(57)【要約】【課題】小型軽量で薄型で、高自由度の形状設計が可能である燃料電池を提供する。【解決手段】本発明によれば、それぞれ所定の位置に窪み３とこの窪みと外部とに連通する一対のガス流路用溝８及び９を有する電気絶縁性のカソード側のパネル１とアノード側のパネル２が対向して設けられ、それぞれの窪みにガス流路付き電極４が嵌め込まれて固定されており、上記各パネル上のガス流路付き電極の間に膜電極（アノード）１５と膜電極（カソード）１６の間に固体電解質膜１７を接合してなる膜電極／固体電解質接合体が配設されている。上記ガス流路付き電極はそれぞれ上記一対のガス流路用溝を臨むガス入口５とガス出口６とを備えていると共に、これらの間にガス通路を備えている。カソード側のパネルの一方のガス流路に外部から酸化ガスが供給され、カソード側のガス流路付き電極を経て外部に排出され、他方、アノード側のパネルの一方のガス流路に外部から水素ガスが供給され、アノード側のガス流路付き電極を経て外部に排出される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ所定の位置に窪みとこの窪みと外部とに連通する一対のガス流路用溝を有する電気絶縁性のカソード側のパネルとアノード側のパネルが対向して配設され、それぞれの窪み内にガス流路付き電極がそれぞれ嵌め込まれて固定されており、上記カソード側のパネル上のガス流路付き電極とアノード側のパネル上のガス流路付き電極との間にカソード用膜電極と固体電解質膜とアノード用膜電極とを接合してなる膜電極／固体電解質接合体が配設されており、上記ガス流路付き電極はそれぞれ上記一対のガス流路用溝に臨むガス入口とガス出口とを備えていると共に、このガス入口からガス出口に至る連続したガス通路を備えており、カソード側のパネルの一方のガス流路に外部から酸化ガスを供給し、アノード側のパネルの一方のガス流路に外部から水素ガスを供給し、上記酸化ガスは上記一方のガス流路から上記ガス入口を経て上記ガス流路付き電極上のガス通路に導かれ、上記ガス出口からカソード側のパネルの他方のガス流路を経て、外部に排出され、他方、上記水素ガスは上記一方のガス流路から上記ガス入口を経て上記ガス流路付き電極の上記ガス通路に導かれ、上記ガス出口からアノード側のパネルの他方のガス流路を経て、外部に排出されるようにした燃料電池。
【請求項２】
パネルの窪み内にそれぞれ固定された複数のガス流路付き電極のガス入口のそれぞれを上記パネルの一方のガス流路に臨ませると共に、上記複数のガス流路付き電極のガス出口のそれぞれを上記パネルの他方のガス流路に臨ませてなる請求項１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】
本発明は燃料電池に関し、詳しくは、小型軽量で薄型であって、自由度の高い設計が可能である燃料電池を提供することを目的とする。
【０００２】
【従来の技術】
ポリマー電解質を用いてなる高分子固体電解質燃料電池（ＰＥＦＣ）は、固体高分子電解質を挟んでアノードとカソードとを配設して、電極／固体電解質構造を構成し、これをセパレータにて挟んで単位セルを構成し、この単位セルを複数積層し、電気的に直列に接続してなるものであり、高いエネルギー変換効率を有すると共に、小型軽量であり薄型であることから、電気自動車用電源や家庭用分散型電源等としての実用化が推進されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
特に、近年、情報技術（ＩＴ）の利用の活発化に伴い、携帯電話、ノートパソコン、デジカメ等、モバイル機器の殆どの電源にリチウムイオン二次電池が用いられるに至っているが、他方、モバイル機器の高機能化に伴って消費電力が一層増大する傾向にあるので、その電源用としてクリーンで高効率な燃料電池が注目されている。しかしながら、従来の構造の燃料電池によれば、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小型軽量化や薄型や形状の高自由度化に難があり、メンテナンス性も悪い。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来の燃料電池における上述した問題を解決するためになされたものであって、小型軽量で薄型で、高自由度の形状設計が可能であり、更に、メンテナンスも容易な燃料電池を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、それぞれ所定の位置に窪みとこの窪みと外部とに連通する一対のガス流路用溝を有する電気絶縁性のカソード側のパネルとアノード側のパネルが対向して配設され、それぞれの窪み内にガス流路付き電極がそれぞれ嵌め込まれて固定されており、上記カソード側のパネル上のガス流路付き電極とアノード側のパネル上のガス流路付き電極との間にカソード用膜電極と固体電解質膜とアノード用膜電極とを接合してなる膜電極／固体電解質接合体が配設されており、上記ガス流路付き電極はそれぞれ上記一対のガス流路用溝に臨むガス入口とガス出口とを備えていると共に、このガス入口からガス出口に至る連続したガス通路を備えており、カソード側のパネルの一方のガス流路に外部から酸化ガスを供給し、アノード側のパネルの一方のガス流路に外部から水素ガスを供給し、上記酸化ガスは上記一方のガス流路から上記ガス入口を経て上記ガス流路付き電極上のガス通路に導かれ、上記ガス出口からカソード側のパネルの他方のガス流路を経て、外部に排出され、他方、上記水素ガスは上記一方のガス流路から上記ガス入口を経て上記ガス流路付き電極の上記ガス通路に導かれ、上記ガス出口からアノード側のパネルの他方のガス流路を経て、外部に排出されるようにした燃料電池が提供される。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明による燃料電池によれば、その一実施例を図１に示すように、例えば樹脂からなる一対の電気絶縁性のパネル（例えば、１６７ｍｍ×２５ｍｍ、厚み４ｍｍ）１と２が対向して配設されており、それら一対のパネルの内側のそれぞれ対向する位置に少なくとも一つ（例えば、図示した実施例では各パネル上に１０個）の窪み（例えば、１５ｍｍ角、深さ２ｍｍ）３が設けられていて、カソード側のパネル１のそれぞれの窪み３内にはガス流路付き電極４がそれぞれ嵌め込まれて固定されている。同様に、アノード側のパネル２のそれぞれの窪み（図示せず）にもガス流路付き電極がそれぞれ嵌め込まれて固定されている。
【０００７】
図２に上記ガス流路付き電極４を詳細に示す。ガス流路付き電極４は、例えば、角板状のグラファイト（例えば、１５ｍｍ角、厚み２ｍｍ）からなり、側面に開口するガス入口５とガス出口６とを備え、上記ガス入口から上記ガス出口までガス通路７のための溝（例えば、０．７ｍｍ幅、深さ１ｍｍ）が連続して刻設されている。ガス流路付き電極のガス入口は、後述するように、その電極が固定されているパネルに設けられた一方のガス流路８に臨んでおり、他方、ガス流路付き電極のガス出口は、その電極が固定されているパネルに設けられた他方のガス流路９に臨んでいる。
【０００８】
即ち、本発明によれば、パネル上の窪み内に嵌め込まれて固定された上記ガス流路付き電極４の上記ガス入口５と上記ガス出口６にそれぞれ連通するように、上記パネルには一対のガス流路用溝（幅１ｍｍ、深さ２ｍｍ）８及び９が設けられている。カソード側のパネル１のガス流路用溝８及び９は酸化ガス流路用であり、他方、図示しないが、アノード側のパネル２のガス流路用溝は還元ガス流路用である。
【０００９】
このように、カソード側のパネル１とアノード側のパネル２はそれぞれ一対のガス流路を有し、カソード側のパネル１の一方のガス流路（酸化ガス流路）８には外部から酸化ガス注入口１０によって酸化ガスが注入され、上述したように、上記一方のガス流路から前記ガス流路付き電極４に酸化ガスが供給される。より詳細には、図２に示すように、一方のガス流路８からこれを臨むガス入口５を経て、酸化ガスがガス流路付き電極４上の連続したガス通路７に導かれて、このガス通路を巡った後、ガス出口６から他方のガス流路９を経て、酸化ガス排出口１１から外部に排出される。
【００１０】
更に、カソード側とアノード側のパネルはそれぞれ、上記ガス流路付き電極のための窪みと上記ガス流路用溝を取り囲むように、パネルの最も外側にガスシール用シリコーンゴムパッキング（図示せず）を嵌め込むための溝１２がそれぞれ設けられている。
【００１１】
容易に理解されるように、上記と同様に、アノード側のパネル２の一方のガス流路用溝には外部から還元ガス注入口１３によって還元ガスが注入され、このガス流路用溝からガス流路付き電極のガス入口に供給され、電極上のガス通路を巡った後、ガス流路付き電極のガス出口と他方のガス流路用溝を経て、還元ガス排出口１４から外部に排出される。
【００１２】
上述したように、前記窪み内に固定されて、前記パネル上に対向して配設された一対のガス流路付き電極４の間には、膜電極（アノード）１５と膜電極（カソード）１６の間に固体電解質膜１７を接合してなる膜電極接合体（ＥＭＡ）が配設されている。
【００１３】
パネル上に設けられたガス流路とガス流路付き電極上に積層されたＥＭＡをガス気密性とするために、それぞれのガス流路付き電極を取り囲みつつ、ガス流路を被覆するように、カソード側のパネル上にはガスシール用シリコーンゴムシート１８が配設され、同様に、アノード側のパネル上にはガスシール用シリコーンゴムシート１９が配設されている。更に、カソード側とアノード側のパネルとの間の上述した種々の電池要素を外部からガス気密性とするために、前述したように、各パネルの最も外側に位置する溝１２にガスシール用シリコーンゴムからなるパッキング（図示せず）が埋め込まれている。また、対向するカソード側のガス流路付き電極とアノード側のガス流路付き電極との間から電流を取り出すために、これら一対の電極に対応して、カソード側のパネルとアノード側のパネルにそれぞれ外部取り出し用電極２０及び２１が設けられている。
【００１４】
本発明の好ましい一態様によれば、膜電極接合体（ＥＭＡ）は次のようにして調製される。白金２０重量％を担持させたカーボンブラック（米国エレクトロケム社製ＥＣ−２０−ＰＴＣ）を白金触媒として用いて、この白金触媒７５重量％と導電剤カーボンブラック（アクゾ社ケッチェンブラックＥＣ）１５重量％と結着剤ポリフッ化ビニリデン樹脂１０重量％とを混合して触媒組成物とし、この触媒組成物にポリフッ化ビニリデン樹脂濃度が２．５重量％となるように溶剤ジメチルホルムアミドを加え、乳鉢を用いて均一に混合して、触媒組成物のペーストを調製した。
【００１５】
別に、カーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰ−Ｈ−９０）を１０ｍｍ角に裁断し、この上に上記触媒組成物のペースト約２０ｍｇを塗布した後、８０℃の熱風循環式乾燥機に入れて乾燥し、かくして、上記触媒組成物４ｍｇを担持させたカーボンペーパーを膜電極として得た。この膜電極において、白金担持量（計算値）は０．６ｍｇ／ｃｍ２　であった。
【００１６】
固体電解質膜として１３ｍｍ角に裁断したナフィオンフィルム（米国デュポン社製ナフィオン（登録商標）１１２）を用い、その両面に上記電極シートをそれぞれ重ね、金型を用いて、温度１３５℃、圧力２ＭＰａの条件にて２分間ホットプレスして膜電極接合体を得た。
【００１７】
この電極膜接合体を上述したようにして前記カソード側のガス流路付き電極とアノード側のガス流路付き電極との間に配設して、小型薄型の燃料電池（上述した寸法の各部材を用いて、最終的に外寸１６７ｍｍ×２５ｍｍ、厚み８ｍｍの寸法の燃料電池）を得た。この燃料電池について、東陽テクニカ（株）製燃料電池評価システムを用い、還元ガスとして水素ガス、酸化ガスとして酸素ガスを用い、ガス流量をそれぞれ１００ｍＬ／分として、室温下にその電池特性を評価した。得られた最大出力密度は電極面積当たり７０ｍＷ／ｃｍ２　であり、１０個の電極を電気的に接続することによって本発明による燃料電池として７００ｍＷの出力を得ることができた。
【００１８】
【発明の効果】
以上のように、本発明による燃料電池は、小型軽量で薄型であり、高自由度の形状設計を行うことができ、しかも、メンテナンスも容易である。また、本発明による燃料電池を複数積層することによって、一層、高出力の燃料電池を得ることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料電池の分解斜視図である。
【図２】本発明の燃料電池において用いるアノード用又はカソード用のガス流路付き電極を示す斜視図である。
【符号の説明】
１…カソード側のパネル
２…アノード側のパネル
３…窪み
４…ガス流路付き電極
５…ガス入口
６…ガス出口
７…ガス通路
８及び９…ガス流路用溝
１０…酸化ガス注入口
１１…酸化ガス排出口
１２…ガスシール用シリコーンゴムパッキングを嵌め込むための溝
１３…還元ガス注入口
１４…還元ガス排出口
１５…膜電極（アノード）
１６…膜電極（カソード）
１７…固体電解質膜
１８及び１９…ガスシール用シリコーンゴムシート
２０及び２１…外部取り出し用電極
【図１】
2004087208.tif 000003
【図２】
2004087208.tif 000004