(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層と、前記電解質層を挟む対をなす拡散電極層と、前記各拡散電極層に接する燃料及び酸化剤の通路を画定するための対をなす配流板とを有する１つ以上のセルから構成された燃料電池であって、
前記電解質層が、多数の通孔を有する格子状フレームと、前記各通孔に保持された電解質とを有し、
前記格子状フレームの各格子にヒータ線が配設されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記ヒータ線が、前記格子状フレームの片面または両面に配置され、絶縁膜により覆われたワイヤ状または膜状ヒータ線からな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】
前記ヒータ線が、通電により発熱するヒータまたは外部から供給された熱を伝えるヒータのいずれかからなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、電解質層と、この電解質層を挟む対をなす拡散電極層と、各拡散電極層に接する燃料及び酸化剤の通路を画定するための対をなす配流板とを有する１つ以上のセルから構成された燃料電池に関するものである。
背景技術
燃料電池は、電解質層の両側に一対の電極を取り付け、一方の電極に水素やアルコール等の燃料ガス、他方の電極に酸素や空気などの酸化剤ガスを供給し、触媒による電気化学反応を起こさせて電気を発生させるものであり、使用する電解質によってリン酸型、固体高分子型、溶融炭酸塩型等のものがある。
このうち、電解質にイオン交換膜を使用する固体高分子電解質型燃料電池は、小型化が可能であり、ＳＯＦＣに比較して作動温度が低く（１００℃以下）、発電効率が高いことから注目されている。
固体高分子電解質（ＳＰＥ）としては、例えばパーフロオロカーボンスルフォン酸（Ｎａｆｉｏｎ：商品名）やフェノールスルフォン酸、ポリスチレンスルフォン酸、ポリトリフルオロスチレンスルフォン酸などのイオン交換樹脂の薄膜が用いられ、このイオン交換樹脂の薄膜の両面に白金などからなる触媒紛を含むカーボンペーパーをガス拡散電極として設けて膜・電極接合体（ＭＥＡ）とし、このＭＥＡの一方の面側に燃料ガス通路を、他方の面側に空気などの酸化剤ガス通路を配流板（セパレータ）により画定して燃料電池セルを構成している。
この燃料電池セルを多数直列に接続して使用するが、通常、燃料電池セルを積層して積層方向に隣接するセル同士でその間の配流板を共用するなどしてスタックを構成している。
上記各セルに於ける電気化学反応を促進するために８０℃〜９０℃に加温する必要があるが、従来は各セルの周囲から加温したり、スタック全体を加温していた。
しかしながら、特にＳＰＥの中心部分が加温されるのに時間を要すると稼働開始時などに早期に所望の出力が得られず、回路が不安定となったり稼働開始が遅くなるなどの問題がある。
本発明は上記したような従来技術の問題点を解決するべく案出されたものであり、稼働開始時などに早期に所望の出力を得ることが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
発明の開示
上記目的を達成するため、本発明においては、電解質層２と、前記電解質２を挟む対をなす拡散電極層３、４と、前記各拡散電極層３、４に接する燃料及び酸化剤の通路１０、１１を画定するための対をなす配流板５とを有する１つ以上のセルから構成された燃料電池であって、前記電解質層２が、多数の通孔２１ｂを有する格子状フレーム２１と、前記各通孔２１ｂに保持された電解質２２とを有し、前記格子状フレーム２１の各格子２１ａに、ヒータ線２６が配設されていることを特徴とする燃料電池を提供する。
これにより、稼働開始時などに各格子２１ａに配設されたヒータ線２６によって触媒３ｂ、４ｂ及び電解質２２を、局部的でなく全体的に早期に所望の温度まで加温でき、早期に所望の出力を得ることが可能となる。
特に前記ヒータ線２６が、前記格子状フレーム２１の片面または両面に配置され、絶縁膜２７により覆われたワイヤ状または膜状ヒータ線からなると良く、前記ヒータ線２６が、通電により発熱するヒータまたは外部から供給された熱を伝えるヒータのいずれかからなると良い。
本発明の他の特徴及び利点は、添付図面を参照して以下に示す。
発明を実施するための最良の形態
次に、本発明の実施の態様を添附図面を参照して以下に示す。
図１は、本発明が適用された燃料電池スタックの構造を示す分解斜視図である。実際にはこのスタックを複数併設して直列または並列に接続し、これにアルコール等を改質し、または直接水素ガスを燃料として供給し、更に空気等を酸化剤ガスとして供給することにより燃料電池が構成される。
この燃料電池スタックは複数の燃料電池セル１を積層してなる。図２（ａ）、（ｂ）に併せて示すように、各燃料電池セル１は、積層方向中央の電解質層２と、その表裏にガス拡散電極層３、４を介して設けられた対をなす配流板５とから構成されている。ここで、各配流板５は、当該セル１と積層方向に隣接する次段または前段のセルと共用となっている。
電解質層２は、格子状をなすフレーム２１と、このフレーム２１の各格子２１ａ間、即ち通孔２１ｂに電解質として充填されたＳＰＥ２２とを有している。ＳＰＥ２２としては、例えばパーフロオロカーボンスルフォン酸（Ｎａｆｉｏｎ：商品名）やフェノールスルフォン酸、ポリスチレンスルフォン酸、ポリトリフルオロスチレンスルフォン酸などが用いられる。
ここで、格子状フレーム２１はシリコン基板または他のエッチング可能な材料を加工してなり、各格子２１ａには、その厚み方向（積層方向）中間部にＳＰＥ２２を確実に保持するための突起２１ｃが設けられている。また、図３に示すように、格子状フレーム２１の各配流板５と対向する表裏両面に於ける各格子２１ａ上には、図示されない電源に接続された電熱線からなるヒータ２６が設けられている。このヒータ２６は、温厚性ではワイヤ状の電熱線からなるが、実際にはヒータとして機能する材料を成膜しても良い。また、例えばヒータ２６をパイプ状とし、内部に暖めた流体を循環させたり、熱伝導性の高い金属とし、図示されない熱源に接続するようにしても良い。
図４（ａ）〜図４（ｄ）に示すように、シリコン基板の表裏両面に所定のパターンにレジスト１３、１４を形成し、シリコン基板をその両面から異方性エッチングすることにより、その厚み方向中間部が狭くなるように通孔２１ｂが形成され、同時に突起２１ｃが形成される。その後、格子状フレーム２１の表裏両面に電熱線ヒータ２６を配置し、絶縁膜２７を公知の成膜法により成膜してこれを覆う。
格子状フレーム２１の対角位置には燃料ガス供給路及び排出路を構成する通孔２３ａ、２３ｂが形成され、別の対角位置には酸化剤ガス供給路及び排出路を構成する通孔２４ａ、２４ｂが形成されている。
一方、配流板５もシリコン基板を加工してなり、その中央部の表裏両面に凹部５１、５２が形成され、この中央凹部５１、５２には多数の四角錐台状の突起５３、５４が設けられている。また、凹部５１、５２及び各突起５３、５４の表面には外部回路とガス拡散電極層３、４とを接続するための金（Ａｕ）からなる電極端子膜５５、５６が公知の成膜法により成膜されている。
図５（ａ）〜図５（ｃ）に示すように、所定のパターンにレジスト１５、１６を形成し、シリコン基板をその両面から異方性エッチングすることにより、凹部５１、５２及び各突起５３、５４が形成され、その表面に電極端子膜５５、５６を成膜することにより配流板５が作成される。尚、スタックの積層方向上下端の配流板５についてはその片面にのみ凹部及び突起が形成されている。
配流板５の対角位置には燃料ガス供給路及び排出路を構成する通孔５７ａ、５７ｂが形成され、別の対角位置には酸化剤ガス供給路及び排出路を構成する通孔５８ａ、５８ｂが形成されている。ここで、図１に示すように、凹部５１と通孔５８ａ、５８ｂとは溝５９ａ、５９ｂにより連通し、凹部５２と通孔５７ａ、５７ｂとは溝５９ａ、５９ｂと同様な溝６０ａ、６０ｂにより連通している。
ガス拡散電極層３、４は、カーボンペーパーからなるガス拡散層３ａ、４ａの電解質層２側の表面近傍に白金（Ｐｔ）触媒３ｂ、４ｂをＳＰＥ２２と同様なＳＰＥと共に分散させたものからなる。
上記電解質層２をガス拡散電極層３、４を介して一対の配流板５で挟み、凹部５１、５２を囲むようにその周囲全周に亘り陽極接合することにより、その内部が気密に密閉され、中央凹部５１側に酸化剤ガスとしての空気通路１０が画定され、中央凹部５２側に燃料ガス通路１１が画定されている。
上記陽極接合について説明する。電解質層２の格子状フレーム２１の両面に於ける外周部全周に電極膜９及び例えばパイレックスガラス（商品名）等の耐熱性硬質ガラスからなるガラス膜８をスパッタリング法により予め成膜しておく。また、同様に両配流板５の外周部全周に電極膜９を成膜しておく。
通常、陽極接合は、Ｓｉまたは金属とガラスとをガラス内部のナトリウムイオンが移動可能な４００℃程度まで温度にまで上昇させて、これに電界をかけてイオンを移動させるようにしている。ところが、当該燃料電池では、固体電解質がポリマーである場合、全体を４００℃程度まで加熱すると固体電解質に損傷を与えてしまう。従って、本構成では、両配流板５の外周部に、この外周部のみを部分的に加熱可能とするべく電極膜９の下層にヒータ（図示せず）を埋設した。このヒータは、例えば絶縁層としてＳｉ３Ｎ４に挟まれた多結晶Ｓｉを使用すると良い。このとき電極端子膜５５、５６がこのヒータの下層にもあるとヒータの熱利用効率が低下するのでこの部分には配置しないことが好ましい。
上記格子状フレーム２１と配流板５を向かい合わせ、積層方向に１００ｇｆ／ｃｍ２〜２０００ｇｆ／ｃｍ２程度の圧力を加える。また、多結晶Ｓｉヒータに通電し、接合部分を局所的に４００℃程度まで昇温させる。この状態で格子状フレーム２１と配流板５との間に１００Ｖ〜５００Ｖの電圧を１０分〜３０分印加する。
尚、実際には陽極接合に代えて他の接合法により接合しても良い。また、接着剤により格子状フレーム２１と両配流板５とを接着する構造としても良い。いずれの場合もパッキンによるシール構造や上記外力を加えるための締結構造が不要になり、装置全体を小型化できる効果が得られる。
このような各燃料電池セル１の触媒及び電解質、即ち反応部分及びその近傍をヒータ２６で加温しつつ燃料ガス及び酸化剤ガス（空気）を流すことにより、触媒（Ｐｔ）による電気化学反応が発生し、各電極端子膜５５、５６間に電位差が生じ、これを直列に接続したスタックから外部回路に電源として供給することができる。
本構成に於ける燃料電池に用いる燃料は水素やアルコール等のガスとしたが、液体燃料でも良い。また、酸化剤も液体であっても良い。その場合、ガス拡散電極は、単に拡散電極とする。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明が適用された燃料電池スタックの構造を示す分解斜視図。
図２（ａ）は図１のＩＩａ−ＩＩａ線について見た部分拡大断面図、（ｂ）は図１のＩＩｂ−ＩＩｂ線について見た部分拡大断面図。
図３は、本発明が適用された燃料電池セルの電解質層のみを拡大して示す斜視図。
図４（ａ）〜図４（ｄ）は、本発明が適用された燃料電池セルの電解質層の製造手順を説明する断面図。
図５（ａ）〜図５（ｃ）は、本発明が適用された燃料電池セルの配流板の製造手順を説明する断面図。
【図１】
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【図２（ａ）】
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【図２（ｂ）】
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【図３】
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【図４（ａ）】
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【図４（ｂ）】
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【図４（ｃ）】
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【図４（ｄ）】
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【図５（ａ）】
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【図５（ｂ）】
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【図５（ｃ）】
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