(57)【要約】【課題】耐食性と導電性の両面に優れ、装置の小型化、薄型化が可能であり、生産性に優れ、コストダウンを図ることが可能な発電セル等を提供する。【解決手段】絶縁材料で形成されたセパレータ１１，１２の表面に導電体層１９ａ，１９ｂを、また、内部配線を通じて導電体層等に結線された接続端子２０ａ，２０ｂ，３８ａ，３８ｂを設ける。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁材料で形成された基板の表面に、導電体層が設けられていることを特徴とする燃料電池のセパレータ。
【請求項２】
上記導電体層によって集電を行うことを特徴とする請求項１記載の燃料電池のセパレータ。
【請求項３】
上記導電体層によって電気回路が形成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池のセパレータ。
【請求項４】
上記基板には、燃料、酸化剤ガス、生成水等の流体が流通される流路が形成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池のセパレータ。
【請求項５】
絶縁材料で形成された基板の表面に電気回路を形成する導電体層が設けられた一対のセパレータと、
上記一対のセパレータによって挟持される膜・電極接合体と、
を有することを特徴とする発電セル。
【請求項６】
上記一対のセパレータには、外部と電気的に接続するための接続端子が設けられていることを特徴とする請求項５記載の発電セル。
【請求項７】
絶縁材料で形成された基板の表面に電気回路を形成する導電体層が設けられた一対のセパレータと、上記一対のセパレータによって挟持される膜・電極接合体と、を有する発電セルが複数個設けられ、
上記複数個の発電セルが互いに積み重ねられて積層されると共に、当該複数個の発電セル間が電気的に直列又は並列に接続されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
上記発電セルが複数個積み重ねられることによって形成される発電セル積層体を有し、上記発電セル積層体が複数個配列されると共に、当該複数個の発電セル積層体が電気的に直列又は並列に接続されていることを特徴とする請求項７記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に用いられるセパレータ、このセパレータと膜・電極接合体とを有してなる発電セル、及び複数個の発電セルが積み重ねられた発電セル積層体を備えてなる燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、燃料電池は、燃料気体を供給することにより発電体に電力を発生させる装置であり、供給されるガスの化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換するので、高い発電効率が期待できる。
【０００３】
従来の燃料電池としては、例えば、図１２に示すような構造のものが知られている。この燃料電池１は、高分子電解質膜が中央に配置された膜・電極接合体２と、この膜・電極接合体２の一面側に配置された燃料電極側セパレータ３と、膜・電極接合体２の他面側に配置された酸化剤電極側セパレータ４とを有している。両セパレータ３，４で膜・電極接合体２を挟み込み、これらを締め付けることによって１個の発電セルが形成され、この発電セルを複数個積み重ねることによって燃料電池が構成されている。
【０００４】
膜・電極接合体２は、中央の高分子電解質膜５と、この高分子電解質膜５の一面側に配置された燃料側電極６と、高分子電解質膜５の他面側に配置された酸化剤側電極７とから構成されている。更に、燃料側電極６は、互いに接合された燃料極触媒層６ａと多孔質支持層６ｂとからなり、燃料極触媒層６ａが高分子電解質膜５に接触されている。また、酸化剤側電極７は、互いに接合された酸化剤極触媒層７ａと多孔質支持層７ｂとからなり、酸化剤極触媒層７ａが高分子電解質膜５に接触されている。
【０００５】
燃料電極側セパレータ３には燃料が流通される複数の溝が形成されており、その一面が燃料側電極６の多孔質支持層６ｂに接触され、これにより燃料の流通路８が形成されている。また、酸化剤電極側セパレータ４には酸化剤が流通される複数の溝が形成されており、その一面が酸化剤側電極７の多孔質支持層７ｂに接触され、これにより酸化剤の流通路９が形成されている。
【０００６】
このような燃料電池のセパレータの材質としては、導電性のカーボン系材料を機械加工や成形によって作ったもの、或いは金属プレートを用いたもの等が使用されている。このセパレータには、ガス不透過性、導電性、耐食性、機械的強度、低コスト等が要求されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のカーボン系材料のセパレータを用いたスタック型の燃料電池の場合、セパレータを薄くすると機械的強度が低くなるためセパレータを薄くすることができず、また、カーボン系材料の導電性が低いために抵抗成分が増加したり別に集電板が必要になり、しかも微細加工がし難い等の問題がある。そのため、カーボン系材料のセパレータを用いた場合には、燃料電池の小型化、薄型化が困難であるという課題があった。一方、金属製のセパレータを用いた燃料電池の場合には、低コスト化を図ることはできるが、耐食性の点で非常に劣るという課題があった。
【０００８】
更に、セパレータがカーボン系材料及び金属材料のいずれの場合においても、材料そのものが導電性を有するため、複数の発電セルをスタックする場合には、必然的に膜・電極接合体とセパレータを交互に配置して積層する構造となる。その結果、複数の発電セルは機械的にも電気的にも直列に接続されることになるが、個々の発電セルを機械的、電気的に制御するという要求が生じた場合には、これに対処し難いという不十分な点がある。また、燃料電池の量産性を考慮すると、全てのセパレータ及び膜・電極接合体を積層・組立して始めて動作確認が可能となる従来のスタック構造の燃料電池では、歩留りが悪く、コスト面で問題が残るという課題があった。
【０００９】
本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたものであり、耐食性と導電性の両面に優れ、装置の小型化、薄型化が可能であり、生産性に優れ、コストダウンを図ることが可能であって、上述したような課題を解決することができるセパレータ、発電セル及び燃料電池を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述したような課題等を解決し、上記目的を達成するために、本出願の請求項１記載の燃料電池のセパレータは、絶縁材料で形成された基板の表面に、導電体層が設けられていることを特徴としている。
【００１１】
本出願の請求項２記載の燃料電池のセパレータは、導電体層によって集電を行うことを特徴としている。
【００１２】
本出願の請求項３記載の燃料電池のセパレータは、導電体層によって電気回路が形成されていることを特徴としている。
【００１３】
本出願の請求項４記載の燃料電池のセパレータは、基板には、燃料、酸化剤ガス、生成水等の流体が流通される流路が形成されていることを特徴としている。
【００１４】
本出願の請求項５記載の発電セルは、絶縁材料で形成された基板の表面に電気回路を形成する導電体層が設けられた一対のセパレータと、一対のセパレータによって挟持される膜・電極接合体と、を有することを特徴としている。
【００１５】
本出願の請求項６記載の発電セルは、一対のセパレータには、外部と電気的に接続するための接続端子が設けられていることを特徴としている。
【００１６】
本出願の請求項７記載の燃料電池は、絶縁材料で形成された基板の表面に電気回路を形成する導電体層が設けられた一対のセパレータと、一対のセパレータによって挟持される膜・電極接合体と、を有する発電セルが複数個設けられ、複数個の発電セルが互いに積み重ねられて積層されると共に、複数個の発電セル間が電気的に直列又は並列に接続されていることを特徴としている。
【００１７】
本出願の請求項８記載の燃料電池は、発電セルが複数個積み重ねられることによって形成される発電セル積層体を有し、発電セル積層体が複数個配列されると共に、複数個の発電セル積層体が電気的に直列又は並列に接続されていることを特徴としている。
【００１８】
上述のように構成したことにより、本出願の請求項１記載の燃料電池のセパレータでは、耐食性と導電性の両面に優れたセパレータを作ることができる。
【００１９】
本出願の請求項２記載の燃料電池のセパレータでは、絶縁材料を基材としながらもセパレータに電気を集めることができる。
【００２０】
本出願の請求項３記載の燃料電池のセパレータでは、セパレータに電気配線を形成することができ、電気的接続のための多様な接続形態を採ることができる。
【００２１】
本出願の請求項４記載の燃料電池のセパレータでは、絶縁材料を基板とした積層技術等を応用することにより、燃料、酸化剤ガス等の流体が流通される微細な流路を形成することができ、セパレータの小型化、薄型化を図ることができる。
【００２２】
本出願の請求項５記載の発電セルでは、絶縁基板と導電体層の材料をそれぞれ個別に選択することにより、耐食性と導電性の両面に優れたセパレータを有し、耐久性に優れた発電セルを提供することができる。
【００２３】
本出願の請求項６記載の発電セルでは、積層体中の１個の発電セルを独立した１個の燃料電池として取り扱うことを可能とすることができる。
【００２４】
本出願の請求項７記載の燃料電池では、発電セルの良品のみを選別して組立生産することができ、歩留りの向上、コスト削減が可能な燃料電池を提供することができる。また、修理時の部品交換も容易に行うことができる。
【００２５】
本出願の請求項８記載の燃料電池では、独立した発電セル積層体を任意に配置して燃料電池を構成することができ、様々な寸法、サイズの燃料電池を作ることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。図１乃至図１１は本発明の実施の例を示すものである。即ち、図１は本発明の発電セルの第１の実施例を示す組立前の断面図、図２は図１に示す酸化剤電極側セパレータの平面図、図３は同じく正面図、図４は図１に示す燃料電極側セパレータの平面図、図５は同じく正面図、図６は同じく分解斜視図、図７は本発明の第１の実施例に係る発電セルを３個積層した発電セル積層体の一実施例を示す断面図、図８は本発明の発電セルの第２の実施例を示す組立前の断面図、図９Ａ，Ｂは本発明の発電セルの第３の実施例を示す平面図及び正面図、図１０は図９Ｂの要部を拡大して示す説明図、図１１は本発明の燃料電池の一実施例を示す斜視図である。
【００２７】
図１に示すように、本発明の発電セルの第１の実施例を示す発電セル１０は、２個の酸化剤電極側セパレータ１１，１２と、２個の膜・電極接合体１３，１４と、燃料電極側セパレータ１５とを備えて構成されている。２個の酸化剤電極側セパレータ１１，１２は同一のものを用いることができるが、異なる形状、構造を有するものであってもよい。この実施例では、２個の酸化剤電極側セパレータ１１，１２として、同一のものが使用されている。
【００２８】
図２及び図３に示すように、酸化剤電極側セパレータ１１，１２は、矩形をなす薄い平板状の部材からなり、その一方の面には、一方の辺から他方の辺まで連続する複数の連通溝１７が、互いに所定間隔あけて平行に延在されて設けられている。そして、各連通溝１７の中途部には、他方の面まで貫通する貫通穴１８が設けられている。この連通溝１７により、酸素、空気等の酸化剤が流れる流路が構成され、また、貫通穴１８により、酸化剤を取り入れるための酸化剤供給口が構成されている。この酸化剤供給口１８から酸化剤が、ファン等で内部に供給可能とされている。
【００２９】
尚、酸化剤供給口１８は、これとは異なる構成として、例えば、大気に開放された窓として構成することもできる。また、例えば、酸化剤供給口１８に圧力送風装置等を接続し、流体の密閉された圧送用流路として構成してもよい。
【００３０】
酸化剤電極側セパレータ１１，１２の材質としては、セラミックス、ガラス、シリコン等の無機材料、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の有機材料、或いはガラス繊維入りエポキシ樹脂のような有機・無機混成の材料を用いることができる。その結果、これらの材料によって形成された酸化剤電極側セパレータ１１，１２は、絶縁性を有する絶縁基板として構成される。特に好ましい材質としては、強度や微細加工の容易性等を考慮すると、セラミックス、シリコン等の無機材料が好適である。
【００３１】
各セパレータ１１，１２の連通溝１７が設けられた面と反対側の面は、全面に渡って平滑な平面とされている。かかるセパレータ１１，１２の平面の、膜・電極接合体１３，１４の電極が接触する部分には、集電のための導電体層１９ａ，１９ｂが設けられている。導電体層１９ａ，１９ｂは、例えば、金属のメッキやスパッタ等の薄膜によって形成される。この導電体層１９ａ，１９ｂの材質としては、導電性、耐食性に優れた材料が好ましい。
【００３２】
更に、各セパレータ１１，１２には、外部の電子機器等と電気的に接続するか他の発電セルのセパレータ１１，１２と電気的に接続するための接続端子２０ａ，２０ｂが設けられている。第１の酸化剤電極側セパレータ１１の接続端子２０ａは、その導電体層１９ａと接続されていないが、第２の酸化剤電極側セパレータ１２の接続端子２０ｂは、その導電体層１９ｂと接続されている。これら接続端子２０ａ，２０ｂは、ランド型、ピン型その他各種のものを用いることができ、その形状、接続方法等を問うものではない。
【００３３】
２個の膜・電極接合体１３，１４は、異なる形状、構造を有するものであってもよいが、この実施例では、同一の形状、構造を有する同一のものが使用されている。膜・電極接合体１３，１４は、中央に配置された略矩形をなすイオン伝導体膜２１と、このイオン伝導体膜２１の両面に接合された触媒電極２２，２３と、これら触媒電極２２，２３の外側に接合されたガス拡散層２４，２５とから構成されている。
【００３４】
触媒電極２２，２３及びガス拡散層２４，２５は、イオン伝導体膜２１の四辺に所定幅の縁取り部ができるように若干小さく形成されている。そして、イオン伝導体膜２１の縁取り部辺には、ガスシールするためのガスケット２６が取り付けられている。図２に示す符号Ｅは、膜・電極接合体１３，１４の輪郭を現しており、各セパレータ１１，１２に対して、このような寸法関係をもって配置される。
【００３５】
燃料電極側セパレータ１５は、図４〜図６に示すような構成を有している。即ち、燃料電極側セパレータ１５は、矩形をなす薄い板状の部材からなり、その四辺のうちの一辺のみには、他の部分よりも肉厚とされたボス部２８が設けられている。燃料電極側セパレータ１５のボス部２８は、所定の幅をもって一辺の全長に渡って形成されており、その長手方向の一側には燃料供給口２９が設けられ、長手方向の他側には燃料排出口３０が設けられている。
【００３６】
燃料電極側セパレータ１５の中央部には、一面側に開口された略矩形をなす第１の凹陥部３１と、他面側に開口された略矩形をなす第２の凹陥部３２とが設けられている。これら第１及び第２の凹陥部３１，３２内には、組立時において、上述した膜・電極接合体１３，１４が収納される。更に、両凹陥部３１，３２間に残された肉厚部には、燃料供給用の流路３３が設けられている。この流路３３は、各凹陥部３１，３２の表面において略全面に渡って展開されるように幾重にも折り曲げられたつづら折り状の表面流路部３４ａ，３４ｂと、これら表面流路部３４ａ，３４ｂと燃料供給口２９とを連通する供給側連通部３５ａと、表面流路部３４ａ，３４ｂと燃料排出口３０とを連通する排出側連通部３５ｂとを有している。
【００３７】
流路３３が複雑な形状を有し、しかも、その流路３３が肉厚の極めて薄い部分に形成されている。そのため、この実施例では、図６に示すように、燃料電極側セパレータ１５を複数個のパーツに分解し、それらパーツを組み合わせて一体化させることによって燃料電極側セパレータ１５が作られている。即ち、燃料電極側セパレータ１５は、上から順に重ね合わされる、上ボス板４０と上枠板４１と上流路板４２と連通路板４３と下流路板４４と下枠板４５と下ボス板４６とから構成されている。
【００３８】
上ボス板４０及び下ボス板４６は、同様の形状及び大きさを有する薄い棒状の部材からなり、これらは燃料電極側セパレータ１５のボス部２８に対応されている。更に、下ボス板４６には、燃料供給口２９及び燃料排出口３０の一部をなす供給口用穴２９ａと排出口用穴３０ａとが、長手方向に所定の間隔をあけてそれぞれ上下方向へ貫通するように設けられている。
【００３９】
上枠板４１と上流路板４２と連通路板４３と下流路板４４と下枠板４５とは、略同じ大きさを有する矩形の薄い板状の部材によって形成されている。上枠板４１と下枠板４５には、略矩形をなす開口部が表裏面間を貫通するようにそれぞれ設けられている。これらの開口部によって上述した第１及び第２の凹陥部３１，３２が形成されている。更に、下枠板４５の一辺で上記供給口用穴２９ａ及び排出口用穴３０ａと対応する位置には、同じく燃料供給口２９及び燃料排出口３０の一部をなす供給口用穴２９ｂと排出口用穴３０ｂとが、長手方向に所定の間隔をあけてそれぞれ設けられている。
【００４０】
上流路板４２と下流路板４４には、つづら折り状に複数箇所で折り曲げられた表面流路部３４ａ，３４ｂが表裏面間を貫通するように設けられている。各表面流路部３４ａ，３４ｂは、上下のボス板４０，４６が延びる方向に延在され且つ互いに平行に配置された複数の直線部と、これら直線部の両端部を曲線によって連通する複数の曲線部との組み合わせによって形成されている。更に、下流路板４４の一辺で上記供給口用穴２９ｂ及び排出口用穴３０ｂと対応する位置には、同じく燃料供給口２９及び燃料排出口３０の一部をなす供給口用穴２９ｃと排出口用穴３０ｃとが、長手方向に所定の間隔をあけてそれぞれ設けられている。
【００４１】
また、連通路板４３には、上下のボス板４０，４６が延びる方向と直交する方向に延在され且つ互いに平行に配置された供給側連通部３５ａと排出側連通部３５ｂとが設けられている。供給側連通部３５ａの一端は下流路板４４の供給口用穴２９ｃと対応する位置に設けられ、その他側に上下の表面流路部３４ａ，３４ｂの曲線部が複数箇所でそれぞれ連通されている。一方、排出側連通部３５ｂの一端は下流路板４４の排出口用穴３０ｃと対応する位置に設けられ、その他端に上下の表面流路部３４ａ，３４ｂの最もボス板４０，４６に近い側の直線部の一端がそれぞれ連通されている。
【００４２】
このような構成を有する上ボス板４０と上枠板４１と上流路板４２と連通路板４３と下流路板４４と下枠板４５と下ボス板４６とを重ね合わせて一体化させることにより、上述した燃料電極側セパレータ１５が構成されている。
【００４３】
この燃料電極側セパレータ１５の材質としては、上述した酸化剤電極側セパレータ１１，１２と同様に、セラミックス、ガラス、シリコン等の無機材料、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の有機材料、或いはガラス繊維入りエポキシ樹脂のような有機・無機混成の材料を用いることができ、絶縁性を有する絶縁基板として構成される。特に、強度や微細加工の容易性等を考慮すると、セラミックス、シリコン等の無機材料が好ましいことも同様である。尚、燃料としては、例えば、水素ガス、メタノール等が使用される。
【００４４】
この実施例においては、上述した各パーツをセラミックスで形成すると共に、各パーツが重ね合わされた積層体を、高温で加熱して焼結し又は溶融させて一体化させるようにしている。そして、上下の膜・電極接合体１３，１４の各電極部が接触する部分に、集電のための導電体層３７ａ，３７ｂが設けられている。更に、燃料電極側セパレータ１５のボス部２８と反対側の縁部分には各導電体層３７ａ，３７ｂに接続された接続端子３８ａ，３８ｂを設け、これら接続端子３８ａ，３８ｂの先端部が第１の酸化剤電極側セパレータ１１側に露出されている。一方の接続端子３８ａは酸化剤電極側セパレータ１１の接続端子２０ａに対向され、他方の接続端子３８ｂは酸化剤電極側セパレータ１１の導電体層１９ａに対向される。
【００４５】
このような構成を有する発電セル１０は、次のようにして簡単に組み立てることができる。まず、燃料電極側セパレータ１５の第１の凹陥部３１に第１の膜・電極接合体１３を嵌め込み、第２の凹陥部３２に第２の膜・電極接合体１４を嵌め込む。次に、燃料電極側セパレータ１５の第１の凹陥部３１側に第１の酸化剤電極側セパレータ１１を重ね合わせ、第２の凹陥部３２側に第２の酸化剤電極側セパレータ１２を重ね合わせる。その後、これら３個のセパレータ１１，１２及び１５を堅く締め付けて、或いは接着等の方法によって一体化させることにより、１個の発電セル１０が構成される。
【００４６】
この場合、第１の酸化剤電極側セパレータ１１に設けた導電体層１９ａが第１の膜・電極接合体１３の第１のガス拡散層２４を介して第１の触媒電極２２に接続される。そして、第１の膜・電極接合体１３の第２の触媒電極２３が第２のガス拡散層２５を介して燃料電極側セパレータ１５の第１の導電体層３７ａに接続される。同様に、第２の酸化剤電極側セパレータ１２に設けた導電体層１９ｂが第２の膜・電極接合体１４の第１のガス拡散層２４を介して第１の触媒電極２２に接続される。そして、第２の膜・電極接合体１４の第２の触媒電極２３が第２のガス拡散層２５を介して燃料電極側セパレータ１５の第２の導電体層３７ｂに接続される。
【００４７】
更に、燃料電極側セパレータ１５の第２の接続端子３８ｂが第１の酸化剤電極側セパレータ１１の導電体層１９ａに接続される。そして、燃料電極側セパレータ１５の第１の接続端子３８ａが第１の酸化剤電極側セパレータ１１の第１の接続端子２０ａに接続される。また、燃料電極側セパレータ１５の第１及び第２の凹陥部３１，３２内において、各膜・電極接合体１３，１４に設けたガスケット２６が圧縮されるため、各膜・電極接合体１３，１４が密閉された状態に保持される。
【００４８】
このように組み立てられた発電セル１０によれば、例えば、次のようにして発電が行われる。まず、水素ガスやメタノール等の燃料が燃料供給口２９から燃料電極側セパレータ１５内に導入される一方、空気や酸素等の酸化剤が第１及び第２の酸化剤電極側セパレータ１１の連通溝１７に流通される。
【００４９】
燃料供給口２９から供給された燃料は、供給側連通部３５ａを介して上下の表面流路部３４ａ，３４ｂ内に入り込み、第１及び第２の膜・電極接合体１３，１４の第２のガス拡散層２５及び触媒電極２３を介してイオン伝導体膜２１にそれぞれ接触される。一方、連通溝１７に流通された酸化剤は、各酸化剤電極側セパレータ１１，１２の貫通穴１８から取り込まれ、第１及び第２の膜・電極接合体１３，１４の第１のガス拡散層２４及び触媒電極２２を介してイオン伝導体膜２１にそれぞれ接触される。
【００５０】
その結果、燃料として供給される水素ガス（Ｈ２）と酸化剤として供給される酸素（Ｏ２）とが反応して、これにより所望の起電力が燃料電極側セパレータ１５の第１の導電体層３７ａと酸化剤電極側セパレータ１１の導電体層１９ａの間、及び燃料電極側セパレータ１５の第２の導電体層３７ｂと酸化剤電極側セパレータ１２の導電体層１９ｂの間から取り出される。これらの導電体層１９ａ，１９ｂ，３７ａ，３７ｂに集められた起電力は、第１及び第２の接続端子３８ａ，３８ｂを経由して接続端子２０ａ，２０ｂから外部に取り出すことができる。
【００５１】
この実施例によれば、１個の発電セル１０が２個の発電要素を有するため、２個の発電セルを互いに直列に接続した場合と同様の効果を得ることができる。例えば、１個の発電要素で得られる起電力が０．７Ｖ（ボルト）であるとすると、その２倍の１．４Ｖの起電力が発電セル１０の出力として得られる。
【００５２】
この実施例においては、燃料電極側セパレータ１５に燃料排出口３０を設け、この燃料排出口３０を燃料の流路３３と連通させる構成としたが、燃料供給口２９から入った燃料は流路３３を通って燃料排出口３０から出ていく間に消費されるため、燃料排出口３０を設けない構造とすることもできる。また、燃料供給口２９を燃料電極側セパレータ１５と一体に構成したが、別部品として継ぎ手等を設けて燃料供給口とする構成としてもよい。更に、この実施例では、燃料供給のための流路を２個の膜・電極接合体１３，１４が表裏両側から共有する構造としたため、発電セル全体の厚みをより薄くすることが可能となった。
【００５３】
図７は、上述した発電セル１０を３個積層させて発電セル積層体５０を構成し、この発電セル積層体５０を燃料電池とした実施例を示すものである。この場合、発電セル１０が上述したような構成を有するため、３個の発電セル１０を単に縦方向に積み重ねるだけで、上下の発電セル１０間を電気的に接続することができる。この際、燃料電極側セパレータ１５の燃料供給口１５は、図示したように、ボス部２８の上下方向に貫通させる構成にするとよい。そして、各燃料供給口１５を、互いにリークのない状態でシールし、すべての発電セル１０を締め付けて固定する。
【００５４】
この実施例の発電セル積層体５０では、各発電セル１０によって発電された起電力は、次のようにして伝達されて一箇所に集められる。まず、下段の発電セル１０によって発電された起電力は、その第１の接続端子２０ａから中段の発電セル１０の下側の第２の接続端子２０ｂを介して第２の導電体層１９ｂに伝達される。ここから起電力は、第２の膜・電極接合体１４を介して燃料電極側セパレータ１５の第２の導電体層３７ｂに伝達される。そして、第２の導電体層３７ｂの第２の接続端子３８ｂから上側の第１の導電体層１９ａを経た後、第１の膜・電極接合体１３を介して燃料電極側セパレータ１５の第１の導電体層３７ａに伝達される。
【００５５】
その後、第１の接続端子３８ａから第１の接続端子２０ａを介して上段の発電セル１０に伝達される。この上段の発電セル１０においても、中段の発電セル１０と同様の経路を経て伝達され、最終的に第１の酸化剤電極側セパレータ１１の第１の接続端子２０ａから取り出される。この実施例によれば、６個の発電要素を互いに直列に接続した場合と同様の効果を得ることができる。例えば、１個の発電要素で得られる起電力が０．７Ｖであるとすると、その６倍の４．２Ｖが、発電セル積層体５０の出力として得られる。
【００５６】
また、この実施例に係る発電セル積層体５０によれば、酸化剤供給用の流路１７を上下２個の発電セル１０で共有する構造となっているため、燃料電池全体の高さをより薄くすることができる。更に、酸化剤の供給や生成水の処理を、より一層簡便化することもできる。
【００５７】
図８は、本発明の発電セルの第２の実施例を示すものである。この発電セル６０は、１個の発電要素を有するもので、酸化剤電極側セパレータ６１と燃料電極側セパレータ６２と膜・電極接合体６３とから構成されている。酸化剤電極側セパレータ６１の構成は、上記実施例の第２の酸化剤電極側セパレータ１２と略同様であり、一面には複数の連通溝１７が設けられ、他面には導電体層６４ａが設けられている。そして、導電体層６４ａには接続端子６５ａが接続されている。この酸化剤電極側セパレータ６１が酸化剤電極側セパレータ１２と異なるところは、燃料供給口６６ａ及び燃料排出口（図示せず）を設けた点である。
【００５８】
燃料電極側セパレータ６２は、上述した燃料電極側セパレータ１５の下半分を取り除いたような構成とされている。即ち、燃料電極側セパレータ６２は、矩形をなす薄い板状の部材からなり、その一面にのみ膜・電極接合体６３が収納される凹陥部６７が設けられている。この凹陥部６７内には、燃料が流通される流路６８が形成されている。この流路６８は、１個の表面流路部と供給側連通部及び排出側連通部とからなり、供給側連通部に燃料供給口６６ｂが連通され、排出側連通部に燃料排出口が連通されている。
【００５９】
更に、燃料電極側セパレータ６２の凹陥部６７内には、導電体層６４ｂが設けられている。そして、導電体層６４ｂには、外部の機器等と接続するための接続端子６５ｂが接続されている。膜・電極接合体６３は、上記実施例と同様のものである。この膜・電極接合体６３が燃料電極側セパレータ６２の凹陥部６７内に収納され、これを挟み込むように酸化剤電極側セパレータ６１が燃料電極側セパレータ６２に重ね合わされ、両セパレート６１，６２をシールして固定することにより、発電セル６０が構成される。
【００６０】
この発電セル６０を複数個積層し、一体的に固定することによって燃料電池が構成される。また、複数の発電セル６０を平面上に並べて平面配列とすることにより、薄型の燃料電池を構成することができる。
【００６１】
図９Ａ，Ｂ及び図１０は、本発明の発電セルの第３の実施例を示すものである。この発電セル７０は、上述した第１の実施例に係る発電セル１０の構成を若干変更すると共に、２個の発電要素を並列に接続して出力を取り出すようにしたものである。図９Ａ，Ｂに示すように、発電セル７０は、２個の酸化剤電極側セパレータ７１，７２と、２個の膜・電極接合体７３，７４と、燃料電極側セパレータ７５とを備えて構成されている。
【００６２】
第１の酸化剤電極側セパレータ７１は、上述した第１の酸化剤電極側セパレータ１１と同様の構成を有している。そして、酸化剤電極側セパレータ７１の一面には複数の連通溝１７が形成され、他面には第１の導電体層７６ａが設けられている。第２の酸化剤電極側セパレータ７２は、燃料電極側セパレータ７５と同一の大きさとされていて、一面には複数の連通溝１７が形成され、他面には、第２の膜・電極接合体７４を収納するための凹陥部７７ａが設けられている。そして、凹陥部７７ａの内面には第２の導電体層７６ｂが設けられている。更に、酸化剤電極側セパレータ７２には、燃料供給口７８ａと燃料排出口７９ａとが設けられている。そして、これら燃料供給口７８ａ及び燃料排出口７９ａの内面には、シール材が装着される凹部８０ａが設けられている。
【００６３】
燃料電極側セパレータ７５の一面には、第１の膜・電極接合体７３を収納するための凹陥部７７ｂと、一面側にのみ突出するボス部７１ａとが設けられている。そして、ボス部７１ａには、酸化剤電極側セパレータ７２の燃料供給口７８ａ及び燃料排出口７９ａと連通される燃料供給口７８ｂ及び燃料排出口７９ｂが設けられている。そして、ボス部７１ａの酸化剤電極側セパレータ７２と反対側の面には、シール材が装着される凹部８０ｂが設けられている。更に、凹陥部７７ｂの内面には下側導電体層８１ａが設けられ、反対側の面には上側導電体層８１ｂが設けられている。そして、燃料電極側セパレータ７５には、燃料電極側セパレータ１５に設けた流路３３と同様の構成を有する流路８２が設けられている。
【００６４】
このような構成を有する発電セル７０の２個の膜・電極接合体７３，７４は、例えば、図１０に示すように配線して互いに電気的に接続するようにする。即ち、第１の酸化剤電極側セパレータ７１の第１の導電体層７６ａと第２の酸化剤電極側セパレータ７２の第２の導電体層７６ｂを接続し、これを取り出すことによってプラス側の電極取出部が得られる。また、燃料電極側セパレータ７５の下側導電体層８１ａと上側導電体層８１ｂを接続し、これを取り出すことによってマイナス側の電極取出部が得られる。
【００６５】
これにより、２個の発電要素が並列接続された燃料電池が構成される。この場合、１個の発電要素当たりの起電力が０．７Ｖであるものとすると、両電極取出部からは、同じく０．７Ｖの起電力が出力される。
【００６６】
図１１は、上述した発電セル１０を用いて、カード型燃料電池９０を構成したものである。このカード型燃料電池９０は、矩形状をなす配線基板９１と、この配線基板９１上に横２列で３個ずつ合計６個並べられた発電セル１０と、同じく配線基板９１上に搭載された制御回路部９２と、発電セル１０に風を送って冷却させる２個のファン９３と、接続部９４等を備えて構成されている。
【００６７】
このようなカード型燃料電池９０によれば、例えば、ＰＣカードとして標準化されたサイズ（ＪＥＩＤＡ／ＰＣＭＣＩＡにより標準化されたサイズ）に構成することにより、カードサイズの燃料電池として用いることができると共に、単なる発電デバイスとしてではなく情報処理機構も備えた電池として用いることもできる。
【００６８】
以上説明したが、本発明は上記実施の例に限定されるものではなく、例えば、図１に示した実施例の変形例として、２個の膜・電極接合体を、それらの酸化剤電極を内側に向けて内蔵する構成とすることができ、また、３個以上の膜・電極接合体を内蔵する構成としてもよい。このように、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更できるものである。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明したように、本出願の請求項１記載の燃料電池のセパレータによれば、基板の表面に導電体層を設け、絶縁材料と導電材料とを個別に選択できるように構成したため、耐食性と導電性の両面に優れたセパレータを作ることができるという効果を得ることができる。
【００７０】
本出願の請求項２記載の燃料電池のセパレータによれば、導電体層で集電を行う構成としたため、絶縁材料を基板としたセパレータ側に電気を集めることができるという効果を得ることができる。
【００７１】
本出願の請求項３記載の燃料電池のセパレータによれば、導電体層で電気回路を形成することにより、セパレータに電気配線を形成することができ、電気的接続のための多様な接続形態を採ることができるという効果を得ることができる。
【００７２】
本出願の請求項４記載の燃料電池のセパレータによれば、絶縁材料を基板とした積層技術等を利用して基板に流路を形成することにより、燃料、酸化剤ガス等の流体が流通される微細な流路を形成することができ、セパレータの小型化、薄型化を図ることができるという効果を得ることができる。
【００７３】
本出願の請求項５記載の発電セルによれば、導電体層が設けられた一対のセパレータで膜・電極接合体を挟持する構成とし、セパレータの材料として絶縁基板と導電体層の材料をそれぞれ個別に選択することとしたため、耐食性と導電性の両面に優れたセパレータを有し、耐久性に優れた発電セルを提供することができるという効果を得ることができる。
【００７４】
本出願の請求項６記載の発電セルによれば、一対のセパレータに接続端子を設ける構成としたため、１個の発電セルを独立した１個の燃料電池として取り扱うことを可能とすることができるという効果を得ることができる。
【００７５】
本出願の請求項７記載の燃料電池によれば、複数個の発電セルを積層させて発電セル間を電気的に直列又は並列に接続する構成としたため、発電セルの良品のみを選別して組立生産することができ、歩留りの向上、コスト削減が可能な燃料電池を提供することができるという効果を得ることができる。
【００７６】
本出願の請求項８記載の燃料電池によれば、複数の発電セル積層体を複数個配列し、発電セル積層体間を電気的に直列又は並列に接続する構成としたため、独立した発電セル積層体を任意に配置して燃料電池を構成することができ、様々な寸法、サイズの燃料電池を作ることができるという効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の発電セルの第１の実施例を示す組立前の断面図である。
【図２】本発明の発電セルの第１の実施例に係る酸化剤電極側セパレータを示す平面図である。
【図３】本発明の発電セルの第１の実施例に係る酸化剤電極側セパレータを示す正面図である。
【図４】本発明の発電セルの第１の実施例に係る燃料電極側セパレータを示す平面図である。
【図５】本発明の発電セルの第１の実施例に係る燃料電極側セパレータの中央部を断面して示す説明図である。
【図６】本発明の発電セルの第１の実施例に係る燃料電極側セパレータを分解して示す斜視図である。
【図７】本発明の発電セルの第１の実施例を３個積層して構成した発電セル積層体の一実施例を示す断面図である。
【図８】本発明の発電セルの第２の実施例を示す組立前の断面図である。
【図９】本発明の発電セルの第３の実施例を示すもので、同図Ａは平面図、同図Ｂは中央部断面図である。
【図１０】図９Ｂの要部を拡大して示す回路説明図である。
【図１１】本発明の発電セルを用いた燃料電池の実施例を示す斜視図である。
【図１２】従来の燃料電池を示す分解斜視図である。
【符号の説明】
１０，６０，７０　発電セル、　１１，１２，６１，７１，７２　酸化剤電極側セパレータ、　１３，１４，６３，７３，７４　膜・電極接合体、　１５，６２，７５　燃料電極側セパレータ、　１７　連通溝、　１８　貫通穴、　１９，１９ａ，１９ｂ，３７ａ，３７ｂ，６４ａ，６４ｂ，７６ａ，７６ｂ　導電体層、　２０，２０ａ，２０ｂ，３８ａ，３８ｂ，６５ａ，６５ｂ　接続端子、　２１　イオン伝導体膜、　２２，２３　触媒電極、　２４，２５　ガス拡散層、　２６　ガスケット、　２９　燃料供給口、　３０　燃料排出口、　３３，６８，８２　流路、　５０　発電セル積層体、　９０　カード型燃料電池
【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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