(57)【要約】【課題】燃料電池構成部材の位置合わせ精度が向上されているとともに、小型化が可能な燃料電池を提供する。【解決手段】燃料極、電解質膜および空気極からなる膜電極複合体１０１と、燃料極上に積層され、第１の貫通穴１０２ａを有するアノード集電層１０２と、空気極上に積層され、第２の貫通穴１０３ａを有するカソード集電層１０３とを備える単位電池１００；アノード集電層１０２上に積層され、第３の貫通穴１０４ａを有する燃料供給部１０４；および第１〜第３の貫通穴を通貫するように挿入される側面が弾性絶縁層２０２で被覆された挿入部材２００を含む燃料電池である。【選択図】図１
2012059441.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極、電解質膜および空気極からなる膜電極複合体と、前記燃料極上に積層され、厚み方向に貫通する１以上の第１の貫通穴を有するアノード集電層と、前記空気極上に積層され、厚み方向に貫通する１以上の第２の貫通穴を有するカソード集電層とを備える単位電池と、
前記アノード集電層上に積層され、厚み方向に貫通する１以上の第３の貫通穴を有する、前記燃料極に燃料を供給するための燃料供給部と、
前記第１〜第３の貫通穴を通貫するように挿入される、側面が弾性絶縁層で被覆された１以上の挿入部材と、
を含む、燃料電池。
【請求項２】
前記燃料供給部上に積層されるアノード筐体と、前記カソード集電層上に配置されるカソード筐体とをさらに備え、
前記アノード筐体または前記カソード筐体は、厚み方向に貫通する１以上の第４の貫通穴を有し、
前記挿入部材は、少なくとも前記第１〜第４の貫通穴を通貫するように挿入される、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記挿入部材は、側面が弾性絶縁層で被覆されたネジである、請求項１または２に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池、なかでも電解質材料に固体高分子であるイオン交換膜を用いる固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）およびダイレクトアルコール型燃料電池（ＤＡＦＣ）は、常温で高い発電効率が得られ、小型化に適した構造を有することから、携帯用電子機器用途等の新規電源としての実用化が検討されている。
【０００３】
ＰＥＦＣ、ＤＡＦＣ等の燃料電池は、基本的に、燃料極、電解質膜および空気極をこの順で備える膜電極複合体（ＭＥＡ）と、燃料極上に積層されるアノード集電層と、空気極上に積層されるカソード集電層と、アノード集電層上に積層される燃料（還元剤）を供給するためのセパレータ（燃料供給部）とを含んで構成される。
【０００４】
上記のような燃料電池構成部材の積層および接合は、従来、各構成部材間を接着剤を用いて接合したり、あるいは、ボルト・ナットやネジ等の締結部材を用いてなされるのが一般的であった（たとえば非特許文献１）。しかしながら、接着剤を用いる方法は、各構成部材の積層位置を正確に制御しながら接合することが難しく、また、締結部材を用いた場合には、均一に圧力を加えるために構成部材に強度が必要となるため、構成部材を薄くすることが困難であるという理由から、燃料電池の小型化が困難であるという問題があった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】固体高分子型燃料電池の開発と応用，ＮＴＳ社，２０００年発行，ｐ１７１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、燃料電池構成部材の位置合わせ精度が向上されているとともに、小型化が可能な燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、燃料極、電解質膜および空気極からなる膜電極複合体と、燃料極上に積層され、厚み方向に貫通する１以上の第１の貫通穴を有するアノード集電層と、空気極上に積層され、厚み方向に貫通する１以上の第２の貫通穴を有するカソード集電層とを備える単位電池；アノード集電層上に積層され、厚み方向に貫通する１以上の第３の貫通穴を有する、燃料極に燃料を供給するための燃料供給部；および、第１〜第３の貫通穴を通貫するように挿入される、側面が弾性絶縁層で被覆された１以上の挿入部材を含む燃料電池を提供する。挿入部材は、たとえば、側面が弾性絶縁層で被覆されたネジであることができる。
【０００８】
１つの好ましい実施形態において、本発明の燃料電池は、燃料供給部上に積層されるアノード筐体とカソード集電層上に配置されるカソード筐体とをさらに備え、アノード筐体またはカソード筐体は、厚み方向に貫通する１以上の第４の貫通穴を有し、上記挿入部材が少なくとも第１〜第４の貫通穴を通貫するように挿入されている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、燃料電池構成部材積層時の位置合わせを容易にかつ精度良く行なうことができるため、燃料電池構成部材が所望の位置に精度良く配置された燃料電池を提供することができる。また、本発明によれば、燃料電池の小型化を図ることができる。本発明の燃料電池は、各種電子機器、とりわけ、携帯用電子機器への適用を目的とした小型燃料電池、特に携帯用電子機器搭載型の小型燃料電池として好適である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の燃料電池の一例を示す概略断面図である。
【図２】燃料供給部の一例を示す概略斜視図である。
【図３】本発明の燃料電池の別の一例を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
＜第１の実施形態＞
図１は、本実施形態の燃料電池の一例を示す概略断面図であり、図１（ａ）は挿入部材を燃料電池構成部材の貫通穴に挿入する前の図であり、図１（ｂ）は挿入部材を貫通穴に挿入した状態を示す図である。図１に示される本実施形態に係る燃料電池は、燃料極、電解質膜および空気極からなる膜電極複合体（ＭＥＡ）１０１と、膜電極複合体１０１の燃料極上に積層されるアノード集電層１０２と、膜電極複合体１０１の空気極上に積層されるカソード集電層１０３とを備える単位電池１００；アノード集電層１０２上に積層される、燃料極に燃料を供給するための燃料供給部１０４；燃料供給部１０４上に積層されるアノード筐体１０５；ならびに、カソード集電層１０３上に積層されるカソード筐体１０６からなる積層構造を有し、これらの構成部材が、当該積層構造が有する貫通穴に挿入された所定の挿入部材２００によって接合、固定化されたものである。
【００１２】
すなわち、アノード集電層１０２、カソード集電層１０３、燃料供給部１０４、カソード筐体１０６およびアノード筐体１０５はそれぞれ、その厚み方向に貫通する第１の貫通穴１０２ａ、第２の貫通穴１０３ａ、第３の貫通穴１０４ａ、第４の貫通穴１０６ａ、雌ネジ部である第５の貫通穴１０５ａを有しており、これらの第１〜第５の貫通穴および膜電極複合体１０１の側方に存在する空間１０１ａが連通することによって形成された上記積層構造を厚み方向に（カソード筐体１０６外表面からアノード筐体１０５外表面まで）貫通する貫通穴を通貫するように挿入部材２００が挿入され、これにより、各構成部材の積層位置が適切に調整された状態で固定化されている。なお、本実施形態においてアノード筐体１０５が有するネジ孔は、挿入部材２００の先端部分をねじ込んで固定することができればよく、必ずしも貫通穴である必要はない。
【００１３】
膜電極複合体１０１は貫通穴を有しておらず、膜電極複合体１０１の側方（外側）に形成された空間１０１ａに挿入部材が配置されるように構成されている。空間１０１ａは、燃料電池端部であって、アノード集電層１０２とカソード集電層１０３との間に介在されたスペーサ（封止層）１１０を設けることによって形成されている。このスペーサは、たとえば、シリコーン、ＥＰＤＭ、ＰＴＦＥ等からなる弾性シートや、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリイミド（ＰＩ）等からなる機械的強度および耐熱性を有するプラスチックシート表面を、シリコーン、ＥＰＤＭ、ＰＴＦＥ等の弾性材料でコートした複合シートなどであることができる。上記複合シートに用いられる弾性材料は、必ずしも常温・常圧で弾性を示すものである必要はなく、たとえば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、エチレンビニルアミド（ＥＶＡ）等の熱可塑性樹脂を用いることもできる。この場合、膜電極複合体１０１にアノード集電層１０２およびカソード集電層１０３を積層する際になされる加熱によって、複合シートの両面にコートしてある当該熱可塑性樹脂が弾性を示すようになり、膜電極複合体１０１が必要以上に圧縮されることなく、膜電極複合体１０１および複合シートとアノード集電層１０２およびカソード集電層１０３とを接着することができる。
【００１４】
挿入部材２００は、金属製ネジ２０１における雄ネジ部の、雌ネジ部（第５の貫通穴１０５ａ）に挿入される部分を除く側面の全外周を、弾性を有する絶縁層（弾性絶縁層）２０２で被覆したものである。本実施形態において、弾性絶縁層２０２で被覆された部分における雄ネジ部の断面直径は、第１〜第４の貫通穴の断面直径とおよそ同じにしている。第１〜第４の貫通穴の断面直径はすべて同じである。弾性絶縁層２０２で被覆されていない雄ネジ部（挿入部材２００の先端部分）の断面直径は、雌ネジ部（第５の貫通穴１０５ａ）に適合する径である。
【００１５】
上記のような弾性絶縁層２０２で被覆された挿入部材２００を用いると、各構成部材を所定の積層順序で配置して、挿入部材２００をカソード筐体１０６側から貫通穴に挿入する際、構成部材間に位置ズレが生じていた場合であっても、弾性絶縁層２０２が変形可能であるため、位置ズレを修正しながら挿入部材２００を挿入していくことができ、したがって、各構成部材が所定の位置に精度良く配置された燃料電池を得ることができる。また、本実施形態のように、挿入部材２００の径と貫通穴の径を適切に調整することにより、挿入部材２００の弾性絶縁層２０２によって貫通穴が密閉されるため、燃料供給部１０４から第３の貫通穴１０４ａへの燃料漏れを防止することができる。
【００１６】
本実施形態において挿入部材２００はネジから構成されており、各構成部材に面圧を付与する締結部材としての役割も果たしている。
【００１７】
本実施形態に用いる単位電池１００は、図１に示されるように、挿入部材２００を挿入するための貫通穴を備えたアノード集電層１０２およびカソード集電層１０３を用いるものであり、すなわち、本実施形態の燃料電池は、単位電池１００内に挿入部材２００を配置するものである。このような構成は、挿入部材や締結部材を単位電池外の領域（単位電池の外側）に配置する場合と比較して、燃料電池の小型化に有利である。
【００１８】
次に、燃料電池を構成する各部材等について詳細に説明する。
（膜電極複合体）
膜電極複合体１０１は、電解質膜と、これを挟持する燃料極および空気極とからなる。電解質膜は、燃料極から空気極へ電荷キャリアとしてのプロトンまたは水酸化物イオンを伝達する機能と、燃料極と空気極との電気的絶縁性を保ち、短絡を防止する機能を有する。電解質膜の膜厚は特に制限されず、たとえば１〜２００μｍ程度とすることができる。プロトン伝導性を有する電解質膜としては、たとえば陽イオン交換膜を用いることができ、水酸化物イオン伝導性電解質膜としては、たとえば陰イオン交換膜を用いることができる。
【００１９】
陽イオン交換膜としては、高分子膜、無機膜またはコンポジット膜を用いることができる。高分子膜としては、たとえば、パーフルオロスルホン酸系電解質膜である、ナフィオン（登録商標、デュポン社製）、アシプレックス（登録商標、旭化成社製）、フレミオン（登録商標、旭硝子社製）などが挙げられる。また、スチレン系グラフト重合体、トリフルオロスチレン誘導体共重合体、スルホン化ポリアリーレンエーテル、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリベンゾイミダゾール、ホスホン化ポリベンゾイミダゾール、スルホン化ポリフォスファゼンなどの炭化水素系電解質膜なども挙げられる。
【００２０】
無機膜としては、たとえばリン酸ガラス、硫酸水素セシウム、ポリタングストリン酸、ポリリン酸アンモニウムなどからなる膜が挙げられる。コンポジット膜としては、タングステン酸、硫酸水素セシウム、ポリタングストリン酸等の無機物とポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン、パーフルオロスルホン酸等の有機物とのコンポジット膜などが挙げられる。
【００２１】
電解質膜の一方の表面に積層される燃料極および他方の表面に積層される空気極には、少なくとも触媒と電解質とを有する多孔質層からなる触媒層が設けられる。プロトン伝導性電解質膜を用いる場合において、燃料極用の触媒は燃料からプロトンと電子とを生成し、電解質は生成した該プロトンを電解質膜へ伝導する機能を有する。空気極用の触媒は、電解質を伝導してきたプロトンと空気中の酸素とから水を生成する機能を有する。
【００２２】
たとえば、プロトン伝導性電解質膜を用い、燃料として液体燃料であるメタノール（またはメタノール水溶液）を用いる場合を例に挙げると、燃料極では、下記式：
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ2↑＋６Ｈ+＋６ｅ-
で表される酸化反応が起こり、プロトンと電子が生成される。一方、空気極においては、カソード集電層１０３を通って到達した空気中の酸素と、電解質膜を介して燃料極から空気極に伝達されたプロトンとが、下記式：
３／２Ｏ2＋６Ｈ+＋６ｅ-  →  ３Ｈ2Ｏ
で表される還元反応を起こし、水が生成する。かかる電気化学的酸化還元反応により、電力が取り出される。
【００２３】
燃料極および空気極用の触媒としては、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｗ等の従来公知の触媒を用いることができる。
【００２４】
燃料極および空気極用の触媒は、カーボンやチタン等の導電体の表面に担持されていてもよく、なかでも、水酸基やカルボキシル基等の親水性官能基を有するカーボンやチタン等の導電体の表面に担持されていることが好ましい。これにより、燃料極および空気極の保水性を向上させることができる。また、燃料極および空気極の電解質は、電解質膜のＥＷ値よりも小さなＥＷ値を有する材料からなることが好ましく、具体的には、電解質膜と同質材料であるが、ＥＷ値が４００〜８００である電解質材料が好ましい。このような電解質材料を用いることによっても、燃料極および空気極の保水性を向上させることができる。燃料極および空気極の保水性の向上により、プロトン移動に伴う電解質膜の抵抗や燃料極および空気極における電位分布を改善することができる。
【００２５】
燃料極および空気極はそれぞれ、触媒層上に積層されるアノード導電性多孔質層、カソード導電性多孔質層を備えていてもよい。これらの多孔質層は、燃料極、空気極に供給されるガス（燃料または空気）を面内において拡散させる機能を有するとともに、触媒層と電子の授受を行なう機能を有する。アノード導電性多孔質層およびカソード導電性多孔質層としては、比抵抗が小さく、電圧の低下が抑制されることから、カーボン材料；導電性高分子；Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の貴金属；Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ等の遷移金属；これらの金属の窒化物または炭化物等；ならびに、ステンレスに代表されるこれらの金属を含有する合金などからなる多孔質材料を用いることが好ましい。Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ等の、酸性雰囲気下で耐腐食性に乏しい金属を用いる場合には、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄなどの耐腐食性を有する貴金属、導電性高分子、導電性窒化物、導電性炭化物、導電性酸化物等により表面処理（皮膜形成）を行なってもよい。より具体的には、アノード導電性多孔質層およびカソード導電性多孔質層として、たとえば、上記貴金属、遷移金属または合金からなる発泡金属、金属織物および金属焼結体；ならびにカーボンペーパー、カーボンクロス、カーボン粒子を含有するエポキシ樹脂膜などを好適に用いることができる。
【００２６】
（アノード集電層およびカソード集電層）
アノード集電層１０２、カソード集電層１０３はそれぞれ、燃料極、空気極上に積層され、膜電極複合体１０１とともに単位電池１００を構成する。アノード集電層１０２およびカソード集電層１０３はそれぞれ、燃料極、空気極における電子を集電する機能と、電気的配線を行なう機能とを有する。集電層の材質は、比抵抗が小さく、面方向に電流を取り出しても電圧の低下が抑制されることから、金属であることが好ましく、なかでも、電子伝導性を有し、酸性雰囲気下で耐腐食性を有する金属であることがより好ましい。このような金属としては、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の貴金属；Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ等の遷移金属；およびこれらの金属の窒化物または炭化物等；ならびに、ステンレスに代表されるこれらの金属を含有する合金などが挙げられる。Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ等の、酸性雰囲気下で耐腐食性に乏しい金属を用いる場合には、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄなどの耐腐食性を有する貴金属、導電性高分子、導電性窒化物、導電性炭化物、導電性酸化物等により表面処理（皮膜形成）を行なってもよい。
【００２７】
より具体的には、アノード集電層１０２は、燃料を燃料極へ誘導するための厚み方向に貫通する貫通孔を複数備える、上記金属材料などからなるメッシュ形状またはパンチングメタル形状を有する平板であることができる。同様に、カソード集電層１０３は、燃料電池外部の空気を空気極の触媒層に供給するための厚み方向に貫通する貫通孔を複数備える、上記金属材料などからなるメッシュ形状またはパンチングメタル形状を有する平板であることができる。
【００２８】
アノード集電層１０２およびカソード集電層１０３はそれぞれ、挿入部材２００が挿入される１以上の第１の貫通穴１０２ａ、１以上の第２の貫通穴１０３ａを有する。これらの貫通穴は、通常、集電層の端部近傍に配置される。集電層の位置合わせ精度をより向上させるとともに、面圧を均一に付与する観点からは、集電層はそれぞれ、２以上の貫通穴を有することが好ましく、これらの貫通穴を、集電層の１の端部近傍とこれに対向する端部近傍とに均等に振り分けて配置させることがより好ましい。第１の貫通穴１０２ａおよび第２の貫通穴１０３ａは、アノード集電層１０２およびカソード集電層１０３を燃料電池内の所定位置に正確に配置したときに、燃料電池厚み方向に関して同じ位置に配置される（他の構成部材が有する他の貫通穴についても同様である）。
【００２９】
（燃料供給部）
燃料供給部１０４は、燃料極に燃料を供給するための部材であり、たとえば、図２に示されるように、一方の面に凹部が形成された燃料供給板３０１と、該凹部に嵌め込まれた燃料輸送部材３０２とからなることができる。この場合、燃料供給部１０４に設けられる１以上の第３の貫通穴１０４ａは、燃料供給板３０１に形成することができる。燃料供給部１０４の位置合わせ精度をより向上させるとともに、面圧を均一に付与する観点からは、燃料供給部１０４は２以上の貫通穴を有することが好ましく、これらの貫通穴を、燃料供給部１０４の１の端部近傍とこれに対向する端部近傍とに均等に振り分けて配置させることがより好ましい（たとえば、図２のように）。
【００３０】
燃料供給板３０１は、プラスチック材料または金属材料等からなることができる。プラスチック材料としては、たとえば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などを挙げることができる。金属材料としては、たとえば、チタン、アルミニウム等のほか、ステンレス、マグネシウム合金等の合金材料を用いることができる。
【００３１】
燃料輸送部材３０２は、たとえば燃料電池の側方に配置された燃料貯蔵室（図示せず）から燃料電池内に毛細管現象を利用して液体燃料を輸送するための部材であり、用いる液体燃料に対して毛細管作用を示す材料からなる。このような毛細管作用を示す材料としては、アクリル系樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタラート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂、セルロースなどの高分子材料からなる不規則な細孔を有する多孔質体；ステンレス、チタン、タングステン、ニッケル、アルミニウム、スチールなどの金属材料からなる不規則な細孔を有する多孔質体が挙げられる。多孔質体としては、上記金属材料からなる不織布、発泡体、焼結体や、高分子材料等の金属材料以外からなる不織布などを挙げることができる。金属材料からなる不織布としては、ステンレス、チタン、タングステン、ニッケル、アルミニウム、スチールなどの金属材料を繊維状に加工し、不織布とした金属繊維不織布、およびこれを焼結し、必要に応じて圧延してなる金属繊維不織布焼結体を挙げることができる。また、上記高分子材料または金属材料からなり、毛細管として表面に規則的なまたは不規則なスリットパターン（溝パターン）を有する基板を燃料輸送部材として用いることもできる。
【００３２】
燃料供給板３０１が有する凹部および燃料輸送部材３０２の形状は、図２に示されるような形状に限定されるものではなく、燃料電池全体の形状や膜電極複合体の形状等に応じた適宜の形状とすることができる。
【００３３】
燃料輸送部材３０２は、図２に示すように、その一端が燃料供給板３０１から突き出るように配置され、この突き出た端部を燃料貯蔵室内に配置させる。
【００３４】
燃料供給部１０４は、燃料輸送部材３０２を用いることなく、一方の面に１または２以上のライン状またはサーペンタイン状等の溝からなる、燃料貯蔵室に接続される燃料流路が形成された燃料供給板３０１から構成されてもよい。
【００３５】
（アノード筐体およびカソード筐体）
アノード筐体１０５およびカソード筐体１０６は、燃料電池を保護するためのケースであるが、場合に応じて省略することが可能である。アノード筐体１０５およびカソード筐体１０６は、プラスチック材料または金属材料等からなることができる。プラスチック材料としては、たとえば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などを挙げることができる。金属材料としては、たとえば、チタン、アルミニウム等のほか、ステンレス、マグネシウム合金等の合金材料を用いることができる。
【００３６】
カソード筐体１０６は、空気を取り込むための１または複数の開口を有していることが好ましく、また、アノード筐体１０５は、燃料極で発生した排ガス（ＣＯ2等）を燃料電池外部に排出するための１または複数の開口を有していることが好ましい。
【００３７】
本実施形態において、アノード筐体１０５およびカソード筐体１０６はそれぞれ、挿入部材２００が挿入される１以上の第４の貫通穴１０６ａ、１以上の第５の貫通穴１０５ａを有する。これらの貫通穴は、通常、筐体の端部近傍に配置される。筐体の位置合わせ精度をより向上させるとともに、面圧を均一に付与する観点からは、筐体はそれぞれ、２以上の貫通穴を有することが好ましく、これらの貫通穴を、筐体の１の端部近傍とこれに対向する端部近傍とに均等に振り分けて配置させることがより好ましい。
【００３８】
（挿入部材）
挿入部材２００は、その側面を弾性絶縁層２０２で被覆したものである。弾性絶縁層２０２を備えた挿入部材を用いることにより、燃料電池構成部材積層時の位置合わせを容易にかつ精度良く行なうことができるため、燃料電池構成部材が所望の位置に精度良く配置された燃料電池を提供することが可能となる。挿入部材は、本実施形態で使用しているような、ネジ側面の全外周（雌ネジ部に挿入される部分を除く）を、弾性絶縁層２０２で被覆したものであることができるほか、ネジ溝を有しない棒状物（ピン）の側面を弾性絶縁層２０２で被覆したものであってもよい。
【００３９】
上記ネジやピンは、プラスチック材料または金属材料等から構成することができる。金属材料を用いる場合であっても、弾性絶縁層２０２で被覆しているので、アノード集電層１０２とカソード集電層１０３との間の電気的短絡を防止することができる。ピンの断面形状は特に限定されず、たとえば円形である。
【００４０】
弾性絶縁層２０２は、たとえば、シリコーンゴム、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）樹脂、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、ポリオレフィン樹脂のような弾性絶縁材料からなる筒状（チューブ状）成形物をネジやピンに挿入することにより形成されてもよいし、弾性絶縁材料を含む塗工液をネジやピンに塗布することにより形成してもよい。特に、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）樹脂やポリオレフィン樹脂などの熱収縮性を有する弾性絶縁材料からなる筒状（チューブ状）成形物を用いることにより、収縮前にチューブ内にネジやピンを挿入し、ついで加熱することにより、ネジやピンを抜けにくくすることが容易になるため、工程の簡略化による部品コスト削減ができる。具体的には、熱収縮性を有する弾性絶縁材料からなる筒状成形物として、住友電工ファインポリマー社製の「スミチューブ（商標登録）」や、ハギテック社製の「サーモフィット（商標登録）」などを使用することができる。また、アルコールを燃料とするダイレクトアルコール型燃料電池に適用する場合においては、熱収縮性を有する弾性絶縁材料からなる筒状成形物は、その外面に耐水性を有した樹脂層をコートしたものであることが好ましい。
【００４１】
弾性絶縁層２０２で被覆された部分における挿入部材２００の断面直径は、燃料電池構成部材からなる積層構造が有する貫通穴の密閉性を確保する観点から、該貫通穴の断面直径と略同じか、またはそれより大きいことが好ましい。ただし、上記断面直径があまり大きいと、貫通穴への挿入が困難となるため、弾性絶縁層２０２で被覆された部分における挿入部材２００の断面直径は、上記貫通穴の断面直径の１．２倍以下であることが好ましい。
【００４２】
挿入部材２００の長さは、燃料電池の厚みに応じた長さ、すなわち、本実施形態では、第１〜第５の貫通穴の合計厚みとおよそ同じか、またはそれ以上とすることができる。
【００４３】
＜第２の実施形態＞
図３は、本実施形態の燃料電池の一例を示す概略断面図である。図３に示される燃料電池は、弾性絶縁層４０２を有する挿入部材４００がアノード筐体１０５に、アノード筐体１０５の燃料供給部１０４側表面に配置されたピンとして一体に形成され（したがって、アノード筐体１０５は貫通穴を有しない）、かかる挿入部材４００が第１〜第４の貫通穴１０２ａ，１０３ａ，１０４ａ，１０６ａおよび膜電極複合体１０１の側方の空間１０１ａが連通することによって形成された貫通穴を通貫するように挿入されていること以外は、上記第１の実施形態と同様である。このような構成によって、上記第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４４】
挿入部材４００は、アノード筐体１０５ではなく、カソード筐体１０６のカソード集電層１０６側表面に形成しても勿論よい。
【００４５】
＜その他の変形＞
本発明の燃料電池は、燃料供給部１０４の両面に単位電池１００が配置されたものであってもよい。かかる構成においては、燃料供給部１０４は、上下２つの燃料極に対して燃料を供給するために、上下面ともに開放されている必要があることから、燃料供給板として、上下面が開いた空間を有する部材（具体的には、図３の燃料供給板３０１の凹部が、下面にも開放されたスリット状になったもの）や、表裏両面に燃料流路が形成された燃料供給板が用いられる。このような燃料供給部１０４の両面に単位電池１００が配置された燃料電池は、２つの単位電池に対して１つの燃料供給部で足りることから、燃料電池の薄型化を図ることができるとともに、燃料電池の単位体積当たりの出力を向上させることができる。また、本発明の燃料電池は、同一平面上に配置された単位電池１００を２以上含むものであってもよい。
【００４６】
燃料供給部１０４とアノード集電層１０２との間に、燃料極へ供給されるガス状態の燃料の量または濃度を均一化させるための、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）や撥水化処理されたシリコーンなどからなるガス透過性多孔質層を設けてもよい。
【００４７】
また、ガス状態の燃料の量を著しく減少させて、燃料（メタノールなど）のクロスオーバーを抑制する場合においては、高分子膜の分子間のガス透過を利用したガス透過性非多孔膜を設けることが好ましい。ガス透過性非多孔膜には、透析や逆浸透法、浸透気化等の膜分離プロセスに用いられる膜を用いることができる。ガス透過性非多孔膜としては、柔軟性があり亀裂や破れが生じにくい点で、高分子膜、特に有機高分子膜であることが好ましい。特に、官能基付与量による燃料の透過量の調整が容易な点で、ヒドロキシル基、アミノ基、カルボキシル基、スルホン基、リン酸基、エーテル基、ケトン基等の官能基を有した有機高分子膜を用いることが好ましい。より好ましくは、ハイドロキシエチルメタクリレート、ポリビニルリドン、ジメチルアクリルアミド、グリセロールメタクリレート等の高分子材料を組み合わせて共重合させた膜を用いることができる。
【００４８】
本発明の燃料電池は、固体高分子型燃料電池、ダイレクトアルコール型などであることができ、特にダイレクトアルコール型燃料電池（とりわけ、ダイレクトメタノール型燃料電池）として好適である。本発明の燃料電池において使用することのできる燃料としては、たとえば、メタノール、エタノールなどのアルコール類；ジメトキシメタンなどのアセタール類；ギ酸などのカルボン酸類；ギ酸メチルなどのエステル類；ならびにこれらの水溶液などの液体燃料を挙げることができる。液体燃料は１種に限定されず、２種以上の混合物であってもよい。コストの低さや体積あたりのエネルギー密度の高さ、発電効率の高さなどの点から、メタノール水溶液または純メタノールが好ましく用いられる。
【００４９】
本発明の燃料電池は、電子機器、特には、携帯電話、電子手帳、ノート型パソコンに代表される携帯機器などの小型電子機器用の電源として好適に用いることができる。
【実施例】
【００５０】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００５１】
＜実施例１＞
（部材準備）
〔１〕挿入部材の作製
ステンレス製の小ネジ（三喜鋲螺社製、Ｍ１．４、長さ５ｍｍ）と、弾性絶縁層としてのシリコーン製チューブ（アズワン社製、外径１ｍｍ、内径０．５ｍｍ）とを用意し、該チューブの先端に小ネジを押し当てながらドライバを用いて小ネジを回転させることにより、チューブ内にねじ込ませ、弾性絶縁層で被覆された挿入部材を作製した。この挿入部材を１００本作製し、光学顕微鏡を用いて測定した、弾性絶縁層被覆部分の平均直径は１．７３ｍｍであった。
【００５２】
〔２〕アノード集電層およびカソード集電層
厚さ０．１ｍｍのステンレス板（日新製鋼社製）に、直径０．６ｍｍ、ピッチ０．７ｍｍの複数の開孔を千鳥パターンでエッチング加工したものを２枚作製し、アノード集電層およびカソード集電層とした。アノード集電層とカソード集電層の四隅には、前記開孔とは別に、エッチングによりφ１．６ｍｍの第１の貫通穴と第２の貫通穴をそれぞれ設けた。
【００５３】
〔３〕燃料供給部
厚さ０．６ｍｍのステンレス板（日新製鋼社製）に、深さ０．４ｍｍ、幅１．５ｍｍの流路と、四隅にφ１．６ｍｍの第３の貫通穴を設けたものを燃料供給部とした。
【００５４】
〔４〕カソード筐体およびアノード筐体
厚さ０．５ｍｍのアルミ板に、空気取り込み口としての複数のスリット（幅１ｍｍ）を機械加工で設けるとともに、四隅にφ１．６ｍｍの第４の貫通穴を設けたものをカソード筐体とした。また、厚さ１．５ｍｍのアルミ板の四隅にＭ１．４のタップを用いて雌ネジ加工を施すことにより第５の貫通穴を設けたものをアノード筐体とした。カソード筐体およびアノード筐体には、その膜電極複合体側表面に黒アルマイト処理を施し、該表面を絶縁コートした。
【００５５】
（燃料電池の作製）
アノード筐体の第５の貫通穴に、Ｍ１．４、長さ６ｍｍのステンレス製の小ネジを根元までねじ込み、組立用の仮ピンとした。この仮ピンに、燃料供給部の第３の貫通穴、アノード集電層の第１の貫通穴をこの順で落とし込んだ後に、アノード集電層の中央に膜電極複合体を配置した。さらに、膜電極複合体の外周に、枠状の熱圧着シート（日東シンコー社製、ＦＢ−ＭＬ４）／枠状の厚さ３００ｕｍのポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）シート／枠状の熱圧着シート（同上）を順に積層してスペーサ（封止層）とし、最後に仮ピンにカソード集電層の第２の貫通穴、カソード筐体の第４の貫通穴をこの順で落とし込んだ。
【００５６】
なお、事前に、アノード集電層およびカソード集電層における膜電極複合体と接する面には、カーボンブラックとエポキシ樹脂（アセック社製、エースタイト）とアセトンとを所定の比率で混合した分散溶液をスプレーすることにより、導電性接着層を形成した。また、事前に、燃料供給部の表面には、ホットメルト剤（東亞合成社製、ＰＰＥＴ−１６００）をトルエンで希釈した溶液に燃料供給部を浸漬し引き上げることで、ホットメルト剤のコーティングを施した。
【００５７】
次に、仮ピンとして使用した小ネジを取り除き、カソード筐体側から挿入部材をゆっくりと各構成部材の貫通穴に挿入し、アノード筐体の第５の貫通穴である雌ネジ部にねじ込むことにより、各層が精度よく位置合わせされた状態で固定された。挿入部材をすべて挿入した後に、小ネジ頭を逃がすための凹部を設けたステンレス板をカソード筐体にあてがって、１３０℃、５分間、５ｋＮでホットプレスを行なうことで各層の接合をした。最後に、挿入部材の増し締めを行なうことで燃料電池を得た。
【００５８】
（燃料電池の評価）
作製直後の本実施例の燃料電池に、燃料供給を行なうことなく、アノード集電層とカソード集電層にインピーダンスアナライザを接続し、直流印加電圧０Ｖ、交流印加電圧±２０ｍＶ、周波数１０ｋＨｚにてインピーダンス測定を行ない、実部抵抗（オーミック抵抗）を測定した。その結果、実部抵抗は０．５６ＭΩであり、アノード集電層とカソード集電層との間に電気的ショートは認められなかった。
【００５９】
次に、燃料供給部の流路に生じる毛管現象を利用して、２０ｍｏｌ／Ｌのメタノール水溶液を供給した。このときの開放電圧は０．５６Ｖであり、挿入部材を挿入した第１から第５の貫通穴からは特にメタノール水溶液の漏洩は観察されなかった。
【００６０】
＜実施例２＞
次の手順で作製した挿入部材を用いたこと以外は実施例１と同様にして燃料電池を作製した。弾性絶縁層としての「スミチューブ」（住友電工ファインポリマー社製「Ｆ４（Ｚ）」、内径２．３ｍｍ、肉圧０．１ｍｍ）に、ステンレス製の小ネジ（三喜鋲螺社製、Ｍ１．４、長さ４ｍｍ）を挿入した後、１１０℃の恒温槽で５分間加熱することによりチューブを収縮させ、挿入部材を得た。この挿入部材を１００本作製し、光学顕微鏡を用いて測定した、弾性絶縁層被覆部分の平均直径は１．７５ｍｍであった。
【００６１】
実施例１と同様に燃料電池の評価を行なったところ、実部抵抗（オーミック抵抗）は０．５６ＭΩであり、アノード集電層とカソード集電層との間に電気的ショートは認められなかった。また、メタノール水溶液供給後の開放電圧は０．５７Ｖであり、メタノール水溶液の漏洩は観察されなかった。
【符号の説明】
【００６２】
１００  単位電池、１０１  膜電極複合体、１０１ａ  空間、１０２  アノード集電層、１０２ａ  第１の貫通穴、１０３  カソード集電層、１０３ａ  第２の貫通穴、１０４  燃料供給部、１０４ａ  第３の貫通穴、１０５  アノード筐体、１０５ａ  第５の貫通穴、１０６  カソード筐体、１０６ａ  第４の貫通穴、１１０  スペーサ、２００，４００  挿入部材、２０１  金属製ネジ、２０２，４０２  弾性を有する絶縁層、３０１  燃料供給板、３０２  燃料輸送部材。
【図１】
2012059441.tif 000003
【図２】
2012059441.tif 000004
【図３】
2012059441.tif 000005