(57)【要約】【課題】軽量で且つ電気抵抗値を充分に低減し得ることのできる簡単な構造の燃料電池用インターコネクターを提供する。【解決手段】空気等の酸素含有ガス流と接するカソードと、水素等の燃料ガスを含有する燃料ガス含有流と接するアノードとの間に高分子電解質膜が挟まれて形成された第１の単一燃料電池と第２の単一燃料電池との間に配設され、前記第１の単一燃料電池のカソードと第２の単一燃料電池のアノードとを電気的に接続するインターコネクター３０であって、該インターコネクター３０には、樹脂基板４０の両面側に形成された金属層４２，４４の各々を互いに電気的に接続するヴィア４６が樹脂基板４０を貫通して形成され、且つ樹脂基板４０の一面側に形成され、前記第１の単一燃料電池のカソードと接触する金属層４２の表面には、酸素含有ガス流が流れる溝状の流路１８が開口されていると共に、樹脂基板４０の他面側に形成され、前記第２の単一燃料電池のアノードと接触する金属層の表面には、燃料ガス含有流が流れる溝状の流路２０が開口されていることを特徴とする。【選択図】　　　　図１
2004022437.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気等の酸素含有ガス流と接するカソードと、水素等の燃料ガスを含有する燃料ガス含有流と接するアノードとの間に高分子電解質膜が挟まれて形成された第１の単一燃料電池と第２の単一燃料電池との間に配設され、前記第１の単一燃料電池のカソードと第２の単一燃料電池のアノードとを電気的に接続するインターコネクターであって、
該インターコネクターには、樹脂基板の両面側に形成された金属層の各々を互いに電気的に接続するヴィアが前記樹脂基板を貫通して形成され、
且つ前記樹脂基板の一面側に形成され、前記第１の単一燃料電池のカソードと接触する金属層の表面には、酸素含有ガス流が流れる溝状の流路が開口されていると共に、
前記樹脂基板の他面側に形成され、前記第２の単一燃料電池のアノードと接触する金属層の表面には、燃料ガス含有流が流れる溝状の流路が開口されていることを特徴とする燃料電池用インターコネクター。
【請求項２】
金属層の少なくとも一部が、めっきによって形成されている請求項１記載の燃料電池用インターコネクター。
【請求項３】
流路の内壁面の全面が、金属によって形成されている請求項１又は請求項２記載の燃料電池用インターコネクター。
【請求項４】
流路の底面に、樹脂基板の表面が露出している請求項１又は請求項２記載の燃料電池用インターコネクター。
【請求項５】
金属層が、主として銅層によって形成され、前記銅層の表面がニッケル又は金で覆われている請求項１〜４のいずれか一項記載の燃料電池用インターコネクター。
【請求項６】
空気等の酸素含有ガス流と接するカソードと、水素等の燃料ガスを含有する燃料ガス含有流と接するアノードとの間に高分子電解質膜が挟まれて形成された第１の単一燃料電池と第２の燃料電池とが、前記第１の単一燃料電池のカソードと第２の単一燃料電池のアノードとを電気的に接続するインターコネクターによって互いに電気的に接続されて成る集合燃料電池であって、
該インターコネクターには、樹脂基板の両面側に形成された金属層の各々を互いに電気的に接続するヴィアが前記樹脂基板を貫通して形成され、
且つ前記樹脂基板の一面側に形成され、前記第１の単一燃料電池のカソードと接触する金属層の表面には、酸素含有ガス流が流れる溝状の流路が開口されていると共に、
前記樹脂基板の他面側に形成され、前記第２の単一燃料電池のアノードと接触する金属層の表面には、燃料ガス含有流が流れる溝状の流路が開口されていることを特徴とする集合燃料電池。
【請求項７】
インターコネクターの金属層の少なくとも一部が、めっきによって形成されている請求項６記載の集合燃料電池。
【請求項８】
インターコネクターに形成された流路の内壁面の全面が、金属によって形成されている請求項６又は請求項７記載の集合燃料電池。
【請求項９】
インターコネクターに形成された流路の底面に、樹脂基板の表面が露出している請求項６又は請求項７記載の集合燃料電池。
【請求項１０】
インターコネクターの金属層が、主として銅層によって形成され、前記銅層の表面がニッケル又は金で覆われている請求項６〜９のいずれか一項記載の集合燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池用インターコネクター及び集合燃料電池に関し、更に詳細には高分子電解質膜を用いた少なくとも二個の単一燃料電池を互いに電気的に接続する燃料電池用インターコネクター及び前記燃料電池用インターコネクターによって二個の単一燃料電池が電気的に接続された集合燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
小型・軽量で且つ１００℃以下の雰囲気温度で駆動する燃料電池として、高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池が注目されている。
かかる固体高分子型燃料電池は、空気等の酸素含有ガス流と接するカソードと、水素等の燃料ガスを含有する燃料ガス含有流と接するアノードとの間に高分子電解質膜が挟まれて形成されている。
ところで、単一の固体高分子型燃料電池による起電力では、所望の電力が得られ難いため、図７に示す様に、複数個の固体高分子型燃料電池を集合した集合燃料電池が使用される。
図７に示す集合燃料電池は、高分子電解質膜１２が、空気等の酸素含有ガス流と接するカソード１０と、水素等の燃料ガスを含有する燃料ガス含有流と接するアノード１４とで挟み込まれた第１の単一固体高分子型燃料電池１６ａ（以下、第１単一セル１６ａと称することがある）と第２の単一固体高分子型燃料電池１６ｂ（以下、第２単一セル１６ｂと称することがある）とから構成され、第１単一セル１６ａと第２単一セル１６ｂとが、導電性を呈するインターコネクター１００を介して電気的に接続されている。
このインターコネクター１００は、導電性を呈するカーボンで形成されており、図７に示す様に、その両面に溝状の流路が形成されている。かかるインターコネクター１００の第２単一セル１６ｂのカソード１０と接触する面に形成された流路１８，１８・・は、酸素含有ガスとしての空気用の流路であり、第２単一セル１６ａのアノード１４と接触する面に形成された流路２０，２０・・は、水素ガスを含有する燃料ガス含有流用の流路である。
【０００３】
このインターコネクター１００に形成された溝状の流路１８は、図８（ａ）に示す様に、インターコネクター１００の一面側に、一本の溝状の流路１８が蛇行して形成されている。この流路１８には、インターコネクター１００の端部の一方側角部に形成された供給口１０２から空気が供給される。供給された空気は、流路１０内を矢印方向に流れてカソード１０と接触し、インターコネクター１００の端部の他方側角部に形成された排出口１０４に流入する。
更に、インターコネクター１００の他面側にも、一本の溝状の流路２０が蛇行して形成されており、インターコネクター１００の端部の一方側角部に形成された供給口１０６から水素ガスを含有する燃料ガスが供給される。供給された燃料ガスは、流路２０を流れてアノード１４と接触し、インターコネクター１００の端部の他方側角部に形成された排出口１０８に流入する。
流路１８，２０に所望のガス流を供給する供給口１０２、１０６は、図８（ａ）に示すＸ−Ｘ面における断面図である図８（ｂ）に示す様に、流路１８，２０と連結される部分の径が、他の部分よりも大径に形成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図８に示すカーボン製のインターコネクター１００を介して第１単一セル１６ａと第２単一セル１６ｂとを集合した、図７に示す集合燃料電池によれば、第１単一セル１６ａ又は第２単一セル１６ｂ単独では得られなかった電力を得ることができる。
しかし、図７に示す集合燃料電池では、重いカーボン製のインターコネクター１００を使用しているため、集合燃料電池の重量も重くなる。
また、カーボン製の板を研削して複雑な形状の流路を形成することは、インターコネクター１００の製作に要する製作時間が長くなり且つ製作費用も高額となる。
【０００５】
この点、特開２０００−１６９１２６には、グラファイト粉末、フェノール樹脂及びセルロース質繊維を抄造した、一枚又は複数枚のシートを積層し焼成して得たグラファイトシートを用いることによって、容易にインターコネクターを形成できることが提案されている。
更に、この公開公報には、グラファイト粉末、フェノール樹脂及びセルロース質繊維を抄造したシートと金属シートとを積層し焼成して得た導電性複合シートを用いることによって、積層一体化した貫通方向の電気抵抗を低下させたインターコネクターを得ることができることも提案されている。
しかしながら、提案されたグラファイトシート及び導電性複合シートは、主としてカーボンで形成されているため、同一厚さの従来のインターコネクターと比較すると、その重量や電気抵抗値の向上幅は小さい。
また、かかるグラファイトシート又は導電性複合シートの両面に、空気や燃料ガスが流れる流路を形成した流路形成部材を配設することを要し、インターコネクターの構造を複雑化する。
そこで、本発明の課題は、軽量で且つ電気抵抗値を充分に低減し得ることのできる簡単な構造の燃料電池用インターコネクター、及びこの燃料電池用インターコネクターを用いた集合燃料電池を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、前記課題を解決すべく検討を重ねた結果、樹脂基板の両面側に形成した金属層の各々を、樹脂基板を貫通して形成したヴィアによって互いに電気的に接続し、この金属層の各々に空気又は燃料ガスを流す溝状の流路を形成することによって、軽量で且つ電気抵抗値が小さいインターコネクターを得ることができることを知り、本発明に到達した。
すなわち、本発明は、空気等の酸素含有ガス流と接するカソードと、水素等の燃料ガスを含有する燃料ガス含有流と接するアノードとの間に高分子電解質膜が挟まれて形成された第１の単一燃料電池と第２の単一燃料電池との間に配設され、前記第１の単一燃料電池のカソードと第２の単一燃料電池のアノードとを電気的に接続するインターコネクターであって、該インターコネクターには、樹脂基板の両面側に形成された金属層の各々を互いに電気的に接続するヴィアが前記樹脂基板を貫通して形成され、且つ前記樹脂基板の一面側に形成され、前記第１の単一燃料電池のカソードと接触する金属層の表面には、酸素含有ガス流が流れる溝状の流路が開口されていると共に、前記樹脂基板の他面側に形成され、前記第２の単一燃料電池のアノードと接触する金属層の表面には、燃料ガス含有流が流れる溝状の流路が開口されていることを特徴とする燃料電池用インターコネクターにある。
【０００７】
また、本発明は、空気等の酸素含有ガス流と接するカソードと、水素等の燃料ガスを含有する燃料ガス含有流と接するアノードとの間に高分子電解質膜が挟まれて形成された第１の単一燃料電池と第２の燃料電池とが、前記第１の単一燃料電池のカソードと第２の単一燃料電池のアノードとを電気的に接続するインターコネクターによって互いに電気的に接続されて成る集合燃料電池であって、該インターコネクターには、樹脂基板の両面側に形成された金属層の各々を互いに電気的に接続するヴィアが前記樹脂基板を貫通して形成され、且つ前記樹脂基板の一面側に形成され、前記第１の単一燃料電池のカソードと接触する金属層の表面には、酸素含有ガス流が流れる溝状の流路が開口されていると共に、前記樹脂基板の他面側に形成され、前記第２の単一燃料電池のアノードと接触する金属層の表面には、燃料ガス含有流が流れる溝状の流路が開口されていることを特徴とする集合燃料電池にある。
【０００８】
かかる本発明において、金属層の少なくとも一部を、めっきによって形成することにより、金属層の厚さを容易に制御できる。
また、流路の内壁面の全面を、金属によって形成することにより、流路の深さを容易に調整できる。
一方、流路の底面に、樹脂基板の表面を露出させることにより、流路を容易に形成できる。
更に、金属層を、主として銅層によって形成し、この銅層の表面をニッケル又は金で覆うことによって、形成したインターコネクターの電気抵抗値を低下することができ、高分子電解質膜を使用した固体高分子型燃料電池の駆動に必要とされる水分に対する耐久性を向上できる。
【０００９】
本発明に係るインターコネクターは、樹脂基板の一面側に形成され、第１の単一燃料電池のカソードと接触する金属層と、この樹脂基板の他面側に形成され、第２の単一燃料電池のアノードと接触する金属層とは、樹脂基板を貫通するヴィアによって互いに電気的に接続されている。
この様に、本発明に係るインターコネクターは、樹脂基板を用い、且つ樹脂基板の両面側に形成された金属層が、ヴィアによって電気的に接続されているため、主としてカーボンで形成された従来のインターコネクターに比較して軽量で且つ電気抵抗値も大幅に低減できる。
更に、樹脂基板の両面側に形成した金属層の各表面には、酸素含有ガス流又は燃料ガス含有流が流れる溝状の流路が形成されているため、流路形成部材等を配設することを要せず、インターコネクターの構造を簡単化できる。
また、かかるインナーコネクターを用いて複数個の固体高分子型燃料電池を集合した集合燃料電池も、軽量化等を図ることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明に係る燃料電池用インターコネクターの一例を図１に示す。図１に示す矩形状の燃料電池用インターコネクター３０（以下、単にインターコネクター３０と示すことがある）には、その一面側に空気用の溝状の流路１８が蛇行して形成されている。この流路１８の端部の一方は、インターコネクター３０の端部の一方側角部に形成された供給口３２に接続されており、流路１８の端部の他方は、インターコネクター３０の端部の他方側角部に形成された排出口３４に接続されている。
かかるインターコネクター３０の他面側にも、燃料ガス用の溝状の流路２０が蛇行して形成されている。この流路２０の端部の一方は、インターコネクター３０の端部の一方側角部に形成された供給口３６に接続されており、流路２０の端部の他方は、インターコネクター３０の端部の他方側角部に形成された排出口３８に接続されている。
尚、流路１８，２０に所望のガス流を供給する供給口３２，３６は、図８（ｂ）に示すインターコネクター１００と同様に、流路１８，２０と連結される部分の径が、他の部分よりも大径に形成されている。
【００１１】
かかる流路１８，２０は、図１に示すインターコネクター３０のＹ−Ｙにおける部分断面図である図２に示す様に、樹脂基板４０の両面側に形成された金属層４２，４４の各表面に開口されており、流路１８，２０の内壁面の全面が金属によって形成されている。
更に、樹脂基板４０の両面側に形成された金属層４２，４４は、樹脂基板４０を貫通するヴィア４６によって電気的に接続されている。このヴィア４６は、金属層４２，４４を形成する金属と同一金属で形成されている。
図１及び図２に示すインターコネクター３０を形成する樹脂基板４０としては、燃料電池での作動温度に対して耐久性を有する樹脂から成る樹脂基板を用いることができ、具体的にはポリエチレンテレフタレート系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂又はポリフェニレンエーテル系樹脂から成る樹脂基板を挙げることができる。かかる樹脂基板４０には、基板の剛性を高めるため、ガラス織布や不織布等の補強用繊維材を配合してもよい。
また、金属層４２，４４は、主として銅層によって形成し、この銅層の表面を銅層よりも薄いニッケル層又は金層で覆うことにより、形成したインターコネクター３０の電気抵抗値を低下することができ、且つ高分子電解質膜を使用した固体高分子型燃料電池の駆動に必要とされる水分に対する耐久性を向上できる
【００１２】
図１及び図２に示すインターコネクター３０は、図３に示す方法で得ることができる。
先ず、図３（ａ）に示す様に、両面側に銅箔等の金属箔５０，５０が貼着された樹脂基板４０に、ドリル等で貫通孔５２を穿設した後［図３（ｂ）］、金属箔５０，５０の各表面上に形成した感光性フォトレジスト層に所望パターンを現像し、エッチングを施す金属箔５０，５０の部分の表面を露出させる。
次いで、表面が露出した金属箔５０，５０の部分をエッチングによって除去することによって、所望形状の溝部５４，５４・・を形成する［図３（ｃ）］。
更に、溝部５４，５４・・及び貫通孔５２の内壁面を含む全表面に、無電解めっきやスッパタリング等によって薄膜状金属層５６，５６を形成する。
その後、形成した薄膜状金属層５６，５６を給電層として電解めっきを施し、所定厚さの金属層４２，４４を形成する。
かかる電解めっきの際に、溝部５４，５４・・及び貫通孔５２の内壁面に形成された薄膜状金属層５６の表面上にも金属層が形成されるため、内壁面の全面が金属で形成された流路１８，２０を形成できると共に、貫通孔５２内が金属で充填されたヴィア４６も形成できる。
この電解めっきとしては、電解銅めっきを採用し、主として銅層から成る金属層を形成することによって、電気抵抗値の低減を図ることができ好ましい。
更に、高分子電解質膜を使用した固体高分子型燃料電池の駆動には水分が必要とされるため、流路１８，２０を流れる流体中に水分が含有される。このため、電解銅めっきで形成した銅層の表面に、銅層よりも薄いニッケル層又は金層を電解めっき又は無電解めっきで形成することによって、金属層の水分に対する耐久性を向上でき好ましい。
尚、図２のヴィア４６は、貫通孔５２内が金属で充填されたヴィアであるが、中空状部が存在するスルーホールヴィアであってもよい。
【００１３】
この様にして得られた図１及び図２に示すインターコネクター３０を用いて図４に示す集合燃料電池を形成できる。
図４に示す集合燃料電池は、高分子電解質膜１２が、空気等の酸素含有ガス流と接するカソード１０と水素等の燃料ガスを含有する燃料ガス含有流と接するアノード１４との間に挟み込まれて形成された、第１の単一固体高分子型燃料電池１６ａ（第１単一セル１６ａ）と第２の単一固体高分子型燃料電池１６ｂ（第２単一セル１６ｂ）とから成る。
かかる集合燃料電池で用いる高分子電解質膜１２としては、従来から固体高分子型燃料電池に用いられている高分子電解質膜を用いることができ、例えばスルホン酸系フッ素樹脂膜又はカルボン酸系フッ素樹脂膜を用いることができる。
この集合燃料電池では、第１単一セル１６ａと第２単一セル１６ｂとの間に配設されたインターコネクター３０は、その金属層４２の表面のうち、流路１８が開口されている部分を除く表面が第２単一セル１６ｂのカソード１０と接触していると共に、その金属層４４の表面のうち、流路２０が開口されている部分を除く表面が第１単一セル１６ａのアノード１４と接触している。
更に、金属層４２，４４は、ヴィア４６によって電気的に接続されているため、第１単一セル１６ａのアノード１４と第２単一セル１６ｂのカソード１０とは、インターコネクター３０によって電気的に接続されている。
【００１４】
また、第１単一セル１６ａのカソード１０側には、酸素含有ガス流が流される流路６６が金属層６２に形成された板体６４ａが被着されていると共に、第２単一セル１６ｂのアノード１４側には、燃料ガス含有流が流される流路６８が金属層６２に形成された板体６４ｂが被着されている。
この板体６４ａ，６４ｂは、図３（ｂ）に示す、両面側に銅箔等の金属箔５０，５０が貼着された樹脂基板４０に、ドリル等で貫通孔５２を穿設した後、樹脂基板４０の一方側のみに電解めっき等を施して金属層６２を形成したものである。このため、金属箔５０と金属層６２とは、樹脂基板４０を貫通するヴィア６１によって電気的に接続されている。
尚、板体６４ａ，６４ｂとインターコネクター３０との周縁部は、ガスケット６５，６５によってシールされている。
【００１５】
かかる図４に示す集合燃料電池では、インターコネクター３０の流路１８に、空気等の酸素含有ガス流を図１に示す矢印方向に流すことにより、第２単一セル１６ｂのカソード１０は酸素含有ガスと接触でき、同時に、板体６４ｂの流路６８に燃料ガス含有流を流すことにより、第２単一セル１６ｂのアノード１４は燃料ガスと接触できる。その結果、第２単一セル１６ｂでは起電力が発生する。
同様に、インターコネクター３０の流路２０に、燃料ガス含有流を流すことにより、第１単一セル１６ａのアノード１４は燃料ガスと接触でき、同時に、板体６４ａの流路６６に酸素含有ガス流を流すことにより、第１単一セル１６ａのカソード１０は酸素含有ガスと接触できる。その結果、第１単一セル１６ａでは起電力が発生する。
かかる第１単一セル１６ａ及び第２単一セル１６ｂで発生した起電力は、第１単一セル１６ａと第２単一セル１６ｂとがインターコネクター３０によって電気的に接続されているため、板体６４ａ，６４ｂの金属箔５０，５０から取り出すことができる。
尚、インターコネクター３０及び板体６４ａ，６４ｂに形成した流路１８，１０，６６，６８は、その内壁面が金属で形成されているため、気密な流路を形成でき、流路を流れるガスの漏洩を防止できる。
【００１６】
図２〜図４に示すインターコネクター３０は、その金属層に形成した溝状の流路は、その内壁面が金属で形成されているものであるが、図５に示す様に、流路１８，２０の底面に、樹脂基板４０の表面が露出しているものであってもよい。図５に示すインターコネクター３０は、図６に示す方法で得ることができる。先ず、図６（ａ）に示す様に、樹脂基板４０に、ドリルで貫通孔５２を穿設した後、貫通孔５２の内壁面を含む全表面に、無電解めっきやスッパタリング等によって薄膜状金属層５６を形成する［図６（ｂ）］。
次いで、形成した薄膜状金属層５６，５６を給電層として電解めっきを施し、所定厚さの金属層７０，７０を形成する［図６（ｃ）］。かかる電解めっきの際に、貫通孔５２の内壁面に形成された薄膜状金属層５６の表面上にも金属層が形成されるため、貫通孔５２内が金属で充填されたヴィア４６も形成できる。
その後、形成した金属層７０，７０の各表面上に形成した感光性フォトレジスト層７２に所望パターンを現像し、エッチングを施す金属層７０，７０の部分の表面を露出させた後、エッチングを施すことによって、図５に示すインターコネクター３０を得ることができる。
図５に示すインターコネクター３０のヴィア４６は、中空状部が存在するスルーホールヴィアであってもよい。
【００１７】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池用インターコネクターは、軽量で且つ電気抵抗値を充分に低減し得ることのできる簡単な構造とすることができる。このため、かかる本発明の燃料電池用インターコネクターを用いて複数個の単一燃料電池を集合した集合燃料電池も、軽量で且つ簡単な構造とすることができ、家庭電化製品の電力供給用として用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池用インターコネクターの一例を説明するための正面図である。
【図２】図１に示すインターコネクターのＹ−Ｙにおける部分断面図である。
【図３】図１に示すインターコネクターの製造方法を説明する工程図である。
【図４】図１に示すインターコネクターを用いた集合燃料電池の一例を説明するための部分断面図である。
【図５】本発明に係る燃料電池用インターコネクターの他の例を説明するための部分断面図である。
【図６】図５に示すインターコネクターの製造方法を説明する工程図である。
【図７】従来の集合燃料電池を説明する部分断面図である。
【図８】従来のインターコネクターを説明するための正面図及び部分断面図である。
【符号の説明】
１０　カソード
１２　高分子電解質膜
１４　アノード
１６ａ，１６ｂ　　　　単一固体高分子型燃料電池
１８，２０、６８　流路
３０　燃料電池用インターコネクター
３２，３４，３６，３８　供給口
４０，　樹脂基板
４２，４４，６２，７０　金属層
４６，６１　ヴィア
５０　金属箔
５２　貫通孔
５６　薄膜状金属層
６４ａ，６４ｂ　板体
７２　感光性フォトレジスト層
５４　溝部
６５　ガスケット
【図１】
2004022437.tif 000003
【図２】
2004022437.tif 000004
【図３】
2004022437.tif 000005
【図４】
2004022437.tif 000006
【図５】
2004022437.tif 000007
【図６】
2004022437.tif 000008
【図７】
2004022437.tif 000009
【図８】
2004022437.tif 000010