(57)【要約】【課題】エネルギー密度が高い燃料電池を提供すること。【解決手段】アノードとカソードに狭持された固体高分子電解質膜で構成された膜電極接合体と、複数の膜電極接合体を取り付ける固定構造と、アノードとカソードへの電気接続を行うための電気接続構造と、燃料のアノードへの燃料供給路を備え、隣接する膜電極接合体が、各々のアノード同士、もしくは、各々のカソード同士が対向して配置され、この配置状態が交互に繰り返されるものであり、燃料供給路が複数の膜電極接合体の隣接するアノードに囲まれた部位に設けられる構成とした。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料の電気化学的還元反応を生ずる電極であるアノードと、酸化剤の電気化学的酸化反応を生ずる電極であるカソードと、固体高分子電解質膜が前記アノードと前記カソードに狭持され接合して成る膜電極接合体と、複数の前記膜電極接合体を取り付ける固定構造と、前記アノード及び前記カソードへの電気接続を行うための電気接続構造と、前記燃料のアノードへの燃料供給路とを備えるとともに、
隣接する前記膜電極接合体が、各々の前記膜電極接合体のアノード同士、もしくは、各々の前記膜電極接合体のカソード同士が対向して配置され、この配置状態が交互に繰り返されるものであり、
前記燃料供給路が複数の膜電極接合体の隣接するアノードに囲まれた部位に設けられたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記電気接続構造が、前記固体高分子電解質膜と対向する位置に各電極に接して配置される集電体と、前記集電体の電極と対向する面に配置される取出し電極と、前記取出し電極と電気接続される導電性パターンを備え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】
前記固定構造が、隣り合った膜電極接合体の対向する電極に狭持される剛体と、前記膜電極接合体と前記剛体を支持する支持体を備え、前記膜電極接合体、前記集電体、前記取出し電極と前記剛体とが加圧して保持されることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記剛体が多孔質であることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記剛体が導電性部材であることを特徴とする請求項３または４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記剛体が、前記取出し電極を兼用していることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記剛体が、前記集電体を兼用していることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記導電性パターンが前記支持体に形成され、前記導電性パターンと前記集電体とが接続しており、隣接した膜電極接合体のアノードとカソードとが順に電気接続されることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記燃料供給路が、前記支持体に形成されたマニホールドに連結していることを特徴とする請求項３〜８のいずれか一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、携帯電話、ノートパソコン、家庭電源、自動車などの電源として用いる燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質型燃料電池では、アノードとカソードの両電極と、両電極に狭持される固体高分子電解質膜から成る膜電極接合体が発電部分の基本構成である。アノードにおける燃料の酸化反応と、カソードにおける酸化剤、つまり、酸素もしくは貴な電位にて還元反応可能な酸化剤の還元反応とを、電気化学的に行い、両極の電位差と電気化学反応にて取出される電流から出力を得る装置である。燃料の例としては、水素、水素を生成しうる物質、メタノールを代表とするアルコール類、メタンを代表とする炭化水素などがある。
【０００３】
燃料電池は理論電圧が１．２Ｖと低く、内部インピーダンスの高い系であるので、実効的な電流を得る場合電圧が低下してしまう。従って複数の膜電極接合体を直列接続するか、もしくは、並列接続し昇圧回路にて目的の電圧を得ることができる。直列接続の方法として、複数の膜電極接合体の間に導電性のセパレータを配置して膜電極接合体を積層して接続する方法（例えば、非特許文献１参照）や、平面上に複数の膜電極接合体を配置して各々を平面接続する方法（例えば、非特許文献２参照）がある。前者は、セパレータの両面に流路を形成し、一方の流路に燃料を、他方の流路に酸化剤を、ポンプやファンで強制的に供給する。また後者は、複数の膜電極接合体が酸化剤、特に大気と接しており、大気は自然拡散で膜電極接合体に供給される。
【０００４】
【非特許文献１】
池田宏之助編著「燃料電池のすべて」日本実業出版社、２００１年８月２０日、ｐ．１２６−ｐ．１２７
【０００５】
【非特許文献２】
日経メカニカル編集部「燃料電池・開発最前線  自動車、携帯機器、家庭電源が変わる」日経ＢＰ社、２００１年６月２９日、ｐ．７０
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし従来の方法によると、エネルギー密度が低下する問題があった。それは次の理由による。セパレータを用いて積層して接続する方法によると、燃料や酸化剤を膜電極接合体に供給するためのポンプやファンにかかる電力が必要である。ここでセパレータに形成した流路は断面積が非常に小さいため抵抗が大きく、ポンプやファンの加圧力を高めなければならない。そのため、きわめて高い電力が必要である。燃料電池で発電した電力の内、ポンプやファンにかかる電力が高くなり、実質的に外部デバイスを駆動するための電力が小さくなる。また、平面接続によると、膜電極接合体の数に従いそれを格納する部分の面積が増大する。膜電極接合体には燃料を供給するための流路が設置され、更にこれらを収める支持体や外装部品が組み込まれた場合、膜電極接合体を積層した場合と比較して体積が大きくなる。従って、体積当りのエネルギー密度が小さくなる。
【０００７】
本発明は、酸化剤の電極への供給をファンやポンプを使わず自然拡散による燃料電池であり、かつ、平面接続構造よりも体積が小さく、小面積でありエネルギー密度が高い燃料電池を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池は、燃料の電気化学的還元反応を生ずる電極であるアノードと、酸化剤の電気化学的酸化反応を生ずる電極であるカソードと、固体高分子電解質膜がアノードとカソードに狭持され接合して成る膜電極接合体と、複数の膜電極接合体を取り付ける固定構造と、アノード及びカソードへの電気接続を行うための電気接続構造と、燃料のアノードへの燃料供給路を備え、隣接する膜電極接合体が、各々のアノード同士、もしくは、各々のカソード同士が対向して配置され、この配置状態が交互に繰り返されるものであり、燃料供給路が複数の膜電極接合体の隣接するアノードに囲まれた部位に設けられることを特徴としている。これにより、従来のセパレータを用いることなく電極を三次元に積層できるようになり、平面直列と比較して体積、面積の低減が図れる。また自然対流にて酸化剤がカソードに拡散するため、ポンプやファンを用いることなく酸化剤を供給することが可能となる。
【０００９】
さらに、電気接続構造が、固体高分子電解質膜と対向する位置に各電極に接して配置される集電体と、集電体の電極と対向する面に配置される取出し電極と、取出し電極と電気接続される導電性パターンから成ることを特徴としている。これにより、複数の膜電極接合体を直列もしくは並列接続することが可能となる。
【００１０】
さらに、固定構造が、隣り合った膜電極接合体の対向する電極に狭持される剛体と、膜電極接合体と剛体の支持体から成り、膜電極接合体と集電体と取出し電極と剛体とが加圧して保持されることを特徴としている。これにより、電極と集電体と取出し電極とが押し付けられ、電気抵抗を低減することが可能となる。
【００１１】
さらに、剛体に多孔質を用いることとした。これにより、燃料や酸化剤の供給を、剛体を介して行うことが可能となる。
【００１２】
さらに、剛体に導電性部材を用いることとした。これにより、剛体を通電することができ、導電性パターンや取出し電極と剛体を接触することにより、電気接続が可能となる。従って、複数の膜電極接合体が簡便に並列接続できるようになる。また、剛体が、取出し電極を兼用していることを特徴としている。これにより、取出し電極を形成する必要がなくなり、部品点数を低減することが可能となる。また、接触抵抗を低減できる。また、剛体が集電体を兼用していることを特徴としている。これにより、集電体を無くすことができ、部品点数を低減することが可能となる。また、接触抵抗を低減できる。
【００１３】
さらに、導電性パターンが支持体に形成され、導電性パターンと集電体とが接続しており、隣接した膜電極接合体のアノードとカソードとが順に電気接続されることを特徴としている。これにより、複数の膜電極接合体が直列接続できるようになる。実際には導電性パターンと集電体の電気接続は、取出し電極を設けて溶接する方法、導電性ペーストを用いる方法などがある。いずれにしても、支持体に形成された導電性パターンと電極との電気接続は、プリント基板への実装と類似の技術を使うことが可能であり、本燃料電池や部材の寸法からハイレベルの実装技術は要求されない。従って、簡便に燃料電池の直列構造を得ることができるようになる。
【００１４】
また、燃料供給路が、支持体に形成されたマニホールドに連結していることを特徴としている。これにより、マニホールドを通して、燃料を一括して複数の燃料供給路に送ることができるようになり、燃料供給方法を簡便にすることができるようになる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
本実施例の燃料電池を図１及び図２を用いて説明する。図１は本実施例の燃料電池の斜視図であり、図２は電極近傍の構造を示す部分拡大図である。本実施例の燃料電池は、燃料と酸化剤から電気化学反応により電力を生ずる正極１０、負極２０と反応により生ずる伝導担体が移動する電解質３０から成る膜電極接合体が複数形成されている。正極１０と負極２０の電解質３０と対向する面には、それぞれ正極側集電体４１と負極側集電体４２とが固着されている。複数の膜電極接合体は、それぞれ正極側集電体４１同士、負極側集電体４２同士が向き合うように配置される。負極側集電体４２に挟まれる部位には、燃料供給口５０より燃料が供給される。また筐体６０は、負極側集電体４２に挟まれる部位を密閉し、逆に正極側集電体４１で挟まれる部位を開放するような形状になっている。
【００１６】
正極１０、負極２０と、これらの電極に狭持される電解質３０から成る膜電極接合体には、正極１０に正極側集電体４１が、負極２０に負極側集電体４２が固着されている。これらの集電体は、電気化学反応にかかわる電子を集電する機能を持つ。集電体には、取出し電極と導電性パターン７０が接続されている。導電性パターン７０は、隣り合った膜電極接合体に同様の方法を取って接続される。
【００１７】
図３は本実施例の燃料電池の構造を示した図１の断面図で、側面と平行な面での断面図である。本図では、複数の膜電極接合体は次のように接続される。つまり、前の膜電極接合体の負極側集電体４２と正極側集電体４１とが、また、負極側集電体４２と次の膜電極接合体の正極側集電体４１とが、導電性パターン７０により接続され、直列接続されている。導電性パターン７０は、筐体６０などの膜電極接合体を取り付けている部材に形成している。これにより、直列接続をする場合にも複雑な配線をする必要がなくなる。また、燃料はマニホールド８０を通り、燃料供給口５０から負極集電体４２に供給される。負極集電体４２に供給された燃料は、電解質３０と負極集電体４２の間にある負極２０に達し、電気化学反応をすることと成る。燃料はマニホールド８０で一括して複数の膜電極接合体に送ることができる。
【００１８】
以上の反応を可能とするために、酸化剤には、空気、酸素、過酸化水素などの還元可能な物質が使われる。特に空気を用いれば、本燃料電池を大気中に放置するだけで酸化剤を供給する事ができる。また燃料としては、水素、メタノールやグリコールなどのアルコール類、ジエチルエーテルなどのエーテル類、メタン、エチレンなどの炭化水素類、金属水素錯化合物水溶液、水酸化ナトリウムや水酸化カリウムなどのアルカリ塩、硫酸、硝酸などの無機酸、クエン酸、リンゴ酸などの有機酸等がある。但しこれには限らない。いずれも、負極２０において、電気化学反応で電子を放出することができる物質である。
【００１９】
本実施例では、複数の膜電極接合体を直列接続することにより、出力電圧を直列数分向上する事ができる。また、大気中に放置することで酸化剤を供給できるため、酸化剤を強制的に供給するための構造が必要ない。従来ならば酸化剤を強制供給する場合、膜電極接合体を三次元的に積層する構造が提案されてきた。しかし、こういった自然対流を用いる燃料電池では、膜電極接合体を平面的に並べる配置のみ提案されてきた。本実施例により、電極部位のサイズを小さくすることができるようになる。このような構造を、例えばノートパソコン用の燃料電池として適用することにより、従来の電池より３倍程長持ちする電源デバイスを作成することができる。
【００２０】
（実施例２）
図４は本実施例の燃料電池の断面図である。図２と膜電極接合体の配置は類似しているが、本実施例では、電極の接続は並列となっている。本実施例の燃料電池では、隣り合った膜電極接合体の間に剛体９０を入れている。剛体９０は、正極１０、負極２０、電解質３０、集電体４０との密着性を高めて保持、固定すると共に、各部位を圧縮して、電気抵抗、イオン移動抵抗を小さくする機能を持つ。更に各膜電極接合体を並列接続するために、剛体９０は導電性を持つ。また剛体９０は、正極側集電体４１と接触しているものは正極側導電性パターン７１と、負極側集電体４２と接触しているものは負極側導電性パターン７２と電気的に接続されている。従って、正極１０と負極２０とはそれぞれ同電位となり、各膜電極接合体は並列接続されることになる。本実施例では、剛体９０は多孔質もしくは多数の貫通孔が形成されている構造となっている。そのため、気体、液体の剛体９０中の流通が可能となり、正極１０には空気中の酸素が、負極２０には燃料が剛体９０を通して供給される。本構造においても自然対流による酸化剤や燃料の電極への供給が可能である。
【００２１】
燃料電池全体の電圧は、膜電極接合体が並列接続のため、単一の膜電極接合体の出力電圧と等しい。ここで、電源デバイスとしてはアプリケーションの要求に応じて電圧を変化するか、もしくは、高電圧を維持する必要がある。これを達成する手段として、ＤＣ−ＤＣコンバータを用いる電圧の昇圧がある。尚、燃料や酸化剤の種類は実施例１と同様である。
【００２２】
以上の構造により、自然対流による燃料や酸化剤の供給が可能であり、かつ、膜電極接合体やその近傍の抵抗を低減することが可能となり、燃料電池のエネルギー密度を向上することができる。
【００２３】
（実施例３）
図５は燃料電池の支持体１００を示す斜視図である。支持体１００は、断面が櫛歯状となっており、櫛歯部分１１０に膜電極接合体が配置される。支持体１００の材質は導電性物質であるため、電極間を接続する導電性パターンを兼ねることが可能である。また、剛体であるため、応力がかかっても変形が小さい。燃料電池の膜電極接合体の配置は図２と類似している。つまり、膜電極接合体を櫛歯部分に固着することにより、隣り合った電極同士が対向する配置を取ることができる。ここで例えば、正極１０、負極２０どちらか一方の電極を支持体１００と接触させ、他方を外部導電性パターンと電気接続することにより、簡便に並列接続をすることが可能である。本実施例では燃料電池を構成する場合、負極２０に挟まれる部位に覆いを設け外部から大気が入らないようにする必要がある。
【００２４】
図６は本実施例の燃料電池の構造を示す断面図である。支持体１００、すなわち正極側支持体１０１と負極側支持体１０２は図５と同様の構造である。正極側支持体１０１と負極側支持体１０２の櫛歯部分１１０が交互に組み合わさっており、これらの櫛歯部分１１０に狭持されて、それぞれに膜電極接合体の正極１０と負極２０に接続されている。但し正極側支持体１０１は櫛歯部分１１０が大気に開放されており、酸素が拡散流入できるようになっている。また負極側支持体１０２は、櫛歯部分１１０に凹状の掘り込み１２０があり、掘り込み１２０とマニホールド８０とは燃料供給口５０により燃料の流通が可能となっている。
【００２５】
図５、図６にかかわる支持体１００は、バルク材の切削加工やエッチングにより製造することが可能である。本実施例では、負極側支持体１０２の櫛歯部分に開口窓１２０と、燃料供給口５０とをエッチングにより成形した。開口窓１２０を成形するためには、櫛歯部分１１０の間に切削工具を入れる必要があるが、この間隔が１〜５ｍｍしかないため事実上不可能である。しかし、エッチングにより成形可能となった。尚掘り込み１２０の寸法は、本実施例では、１ｃｍ×３ｃｍ×１ｍｍである。
【００２６】
本実施例では、１０枚の膜電極接合体を用い、上記の通り櫛歯部分１２０に固定し、各膜電極接合体を並列接続した燃料電池を作製した。燃料電池の寸法は、３．４ｃｍ×５ｃｍ×１．４ｃｍである。本燃料電池のエネルギー密度は既存電池の２．６倍であった。
【００２７】
以上のような構造により、導電性パターンを外部に形成することなく電極間の接続が可能となり、膜電極接合体の固定と同時に電極間の接続が行える。また導電性接着剤や金属蝋により複数の膜電極接合体を同時に固着できる。これらは製造時間の短縮につながる。更にエッチングにより、櫛歯部分１１０の掘り込み１２０を簡便に成形できる。従って、櫛歯部分１１０の間隔を小さくすることができ、小型、高エネルギー密度な燃料電池の作製が可能となる。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、上記課題を解決するために、本発明においては、固体高分子電解質型燃料電池において、燃料の電気化学的還元反応を生ずる電極であるアノードと、酸化剤の電気化学的酸化反応を生ずる電極であるカソードと、固体高分子電解質膜が前記アノードと前記カソードに狭持され接合して成る膜電極接合体と、複数の前記膜電極接合体を取り付ける固定構造と、前記アノード及び前記カソードへの電気接続を行うための電気接続構造と、前記燃料のアノードへの燃料供給路を備え、隣接する前記膜電極接合体が、各々のアノード同士、もしくは、各々のカソード同士が対向して配置され、この配置状態が交互に繰り返されるものであり、前記燃料供給路が複数の膜電極接合体の隣接するアノードに囲まれた部位に設けられることを特徴としている。これにより、従来のセパレータを用いることなく、電極を三次元に積層できるようになり、平面直列と比較して体積、面積の低減が図れる。また自然対流にて酸化剤がカソードに拡散するため、ポンプやファンを用いることなく酸化剤を供給することが可能となる。
【００２９】
以上により、酸化剤の電極への供給をファンやポンプを使わず自然拡散による燃料電池であり、かつ、エネルギー密度が高い燃料電池を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による実施例１の燃料電池の構造を示す斜視図である。
【図２】本発明による実施例１の燃料電池の電極周囲構造を示す断面図である。
【図３】本発明による実施例１の燃料電池の構造を示す断面図である。
【図４】本発明による実施例２の燃料電池の断面図である。
【図５】本発明による実施例３の燃料電池の支持体を示す模式図である。
【図６】本発明による実施例３の燃料電池の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１０  正極
２０  負極
３０  電解質
４０  集電体
４１  正極側集電体
４２  負極側集電体
５０  燃料供給口
６０  筐体
７０  導電性パターン
８０  マニホールド
９０  剛体
１００  支持体
１０１  正極側支持体
１０２  負極側支持体
１１０  櫛歯部分
１２０  開口窓
【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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