(57)【要約】固体電解質膜（１１４）の一辺に、電極シート（４８９）の切込を挿入する。固体電解質膜（１１４）の一方の面に設けられた電極シート（４８９）の基体（１０４）に対向する位置に、酸化剤極側集電電極シート（４９９）の基体（１１０）を配置する。また、固体電解質膜（１１４）の他方の面に設けられた基体（１１０）に対向する位置に、燃料極側集電電極シート（４９７）の基体（１０４）を設ける。
2004075331.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質膜と、前記固体電解質膜の一方の面に設けられた第一の電極と、前記固体電解質膜の他方の面に、前記第一の電極に対向して設けられた第二の電極と、を備えて構成される単位セルを複数有し、
一の前記単位セルの前記第一の電極と、他の前記単位セルの前記第二の電極とが、連結部を介して電気的に接続され、
前記第一の電極および前記第二の電極と前記連結部とが連続一体に形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
一枚の固体電解質膜の一方の面に設けられた複数の第一の電極と、
前記固体電解質膜の他方の面に、前記複数の第一の電極にそれぞれ対向して設けられた複数の第二の電極と、を有し、
対向する一つの前記第一の電極および一つの前記第二の電極と前記固体電解質膜とにより単位セルが構成され、
一の前記単位セルの前記第一の電極と、他の前記単位セルの前記第二の電極とが、連結部を介して電気的に接続され、
前記第一の電極および前記第二の電極と前記連結部とが連続一体に形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
一枚の固体電解質膜と、
前記固体電解質膜の一方の面に設けられた複数の第一の電極と、
前記固体電解質膜の他方の面に、前記複数の第一の電極にそれぞれ対向して設けられた複数の第二の電極と、を有し、
対向する一つの前記第一の電極および一つの前記第二の電極と前記固体電解質膜とにより単位セルが構成され、
前記固体電解質膜の周縁に沿って配列された複数の前記単位セルが直列に接続されており、
一の前記単位セルの前記第一の電極と、該単位セルに隣接する他の前記単位セルの前記第二の電極とが、連結部を介して電気的に接続され、
前記第一の電極および前記第二の電極と前記連結部とが連続一体に形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求の範囲第１項乃至第３項いずれかに記載の燃料電池において、
前記第一の電極および第二の電極と前記連結部とが、一枚の多孔質金属シートにより連続一体に形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求の範囲第４項に記載の燃料電池において、
前記第一の電極および前記第二の電極は、前記多孔質金属シートと、該多孔質金属シートを構成する金属の表面に担持されている触媒と、を含むことを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
固体電解質膜と、
前記固体電解質膜の一方の面に設けられた第一の電極と、
前記固体電解質膜の他方の面に、前記第一の電極に対向して設けられた第二の電極と、
を備えて構成される単位セルを複数有し、
一の単位セルを構成する前記第一の電極と、他の単位セルを構成する前記第二の電極とが、一枚の電極シートにより連続一体に形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求の範囲第６項に記載の燃料電池において、
前記電極シートに切込部が設けられており、該切込部に前記固体電解質膜が挿入されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
請求の範囲第６項または第７項に記載の燃料電池において、
前記電極シートは、触媒と、該触媒を担持する多孔質金属シートと、を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項９】
請求の範囲第５項または第８項に記載の燃料電池において、
前記多孔質金属シートを構成する金属の表面に、前記触媒の層が形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項１０】
請求の範囲第５項または第８項に記載の燃料電池において、
前記多孔質金属シートの表面に、前記触媒を担持した炭素粒子を含む触媒層が形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項１１】
請求の範囲第８項乃至第１０項いずれかに記載の燃料電池において、
前記多孔質金属シートを構成する金属が、粗面化された表面を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項１２】
請求の範囲第１１項に記載の燃料電池において、
前記表面に炭素粒子を含まない触媒層が形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項１３】
請求の範囲第８項乃至第１２項いずれかに記載の燃料電池において、
前記触媒に接するプロトン導電体をさらに備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項１４】
請求の範囲第１３項に記載の燃料電池において、
前記プロトン導電体が、イオン交換樹脂であることを特徴とする燃料電池。
【請求項１５】
請求の範囲第９項乃至第１４項いずれかに記載の燃料電池において、
前記多孔質金属シートの少なくとも一部が疎水処理されたことを特徴とする燃料電池。
【請求項１６】
請求の範囲第１項乃至第１５項いずれかに記載の燃料電池において、
燃料が前記第一の電極または前記第二の電極の表面に直接供給されることを特徴とする燃料電池。
【請求項１７】
請求の範囲第１項乃至第１６項いずれかに記載の燃料電池において、
酸化剤が前記第一の電極または前記第二の電極の表面に直接供給されることを特徴とする燃料電池。
【請求項１８】
請求の範囲第１項乃至第１７項いずれかに記載の燃料電池において、
隣接する単位セル間の領域に、低イオン伝導性領域が設けられていることを特徴とする燃料電池。
【請求項１９】
請求の範囲第１８項に記載の燃料電池において、
前記低イオン伝導性領域が、前記固体電解質膜に溝部が形成されてなる領域であることを特徴とする燃料電池。
【請求項２０】
請求の範囲第１８項に記載の燃料電池において、
前記低イオン伝導性領域が、前記固体電解質膜に凹部が形成されてなる領域であることを特徴とする燃料電池。
【請求項２１】
電極シートに切込部を設けて第一の電極と第二の電極とを形成し、
該切込部に固体電解質膜を挿入し、前記固体電解質膜を介して前記第一の電極と前記第二の電極にそれぞれ対向する対向電極を設ける工程を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項２２】
請求の範囲第２１項に記載の燃料電池の製造方法において、
前記電極シートとして多孔質金属シートを用いることを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項２３】
請求の範囲第２１項または第２２項に記載の燃料電池の製造方法において、
前記電極シートを前記固体電解質膜の周縁に沿って挿入する工程を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、燃料電池およびその製造方法に関する。
【背景技術】  近年の情報化社会の到来とともに、パーソナルコンピュータ等の電子機器で扱う情報量が飛躍的に増大し、それに伴い、電子機器の消費電力も著しく増加してきた。特に、携帯型の電子機器では、処理能力の増加に伴って消費電力の増加が問題となっている。現在、このような携帯型の電子機器では、一般的にリチウムイオン電池が電源として用いられているが、リチウムイオン電池のエネルギー密度は理論的な限界に近づいている。そのため、携帯型の電子機器の連続使用期間を延ばすために、ＣＰＵの駆動周波数を抑えて消費電力を低減しなければならないという制限があった。
このような状況の中で、リチウムイオン電池に変えて、エネルギー密度の大きい燃料電池を電子機器の電源として用いることにより、携帯型の電子機器の連続使用期間が大幅に向上することが期待されている。
燃料電池は、燃料極および酸化剤極（以下、これらを「触媒電極」とも呼ぶ。）と、これらの間に設けられた電解質から構成され、燃料極には燃料が、酸化剤極には酸化剤が供給されて電気化学反応により発電する。燃料としては、一般的には水素が用いられるが、近年、安価で取り扱いの容易なメタノールを原料として、メタノールを改質して水素を生成させるメタノール改質型や、メタノールを燃料として直接利用する直接型の燃料電池の開発も盛んに行われている。
燃料として水素を用いた場合、燃料極での反応は以下の式（１）のようになる。
３Ｈ２  →  ６Ｈ＋  ＋  ６ｅ−    （１）
燃料としてメタノールを用いた場合、燃料極での反応は以下の式（２）のようになる。
ＣＨ３ＯＨ  ＋  Ｈ２Ｏ  →  ６Ｈ＋  ＋  ＣＯ２  ＋  ６ｅ−    （２）
また、いずれの場合も、酸化剤極での反応は以下の式（３）のようになる。
３／２Ｏ２  ＋  ６Ｈ＋  ＋  ６ｅ−  →  ３Ｈ２Ｏ    （３）
特に、直接型の燃料電池では、メタノール水溶液から水素イオンを得ることができるので、改質器等が不要になり、携帯型の電子機器へ適用することの利点が大きい。また、液体のメタノール水溶液を燃料とするため、エネルギー密度が非常に高いという特徴がある。
直接型の燃料電池は、単位セルの発生電圧が１Ｖ以下であるため、携帯電話等の携帯機器に応用するためには、高電圧を発生させるために複数のセルを直列に連結する必要がある。自動車用や家庭の定置用燃料電池の場合には各単位セルを縦方向に連結する、スタック構造をとるのが一般的であるが、携帯機器用の燃料電池の場合には、機器の厚さの制約等から平面内で連結する方法が用いられる場合が多い。
平面内で連結した燃料電池として、複数のセルを電気接続部材で接続したセルパックが提案されている（特許文献１）。特許文献１に記載のセルパックでは、触媒層に接して設けられる燃料拡散部材の外側に集電板を設け、一のセルのアノード集電板と、他のセルのカソード集電板が電気接続部材で接続された構成となっている。燃料拡散部材に炭素紙を用い、その外側に集電板を設けることにより集電効率を向上させ、接続部材との接触抵抗を低下させている。
燃料電池を携帯機器に用いる場合、薄型化、小型軽量化が求められる。たとえば携帯電話は端末重量が１００ｇ程度と軽量であるため、燃料電池の重量もグラム単位で軽く、また、ミリ単位で薄くする必要がある。
ところが、特許文献１に記載される構成の場合、各セルは、最低でも集電板／燃料拡散部材／触媒化メンブレン／燃料拡散部材／集電板の５層構造となっているため、構造が複雑であった。また、炭素製の燃料拡散部材と金属製の集電板との電気的コンタクトを良好なものにするために、集電板にはある程度の厚さが必要とされ、集電板同士を締結部材で締結する必要があった。また、電気接続部材がセル間に配置されるため、セル間にある程度の大きさのスペースを設ける必要があった。このため、セルパックの大きさ、厚さや重量が増し、充分な小型軽量化、薄型化が実現されていなかった。
特許文献１  特開２００１−２８３８９２号公報
【発明の開示】
このように、従来の燃料電池では、小型軽量化、薄型化が困難であった。また、触媒の利用効率や集電特性についても、向上させる余地があった。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池の出力特性を向上させる技術を提供することにある。また、本発明の別の目的は、燃料電池を小型軽量化する技術を提供することにある。また、本発明の別の目的は、燃料電池の構成または製造プロセスを簡素化する技術を提供することにある。
本発明によれば、固体電解質膜と、上記固体電解質膜の一方の面に設けられた第一の電極と、上記固体電解質膜の他方の面に、第一の電極に対向して設けられた第二の電極と、を備えて構成される単位セルを複数有し、一の単位セルの第一の電極と、他の単位セルの第二の電極とが、連結部を介して電気的に接続され、第一の電極および第二の電極と連結部とが連続一体に形成されていることを特徴とする燃料電池が提供される。
本発明において、「対向」とは、固体電解質膜を挟んで、第一の電極と第二の電極とが向かい合って設けられることをいう。
本発明において、「連続一体」とは、連続体として一体に成形されていることをいう。また、単一部材からなり、接合部を有しない構造であることが好ましい。
本発明に係る燃料電池においては、異なる単位セルを構成する第一の電極と第二の電極とが連結部を介して連続一体に成形されており、電気的に接続されている。このため、単位セル間の電気的コンタクトにすぐれた直列接続構造が得られる。従来の燃料電池においては、単位セル間を接続するための接続部材を用いたり、電極同士を接合する必要があったため、部材の接合部で接触抵抗が生じていたが、本発明の燃料電池では第一の電極から接合部を経由して第二の電極に至る電子の移動経路が連続的であるため、電池の出力特性を向上させることができる。また、部材の構成が簡素で作製も容易である。
なお、本発明に係る燃料電池において、第一の電極と第二の電極のうち、一方が燃料極となり、他方が酸化剤極となる。燃料極に供給される燃料に特に制限はないが、たとえば液体燃料を供給することができる。
本発明によれば、一枚の固体電解質膜の一方の面に設けられた複数の第一の電極と、固体電解質膜の他方の面に、複数の第一の電極にそれぞれ対向して設けられた複数の第二の電極と、を有し、対向する一つの第一の電極および一つの第二の電極と固体電解質膜とにより単位セルが構成され、一の単位セルの第一の電極と、他の単位セルの第二の電極とが、連結部を介して電気的に接続され、第一の電極および第二の電極と連結部とが連続一体に形成されていることを特徴とする燃料電池が提供される。
本発明に係る燃料電池においては、一枚の固体電解質膜に複数の単位セルが形成されている。そして、一の単位セルを構成する第一の電極と、他の単位セルを構成する第二の電極とが、連結部を介して電気的に接続され、第一の電極および第二の電極と連結部とが連続一体に形成されているため、面内の単位セルが直列に接続され、単位セル間の導電性が好適に確保されている。このため、出力特性にすぐれた直列接続構造が実現される。
本発明によれば、固体電解質膜と、固体電解質膜の一方の面に設けられた第一の電極と、固体電解質膜の他方の面に、第一の電極に対向して設けられた第二の電極と、を備えて構成される単位セルを複数有し、一の単位セルを構成する第一の電極と、他の単位セルを構成する第二の電極とが、一枚の電極シートにより連続一体に形成されていることを特徴とする燃料電池が提供される。
本発明に係る燃料電池において、電極シートは、触媒電極となる領域を二箇所備えている。これらが第一の電極および第二の電極である。第一の電極と第二の電極のうち、一方は、一の単位セルの燃料極となり、他方は他の単位セルの酸化剤極となる。そして、一枚の電極シートは連続一体に成形されているため、第一の電極と第二の電極とが電気的に連通している。
このように、本発明に係る燃料電池においては、異なる単位セルを構成する第一の電極と第二の電極とが一枚の電極シートにより連続一体に形成されているため、セル間の電気的コンタクトにすぐれた直列接続構造が得られる。セル間を接続するための接続部材を用いないため、部材の構成が簡素で作製も容易であり、部材間の抵抗も生じない。このため、電池の出力特性を向上させることができる。なお、本発明において、電極シートの形状に特に制限はなく、たとえば多角形等任意の形状を選択することができる。
本発明の燃料電池において、電極シートに切込部が設けられており、該切込部に固体電解質膜が挿入されている構成とすることができる。
また、本発明によれば、電極シートに切込部を設けて第一の電極と第二の電極とを形成し、該切込部に固体電解質膜を挿入し、固体電解質膜を介して第一の電極と第二の電極にそれぞれ対向する対向電極を設ける工程を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法が提供される。
こうすることにより、容易に固体電解質膜の一方の面に第一の電極を設け、他方の面に第二の電極を設けることができる。また、切込の幅、長さ、大きさ等を調節することにより、連続一体に形成される第一の電極と第二の電極との間隔を任意に調節することができる。したがって、単位セルの集積度の調節が可能となり、集積度を増せば燃料電池をより一層小型化することができる。なお、本発明において切込部の形状に特に制限はなく、直線やスリット等任意の形状を選択することができる。
本発明によれば、一枚の固体電解質膜と、固体電解質膜の一方の面に設けられた複数の第一の電極と、固体電解質膜の他方の面に、複数の第一の電極にそれぞれ対向して設けられた複数の第二の電極と、を有し、対向する一つの第一の電極および一つの第二の電極と固体電解質膜とにより単位セルが構成され、固体電解質膜の周縁に沿って配列された複数の単位セルが直列に接続されており、一の単位セルの第一の電極と、該単位セルに隣接する他の単位セルの第二の電極とが、連結部を介して電気的に接続され、第一の電極および第二の電極と連結部とが連続一体に形成されていることを特徴とする燃料電池が提供される。
また、本発明の燃料電池の製造方法において、電極シートを固体電解質膜の周縁に沿って挿入する工程を含んでもよい。
従来の燃料電池においては、固体電解質膜が多角形などの角部を有する形状である場合、単位セルの直列接続構造は、固体電解質膜の一辺に沿って形成され、角部を形成する２辺を連続させる直列接続の作製は困難であった。本発明の燃料電池では、異なる単位セルを構成する第一の電極と第二の電極とが一枚の電極シートにより連続一体に形成されているため、種々の固体電解質膜の形状に対応することが可能であり、固体電解質膜の周縁に沿って単位セルが配列された直列接続構造を形成することが可能である。
本発明の燃料電池において、第一の電極および第二の電極と連結部とが、一枚の多孔質金属シートにより連続一体に形成されていてもよい。
多孔質金属シートの抵抗は、従来用いられていたカーボンペーパーよりも一桁以上低いため、多孔質金属シートは、ガス拡散電極と集電電極を兼ねた機能を担うことができる。よって、多孔質金属シートを用いることによりバルクの金属等の集電電極を設ける必要がなく、燃料電池を小型軽量化、薄型化することができる。また、第一の電極または第二の電極に電子の移動経路が好適に確保され、集電特性を向上させることができる。また、多孔質金属シートは多孔質であるため、水やガスの拡散性が高い。このため、第一の電極または第二の電極に水とガスの通過経路が好適に形成される。したがって、多孔質金属シートを用いることにより、単位セルの発電効率を向上させることができる。また、直列接続されたセル間の導電性にもすぐれた燃料電池を得ることができる。
また、従来の電池を構成するカーボンペーパー等の炭素材料の表面は疎水性であったため、表面の親水化が困難であった。これに対し、本発明に係る燃料電池用電極に用いられる多孔質金属シートの表面は、炭素材料に比べて親水性である。このため、たとえばメタノール等を含む液体燃料を燃料極に供給する場合、燃料極への液体燃料の浸透が従来の電極より促進される。このため、燃料の供給効率を向上させることができる。
本発明の燃料電池において、第一の電極および第二の電極は、多孔質金属シートと、該多孔質金属シートを構成する金属の表面に担持されている触媒と、を含んでもよい。また、本発明の燃料電池において、電極シートは、触媒と、該触媒を担持する多孔質金属シートと、を有してもよい。
また、本発明の燃料電池において、多孔質金属シートを構成する金属の表面に触媒が担持されていてもよい。従来の燃料電池においては、炭素粒子を介して触媒と多孔質金属シートを構成する金属とが接続されていたため、電子は触媒から炭素粒子を通って多孔質金属シートを構成する金属へと移動しなければならなかった。このときの、炭素粒子と触媒との間の接触抵抗、および多孔質金属シートと炭素粒子との間の接触抵抗は比較的大きかった。一方、本発明の構成とすれば、触媒は直接多孔質金属シートへと移動することができ、これらの間の接触抵抗も比較的小さいため、電子が効率よく移動できるようになる。そして、これを固体電解質膜に挿入することにより容易に複数の単位セルの直列接続が形成可能である。本発明においては多孔質金属シートの表面に導電性の被覆層が形成されていてもよく、この場合も被覆層を介して触媒が多孔質金属シートを構成する金属の表面に直接担持されているものとする。たとえば、本発明の燃料電池用電極において、多孔質金属シートを構成する金属の表面に、触媒のめっき層が形成されている構成とすることができる。こうすることにより、簡便かつ確実に所望の触媒を多孔質金属シートに担持させることができる。
本発明の燃料電池において、多孔質金属シートの表面に、触媒を担持した炭素粒子を含む触媒層が形成されていてもよい。
本発明の燃料電池において、触媒に接するプロトン導電体をさらに備えていてもよい。こうすることにより、電極、燃料、および電解質のいわゆる三相界面を確実かつ充分に形成することができる。また、触媒表面で生成するプロトンの移動経路が好適に確保される。このため、燃料電池用の電極としてすぐれた電極特性を有し、燃料電池の出力特性を向上させることができる。たとえば、本発明の燃料電池において、プロトン導電体は、イオン交換樹脂とすることができる。
本発明の燃料電池において、多孔質金属シートを構成する金属が、粗面化された表面を有することができる。本発明に係る燃料電池によれば、多孔質金属シートを構成する金属の表面が粗面化されているため、触媒の担持が可能な表面積を増大させることができる。このため、炭素粒子等の表面積を確保する部材を用いることなく、多孔質金属シートに充分量の触媒を直接担持させることができる。よって、電極特性を向上させることができる。また、上記表面に炭素粒子を含まない触媒層が形成されていてもよい。こうすることにより、多孔質金属シートを構成する金属の表面に直接触媒が担持された構成であるため、たとえば燃料極として用いた場合、触媒と電解質との界面における電気化学反応により生じた電子が確実かつ速やかに多孔質金属シートへと移動するようになる。また、酸化剤極として用いた場合、外部回路から多孔質金属シートに導かれた電子が、接合された触媒に確実かつ速やかに導かれる。また、プロトン導電体が触媒に接して設けられているため、触媒表面で生成したプロトンの移動経路も確保されている。このように、本発明に係る燃料電池用電極は、電気化学反応により生じる電子およびプロトンを効率よく利用することができるため、燃料電池の出力特性を向上させることができる。
本発明の燃料電池において、多孔質金属シートの少なくとも一部が疎水処理されていてもよい。こうすることにより、電極内に親水性の領域と疎水性の領域を容易に設けることができる。こうすれば、酸化剤極に水の排出経路が確保され、フラッディングが抑制される。このため、すぐれた出力を安定的に発揮させることが可能となる。
本発明の燃料電池において、燃料が第一の電極または第二の電極の表面に直接供給されてもよい。たとえば、第一の電極が燃料極を構成し、燃料が第一の電極の表面に直接供給されてもよい。燃料が直接供給される具体的構成としては、たとえば、燃料極の電極シートに接して燃料容器や燃料供給部が設けられていたりする構成をいい、燃料極に、エンドプレート等の集電部材を介さずに燃料が供給されることをいう。なお、電極シートの表面に適宜貫通孔や、ストライプ状の導入路などを設けてもよい。こうすることにより、燃料を電極シート表面からより一層効率よく供給することができる。
また、本発明の燃料電池において、酸化剤が第一の電極または第二の電極の表面に直接供給されてもよい。たとえば、第一の電極が酸化剤極を構成し、酸化剤が第一の電極の表面に直接供給されてもよい。ここで、酸化剤が直接供給されるとは、酸化剤極の表面に、エンドプレート等を介さずに空気や酸素などの酸化剤が直接供給されることをいう。
また、本発明の燃料電池において、隣接する単位セル間の領域に、低イオン伝導性領域が設けられていてもよい。また、低イオン伝導性領域は固体電解質膜に溝部が形成されてなる領域であってもよいし、凹部が形成されてなる領域であってもよい。こうすることにより、固体電解質膜を介した単位セル間の水素イオンの移動を抑制することができるため、電圧低下が効果的に抑制された高出力の燃料電池が実現される。
以上説明したように、本発明によれば、一の単位セルを構成する第一の電極と、他の単位セルを構成する第二の電極とが、一枚の電極シートにより連続一体に形成されていることにより、燃料電池の出力特性を向上させることができる。また、本発明によれば、燃料電池を小型軽量化することができる。また、本発明によれば、燃料電池の構成または製造プロセスを簡素化することができる。
【図面の簡単な説明】  上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。
図１は、本実施形態に係る燃料電池の構成を模式的に示す斜視図である。
図２は、図１の燃料電池の製造方法を説明するための図である。
図３は、図１の燃料電池の単セルの構成を示す断面図である。
図４は、本実施形態に係る燃料電池の構成を模式的に示す図である。
図５は、本実施形態に係る燃料電池の構成を模式的に示す上面図である。
図６は、本実施形態に係る燃料電池の構成を示す断面図である。
図７は、図１の燃料電池の燃料極および固体電解質膜の構成を模式的に示す断面図である。
図８は、従来の燃料電池の燃料極および固体電解質膜の構成を模式的に示す断面図である。
図９は、図１の燃料電池の燃料極および固体電解質膜の構成を模式的に示す断面図である。
図１０は、本実施形態に係る燃料電池の構成を模式的に示す図である。
図１１は、本実施形態に係る燃料電池の燃料極および固体電解質膜の構成を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】  本発明は、複数の単位セルを有する燃料電池に関する。以下、複数の単位セルが直列に接続された燃料電池の場合を例に説明する。異なる単位セルを構成する電極が、一枚の電極シートによって連続一体に形成されている。この電極シートは導電性のシートであって、その一部に触媒電極となる領域を二箇所有する。触媒電極となる領域のうちの一方は、一つの単位セルの燃料極を構成し、触媒電極となる領域のうちの他方は、他の単位セルの酸化剤極を構成する。
（第一の実施形態）
本実施形態は、２つの単位セルが直列に接続された燃料電池に関する。図１は、本実施形態に係る燃料電池の構成を模式的に示す図である。図１（ａ）は、燃料電池７０１の構成を示す斜視図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）において燃料極側集電電極シート４９７および酸化剤極側集電電極シート４９９を分離して表示した斜視図である。
図１（ａ）に示したように、燃料電池７０１は１枚の固体電解質膜１１４に２つの単セル１０１を有する。また、図１（ｂ）に示したように、燃料電池７０１には、酸化剤極側集電電極シート４９９、電極シート４８９、固体電解質膜１１４、燃料極側集電電極シート４９７、および酸化剤極側集電電極シート４９９の５つのパーツが各１枚ずつ含まれる。電極シート４８９は二つの単セル１０１を連続一体に接続するために用いるシートであり、燃料極側集電電極シート４９７及び酸化剤極側集電電極シート４９９は燃料電池７０１で発電した電力を集電し、外部に取り出すために用いるシートである。
電極シート４８９は、長方形であり、一の長辺から対辺に向かって切込が設けられている。切込の両側が基体１０４および基体１１０となっており、切込がない対辺周辺部に設けられた接続部４９５によりこれらが接続されている。基体１０４の表面には触媒層（不図示）が設けられ、一方の単セル１０１の燃料極を構成する。また、基体１１０の表面には触媒層１１２が設けられ、他方の単セル１０１の酸化剤極を構成する。なお、燃料電池７０１において、後述するように、基体１０４は燃料極側の基体であり、基体１１０は酸化剤極側の基体である。そして、基体１０４上の触媒層（不図示）と基体１１０上の触媒層１１２に固体電解質膜１１４が接するように、電極シート４８９の間に固体電解質膜１１４が挿入されている。
電極シート４８９に設けられた基体１０４に対向して、酸化剤極側集電電極シート４９９の基体１１０が設けられており、電極シート４８９の基体１０４と、固体電解質膜１１４と、酸化剤極側集電電極シート４９９の基体１１０とは、一つの単セル１０１をなしている。また、同様に、電極シート４８９に設けられた基体１１０と、固体電解質膜１１４と、燃料極側集電電極シート４９７とは、他の単セル１０１をなしている。
また、電極シート４８９における基体１１０に対向する位置には固体電解質膜１１４を介して燃料極側集電電極シート４９７上の触媒層１０６が接合されている。同様に電極シート４８９における基体１０４に対向する位置には、固体電解質膜１１４を介して酸化剤極側集電電極シート４９９上の触媒層１１２が接合されている。
ここで、電極シート４８９は、基体１０４、基体１１０、および接続部４９５が連続一体に形成された構成である。この構成は、長方形の長辺に切込を入れるだけで容易に得られる構成であって、かつ、基体１０４と基体１１０とが、切込に直交する辺で接続されているため、従来の燃料電池のように単位セル間に接続用の部材を配置するための空間を設ける必要がなく、小型化に適した構成となっている。
一方、燃料極側集電電極シート４９７および酸化剤極側集電電極シート４９９は、それぞれ電極シート４８９における基体１１０および基体１０４に対応する形状である。よって、図１に示したように、燃料極側集電電極シート４９７および酸化剤極側集電電極シート４９９には一つの電極のみが形成され、また切込も有していない。電極シート４８９上の各触媒層に対応する位置に、触媒層１０６または触媒層１１２が形成されている。また、燃料極側集電電極シート４９７および酸化剤極側集電電極シート４９９には、燃料電池７０１における電気化学反応により発電された電力を、外部負荷に接続するための燃料極側端子７０３および酸化剤極側端子７０５がそれぞれ設けられている。
電極シート４８９、燃料極側集電電極シート４９７、および酸化剤極側集電電極シート４９９は、ガス拡散層と集電電極を兼ねた機能を担うことができる。電極シート４８９は、従来の燃料電池においてガス拡散層として通常用いられているカーボンペーパーに比べて電気抵抗が一桁以上低いため、電気化学反応により生じた電子をより確実に移動させることができる。
燃料電池７０１では隣接する単セル１０１の燃料極と酸化剤極とが電極シート４８９の接続部４９５により接続されている。接続部４９５の幅が小さくても、単セル１０１同士の間を接続部４９５を通って効率よく電子が移動することができる。このため、燃料電池７０１は従来の燃料電池に比べて小型化される。
また、このとき接続部４９５は基体１０４および基体１１０と連続一体に形成されているため、接続部材を別途設ける際に生じる部材間の接触抵抗が生じない。さらに、図１（ａ）に示したように、燃料極側端子７０３および酸化剤極側端子７０５は、燃料極側集電電極シート４９７および酸化剤極側集電電極シート４９９とそれぞれ連続一体に形成されている。このため、従来の燃料電池のように端子となる部材を別途用いて電極と接合する必要もなく、端子と電極との間の接触抵抗が生じないため集電効率も高い。よって、燃料極側端子７０３および酸化剤極側端子７０５から効率よく電気が取り出される。
また、燃料極側端子７０３および酸化剤極側端子７０５から電子を効率よく集電することができるため、従来の燃料電池に設けられていたバルクの金属板等の集電部材や、集電部材を密着させるための締結部材を用いる必要がない。このため、部材が簡略化され、薄型で、小型軽量な多数セルの面内接続が実現される。
次に、図３を用いて単セル１０１の構成についてさらに詳しく説明する。図３は、図１の燃料電池の単セル１０１の構成を示す断面図である。単セル１０１は、燃料極１０２、酸化剤極１０８および固体電解質膜１１４から構成される。燃料極１０２または酸化剤極１０８のことを触媒電極とも呼ぶ。また、触媒層１０６および触媒層１１２はそれぞれ基体１０４および基体１１０上に形成され、燃料極１０２および酸化剤極１０８を構成している。基体１０４および基体１１０となる領域は、前述の電極シート４８９、燃料極側集電電極シート４９７、または酸化剤極側集電電極シート４９９のいずれかに設けられている。また、触媒層１０６および触媒層１１２は、たとえば、触媒を担持した炭素粒子と固体高分子電解質の微粒子とを含むことができる。
電極シート４８９、燃料極側集電電極シート４９７、および酸化剤極側集電電極シート４９９に用いる電極シートとしては、燃料、酸化剤、または水素イオンを通過させるために両面を貫通する孔が形成された金属シートであれば特に制限されず、様々な形態、厚みのシートを用いることが可能である。たとえば多孔質の金属シートを用いることができる。多孔質の金属シートとして、金属繊維の不織シートまたは織布を用いてもよい。多孔質の金属シートを用いることにより、電極シート４８９に好適な導電性や水素イオンの移動経路が形成され、電極特性を確実に向上させることができる。また、これらの多孔質金属シートは空隙率が比較的大きいため、電極の軽量化も可能となる。
電極シート４８９の空隙幅は、たとえば１ｍｍ以下とすることができる。こうすることにより、良好な燃料液体および燃料気体の良好な拡散を維持することができる。
また、電極シート４８９の空隙率は、たとえば１０％以上７０％以下とすることができる。１０％以上とすることにより、燃料液体および燃料気体の良好な拡散を維持することができる。また、７０％以下とすることにより、良好な集電作用を維持することができる。さらに、空隙率は、たとえば３０％以上６０％以下とすることができる。こうすると、燃料液体および燃料気体のさらに良好な拡散を維持し、かつ良好な集電作用が維持することができる。なお、電極シート４８９の空隙率とは、電極シート４８９の全容積に占める空隙の割合である。この空隙率が大きいほど電極シート４８９は、組織が粗である。空隙率とは、全容積に占める空隙の割合であり、空隙率が大きいほど組織が粗である。空隙率は、たとえば電極シート４８９の重量、体積、および金属の比重から算出することができる。また、水銀圧入法によっても求められる。
電極シート４８９の厚さは、たとえば１ｍｍ以下とすることができる。１ｍｍ以下とすることによって、単セル１０１を好適に薄型軽量化することができる。また、厚さ０．５ｍｍ以下とすることによりさらに小型軽量化することができ、携帯機器に対してさらに好適に用いることができる。たとえば、厚さ０．１ｍｍ以下とすることもできる。
電極シート４８９の材料として、たとえばＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、またはＰｔからなる群から選択される一または二以上の元素を含むことができる。これらの元素は、いずれも良好な導電性を有する。このうち、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕから選択される元素を含むことにより、電極シート４８９の比電気抵抗を低下させることができるため、好ましい。また、集電体がＡｕ、Ａｇ、Ｐｔから選択される元素を含むことにより、電極シート４８９を構成する金属をより酸化還元電位の貴な金属とすることができる。こうすることにより、電極シート４８９の表面の一部が触媒に被覆されずに露出した構成であっても、電極シート４８９の耐食性を向上させることができる。また、合金とする場合、たとえばＳＵＳや、鉄とクロムと珪素とを含む合金等を用いることができる。
なお、電極シート４８９、燃料極側集電電極シート４９７、および酸化剤極側集電電極シート４９９は、同じ材料としてもよいし、異なる材料としてもよい。
また、燃料電池７０１では電極シート４８９の形状を矩形としたが、基体１０４、基体１１０、および接続部４９５が形成可能であれば電極シート４８９の形状に制限はなく、多角形その他任意の形状とすることができる。電極シート４８９に形成される切込の形状も任意であり、たとえば直線、スリット等とすることができる。
また、電極シート４８９として多孔質の金属シートを用いる場合、基体１０４および基体１１０において、電極シート４８９の孔内に疎水性物質が付着していてもよい。基体１０４および基体１１０は、従来の電池に用いられていたカーボンペーパー等に比べ、親水性の表面を有する。そこで親水性の表面の一部に疎水性物質を付着させることにより、気体と水の移動経路がともに好適に確保される。このため、特に、酸化剤極１０８の基体１１０では、電気化学反応により生成した水分をさらに効率よく排出することが可能となる。
同様に、燃料極側集電電極シート４９７、および酸化剤極側集電電極シート４９９の形状にも特に制限はない。
燃料極１０２の触媒は、たとえばＰｔ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｗ、Ａｕ、Ｐｂ、Ｂｉのうちの少なくとも一種を含む金属、合金、またはそれらの酸化物などが例示される。一方、酸化剤極１０８の触媒としては、燃料極１０２の触媒と同様のものが用いることができ、上記例示物質を使用することができる。なお、燃料極１０２および酸化剤極１０８の触媒は同じものを用いても異なるものを用いてもよい。
触媒を担持する炭素粒子としては、アセチレンブラック（デンカブラック（電気化学社製：登録商標）、ＸＣ７２（Ｖｕｌｃａｎ社製）など）、ケッチェンブラック、アモルファスカーボン、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーンなどが例示される。炭素粒子の粒径は、たとえば、０．０１μｍ以上０．１μｍ以下、好ましくは０．０２μｍ以上０．０６μｍ以下とする。
また、固体高分子電解質は、触媒電極表面において、触媒を担持した炭素粒子と固体電解質膜１１４を電気的に接続するとともに触媒表面に有機液体燃料を到達させる役割を有しており、水素イオン伝導性が要求され、さらに、燃料極１０２においてはメタノール等の有機液体燃料透過性が求められ、酸化剤極１０８においては酸素透過性が求められる。固体高分子電解質としてはこうした要求を満たすために、水素イオン伝導性や、メタノール等の有機液体燃料透過性にすぐれる材料が好ましく用いられる。具体的には、スルホン基、リン酸基などの強酸基や、カルボキシル基などの弱酸基などの極性基を有する有機高分子が好ましく用いられる。こうした有機高分子として、具体的には、フッ素樹脂骨格およびプロトン酸基を有するフッ素含有高分子などを用いることができる。また、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリスルフィド、ポリフェニレン、ポリフェニレンオキシド、ポリスチレン、ポリイミド、ポリベンゾイミダゾール、ポリアミド等を用いることができる。また、メタノール等の液体燃料のクロスオーバーを低減する観点からは、ポリマーとして、フッ素を含まない炭化水素系の材料を用いることができる。さらに、基体のポリマーとして、芳香族を含むポリマーを用いることもできる。
また、プロトン酸基が結合する対象の基体のポリマーとしては、
ポリベンゾイミダゾール誘導体、ポリベンゾオキサゾール誘導体、ポリエチレンイミン架橋体、ポリサイラミン誘導体、ポリジエチルアミノエチルスチレン等のアミン置換ポリスチレン、ポリジエチルアミノエチルメタクリレート等の窒素置換ポリアクリレート等の窒素または水酸基を有する樹脂；
シラノール含有ポリシロキサン、ポリヒドロキシエチルメタクリレートに代表される水酸基含有ポリアクリル樹脂；
ポリ（ｐ−ヒドロキシスチレン）に代表される水酸基含有ポリスチレン樹脂；
等を用いることもできる。
また、上に例示したポリマーに対して、適宜、架橋性の置換基、たとえば、ビニル基、エポキシ基、アクリル基、メタクリル基、シンナモイル基、メチロール基、アジド基、ナフトキノンジアジド基を導入したものを用いることもできる。また、これらの置換基が架橋されたものを用いることもできる。
具体的には、第一の固体高分子電解質１５０または第二の固体高分子電解質１５１として、たとえば、
スルホン化ポリエーテルケトン；
スルホン化ポリエーテルエーテルケトン；
スルホン化ポリエーテルスルホン；
スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン；
スルホン化ポリスルホン；
スルホン化ポリスルフィド；
スルホン化ポリフェニレン；
スルホン化ポリ（４−フェノキシベンゾイル−１，４−フェニレン）、アルキルスルホン化ポリベンゾイミダゾール等の芳香族含有高分子；
スルホアルキル化ポリエーテルエーテルケトン；
スルホアルキル化ポリエーテルスルホン；
スルホアルキル化ポリエーテルエーテルスルホン；
スルホアルキル化ポリスルホン；
スルホアルキル化ポリスルフィド；
スルホアルキル化ポリフェニレン；
スルホン酸基含有パーフルオロカーボン（ナフィオン（登録商標、デュポン社製）、アシプレックス（旭化成社製）等）；
カルボキシル基含有パーフルオロカーボン（フレミオン（登録商標）Ｓ膜（旭硝子社製）等）；
ポリスチレンスルホン酸共重合体、ポリビニルスルホン酸共重合体、架橋アルキルスルホン酸誘導体、フッ素樹脂骨格およびスルホン酸からなるフッ素含有高分子等の共重合体；
アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸のようなアクリルアミド類とｎ−ブチルメタクリレートのようなアクリレート類とを共重合させて得られる共重合体；
等を用いることができる。また、芳香族ポリエーテルエーテルケトンや芳香族ポリエーテルケトンを用いることもできる。
これらのうち、イオン伝導性等の観点からは、スルホン基含有パーフルオロカーボン（ナフィオン（登録商標、デュポン社製）、アシプレックス（旭化成社製）など）、カルボキシル基含有パーフルオロカーボン（フレミオン（登録商標）Ｓ膜（旭硝子社製）など）などが好ましく用いられる。
燃料極１０２および酸化剤極１０８における上記の固体高分子電解質は、同一のものであっても異なるものであってもよい。
固体電解質膜１１４は、燃料極１０２と酸化剤極１０８を隔てるとともに、両者の間で水素イオンを移動させる役割を有する。このため、固体電解質膜１１４は、水素イオンの導電性が高い膜であることが好ましい。また、化学的に安定であって機械的強度が高いことが好ましい。
固体電解質膜１１４を構成する材料としては、たとえば、スルホン酸基、スルホアルキル基、リン酸基、ホスホン基、ホスフィン基、カルボキシル基、スルホンイミド基等のプロトン酸基を含むものを用いることができる。このようなプロトン酸基が結合する対象の基体のポリマーとしては、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリスルフィド、ポリフェニレン、ポリフェニレンオキシド、ポリスチレン、ポリイミド、ポリベンゾイミダゾール、ポリアミド等の膜を用いることができる。また、メタノール等の液体燃料のクロスオーバーを低減する観点からは、ポリマーとしては、フッ素を含まない炭化水素系の膜を用いることができる。さらに、基体のポリマーとして、芳香族を含むポリマーを用いることもできる。
また、プロトン酸基が結合する対象の基体のポリマーとしては、
ポリベンゾイミダゾール誘導体、ポリベンゾオキサゾール誘導体、ポリエチレンイミン架橋体、ポリサイラミン誘導体、ポリジエチルアミノエチルスチレン等のアミン置換ポリスチレン、ポリジエチルアミノエチルメタクリレート等の窒素置換ポリアクリレート等の窒素または水酸基を有する樹脂；
シラノール含有ポリシロキサン、ポリヒドロキシエチルメタクリレートに代表される水酸基含有ポリアクリル樹脂；
ポリ（ｐ−ヒドロキシスチレン）に代表される水酸基含有ポリスチレン樹脂；
等を用いることもできる。
また、上記したポリマーに対して、適宜、架橋性の置換基、たとえば、ビニル基、エポキシ基、アクリル基、メタクリル基、シンナモイル基、メチロール基、アジド基、ナフトキノンジアジド基を導入したものを用いることもできる。また、これらの置換基が架橋されたものを用いることもできる。
具体的には、固体電解質膜１１４として、たとえば、
スルホン化ポリエーテルエーテルケトン；
スルホン化ポリエーテルスルホン；
スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン；
スルホン化ポリスルホン；
スルホン化ポリスルフィド；
スルホン化ポリフェニレン；
スルホン化ポリ（４−フェノキシベンゾイル−１，４−フェニレン）、アルキルスルホン化ポリベンゾイミダゾール等の芳香族含有高分子；
スルホアルキル化ポリエーテルエーテルケトン；
スルホアルキル化ポリエーテルスルホン；
スルホアルキル化ポリエーテルエーテルスルホン；
スルホアルキル化ポリスルホン；
スルホアルキル化ポリスルフィド；
スルホアルキル化ポリフェニレン；
スルホン酸基含有パーフルオロカーボン（ナフィオン（登録商標、デュポン社製）、アシプレックス（旭化成社製）等）；
カルボキシル基含有パーフルオロカーボン（フレミオン（登録商標）Ｓ膜（旭硝子社製）等）；
ポリスチレンスルホン酸共重合体、ポリビニルスルホン酸共重合体、架橋アルキルスルホン酸誘導体、フッ素樹脂骨格およびスルホン酸からなるフッ素含有高分子等の共重合体；
アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸のようなアクリルアミド類とｎ−ブチルメタクリレートのようなアクリレート類とを共重合させて得られる共重合体；
等を用いることができる。また、芳香族ポリエーテルエーテルケトンまたは芳香族ポリエーテルケトンを用いることもできる。
なお、本実施形態において、クロスオーバー抑制の観点からは、固体電解質膜１１４および第一の固体高分子電解質１５０または第二の固体高分子電解質１５１を、いずれも、有機液体燃料の透過性の低い材料を用いることが好ましい。たとえば、スルホン化ポリ（４−フェノキシベンゾイル−１，４−フェニレン）、アルキルスルホン化ポリベンゾイミダゾールなどの芳香族縮合系高分子により構成することが好ましい。また、固体電解質膜１１４および第二の固体高分子電解質１５１は、たとえばメタノールによる膨潤性が５０％以下、より望ましくは２０％以下（７０ｖｏｌ％ＭｅＯＨ水溶液に対する膨潤性）とするのがよい。こうすることにより、特に良好な界面密着性およびプロトン伝導性が得られる。
また、本実施形態で用いる燃料として、たとえば水素を用いることができる。また、天然ガス、ナフサなどを燃料源とする改質水素を用いることもできる。あるいは、たとえばメタノールなどの液体燃料を直接供給することもできる。また、酸化剤としては、たとえば酸素、空気などを用いることができる。
燃料電池に液体燃料を直接供給する場合、たとえば図６に示した構成とすることができる。図６は、本実施形態に係る燃料電池７００の構成の示す断面図である。この断面は、図１（ａ）に示された燃料電池７０１のＡ−Ａ’方向の断面に対応している。図６の燃料電池７００において、燃料極１０２には、燃料容器４２５を介して燃料１２４が供給される。また、酸化剤極１０８には、単セル１０１の露出部はシール４２９により被覆されているが、酸化剤１２６が供給されるように孔が設けられており、空気中の酸素が酸化剤１２６として供給される。燃料電池７００で発電された電力は、燃料極側端子７０３および酸化剤極側端子７０５から取り出される。
燃料電池７００では、端部にシール４２９を設けることにより、燃料の酸化剤極１０８側への漏出を抑えることができる。また、バルク金属板等の集電電極を設ける必要がない。燃料電池７００はこのような構成を有するため小型、軽量であり、また高い出力が安定的に発揮される。このため、携帯電話やノートパソコン等の携帯機器の電源に好適に搭載することが可能な面内多数セル構造の燃料電池とすることができる。
なお、燃料容器４２５に燃料供給口を設け、必要に応じて燃料１２４を注入する構成とすることもできる。燃料１２４は燃料容器４２５に蓄えてもよいし、または、随時燃料容器４２５に輸送される構成としてもよい。すなわち、燃料１２４の供給方法は、燃料容器４２５を用いる方法に限らず、燃料供給流路を設ける方法など、適宜選択することができる。たとえば、燃料カートリッジから燃料容器４２５に輸送される構成とすることもできる。
なお、本実施形態においては、１枚の固体電解質膜１１４を用いたが、単セル１０１ごとに別個の固体電解質膜１１４を用いてもよい。１枚の固体電解質膜１１４を用いることにより、構成および製造がより簡易となる。
また、固体電解質膜１１４および電極シート４８９、燃料極側集電電極シート４９７、酸化剤極側集電電極シート４９９の形状は上述のものに限定されず、任意の形状とすることができる。
次に、燃料電池の作製方法に特に制限はないが、燃料電池７０１は、たとえば以下のようにして作製することができる。図２は、図１の燃料電池７０１の製造方法を説明するための図である。図２（ａ）〜図２（ｃ）のそれぞれについて、左側の図は上面図であり、右側の図は、当該上面図のＢ−Ｂ’方向の断面図である。
多孔質の金属シートを所定の大きさにカットし、図２（ａ）に示した電極シート４８９と図２（ｂ）に示した燃料極側集電電極シート４９７および酸化剤極側集電電極シート４９９とを作製する。このとき、電極シート４８９には切込７１１を設け、基体１０４および基体１１０が接続部４９５にて接続された形状とする。また、燃料極側集電電極シート４９７および酸化剤極側集電電極シート４９９は、基体１０４および基体１１０からそれぞれ燃料極側端子７０３および酸化剤極側端子７０５が突出した形状にカットする。
触媒の炭素粒子への担持は、一般的に用いられている含浸法によって行うことができる。次に触媒を担持させた炭素粒子と固体電解質を溶媒に分散させ、ペースト状とした後、これを基体に塗布、乾燥させることによって燃料極１０２および酸化剤極１０８を得ることができる。ここで、炭素粒子の粒径は、たとえば０．０１μｍ以上０．１μｍ以下とする。触媒粒子の粒径は、たとえば１ｎｍ以上１０ｎｍ以下とする。また、固体高分子電解質粒子の粒径は、たとえば０．０５μｍ以上１μｍ以下とする。炭素粒子と固体高分子電解質粒子とは、たとえば、重量比で２：１〜４０：１の範囲で用いられる。また、ペースト中の水と溶質との重量比は、たとえば、１：２〜１０：１程度とする。
基体１０４および基体１１０へのペーストの塗布方法については特に制限がないが、たとえば、刷毛塗り、スプレー塗布、およびスクリーン印刷等の方法を用いることができる。ペーストは、たとえば１μｍ以上２ｍｍ以下の厚さで塗布される。このとき、電極シート４８９については、基体１０４と基体１１０において、電極シート４８９の異なる面にそれぞれペーストを塗布する。ペーストを塗布した後、使用するフッ素樹脂に応じた加熱温度および加熱時間で加熱し、燃料極１０２または酸化剤極１０８が作製される。加熱温度および加熱時間は、用いる材料によって適宜に選択されるが、たとえば、加熱温度１００℃以上２５０℃以下、加熱時間３０秒以上３０分以下とすることができる。
以上のようにして、燃料極１０２および酸化剤極１０８が形成された電極シート４８９、燃料極側集電電極シート４９７、酸化剤極側集電電極シート４９９が得られる。なお、これらの電極シートの空隙中に疎水性物質を付着させ、疎水性領域を形成してもよい。たとえば、電極シート４８９を撥水処理してもよい。撥水処理を行うことにより、親水性の触媒（不図示）または電極シート４８９表面と撥水表面とが併存し、触媒電極中の水の排出経路が好適に確保される。このため、たとえば酸化剤極１０８にて生成した水を好適に電極外部に排出することが可能となる。このとき、撥水処理は、たとえば酸化剤極１０８において燃料電池７０１の外側となる面に施すことができる。
電極シート４８９を撥水処理する方法として、たとえば、ポリエチレン、パラフィン、ポリジメチルシロキサン、ＰＴＦＥ、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、フッ化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）、ポリ（パーフルオロオクチルエチルアクリレート）（ＦＭＡ）、ボリフォスファゼンなどの疎水性物質の溶液または懸濁液に電極シート４８９を浸漬あるいは接触させ、電極シート４８９を構成する金属の表面に撥水性樹脂を付着させる方法を用いることができる。特に、ＰＴＦＥ、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、フッ化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）、ポリ（パーフルオロオクチルエチルアクリレート）（ＦＭＡ）、ボリフォスファゼンなどの撥水性の高い物質を用いることにより、疎水性領域を好適に形成することができる。
また、ＰＴＦＥ、ＰＦＡ、ＦＥＰ、フッ化ピッチ、ボリフォスファゼンなどの疎水性材料を粉砕し、溶媒に懸濁させたものを塗布することもできる。塗布液は、疎水性材料と、金属あるいは炭素などの導電性物質の混合懸濁液とすることもできる。また、塗布液は、撥水性を有する導電繊維、たとえばドリーマロン（ニッセン社製：登録商標）など、を粉砕し、溶媒に懸濁させたものとすることもできる。このように、導電性かつ撥水性の物質を用いることにより、電池出力をさらに高めることができる。
また、金属あるいは炭素などの導電性物質を粉砕し、これに上記の疎水性材料をコーティングしたものを懸濁し、塗布することもできる。塗布方法には特に制限はないが、たとえば、刷毛塗り、スプレー塗布、およびスクリーン印刷等の方法を用いることができる。
また、電極シート４８９の表面に、プラズマ法（たとえばＣＦ４プラズマ処理）により疎水基を導入してもよい。こうすることにより、疎水部の厚みを所望の厚みに調節することができる。
固体電解質膜１１４は、用いる材料に応じて適宜な方法を採用して作製することができる。たとえば固体電解質膜１１４を有機高分子材料で構成する場合、有機高分子材料を溶媒に溶解ないし分散した液体を、ポリテトラフルオロエチレン等の剥離性シート等の上にキャストして乾燥させることにより得ることができる。
得られた固体電解質膜１１４の一辺に、電極シート４８９の切込７１１を挿入し（図２（ａ））、固体電解質膜１１４を電極シート４８９の燃料極１０２および酸化剤極１０８で挟む。この状態でホットプレスを行い、触媒電極−固体電解質膜接合体を得る（図２（ｂ））。
ホットプレスの条件は、材料に応じて選択されるが、固体電解質膜１１４や触媒電極表面の固体高分子電解質を軟化点やガラス転移のある有機高分子で構成する場合、これらの高分子の軟化温度やガラス転移位温度を超える温度とすることができる。具体的には、たとえば、温度１００℃以上２５０℃以下、圧力１ｋｇ／ｃｍ２以上１００ｋｇ／ｃｍ２以下、時間１０秒以上３００秒以下とする。
次に、燃料極側集電電極シート４９７を電極シート４８９の基体１１０に固体電解質膜１１４を介して対向させる。同様に、酸化剤極側集電電極シート４９９を電極シート４８９の基体１０４に対向させる。このとき、燃料極側集電電極シート４９７および酸化剤極側集電電極シート４９９上に形成された触媒層１０６および触媒層１１２が固体電解質膜１１４と接するようにする（図２（ｂ））。そして、同様にしてホットプレスを行う。
以上により、燃料電池７０１が得られる（図２（ｃ））。なお、ここでは、電極シート４８９と燃料極側集電電極シート４９７および酸化剤極側集電電極シート４９９とを別々にホットプレスする方法を説明したが、それぞれを所定の位置に配置し、一度のホットプレスによって燃料電池７０１を得てもよい。このようにすれば、より効率よく燃料電池７０１を得ることができる。
また、以上においては電極シート４８９上に触媒層１０６および触媒層１１２を形成しておき、この電極シート４８９の切込７１１を固体電解質膜１１４に挿入する方法について説明した。他の方法として、固体電解質膜１１４の所定の位置に触媒層１０６および触媒層１１２を形成しておき、電極シート４８９の切込７１１を挿入する方法も採用することができる。
この場合、固体電解質膜１１４への触媒層１０６および触媒層１１２の形成は、たとえば以下のようにして行うことができる。まず、上述の方法で得られた触媒ペーストを撥水性シート等の表面に塗布する。撥水性シートとして、たとえばテフロン（登録商標）シートなどが利用できる。また、塗布は上述のようにして行うことができる。そして、撥水性シート上に塗布した触媒ペーストを加熱、乾燥させ、触媒層１０６または触媒層１１２を得る。続いて、固体電解質膜１１４を介して触媒層１０６および触媒層１１２を対向させ、ホットプレスにより接合する。そして、撥水性シートを剥離すれば、固体電解質膜１１４上に触媒層１０６および触媒層１１２が接合される。
また、図６に示したように、得られた燃料電池７０１を構成する各単セル１０１（図６では不図示）の燃料極１０２に、燃料容器４２５を接合し、燃料電池７０１の露出部にシールを設けてもよい。このとき、たとえば燃料極１０２と燃料容器４２５とを、燃料に対する耐性を有する接着剤などを使って接着してもよい。燃料極１０２と燃料容器４２５とを直接接触させ、燃料を供給することができるので、より薄型、小型軽量な燃料電池７００を得ることができる。
また、酸化剤極１０８については、直接酸化剤や空気と接触させ、酸化剤を供給することができる。なお、包装部材など小型化を阻害しない部材であれば、適宜これを介して酸化剤極１０８に酸化剤を供給することもできる。
（第二の実施形態）
本実施形態では、第一の実施形態に記載の燃料電池７０１において、電極シート４８９、燃料極側集電電極シート４９７、および酸化剤極側集電電極シート４９９に多孔質金属シートを用いる。そして、多孔質金属シートを構成する金属の表面に触媒が直接担持された構成を有する。また、これらのシートの表面は粗面化されている。ここで、「シートの表面が粗面化されている」とは、シートを構成する個々の金属の表面が粗面化されていることを指す。表面積が増大するため、担持可能な触媒量が増加する。このため、各単セル１０１において電気化学反応が促進され、燃料電池の出力を向上させることができる。
図７は、本実施形態に係る燃料電池を構成する単位セルの、燃料極１０２および固体電解質膜１１４を模式的に示す断面図である。図示したように、燃料極１０２は基体１０４が凹凸のある表面を有し、その表面を触媒４９１が被覆している。触媒４９１の表面に、固体高分子電解質粒子１５０が付着している。なお、基体１０４は、電極シート４８９の一部である場合と燃料極側集電電極シート４９７の一部である場合があるが、どちらの場合も同様の構成である。
一方、図８は、従来の燃料電池の燃料極１０２の構成を模式的に示す断面図である。図８では、炭素材料を基体１０４として用い、その表面に、固体高分子電解質粒子１５０と、触媒担持炭素粒子１４０からなる触媒層が形成されている。
以下燃料極１０２を例に、図７と図８とを比較して本実施形態に係る燃料電池の特長を説明する。まず、図７においては、基体１０４に多孔質金属シートが用いられている。多孔質金属シートは導電性にすぐれるため、燃料電池７０１では、第一の実施形態でも述べたように、電極の外側にバルク金属等の集電電極を設ける必要がない。一方、図８では、基体１０４として炭素材料を用いているため、集電電極を設けることが必要となる。
また、図７は、基体１０４すなわち多孔質金属シートを構成する金属の表面が粗面化されている。このため、基体１０４の表面積が増加し、担持可能な触媒量が増加する。よって、充分量の触媒４９１を担持させる表面積が確保されており、図８のように触媒担持炭素粒子１４０を用いた場合と同程度の触媒４９１を担持することが可能である。なお、基体１０４表面は撥水処理されていてもよい。
また、燃料極１０２における電気化学反応は、触媒４９１と固体高分子電解質粒子１５０と基体１０４との界面、いわゆる三相界面にて起こるため、三相界面の確保が重要である。図７では、基体１０４と触媒４９１とが直接接しているため、触媒４９１と固体高分子電解質粒子１５０との接触部はすべて三相界面となり、基体１０４と触媒４９１との間に電子の移動経路が確保されている。
一方、図８では、触媒担持炭素粒子１４０のうち、固体高分子電解質粒子１５０と基体１０４のいずれにも接触しているもののみが有効である。したがって、たとえば触媒担持炭素粒子Ａに担持された触媒（不図示）表面で生じた電子は、触媒担持炭素粒子Ａから基体１０４を経由して電池外部へと取り出されるが、触媒担持炭素粒子Ｂのように、基体１０４との接点をもたない粒子の場合、炭素粒子表面に担持された触媒（不図示）表面で電子が生成しても、電池外部へと取り出すことができない。また、触媒担持炭素粒子Ａについても、触媒担持炭素粒子１４０と基体１０４との接触抵抗は触媒４９１と電極シート４８９との接触抵抗に比べて大きく、図７の構成の方がより好適に電子の移動経路が確保されているといえる。
このように、図７と図８とを比較すると、図７の構成とすることにより触媒４９１の利用効率、集電効率が向上する。このため、単セル１０１の出力特性を向上させることができるため、燃料電池の電池特性も向上させることができる。また、触媒層を形成する工程が省略されるため、電池構成およびその作製をより簡素化することが可能となる。
触媒４９１は、基体１０４の表面に担持されていればよいし、基体１０４の全部または一部を被覆していてもよい。図７に示したように電極シート４８９の全面を被覆している場合、電極シート４８９の腐食が抑制され好ましい。触媒４９１が基体１０４の表面を被覆する場合、触媒４９１の厚さに特に制限はないが、たとえば１ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすることができる。
本実施形態に係る燃料電池は、基本的には第一の実施形態と同様にして得られるため、以下、異なる点のみ説明する。
本実施形態に係る燃料電池においては、電極シート４８９、燃料極側集電電極シート４９７、および酸化剤極側集電電極シート４９９を構成する金属の表面を粗面化し、表面に凹凸構造を形成する。以下、電極シート４８９を例に挙げ説明するが、燃料極側集電電極シート４９７、酸化剤極側集電電極シート４９９についても同様にして粗面化することができる。電極シート４８９の表面に微細な凹凸構造を形成する方法として、たとえば電気化学的エッチングや化学的エッチング等のエッチングを用いることができる。
電気化学的エッチングとして、アノード分極等を用いた電解エッチングを行うことができる。このとき、電極シート４８９を電解液中に浸漬し、たとえば１Ｖ〜１０Ｖ程度の直流電圧を印加する。電解液には、たとえば塩酸、硫酸、過飽和シュウ酸、燐酸クロム酸混液等の酸性溶液を用いることができる。
また、化学的エッチングを行う場合、酸化剤を含む腐食液の中に電極シート４８９を浸漬する。腐食液としては、たとえば硝酸、硝酸アルコール溶液（ナイタル）、ピクリン酸アルコール（ピクリル）、塩化第二鉄溶液等を用いることができる。
また本実施形態では、電極シート４８９の表面に触媒４９１となる金属を担持させる。触媒４９１の担持方法として、たとえば、電気めっき、無電解めっき等のめっき法、真空蒸着、化学蒸着（ＣＶＤ）等の蒸着法などを用いることができる。
電気めっきを行う場合、目的の触媒金属のイオンを含む水溶液中に電極シート４８９を浸漬し、たとえば１Ｖ〜１０Ｖ程度の直流電圧を印加する。たとえば、Ｐｔをめっきする場合、Ｐｔ（ＮＨ３）２（ＮＯ２）２、（ＮＨ４）２ＰｔＣｌ６等を硫酸、スルファミン酸、リン酸アンモニウムの酸性溶液に加え、０．５〜２Ａ／ｄｍ２の電流密度にてめっきを行うことができる。また、複数の金属をめっきする場合、一方の金属が拡散律速となる濃度域において電圧を調節することにより、所望の割合でめっきすることができる。
また、無電解めっきを行う場合、目的の触媒金属のイオン、たとえばＮｉ、Ｃｏ、Ｃｕイオンを含む水溶液に還元剤として次亜リン酸ナトリウム、ホウ水素化ナトリウム、ホルマリン等の還元剤を加え、この中に電極シート４８９を浸漬する。必要に応じて加熱してもよい。たとえば、Ｃｕイオンとホルマリンを含む水溶液を用いる場合、２０〜７５℃程度でめっきを行ってもよい。
こうして、電極シート４８９の表面が粗面化される。その後、基体１０４および基体１１０を固体高分子電解質溶液に浸漬する方法等により、触媒４９１表面に固体高分子電解質を付着させた後、燃料極１０２および酸化剤極１０８で挟み、ホットプレスし、触媒電極−固体電解質膜接合体を得る。
なお、両電極と固体電解質膜１１４との密着性を確保し、また、触媒電極における水素イオンの移動経路を確保するため、燃料極１０２および酸化剤極１０８の表面にプロトン導電体層を設けて表面を平坦化することが好ましい。図９は、燃料極１０２および固体電解質膜１１４の別の構成を模式的に示す断面図である。図９の構成は、図６の構成において基体１０４の表面に平坦化層４９３が設けられた構成である。平坦化層４９３を設けることにより、固体電解質膜１１４と基体１０４との密着性が向上する。
基体１０４および基体１１０の表面に平坦化層４９３を形成する場合、平坦化層４９３は、イオン交換樹脂等のプロトン導電体とすることができる。こうすることにより、固体電解質膜１１４と触媒電極との間に水素イオンの移動経路が好適に形成される。平坦化層４９３の材料は、たとえば固体電解質または固体電解質膜１１４に用いる材料の中から選択される。
（第三の実施形態）
本実施形態は、多数の単セル１０１が直列に接続された燃料電池に関する。図４は、本実施形態に係る燃料電池７０７の構成を模式的に示す図である。図４（ａ）は燃料電池７０７の上面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＣ−Ｃ’方向の断面図である。図４（ａ）、図４（ｂ）に示されるように、燃料電池７０７は、第一の実施形態に記載の燃料電池７０１の構成を基本とし、４つの単セル１０１が直列に接続された構成である。また、図６に示した燃料電池７００同様、端部がシール４２９により封止されている。
燃料電池７０７では、電極シート４８９を３枚用い、一の電極シート４８９の基体１０４と他の電極シート４８９の基体１１０とが固体電解質膜１１４を介して対向配置されている。また、両端の単セル１０１については、基体１０４または基体１１０が燃料極側集電電極シート４９７および酸化剤極側集電電極シート４９９上に形成されている。このような構成とすることにより、４つの単セル１０１の接続が簡素な構成で実現されている。このため、単セル１０１間の電子の移動経路が好適に確保されており、また、従来の燃料電池に比べて小型化される。
このように、燃料電池７０７においても、燃料電池７０１と同様、小型軽量、薄型な多数セルの面内接続が実現される。また、高い出力を安定的に発揮させることができる。
燃料電池７０７のように、一枚の固体電解質膜１１４の表面に複数の単セル１０１が設けられた構成にすれば、固体電解質膜１１４の表面のほぼ全面を基体１０４または基体１１０で覆うことができる。すなわち、基体１０４または基体１１０により固体電解質膜１１４が実質的に全面に被覆された構成とすることができる。具体的には、たとえば固体電解質膜１１４の表面の７５％以上を基体１０４または基体１１０で被覆する構成とすることができる。こうすれば、固体電解質膜１１４内の単セル１０１の集積度を高めることが可能となる。このため、省スペースで出力特性の高い燃料電池が得られる。
なお、図４では、４つの単セル１０１が接続された構成としたが、単セル１０１の連結数に特に制限はなく、必要に応じて適宜選択することができる。このとき、セル数より１枚少ない電極シート４８９を用いることができる。また、燃料電池７０１に代わり、第二の実施形態に記載の燃料電池の構成を基本単位とすることにより、より一層出力特性を向上させることができる。
（第四の実施形態）
本実施形態は、４つの単セル１０１が直列に接続された燃料電池の別の態様に関する。図５は、本実施形態に係る燃料電池の構成を模式的に示す上面図である。図５（ａ）は、燃料電池７０１の構成を基本とする燃料電池７０９の構成を示す図である。また、図５（ｂ）は、図５（ａ）の燃料電池７０９において、固体電解質膜１１４に挿入されている電極シート４８９と燃料極側集電電極シート４９７および酸化剤極側集電電極シート４９９とを引き出した状態を示す図である。
図５（ａ）、図５（ｂ）に示されるように、多数の単セル１０１が直列に接続された構成として、燃料電池７０９のような「風車型」の構成とすることも可能である。「風車型」の構成とする場合にも、３枚の電極シート４８９と燃料極側集電電極シート４９７と酸化剤極側集電電極シート４９９とを用いれば、簡素な構成で出力特性にすぐれた燃料電池を容易に作製することが可能となる。
「風車型」の構成とすることにより、固体電解質膜１１４の一辺、すなわち燃料極側集電電極シート４９７と酸化剤極側集電電極シート４９９が挿入された辺から集電を行うことが可能となり、燃料極１０２と酸化剤極１０８の集電位置を近接させることができる。このため、単セル１０１の面内高集積化が可能となる。また、燃料電池７０９を略正方形の形状とすることができるため、幅の小さい小型機器に好適に搭載することが可能となる。
なお、本実施形態においては、固体電解質膜１１４が矩形である場合の４セル直列接続を例に説明したが、固体電解質膜１１４の形状に特に制限はなく、固体電解質膜１１４の周縁に沿って単セル１０１を配置することができる。このとき、固体電解質膜１１４が角部を有する場合は、燃料電池７０９のように、電極シートを、固体電解質膜１１４の角部を形成する隣接する二辺からそれぞれ挿入することにより、好適な単セル１０１の配置とその接続が可能となる。たとえば、固体電解質膜１１４が多角形であって、当該多角形の一辺から角部に一の単セル１０１の燃料極１０２が挿入され、これに対向する酸化剤極１０８が前述の一辺に隣接する辺から挿入された構成とすることができる。こうすることにより、固体電解質膜１１４内の単セル１０１の集積度をより一層高めることが可能となる。
以上、本発明を実施形態に基づいて説明した。これらの実施形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
たとえば、図１０に示すように単位セル間の領域に低イオン伝導性領域３０２が設けられていてもよい。こうすることにより、各単位セル同士の間隔を狭めることによる、さらなる燃料電池の小型化を図る際に生じる可能性がある電気的リークによる電圧低下の発生が抑制される。この結果、各単位セルの間隔を、固体電解質膜の厚さと同程度とした場合においても電圧の低下が抑制されるため、小型かつ薄型で高出力の燃料電池が実現する。また、上記領域は上記固体電解質膜上に溝部もしくは凹部を作製することにより設けられてもよい。
また、上記実施形態においては、多孔質金属シートの表面に触媒を担持した炭素粒子を含む触媒層が形成されている形態について説明したが、炭素粒子を含まない触媒層が形成されていてもよい。こうすることにより、図１１に示すように、多孔質金属シートを構成する金属の表面に直接触媒が担持された構成となるため、たとえば、多孔質金属シートを燃料極側集電電極シートとして用いた場合、触媒と電解質との界面における電気化学反応により生じた電子が確実かつ速やかに燃料極側集電電極シートへと移動するようになる。また、酸化剤極側集電電極シートとして用いた場合、外部回路から酸化剤極側集電電極シートに導かれた電子が、接合された触媒に確実かつ速やかに導かれる。また、プロトン導電体が触媒に接して設けられているため、触媒表面で生成したプロトンの移動経路も確保されている。このように、本発明に係る燃料電池用電極は、電気化学反応により生じる電子およびプロトンを効率よく利用することができるため、燃料電池の出力特性を向上させることができる。
また、上記実施形態においては、単位セルが直列に接続された形態について説明したが、直列に接続されたセル群を並列に接続するなど、直列と並列の組み合わせなどの構成を採用することにより、所望の電圧、容量の組電池を得ることもできる。また、複数の燃料電池を平面状に並べて接続して組電池としてもよいし、セパレータを介して単セル構造１０１を積層し、スタックを形成してもよい。スタックとした場合にも、すぐれた出力特性を安定的に発揮させることができる。
【実施例】  以下に本実施形態の燃料電池用電極および燃料電池について実施例によって具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されない。
【実施例１】  本実施例では、図４に示されるセルの直列接続構造を作製し、評価した。
触媒電極用、すなわち燃料極および酸化剤極（ガス拡散電極）用の電極シートとして、直径３０μｍのＳＵＳ３１６を焼結した厚さ０．２ｍｍの多孔質金属シートを用いた。この多孔質金属シートの表面に、次のようにして触媒層を形成した。まず、固体高分子電解質としてアルドリッチ・ケミカル社製の５ｗｔ％ナフィオンアルコール溶液を選択し、固体高分子電解質量が０．１〜０．４ｍｇ／ｃｍ３となるようにｎ−酢酸ブチルと混合攪拌して固体高分子電解質のコロイド状分散液を調製した。
燃料極の触媒には炭素微粒子（デンカブラック；電気化学社製）に粒子径３〜５ｎｍの白金−ルテニウム合金触媒を重量比で５０％担持させた触媒担持炭素微粒子を使用し、酸化剤極の触媒には、炭素微粒子（デンカブラック；電気化学社製）に粒子径３〜５ｎｍの白金触媒を重量比で５０％担持させた触媒担持炭素微粒子を使用した。触媒担持炭素微粒子を固体高分子電解質のコロイド状分散液に添加し、超音波分散器を用いてペースト状にした。このとき、固体高分子電解質と触媒の重量比が１：１になるように混合した。このペーストを多孔質金属シートにスクリーン印刷法で２ｍｇ／ｃｍ２塗布した後、加熱乾燥した。以上のようにして、電極シート、燃料極側集電電極シート、および燃料極側集電電極シートとなるそれぞれの多孔質金属シートの上に、触媒層を形成した。
デュポン社製固体電解質膜ナフィオン１１２の一辺に、得られた電極シートの切込を挿入し、また燃料極側集電電極シートおよび酸化剤極側集電電極シートを所定の位置に配置した。このとき、電極シート表面の触媒層が固体電解質膜に接するようにした。そして、両面に温度１３０℃、圧力１０ｋｇ／ｃｍ２でホットプレスして燃料電池を作製した。
こうして得られた燃料電池は、厚さが従来の燃料電池の半分以下となり、重さは１／３以下であった。また、燃料電池の出力測定を行った。燃料として燃料極には１０ｖ／ｖ％のメタノール水溶液を供給し、酸化剤極には酸化剤として空気を供給した。燃料および酸化剤のそれぞれの流速は、５ｍｌ／ｍｉｎおよび５０ｍｌ／ｍｉｎとした。この燃料電池の出力を１気圧、２５℃の室温で測定したところ、１０００ｍＡ／ｃｍ２の電流で１．６Ｖの出力が得られた。
【実施例２】  実施例１と同様にして、多孔質金属シートの上に触媒層を形成し、電極シート、燃料極側集電電極シート、および燃料極側集電電極シートを得た。固体電解質膜として、デュポン社製固体電解質膜ナフィオン１１２を用いた。固体電解質膜の三辺に得られた電極シートの切込を挿入し、また燃料極側集電電極シートおよび酸化剤極側集電電極シートを所定の位置に配置した。このとき、電極シート表面の触媒層が固体電解質膜に接するようにした。そして、両面に温度１３０℃、圧力１０ｋｇ／ｃｍ２でホットプレスして図５に示される４セルの直列接続構造を作製し、評価した。
この構成の場合にも、燃料電池の厚さは従来の燃料電池の半分以下となり、また重量は１／３以下となった。そして、実施例１と同様にして出力を測定したところ、電流密度１０００ｍＡ／ｃｍ２での出力電圧は１．６Ｖであった。
（比較例）
触媒電極用、すなわち燃料極および酸化剤極（ガス拡散電極）用の電極シートとして、カーボンペーパー（東レ社製）を用いた。この電極シートの表面に、実施例１と同様にして触媒層を形成した。この電極を、デュポン社製固体電解質膜ナフィオン１１２の両面に温度１３０℃、圧力１０ｋｇ／ｃｍ２でホットプレスして触媒電極−固体電解質膜接合体を作製した。そして、２つの触媒電極−固体電解質膜接合体を、接続端子を用いて面内で直列に接続し、燃料極および酸化剤極のエンドプレートをボルトとナットで締結した。エンドプレートには、厚さ１ｍｍのＳＵＳ３０４を用いた。
得られた燃料電池の出力を実施例１と同様の条件で測定したところ電流密度１０００ｍＡ／ｃｍ２での出力電圧は１．５Ｖであった。
以上の実施例および比較例より、本実施例の燃料電池は、従来の燃料電池に比べて小型軽量化、薄型化された。また、高い出力が安定的に発揮されることが明らかになった。
【図１】
2004075331.tif 000003
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】平成16年12月16日(2004.12.16)
【手続補正００１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質膜と、
前記固体電解質膜の一方の面に設けられ、第一の触媒層を有する第一の電極と、
前記固体電解質膜の他方の面に、前記第一の電極に対向して設けられ、第二の触媒層を有する第二の電極と、
を備えて構成される単位セルを複数有する燃料電池であって、
一の前記単位セルにおける前記第一の触媒層を片面に有し、隣接する他の前記単位セルにおける前記第二の触媒層を他面に有する基体を備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
固体電解質膜と、
前記固体電解質膜の一方の面に設けられ、第一の触媒層を有する複数の第一の電極と、
前記固体電解質膜の他方の面に、前記複数の第一の電極に対向して設けられ、第二の触媒層を有する第二の電極と、を有し、
対向する一つの前記第一の電極および一つの前記第二の電極と前記固体電解質膜とにより単位セルが構成された燃料電池であって、
一の前記単位セルにおける前記第一の触媒層を片面に有し、隣接する他の前記単位セルにおける前記第二の触媒層を他面に有する基体を備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
一枚の固体電解質膜と、
前記固体電解質膜の一方の面に設けられ、第一の触媒層を有する複数の第一の電極と、
前記固体電解質膜の他方の面に、前記複数の第一の電極にそれぞれ対向して設けられ、第二の触媒層を有する複数の第二の電極と、を有し、
対向する一つの前記第一の電極および一つの前記第二の電極と前記固体電解質膜とにより単位セルが構成された燃料電池であって、
前記固体電解質膜の周縁に沿って配列された複数の前記単位セルが直列に接続されており、
一の前記単位セル
における前記第一の触媒層を片面に有し、隣接する他の前記単位セルにおける前記第二の触媒層を他面に有する基体を備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
（削除）
【請求項５】
（削除）
【請求項６】
（削除）
【請求項７】
請求の範囲第１項乃至第３項いずれかに記載の燃料電池において、
前記基体に切込部が設けられており、該切込部に前記固体電解質膜が挿入されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
請求の範囲第１項乃至第３項および第７項のいずれかに記載の燃料電池において、
前記基体が多孔質金属シートであることを特徴とする燃料電池。
【請求項９】
請求の範囲第８項に記載の燃料電池において、
前記多孔質金属シートを構成する金属の表面に、触媒のめっき層が形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項１０】
（削除）
【請求項１１】
請求の範囲第８項または第９項に記載の燃料電池において、
前記多孔質金属シートを構成する金属が、粗面化された表面を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項１２】
請求の範囲第８項、第９項および第１１項のいずれかに記載の燃料電池において、
前記多孔質金属シートの少なくとも一部が疎水処理されたことを特徴とする燃料電池。
【請求項１３】
請求の範囲第１項乃至第３項、第７項乃至第９項、第１１項および第１２項のいずれかに記載の燃料電池において、
触媒に接するプロトン導電体をさらに備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項１４】
請求の範囲第１３項に記載の燃料電池において、
前記プロトン導電体が、イオン交換樹脂であることを特徴とする燃料電池。
【請求項１５】
（削除）
【請求項１６】
（削除）
【請求項１７】
（削除）
【請求項１８】
請求の範囲第１項乃至第３項、第７項乃至第９項、および第１１項乃至第１４項のいずれかに記載の燃料電池において、
隣接する単位セル間の領域に、低イオン伝導性領域が設けられていることを特徴とする燃料電池。
【請求項１９】
請求の範囲第１８項に記載の燃料電池において、
前記低イオン伝導性領域が、前記固体電解質膜に溝部が形成されてなる領域であることを特徴とする燃料電池。
【請求項２０】
請求の範囲第１８項に記載の燃料電池において、
前記低イオン伝導性領域が、前記固体電解質膜に凹部が形成されてなる領域であることを特徴とする燃料電池。
【請求項２１】
基体に切込部を設けて第一の電極と第二の電極とを形成し、
該切込部に固体電解質膜を挿入し、前記固体電解質膜を介して前記第一の電極と前記第二の電極にそれぞれ対向する対向電極を設ける工程を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項２２】
（削除）
【請求項２３】
請求の範囲第２１項に記載の燃料電池の製造方法において、
前記基体を前記固体電解質膜の周縁に沿って挿入する工程を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。
【手続補正００２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
なっているため、構造が複雑であった。また、炭素製の燃料拡散部材と金属製の集電板との電気的コンタクトを良好なものにするために、集電板にはある程度の厚さが必要とされ、集電板同士を締結部材で締結する必要があった。また、電気接続部材がセル間に配置されるため、セル間にある程度の大きさのスペースを設ける必要があった。このため、セルパックの大きさ、厚さや重量が増し、充分な小型軽量化、薄型化が実現されていなかった。
【特許文献１】特開２００１−２８３８９２号公報
【発明の開示】
このように、従来の燃料電池では、小型軽量化、薄型化が困難であった。また、触媒の利用効率や集電特性についても、向上させる余地があった。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池の出力特性を向上させる技術を提供することにある。また、本発明の別の目的は、燃料電池を小型軽量化する技術を提供することにある。また、本発明の別の目的は、燃料電池の構成または製造プロセスを簡素化する技術を提供することにある。
本発明によれば、固体電解質膜と、前記固体電解質膜の一方の面に設けられ、第一の触媒層を有する第一の電極と、前記固体電解質膜の他方の面に、前記第一の電極に対向して設けられ、第二の触媒層を有する第二の電極と、を備えて構成される単位セルを複数有する燃料電池であって、一の前記単位セルにおける前記第一の触媒層を片面に有し、隣接する他の前記単位セルにおける前記第二の触媒層を他面に有する基体を備えたことを特徴とする燃料電池が提供される。
また、本発明によれば、固体電解質膜と、前記固体電解質膜の一方の面に設けられ、第一の触媒層を有する複数の第一の電極と、前記固体電解質膜の他方の面に、前記複数の第一の電極に対向して設けられ第二の触媒層を有する第二の電極と、を有し、対向する一つの前記第一の電極および一つの前記第二の電極と前記固体電解質膜とにより単位セルが構成された燃料電池であって、一の前記単位セルにおける前記第一の触媒層を片面に有し、隣接する他の前記単位セルにおける前記第二の触媒層を他面に有する基体を備えたことを特徴とする燃料電池が提供される。
また、本発明によれば、一枚の固体電解質膜と、前記固体電解質膜の一方の面に設けられ、第一の触媒層を有する複数の第一の電極と、前記固体電解質膜の他方の面に、前記複数の第一の電極にそれぞれ対向して設けられ、第二の触媒層を有する複数の第二の電極と、を有し、対向する一つの前記第一の電極および一つの前記第二の電極と前記固体電解質膜とにより単位セルが構成された燃料電池であって、前記固体電解質膜の周縁に沿って配列された複数の前記単位セルが直列に接続されており、一の前記単位セルにおける前記第一の触媒層を片面に有し、隣接する他の前記単位セルにおける前記第二の触媒層を他面に有する基体を備えたことを特徴とする燃料電池が提供される。
本発明によれば、固体電解質膜と、上記固体電解質膜の一方の面に設けられた第一の電極と、上記固体電解質膜の他方の面に、第一の電極に対向して設けられた第二の電極と、を備えて構成される単位セルを複数有し、一の単位セルの第一の電極と、他の単位セルの第二の電極とが、連結部を介して電気的に接続され、第一の電極および第二の電極と連結部とが連続一体に形成されていることを特徴とする燃料電池が提供される。
本発明において、「対向」とは、固体電解質膜を挟んで、第一の電極と第二の電極とが向かい合って設けられることをいう。
本発明において、「連続一体」とは、連続体として一体に成形されていることをいう。また、単一部材からなり、接合部を有しない構造であることが好ましい。
本発明に係る燃料電池においては、異なる単位セルを構成する第一の電極


【手続補正００３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
極シートにより連続一体に形成されていることを特徴とする燃料電池が提供される。
本発明に係る燃料電池において、電極シートは、触媒電極となる領域を二箇所備えている。これらが第一の電極および第二の電極である。第一の電極と第二の電極のうち、一方は、一の単位セルの燃料極となり、他方は他の単位セルの酸化剤極となる。そして、一枚の電極シートは連続一体に成形されているため、第一の電極と第二の電極とが電気的に連通している。
このように、本発明に係る燃料電池においては、異なる単位セルを構成する第一の電極と第二の電極とが一枚の電極シートにより連続一体に形成されているため、セル間の電気的コンタクトにすぐれた直列接続構造が得られる。セル間を接続するための接続部材を用いないため、部材の構成が簡素で作製も容易であり、部材間の抵抗も生じない。このため、電池の出力特性を向上させることができる。なお、本発明において、電極シートの形状に特に制限はなく、たとえば多角形等任意の形状を選択することができる。
本発明の燃料電池において、基体に切込部が設けられており、該切込部に固体電解質膜が挿入されている構成とすることができる。
また、本発明によれば、基体に切込部を設けて第一の電極と第二の電極とを形成し、該切込部に固体電解質膜を挿入し、固体電解質膜を介して第一の電極と第二の電極にそれぞれ対向する対向電極を設ける工程を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法が提供される。
こうすることにより、容易に固体電解質膜の一方の面に第一の電極を設け、他方の面に第二の電極を設けることができる。また、切込の幅、長さ、大きさ等を調節することにより、連続一体に形成される第一の電極と第二の電極との間隔を任意に調節することができる。したがって、単位セルの集積度の調節が可能となり、集積度を増せば燃料電池をより一層小型化することができる。なお、本発明において切込部の形状に特に制限はなく、直線やスリット等任意の形状を選択することができる。
本発明によれば、一枚の固体電解質膜と、固体電解質膜の一方の面に設け


【手続補正００４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
られた複数の第一の電極と、固体電解質膜の他方の面に、複数の第一の電極にそれぞれ対向して設けられた複数の第二の電極と、を有し、対向する一つの第一の電極および一つの第二の電極と固体電解質膜とにより単位セルが構成され、固体電解質膜の周縁に沿って配列された複数の単位セルが直列に接続されており、一の単位セルの第一の電極と、該単位セルに隣接する他の単位セルの第二の電極とが、連結部を介して電気的に接続され、第一の電極および第二の電極と連結部とが連続一体に形成されていることを特徴とする燃料電池が提供される。
また、本発明の燃料電池の製造方法において、基体を固体電解質膜の周縁に沿って挿入する工程を含んでもよい。
従来の燃料電池においては、固体電解質膜が多角形などの角部を有する形状である場合、単位セルの直列接続構造は、固体電解質膜の一辺に沿って形成され、角部を形成する２辺を連続させる直列接続の作製は困難であった。本発明の燃料電池では、異なる単位セルを構成する第一の電極と第二の電極とが一枚の電極シートにより連続一体に形成されているため、種々の固体電解質膜の形状に対応することが可能であり、固体電解質膜の周縁に沿って単位セルが配列された直列接続構造を形成することが可能である。
本発明の燃料電池において、第一の電極および第二の電極と連結部とが、一枚の多孔質金属シートにより連続一体に形成されていてもよい。
多孔質金属シートの抵抗は、従来用いられていたカーボンペーパーよりも一桁以上低いため、多孔質金属シートは、ガス拡散電極と集電電極を兼ねた機能を担うことができる。よって、多孔質金属シートを用いることによりバルクの金属等の集電電極を設ける必要がなく、燃料電池を小型軽量化、薄型化することができる。また、第一の電極または第二の電極に電子の移動経路が好適に確保され、集電特性を向上させることができる。また、多孔質金属シートは多孔質であるため、水やガスの拡散性が高い。このため、第一の電極または第二の電極に水とガスの通過経路が好適に形成される。したがって、多孔質金属シートを用いることにより、単位セルの発電効率を向上させるこ


【手続補正００５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
とができる。また、直列接続されたセル間の導電性にもすぐれた燃料電池を得ることができる。
また、従来の電池を構成するカーボンペーパー等の炭素材料の表面は疎水性であったため、表面の親水化が困難であった。これに対し、本発明に係る燃料電池用電極に用いられる多孔質金属シートの表面は、炭素材料に比べて親水性である。このため、たとえばメタノール等を含む液体燃料を燃料極に供給する場合、燃料極への液体燃料の浸透が従来の電極より促進される。このため、燃料の供給効率を向上させることができる。
本発明の燃料電池において、第一の電極および第二の電極は、多孔質金属シートと、該多孔質金属シートを構成する金属の表面に担持されている触媒と、を含んでもよい。また、本発明の燃料電池において、基体が多孔質金属シートであってもよい。
また、本発明の燃料電池において、多孔質金属シートを構成する金属の表面に触媒が担持されていてもよい。従来の燃料電池においては、炭素粒子を介して触媒と多孔質金属シートを構成する金属とが接続されていたため、電子は触媒から炭素粒子を通って多孔質金属シートを構成する金属へと移動しなければならなかった。このときの、炭素粒子と触媒との間の接触抵抗、および多孔質金属シートと炭素粒子との間の接触抵抗は比較的大きかった。一方、本発明の構成とすれば、触媒は直接多孔質金属シートへと移動することができ、これらの間の接触抵抗も比較的小さいため、電子が効率よく移動できるようになる。そして、これを固体電解質膜に挿入することにより容易に複数の単位セルの直列接続が形成可能である。本発明においては多孔質金属シートの表面に導電性の被覆層が形成されていてもよく、この場合も被覆層を介して触媒が多孔質金属シートを構成する金属の表面に直接担持されているものとする。たとえば、本発明の燃料電池用電極において、多孔質金属シートを構成する金属の表面に、触媒のめっき層が形成されている構成とすることができる。こうすることにより、簡便かつ確実に所望の触媒を多孔質金属シートに担持させることができる。


【手続補正００６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
の領域を容易に設けることができる。こうすれば、酸化剤極に水の排出経路が確保され、フラッディングが抑制される。このため、すぐれた出力を安定的に発揮させることが可能となる。
本発明の燃料電池において、燃料が第一の電極または第二の電極の表面に直接供給されてもよい。たとえば、第一の電極が燃料極を構成し、燃料が第一の電極の表面に直接供給されてもよい。燃料が直接供給される具体的構成としては、たとえば、燃料極の電極シートに接して燃料容器や燃料供給部が設けられていたりする構成をいい、燃料極に、エンドプレート等の集電部材を介さずに燃料が供給されることをいう。なお、電極シートの表面に適宜貫通孔や、ストライプ状の導入路などを設けてもよい。こうすることにより、燃料を電極シート表面からより一層効率よく供給することができる。
また、本発明の燃料電池において、酸化剤が第一の電極または第二の電極の表面に直接供給されてもよい。たとえば、第一の電極が酸化剤極を構成し、酸化剤が第一の電極の表面に直接供給されてもよい。ここで、酸化剤が直接供給されるとは、酸化剤極の表面に、エンドプレート等を介さずに空気や酸素などの酸化剤が直接供給されることをいう。
また、本発明の燃料電池において、隣接する単位セル間の領域に、低イオン伝導性領域が設けられていてもよい。また、低イオン伝導性領域は固体電解質膜に溝部が形成されてなる領域であってもよいし、凹部が形成されてなる領域であってもよい。こうすることにより、固体電解質膜を介した単位セル間の水素イオンの移動を抑制することができるため、電圧低下が効果的に抑制された高出力の燃料電池が実現される。
以上説明したように、本発明によれば、一の単位セルにおける第一の触媒層を片面に有し、隣接する他の単位セルにおける第二の触媒層を他面に有する基体を備えた構成とすることにより、燃料電池の出力特性を向上させることができる。また、本発明によれば、燃料電池を小型軽量化することができる。また、本発明によれば、燃料電池の構成または製造プロセスを簡素化することができる。




【国際調査報告】
2004075331.tif 000014
2004075331.tif 000015
2004075331.tif 000016
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