらに、第１電極部２１及び第２電極部２２は、基材を金メッキすることによって形成することが望ましい。基材としては、ステンレス鋼（ＳＵＳ）などの剛性の高い材料を選択することが望ましい。第１電極部２１及び第２電極部２２を金箔で形成した場合、金箔には十分な剛性がなく、単なる平面接触による導通しか確保できない。このため、例えば反応に伴うガス発生などで膜電極接合体２にかかる応力が変化した場合には、著しい接触抵抗の増大を生ずるおそれがある。これに対して、剛性の高い材料を用いてウエーブ形状を有する第１電極部２１及び第２電極部２２を形成したことにより、接触抵抗を低減しつつ、しかも、金のような高価な材料の使用を必要最小限の部分に限定することにより、安価な燃料電池を提供することが可能となる。
【００５３】
さらに、第１電極部２１及び第２電極部２２は、それぞれ貫通孔２４を有し、かつ、各貫通孔２４の周囲に膜電極接合体２に向かって突出した突起２５を備えていることが望ましい。例えば図５に示したようなＩ字形状の電極部を有する集電体２０について説明すると、突起２５は、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、第１電極部２１及び第２電極２２において、同一方向に向かって突出している。
【００５４】
このような貫通孔２４及び突起２５は、例えば、図７Ｃに示すように、キリなどの先端部が鋭利な工具を各電極部に突き刺すことにより形成可能である。あるいは、貫通孔２４及び突起２５は、図７Ｄに示すように、電極部の一部をＵ字状に切り込み、電極部の舌状部を折り曲げることによっても形成可能である。つまり、突起２５は、電極部の一部を略直角に折り曲げ加工することによって形成されたフランジに相当する。また、突起２５の高さは、工具の先端部の形状や突き刺す深さなどによって制御可能である。
【００５５】
このように、集電体２０が突起２５を有することにより、集電体２０を２つ折にして膜電極接合体２を挟持した際、第１電極部２１及び第２電極部２２の突起２４は、それぞれアノード１３におけるアノードガス拡散層１２及びカソード１６におけるカソードガス拡散層１５に突き刺さる。このとき、突起２５の高さは、電解質膜１７やアノード触媒層１１及びカソード触媒層１４を傷つけることがないように、アノードガス拡散層１２及びカソードガス拡散層１５の厚さよりも短いことが好ましく、５０〜１００μｍが好ましい。なお、このときの貫通孔２４の直径は、概ね１００〜２００μｍである。
【００５６】
このように、集電体２０の第１電極部２１及び第２電極部２２に設けた突起２５を膜電極接合体２のアノード及びカソードに突き刺すことにより、膜電極接合体２と集電体２０との密着性を向上することが可能となり、また、膜電極接合体２の変形などが生じた場合であっても、集電体２０との電気的な接続を保持することが可能となり、接触抵抗の安定化に有効である。
【００５７】
上述した実施の形態においては、膜電極接合体２のアノード側に燃料収容部３０を備えた内部気化型のような純パッシブ方式の燃料電池について説明したが、膜電極接合体２のアノード１３に対して燃料を供給する燃料供給部、及び、この燃料供給部に対して供給される燃料を収容する燃料収容部を備えたセミパッシブ型と称される方式の燃料電池についても同様の構成を適用することにより、同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００５８】
例えば、図８に示す例では、燃料供給機構３は、膜電極接合体２のアノード１３側に配置され、膜電極接合体２のアノード１３に対して燃料を供給する燃料供給部３１を備えている。また、この燃料供給機構３は、燃料供給部３１に供給される液体燃料を収容する図示しない燃料収容部を備えている。燃料収容部は、膜電極接合体２に対応した液体燃料を収容している。
【００５９】
燃料供給部３１と燃料収容部とは、図示しない配管のような液体燃料の流路を介して接続されている。つまり、燃料供給部３１には、燃料収容部から流路を介して液体燃料が導入される。流路は、燃料供給部３１や燃料収容部と独立した配管に限られるものではない。例えば、燃料供給部３１と燃料収容部とを積層して一体化する場合、これらを繋ぐ液体燃料の流路であってもよい。
【００６０】
燃料供給部３１は、その底部に、液体燃料が流路を介して注入される燃料注入口３２と、燃料注入口３２から注入された液体燃料やその気化成分を供給する燃料供給口３３と、燃料注入口３２と燃料供給口３３とを繋ぐ細管３４と、を有している。ここで示した燃料供給部３１の例では、燃料注入口３２及び燃料供給口３３は、それぞれ１箇所である。
【００６１】
膜電極接合体２と燃料供給部３１との間には、膜電極接合体２をアノード１３側から支持する支持部材４１が配置されている。
【００６２】
なお、このような支持部材４１は、省略しても良いが、このようなセミパッシブ方式においては支持部材４１を適用することにより以下のような効果が得られる。すなわち、膜電極接合体２と燃料供給部３１との間に支持部材４１を配置したことにより、燃料供給口３３から膜電極接合体２までの距離を確保することができる。このため、燃料供給口３３から供給された液体燃料の気化を促進するのに十分な容量を確保することができ、気体の状態の燃料を広範囲にわたって拡散させることが可能である。これにより、アノード１３の面内における燃料の分布を平準化することが可能となり、膜電極接合体２での発電反応に必要とされる燃料を全体的に過不足なく供給することができる。したがって、燃料電池１の大型化や複雑化等を招くことなく、膜電極接合体２で効率的に発電反応を生起させることができる。これによって、燃料電池１の出力を向上させることが可能となる。言い換えると、燃料を循環させない燃料電池１の利点を損なうことなく、出力やその安定性を高めることができる。
【００６３】
また、支持部材４１により膜電極接合体２を支持するとともに、支持部材４１とカバー部材１８との間で膜電極接合体２を保持するため、膜電極接合体２の撓みなどの変形を抑制することができ、起電部と集電体との密着性を高めて出力の低下を抑制することが可能となる。
【００６４】
膜電極接合体２と燃料供給部３１との間には、多孔体４２が配置されている。多孔体４２の構成材料としては、各種樹脂が使用され、多孔質状態の樹脂フィルム等が多孔体４２として用いられる。このような多孔体４２は、複数の多孔膜を積層して配置してもよい。すなわち、主にある一方向への拡散性が高い多孔体４２と、これに交差する（あるいは直交する）方向への拡散性が高い多孔体４２とを組み合わせて適用しても良い。
【００６５】
なお、このような多孔体４２は、省略しても良いが、このようなセミパッシブ方式においては、多孔体４２を適用することにより以下のような効果が得られる。すなわち、多孔体４２を配置することによって、アノード１３に対する燃料供給量をより一層平均化することができる。すなわち、燃料供給部３１の燃料供給口３３から供給された液体燃料は一旦多孔体４２に吸収され、多孔体４２の内部で面内方向に拡散する。この後、多孔体４２から支持部材４１を介してアノード１３に燃料が供給されるため、燃料供給量をより一層平均化することが可能となる。
【００６６】
そして、図１に示した例と同様に、膜電極接合体２は、ウエーブ形状を有する第１電極部２１及び第２電極部２２を備えた集電体２０によって挟持されている。このような構成であっても、図１に示した例と同様の効果が得られる。
【００６７】
図９に示した例では、燃料供給機構３を構成する燃料供給部３１は、その底部に、液体燃料が流路を介して注入される燃料注入口３２と、燃料注入口３２から注入された液体燃料やその気化成分を供給する複数の燃料供給口３３と、燃料注入口３２と各燃料供給口３３とを繋ぐ細管３４と、を有している。
【００６８】
このような構成の燃料供給機構３においては、燃料注入口３２から燃料供給部３１内に注入された液体燃料を、複数に分岐した細管３４を介して複数の燃料供給口３３にそれぞれ導くことが可能である。つまり、このような燃料供給機構３を適用することによって、燃料注入口３２から注入された液体燃料を方向や位置に係わりなく、複数の燃料供給口３３に均等に分配することができる。したがって、膜電極接合体２の面内における発電反応の均一性をより一層高めることが可能となる。
【００６９】
さらに、燃料注入口３２と複数の燃料供給口３３とを細管３４で接続することによって、燃料電池１の特定箇所により多くの燃料を供給するような設計が可能となる。例えば、装置装着上の都合から燃料電池１の半分の放熱がよくなってしまうような場合、従来では温度分布が生じてしまい、平均出力の低下が避けられない。これに対して、細管３４の形成パターンを調整し、予め放熱のよい部分に燃料供給口３３を密に配置することによって、その部分での発電に伴う発熱を多くすることができる。これによって、面内の発電度合いを均一化することができ、出力低下を抑制することが可能となる。
【００７０】
このような例の燃料電池１においても、図１に示した例と同様に、膜電極接合体２は、ウエーブ形状を有する第１電極部２１及び第２電極部２２を備えた集電体２０によって挟持されている。このような構成であっても、図１に示した例と同様の効果が得られる。
【００７１】
次に、本実施形態の構成による効果を実証した。すなわち、第１電極部２１及び第２電極部２２がウエーブ形状を有しておらず実質的に平坦な形状の集電体２０（フラット品）、第１電極部２１及び第２電極部２２がウエーブ形状を有している集電体２０（ウエーブ品）、及び、第１電極部２１及び第２電極部２２がウエーブ形状を有しかつ突起を有している集電体２０（ウエーブ＋突起品）の３種類の集電体を用意した。これらの集電体の間にカーボンペーパーを挟み込み、３００ｇの加重をかけて接触抵抗Ｉｍｐ（Ω）を測定した。
【００７２】
測定結果を図１０に示す。すなわち、フラット品では、測定毎の接触抵抗のばらつきが大きく、また、接触抵抗値自体も比較的高かった。これに対して、ウエーブ品では、測定毎の接触抵抗のばらつきが小さく、しかも、フラット品よりも十分に小さな接触抵抗値であることが確認された。また、ウエーブ＋突起品でも、測定毎の接触抵抗のばらつきが小さく、しかも、ウエーブ品よりもさらに小さな接触抵抗値であることが確認された。
【００７３】
このように、集電体２０において、膜電極接合体２に接触する第１電極部２１及び第２電極部２２がウエーブ形状を有することは、接触抵抗を低減する上で十分な効果があり、しかも、このウエーブ形状に加えて、第１電極部２１及び第２電極部２２が膜電極接合体２に向かって突出した突起２５を有することは、さらに接触抵抗を低減するのに効果がある。
【００７４】
上述した各実施形態の燃料電池１は、各種の液体燃料を使用した場合に効果を発揮し、液体燃料の種類や濃度は限定されるものではない。各実施形態の燃料電池１は、濃度が８０ｗｔ％以上のメタノールを液体燃料として用いた場合に、その性能や効果を特に発揮することができる。したがって、各実施形態は、濃度が８０ｗｔ％以上のメタノール水溶液または純メタノールを液体燃料として用いた燃料電池１に適用することが好ましい。
【００７５】
なお、本発明は液体燃料を使用した各種の燃料電池に適用することができる。また、燃料電池の具体的な構成や燃料の供給状態等も特に限定されるものではなく、ＭＥＡに供給される燃料の全てが液体燃料の蒸気、全てが液体燃料、または一部が液体状態で供給される液体燃料の蒸気等、種々形態に本発明を適用することができる。実施段階では本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。さらに、上記実施形態に示される複数の構成要素を適宜に組み合わせたり、また実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除したりする等、種々の変形が可能である。本発明の実施形態は本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、この拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】図１は、この発明の一実施の形態に係る燃料電池の構成を概略的に示す断面図である。
【図２】図２は、図１に示した燃料電池における膜電極接合体の外観を概略的に示す平面図である。
【図３】図３は、図２に示した膜電極接合体をＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿って切断したときの斜視図である。
【図４】図４は、この発明の一実施の形態に係る燃料電池に適用可能な集電体の構造を概略的に示す平面図である。
【図５】図５は、この発明の一実施の形態に係る燃料電池に適用可能な集電体の他の構造を概略的に示す平面図である。
【図６Ａ】図６Ａは、ウエーブ形状を有する集電体の構造を概略的に示す斜視図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、ウエーブ形状を有する集電体の他の構造を概略的に示す斜視図である。
【図７Ａ】図７Ａは、突起を有する集電体の構造を概略的に示す平面図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、図７Ａに示した集電体の構造を概略的に示す側面図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、集電体に突起を形成する方法を説明するための図である。
【図７Ｄ】図７Ｄは、集電体に突起を形成する他の方法を説明するための図である。
【図８】図８は、この発明の実施の形態に係る燃料電池の他の構造を概略的に示す断面図である。
【図９】図９は、この発明の実施の形態に係る燃料電池の他の構造を概略的に示す断面図である。
【図１０】図１０は、この発明の実施の形態の構成による効果を説明するための接触抵抗の測定結果を示す図である。
【符号の説明】
【００７７】
１…燃料電池  ２…膜電極接合体  ３…燃料供給機構
１１…アノード触媒層  １２…アノードガス拡散層  １３…アノード（燃料極）
１４…カソード触媒層  １５…カソードガス拡散層  １６…カソード（空気極）
１７…電解質膜
１８…カバー部材
２０…集電体  ２１…第１電極部  ２２…第２電極部  ２４…貫通孔  ２５…突起
２６、２７…端子  ２８…連結部
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
2008293702.tif 000009
【図７Ａ】
2008293702.tif 000010
【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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