(57)【要約】【課題】本発明は、陰極側部材５が薄く剛性が小さい材料であっても、面圧を陰極２に均一に付与し、陰極側部材５と陰極２との間の接触抵抗を低減し、発電能力を向上させた燃料電池を提供する。【解決手段】陰極側部材５と陽極側部材６との間に支持材７を有し、この支持材７よりも内側をネジで締め付けることにより、陰極側部材５に曲げモーメントを発生させ、中央部付近をＭＥＡ４側に撓ませることにより、陰極側部材５と陰極２との接触抵抗を低減し、出力を向上させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と酸素とを供給することにより発電する電解質膜／電極接合体と前記電解質膜／電極接合体に酸素を供給する陰極側部材と前記電解質膜／電極接合体に燃料を供給する陽極側部材とを有し、前記電解質膜／電極接合体は前記陰極側部材と前記陽極側部材とに挟持され、前記陰極側部材と前記陽極側部材とを締結部品で締結することにより前記電解質膜／電極接合体に面圧を付与することを特徴とする直接型燃料電池。
【請求項２】
燃料を酸化する陽極と酸素を還元する陰極とが電解質膜を介して形成される電解質膜／電極接合体が陰極集電部を有する陰極側部材と陽極集電部を有する陽極側部材とに挟持され、前記陰極側部材と前記陽極側部材とを電解質膜／電極接合体の外周よりも外側で支持部を介して設置し、前記支持部の位置よりも電解質膜／電極接合体側で前記陰極側部材と前記陽極側部材とを締結することを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
集電部を有する電極側部材と酸素を還元する又は燃料を酸化する電極とを接触させて前記電極部材と前記電極部材以外の筐体部分とを締結部品により締結することにより前記電極側部材を前記電極に押しつけることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
前記締結部品はネジであることを特徴とする請求項１記載の直接型燃料電池。
【請求項５】
前記支持部は陰極側部材の一部であることを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
【請求項６】
前記支持部は陽極側部材の一部であることを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
【請求項７】
前記支持部に短冊形状の薄板を用いたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
【請求項８】
前記陰極側部材及び／又は前記陽極側部材に窪みを設けたことを特徴とする請求項１記載の直接型燃料電池。
【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関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、燃料から電気化学的に直接電気エネルギーを取り出すためエネルギー効率が高い。また、排出物の主体が水であることから環境に調和し易い等の利点があり、自動車，分散電源や情報電子機器等への適用が試みられている。
【０００３】
このような中で、固体高分子膜を用いて陽極で水素を酸化し、陰極で酸素を還元して発電する固体高分子型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  以下ＰＥＦＣと称す）は出力密度が高い電池として知られている。
【０００４】
ＰＥＦＣは、燃料を酸化する陽極と酸素を還元する陰極とが電解質膜を介して形成される電解質膜／電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ  、以下ＭＥＡと称す）と燃料を供給するセパレータとを有する。ＭＥＡはセパレータで挟持されている。セパレータは発生した電気を取り出すために導電性を有し、集電の機能も兼ねている。通常、セパレータは、炭素系材料や金属材料よりできており、陽極や陰極に固着されていない。そこで、セパレータと電極とを接触させることで電気を取り出しているが、接触面での接触抵抗が大きいと、所望の発電出力が得られない。
【０００５】
そこで、この接触抵抗を低減させるためセパレータや充填材を冷却水の水圧で押付けるとともに、セパレータや充填材自体が水で膨潤することでＭＥＡに対する押圧力を増加させ、積層緊締力を強化している例がある（特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平９−２２７２０号公報（Ｐ７段落［０００６］，図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ＰＥＦＣの一種であり、液体の燃料（メタノール，エタノール，ジエチルエーテル，エチレングリコール等）を直接酸化し電気を取り出す、いわゆる直接型燃料電池においても、集電機能を有する部分（以下集電部と称す）を電極に押付ける（面圧付与）ことで、集電部と電極との接触を保ち、電気を取り出す。
【０００８】
しかし、本発明の一実施形態としての直接型燃料電池は携帯機器（携帯電話，ノートパソコン，ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）など）に搭載することを想定している。しかし、上記のＰＥＦＣに使われている面圧付与構造は複雑で燃料電池全体が大きくなり、携帯機器用の直接型燃料電池に用いることはできない。
【０００９】
携帯機器用の直接型燃料電池では、部品点数を増やすことなく、簡易な構成で接触抵抗を低減できる機構が求められている。
【００１０】
そこで、本発明は、簡易な構成にて、陰極側部材及び／又は陽極側部材と陰極との間の接触抵抗による発電出力の低下を防止できる燃料電池を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料を酸化する陽極と酸素を還元する陰極とが電解質膜を介して形成されるＭＥＡを、陰極側部材及び陽極側部材で挟持し、陰極側部材および／又は陽極側部材と燃料電池の筐体とを締結することにより電極に面圧を付与することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１３】
（実施例１）
図１は実施例１の形態に係る燃料電池の断面図である。本実施例の燃料電池は燃料をメタノールとした直接型メタノール燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ以下ＤＭＦＣと称す）である。
【００１４】
陰極２は触媒層（図示せず）と拡散層（図示せず）とを有する。陰極２の触媒層は、触媒として白金微粒子を炭素系粉末担体に担持したものを用いる。
【００１５】
陽極３は触媒層（図示せず）と拡散層（図示せず）とを有する。陽極３の触媒層は、触媒として白金とルテニウム或いは白金とルテニウムとの合金の微粒子を炭素系粉末担体に担持したものを用いる。
【００１６】
拡散層は電極で生成された水の排水性と燃料の拡散性を確保したものである。本実施例ではカーボンペーパーを用いる。
【００１７】
電解質膜１を介して陰極２と陽極３とを形成し、これをＭＥＡ４と呼ぶ。このＭＥＡ４は、樹脂からなる電解質膜１や、カーボン等の触媒担持体，拡散層など、圧力等によって変形し易い材料によって構成されている。このため、ＭＥＡ４が、陰極側部材５と陽極側部材６とに挟持されて圧力が付与されると、ＭＥＡ４は圧縮され、接触界面における凸凹が押しつぶされ接触面積が増える。この圧力が小さければ、陰極側部材５と陰極２及び陽極側部材６と陽極３の接触界面における接触面積は増えずに接触抵抗の低減は図れない。また圧縮が大きすぎると接触界面のみならず触媒層中の気体の通り道になっている空隙もつぶされ、酸素が電解質膜１に到達するのを妨げたり、発電する過程で生成される水蒸気が外界へ蒸散するのを妨げることになる。そこで、圧縮後のＭＥＡ４の変形を考慮して、陽極側部材６に窪み１４を付けて、ＭＥＡ４を配置する。この窪み１４はＭＥＡ４の設置位置が所望の位置からずれにくくすると共に、窪みの深さによりＭＥＡ４に付与される面圧の加減を調節する機能も持つ。また、窪み１４を形成している両端の段には締結部８（図３に図示）であるネジ孔が設けてある。本実施例においては窪みを陽極側部材６に設けているが、設計事項等の理由で陰極側部材５に窪みを設ける、あるいは双方に窪みを設けることも考えられる。要は、触媒層中の気体の通り道がなくならない程度に面圧を付与でき、かつ十分な接触面積を得て接触抵抗が低減きる範囲で窪みの深さと面圧の大きさを調整すればよい。この範囲は各部材（陰極側部材５，陽極側部材６，触媒層など）の硬さ，弾性、あるいは表面粗さなどの材料パラメータに依存する。
【００１８】
燃料であるメタノールの漏洩を防止するため、樹脂からなるガスケット（図示せず）がＭＥＡの外周に配置される。ガスケットも陰極側部材５により圧力がかかり、圧縮される。ガスケットの厚さもガスケットの圧縮後の厚さとＭＥＡ４の圧縮後の厚さを考慮して決められる。
【００１９】
陰極側部材５は、陰極２との電気的接続を取り、電気を取り出すための集電部，陰極集電部（図示せず）を有している。本実施例において、陰極集電部は、陰極側部材５に固着され一体としているが、陰極側部材５の役割を果たす部分と陰極集電部とに分かれていても構わない。本実施例では簡略化して一つの部品として示されている。また、陰極２には発電時に空気を取り込む必要があるので陰極側部材５にはスリットが形成されており（図示せず）、スリットの孔により陰極２は空気に曝されている。陰極側部材５の材料は、アルマイトの金属板に銅製の集電部を一体にしたものを用いた。集電部の銅の表面には耐メタノール性を考慮して金メッキを施した。金属板はアルマイト以外にＳＵＳなどの金属や硬質塩化ビニル等の樹脂など耐メタノール性を有する材質であれば良い。
【００２０】
陽極側部材６は、ＭＥＡ４の陽極３に燃料を供給する部分（図示せず）と電気的接続をとり電気を取り出すための集電部，陽極集電部（図示せず）から構成されている。本実施例では、燃料を供給する部分と陽極集電部とは、固着されて一体とするが、燃料を供給する部分と陽極集電部とは、固着されて一体となっていても良いし、別々の部分より重ね合わされ積層されていてもどちらでも良い。また、陰極側部材５と陽極側部材６とを総称して電極側部材と呼ぶ。
【００２１】
図１では、陰極側部材５は本来平板形状であるが、陽極側部材６に締結した後なのでＭＥＡ４側に撓んだ形状になっている。
【００２２】
ＭＥＡ４は陰極側部材５と陽極側部材６とに挟持され、集電部と接触する。これにより外部に電気を取り出す。陰極側部材５は、陽極側部材６と締結するために形成された締結部８を有している。陰極側部材５と陽極側部材６とを締結するために締結部８を通じて締結部品１５で締結する。本実施例では締結部品にはネジを用いるが、リベットや、ボルトとナットなど簡単な構造で陰極側部材５と陽極側部材６とを締結できるものなら何でも良い。
【００２３】
本実施例では、陽極側部材６には、締結部８の位置からＭＥＡより遠い側に位置するところに支持部７が形成されている。即ち、締結部品１５は陰極側部材５と陽極側部材６との間に形成した空隙１６（図３に図示）を介して両者を締結する。この空隙１６が存在することにより陰極側部材５を陰極２に強く押付けることができる。また、この空隙１６があそびとなり、面圧の大きさを調整しやすくしている。
【００２４】
ここで、締結とは陰極側部材５と陽極側部材６とを締結部品１５（ネジ，リベット，ボルトとナットなど）で連結し、締結力９を発生させることをいう。尚この締結力９はネジの引張力に起因している。また、支持部７とは締結により発生した力に対する力の支点となる部分である。本実施例では陰極側部材５と陽極側部材６とが接触する部分である。この支持部は陽極側部材６にのみ形成されるものではなく、陰極側部材５に形成されたり（実施例２）、陽極側部材６と陰極側部材５の双方に形成される場合、また支持部が独立した部品として、形成される場合（実施例３）もある。双方に支持部が形成される場合には、互いの支持部が接触して力の支点となる。陽極側部材６又は陰極側部材５に支持部７を形成させることにより部品点数を減らすことができ組立工程が簡易になる。
【００２５】
締結部８とは、陰極側部材５と陽極側部材６とを締結するための機構の一部として陰極側部材５と陽極側部材６とに設けた部分である。本実施例では陰極側部材と陽極側部材をネジで締結するためのネジ穴である。
【００２６】
本実施例では、締結部８であるネジ穴を通して、ネジによって陰極側部材５と陽極側部材６とが締結され、陽極側部材６に形成されたＭＥＡ４と陰極側部材５が密着し、電気的接続を取っている。実施例によると陰極２と陰極側部材５との密着性が高いことを以下に説明する。
【００２７】
図３に本発明のネジで締結する前の状態の断面を示す。陰極側部材５は平板形状をしている。陰極側部材５は、陽極側部材６に形成されている支持部７に接して配置されている。この状態で、陰極側部材５の締結部８に締結部品であるネジを締め込むと、締結力９（ネジの引張力）を発生する。この締結力９により支持部７を支点にして陰極側部材５をＭＥＡ４側に弓形に撓ませるモーメント１０が発生する。その結果、押付力１２が発生して陰極側部材５と陽極側部材６とに両側から押付けられ面圧が発生する。その結果、ＭＥＡ４の陰極２は陰極側部材５と、陽極３は陽極側部材６と密着し、それぞれの界面における接触抵抗は低減され、燃料電池全体から取り出せる出力も向上する。面圧の大きさは前述のように窪み１４の深さとネジの締め具合で調節できる。
【００２８】
図４に本実施例の陽極側部材の上面図を示す。ＭＥＡ４が陽極側部材６の表面に設置されている。陽極側部材６には、締結部８が複数箇所に形成されている。
【００２９】
締結部８における陽極側部材６と陰極側部材５の取り付け方法は、ネジ以外に、リベット止め，ボルトとナット等のような手段を用いても良い。
【００３０】
また図４では、陽極側部材６の外周側に支持部７が、締結部８の列に沿って形成されている。陽極側部材の二辺の全長にわたって支持部７を形成したのは、支持部７の作製加工が容易だからである。
【００３１】
このＭＥＡ４を設置した陽極側部材６に締結部を介して陰極側部材５をネジで締結することにより、陰極側部材５が薄く、スリット（図示せず）が入っているなど剛性が小さい部材であっても、ＭＥＡ４と陰極２との全面が陰極側部材５と密着され、接触抵抗の低減が図られる。
【００３２】
本実施例では支持部７が陽極側部材６の外周２辺に沿って並んでいる（図４）。この場合、スリットの方向は支持部７の長手方向に対して直角に近いほうがより強い力を陰極側部材５から陰極２に伝えることができる。また、スリットによる孔の面積の総和が同じならスリットは細く数が多いほうがより強い力を陰極側部材５から陰極に伝えることができる。また、陰極２の陰極側部材５と接触する平面と、支持部７の陰極側部材５と接触する平面とは同一平面若しくはそれに近い位置関係にあるほうが、面圧を付与したときに陰極側部材５の撓みが少なく、陰極２と陰極側部材５との密着性が均一化され、燃料電池の出力を高める効果がある。陰極２の陰極側部材５と接触する平面の方が、支持部７の陰極側部材５と接触する平面よりも陽極側部材６に近い側に位置が少しずれていた方がより大きな押付力１２が発生する。
【００３３】
締結部８の位置は燃料電池の設計に大きく依存するが、できるだけ支持部７から遠く、ＭＥＡに近いほうが、より大きな押付力１２が発生し、かつ均一な面圧を付与することができる。
【００３４】
尚、本実施例では陰極側部材５がＭＥＡ４側に撓むこととしているが、これは陰極側部材５の弾性が陽極側部材６の弾性よりも小さい場合である。燃料電池を設置する場所や、用途により、陽極側部材６をＭＥＡ４側に撓ませたほうが好都合な場合もある。そのような場合、図１の陰極２と陽極３の位置を逆にして陽極側部材（図１の陰極側部材５）の弾性を陰極側部材（図１の陽極側部材）の弾性よりも大きくする。これにより陽極側部材を撓ませるようにしても良い。
【００３５】
また、ＭＥＡは図１のように１つの燃料電池に対して一つのみでなければならないわけではなく、図７のようにＭＥＡ４が分割され複数になったような場合にも本実施例は適用できる。
【００３６】
（実施例２）
図５は本発明の実施例２の形態に係る燃料電池の断面図である。
【００３７】
陰極側部材５において、締結部８の外周側に支持部７が設けてある。陽極側部材６にはＭＥＡを形成するための窪み１４が設けてあるが、実施例１のような支持部は設けていない。本実施例では、陰極側部材５の支持部７が支点となり、締結部８でネジを締めることによって、陰極側部材５に実施例１と同様なメカニズムが働く。これにより、陰極側部材５とＭＥＡ４との密着性が増し、接触抵抗が低減する。その結果電池から取り出せる出力も向上する。
【００３８】
（実施例３）
図６は本発明の実施例３の形態に係る燃料電池の断面図である。
【００３９】
陰極側部材５は実施例２のような支持部は設けられておらず、平板形状である。また、陽極側部材６にはＭＥＡを形成するための窪み１４が設けてある。陽極側部材６と陰極側部材５の間には、締結部８の位置より外周側（ＭＥＡからみて遠い側）に薄板１１が配置され、支持部として陰極側部材５と陽極側部材６に挟持される。薄板１１は、短冊形状をしている。このように薄板１１を用いることによって、陽極側部材６や陰極側部材５を加工して支持部を設けなくとも、薄板１１が支持部となって（図１の支持部７が薄板１１になった形）、内側にあるＭＥＡ４に面圧を付与できるので、陽極側部材６及び陰極側部材５の加工が容易になる。
【００４０】
なお、必ずしも２辺全長にわたって支持部（ここでは薄板１１）を配置する必要はなく、締結部８の外周側に断続的に配置してもよく、同様の効果が得られる。
【００４１】
図７には複数のＭＥＡ４を陽極側部材６に設置し、締結部８の外周の２辺に断続的に薄板１１を配置した例を示す。
【００４２】
本実施例によっても実施例１と同じメカニズムが働き、電極側部材と両電極との間の接触抵抗が低減し燃料電池から取り出せる出力が向上する。
【００４３】
（実施例４）
図２に実施例１乃至３と同じ技術課題を解決できるＤＭＦＣの概略構成を示す。
【００４４】
本実施例では、ＭＥＡ４の厚さを窪み１４の高さよりも大きくし、陰極側部材５をかぶせ、陽極側部材６と陰極側部材５とを締結部８でネジなどの締結部品１５を用いて締結する。その結果、陰極側部材５と陰極２と及び陽極側部材６と陽極３とが密着し、それぞれの密着した界面における接触抵抗を低減できる。
【００４５】
また、陽極側部材５に窪み１４を設けたのは実施例１と同様の理由である。ただし、窪み１４の深さはＭＥＡ４の厚さよりも小さい値でなければ締結により面圧を付与する効果はない。
【００４６】
陰極側部材５の形状は必ずしも平板形状である必要はなく、あらかじめＭＥＡ４側に湾曲した陰極側部材を用いれば、より強い面圧をＭＥＡ４に付与できる。この場合、湾曲の具合によっては窪み１４の深さとＭＥＡ４の厚さの関係は必ずしもＭＥＡ４の厚さが小さくなくても面圧を付与する効果が生じる。
【００４７】
（実施例５）
図８に一つの筐体に２つの燃料電池を設置した場合の実施例を示す。図８は燃料１７を蓄えることのできる燃料タンク１８に燃料電池を設置した構造である。本実施例においては陽極側部材６と燃料タンク１８は別の部品であるが、これらを一つの部材からなる一つの部品としても良い。別の部品にする場合はこれらの間に燃料１７の漏れ防止のためにガスケット（図示せず）を挟む場合もある。いずれにしても燃料１７が陽極３に到達できる構造が必要であり、本実施例では陽極側部材６と燃料タンクとにスリットによる孔（図示せず）を設けて燃料１７を陽極３に供給する。
【００４８】
本実施例において筐体とは陰極側部材５，陽極側部材６，燃料タンク１８をいい、燃料電池の外観を形作っている部分をいう。
【００４９】
本実施例のような場合には、陰極側部材５と締結するのは必ずしも陽極側部材６ではなく、筐体を構成する他の部分でも良い。例えば、陰極側部材５と燃料タンクとを締結しても良いし、図８のように対向している他方の陰極側部材５と締結しても良い。
【００５０】
本実施例によれば、２つ以上燃料電池をコンパクトに設置することができ、出力も２倍になる。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば、陰極側部材及び／又は陽極側部材と陰極との間の接触抵抗による発電出力の低下を防止できる燃料電池が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の形態に係る燃料電池の断面を示す図。
【図２】本発明の実施例４の形態に係る燃料電池の構造の断面を示す図。
【図３】ネジで締結する前の状態の断面を示す図。
【図４】本発明の実施例１の形態に係る陽極側部材の上面を示す図。
【図５】本発明の実施例２の形態に係る燃料電池の断面を示す図。
【図６】本発明の実施例３の形態に係る燃料電池の断面を示す図。
【図７】本発明の実施例３の形態に係る陽極側部材の上面を示す図。
【図８】本発明の実施例５の形態に係る燃料電地の断面を示す図。
【符号の説明】
１…電解質膜、２…陰極、３…陽極、４…ＭＥＡ、５…陰極側部材、６…陽極側部材、７…支持部、８…締結部、９…締結力、１０…モーメント、１１…薄板、１２…押付力、１３…抗力、１４…窪み、１５…締結部品、１６…空隙、１７…燃料、１８…燃料タンク。
【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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