(57)【要約】【課題】比較的簡単に電極接合体を作製可能にし、それによって学校教材や研究用として最適な燃料電池及び燃料電池システムの組み立てキットを提供する。【解決手段】燃料電池の組み立てキットは、電極接合体２を作製するための材料として、イオン交換膜２１と、電極触媒及びイオン交換樹脂を含有する溶液と、上記溶液が表裏一側面に塗布されて薄膜が形成されると共に、その薄膜形成後に上記イオン交換膜２１の表裏両側面それぞれに上記薄膜を介して熱圧着される２つのカーボン電極２２と、を備える。【選択図】図４
2005166437.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の組み立てキットであって、
電極接合体を作製するための材料として、
イオン交換膜と、
電極触媒及びイオン交換樹脂を含有する溶液と、
それぞれ上記溶液が表裏一側面に塗布されて薄膜が形成されると共に、その薄膜形成後に上記イオン交換膜の表裏両側面それぞれに上記薄膜を介して熱圧着される２つのカーボン電極と、を備える組み立てキット。
【請求項２】
請求項１の組み立てキットにおいて、
上記イオン交換膜と上記カーボン電極との熱圧着温度は、１２０℃以上１６０℃以下に設定されると共に、その熱圧着圧力は、５ｋＰａ以上２５ｋＰａ以下に設定される組み立てキット。
【請求項３】
請求項１又は請求項２の組み立てキットにおいて、
組み立て時に上記作製された電極接合体の表裏両側面それぞれの側に配置される２つのシールパッキンと、
それぞれ上記電極接合体に燃料ガスを供給するための供給口を有しかつ、上記シールパッキンを介して上記電極接合体を挟持するための２つのフランジと、をさらに備える組み立てキット。
【請求項４】
請求項３の組み立てキットにおいて、
組み立て時に上記フランジと電極接合体との間に介設されて、上記燃料ガスを拡散させるスペーサ部材をさらに備える組み立てキット。
【請求項５】
請求項３の組み立てキットにおいて、
組み立て時に上記カーボン電極に直接的又は間接的に接続されると共に、その組み立て状態において上記シールパッキンの外縁から外方に突出する外部端子をさらに備える組み立てキット。
【請求項６】
請求項５の組み立てキットにおいて、
上記外部端子は、組み立て時に上記フランジと電極接合体との間に介設されて、燃料ガスを拡散させるスペーサ部材を兼用する組み立てキット。
【請求項７】
請求項３又は請求項４の組み立てキットにおいて、
上記カーボン電極は、組み立て状態においてその先端部が上記シールパッキンの外縁から外方に突出して外部端子を構成する組み立てキット。
【請求項８】
請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池の組み立てキットを備えた燃料電池システムの組み立てキットであって、
水素発生装置の組み立てキットをさらに備え、
上記水素発生装置の組み立てキットは、電極接合体を作製するための材料として、
イオン交換膜と、
電極触媒及びイオン交換樹脂を含有する溶液と、
上記溶液が表裏一側面に塗布されて薄膜が形成されると共に、その薄膜形成後に上記イオン交換膜の表裏一側面に上記薄膜を介して熱圧着される１つのカーボン電極と、を備える組み立てキット。
【請求項９】
請求項８の組み立てキットにおいて、
水素発生装置の組み立てキットは、その組み立て時にイオン交換膜の表裏他側面に密着して配置される触媒坦持金属電極をさらに備える組み立てキット。
【請求項１０】
電極接合体の製造方法であって、
カーボン電極の表裏一側面に電極触媒及びイオン交換樹脂を含有する溶液を塗布して、薄膜を形成する工程と、
上記薄膜が形成されたカーボン電極を、その薄膜を介してイオン交換膜の表裏一側面に熱圧着する工程と、を含み、
上記熱圧着工程は、１２０℃以上１６０℃以下の温度でかつ、５ｋＰａ以上２５ｋＰａ以下の圧力で熱圧着を行う製造方法。
【請求項１１】
請求項１０の製造方法において、
カーボン電極が熱圧着されたイオン交換膜の表裏他側面に、別の薄膜形成カーボン電極を、その薄膜を介して熱圧着する第２の熱圧着工程をさらに含む製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池（システム）の組み立てキットに関し、特に学習教材や研究等の用途で組み立てるための組み立てキット及びその組み立ての際に行われる電極接合体の製造（作製）方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素・酸素燃料電池は反応生成物が水のみであり、クリーンな発電システムとして注目されている。この燃料電池の１つとしての固体高分子型燃料電池は、イオン交換膜の表裏両側面に触媒層を接合すると共に、その触媒層の外側面にカーボン電極を接合した電極接合体を有している。
【０００３】
こうした燃料電池用の電極接合体の製造方法として、例えば特許文献１には、基材フィルム上に塗工機を使用して触媒層を形成し、その形成した触媒層をホットプレスやホットローラを用いてイオン交換膜に熱圧着により接合する方法が開示されている。
【０００４】
また、これとは異なる電極接合体の製造方法として、例えば特許文献２には、イオン交換膜上にエアスプレーにより触媒層を直接形成する方法が開示されている。
【特許文献１】特開２００２−２８００２０号公報
【特許文献２】特開２００３−１００３１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、燃料電池に対する注目が近年高まるにつれて、学習教材や研究等用としての燃料電池及びそのシステムに対する要求が高まっている。尚、ここでいう「学習教材・研究用」には個人的目的の用途を含む。学習教材や研究等用としては、その仕組みの理解等のために、燃料電池（システム）が自作可能な組み立てキットとして提供されることが望ましい。特に電極接合体は燃料電池の中心要素であるため、組み立てキットは、電極接合体を自作する形態であることが望まれる。
【０００６】
しかしながら、電極接合体を、塗工機、ホットプレス、エアスプレー等の産業用製造装置を用いることなく作製することは極めて困難である。
【０００７】
つまり、特許文献１に開示された方法のように基材フィルム上に触媒層を形成してこれをイオン交換膜に転写する方法では、厚み５０μｍ程度のポリプロピレンフィルム上に触媒層を形成するため、塗工機を用いずにそのフィルム上に平滑な薄膜触媒層を形成することは極めて困難である。またこの方法では、ホットプレスやホットローラを用いて触媒層を転写しているため、特許文献１に開示された方法に従ったのでは、学校、研究室、一般家庭等において電極接合体を自作することは不可能である。
【０００８】
一方、特許文献２に開示された方法のようにイオン交換膜上に溶液を塗布して触媒層を形成する方法では、イオン交換膜が膨潤性を有しているため、触媒溶液を塗布した際にイオン交換膜が膨張する。このため、特許文献２に開示されているようにイオン交換膜を真空引きにより保持した状態としなければ、平坦な触媒層を作製することは極めて困難である。
【０００９】
さらに、上記特許文献１，２に開示されたいずれの方法においても、イオン交換膜に対して触媒層を接合した後にその触媒層に対してカーボン電極を接合するため、作製工程数が多く、そのことも電極接合体を自作することの阻害要因となっている。
【００１０】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、比較的簡単に電極接合体を作製可能にすることにあり、それによって、学校教材や研究用として最適な燃料電池及び燃料電池システムの組み立てキットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の燃料電池の組み立てキットは、電極接合体を作製するための材料として、イオン交換膜と、電極触媒及びイオン交換樹脂を含有する溶液と、上記溶液が表裏一側面に塗布されて薄膜が形成されると共に、その薄膜形成後に上記イオン交換膜の表裏両側面それぞれに上記薄膜を介して熱圧着される２つのカーボン電極と、を備える。
【００１２】
この構成により、電極接合体を作製するときには、先ず、カーボン電極の表裏一側面に溶液（電極触媒及びイオン交換樹脂含有）を塗布する。カーボン電極としてはカーボンペーパ又はカーボンクロスを用いればよい。このようにカーボン電極に溶液を塗布するため、例えばガラス棒等を利用した溶液の塗布が可能になる。
【００１３】
こうして、カーボン電極に溶液が塗布されれば、それを乾燥させることでカーボン電極の表裏一側面に薄膜が形成される。この薄膜は電極接合体の触媒層を構成するものである。
【００１４】
薄膜形成カーボン電極は、上記イオン交換膜の表裏両側面それぞれに、その薄膜を介して熱圧着される。こうして、イオン交換膜に対して触媒層とカーボン電極とが同時に接合されるため、触媒層とカーボン電極と順に接合する場合に比べて作製工程数が低減する。
【００１５】
このように、本発明の組み立てキットでは、その組み立ての際にはカーボン電極を薄膜形成のための基板として用いる一方で、上記カーボン電極はイオン交換膜に接合されることにより、燃料電池においてはガス拡散層として機能することになる。
【００１６】
ここで、このイオン交換膜とカーボン電極との熱圧着温度は、１２０℃以上１６０℃以下に設定すると共に、その熱圧着圧力は、５ｋＰａ以上２５ｋＰａ以下に設定することが好ましい。
【００１７】
この熱圧着温度及び圧力は、例えば家庭用アイロンで実現可能であり、本発明では、イオン交換膜とカーボン電極とを家庭用アイロンによって熱圧着させることが可能になる。家庭用アイロンは通常８０℃以上２００℃以下程度の温度に達する。また、人が体重をかけてそのアイロンを押さえることによって５ｋＰａ以上２５ｋＰａ以下程度の圧力が実現される（家庭用アイロンのかけ面面積は通常１５０ｃｍ2程度であり、人が体重をかけてそのアイロンを押さえた場合は、通常５〜４０ｋｇｆ程度の荷重が加わる）。こうして、電極接合体を容易に自作可能になる。尚、上記１２０℃以上１６０℃以下の熱圧着温度、及び５ｋＰａ以上２５ｋＰａ以下の熱圧着圧力が実現するのであれば、家庭用アイロン以外のものを利用してもよいのは言うまでもない。
【００１８】
上記組み立てキットは、その組み立て時に上記作製された電極接合体の表裏両側面それぞれの側に配置される２つのシールパッキンと、それぞれ上記電極接合体に燃料ガスを供給するための供給口が形成されかつ、上記シールパッキンを介して上記電極接合体を挟持するための２つのフランジと、をさらに備えることが好ましい。
【００１９】
組み立てられた燃料電池において、電極接合体はフランジ及びシールパッキンにより密封され、その電極接合体には、フランジの供給口を介して燃料ガス（水素ガス及び酸素ガス（空気））が供給される。
【００２０】
上記組み立てキットは、その組み立て時に上記フランジと電極接合体との間に介設されて、上記燃料ガスを拡散させるスペーサ部材をさらに備えてもよい。
【００２１】
こうすることで、フランジの供給口から流入した燃料ガスは、スペーサ部材で拡散されて電極接合体に供給される。その結果、燃料電池の発電効率が高まる。
【００２２】
上記組み立てキットは、その組み立て時に上記カーボン電極に直接的又は間接的に接続されると共に、その組み立て状態において上記シールパッキンの外縁から外方に突出する外部端子をさらに備えることが好ましい。これにより、外部回路（負荷）に接続する端子を燃料電池の外部に位置させることが可能になる。
【００２３】
この外部端子は、組み立てキットの組み立て時に、上記フランジと電極接合体との間に介設して、燃料ガスを拡散させるスペーサ部材を兼用させてもよい。
【００２４】
こうすることで、部品点数の低減化が図られて、組み立ての容易化が図られると共に、組み立てキットのコストの低減化が図られる。
【００２５】
また、これとは異なり、上記カーボン電極を、組み立て状態においてその先端部が上記シールパッキンの外縁から外方に突出する外部端子を構成してもよい。
【００２６】
こうすることでも、部品点数の低減化が図られて、組み立ての容易化が図られると共に、組み立てキットのコストの低減化が図られる。
【００２７】
上記の燃料電池の組み立てキットは、水素発生装置の組み立てキットとセットにして、燃料電池システムの組み立てキットとしてもよい。
【００２８】
上記水素発生装置は、水電解によって水素を発生する装置としてもよく、この場合は、燃料電池と同様に、電極接合体を用いた水電解水素発生装置とすることが可能である。
【００２９】
そこで、上記水素発生装置の組み立てキットは、この電極接合体を作製するための材料として、イオン交換膜と、電極触媒及びイオン交換樹脂を含有する溶液と、上記溶液が表裏一側面に塗布されて薄膜が形成されると共に、その薄膜形成後に上記イオン交換膜の表裏一側面に上記薄膜を介して熱圧着される１つのカーボン電極と、を備えてもよい。
【００３０】
この構成により、上述したように、水素発生装置の電極接合体を容易に自作可能になる。
【００３１】
尚、水素発生装置の電極接合体は、そのイオン交換膜の表裏一側面にカーボン電極を接合しない方が好ましい。これは水電解によって発生した酸素（酸素イオン）と炭素とが反応してしまうためである。
【００３２】
そこで、上記水素発生装置の組み立てキットは、その組み立て時にイオン交換膜の表裏他側面に密着して配置される触媒坦持金属電極をさらに備えてもよい。この触媒坦持金属電極は、カーボン電極に代わるものである。
【００３３】
本発明の電極接合体の製造方法は、カーボン電極の表裏一側面に電極触媒及びイオン交換樹脂を含有する溶液を塗布して、薄膜を形成する工程と、上記薄膜が形成されたカーボン電極を、その薄膜を介してイオン交換膜の表裏一側面に熱圧着する工程と、を含む。そして、上記熱圧着工程を、１２０℃以上１６０℃以下の温度でかつ、５ｋＰａ以上２５ｋＰａ以下の圧力で熱圧着を行う方法である。
【００３４】
この方法により、上述したように、電極接合体を容易に自作することが可能になる。この電極接合体はイオン交換膜の表裏一側面のみにカーボン電極が接合されているため、水素発生装置の電極接合体として用いることが可能である。
【００３５】
また、上記の製造方法は、カーボン電極が熱圧着されたイオン交換膜の表裏他側面に、別の薄膜形成カーボン電極を、その薄膜を介して熱圧着する第２の熱圧着工程をさらに含んでもよい。この第２の熱圧着工程を経て製造された電極接合体は、イオン交換膜の表裏両面にカーボン電極が接合されているため、燃料電池の電極接合体として用いることが可能である。
【発明の効果】
【００３６】
本発明の燃料電池の組み立てキット、燃料電池システムの組み立てキット、及び電極接合体の製造方法によれば、カーボン電極の表裏一側面に溶液を塗布して薄膜を形成した後に、これをイオン交換膜に熱圧着により接合するため、触媒層の形成が容易になると共に、その作製工程数を少なくすることができる。また、カーボン電極とイオン交換膜との熱圧着は家庭用アイロンを利用することでも可能であるため、電極接合体を容易に自作することができ、それにより、学習教材や研究等用として好適な燃料電池の組み立てキット及び燃料電池システムの組み立てキットとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００３８】
図１は、本発明の燃料電池システムの組み立てキットを組み立てることによって構成される燃料電池システムの概略を示している。このシステムは、水電解セル３と、燃料電池セル１と、水素ホルダ５と、を備える。この内、上記水電解セル３は、水の電気分解により水素ガスを発生させるものであり、上記水素ホルダ５は、上記水電解セル３によって発生した水素ガスを捕集して貯蔵するものである。また、上記燃料電池セル１は、上記水素ホルダ５に貯蔵されている水素ガスと、酸素ガス（空気）とを燃料ガスとし、これらのガスを電気化学的に反応させて発電を行うものである。
【００３９】
上記水電解セル３は、水電解用電極接合体（以下、ＥＣ電極接合体という）４を、シールパッキンを介して２つのフランジによって挟持することを基本構成とする。
【００４０】
この水電解セル３は、図２に示すように、上記ＥＣ電極接合体４と、第１フランジ３２及び第２フランジ３３と、２つの第１シールパッキン３４と、１つの第２シールパッキン３５と、２つのスペーサ部材３６と、２つの端子部材３７と、１つの水電解電極（以下、ＥＣ電極という）３８と、４つのクランプ部材３９と、を有する。これらの部材（ＥＣ電極接合体４を除く）は、水電解セルの組み立てキットとして提供されるものである。ＥＣ電極接合体４は、電極接合体の形態としては提供されず、後述する作製方法に従って自作される。以下、各部材について詳述する。
【００４１】
上記ＥＣ電極接合体４は、平面視略矩形状の水素イオン伝導性を有するイオン交換膜２１と、このイオン交換膜２１よりも小型の平面視略矩形状を有するカーボン電極２２とを含み、上記イオン交換膜２１の下面に上記カーボン電極２２が接合されて構成される。このイオン交換膜２１とカーボン電極２２との境界面には、図１，２では図示を省略する触媒層２３（図４参照）が形成されている。このＥＣ電極接合体４の作製方法については後述する。
【００４２】
上記第１及び第２フランジ３２，３３はそれぞれ、平面視で略正方形状を有する板状の部材であって、その４つの隅部にはそれぞれ板厚方向に貫通するボルト孔３２ａ，３３ａが形成されている。また、上記第１フランジ３２には、その略中央位置に筒状の水供給部３２ｂが取り付けられており、上記第２フランジ３３には、その略中央位置に筒状の水素排出部３３ｂが取り付けられている。
【００４３】
上記水供給部３２ｂは、上記第１フランジ３２を板厚方向に貫通した状態でこの第１フランジ３２に取り付けられていて、その下端面は第１フランジ３２の下面と面一にされ、その上端は第１フランジ３２の上面よりも上方に突出されている。この水供給部３２ｂは、その内部に蒸留水が貯留されるものであり、この蒸留水は、上記第１フランジ３２の下面に形成された供給口３２ｃを通って、上記ＥＣ電極接合体４に供給される。また、この水供給部３２ｂは、水の電気分解によって発生した酸素ガスを排出する役目も有する。
【００４４】
上記水素排出部３３ｂも上記水供給部３２ｂと同様に、上記第２フランジ３３を板厚方向に貫通した状態でこの第２フランジ３３に取り付けられていて、その上端面は第２フランジ３３の上面と面一にされ、その下端は第２フランジ３３の下面よりも下方に突出されている。この水素排出部３３ｂは、水の電気分解により発生した水素ガスを、第２フランジ３３の下面に形成された排出口３３ｃを介して水電解セル３の外部に排出する役目を有する。この水素排出部３３ｂの下端部には、捕集チューブ５３が連通されており、排出された水素ガスは、上記水素ホルダ５に供給される。
【００４５】
これら第１フランジ３２及び第２フランジ３３は、後述する各部材を挟持してシール性が確保される程度の剛性を有する材質であれば、各種金属又は樹脂等のいずれの材質で形成することも可能であるが、透明性を有する材質（例えば透明アクリル樹脂等）によってフランジを形成すれば、水電解セル３の内部を観察することが可能になり、学習用教材又は研究用として好ましい。また、上記水供給部３２ｂも透明性を有する材質によって形成することにより、蒸留水の量を確認することができると共に、水の電気分解によって発生した酸素が排出される様子を観察することができる。上記水素排出部３３ｂは、特に透明性材料によって形成する必要はなく、例えば金属製パイプを利用することが可能である。
【００４６】
上記第１シールパッキン３４は、平面視で略正方形状を有する比較的肉厚のゴム製部材であり、その中央部に平面視で略矩形状を有するスペーサ配置孔３４ａを有している。また、第１シールパッキン３４は、その４つの側縁部の内の１つから内方に延びる凹溝３４ｂを有していて、この凹溝３４ｂは、上記スペーサ配置孔３４ａを区画形成する４つの周縁部の１つにまで延びている。尚、この第１シールパッキン３４の４つの隅部にもそれぞれボルト孔３４ｃが形成されている。
【００４７】
上記第２シールパッキン３５は、比較的薄肉のゴム製部材であり、正方形の４隅部が切り欠かれた平面視で略八角形状を有する。この第２シールパッキン３５は、その中央部に平面視で略矩形状の矩形貫通孔３５ａを有しており、この第２シールパッキン３５の矩形貫通孔３５ａと第１シールパッキン３４のスペーサ配置孔３４ａとは同形状となっている。尚、この第２シールパッキン３５の矩形貫通孔３５ａ内には、上記ＥＣ電極接合体４のカーボン電極２２が配置される。
【００４８】
上記スペーサ部材３６は、上記各第１シールパッキン３４のスペーサ配置孔３４ａ内に配置されるものであって、水の電気分解によって発生した酸素ガス又は水素ガスが、水電解セル３の外部に排出され易くするためのものである。このスペーサ部材３６は、平面視で矩形状を有する部材であって、導電性を有しかつその板厚方向にガスが透過可能に構成されている。このスペーサ部材３６（特にＥＣ電極接合体４よりも上側に配置されるスペーサ部材３６）は水と接触することから防錆の観点より、例えばステンレス鋼若しくはチタン製の、金網やエキスパンドメタル等の多孔体によって構成することが可能である。
【００４９】
上記端子部材３７は、直流電源６１（図１参照）が接続される外部端子となるものである。この端子部材３７は、平面視で略長方形状を有する板状の部材であって、導電性を有しかつ、板厚方向にガスが透過可能に構成されている。この端子部材３７は、上記第１シールパッキン３４のスペーサ配置孔３４ａ及び凹溝３４ｂ内に配置されるものであって、その板幅は上記凹溝３４ｂの溝幅と略同じ幅に設定されていると共に、その板長は、端子部材３７を凹溝３４ｂ内に配置した際に、その先端部が上記第１シールパッキン３４の外縁から外方に突出する長さに設定されている。この端子部材３７は、例えばステンレス鋼若しくはチタン製の、金網やエキスパンドメタル等の多孔体によって構成することが可能である。尚、上記端子部材３７を上記スペーサ部材３６と同一材質により形成すれば、材質を共通化することができ好ましい。
【００５０】
上記ＥＣ電極３８は、上記ＥＣ電極接合体４の上面に密着されて、このＥＣ電極接合体４のプラス側の電極を構成するものである。このＥＣ電極３８は、平面視で矩形状を有する部材であって、導電性を有しかつ、板厚方向にガスが透過可能に構成されている。また、このＥＣ電極３８には触媒が坦持されている。このＥＣ電極３８は、例えば触媒としての白金をメッキしたチタン製の、金網やエキスパンドメタル等の多孔体によって構成することが可能である。
【００５１】
上記各クランプ部材３９は、１つの頭付きボルト３９ａと、１つのナット３９ｂと、１つの蝶ナット３９ｃとから構成されている。上記ボルト３９ａ及びナット３９ｂは、六角ボルト及び六角ナットを用いることが可能である。上記ボルト３９ａは、その頭部が下側となるように配置されていて、上記ナット３９ｂは、上記ボルト３９ａのネジ部にねじ込まれる。このボルト３９ａのネジ部は、後述するように、所定の順番で積層された各部材の内の、上記第１及び第２フランジ３２，３３のボルト孔３２ａ，３３ａ、第１シールパッキン３４のボルト孔３４ｃ内を貫通する。こうして、上記第２フランジ３３は、上記ナット３９ｂによって支持されることとなり、上記ボルト３９ａ及びナット３９ｂは、アジャスターボルトとして機能する。また、上記第１フランジ３２よりも上方に突出したボルト３９ａのネジ部には上記蝶ナット３９ｃがねじ込まれ、この蝶ナット３９ｃが締め付けられることによって、シールパッキン３４，３５を介して第１及び第２フランジ３２，３３によって上記ＥＣ電極接合体４が、その厚み方向に挟持される。
【００５２】
上記燃料電池セル１は、上記水電解セル３と略同様に構成されており、その基本構成は、燃料電池用電極接合体（以下、ＦＣ電極接合体という）２を、シールパッキンを介して２つのフランジによって挟持する構成である。
【００５３】
この燃料電池セル１は、図３に示すように、上記ＦＣ電極接合体２と、第１及び第２フランジ３２，３３と、１つの第１シールパッキン３４と、２つの第２シールパッキン３５と、１つのスペーサ部材３６と、１つの端子部材３７と、１つのスペーサ兼外部端子１１と、４つのクランプ部材３９と、を有する。
【００５４】
この燃料電池セル１を構成する各部材の内、第１及び第２フランジ３２，３３、第１シールパッキン３４、第２シールパッキン３５、スペーサ部材３６、及び端子部材３７はそれぞれ、上記水電解セル３を構成する第１及び第２フランジ３２，３３、第１シールパッキン３４、第２シールパッキン３５、スペーサ部材３６、及び端子部材３７と同じものである。このため、同じ符号を付してその説明は省略する。但し、燃料電池セル１の第１フランジ３２に取り付けられた筒状の部材は、ＦＣ電極接合体２に酸素ガス（空気）を供給するための空気供給部３２ｂとして機能し、第２フランジ３３に取り付けられた筒状の部材は、ＦＣ電極接合体２に水素ガスを供給するための水素供給部３３ｂとして機能する。つまり、燃料電池セル１用の第１及び第２フランジ３２，３３には、燃料ガスを供給するための供給口３２ｃ，３３ｃがそれぞれ形成されている。また、スペーサ部材３６は、燃料電池セル１では、燃料ガスを拡散させる機能を有する。
【００５５】
これらの部材（ＦＣ電極接合体２を除く）は、燃料電池セルの組み立てキットとして提供されるものであるが、上述したように、水電解セル３を構成する部材と燃料電池セル１を構成する部材との共用化を図ることによって、組み立てキットに含まれる部品の種類が少なくなり、組み立ての際の容易化が図られると共に、その組み立てキットの製造コストの低減化が図られる。尚、ＦＣ電極接合体２は、電極接合体の形態としては提供されず、後述する作製方法に従って自作される。
【００５６】
上記ＦＣ電極接合体２は、平面視略矩形状のイオン交換膜２１と、このイオン交換膜２１よりも小型の平面視略矩形状を有する２つのカーボン電極２２とを含み、上記イオン交換膜２１の上面及び下面のそれぞれに上記カーボン電極２２が接合されて構成される。このイオン交換膜２１と各カーボン電極２２との境界面には、図１，３では図示を省略する触媒層２３（図４参照）が形成されている。このＦＣ電極接合体２の作製方法については後述する。
【００５７】
上記スペーサ兼外部端子１１は、上記第１フランジ３２の下側に配置されるものであって、外部端子としての役割と、スペーサとしての役割とを兼用するものである。このスペーサ兼外部端子１１は、平面視で略長方形状を有する比較的厚肉の板状に形成されていて、導電性を有しかつ、その板厚方向にガスが透過可能に構成されている。このスペーサ兼外部端子１１の板幅は、上記端子部材３７に比べて幅広でかつ、上記第１フランジ３２又は第２フランジ３３における隣り合うボルト孔３２ａ，３３ａ間の距離よりも幅狭に形成されている。また、その板長は、その基端部をＦＣ電極接合体２のカーボン電極２２上に位置させた際に、その先端部が上記第１フランジ３２の外縁から外方に突出する長さに設定されている。このスペーサ兼外部端子１１は、例えばステンレス鋼若しくはチタン製の、金網やエキスパンドメタル等の多孔体によって構成することが可能である。尚、上記スペーサ兼外部端子１１は、上記スペーサ部材３６、端子部材３７と同一材質により形成することが好ましい。
【００５８】
上記水素ホルダ５は、水上置換によって水素を捕集してそれを水封式に貯蔵する構成であり、水が溜められた水槽５１と、水素を貯蔵する捕集容器５２とを備えている。この捕集容器５２には、燃料電池セル１に水素を供給するための供給チューブ５４が接続されている。この水素ホルダ５は燃料電池システムの組み立てキットとして提供する必要はなく、種々のものを用いて構成することが可能である。
【００５９】
次に、上記燃料電池システムの組み立てキットの組み立て手順について説明する。この組み立て手順は、大きく分けて、１）電極接合体の作製、２）燃料電池セルの組み立て、３）水電解セルの組み立て、の３つ工程からなる。
【００６０】
（電極接合体の作製）
ＥＣ電極接合体４及びＦＣ電極接合体２の作製手順について、図４を参照しながら説明する。本実施形態では、この電極接合体の作製に必要となるカーボン電極２２とイオン交換膜２１との熱圧着を温度調節可能な家庭用アイロンを利用して行う点が特徴である。
【００６１】
先ず、カーボンペーパ又はカーボンクロスからなるカーボン電極２２を３枚と、水素イオン伝導性を有するイオン交換膜２１を２枚と、電極触媒（例えば白金坦持カーボン微粉末）とイオン交換樹脂とを含有する溶液と、をそれぞれ用意する。これらは組み立てキットとして提供される。また、板材７１上に保護シート７２を固定した基板７を準備する。この板材７１はボール紙を利用することができ、保護シート７２としてはポリテトラフルオロエチレン（商品名：テフロン）シートを利用することができる。
【００６２】
準備した上記基板７上にカーボン電極２２を載置して、そのカーボン電極２２の上面に、例えばガラス棒９によって上記溶液を塗布する。このときに、その表面が略平滑となるように、繰り返し塗布することが好ましい。そして、溶液の塗布後にそれをしばらく室温で放置して乾燥させる。こうして、カーボン電極２２の片面に薄膜（触媒層２３）を形成する（図４のＰ１参照）。この工程Ｐ１は、３枚のカーボン電極２２の全てに対して行う。
【００６３】
次に、イオン交換膜２１を上記基板７上に載置して、その下面側（つまり、イオン交換膜２１とテフロンシート７２との間）に上記触媒層２３を形成したカーボン電極２２を位置させる。このとき、触媒層２３が上記イオン交換膜２１の側となるようにカーボン電極２２を配置すると共に、そのカーボン電極２２をイオン交換膜２１の略中央位置に位置させる。そして、上記イオン交換膜２１の上面側に別のテフロンシートを７２を置き、家庭用アイロン８によって、カーボン電極２２を触媒層２３を介してイオン交換膜２１に熱圧着により接合する（図４のＰ２参照）。このときの温度は、１２０〜１６０℃が好ましく、さらに好ましくは、１４０〜１５０℃である。この温度は、アイロンの温度調節を「中温」に設定したときの温度に相当する。また、圧力は、５〜２５ｋＰａが好ましく、さらに好ましくは１０〜２０ｋＰａである。この圧力は、体重をかけてアイロン８を押し付ける（このとき、荷重は２０〜３０ｋｐｆ程度となる）ことによって実現する程度の圧力である。また、その圧着時間は、２０秒程度とするのがよい。尚、カーボン電極２２とイオン交換膜２１との接合状態を確認しながら、必要に応じてアイロン８による圧着を繰り返してもよい。こうした家庭用アイロン８を用いた熱圧着であっても、カーボン電極２２をイオン交換膜２１に接合することが可能であり、これにより、イオン交換膜２１の表裏一側面に触媒層２３を介してカーボン電極２２が接合された電極接合体が完成する。この工程Ｐ２は、２枚のイオン交換膜２１の全てに対して行い、これにより電極接合体は２つ作製される。この２つの電極接合体の内の一方が、ＥＣ電極接合体４として利用される。
【００６４】
上記２つの電極接合体の内の他方は、上記基板７の上に載置し、それのイオン交換膜２１の上面に、工程Ｐ１で作製している上記触媒層２３の形成済みのカーボン電極２２を載置する。このとき、触媒層２３が上記イオン交換膜２１側となるようにカーボン電極２２を配置すると共に、そのカーボン電極２２をイオン交換膜２１の略中央位置に位置させる。そして、上記カーボン電極２２の上面側に別のテフロンシートを７２を置き、家庭用アイロン８によって、カーボン電極２２を触媒層２３を介してイオン交換膜２１に熱圧着により接合する（図４のＰ３参照）。このときの温度、圧力、時間は、上述した通りである。こうして、イオン交換膜２１の表裏両面に触媒層２３を介してカーボン電極２２が接合された電極接合体が完成し、このものは、ＦＣ電極接合体２として利用される。
【００６５】
（燃料電池セルの組み立て）
燃料電池セル１の組み立ては、図３に示すように、先ず、第２フランジ３３の各ボルト孔３３ａ内にナット３９ｂがねじ込まれたボルト３９ａのネジ部を挿通する。そして、これを水平な台上に置いて上記ナット３９ｂによって上記第２フランジ３３が水平となるように微調整する。
【００６６】
次に、上記第２フランジ３３の上に第１シールパッキン３４を載置する。このとき、第１シールパッキン３４の各ボルト孔３４ｃを上記ボルト３９ａのネジ部に外挿する。そして、上記第１シールパッキン３４のスペーサ配置孔３４ａ内に、上記スペーサ部材３６を嵌めこみ、そのスペーサ部材３６の上に上記端子部材３７を載置する。この端子部材３７は、上記第１シールパッキン３４の凹溝３４ｂ内に置き、これにより、その基端部を上記端子部材３７に位置させ、その先端部を上記第１シールパッキン３４の外縁から外方に突出させた状態にする。
【００６７】
そして、上記第１シールパッキン３４上に第２シールパッキン３５を載置する。このとき、第１シールパッキン３４のスペーサ配置孔３４ａと第２シールパッキン３５の矩形貫通孔３５ａとが互いに一致するように、上記第２シールパッキン３５の向きを調整する。
【００６８】
次いで、上記第２シールパッキン３５の矩形貫通孔３５ａ内にカーボン電極２２が位置するように、ＦＣ電極接合体２を上記第２シールパッキン３５上に載置する。さらに、このＦＣ電極接合体２の上面側のカーボン電極２２が矩形貫通孔３５ａ内に位置するように、別の第２シールパッキン３５をＦＣ電極接合体２上に載置する。これらの第２シールパッキン３５は、その各隅部の切り欠きによって上記ボルト３９ａのネジ部とは干渉しない状態になる。
【００６９】
上記第２シールパッキン３５の上には、スペーサ兼外部端子１１を載置する。このときに、上記スペーサ兼外部端子１１は、その基端部が上記第２シールパッキン３５の矩形貫通孔３５ａを覆うように（つまり、ＦＣ電極接合体２のカーボン電極２２の上に）位置させると共に、その先端部が上記端子部材３７とは逆側に突出するように位置させる。これにより、図１に示すように、端子部材３７（マイナス端子）とスペーサ兼外部端子１１（プラス端子）とが、燃料電池セル１の両側からそれぞれ外方に突出するようになるため、端子間の短絡が確実に防止される。尚、端子部材３７とスペーサ兼外部端子１１とを、互いに直交するように、燃料電池セル１の側面から突出させてもよい。
【００７０】
最後に、上記スペーサ兼外部端子１１の上に第１フランジ３２を載置し、この第１フランジ３２の上面よりも突出したボルト３９ａのネジ部に蝶ナット３９ｃをねじ込んでこれを締めこむ。こうして、ＦＣ電極接合体２をシールパッキンを介してフランジによって挟持した燃料電池セル１が完成する。尚、蝶ナット３９ｃを締めこむ前にシールが十分になされているかを確認し、シールが不十分であれば、上記の手順に従って組み立て直すようにすればよい。
【００７１】
（水電解セルの組み立て）
水電解セル３の組み立ては、図２に示すように、先ず、第２フランジ３３の各ボルト孔３３ａ内にナット３９ｂをねじ込んだボルト３９ａのネジ部を挿通し、これを水平な台上に置いて上記ナット３９ｂによって上記第２フランジ３３が水平となるように微調整する。
【００７２】
次に、上記第２フランジ３３の上に第１シールパッキン３４を載置し、上記第１シールパッキン３４のスペーサ配置孔３４ａ内にスペーサ部材３６を嵌めこむ。そして、そのスペーサ部材３６上に、端子部材３７を載置する。この端子部材３７は、上記第１シールパッキン３４の凹溝３４ｂ内に置き、その先端部を上記第１シールパッキン３４の外縁から外方に突出させる。この端子部材３７はマイナス端子となる。その後に、上記第１シールパッキン３４上に第２シールパッキン３５を載置する。このとき、第１シールパッキン３４のスペーサ配置孔３４ａと第２シールパッキン３５の矩形貫通孔３５ａとが互いに一致するように、上記第２シールパッキン３５の向きを調整する。
【００７３】
次いで、上記第２シールパッキン３５の矩形貫通孔３５ａ内にカーボン電極２２が位置するように、ＥＣ電極接合体４を上記第２シールパッキン３５上に載置する。
【００７４】
そして、このＥＣ電極接合体４の上に別の第１シールパッキン３４を載置する。この第１シールパッキン３４は、その凹溝３４ｂが上記ＥＣ電極接合体４の下側に位置する第１シールパッキン３４の凹溝３４ｂとは逆側に位置する向きとする。
【００７５】
そして、この第１シールパッキン３４のスペーサ配置孔３４ａ内に、ＥＣ電極３８、スペーサ部材３６の順に、これらの部材を順次載置し、その後、別の端子部材３７を、第１シールパッキン３４の凹溝３４ｂ内に位置するように載置する。これにより、この端子部材３７（プラス端子）と上記マイナス端子である端子部材３７とは、水電解セル３の両側からそれぞれ外方に突出するようになる。尚、２つの端子部材３７を互いに直交するように水電解セル３の側面から突出させてもよい点は、燃料電池セル１と同様である。
【００７６】
最後に、上記第１シールパッキン３４の上に第１フランジ３２を載置し、この第１フランジ３２の上面よりも突出したボルト３９ａのネジ部に蝶ナット３９ｃをねじ込んでこれを締めこむ。こうして、ＥＣ電極接合体４が、シールパッキンを介してフランジによって挟持した水電解セル３が完成する。
【００７７】
以上により、燃料電池セル１及び水電解セル３がそれぞれ完成すれば、水電解セル３の第２フランジ３３に設けた水素排出部３３ｂに、導管５５が接続された捕集チューブ５３の一端を連結する。上記導管５５の先端は水素ホルダ５の水槽５１内に沈められる。
【００７８】
一方、燃料電池セル１の第２フランジ３３に設けた水素供給部３３ｂには、水素ホルダ５の捕集容器５２に接続されている供給チューブ５４の一端を連結する。こうして、燃料電池セル１、水電解セル３、及び水素ホルダ５からなる燃料電池システムが完成する。
【００７９】
この燃料電池システムでは、上記水電解セル３の水供給部３２ｂ内に蒸留水を入れると共に、各端子部材３７を直流電源６１に接続する。これにより、上記水供給部３２ｂから、供給口３２ｃ、プラスの端子部材３７、スペーサ部材３６を介してＥＣ電極３８とＥＣ電極接合体４との界面に水が供給され、ここで、２Ｈ2Ｏ→Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ-の陽極反応がおき、発生した酸素ガスは、スペーサ部材３６、プラスの端子部材３７、供給口３２ｃ、及び水供給部３２ｂを介して水電解セル３の外部に排出される。一方、水素イオンは、イオン交換膜２１を通ってカーボン電極２２との界面に到達する。ここで、４Ｈ+＋４ｅ-→２Ｈ2の陰極反応がおき、発生した水素ガスは、マイナスの端子部材３７、スペーサ部材３６、排出口３３ｃ、水素排出部３３ｂを介して水電解セル３の外部に排出される。排出された水素ガスは、捕集チューブ５３を通って水素ホルダ５に到達し、この水素ホルダ５の捕集容器５２に捕集されて貯蔵される。
【００８０】
一方、上記燃料電池セル１の水素供給部３３ｂには、上記水素ホルダ５から供給チューブ５４を通って水素ガスが供給され、この水素ガスは、供給口３３ｃ、スペーサ部材３６、マイナスの端子部材３７を介してＦＣ電極接合体２の下側のカーボン電極２２に供給される。ここで、２Ｈ2→４Ｈ+＋４ｅ-の陰極反応がおき、水素イオンはイオン交換膜を通って電極接合体２の上側のカーボン電極２２に供給される。また、電子はマイナスの端子部材３７から負荷６２内を移動して、スペーサ兼外部端子１１に到達し、そこから、ＦＣ電極接合体２の上側のカーボン電極２２に供給される。また、このカーボン電極２２には、空気供給部３２ｂから、スペーサ兼外部端子１１を介して空気（酸素ガス）が供給されるため、ここで、Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ-→２Ｈ2Ｏの陽極反応がおき、水が生成される。生成された水は、スペーサ兼外部端子１１内を通って燃料電池セル１の外部に排出される。
【００８１】
以上説明したように、この燃料電池システムの組み立てキットでは、カーボン電極２２を薄膜形成の基板として用いることによって薄膜の形成が容易になると共に、その薄膜形成後のカーボン電極２２をイオン交換膜２１に接合することによって、作製工程数を低減することができる。その結果、電極接合体を容易に作製することができる。また、カーボン電極２２とイオン交換膜２１との接合は、家庭用アイロンを用いた熱圧着によって行うため、身近な物を用いて電極接合体を作製することが可能であり、学習教材用や研究用として最適になる。
【００８２】
また、燃料電池セル１及び水電解セル３は、各部材を積層させてクランプ部材３９にクランプするだけで組み立てられ、その組み立て作業の簡素化により誰でも容易に燃料電池セル１及び水電解セル３を組み立てることができる。
【００８３】
また、燃料電池セル１におけるスペーサ兼外部端子１１は、外部端子の役割とスペーサの役割とを兼用するため、部品点数の低減化が図られる。特に、燃料電池セル１のプラス側の外部端子は空気側でありシール性が要求されないため、それをスペーサ兼外部端子１１として構成することに適している。尚、マイナス側の外部端子をスペーサ兼外部端子１１によって構成してもよいし、水電解セル３の各外部端子を、スペーサ兼外部端子によって構成してもよい。これら場合はシール性を確保するために、スペーサ兼外部端子は平滑な表面を有する多孔体によって構成するのがよい。また、スペーサ兼外部端子を金網で構成する場合は、その金網におけるシールパッキンで挟持される部分については、一方向（端子の幅方向）の素線を取り除き、他方向（端子の長さ方向）の素線のみを残して、構成してもよい。こうすることでシールパッキンによるシールが良好になる。
【００８４】
さらに、カーボン電極２２を平面視で略長方形状に形成して、組み立て時には、その先端部をシールパッキンの外縁から外方に突出させて、外部端子として機能させてもよい。
【００８５】
上記水電解セル３におけるＥＣ電極接合体４よりも上側では、端子部材３７をスペーサ部材３６の上に配置しているが、この配置は逆にしてもよい。
【００８６】
さらに、上記燃料電池システムは、その水素ホルダ５を水上置換による水封貯蔵式としているが、これに限るものではなく、例えば水素吸蔵合金を用いて、水電解セル３で発生した水素をそれに吸蔵させてもよい。尚、水素ホルダ５を省略して水電解セル３と燃料電池セル１とを直結してもよい。但し燃料電池セル１と水電解セル３とを直結した場合、両者の反応速度を一致させる必要がある。
【００８７】
また、上記燃料電池システム（その組み立てキット）は、水電解セル３を備えているが、水電解セル３の代わりに、例えば水素吸蔵合金ボンベを備え、そこから燃料電池セル１に水素を供給してもよいし、水素ガスボンベを備え、そこから燃料電池セル１に水素を供給してもよい。また、水素ガスは、化学反応によって発生させてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
以上説明したように、本発明は、燃料電池用又は水電解用の電極接合体を容易に自作することができ、例えば学習教材や研究用としての、燃料電池の組み立てキット、水素発生装置の組み立てキット、燃料電池システムの組み立てキット等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】燃料電池システムの構成を示す概略図である。
【図２】水電解セルの分解斜視図である。
【図３】燃料電池セルの分解斜視図である。
【図４】電極接合体の作製手順を示す説明図である。
【符号の説明】
【００９０】
１    燃料電池セル
２    ＦＣ電極接合体
３    水電解セル（水素発生装置）
４    ＥＣ電極接合体
１１  スペーサ兼外部端子
２１  イオン交換膜
２２  カーボン電極
２３  触媒層（薄膜）
３２  第１フランジ
３３  第２フランジ
３２ｃ，３３ｃ  供給口
３４  第１シールパッキン
３５  第２シールパッキン
３６  スペーサ部材
３７  端子部材（外部端子）
３８  ＥＣ電極（触媒坦持金属電極）
【図１】
2005166437.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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