(57)【要約】【課題】  ブロアなどによる強制的な酸素の供給手段を用いることなく、優れた電池特性を発揮し得る燃料電池を提供する。【解決手段】  複数の電極・電解質一体化物（ＭＥＡ）が平面状に配置され、かつ直列に接続されてなる燃料電池であって、それぞれのＭＥＡの正負極側には、それぞれ酸素導入孔を有する集電プレート、絶縁プレートおよびパネルプレートが順次配置されており、これらの酸素導入孔により正極パネルプレートからＭＥＡまで到達する開口部が形成されており、正極パネルプレートからの平面視において、開口部の総面積と正極の面積との比より求められる開口率が１０〜６０％、開口部に接する平行な２本の線間の最短距離が０．２〜３ｍｍ、開口部以外の箇所における任意の点から、開口部までの最短距離が２ｍｍ以下であることを特徴とする燃料電池により、上記課題を解決する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極と固体電解質膜と負極とが順次積層されてなる電極・電解質一体化物が平面状に複数配置され、かつ上記複数の電極・電解質一体化物が直列に接続されてなる燃料電池であって、
それぞれの電極・電解質一体化物の正極側には、正極集電プレート、正極絶縁プレートおよび金属製の正極パネルプレートが順次配置されており、それぞれの電極・電解質一体化物の負極側には、負極集電プレート、負極絶縁プレートおよび金属製の負極パネルプレートが順次配置されており、
全ての電極・電解質一体化物は、上記正極パネルプレートと上記負極パネルプレートとに挟持されて一体化しており、
上記正極集電プレート、上記正極絶縁プレート、および上記正極パネルプレートは、燃料電池外の酸素を正極に導入するための酸素導入孔を有しており、かつ上記正極集電プレートの酸素導入孔、上記正極絶縁プレートの酸素導入孔、および上記正極パネルプレートの酸素導入孔により、上記正極パネルプレートの外表面から電極・電解質一体化物まで到達する開口部が形成されており、
燃料電池の上記正極パネルプレートからの平面視において、下記（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）を満足することを特徴とする燃料電池。
（Ａ）上記開口部の総面積と正極の面積との比より求められる開口率が１０〜６０％。
（Ｂ）上記開口部に接し、かつ線間の最短距離が最も短くなる平行な２本の線を引いたときに、上記最短距離が０．２〜３ｍｍ。
（Ｃ）上記開口部以外の箇所における任意の点から、最も近い上記開口部までの最短距離が２ｍｍ以下。
【請求項２】
正極パネルプレートと正極絶縁プレートと正極集電プレートとの総厚みが、１〜４ｍｍである請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
正極パネルプレートと負極パネルプレートとが、間隔を持って配置された固定部において機械的挟持手段により固定されており、電極・電解質一体化物を挟んで隣り合う固定部間のうち、より短い固定部間の距離が１０〜４０ｍｍである請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
正極集電プレートおよび／または負極集電プレートは、電極・電解質一体化物同士を電気的に接続するためのタブを、燃料電池の外周部に相当する位置に２つ有している請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
正極パネルプレートおよび／または負極パネルプレートを構成する金属は、曲げ試験により求められるヤング率が５００００ＭＰａ以上である請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の電極・電解質一体化物を平面状に配置してなる燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、パソコン、携帯電話などのコードレス機器の普及に伴い、その電源である電池に対して、更なる小型化、高容量化が要望されている。現在、リチウムイオン二次電池は、エネルギー密度が高く、小型軽量化を図り得る電池として実用化されており、ポータブル電源としての需要が増大している。しかし、このリチウムイオン二次電池は、一部のコードレス機器に対して、十分な連続使用時間を保証することができないという問題がある。
【０００３】
上記問題の解決に向けて、例えば固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）などの燃料電池の開発が進められている。燃料電池は、燃料および酸素の供給を行えば、連続的に使用することが可能である。そして、電解質に固体高分子電解質、正極活物質に空気中の酸素、負極活物質に燃料を用いるＰＥＦＣは、リチウムイオン二次電池よりもエネルギー密度が高い電池として注目されている。
【０００４】
しかし、従来の燃料電池では、複数の単電池（単セル）を積層して構成しているため、電池全体が嵩高くなってしまう。また、酸素を正極へ、燃料を負極へ、それぞれ流通させて供給しなければならず、そのための補器が必要となる。このため、燃料電池はリチウムイオン電池などの小型二次電池に比べてはるかに大きくなってしまい、小型ポータブル電源として用いるには問題があった。
【０００５】
このような状況において、単セルを平面に並べ、更に空気極（正極）への空気の供給を大気の拡散を利用する構成の平面型燃料電池が提案されている（特許文献１参照。）。このような構成であれば、ブロアなどの強制的な空気の供給手段を用いずに済み、燃料電池のコンパクト化が可能となる。
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示の技術では、燃料電池を構成する単セル個々の機能を十分に引き出し得るとはいい難い。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−５６８５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ブロアなどによる強制的な酸素の供給手段を用いることなく、優れた電池特性を発揮し得る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】
【０００９】
上記目的を達成し得た本発明の燃料電池は、正極と固体電解質膜と負極とが順次積層されてなる電極・電解質一体化物が平面状に複数配置され、かつ上記複数の電極・電解質一体化物が直列に接続されてなる燃料電池であって、それぞれの電極・電解質一体化物の正極側には、正極集電プレート、正極絶縁プレートおよび金属製の正極パネルプレートが順次配置されており、それぞれの電極・電解質一体化物の負極側には、負極集電プレート、負極絶縁プレートおよび金属製の負極パネルプレートが順次配置されており、全ての電極・電解質一体化物は、上記正極パネルプレートと上記負極パネルプレートとに挟持されて一体化しており、上記正極集電プレート、上記正極絶縁プレート、および上記正極パネルプレートは、燃料電池外の酸素を正極に導入するための酸素導入孔を有しており、かつ上記正極集電プレートの酸素導入孔、上記正極絶縁プレートの酸素導入孔、および上記正極パネルプレートの酸素導入孔により、上記正極パネルプレートの外表面から電極・電解質一体化物まで到達する開口部が形成されており、燃料電池の上記正極パネルプレートからの平面視において、下記（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）を満足することを特徴とするものである。
【００１０】
（Ａ）上記開口部の総面積と正極の面積との比より求められる開口率が１０〜６０％。
（Ｂ）上記開口部に接し、かつ線間の最短距離が最も短くなる平行な２本の線を引いたときに、上記最短距離が０．２〜３ｍｍ。
（Ｃ）上記開口部以外の箇所における任意の点から、最も近い上記開口部までの最短距離が２ｍｍ以下。
【００１１】
すなわち、本発明では、電極・電解質一体化物（以下、「ＭＥＡ」という）に係る正極へ酸素の供給するための開口部の構成に着目し、これを上記（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）を満足するように調整することで、正極への酸素の供給とＭＥＡから生じる電流の集電とを良好にしており、これにより、ブロアなどによる強制的な酸素の供給手段を用いることなく、優れた電池特性を有する燃料電池の提供を可能としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ブロアなどによる強制的な酸素の供給手段を用いることなく、優れた電池特性を有する燃料電池を提供できる。よって、本発明の燃料電池は、容易に小型化が可能であり、小型ポータブル電源として好ましく用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を用いつつ本発明の燃料電池の詳細を説明する。図１は、本発明の燃料電池の一例を示す断面模式図である。なお、図１は断面図であるが、各構成要素の理解を容易にするために、一部の構成要素については、断面であることを示す斜線を付していない。
【００１４】
図１の燃料電池では、正極拡散層１３および正極触媒層１４からなる正極と、固体電解質膜１５と、負極拡散層１７および負極触媒層１６からなる負極とが、順次積層されてなるＭＥＡ１００を３個有しており、これらのＭＥＡ１００が平面状に配置されている。
【００１５】
それぞれのＭＥＡ１００の正極側には、正極集電プレート５、６、正極絶縁プレート３、および正極パネルプレート１が順次配置されている。また、それぞれのＭＥＡ１００の負極側には、負極集電プレート７、８、負極絶縁プレート４、および負極パネルプレート２が順次配置されている。
【００１６】
そして、全てのＭＥＡ１００が、正極パネルプレート１と負極パネルプレート２とに挟持されて一体化している。また、図１では明らかにしていないが、隣り合うＭＥＡ１００同士は、正極集電プレート５、６と負極集電プレート７、８との電気的接続によって、直列に接続されている。
【００１７】
正極集電プレート５、６、正極絶縁プレート３および正極パネルプレート１には、燃料電池外の酸素を空気として正極に導入するための酸素導入孔が複数設けられている。そして、正極集電プレート５、６の酸素導入孔、正極絶縁プレート３の酸素導入孔、および正極パネルプレート１の酸素導入孔により、正極パネルプレート１の外表面からＭＥＡ１００の正極拡散層１３にまで到達する開口部１１が複数形成されており、これら開口部１１から、燃料電池外の酸素（空気）が拡散により正極拡散層１３に供給される構造となっている。
【００１８】
また、図１の燃料電池では、負極集電プレート７、８、負極絶縁プレート４および負極パネルプレート２には、燃料タンク部１０内の燃料を負極に導入するための燃料導入孔が複数設けられている。そして、負極集電プレート７、８の燃料導入孔、負極絶縁プレート４の燃料導入孔、および負極パネルプレート２の燃料導入孔により、負極パネルプレート２の燃料タンク部１０側表面からＭＥＡ１００の負極拡散層１７にまで到達する開口部１２が複数形成されており、これら開口部１２から、燃料タンク部１０内の燃料が負極拡散層１７に供給される構造となっている。
【００１９】
図１の燃料電池では、正極パネルプレート１と負極パネルプレート２（更には燃料タンク部１０）は、間隔を持って配置された固定部により固定されており、上記固定部では、ボルト１８とナット１９による固定がなされている。図１中、９ａおよび９ｂはシールである。
【００２０】
本発明の燃料電池では、平面視における正極側の開口部１１の総面積を、平面視における正極の面積で割り、それを百分率で表して示される開口率（Ａ）が、１０％以上６０％以下である。正極側の開口率を上記のようにすることで、正極への酸素の供給とＭＥＡから生じる電流の集電を良好にすることができる。すなわち、上記開口率（Ａ）が小さすぎると、正極への酸素の供給が不十分となることがある。また、上記開口率（Ａ）が大きすぎると、ＭＥＡから生じる電流の集電性が低下し、また、燃料がガスの場合には乾燥が促進されてしまうため、電池の出力が低下する。上記開口率（Ａ）は、１５％以上であることがより好ましく、また、５０％以下であることがより好ましい。
【００２１】
正極側の開口部１１および負極側の開口部１２は、方形（長方形、正方形など）、円形（真円形、楕円形など）などの各種の形状とすることができる。なお、正極側の開口部１１は、正極側の平面視において、開口部１１に接し、かつ線間の最短距離が最も短くなる平行な２本の線を引いたときに、上記最短距離（Ｂ）が０．２ｍｍ以上３ｍｍ以下である。
【００２２】
図２に、正極側の開口部１１の１つを拡大した図を示す。図２の（ａ）は、開口部１１が長方形の場合を示している。開口部１１が長方形の場合、該開口部１１に接する平行な２本の線としては、図中のIとII、およびiとiiの２つを引くことができる。このうち、２線間の最短距離が最も短くなるのは、図中Iの線とIIの線との間であり、このIの線とIIの線との間の最短距離が０．２ｍｍ以上３ｍｍ以下である。
【００２３】
また、図２の（ｂ）は、開口部１１が真円形の場合を示しているが、開口部１１が真円形であれば、該開口部１１に接する平行な２本の線としては、図中のIとIIのように、開口部１１の直径を挟む２本の線を引くことができ、開口部１１のいずれの位置に上記２本の線を引いても、それらの線間の距離は開口部１１の直径と等しくなる。よって、開口部１１が真円形の場合には、Iの線とIIの線との間の最短距離、すなわち開口部１１の直径が０．２ｍｍ以上３ｍｍ以下である。
【００２４】
正極側の開口部における上記２線間の最短距離（Ｂ）を上記のようにすることで、正極への酸素の供給とＭＥＡから生じる電流の集電を良好にすることができる。すなわち、上記２線間の最短距離（Ｂ）が小さすぎると、燃料電池外の大気の酸素の取り込みが困難となる。また、上記２線間の最短距離（Ｂ）が大きすぎると、開口部１１が位置する部分での集電が不十分となって、電池の出力が低下してしまう。上記２線間の最短距離（Ｂ）は、０．５ｍｍ以上であることがより好ましく、また、２ｍｍ以下であることがより好ましい。
【００２５】
更に、本発明の燃料電池では、正極側の平面視において、開口部１１以外の箇所（すなわち、正極拡散層１３に到達する開口部１１が形成されておらず、正極パネルプレート１などが存在している箇所）における任意の点から、該任意の点に最も近く位置している開口部１１までの最短距離（Ｃ）が、２ｍｍ以下である。上記の最短距離（Ｃ）を上記上限値以下とすることで、ＭＥＡ１００への酸素の供給の均一性を高めて、電池の出力を向上させることができる。
【００２６】
すなわち、上記の最短距離（Ｃ）が短すぎると、正極パネルプレート１などの存在によって、正極拡散層１３の上部が開口していない箇所が部分的に大きくなり、当該箇所には燃料電池外の酸素が供給され難くなる。そのため、ＭＥＡ１００に酸素の供給が不十分な箇所が生じて、電池の出力が低下してしまう。上記の最短距離（Ｃ）は、１．５ｍｍ以下であることがより好ましい。なお、上記の最短距離（Ｃ）の下限値については特に制限はなく、上記開口率（Ａ）との兼ね合いで適宜決定される。
【００２７】
なお、負極側の開口部１２についても、平面視における負極側の開口部１２の総面積を、平面視における負極の面積で割り、それを百分率で表して示される開口率が、１０％以上、より好ましくは１５％以上であることが望ましく、また、６０％以下、より好ましくは５０％以下であることが望ましい。
【００２８】
更に、負極側の開口部１２においても、負極側の平面視において、開口部１２に接し、かつ線間の最短距離が最も短くなる平行な２本の線を引いたときに、上記最短距離が、０．２ｍｍ以上、より好ましくは０．５ｍｍ以上であることが望ましく、また、３ｍｍ以下、より好ましくは２ｍｍ以下であることが望ましい。
【００２９】
加えて、負極側の平面視において、開口部１２以外の箇所（すなわち、負極拡散層１７に到達する開口部１２が形成されておらず、負極パネルプレート２などが存在している箇所）における任意の点から、該任意の点に最も近く位置している開口部１２までの最短距離が、好ましくは２ｍｍ以下、より好ましくは１．５ｍｍ以下である。
【００３０】
正極側の開口部１１の個々の面積は、燃料電池外の酸素をより良好に取り込む観点から、０．１ｍｍ２以上、より好ましくは０．２ｍｍ２以上であることが望ましい。他方、開口部１１の個々の面積が大きすぎると、正極パネルプレート１などの強度が低下することがあるため、その面積は、４０ｍｍ２以下であることが好ましく、３０ｍｍ２以下であることがより好ましい。
【００３１】
なお、負極側の開口部の個々の面積も、０．１ｍｍ２以上、より好ましくは０．２ｍｍ２以上であることが望ましく、また、４０ｍｍ２以下、より好ましくは３０ｍｍ２以下であることが望ましい。
【００３２】
正極パネルプレート１、正極絶縁プレート３および正極集電プレート５、６の総厚みは１ｍｍ以上であることが好ましい。燃料電池の内部抵抗を低くするには、正極パネルプレート１と負極パネルプレート２とによって、ＭＥＡ１００をある程度の均一性を持って抑え込むことが好ましい。例えば、図１に示すように、正極パネルプレート１と負極パネルプレート２とを、間隔を持った配置された固定部において、ボルト１８とナット１９を用いるなどして固定する場合、正極パネルプレート１、正極絶縁プレート３および正極集電プレート５、６の総厚みが小さすぎると、ＭＥＡ１００の抑え込みの際にこれらのプレートにたわみが生じて、ＭＥＡ１００の抑え込みの均一性が損なわれることがある。
【００３３】
他方、正極パネルプレート１、正極絶縁プレート３および正極集電プレート５、６の総厚みが大きすぎると、開口部１１から正極拡散層１３への酸素の供給量が低下する傾向にあるため、上記総厚みは４ｍｍ以下であることが好ましい。
【００３４】
また、負極パネルプレート２、負極絶縁プレート４および負極集電プレート７、８の総厚みについても、正極パネルプレート１、正極絶縁プレート３および正極集電プレート５、６の総厚みと同様に、ＭＥＡ１００の抑え込みの均一性を高めて電池の内部抵抗を下げる観点から、１ｍｍ以上であることが好ましく、更に、開口部１２から負極拡散層１７への燃料の供給量を高める観点から、４ｍｍ以下であることが好ましい。
【００３５】
図３に、正極パネルプレート１の平面模式図を示す。正極パネルプレート１には、各ＭＥＡの正極拡散層の位置に合わせて酸素導入孔１１ａが設けられており、該酸素導入孔１１ａは、正極絶縁プレートの酸素導入孔および正極集電プレートの酸素導入孔と共に、上記開口部を形成する。２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅは正極パネルプレート１と負極パネルプレートとを固定するためのボルトを通すネジ穴であり、正極パネルプレート１と負極パネルプレートとを固定するための固定部となる。
【００３６】
正極パネルプレート１は金属製である。金属以外の素材で構成した正極パネルプレート１では、ＭＥＡの抑え込みの際に、たわみが生じてしまう。また、ＭＥＡの抑え込みの際のたわみをより少なくする観点から、正極パネルプレート１を構成する金属は、曲げ試験により求められるヤング率が５００００ＭＰａ以上であることが好ましい。具体的な金属としては、例えば、炭素鋼、合金鋼、ステンレス鋼、超合金、アルミニウム合金、マグネシウム合金、チタン合金、ニッケル合金などが挙げられる。なお、本明細書でいう曲げ試験により求められるヤング率とは、両端を支持した板状の試料の中央部に荷重をかけた特に生じたたわみ量を測定して求められる値である。
【００３７】
また、正極パネルプレート１の厚みは、０．５〜３．５ｍｍであることが好ましい。正極パネルプレート１が薄すぎると、ＭＥＡの抑え込み時のたわみが大きくなって、ＭＥＡの抑え込みの均一性が損なわれることがある。また、正極パネルプレート１が厚すぎると、正極パネルプレート１、正極絶縁プレートおよび正極集電プレートの総厚みが大きくなってしまい、正極への酸素の供給量が低下することがある。
【００３８】
なお、負極パネルプレートには、上記の正極パネルプレートと同じ構成のものを用いることができる。
【００３９】
図４および図５には、正極集電プレート５、６の平面模式図を示している。図４の正極集電プレート５および図５の正極集電プレート６には、ＭＥＡの正極拡散層の位置に合わせ、かつ正極パネルプレートの酸素導入孔の位置に合わせて酸素導入孔１１ｂが設けられており、該酸素導入孔１１ｂは、正極パネルプレートの酸素導入孔および正極絶縁プレートの酸素導入孔と共に、上記開口部を形成する。また、図４の正極集電プレート５および図５の正極集電プレート６には、正極パネルプレートの固定部（ネジ穴）の位置に合わせて、固定部２０（ネジ穴）が設けられている。
【００４０】
図４の正極集電プレート５は、図１の燃料電池における左端のＭＥＡ１００の正極上に配置するための集電プレート（正極端部集電プレート）であり、燃料電池外部に電流を取り出すための正極集電端子部２１が設けられている。正極集電端子部２１としては、特に制限はないが、例えば、図４に示すように、燃料電池と接続する装置などから引き出された外部端子を接続するための孔などが挙げられる。
【００４１】
図５の正極集電プレート６は、図１の燃料電池における中央および右側のＭＥＡ１００の正極上に配置するための集電プレートであり、燃料電池の外周部に相当する位置に正極直列接続タブ２２が設けられている。この正極直列接続タブ２２を、隣に位置するＭＥＡの負極上に配置された負極集電プレートと接触させる（例えば、負極集電プレートに設けられた負極直列接続タブと接触させる）などして電気的に接続することで、各ＭＥＡを直列に接続する。
【００４２】
正極直列接続タブ２２は、燃料電池の外周部に相当する位置に１つ設けるだけでもよいが、図５に示すように燃料電池の外周部に相当する位置に２つ設けることが好ましい。１つの正極直列接続タブから接続するよりも、２つのタブから接続する方が、集電プレート間の抵抗が低減されるため、電池の出力をより向上させることができる。
【００４３】
正極集電プレート５、６の材質は電子伝導性を有するものであればよいが、耐酸性の高い材質であることが好ましい。また、耐酸性の低い材料を耐酸性の高い材料で被覆して、正極集電プレート５、６を構成してもよい。具体的には、例えば、ステンレス鋼、ニッケル、銅、グラファイト、チタンなどや、これらの材料を金、白金などの貴金属でメッキしたものなどが挙げられる。
【００４４】
正極集電プレート５、６の厚みは０．２〜３．２ｍｍであることが好ましい。正極集電プレート５、６が薄すぎると、その電子抵抗が大きくなって、電池の出力が低下することがある。また、正極集電プレート５、６が厚すぎると、正極パネルプレート、正極絶縁プレートおよび正極集電プレートの総厚みが大きくなってしまい、正極への酸素の供給量が低下することがある。
【００４５】
なお、負極集電プレート（図１の負極端部集電プレート７、および負極集電プレート８）には、上記の正極集電プレート（図４に示す正極端部集電プレート５、および図５に示す正極集電プレート６）と同じ構成のものを用いることができる。
【００４６】
図６に、正極絶縁プレート３の模式図を示す。図６中、（ａ）は平面図である。また、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図であるが、固定部２０（ネジ穴）の配置を点線で示しており、この配置の理解を容易にするために、断面であることを示す斜線を省略している。正極絶縁プレート３は、金属製の正極パネルプレートと、正極集電プレートとの間に配置され、これらのプレート間を絶縁する役割を担っている。
【００４７】
正極絶縁プレート３には、各ＭＥＡの正極拡散層の位置に合わせ、かつ正極パネルプレートの酸素導入孔および正極集電プレートの酸素導入孔の位置に合わせて酸素導入孔１１ｃが設けられており、該酸素導入孔１１ｃは、正極パネルプレートの酸素導入孔および正極集電プレートの酸素導入孔と共に、上記開口部を形成している。また、正極絶縁プレート３には、正極パネルプレートおよび正極集電プレートの固定部（ネジ穴）の位置に合わせて、固定部２０（ネジ穴）が設けられている。
【００４８】
正極絶縁プレート３には、正極集電プレートを収めるための凹部２３が設けられていることが好ましい。凹部２３によって正極絶縁プレート３と正極集電プレートとを積層したときに段差をなくすことができるため、かかる段差によるガス漏れやＭＥＡの抑え込みの不均一さの発生を抑えることができる。
【００４９】
正極絶縁プレート３の材質は、電子絶縁性のものならば特に制限されないが、例えば、ガラスエポキシ樹脂や、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂［ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）など］などのプラスティックが好適である。
【００５０】
正極絶縁プレート３のうち、正極集電プレートが収まる凹部２３の厚みは、０．３〜３．３ｍｍであることが好ましい。凹部２３が薄すぎると、強度の不足による割れなどがおこる虞がある。また、凹部２３が厚すぎると、正極パネルプレート、正極絶縁プレートおよび正極集電プレートの総厚みが大きくなってしまい、正極への酸素の供給量が低下することがある。
【００５１】
なお、負極絶縁プレートには、上記の正極絶縁プレートと同じ構成のものを用いることができる。
【００５２】
図７に、図１の燃料電池に係る燃料タンク部１０の模式図を示す。図７中、（ａ）は平面図である。また、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図であるが、これらの断面図では固定部２０（ネジ穴）の配置を点線で示していることから、この配置の理解を容易にするために、断面であることを示す斜線を省略している。
【００５３】
燃料タンク部１０は、燃料をＭＥＡの負極へ供給したり、燃料を保持するために設けられている。燃料タンク部１０には、燃料の供給、排出を行うため、燃料を供給するための燃料供給口２４と、燃料を排出するための燃料排出口２５が設けられている。また、燃料の供給が各ＭＥＡに均一に行なわれるように、燃料流通ガイド部２６が設けられている。２７は、燃料を保持するためのタンク内部である。図７に示す燃料タンク部１０（図１の燃料電池に係る燃料タンク部１０）は独立のものであるが、例えば、燃料タンク部を負極パネルプレートと一体化した構造にしてもよい。
【００５４】
燃料タンク部１０の材質は、燃料による腐食や形態変化がなければよい。具体的には、例えば、ガラスエポキシ樹脂；ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂（ＰＴＦＥなど）のプラスティック；ステンレス鋼、ニッケル、銅、グラファイト、チタンなどの金属；が好適である。
【００５５】
図８に、ＭＥＡ１００の模式図を示す。図８中、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）の断面図であるが、（ｂ）では各構成要素の理解を容易にするために、断面であることを示す斜線を省略している。
【００５６】
ＭＥＡ１００は、酸素を還元する正極触媒層１４と、水素を酸化する負極触媒層１６とを有しており、更に、正極触媒層１４と負極触媒層１６との間に固体電解質膜１５を備えている。また、正極触媒層１４の固体電解質膜１５側の面の反対面には、正極拡散層１３が積層されており、負極触媒層１６の固体電解質膜１５側の面の反対面には、負極拡散層１７が積層されている。
【００５７】
固体電解質膜１５は、平面視で、電極（正極および負極）よりも大きい面積を有している。これは、電極からはみ出る部分を利用してシールを行うためである。シールを行われなければ燃料と空気中の酸素とが混合されてしまうため、燃料電池の機能が果たせないことがある。固体電解質膜１５における電極よりも大きくなる部分の幅は、シールを行うために十分な幅を確保する観点から、１ｍｍ以上であることが好ましい。なお、固体電解質膜１５における電極よりも大きくなる部分の幅をあまり大きくすると、固体電解質膜１５の限られた面積の中でシールを行う面積の比率が大きくなってしまうため、電極の面積が犠牲になってしまうことから、上記の幅は５ｍｍ以下であることが好ましい。
【００５８】
電極の幅は、３〜３５ｍｍであることが好ましい。これは、上記の固体電解質膜１５の大きさと、後述する固定部間距離との関係に制約されるためである。電極の長さには特に制限はなく、燃料電池に要求される出力に鑑みて設定することが可能である。
【００５９】
また、ＭＥＡ１００は、図９に示すように、複数のＭＥＡ１００で固体電解質膜１５を共有する構造としてもよい。図９の（ａ）は平面図で、（ｂ）は（ａ）の断面図であるが、この（ｂ）においても、各構成要素の理解を容易にするために、断面であることを示す斜線を省略している。
【００６０】
図９中、２８は直列接続タブ接触エリアであり、この部分で正極集電プレートの正極直列接続タブと負極集電プレートの負極直列接続タブとを電気的に接触させ、各ＭＥＡを直列に接続することができる。また図９のＭＥＡ１００には、固定部２０（ネジ穴）も設けられている。
【００６１】
正極拡散層１３および負極拡散層１７は、多孔性の電子伝導性材料などから構成され、例えば、撥水処理を施した多孔質炭素シートなどが用いられる。なお、正極拡散層１３や負極拡散層１７の触媒層側には、更なる撥水性向上および触媒層との接触向上を目的として、フッ素樹脂粒子（ＰＴＦＥ樹脂粒子など）を含む炭素粉末のペーストが塗布されている場合もある。
【００６２】
正極触媒層１４は、正極拡散層１３を介して拡散してきた酸素を還元する機能を有している。正極触媒層１４は、例えば、触媒を担持した炭素粉末（触媒担持炭素粉末）と、プロトン伝導性材料とを含有している。また、必要に応じて、樹脂バインダを更に含有していてもよい。
【００６３】
正極触媒層１４の含有する触媒としては、酸素を還元できるものであれば特に制限はないが、例えば、白金微粒子が挙げられる。また、上記触媒は、鉄、ニッケル、コバルト、錫、ルテニウムおよび金よりなる群から選ばれる少なくとも１種の金属元素と白金との合金で構成される微粒子などであってもよい。
【００６４】
触媒の担体である炭素粉末としては、例えば、ＢＥＴ比表面積が１０〜２０００ｍ２／ｇであり、平均粒子径が２０〜１００ｎｍのカーボンブラックなどが用いられる。炭素粉末への上記触媒の担持は、例えば、コロイド法などで行なうことができる。
【００６５】
上記炭素粉末と上記触媒との含有比率としては、例えば、炭素粉末１００質量部に対して、触媒が５〜４００質量部であることが好ましい。このような含有比率であれば、十分な触媒活性を有する正極触媒層が構成できるからである。また、例えば、炭素粉末上に触媒を析出させる方法（例えば、コロイド法）で触媒担持炭素粉末が作製される場合には、炭素粉末と触媒とが上記の含有比率であれば、触媒の径が大きくなりすぎず、十分な触媒活性が得られるからである。
【００６６】
正極触媒層１４に含まれるプロトン伝導性材料としては、特に制限はないが、例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂、スルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂、スルホン化ポリイミド樹脂などのスルホン酸基を有する樹脂を用いることができる。ポリパーフルオロスルホン酸樹脂としては、具体的には、デュポン社製の「ナフィオン（登録商標）」、旭硝子社製の「フレミオン（登録商標）」、旭化成工業社製の「アシプレックス（商品名）」などが挙げられる。
【００６７】
正極触媒層１４におけるプロトン伝導性材料の含有量は、触媒担持炭素粉末１００質量部に対して、２〜２００質量部であることが好ましい。プロトン伝導性材料が上記の量で含有されていれば、正極触媒層において十分なプロトン伝導性が得られ、電気抵抗値が大きくなりすぎず、電池性能の良好な燃料電池を得ることができるからである。
【００６８】
正極触媒層１４に係るバインダとしては、特に制限はないが、例えば、ＰＴＦＥ、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体（Ｅ／ＴＦＥ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）およびポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）などのフッ素樹脂や、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン、ポリスチレン、ポリエステル、アイオノマー、ブチルゴム、エチレン・酢酸ビニル共重合体、エチレン・エチルアクリレート共重合体およびエチレン・アクリル酸共重合体などの非フッ素樹脂などを用いることができる。
【００６９】
正極触媒層１４におけるバインダの含有量は、触媒担持炭素粉末１００質量部に対して、０．０１〜１００質量部であることが好ましい。バインダが上記の量で含有されていれば、正極触媒層について十分な結着性が得られ、電気抵抗値が大きくなりすぎず、電池性能の良好な燃料電池を得ることができるからである。
【００７０】
負極触媒層１６は、負極拡散層を介して拡散してきた水素やメタノールなどの燃料を酸化する機能を有している。負極触媒層は、例えば、触媒を担持した炭素粉末（触媒担持炭素粉末）と、プロトン伝導性材料とを含有している。必要に応じて、樹脂などのバインダを更に含有していてもよい。
【００７１】
負極触媒層１６に係る触媒は、水素やメタノールなどの燃料を酸化できれば特に制限はなく、例えば、正極触媒層に係る触媒として例示した上記の各触媒を用いることができる。負極触媒層に係る上記炭素粉末、プロトン伝導性材料、およびバインダについても、正極触媒層に係る炭素粉末、プロトン伝導性材料、およびバインダとして例示した上記の各材料を用いることができる。
【００７２】
固体電解質膜１５は、プロトンを輸送可能であり、かつ電子伝導性は示さない材料で構成された膜であれば、特に制限はない。固体電解質膜１５を構成し得る材料としては、例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂、具体的には、デュポン社製の「ナフィオン（登録商標）」、旭硝子社製の「フレミオン（登録商標）」、旭化成工業社製の「アシプレックス（商品名）」などが挙げられる。その他、スルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂、スルホン化ポリイミド樹脂、硫酸ドープポリベンズイミダゾールなども、固体電解質膜１５の材料として用いることができる。
【００７３】
図１０に、シール９ａ、９ｂの平面模式図を示す。このシール９ａ、９ｂは、ＭＥＡの上下に配置される。その際、ＭＥＡの電極はシールに設けた孔２９に収まり、固体電解質膜のうち電極部分からはみ出た部分は、シール９ａ、９ｂに挟まれる。このような構成とすることで、燃料と空気中の酸素とを隔離して、燃料電池を良好に機能させることが可能となる。図１０に示すシール９ａ、９ｂには直列接続タブ接触エリア２８が設けられており、この部分で正極集電プレートの正極直列接続タブと負極集電プレートの負極直列接続タブとを電気的に接触させ、各ＭＥＡを直列に接続することができる。また図１０のシール９ａ、９ｂには、固定部２０（ネジ穴）も設けられている。
【００７４】
シールの材質としては、燃料電池分野などにおいてシール材として公知の各種材料、例えば、シリコンゴム、エチレン−プロピレン−ジエンゴム、ＰＴＦＥフィルム、ポリイミドフィルムなどを用いることができる。
【００７５】
全てのＭＥＡを一体化するための正極パネルプレートと負極パネルプレートとの固定は、各ＭＥＡをある程度の均一性を持って抑え込むことができれば、その手段については特に制限はない。例えば、正極パネルプレート、正極絶縁プレート、正極集電プレート、シール、負極集電プレート、負極絶縁プレートおよび負極パネルプレートにおけるＭＥＡの電極部分以外に相当する部分、並びにＭＥＡの固体電解質膜のうち電極部分からはみ出した部分の全体を、接着するなどして固定してもよい。
【００７６】
しかし、ＭＥＡをより抑え込み易いことから、図１に示すように、間隔を持って配置された固定部において、機械的挟持手段により正極パネルプレートと負極パネルプレートとを固定することが好ましい。この場合、固定部における機械的挟持手段としては、例えば、図１に示すボルトとナットとを用いたネジ止めや、リベット止めなどが好ましく採用できる。
【００７７】
また、上記のように、正極パネルプレートと負極パネルプレートとを、間隔を持っては位置された固定部により固定する場合には、ＭＥＡを挟んで隣り合う固定部間のうち、より短い固定部間の距離を１０ｍｍ以上４０ｍｍ以下とすることが好ましい。上記の固定部間が上記のような距離となるように固定部を配置することで、電池特性をより良好にすることができる。
【００７８】
上記の固定部間の距離を図３を用いて説明すると、固定部２０ａとＭＥＡを挟んで隣り合う固定部としては、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄがあるが、このうち、固定部２０ａとの間の距離がより短くなるのは２０ｃである。「ＭＥＡを挟んで隣り合う固定部間のうち、より短い固定部間の距離が１０ｍｍ以上４０ｍｍ以下」とは、固定部２０ａと固定部２０ｃとの間の距離が１０ｍｍ以上４０ｍｍ以下であることを意味している。
【００７９】
上記の固定部間距離が短すぎると、ＭＥＡの電極部分の面積が小さくなってしまい、長すぎると、機械的挟持手段により締め付けたときのパネルプレートのたわみが大きくなってＭＥＡを均一に抑え込むことが困難となり、電池の内部抵抗が高くなったり、相対的に抑えの効いた部分で電流集中が生じて、電極の劣化を引き起こすことがある。上記の固定部間距離は、１５ｍｍ以上であることがより好ましく、また、３０ｍｍ以下であることがより好ましい。
【００８０】
また、ＭＥＡを挟まずに隣り合う固定部間の距離（例えば、図３では、固定部２０ａと固定部２０ｅとの間の距離）も、上記の「ＭＥＡを挟んで隣り合う固定部間のうち、より短い固定部間の距離」と同じ理由から、１０ｍｍ以上、より好ましくは１５ｍｍ以上であることが望ましく、また、４０ｍｍ以下、より好ましくは３０ｍｍ以下であることが望ましい。
【００８１】
なお、これまで本発明の燃料電池を図１〜図１０を用いて説明したが、これらの図面に示したものは本発明の一例に過ぎず、本発明の燃料電池はこれらの図面に示された構造のものに限定される訳ではない。
【００８２】
以上の通り、本発明の燃料電池は、複数のＭＥＡが平面状に配置されてなる平面型の燃料電池であり、上記構成の採用によって、ブロアなどによる強制的な酸素の供給手段を用いることなく、優れた電池特性を確保することができる。よって、本発明の燃料電池は、容易に小型化が可能であり、小型ポータブル電源に好適である他、公知の燃料電池が適用されている各種用途に好ましく用いることができる。
【実施例】
【００８３】
以下、実施例に基づいて本発明を詳細に述べる。ただし、下記実施例は本発明を制限するものではなく、前・後記の趣旨を逸脱しない範囲で変更実施をすることは、全て本発明の技術的範囲に包含される。
【００８４】
実施例１
図１に示す構造の燃料電池を作製した。ＭＥＡ１００には、図８に示す構成のものを用いた（平面形状は、図８に示すものとは異なる）。ＭＥＡ１００の正極および負極には、カーボンクロス上にＰｔ担持カーボンを塗布した電極（Ｅ−ＴＥＫ社製「ＬＴ１４０Ｅ−Ｗ」、Ｐｔ量：０．５ｍｇ／ｃｍ２）を用いた。また、固体電解質膜１５には、デュポン社製「ナフィオン１１２」を用いた。各電極は４５ｍｍ×５１ｍｍ、固体電解質膜は４９ｍｍ×５５ｍｍとした。
【００８５】
正極パネルプレート１には、図１１に示す構造で、ステンレス３０４で構成された厚みが４ｍｍのものを用いた。開口部を形成するための酸素導入孔１１ａは、１ｍｍ×１１ｍｍの長方形の孔を、図１１に示すように各ＭＥＡの正極拡散層上部に当たる部分全域にわたり、各々上下に４個、左右に２２個、合計８８個配置した。これにより、開口部に接し、かつ線間の最短距離が最も短くなる平行な２本の線を引いたときの上記最短距離は１ｍｍとなる。また、酸素導入孔１１ａは、左右に１ｍｍ、上下に２ｍｍの距離を空けて配置している。これにより、酸素導入孔１１ａ（すなわち、開口部）以外の箇所における任意の点から、最も近い開口部までの最短距離は２ｍｍ以下となる。また、正極側の開口部の電極面積に対する割合（開口率）は４２％である。固定部２０には、φ３ｍｍの穴を、図１１に示すように、ＭＥＡの外周部に相当する位置に設けた。ＭＥＡを挟んで隣り合う固定部間のうち、より短い固定部間の距離は５１ｍｍであり、ＭＥＡを挟まずに隣り合う固定部間の距離は１５ｍｍである。
【００８６】
また、負極パネルプレート２には、正極パネルプレート１と同じ材質・形状のものを用意した。
【００８７】
正極集電プレート５、６には、図１２（正極端部集電プレート）および図１３に示す構造で、ニッケルに金メッキを施した厚み０．３ｍｍのものを用いた。正極集電プレート５、６の酸素導入孔１１ｂおよび固定部２０の形状・配置は、正極パネルプレートと同様である。また、正極端部集電プレート５には、正極集電端子部２１を設けた。更に、正極集電プレート６には、燃料電池の外周部に相当する位置に、正極直列接続タブ２２を１つ設けた。
【００８８】
また、負極端部集電プレート７および負極集電プレート８には、正極端部集電プレート５および正極集電プレート６と同じ材質・形状のものを用意した。
【００８９】
正極絶縁プレート３には、図１４に示す構造で、ガラスエポキシ樹脂で構成された厚みが０．５ｍｍのものを用いた。正極絶縁プレート３の酸素導入孔１１ｃおよび固定部２０の形状・配置は、正極パネルプレートと同様である。また、負極絶縁プレート４には、正極絶縁プレート３と同じ材質・形状のものを用意した。
【００９０】
燃料タンク部１０には、図１５に示す構造で、ガラスエポキシ樹脂で構成された厚み３ｍｍのものを用いた。中央のタンク内部２７の深さは２ｍｍである。
【００９１】
シール９ａ、９ｂには、図１６に示す構造で、シリコンゴムで構成された厚み０．２ｍｍのものを用いた。電極を収めるための孔２９のサイズは４６ｍ×５２ｍｍとした。
【００９２】
以上の各部材を図１に示す順序で積層し、ボルト１８とナット１９を用いて締め込んで、燃料電池を作製した。
【００９３】
実施例２
以下の点を変更した以外は、実施例１と同様にして燃料電池を作製した。まず、正極パネルプレート１を図１７に示す構造とし、酸素導入孔１１ａには、２ｍｍ×１１ｍｍの長方形の孔を、各ＭＥＡ１００の正極拡散層１３上部に当たる部分全域に、各々上下に４個、左右に１１個、合計４４個配置した。これにより、開口部に接し、かつ線間の最短距離が最も短くなる平行な２本の線を引いたときの上記最短距離は２ｍｍとなる。また、酸素導入孔１１ａは、上下左右に２ｍｍの距離を空けて配置している。これにより、酸素導入孔１１ａ（すなわち、開口部）以外の箇所における任意の点から、最も近い開口部までの最短距離は２ｍｍ以下となる。また、正極側の開口部の電極面積に対する割合（開口率）は４２％である。負極パネルプレート２も、正極パネルプレート１と同じ構成とした。
【００９４】
更に、正極端部集電プレート５、正極集電プレート６、正極絶縁プレート３、負極端部集電プレート７、負極集電プレート８、および負極絶縁プレート４について、それらの酸素導入孔の配置・形状を、正極パネルプレート１および負極パネルプレート２に合致するように変更した。
【００９５】
実施例３
以下の点を変更した以外は、実施例１と同様にして燃料電池を作製した。まず、正極パネルプレート１を図１８に示す構造とし、酸素導入孔１１ａには、１ｍｍ×１１ｍｍの長方形の孔を、各ＭＥＡ１００の正極拡散層１３上部に当たる部分全域に、各々上下に４個、左右に１５個、合計６０個配置した。これにより、開口部に接し、かつ線間の最短距離が最も短くなる平行な２本の線を引いたときの上記最短距離は１ｍｍとなる。また、酸素導入孔１１ａは、上下左右に２ｍｍの距離を空けて配置している。これにより、酸素導入孔１１ａ（すなわち、開口部）以外の箇所における任意の点から、最も近い開口部までの最短距離は２ｍｍ以下となる。また、正極側の開口部の電極面積に対する割合（開口率）は２９％である。負極パネルプレート２も、正極パネルプレート１と同じ構成とした。
【００９６】
更に、正極端部集電プレート５、正極集電プレート６、正極絶縁プレート３、負極端部集電プレート７、負極集電プレート８、および負極絶縁プレート４について、それらの酸素導入孔の配置・形状を、正極パネルプレート１および負極パネルプレート２に合致するように変更した。
【００９７】
実施例４
正極パネルプレート１および負極パネルプレート２の厚みを２ｍｍとした以外は、実施例１と同様にして燃料電池を作製した。
【００９８】
実施例５
以下の点を変更した以外は、実施例１と同様にして燃料電池を作製した。まず、ＭＥＡ１００の各電極は２５ｍｍ×９２ｍｍとし、固体電解質膜１５は２９ｍｍ×９６ｍｍとした。
【００９９】
また、正極パネルプレート１は図３に示す構造とし、酸素導入孔１１ａには、１ｍｍ×１３ｍｍの長方形の孔を、各ＭＥＡ１００の正極拡散層１３上部に当たる部分全域に、各々上下に６個、左右に１２個、合計７２個配置した。これにより、開口部に接し、かつ線間の最短距離が最も短くなる平行な２本の線を引いたときの上記最短距離は１ｍｍとなる。また、酸素導入孔１１ａは、左右に１ｍｍ、上下に２ｍｍの距離を空けて配置している。これにより、酸素導入孔１１ａ（すなわち、開口部）以外の箇所における任意の点から、最も近い開口部までの最短距離は２ｍｍ以下となる。また、正極側の開口部の電極面積に対する割合（開口率）は４１％である。固定部２０には、φ３ｍｍの穴を、図３に示すように、ＭＥＡの外周部に相当する位置に設けた。ＭＥＡを挟んで隣り合う固定部間のうち、より短い固定部間の距離（例えば、図３中、固定部２０ａと固定部２０ｃとの間の距離）は３１ｍｍであり、ＭＥＡを挟まずに隣り合う固定部間の距離（例えば、図３中、固定部２０ａと固定部２０ｅとの間の距離）は１５ｍｍである。負極パネルプレート２も、正極パネルプレート１と同じ構成とした。
【０１００】
更に、正極端部集電プレート５、正極集電プレート６、正極絶縁プレート３、負極端部集電プレート７、負極集電プレート８、および負極絶縁プレート４について、それらの酸素導入孔およびネジ穴の配置・形状を、正極パネルプレート１および負極パネルプレート２に合致するように変更した。また、シール９ａ、９ｂ（図１０）について、孔２９をＭＥＡ１００の形状に合わせて変更し、ネジ穴の配置を正極パネルプレート１などに合わせて変更した。更に、燃料タンク部１０を図７に示す構造のものに変更した。
【０１０１】
実施例６
以下の点を変更した以外は、実施例１と同様にして燃料電池を作製した。まず、正極端部集電プレート５を図１９に示すように、プレートの両端から正極集電端子部２１へ取り巻くような形状とした。また、正極集電プレート６について、図２０に示すように正極直列接続タブ２２を２つ設けた。負極端部集電プレート７は正極端部集電プレート５と、負極集電プレート８は正極集電プレート６と、それぞれ同じ形状とした。
【０１０２】
更に、正極絶縁プレート３は、図２１に示すように、凹部２３の形状を、正極端部集電プレート５（図１９）および正極集電プレート６（図２０）に合わせた形状とした。また、負極絶縁プレート４は、正極絶縁プレート３と同じ形状とした。
【０１０３】
実施例７
以下の点を変更した以外は、実施例５と同様にして燃料電池を作製した。まず、正極パネルプレート１および負極パネルプレート２の厚みを２ｍｍとした。また、正極端部集電プレート５を図４に示すように、プレートの両端から正極集電端子部２１へ取り巻くような形状とした。更に、正極集電プレート６において、図５に示すように正極直列接続タブ２２を２つ設けた。負極端部集電プレート７は正極端部集電プレート５と、負極集電プレート８は正極集電プレート６と、それぞれ同じ形状とした。
【０１０４】
更に、正極絶縁プレート３は、図６に示すように、凹部２３の形状を、正極端部集電プレート５（図４）および正極集電プレート６（図５）に合わせた形状とした。また、負極絶縁プレート４は、正極絶縁プレート３と同じ形状とした。
【０１０５】
実施例８
以下の点を変更した以外は、実施例１と同様にして燃料電池を作製した。まず、正極パネルプレート１を図２２に示す構造とし、酸素導入孔１１ａには、φ２ｍｍの円形の孔を、各ＭＥＡ１００の正極拡散層１３上部に当たる部分全域に、各々上下に１８個、左右に１６個、合計２８８個配置した。これにより、開口部に接し、かつ線間の最短距離が最も短くなる平行な２本の線を引いたときの上記最短距離は２ｍｍとなる。また、酸素導入孔１１ａは、上下左右に０．８ｍｍの距離を空けて配置している。これにより、酸素導入孔１１ａ（すなわち、開口部）以外の箇所における任意の点から、最も近い開口部までの最短距離は２ｍｍ以下となる。また、正極側の開口部の電極面積に対する割合（開口率）は４０％である。負極パネルプレート２も、正極パネルプレート１と同じ構成とした。
【０１０６】
更に、正極端部集電プレート５、正極集電プレート６、正極絶縁プレート３、負極端部集電プレート７、負極集電プレート８、および負極絶縁プレート４について、それらの酸素導入孔の配置・形状を、正極パネルプレート１および負極パネルプレート２に合致するように変更した。
【０１０７】
比較例１
以下の点を変更した以外は、実施例１と同様にして燃料電池を作製した。まず、正極パネルプレート１を図２３に示す構造とし、酸素導入孔１１ａには、４ｍｍ×９．５ｍｍの長方形の孔を、各ＭＥＡ１００の正極拡散層１３上部に当たる部分全域に、各々上下に４個、左右に６個、合計２４個配置した。これにより、開口部に接し、かつ線間の最短距離が最も短くなる平行な２本の線を引いたときの上記最短距離は４ｍｍとなる。また、酸素導入孔１１ａは、上下左右に４ｍｍの距離を空けて配置している。これにより、酸素導入孔１１ａ（すなわち、開口部）以外の箇所における任意の点のうち、最も近い開口部までの最短距離が２ｍｍを超える点が存在する。また、正極側の開口部の電極面積に対する割合（開口率）は４１％である。負極パネルプレート２も、正極パネルプレート１と同じ構成とした。
【０１０８】
更に、正極端部集電プレート５、正極集電プレート６、正極絶縁プレート３、負極端部集電プレート７、負極集電プレート８、および負極絶縁プレート４について、それらの酸素導入孔の配置・形状を、正極パネルプレート１および負極パネルプレート２に合致するように変更した。
【０１０９】
比較例２
以下の点を変更した以外は、実施例１と同様にして燃料電池を作製した。まず、正極パネルプレート１を図２４に示す構造とし、酸素導入孔１１ａには、０．５ｍｍ×０．５ｍｍの正方形の孔を、各ＭＥＡ１００の正極拡散層１３上部に当たる部分全域に、各々上下に２５個、左右に２２個、合計５５０個配置した。これにより、開口部に接し、かつ線間の最短距離が最も短くなる平行な２本の線を引いたときの上記最短距離は０．５ｍｍとなる。また、酸素導入孔１１ａは、上下左右に１．５ｍｍの距離を空けて配置している。これにより、酸素導入孔１１ａ（すなわち、開口部）以外の箇所における任意の点から、最も近い開口部までの最短距離は２ｍｍ以下となる。また、正極側の開口部の電極面積に対する割合（開口率）は６％である。負極パネルプレート２も、正極パネルプレート１と同じ構成とした。
【０１１０】
更に、正極端部集電プレート５、正極集電プレート６、正極絶縁プレート３、負極端部集電プレート７、負極集電プレート８、および負極絶縁プレート４について、それらの酸素導入孔の配置・形状を、正極パネルプレート１および負極パネルプレート２に合致するように変更した。
【０１１１】
比較例３
以下の点を変更した以外は、実施例１と同様にして燃料電池を作製した。まず、正極パネルプレート１を図２５に示す構造とし、酸素導入孔１１ａには、２ｍｍ×１２ｍｍの長方形の孔を、各ＭＥＡ１００の正極拡散層１３上部に当たる部分全域に、各々上下に４個、左右に１７個、合計６８個配置した。これにより、開口部に接し、かつ線間の最短距離が最も短くなる平行な２本の線を引いたときの上記最短距離は２ｍｍとなる。また、酸素導入孔１１ａは、上下左右に０．６ｍｍの距離を空けて配置している。これにより、酸素導入孔１１ａ（すなわち、開口部）以外の箇所における任意の点から、最も近い開口部までの最短距離は２ｍｍ以下となる。また、正極側の開口部の電極面積に対する割合（開口率）は７１％である。負極パネルプレート２も、正極パネルプレート１と同じ構成とした。
【０１１２】
更に、正極端部集電プレート５、正極集電プレート６、正極絶縁プレート３、負極端部集電プレート７、負極集電プレート８、および負極絶縁プレート４について、それらの酸素導入孔の配置・形状を、正極パネルプレート１および負極パネルプレート２に合致するように変更した。
【０１１３】
比較例４
正極パネルプレート１および負極パネルプレート２の材質をポリカーボネートに変更した以外は、実施例１と同様にして燃料電池を作製した。
【０１１４】
実施例１〜８および比較例１〜４の燃料電池に、燃料として水素を燃料供給口２４より供給し、２Ｖ定電圧で発電試験を行い、燃料電池の出力を求めた。試験は室温２５℃で行った。結果を表１に示す。
【０１１５】
【表１】
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【０１１６】
表１から明らかなように、実施例１〜８の燃料電池では、２Ｖ定電圧発電時の出力がいずれも５．０Ｗ以上であり、優れた電池特性を有していた。これに対し、比較例１〜４の燃料電池では、２Ｖ定電圧発電時の出力が劣っていた。
【０１１７】
このうち、比較例１の電池では、開口部に接し、かつ線間の最短距離が最も短くなる平行な２本の線を引いたときの上記最短距離が長く、開口部に相当する部分でのＭＥＡの集電性が不十分であり、また、開口部以外の箇所における任意の点のうち、最も近い開口部までの最短距離が長い箇所があり、かかる箇所に相当するＭＥＡの部分では酸素の供給が不十分となり、これらによって電池の出力が低下したものと考えられる。
【０１１８】
また、比較例２の電池では、開口部の開口率が小さすぎて、正極への酸素供給が不十分であったために、電池の出力が低下したものと考えられる。
【０１１９】
更に、比較例３の電池では、開口部の開口率が大きすぎて、ＭＥＡと集電プレートとの接触面積が小さいために、集電性が低下して電池の内部抵抗が増加し、これにより電池の出力が低下したものと考えられる。
【０１２０】
また、比較例４の電池では、正極パネルプレート１および負極パネルプレート２の材質が金属ではなくポリカーボネートであるために強度が不足しており、ＭＥＡを締め付ける際にたわみが生じてＭＥＡの抑え込みが不十分となり、電池の内部抵抗が増加し、これにより電池の出力が低下したものと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【０１２１】
【図１】本発明の燃料電池の一例を示す断面模式図である。
【図２】開口部の形状の説明図である。
【図３】本発明の燃料電池に係る正極パネルプレートの一例を示す平面模式図である。
【図４】本発明の燃料電池に係る正極集電プレート（正極端部集電プレート）の一例を示す平面模式図である。
【図５】本発明の燃料電池に係る正極集電プレートの一例を示す平面模式図である。
【図６】本発明の燃料電池に係る正極絶縁プレートの一例を示す模式図ある。
【図７】本発明の燃料電池に係る燃料タンク部の一例を示す模式図である。
【図８】本発明の燃料電池に係る電極・電解質一体化物の一例を示す模式図である。
【図９】本発明の燃料電池に係る電極・電解質一体化物の他の例を示す模式図である。
【図１０】本発明の燃料電池に係るシールの一例を示す平面模式図である。
【図１１】実施例１の燃料電池に係る正極パネルプレートを示す平面模式図である。
【図１２】実施例１の燃料電池に係る正極端部集電プレートを示す平面模式図である。
【図１３】実施例１の燃料電池に係る正極集電プレートを示す平面模式図である。
【図１４】実施例１の燃料電池に係る正極絶縁プレートを示す平面模式図である。
【図１５】実施例１の燃料電池に係る燃料タンク部を示す平面模式図である。
【図１６】実施例１の燃料電池に係るシールを示す平面模式図である。
【図１７】実施例２の燃料電池に係る正極パネルプレートを示す平面模式図である。
【図１８】実施例３の燃料電池に係る正極パネルプレートを示す平面模式図である。
【図１９】実施例６の燃料電池に係る正極端部集電プレートを示す平面模式図である。
【図２０】実施例６の燃料電池に係る正極集電プレートを示す平面模式図である。
【図２１】実施例６の燃料電池に係る正極絶縁プレートを示す平面模式図である。
【図２２】実施例８の燃料電池に係る正極パネルプレートを示す平面模式図である。
【図２３】比較例１の燃料電池に係る正極パネルプレートを示す平面模式図である。
【図２４】比較例２の燃料電池に係る正極パネルプレートを示す平面模式図である。
【図２５】比較例３の燃料電池に係る正極パネルプレートを示す平面模式図である。
【符号の説明】
【０１２２】
１  正極パネルプレート
２  負極パネルプレート
３  正極絶縁プレート
４  負極絶縁プレート
５、６  正極集電プレート
７、８  負極集電プレート
９ａ、９ｂ  シール
１１  開口部
２０  固定部
１００  電極・電解質一体化物
【図１】
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【図２】
2008066173.tif 000005
【図３】
2008066173.tif 000006
【図４】
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【図５】
2008066173.tif 000008
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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