(57)【要約】【課題】発電時の反応熱によりセル構造体やカバーが熱膨張変形した場合であってもカバーのかしめ部等に緩みを生じない燃料電池を提供する。【解決手段】カソード触媒層電極とアノード触媒層電極との間にプロトン伝導膜を配置してなる膜電極接合体を有するセル構造体10と、セル構造体のカソード側に空気を供給するための通気孔が開口する主面を有し、かつセル構造体にかしめ加工により一体的に取り付けられるかしめ部を有するセルケースカバー2と、セルケースカバーの主面の周縁部に形成され、前記主面において周囲の面レベルと面一でない変曲部29とを有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード触媒層電極とアノード触媒層電極との間にプロトン伝導膜を配置してなる膜電極接合体を有するセル構造体と、
前記セル構造体のカソード側に空気を供給するための通気孔が開口する主面を有し、かつ前記セル構造体にかしめ加工により一体的に取り付けられるかしめ部を有するセルケースカバーと、
前記セルケースカバーの主面の周縁部に形成され、前記主面において周囲の面レベルと面一でない変曲部と、
を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記変曲部から前記かしめ部までの間に設けられ、前記セルケースカバーと前記セル構造体との間をシールするシール部材をさらに有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記変曲部は、前記セルケースカバーの主面において周囲の面よりも凹み、かつ前記セルケースカバーの主面の中央部を取り囲むように溝状に連続していることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、携帯機器の動作に有効な燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、パーソナルコンピュータ、携帯電話等の各種電子機器は、半導体技術の発達と共に小型化され、燃料電池をこれらの小型機器用の電源に用いることが試みられている。燃料電池は、燃料と酸化剤を供給するだけで発電することができ、燃料のみを補充・交換すれば連続して発電できるという利点を有している。このため、小型化が出来れば携帯電子機器の作動に極めて有利なシステムといえる。特に直接メタノール燃料電池（DMFC；Direct Methanol Fuel Cell）は、エネルギー密度の高いメタノールを燃料に用い、メタノールから電極触媒上で直接電流を取り出せるため、小型化が可能であり、また燃料の取り扱いも水素ガス燃料に比べて容易なことから小型機器用電源として有望であることから、ノートパソコン、携帯電話、携帯オーディオ、携帯ゲーム機などのコードレス携帯機器に最適な電源としてその実用化が期待されている。
【０００３】
例えば特許文献１および特許文献２は、プロトン導電性の固体電解質膜と、アノード触媒層電極およびアノードガス拡散層を有し、燃料と水から電荷とプロトンを生成するアノードと、カソード触媒層電極およびカソードガス拡散層を有し、プロトンと酸素から水を生成するカソードとで形成される膜電極接合体（MEA；Membrane Electrode Assembly）を単位セルとして有し、単位セル周辺に液体燃料タンクを備え、単数または複数の単位セルをセルケースカバーで覆った直接メタノール燃料電池を開示している。
【０００４】
従来の燃料電池は、図５の（ａ）に示すようにセルケースカバー１０２をセル構造体１１０に被せ、図５の（ｂ）に示すようにセルケースカバー１０２とセル構造体１１０をかしめ加工により一体化してセルアッセンブリ１２０としてなるものである。さらに、セルアッセンブリ１２０を必要により外装用の筐体カバー（図示せず）で覆い、配線すると、携帯型の電子機器となる。
【０００５】
ところで、ＤＭＦＣのカソード側では触媒の存在下で燃料のメタノールと酸素とを反応させるが、この反応は水と二酸化炭素を生成する燃焼反応（発熱反応）であるため、その反応熱によりセル構造体１１０の中央部分が熱膨張し、セルケースカバーの中央部１０２ｃが押し上げられて燃料電池の外観が凸状に湾曲変形する場合がある。高温環境下ではこのような熱膨張変形がさらに生じ、図５の（ｃ）に示すように、セルケースカバー１０２とセル構造体１１０とのかしめ部１０２ｂや側面部１０２ｄあるいは主面と側面とのコーナー部分に緩みを生じるおそれがあり、電子機器に故障を生じるばかりでなく、安全衛生上の観点からも好ましくない。特に、携帯機器に装備される場合、高温環境下でのリークテストなど負荷試験が実施され、その性能を維持，保証されなければならない。
【特許文献１】特開２００４−０１４１４８号公報
【特許文献２】国際公開ＷＯ２００５／１１２１７２Ａ１公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、発電時の反応熱によりセル構造体やカバーが熱膨張変形した場合であってもカバーのかしめ部等に緩みを生じない燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る燃料電池は、カソード触媒層電極とアノード触媒層電極との間にプロトン伝導膜を配置してなる膜電極接合体を有するセル構造体と、前記セル構造体のカソード側に空気を供給するための通気孔が開口する主面を有し、かつ前記セル構造体にかしめ加工により一体的に取り付けられるかしめ部を有するセルケースカバーと、前記セルケースカバーの主面の周縁部に形成され、前記主面において周囲の面レベルと面一でない変曲部と、を有することを特徴とする。
【０００８】
セルケースカバー主面（特に中央部）が熱膨張変形した場合に、その変形を上記の変曲部で吸収緩和してしまうので、熱膨張変形がカバー側面部やかしめ部まで伝わらなくなる。このため、かしめ部等に緩みを生じなくなり、液体燃料が外部へ漏れ出さなくなる。
【０００９】
さらに、変曲部から前記かしめ部までの間に設けられ、前記セルケースカバーと前記セル構造体との間をシールするシール部材を有することが好ましい。これにより液体燃料がさらに漏れ出さなくなる。シール部材には、硬質から軟質までの各種のゴム系材料、樹脂系材料または金属材料を用いることができるが、特にゴム系材料が好ましい。
【００１０】
さらに、上記の変曲部は、セルケースカバーの主面において周囲の面よりも凹み、かつセルケースカバーの主面の中央部を取り囲むように溝状に連続していることが望ましい。変曲部を溝状の凹みにすると、Ｏリング等のシール部材との構造上の組み合わせが良くなるからである。なお、溝状の凹部に隣接して凸部を内側（主面中央寄り）にさらに形成し、凹部と凸部の組合せによりカバー主面の熱膨張変形を吸収・緩和するようにしてもよい。
【００１１】
セルケースカバーの材料として、例えば耐食性に優れたコーティングを施せばステンレス鋼やニッケル金属などの耐食性に優れた金属材料を用いることが望ましいが、例えばポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ：ヴィクトレックス ピーエルシー社の商標）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの液体燃料で膨潤等を生じにくい硬質の樹脂を用いることもできる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、カバーの熱膨張変形を変曲部が吸収してかしめ部に緩みを生じず、良好な電池性能が安定して得られるようになり、これによりノートパソコン、携帯電話、携帯オーディオ、携帯ゲーム機などのコードレス携帯機器などの電源としての信頼性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、添付の図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００１４】
（第１の実施の形態）  
先ず、燃料電池の全体の概要について図１〜図４を参照して説明する。燃料電池１は、携帯型電子機器の内蔵電源として用いられ、セル構造体１０およびセルケースカバー２，３を備えている。セルケースカバー２，３はセル構造体１０の全体を覆う内装ケースに相当する。一方のセルケースカバー２は、主面に複数の通気孔２４および溝状の変曲部２９を有し、燃料電池のカソード側を覆っている。他方のセルケースカバー３は、開口をもたない盲板からなり、燃料電池のアノード側を覆っている。図１に示すようにセルケースカバー２をセル構造体１０に被せ、カバーのかしめ部２ａをかしめて、その端部２ｂを図３に示すように折り曲げ、セルケースカバー２をセル構造体１０と一体化することにより、図２の（ａ）（ｂ）に示すセルアッセンブリ２０となる。このセルアッセンブリ２０に配線や電子機器を接続し一体化させたものが携帯型の電子機器となる。
【００１５】
セル構造体１０は内部に平面配置接続された複数の単位セルを有している。単位セルは、図３に示すように、プロトン伝導性の固体電解質膜１１、アノード触媒層電極１２およびカソード触媒層電極１３が一体化された膜電極接合体を備え、さらにアノードガス拡散層１４、カソードガス拡散層１５、正極リード（カソード集電体）１６ａおよび負極リード（アノード集電体）１６ｂを具備している。
【００１６】
燃料電池１の内部にはシール部材１７，１８及びスペーサ２５によって種々のスペースや間隙が形成されている。それらのスペースや間隙のうち、例えばカソード側のスペースは空気透過層２６として用いられ、アノード側のスペースは液体燃料収容室２７および気化室（図示せず）として用いられる。空気透過層２６は複数のスペーサ２５によって一定の間隔に規定され、その周囲はシール部材１８によってシールされている。空気透過層２６にはフィルタ部材が設けられ、外気の空気の通過を阻害せず、外部からの微笑の埃や異物の混入、さらには接触などを防止するようになっている。フィルタ部材には好ましくは気孔率が例えば２０〜６０％の多孔性フィルムが用いられる。液体燃料収容室２７には液受入口２１に連通する燃料供給流路１９が適所に開口している。液受入口２１には例えばバイオネット式のカプラー２３が取り付けられ、このカプラー２３に図示しない燃料カートリッジのノズルが差し込まれ、液体燃料が液体燃料収容室２７に補給されるようになっている。
【００１７】
なお、アノード側には図示しない排気流路が設けられ、該排気流路を通って副生物であるＣＯ2ガスが反応系外に排出されるようになっている。また、負極リード１６ｂは多くの開口と間隙を有し、燃料成分ガスや副生ガス（ＣＯ2）の拡散を阻害しない形状とすることが望ましい。
【００１８】
なお、液体燃料には、メタノール水溶液、純メタノール、エタノール水溶液、純エタノール、プロパノール水溶液、ギ酸水溶液、ギ酸ナトリウム水溶液、酢酸水溶液、水素化ホウ素ナトリウム水溶液、水素化ホウ素カリウム水溶液、水素化リチウム水溶液、エチレングリコール水溶液、ジメチルエーテルなどの水素を含む有機系の水溶液が用いられる。中でもメタノール水溶液は、炭素数が１で反応の際に発生するのが炭酸ガスであると共に、低温での発電反応が可能であり、産業廃棄物から比較的容易に製造することができるので好ましい。また、燃料は濃度１００％から数％までの範囲で種々の濃度のものを用いることができる。
【００１９】
カソード側のセルケースカバー２の主面には複数の通気孔２４が所定ピッチ間隔ごとに開口し、空気透過層２６にそれぞれ連通している。これらの通気孔２４は、外気が通過する開口を形成するが、外気の通過を阻害せずに、外部からカソードガス拡散層１５への微小あるいは針状の異物の浸入・接触を防止しうるような形状が工夫されている。
【００２０】
熱膨張変形吸収機能をもつ変曲部２９がセルケースカバー２の主面に形成されている。変曲部２９は、通気孔２４が存在するカバー中央部を取り囲むようにセルケースカバー２の主面の周縁部に設けられ、周囲の面レベルよりも凹み（面一ではない）、溝状に連続している。本実施の形態では変曲部２９を溝状の凹みとしているが、本発明はこれのみに限定されるものではなく、凸状としてもよいし、また、溝状の凹部に隣接して凸部を内側（主面中央寄り）にさらに形成するようにしてもよい。このように凹部と凸部を組合せた変曲部を設けることにより、カバー主面中央部の熱膨張変形をさらに効果的に吸収・緩和することができる。なお、本実施の形態では、変曲部２４の凹みの深さを約０．５〜１．５ｍｍとした。このような変曲部２９は、例えば熱プレス成形法や射出成形法を用いて形成される。
【００２１】
セルケースカバー２において、変曲部２９からかしめ部２ａまでの間、すなわち変曲部２９の直ぐ外側にシール保持部２ｈが設けられている。シール保持部２ｈには図４の（ａ）（ｂ）に示すようにシール部材としてのＯリング２８が嵌め込まれ、液体燃料が外部に漏れ出さないようにセルケースカバー２とセル構造体１０との間が液密にシールされている。Ｏリング２８には、硬質から軟質までの各種のゴム系材料、樹脂系材料または金属材料を用いることができるが、このうちゴム系材料としてはエチレンプロピレンゴムが適している。
【００２２】
セルケースカバー２，３及びスペーサ２５は、例えば耐食性に優れたコーティングを施せばステンレス鋼やニッケル金属などの耐食性に優れた金属材料で構成されることが望ましいが、例えばポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ：ヴィクトレックス ピーエルシー社の商標）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、などの液体燃料で膨潤等を生じいくい硬質のプラスチックで製造することもできる。セルケースカバー２，３及びスペーサ２５を金属材料とする場合は、同一電池容器内に配置されているそれぞれの負極同士が短絡しないように図示しない絶縁部材を負極相互間に挿入する必要がある。
【００２３】
燃料電池の単位セルは、電解質膜１１、アノードおよびカソードを備えている。アノードとカソードは電解質膜１１を間に挟んで対向配置されている。アノードはアノード触媒層電極１２およびアノードガス拡散層１４を有する。アノード触媒層電極１２は、ガス拡散層１４を介して供給される燃料を酸化して燃料から電子とプロトンとを取り出すものであり、アノード触媒層電極１２とガス拡散層１４とが積み重ねられた積層構造をなしている。アノード触媒層電極１２は、例えば、触媒を含む炭素粉末により構成されている。触媒には、例えば、白金（Ｐｔ）の微粒子、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）あるいはモリブデン（Ｍｏ）などの遷移金属あるいはその酸化物あるいはそれらの合金などの微粒子が用いられる。但し、触媒をルテニウムと白金との合金により構成するようにすれば、一酸化炭素（ＣＯ）の吸着による触媒の不活性化を防止することができるので好ましい。
【００２４】
また、アノード触媒層電極１２は、固体電解質膜１１に用いられる樹脂の微粒子を含むほうがより望ましい。発生させたプロトンの移動を容易とするためである。アノードガス拡散層１４は、例えば多孔質の炭素材料よりなる薄膜で構成され、具体的にはカーボンペーパーまたは炭素繊維などで構成されている。なお、アノードガス拡散層１４の端部に導通する負極リード１６ｂが外方に延び出している。
【００２５】
カソードはカソード触媒層電極１３およびカソードガス拡散層１５を有する。カソード触媒層電極１３は、酸素を還元して、電子とアノード触媒層電極１２において発生したプロトンとを反応させて水を生成するものであり、例えば上述のアノード触媒層電極１２及びガス拡散層１４と同様に構成されている。すなわち、カソードは、固体電解質膜１１の側から順に触媒を含む炭素粉末よりなるカソード触媒層電極１３と多孔質の炭素材料よりなるカソードガス拡散層１５（ガス透過層）とが積み重ねられた積層構造をなしている。カソード触媒層電極１３に用いられる触媒はアノード触媒層電極１２のそれと同様であり、アノード触媒層電極１２が固体電解質膜１１に用いられる樹脂の微粒子を含む場合があることもアノード触媒層電極１２と同様である。なお、カソードガス拡散層１５の端部に導通する正極リード１６ａが外方に延び出している。
【００２６】
電解質膜１１は、アノード触媒層電極１２において発生したプロトンをカソード触媒層電極１２に輸送するためのものであり、電子伝導性を持たず、プロトンを輸送することが可能な材料により構成されている。例えば、ポリパーフルオロスルホン酸系の樹脂膜、具体的には、デュポン社製のナフィオン膜、旭硝子社製のフレミオン膜、あるいは旭化成工業社製のアシプレックス膜などにより構成されている。なお、ポリパーフルオロスルホン酸系の樹脂膜以外にも、トリフルオロスチレン誘導体の共重合膜、リン酸を含浸させたポリベンズイミダゾール膜、芳香族ポリエーテルケトンスルホン酸膜、あるいは脂肪族炭化水素系樹脂獏などプロトンを輸送可能な電解質膜１１を構成するようにしてもよい。
【００２７】
液体燃料収容室２７の内部には、気液分離膜（図示せず）の液体燃料収容室２７側に積層された液体燃料含浸層（図示せず）を有している。液体燃料含浸層として、例えば多孔質ポリエステル繊維、多孔質オレフィン系樹脂等多硬質繊維や、連続気泡多孔質体樹脂が好ましい。ポリエステル繊維以外にも、アクリル酸系の樹脂などの各種吸水性ポリマーにより構成してもよく、スポンジまたは繊維の集合体など液体の浸透性を利用して液体を保持することができる材料により構成する。液体燃料含浸層は、本体の姿勢に関わらず適量の燃料を供給するのに有効である。
【００２８】
本実施の形態では、セルケースカバー主面中央部が熱膨張変形した場合に、その変形を変曲部で吸収・緩和してしまうので、かしめ部やカバー側面部まで熱膨張変形の影響が及ばなくなる。このため、発電時にかしめ部等に緩みを生じなくなり、液体燃料が外部へ漏れ出さなくなる。さらに、セルケースカバーとセル構造体との間をシールするシール部材を設けているので、液体燃料が外部に漏れ出さなくなり、安定した発電動作が行われ、携帯型電子機器の内蔵電源としての信頼性が向上する。
【００２９】
以上、種々の実施の形態を挙げて説明したが、本発明は上記各実施の形態のみに限定されるものではなく、種々変形および組み合わせることが可能である。
【００３０】
［実施例］  
（実施例１）  
セルケースカバーに凹部を有したセルを組み立て後、回路と合わせて筐体に組み込みこんだものを作製した。このセルにメタノール１００％の液体燃料を注入後、６５℃の環境下で三日間放置を行い、高温下のメタノールの蒸気圧でセルの変形の加速試験を行った。その後、温度２５℃、相対湿度５０％（50%RH）で再度燃料を注入し、４時間後の重量測定及び出力特性を測定した。そのサイクルを合計４回実施した。
【００３１】
その４時間前後の重量の変化量（g）と、出力特性を測定した。なお、出力特性はセル組み立て直後の出力を100（基準値）としたときの相対値として算出した。
【００３２】
（比較例）  
比較例として、従来のセルケースカバー品のセルを組み立て、同様の測定を実施した。
【００３３】
実施例１および比較例の重量変化と出力特性の測定結果を表１にそれぞれ示す。
【表１】
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【００３４】
以上の結果より明らかな通り、比較例の方の重量変化が大きいのがわかる。また出力もかしめの強度向上に繰り返し行っても比較例より安定している。比較例も目で見える問題となる液体燃料のリークは確認できていないが、スローリークによる重量減および出力低下を起こしていると思われる。
【００３５】
このように、本発明により信頼性の高いシール構造を提案することができた。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の燃料電池のセル構造体およびセルケースカバーを示す分解斜視図。
【図２】（ａ）は本発明の燃料電池をカソード側から見て示す外観斜視図、（ｂ）は本発明の燃料電池をアノード側から見て示す外観斜視図。
【図３】燃料電池の内部透視断面図。
【図４】（ａ）は本発明の燃料電池のセル構造体およびセルケースカバーを示す分解断面図、（ｂ）は本発明の燃料電池（非発電時）を示す断面図、（ｃ）は本発明の燃料電池（発電時）を示す断面図。
【図５】（ａ）は従来の燃料電池のセル構造体およびセルケースカバーを示す分解断面図、（ｂ）は従来の燃料電池（非発電時）を示す断面図、（ｃ）は従来の燃料電池（発電時）を示す断面図。
【符号の説明】
【００３７】
１…燃料電池、
２，３…セルケースカバー、
２ａ…かしめ部、
２ｂ…かしめ加工された折り曲げ端部、
２ｃ…カバー中央部、
２ｄ…カバー側面部、
２ｈ…シール保持部、
１０…セル構造体、
１１…固体電解質膜、
１２…アノード触媒層電極、
１３…カソード触媒層電極、
１４…アノードガス拡散層、１５…カソードガス拡散層、
１６ａ…正極リード、１６ｂ…負極リード、
１７，１８…シール部材、
２０…セルアッセンブリ（単位セル）、
２１…燃料補給口、
２４…通気孔、
２５…スペーサ、
２６…空気透過層、
２７…液体燃料収容室、
２８…Ｏリング（シール部材）、
２９…凹部（変曲部）。
【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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