(57)【要約】【課題】薄型小型軽量化や高自由度な形状設計が可能な燃料電池を提供すること。【解決手段】還元ガスが供給・排出される還元ガス注入口２２・排出口２３と、この注入口２２と排出口２３とを接続する還元ガス用流路が設けられるアノード用パネル２と、酸化ガスが供給・排出される酸化ガス注入口１２・排出口と、この注入口１２と排出口とを接続する酸化ガス用流路１ａ，１ｂ，１ｃが設けられるカソード用パネル１と、アノード用パネル２に形成される電極と、カソード用パネル１に形成される電極１４とにより挟持される固体高分子電解質４とを備え、この固体高分子電解質４をアノード用パネルとカソード用パネルとで挟持することでパネルユニットＰを構成し、各パネル１，２は夫々、平面状に形成され、各パネル１，２のガス流路部分の表面であって、固体高分子電解質が配置される領域に対応して、金属被膜１４ａを形成することで電極１４を形成する。【選択図】　　図１
2004119189.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化ガスが供給・排出される酸化ガス注入口・排出口と、この注入口と排出口とを接続する酸化ガス用流路が設けられるカソード用パネルと、
還元ガスが供給・排出される還元ガス注入口・排出口と、この注入口と排出口とを接続する還元ガス用流路が設けられるアノード用パネルと、
前記アノード用パネルに形成される電極と、前記カソード用パネルに形成される電極とにより挟持される固体高分子電解質とを備え、この固体高分子電解質をアノード用パネルとカソード用パネルとで挟持することでパネルユニットを構成し、
前記各パネルは夫々、平面状に形成され、各パネルのガス流路部分の表面であって、前記固体高分子電解質が配置される領域に対応して、金属被膜を形成することで前記電極を形成していることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記各パネルには、複数の電極が平面的に並べて配置されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記各パネルを長方形状に形成して、前記複数の電極を直線的に並べて配置し、各電極の取り出しを長方形の長辺側に設けたことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
複数の前記パネルユニットを層状に積層してあることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記金属被膜を蒸着により形成することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質を用いた燃料電池に関し、特に厚みを薄くすることのできる燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ポリマー電解質のような固体高分子電解質を使用した高分子型燃料電池は、高いエネルギー変換効率を持ち、薄型小型・軽量であることから、家庭用コージェネレーションシステムや自動車向けに開発が活発化している。かかる燃料電池の従来技術の構造として、下記の非特許文献１に開示されており、これを図４に示す。
【０００３】
図４に示すように、固体高分子電解質膜１００を挟んでアノード１０１とカソード１０２とを配設する。さらに、ガスケット１０３を介して一対のセパレータ１０４により挟持して単位セル１０５を構成する。この単位セル１０５を多数個積層し、単位セル１０５どうしを電気的に直列に接続して燃料電池Ｎを構成する。電極１０６は、積層した両端の単位セル１０５から取り出すことができる。このような燃料電池Ｎは、クリーンかつ高効率という特徴から、種々の用途、特に、電気自動車用電源や家庭用分散型電源として注目されている。
【０００４】
【非特許文献１】
日経メカニカル別冊「燃料電池開発最前線」発行日２００１年６月２９日、発行所：日経ＢＰ社、第３章ＰＥＦＣ、３．１原理と特徴ｐ４６
【発明が解決しようとする課題】
一方、近年のＩＴの発展に伴い、携帯電話、ノートパソコン、デジタルカメラ等のモバイル機器のほとんどの電源は、リチウムイオン二次電池が用いられている。しかし、これらモバイル機器の高機能化に伴い消費電力がどんどん増加する傾向にあり、その電源用としてクリーンで高効率な燃料電池に注目が集まっている。
【０００５】
しかしながら、図４に示すような従来構造では、構造に自由度がないので、モバイル機器の電源として求められる薄型小型軽量化や形状の高自由度化の点で難がある。
【０００６】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その課題は、薄型小型軽量化や高自由度な形状設計が可能な燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明に係る燃料電池は、
酸化ガスが供給・排出される酸化ガス注入口・排出口と、この注入口と排出口とを接続する酸化ガス用流路が設けられるカソード用パネルと、
還元ガスが供給・排出される還元ガス注入口・排出口と、この注入口と排出口とを接続する還元ガス用流路が設けられるアノード用パネルと、
前記アノード用パネルに形成される電極と、前記カソード用パネルに形成される電極とにより挟持される固体高分子電解質とを備え、この固体高分子電解質をアノード用パネルとカソード用パネルとで挟持することでパネルユニットを構成し、
前記各パネルは夫々、平面状に形成され、各パネルのガス流路部分の表面であって、前記固体高分子電解質が配置される領域に対応して、金属被膜を形成することで前記電極を形成することを特徴とするものである。
【０００７】
この構成による燃料電池の作用・効果は、以下の通りである。すなわち、　アノード用パネルとカソード用パネルにより固体高分子電解質を挟持することでパネルユニットを構成する。この各パネルには、酸化ガスや還元ガスのガス流路が形成される。また各パネルには、ガス流路部分に金属被膜により電極が形成される。電極を金属被膜で形成するので薄型にすることができる。また、金属被膜によるものであり、パネルの種々の形状に対応可能である。よって、ガス流路の注入口・排出口の配置とガス流路のとり方を工夫することで、設計の自由度が増す。また、各パネルは、平面状であり、電極も金属被膜によるものであるから、パネルユニットを薄型にすることができる。その結果、薄型小型軽量化や高自由度な形状設計が可能な燃料電池を提供することができる。
本発明の好適な実施形態として、前記各パネルには、複数の電極が平面的に並べて配置されるものがあげられる。
【０００８】
平面的に並べることで、出力を稼ぐことができる。また、平面的に並べることで、薄型を保持したまま出力を上げることができる。平面的に並べる並べ方を変えれば、形状を自由に変えることができる。
【０００９】
本発明の別の好適な実施形態として、前記各パネルを長方形状に形成して、前記複数の電極を直線的に並べて配置し、各電極の取り出しを長方形の長辺側に設けたものがあげられる。
【００１０】
各パネルを長方形状に形成し、長方形の長辺側から電極の取り出しを行うことで、パネルユニットを薄型に保持した状態で電極を取り出すことができる。
【００１１】
本発明の別の好適な実施形態として、複数の前記パネルユニットを層状に積層したものがあげられる。
パネルユニットを層状に積層することでも、出力を高めることができる。
【００１２】
本発明の更に別の好適な実施形態として、前記金属被膜を蒸着により形成するものがあげられる。これにより、パネルユニットを薄型にすることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明に係る燃料電池の好適な実施形態を図面を用いて説明する。図１は、燃料電池の組み立て構造を示す図である。図２は、パネルの断面形状を示す図である。図３は、電解質保持ユニットの断面形状を示す図である。
【００１４】
パネルは、平面状に形成されており、還元ガス（例えば、水素ガス）用と酸化ガス（例えば、酸素ガス）用と２つあるが、形状はいずれも同じである。カソード用パネル１には、酸化ガスが注入されるガス注入口１２と、ガス排出口が設けられている。また、パネル１には、第１ガス流路１ａ、第２ガス流路１ｂ、第３ガス流路１ｃが形成されている。アノード用パネル２にも、還元ガスが注入されるガス注入口２２と、ガス排出口２３が設けられている。パネル２にも、パネル１と同様のガス流路が形成されている。
【００１５】
パネル１において、第１ガス流路１ａと第２ガス流路１ｂは互いに平行に形成される。パネル１，３は樹脂成形で形成され、各ガス流路１ａ〜１ｃも一体成形される。第１ガス流路１ａの端部には、貫通穴１２ａが形成され、ガス注入口１２と連通する。第２ガス流路１０ｂの端部にも、貫通穴１３ａが形成され、ガス排出口と連通する。また、第３ガス流路１ｃは、第１・第２ガス流路１ａ，１ｂと直交して多数配置されている。
【００１６】
パネル１，２には、５つの電極１４が平面的に並べて形成されている。電極１４は、第２ガス流路１ｂと第３ガス流路１ｃが形成されている領域の表面に金属被膜１４ａにより形成される。金属被膜１４ａは、ガス流路１ｂ，１ｃの溝底部にも形成される。金属被膜１４ａは、金属蒸着により好ましくは形成されるが、これに限定されるものではなく、金属メッキやＣＶＤ等により形成しても良い。金属としては、金や白金が好ましい。電極の取り出し部１４ｂは、長方形に形成されたパネル１，２の長辺側に設けられる。電気回路への接続を考慮して、カソード用パネル１の取り出し部１４ｂと、アノード用パネル２の取り出し部１４ｃとは、互いに異なる方向の長辺側から電極を取り出すようにしている。また、電気回路との接続を行いやすくするため、取り出し部１４ｂの端面は、膜電極接合体４やアノード用パネル２の同じ方向の端面よりも張り出して形成することが好ましい。もう１つの取り出し部１４ｃも同様である。
【００１７】
カソード用パネル１の電極１４と、アノード用パネル２の電極とが向かい合う形になり、その間に電解質保持ユニット４により保持される電解質が挟持される形となる。図３に示すように、固体電解質膜４０（例えば、ポリマー電解質）がカソード用膜電極４１とアノード用膜電極４２に挟持されており、これらがゴム弾性体４３により保持されている。各電極４１，４２と固体電解質膜４０により、膜電極接合体を構成する。膜電極接合体は、取り付けられる電極１４の数だけ用意されている。
【００１８】
以上のように、カソード用パネル１、電解質保持ユニット４、カソード用パネル２とを重ねて貼り合わせることで、パネルユニットＰを得る。貼り合わせは、超音波融着、熱融着等の方法で行うことができる。このパネルユニットＰのみで燃料電池として用いることができる。また、このパネルユニットＰを層状に積層した燃料電池とすることもできる。
【００１９】
【実施例】
次に、以上のように説明した燃料電池の更に具体的な材料、寸法等について説明する。各パネル１，２は、電気絶縁性を有する高分子樹脂シート、もしくは金属と高分子樹脂を組み合わせて作った剛性を有し、かつ電気絶縁性を有するシートにより形成され、大きさは９３ｍｍ×２７ｍｍ×０．４ｍｍ厚である。また、各パネル１，２に形成されるガス流路の溝サイズは、幅０．６ｍｍ、深さ０．２ｍｍである。
【００２０】
膜電極接合体の大きさは、１５ｍｍ×１５ｍｍであり、厚みは０．２ｍｍである。ゴム弾性体の厚みも同じである。膜電極接合体は、図１に示すように５つ用意した。
【００２１】
この電解質保持ユニットは、下記のようにして作製した。まず白金触媒と、カーボンブラック（アクゾ社ケッチェンブラックＥＣ）、ポリフッ化ビニリデン（カイナー）を、それぞれ７５重量％、１５重量％、１０重量％の割合で混合し、ジメチルホルムアミドを、２．５　重量％のポリフッ化ビニリデン溶液となるような割合で、上記白金触媒、カーボンブラック、ポリフッ化ビニリデンの混合物中に加え、乳鉢中で溶解・混合して、触媒ペーストを作製した。白金触媒は、米国エレクトロケム社製２０％白金担持カーボン触媒（ＥＣ−２０−ＰＴＣ）を用いた。カーボンペーパー（東レ製ＴＧＰ−Ｈ−９０）を１０ｍｍ角に切断し、この上に、上記のようにして作製した触媒ペースト約２０ｍｇをスパチュラにて塗布し、８０℃の熱風循環式乾燥機中で乾燥した。このようにして４ｍｇの触媒組成物が担持されたカーボンペーパーを作製した。白金担持量は、０．６ｍｇ／ｃｍ２　である。
【００２２】
上記のようにして作製した白金触媒担持カーボンペーパー２枚を、固体電解質膜としてナフィオンフィルム（デュポン社製ナフィオン１１２）１３ｍｍ角を用い、その両面に、金型を用いて、１３５℃、２ＭＰａの条件にて２分間ホットプレスした。こうして得られた電極膜接合体を、上記対向パネル内に装着した。
【００２３】
このようにして、外寸９３ｍｍ×２７ｍｍ×１ｍｍ厚という薄型小型のマイクロ燃料電池を得ることが出来た。すなわち、　各パネル１，２の厚さは０．４ｍｍであるから、パネルユニットＰの厚さは、０．４＋０．４＋０．２＝１ｍｍとなる。
【００２４】
このマイクロ燃料電池の電池特性を評価した。燃料電池特性は、東陽テクニカ製燃料電池評価システムを用い、室温下、純水素ガス、純酸素ガスを用いて評価した。ガス流量は、１００ｍＬ／ｍｉｎとした。得られた最大出力密度は、電極面積当たり７０ｍＷ／ｃｍ２　であった。そして５個の電極を電気的に接続することで、本発明によるマイクロ燃料電池として３５０ｍＷの出力が得られた。
【００２５】
以上のように、本発明により、薄型小型軽量かつ高自由度な形状設計が可能なマイクロ燃料電池を提供することができた。また、さらに本実施形態による構造（パネルユニット）を複数積み重ねることで、さらに高出力の燃料電池を得ることもできる。
【００２６】
＜別実施形態＞
（１）本実施形態では、電極１４を５つ横に並べているがこれに限定されるものではない。並べる個数は任意である。並べる方向も一直線である必要はなく、適宜の配置にすることができる。これにより、設計の自由度が増す。
【００２７】
（２）燃料電池を構成するパネル１，２、電解質保持ユニット４の材料については、特定の種類の材料に限定されるものではない。例えば、パネル１，２を構成材料については、適宜の樹脂材料を使用することができる。また、パネル１，２として、単一の樹脂シートのみではなく、樹脂シートと金属シートの貼り合わせにより形成しても良い。この場合の、樹脂と金属材料についても適宜選択することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池の組み立て構造を示す図
【図２】パネルの断面形状を示す図
【図３】電解質保持ユニットの断面形状を示す図
【図４】従来技術に係る燃料電池の構成を示す図
【符号の説明】
１　　　　カソード用パネル
１ａ，１ｂ，１ｃ　　　　ガス流路
２　　　　アノード用パネル
４　　　　電解質保持ユニット
１２　　　酸化ガス注入口
１４　　　電極
１４ａ　　金属被膜
１４ｂ，１４ｃ　　　取り出し部
２２　　　還元ガス注入口
２３　　　還元ガス排出口
４０　　　固体高分子電解質
４１　　　カソード用膜電極
４２　　　アノード用膜電極
４３　　　ゴム弾性体
Ｐ　　　　パネルユニット
【図１】
2004119189.tif 000003
【図２】
2004119189.tif 000004
【図３】
2004119189.tif 000005
【図４】
2004119189.tif 000006