(57)【要約】【課題】燃料漏れを防止して安全性を向上させた燃料電池モジュールを提供する。【解決手段】導電回路１１４ａ、１１４ｂを有するアノード支持基板１００と、アノード集電板１１０ａ、１１０ｂを備えたアノード１０１と、燃料及び反応生成物を流通させる流路板１０２と、両面がアノード１０１及び流路板１０２と接触する接着材２４０を含んだアノード流路板１０と、集電板基板２０１と、集電板基板２０１の表裏両面を被覆して複数の貫通孔が設けられたカソード集電領域１２０ａ、１２０ｂと、複数の貫通孔を含んだカソード板１２と、プロトン交換膜１１６を含む膜電極接合体（ＭＥＡ）１６と、ＭＥＡ１６を収容する開口部を備えた中間接着材１４ａ、１４ｂと、アノード流路板１０とＭＥＡ１６との間に設けられ、中間接着材１４ａ、１４ｂとプロトン交換膜１１６との接触を遮断する防漏接着層１８ａ、１８ｂとを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池モジュールであって、
印刷回路基板製作工程で形成された導電回路を有するアノード支持基板と、
前記アノード支持基板に固定されて前記導電回路と電気的に接続されるアノード集電板を備えたアノードと、
燃料と反応生成物とを流通させる流路板と、
両面が前記アノード及び前記流路板と接触する接着材を含んだアノード流路板と、
基板及び前記基板の表裏両面を被覆して複数の貫通孔が設けられた少なくとも１つのカソード集電領域を含んだカソード板と、
少なくとも１枚のプロトン交換膜を含む膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を収容する開口部を備えた中間接着材と、
前記アノード流路板と前記膜電極接合体との間に設けられ、前記中間接着材と前記プロトン交換膜との接触を遮断し、前記中間接着材より前記プロトン交換膜とよく接着する防漏接着層とを含み、
そのうち前記中間接着材、前記膜電極接合体、及び前記防漏接着層は、前記アノード流路板と前記カソード板との間に重ねて設けられ、
前記膜電極接合体の両面は、前記アノード流路板及び前記カソード集電領域とそれぞれ接触することを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項２】
前記防漏接着層の材料は、ポリウレタン系接着材またはシリコーン系樹脂であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池モジュール。
【請求項３】
前記中間接着材は、高分子接着材であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池モジュール。
【請求項４】
前記高分子接着材は、プリプレグ接着材またはエポキシ樹脂であることを特徴とする請求項３記載の燃料電池モジュール。
【請求項５】
前記アノード集電板には、金属基板または非金属基板を用いることを特徴とする請求項１記載の燃料電池モジュール。
【請求項６】
前記金属基板は、金、白金、銀、アルミニウム、クロム、チタン、カドミウム、金属酸化物、合金またはステンレス鋼からなることを特徴とする請求項５記載の燃料電池モジュール。
【請求項７】
前記非金属基板は、炭素、石墨、ＦＲ４、またはＦＲ５からなることを特徴とする請求項５記載の燃料電池モジュール。
【請求項８】
前記カソード集電領域は少なくとも１枚の導電層からなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池モジュール。
【請求項９】
前記導電層は、電気めっき、無電解めっき、スパッタリング、またはその他化学的・物理的堆積法で形成されることを特徴とする請求項８記載の燃料電池モジュール。
【請求項１０】
前記導電層は、銅、金、銀、または白金からなることを特徴とする請求項９記載の燃料電池モジュール。
【請求項１１】
前記アノード集電板は、圧着、点溶接または半田付けで前記アノード支持基板に固定されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池モジュール。
【請求項１２】
前記アノード集電板の基板は、少なくとも１枚の導電層で完全に被覆されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池モジュール。
【請求項１３】
前記導電層は、電気めっき、無電解めっき、スパッタリング、またはその他化学的・物理的堆積法でアノード集電板の基板を被覆することを特徴とする請求項１２記載の燃料電池モジュール。
【請求項１４】
前記導電層は、メタノール腐食に耐えることを特徴とする請求項１２記載の燃料電池モジュール。
【請求項１５】
前記導電層は、銅、金、または白金からなることを特徴とする請求項１２記載の燃料電池モジュール。
【請求項１６】
前記プロトン交換膜は、炭化フッ素系または炭化水素系のものであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池モジュール。
【請求項１７】
前記カソードには、前記印刷回路基板、ガラス基板、石墨基板、または金属基板を用いることを特徴とする請求項１記載の燃料電池モジュール。
【請求項１８】
前記アノード流路板は、前記アノード支持基板の導電回路と電気的に接続され、燃料電池モジュール内の各セルを直列接続または並列接続する可撓性金属板をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池モジュール。
【請求項１９】
前記金属板と前記アノード支持基板とは、点溶接または半田付けで連結されることを特徴とする請求項１８記載の燃料電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関するものであり、特にメタノール燃料の液漏れを防止できる平板型直接メタノール燃料電池モジュールの構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
周知の通り、直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）は、メタノールを燃料として電気化学的な方法で電力に変換する発電装置である。従来の発電手段と比べ、燃料電池は低汚染・低騒音でありながら、エネルギー密度とエネルギー変換効率との点で優れている。前記直接メタノール燃料電池は、次世代のクリーンエネルギーとして期待され、家庭用発電装置から、無停電電源装置（ＵＰＳ）、電子製品、運輸手段、軍用施設、宇宙事業まで幅広く利用されることが可能である。
【０００３】
次に燃料電池の発電原理を説明する。まず、電池内の燃料は、アノード触媒層で酸化反応して水素イオンと電子とを生成する。水素イオンは、電解質を経由してカソード触媒層に運ばれ、電子は外部回路を通して前記カソード触媒層に運ばれる。前記カソード触媒層に到着した水素イオンと電子とは、外部から供給された酸素と還元反応して水となり、その過程では電力が発生する。燃料電池は複数のセルからなることが一般である。何故ならば、個々のセルの電圧供給が少ないので、十分な動作電圧が得られるためには、複数のセルを直列接続しなければならないためである。
【０００４】
なお、燃料電池モジュールは一般に、電気化学反応により発生した電子を集める集電板基板と、燃料の流動・分布を制御する流路板とを含む。その中でも流路板については、燃料が膜電極接合体（ＭＥＡ）に支障なく流入できるような流路の設計が望まれる。
【０００５】
現在の平板型ＤＭＦＣは実用化段階にまで発展しており、従来の燃料電池より性能と信頼性に優れているが、克服すべき問題点がいくつか残っている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明はメタノール燃料の液漏れ問題を解決し、電池モジュールの安全性を向上させた燃料電池モジュールを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による燃料電池モジュールは、印刷回路基板製作工程で形成された導電回路を有するアノード支持基板と、前記アノード支持基板に固定されて導電回路と電気的に接続されるアノード集電板を備えたアノードと、燃料と反応生成物とを流通させる流路板と、両面が前記アノード及び前記流路板と接触する接着材を含んだアノード流路板と、基板と、前記基板の表裏両面を被覆して複数の貫通孔が設けられた少なくとも１つのカソード集電領域と、複数の貫通孔を含んだカソード板と、少なくとも１枚のプロトン交換膜を含む膜電極接合体と、前記膜電極接合体を収容する開口部を備えた中間接着材と、前記アノード流路板と前記膜電極接合体との間に設けられ、前記中間接着材と前記プロトン交換膜との接触を遮断し、前記中間接着材より前記プロトン交換膜とよく接着する防漏接着層とを含む。そのうち前記中間接着材、前記膜電極接合体、及び前記防漏接着層は、前記アノード流路板と前記カソード板との間に重ねて設けられ、前記膜電極接合体の両面は、前記アノード流路板前記カソード集電領域とそれぞれ接触する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明による防漏接着層は、膜電極接合体とプロトン交換膜との外縁を固定し、両者の外縁と中間接着材との接触を防止することで、前記膜電極接合体の前記プロトン交換膜と前記中間接着材の接着力が足りないという従来の問題を解決し、メタノール液漏れの経路を遮断する。
【０００９】
また、本発明では金属板と対応する、２枚のアノード集電板の間の凹部を接着材で充填し、メタノールが上記金属板から漏れることを防止することで、集電板基板を曲げるときの応力によって粘着効果が低下することや、粘着材と集電板基板との間の界面が、熱衝撃実験における温度の変化に伴う金属の膨張・収縮によって破壊される等の従来の問題を解決する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の実施の形態に係る燃料電池モジュールの特徴を詳述するために、具体的な実施例を挙げ、図を参照にして以下に説明する。
【００１１】
現在の燃料電池は、従来のものより性能と信頼性とが大幅に改善されたが、まだいくつか克服すべき問題が残っている。例えば、プリプレグ中間接着材と膜電極接合体（ＭＥＡ）との間の接着力不足により、層間剥離が発生し、燃料が漏洩するという欠点がある。液漏れ現象は、主としてＭＥＡ側に発生する。
【００１２】
また、実際の観測結果によると、燃料漏れはアノード集電板の周辺にも発生しやすい。つまり、前記アノード集電板と周辺の接着材との界面から燃料が漏れ出すことがよく見られる。その原因について、集電板基板を曲げるときの応力によって粘着効果が低下することや、粘着材と集電板基板との間の界面が、熱衝撃実験における温度の変化に伴う金属の膨張・収縮によって破壊されることが挙げられる。
【００１３】
前記熱衝撃実験は、燃料電池モジュールの、安全性及び性能の測定に関する国際電気標準会議（ＩＥＣ）の基準に従って行われる。
【００１４】
図１及び図２を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池モジュール１の分解図であり、図２は、図１に示す燃料電池モジュール１の組立図である（２Ｗの燃料電池を例にする）。図１及び図２に示すように、本発明による燃料電池モジュール１は、アノード流路板１０、空気と接触するカソード板１２、中間接着材１４ａ、中間接着材１４ｂ、ＭＥＡ１６、及び防漏接着層１８ａを重ねて組み立てたものである。アノード流路板１０は、アノードと流路板とを統合してつくった部品である（詳細については後述する）。
【００１５】
中間接着材１４ａ、中間接着材１４ｂ、ＭＥＡ１６、防漏接着層１８ａ、及び防漏接着層１８ｂは、アノード流路板１０とカソード流路板１２との間に重ねて設けられている。中間接着材１４ａ及び中間接着材１４ｂには、ＭＥＡ１６を収容するための開口部が設けられ、ＭＥＡ１６の両面は、アノード流路板１０のアノード集電板１１０ａ及びアノード集電板１１０ｂ、並びにカソード板１２のカソード集電領域１２０ａ及びカソード集電領域１２０ｂにそれぞれ接触する。
【００１６】
アノード集電板１１０ａ及びアノード集電板１１０ｂは、メタノールの酸化反応により生成した電子を集め、アノード集電板１１０ａ及びアノード集電板１１０ｂと接続されたアノード支持基板１００を通して外部に送り出す。アノード集電板１１０ａ及びアノード集電板１１０ｂの上には、反応物と生成物とを交換するための複数の孔が設けられている。
【００１７】
アノード集電板１１０ａ及びアノード集電板１１０ｂと、カソード１２とは、金、白金、銀、アルミニウム、クロム、チタン、カドミウム等の金属や、金属酸化物、ステンレス鋼等の金属合金、または炭素、石墨、ＦＲ４、ＦＲ５などの非金属材料からなる複合材で作られる。アノード集電板１１０ａ及びアノード集電板１１０ｂは、電気めっき、無電解めっき、スパッタリング、またはその他化学的・物理的堆積法で導電層を基板に付着させることによって製作される。前記基板の上には、前記基板をを被覆した少なくとも１枚の導電層が必要である。カソード１２は、印刷回路基板（ＰＣＢ）、プラスチック基板、石墨基板、または金属基板で製作され、その中でもＰＣＢが最も好ましい。前記ＰＣＢの基材は、例えば銅張積層板であり、前記銅張積層板の基材は、例えばガラス繊維強化ポリマーである。
【００１８】
カソード１２は、基板、少なくとも１つのカソード集電領域１２０ａ、少なくとも１つのカソード集電領域１２０ｂ、及び複数の貫通孔を含む。カソード１２の製作について、まずフォトリソグラフィーで基板の表裏両面に少なくとも１つのカソード領域を定め、このカソード領域に穴を開けてカソード１２と前記カソード領域とを貫通する複数の貫通孔を形成する。更に前記カソード領域の表面に電気めっき、無電解めっき、スパッタリング、またはその他化学的・物理的堆積法で、前記カソード領域の表面と貫通孔の内壁とに少なくとも１枚の導電層（図示せず）を付着させ、カソード集電領域１２０ａ及びカソード集電領域１２０ｂを製作する。導電層は、銅、金、銀または白金等の金属で製作される。
【００１９】
中間接着材１４ａ及び中間接着材１４ｂは、アノード流路板１０とカソード板１２とを固着する効果がある。中間接着剤１４ａ及び中間接着材１４ｂは、プリプレグ接着材、エポキシ樹脂、またはその他の高分子接着材であって、高温状態で溶融してアノード流路板１０とカソード１２板とを固着する。
【００２０】
なお、本発明のプロトン交換膜１１６として、デュポン社のNafionやその他の炭化水素系のプロトン交換膜を利用することが可能である。
【００２１】
本発明の特徴は、燃料電池モジュール１に防漏接着層１８ａ及び防漏接着層１８ｂを設けることにある。防漏接着層１８ａ及び防漏接着層１８ｂは、ＭＥＡ１６の周辺に沿って配置され、ＭＥＡ１６を囲んでフレーム型となる。ＭＥＡ１６とプロトン交換膜１１６との外縁を固定し、両者の外縁と中間接着材１４ａ及び中間接着材１４ｂとの接触を防止するため、フレームの４つの側辺には一定の幅を持たせている。
【００２２】
本発明の防漏接着層１８ａ及び防漏接着層１８ｂは、ポリウレタン（ＰＵ）系接着材またはシリコーン系樹脂からなり、ＭＥＡ１６のプロトン交換膜１１６と中間接着材１４ａ及び中間接着材１４ｂとの間に良好な接着力を持たせる。
【００２３】
防漏接着層１８ａ及び防漏接着層１８ｂは、ＭＥＡ１６とプロトン交換膜１１６との外縁を固定し、両者の外縁と中間接着材１４ａ及び中間接着材１４ｂとの接触を防止することが出来るので、ＭＥＡ１６のプロトン交換膜１１６と、中間接着材１４ａ及び中間接着材１４ｂとの間の接着力が足りないという従来の問題を解決し、メタノール液漏れの経路を遮断することができる。
【００２４】
注目すべき点として、本発明の他の実施例では、ＭＥＡ１６とアノード流路板１０との間にのみ防漏接着層１８ａを設け、ＭＥＡ１６とカソード板１２との間に防漏接着層１８ｂを設けないことも可能である。この方法は、コストを節減しながらも上記と同様な効果を実現できる。
【００２５】
本発明による燃料電池モジュール１のもう一つの特徴は、アノード流路板１０の設計にある。図３と図４を参照して説明する。図３は、図１に示すアノード流路板１０の正面図であり、図４は、図１に示すアノード流路板１０の分解図である。
【００２６】
図３及び図４に示すように、アノード流路板１０は、ＰＣＢ製作工程で形成された、導電回路１１４ａ及び導電回路１１４ｂを備えたアノード支持基板１００と、アノード支持基板１００の対応した開口部に圧着・溶接して固着した、アノード集電板１１０ａ及びアノード集電板１１０ｂとを含む。アノード集電板１１０ａは、導電回路１１４ａの一端と電気的に接続され、アノード集電板１１０ｂは、導電回路１１４ｂの一端と電気的に接続されている。
【００２７】
アノード流路板１０は、可撓性のある、金属板１１２ａ及び金属板１１２ｂをさらに含む。金属板１１２ａは、導電回路１１４ａの他端と電気的に接続され、金属板１１２ｂは、導電回路１１４ｂの他端と電気的に接続されている。実装後、電池セル同士は、金属板１１２ａ金属板１１２ｂを介して直列接続または並列接続することができる。
【００２８】
注目すべき点として、アノード流路板１０の、金属板１１２ａ及び金属板１１２ｂと、アノード支持基板１００とは、点溶接または半田付けで連結されており、アノード集電板１１０ａ及びアノード集電板１１０ｂとアノード支持基板１００とについても、点溶接または半田付けで連結されている。
【００２９】
図４に示すように、アノード支持基板１００、金属板１１２ａ及び金属板１１２ｂ、並びにアノード集電板１１０ａ及びアノード集電板１１０ｂを個別に溶接・圧着した後はアノード１０１となり、アノード１０１、接着材２４０、及び流路板１０２を圧着した後はアノード流路板１０となる。接着材２４０は、プリプレグ接着材またはエポキシ樹脂を含む。
【００３０】
金属板１１２ａ及び金属板１１２ｂと対応する、アノード集電板１１０ａ及びアノード集電板１１０ｂは、直接に接触せず、ＰＣＢ製作工程でアノード支持基板１００の表面に形成された導電回路１１４ａ及び導電回路１１４ｂと電気的に接続されている。金属板１１２ａ及び金属板１１２ｂと対応する、アノード集電板１１０ａ及びアノード集電板１１０ｂの間の凹部は、後続の実装工程において接着材１４ａで充填することが出来るので、メタノールが金属板１１２ａ及び金属板１１２ｂから漏れることを防止できる。
【００３１】
従って本発明は、集電板基板を曲げるときの応力によって粘着効果が低下することや、粘着材と集電板基板との間の界面が、熱衝撃実験における温度の変化に伴う金属の膨張・収縮によって破壊される等の従来の問題を解決できる。
【００３２】
本発明のもう一つの特徴は、アノード集電板１１０ａ及びアノード集電板１１０ｂの集電板基板２０１として、SS316Lなどのステンレス鋼を用い、それを銅、金、銀、白金などの耐腐食性導電層２０２で被覆することにある（特に銀が安価である）。図５に示すように、導電層２０２は、ステンレス鋼基板２０１を完全に被覆し、メタノール溶液との接触を遮断する。もっとも、集電板基板２０１を金属以外の材料で製作することも可能である。
【００３３】
アノード集電板１１０ａ及びアノード集電板１１０ｂに銀を堆積する方法の利点は、良好な導電性及び耐腐食性が得られ、燃料電池モジュール１０の性能と耐久性を向上させることなる。なお、金属板１１２ａ及び金属板１１２ｂは、メタノールと直接接触しないため、銅で製作することができる。
【００３４】
以上は本発明に好ましい実施例であって、本発明の実施の範囲を限定するものではない。よって、当業者のなし得る修正、もしくは変更であって、本発明の精神の下においてなされ、本発明に対して均等の効果を有するものは、いずれも本発明の特許請求の範囲に属するものとする。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は燃料電池の構造を変更したものであり、実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明による燃料電池モジュールの分解図である。
【図２】図１に示す燃料電池モジュールの組立図である。
【図３】図１に示すアノード流路板の正面図である。
【図４】図１に示すアノード流路板の分解図である。
【図５】本発明による集電板基板の断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１                  燃料電池モジュール
１０                アノード流路板
１２                カソード板
１４ａ、１４ｂ      中間接着材
１６                ＭＥＡ
１８ａ、１８ｂ      防漏接着層
１００              アノード支持基板
１０１              アノード
１０２              流路板
１１０ａ、１１０ｂ  アノード集電板
１１２ａ、１１２ｂ  金属板
１１４ａ、１１４ｂ  導電回路
１１６              プロトン交換膜
１２０ａ、１２０ｂ  カソード集電領域
２０１              集電板基板
２０２              導電層
２４０              接着材
【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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