(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状ケーシングと、該筒状ケーシング内に配置された電解質と、該電解質を挟んで対をなす拡散電極とを有し、一方の前記拡散電極側に燃料通路が画定され、他方の前記拡散電極側に酸化剤通路が画定された燃料電池セルを複数有する燃料電池であって、
前記拡散電極が、これを構成する材料を複数回積層することにより形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記拡散電極が、これを構成する材料を前記筒状ケーシングの軸線方向に複数回積層することにより形成されてい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】
前記筒状ケーシングも、これを構成する材料を前記筒状ケーシングの軸線方向に複数回積層することにより形成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記筒状ケーシングが、前記電解質を構成する材料と同じ材料により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記筒状ケーシングを前記電解質及び前記各拡散電極によって区画することにより前記各通路が画定されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項６】
筒状ケーシングと、該筒状ケーシング内に配置された電解質と、該電解質を挟んで対をなす拡散電極とを有し、一方の前記拡散電極側に燃料通路が画定され、他方の前記拡散電極側に酸化剤通路が画定された燃料電池セルを複数有する燃料電池の製造方法であって、
前記拡散電極を構成する材料を複数回に亘り積層して前記拡散電極を形成する過程と、前記筒状ケーシングを形成する過程と、前記対をなす拡散電極間に電解質を構成する材料を充填する過程とを有することを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項７】
前記拡散電極を形成する過程が、前記拡散電極を構成する材料を複数回に亘り前記筒状ケーシングの軸線方向に積層する過程からなることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項８】
前記筒状ケーシングを形成する過程も、これを構成する材料を前記拡散電極を構成すると共に前記筒状ケーシングの軸線方向に複数回積層することにより形成する過程からなることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項９】
前記筒状ケーシングを形成する過程が、前記拡散電極を形成後、該拡散電極を囲繞する型枠内に、前記電解質を構成する材料と同じ材料を充填し、固化させることにより形成する過程からなることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１０】
前記拡散電極を構成する材料を積層する過程が、塗布及び乾燥または固化または焼結による方法、物理蒸着法、化学蒸着法、めっき、鋳造及び溶射のいずれかの方法により行われることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒状ケーシングと、この筒状ケーシング内に配置された電解質と、電解質を挟んで対をなす拡散電極とを少なくとも１つ以上有し、一方の拡散電極側に燃料通路が画定され、他方の拡散電極側に酸化剤通路が画定された燃料電池及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池としては、拡散電極及び電解質からなる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があり、電解質層に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。
【０００３】
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（ＳＰＦＣ）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。
【０００４】
燃料電池の形状としては、燃料ガス通路及び酸化剤ガス通路を画定するための溝を有する対をなすプレート状の配流板間に、同じく板状の電解質層を挟む形状の平板型のものや、筒状ケーシング内を、隔壁で細い通路に（セル単位に）区画し、または電解質層で燃料ガス通路と酸化剤ガス通路とを区画した筒型のもの等がある。
【０００５】
上記のうち、筒型燃料電池にあっては、例えば特開平１０−１８９０１７号公報や特開平１０−４０９３４号公報に開示されているように、筒状ケーシングを押し出し成形している。ここで、電解質として固体電解質を用いることで、電解質も、筒状ケーシングと同時に押し出し成形により形成される。そして、触媒を含むガス拡散電極を構成する材料を混ぜたスラリーを各ガス通路に流す、またはスラリーを充填した槽に筒状ケーシングを漬けるなどして固体電解質表面に付着させ、乾燥・固化させることによりガス拡散電極を得ている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
近年の燃料電池の用途拡大に伴い筒型燃料電池にあっても極めて小型のものが望まれているが、上記押し出し成形による方法ではこのような小型の筒型燃料電池を製造するのは困難であった。また細い通路内にスラリーを流すなどしてこれらを固体電解質壁に均一に付着させるのは困難であり、場合によっては厚みにむらができて発電効率を低下させることが懸念される。
【０００７】
ところで、燃料電池では燃料ガスはその下流では消費されて流量が少なくなるるため、上流から下流まで通路の断面積が同じであると、流速が減り、効率的な発電が行われなくなる。従って、例えば上流から下流に向けて徐々に通路の断面積を小さくする構造が考えられるが、筒状ケーシングを押し出し成形により形成する場合、ガス通路の断面積を変えることは困難である。
【０００８】
加えて、燃料電池の設置場所等の都合により筒型燃料電池の外観をＬ字状またはＵ字状としたり、ケーシング内でガス通路を折り曲げることができると良いが、筒状ケーシングを押し出し成形により形成する場合、ガス通路の延在方向を途中で変更するような構造とすることは困難である。
【０００９】
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、小型の筒型燃料電池であっても製造が容易であると共に高い発電効率を確保でき、更にガス通路の形状を自由に設定でき、汎用性も高い燃料電池及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するべく、本発明では、筒状ケーシング１と、この筒状ケーシング１内に配置された電解質２と、電解質２を挟んで対をなす拡散電極３とを有し、一方の拡散電極３側に燃料通路４、６が画定され、他方の拡散電極側に酸化剤通路５、７が画定された燃料電池セルを複数有する燃料電池を製造する際、拡散電極３を構成する材料を例えば筒状ケーシング１の軸線方向に複数回積層し、また、前記対をなす拡散電極３間に電解質２を充填するようにした。これにより、微細なパターンを形成することで小型の筒型燃料電池も容易に製造できる。また、各層毎に拡散電極３を形成するため、成膜時の管理が容易になり、全ての層に亘り膜厚を均一にすることが可能となる。また、各通路４〜７の形状（断面積、延在方向）も通路の中間部で自由に変更することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適な実施形態について添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００１２】
図１は、本発明が適用された第１の実施形態に於ける筒型燃料電池セルの構造を模式的に示す斜視図、図２はその断面図、図３は平面図である。この筒型燃料電池セルは、筒状ケーシング１と、この筒状ケーシング１内に、４つのガス通路４〜７を画定するように、端面方向から見て十字をなすように配置された電解質２と、この電解質２を挟んで対をなすガス拡散電極３とを有している。対角位置にあるガス通路４、６には燃料ガス及び酸化剤ガスの一方が供給され、ガス通路５、７には燃料ガス及び酸化剤ガスの他方が供給されるようになっている。また、筒状ケーシング１の一端または両端には、図３にのみ模式的に図示するように、ガス通路４、６側のガス拡散電極３同士を電気的に接続すると共に外部回路に接続するための電極８と、ガス通路５、７側のガス拡散電極３同士を電気的に接続すると共に外部回路に接続するための電極９とが設けられている。
【００１３】
ここで、実際にはガス拡散電極３は、各ガス通路４〜７の周囲全周に亘り方形筒状に形成されている。また、筒状ケーシング１は電解質２と同じ材料により形成されている。この理由は、後記製造手順を説明する中で説明する。
【００１４】
このような燃料電池セルを複数併設して直列または並列に接続し、例えばガス通路４、６にアルコール等を改質したガス、または直接水素ガスを燃料ガスとして供給し、更にガス通路５、７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。
【００１５】
次に、上記燃料電池セルの製造手順について図４（ａ）〜図４（ｌ）及び図５を参照して説明する。
【００１６】
まず、図４（ａ）に示すように、基板１１の周囲を熱硬化性樹脂などからなる外枠１２で囲み、基板１１の表面にフォトレジスト１３を塗布する。そして、ガス拡散電極３の形状（本例では４つの方形）にマスクＭをもってフォトレジスト１３を覆った状態で感光させ（図４（ｂ））、ガス拡散電極３の形状にフォトレジスト１３を除去して、凹部１４を形成する（図４（ｃ））。そして、溶媒によりＡｇ、Ｎｉ、ＳＵＳ等のガス拡散電極３の材料の粉末をゲル状としたものを凹部１４に充填し（図４（ｄ））、熱処理することにより固化させる。そして、残りのフォトレジスト１３を除去する（図４（ｅ））。
【００１７】
次に、ガス通路４〜７となる部分に水溶性ワックス等からなる暫定層１５を充填し（図４（ｆ））、ガス拡散電極３となる部分１６の外周側面にＰｔからなる触媒１７をスパッタリング法などにより成膜する（図４（ｇ））。その後、ガス拡散電極３間及びその外周に再度水溶性ワックス等からなる暫定層１８を充填し（図４（ｈ））、表面を平坦化する。
【００１８】
次に、外枠１２上に次段の外枠１２を重ね、再度フォトレジスト１９を塗布する（図４（ｉ））。そして、図４（ｂ）〜図４（ｈ）の手順と同様な手順で次段のガス拡散電極３となる部分を形成する。その後、この図４（ｂ）〜図４（ｉ）を１サイクルとしてこれを複数サイクル繰り返して、触媒層及びガス拡散電極３となる部分を複数回積層し、最後にガス通路４〜７となる部分に充填された暫定層（犠牲層）１５の水溶性ワックスを除去することにより、図５に示すような４つの筒状ガス拡散電極３を得る。
【００１９】
そして、図６に示すように、ガス通路４〜７となる部分を除く外枠１２の内部に高分子固体電解質材料のゲル２０を充填し、熱処理して脱溶媒処理を行うことにより、電解質２と筒状ケーシング１とを同時に得る。ゲル２０は、例えば高分子固体電解質材料として、例えば米国特許第５５２５４３６号に開示されているようなポリベンズイミダゾール（Ｐｏｌｙｂｅｎｚｉｍｉｄａｚｏｌｅ：ＰＢＩ）を２０％、溶媒としてジメチルアセトアミド（ＤＭＡＣ）を８０％含むもので良い。ここで、熱処理して脱溶媒処理を行うとゲル２０に比較して電解質２及び筒状ケーシング１の体積が約１／５に減るため、予め高い外枠１２及びガス拡散電極３と同じ断面形状の型を用意してその分嵩を高くしておき（図６の想像線）、ゲル２０を充填し、上方から押圧しつつ熱処理すると良い。また、ゲル２０の充填し、熱処理工程を数回繰り返して電解質２及び筒状ケーシング１を得るようにしても良い。その後、基板１１及び外枠１２を取り外し、電極８及び電極９を取り付けて燃料電池セルが完成する。
【００２０】
尚、ゲル２０は実際には厳密な化学的用語としてのゲルに限らず、溶液や注型性を有するもの一般を含むものとする。また、ガス拡散電極３の材料の粉末をゲル状としたものとは、注型性を有する状態としたものとの意味である。
【００２１】
上記ＰＢＩは一般には構造材料として用いられる樹脂材料であり、本例では筒状ケーシング１の材料としても使用している。即ち、外枠１２とガス拡散電極３とを型として電解質２と筒状ケーシング１とを同時に形成することができ、使用する材料の種類が減り、構造が簡単になると共に工数が削減されている。尚、外枠１２はそのまま保護部材として残しておいても良い。また、図４（ｆ）または図４（ｇ）に示す工程の後に、外枠１２とガス拡散電極３となる部分１６との間、即ち筒状ケーシング１を構成する部分に別の材料を充填して筒状ケーシング１も積層することにより形成しても良い。
【００２２】
このようにして形成した燃料電池セルは、積層時のマスクのずれなどにより、図２の一部を拡大した図７に示すように、その各ガス通路４〜７に段Ａを生じるが、この段Ａがあることで、通路内壁面が平坦になっている場合に比較してガスとの接触面積を大きくでき、またガスを通す際に乱流を生じさせ、反応を促進することができる。従って、積層時に積極的に段Ａを形成すれば、一層その反応促進効果は顕著になる。
【００２３】
図８（ａ）は、本発明が適用された第２の実施形態に於ける筒型燃料電池セルの構造を模式的に示す図２と同様な断面図であり、図８（ｂ）は図３と同様な平面図である。この例では、ガス通路２４〜２７が、その上流側から下流側に向けて徐々に狭くなっている。それ以外の構造は第１の実施形態と同様である。
【００２４】
燃料電池では、反応により燃料ガス及び酸化剤ガスが徐々に減少するため、上流から下流にかけてガス通路が一定の断面積であると、ガスの密度（圧力）が低下してガス拡散電極３との接触頻度が減り、所望の電気化学反応が得られなくなることがある。そこで、上記したようにガス通路２４〜２７を、その上流側から下流側に向けて徐々に狭くなる構造とすることで、ガスの分子と、ガス拡散電極３との接触頻度が増え、効率良く反応して発電することが可能となる。
【００２５】
本例の筒型燃料電池セルも第１の実施形態に於ける筒型燃料電池セルと同様に筒状ケーシング１の軸線方向に触媒層及びガス拡散電極３となる部分を複数回積層することにより得られるが、使用するマスクＭを１サイクルまたは複数サイクル毎に変えることにより、ガス通路２４〜２７の断面積がその上流側から下流側に向けて徐々に狭くなるように各層を形成することができる。
【００２６】
図９（ａ）は、本発明が適用された第３の実施形態に於ける筒型燃料電池セルの構造を模式的に示す図２と同様な断面図、図９（ｂ）は図９（ａ）に示す筒型燃料電池セルのＩＸｂ−ＩＸｂ線について見た図、図９（ｃ）は図９（ａ）に示す筒型燃料電池セルのＩＸｃ−ＩＸｃ線について見た図である。この例では、ケーシング３１の一端面が閉じられ、またガス通路３４とガス通路３５とがその閉じられた側の端面部近傍で互いに連通して燃料ガス通路をなし、ガス通路３６とガス通路３７とがその上端近傍で連通して酸化剤ガス通路をなしている。即ち、燃料ガス通路及び酸化剤ガス通路が、その中間部で折り返してＵ字状通路となっている。従って、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給、回収のための構造をケーシング３１の開放側に集中して設けることができる。それ以外の構造は第１の実施形態と同様である。
【００２７】
本例の筒型燃料電池セルも第１の実施形態に於ける筒型燃料電池セルと同様に触媒層及びガス拡散電極３となる部分を複数回積層することにより得られるが、使用するマスクＭをガス通路３４とガス通路３５、ガス通路３６とガス通路３７とがその連通する部分から変えることにより、燃料ガス通路及び酸化剤ガス通路が、その中間部で折り返してＵ字状通路をなすように各層を形成することができる。
【００２８】
尚、上記各例では、溶媒によりガス拡散電極３の材料の粉末をゲル化したものを凹部１４に塗布等により充填し、熱処理することにより固化させたが、ガス拡散電極３の材料を塗布して焼結させたり、物理蒸着法、化学蒸着法、めっき、鋳造及び溶射により積層させても良い。
【００２９】
また、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。
【００３０】
【発明の効果】
上記した説明により明らかなように、本発明による燃料電池によれば、筒状ケーシングと、この筒状ケーシング内に配置された電解質と、電解質を挟んで対をなす拡散電極とを１つ以上有し、一方の拡散電極側に燃料通路が画定され、他方の拡散電極側に酸化剤通路が画定された燃料電池を製造する際、拡散電極を構成する材料を、例えば筒状ケーシングの軸線方向に複数回積層することで、各層毎にパターンを形成するため、微細なパターンを形成すれば、小型の筒型燃料電池も容易に製造できる。また、各層毎に拡散電極を形成するため、成膜時の管理が容易になり、全ての層に亘り膜厚を均一にすることが可能となる。また、各通路の形状（断面積、延在方向）も通路の中間部で自由に変更することができる。また、筒状ケーシングも同様に積層構造とすることで、筒状ケーシングを別途用意する必要がなく、また拡散電極との位置整合性も向上する。また、筒状ケーシングを電解質と同じ材料で例えば同時に形成すれば同様に筒状ケーシングを別途用意する必要がなく、工程が簡便になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用された第１の実施形態に於ける燃料電池セルの構造を示す斜視図。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線について見た断面図。
【図３】図１の燃料電池セルを端面方向から見た平面図。
【図４】（ａ）〜（ｉ）は、本発明が適用された筒型燃料電池セルの製造手順を説明する図２と同様な断面について見た図。
【図５】図４と共に本発明が適用された筒型燃料電池セルの製造手順を説明する斜視図。
【図６】図４、図５と共に本発明が適用された筒型燃料電池セルの製造手順を説明する斜視図。
【図７】図２の要部拡大図。
【図８】（ａ）は本発明が適用された第２の実施形態に於ける燃料電池セルの構造を示す図２と同様な断面図、（ｂ）は図３と同様な平面図。
【図９】（ａ）は本発明が適用された第３の実施形態に於ける燃料電池セルの構造を示す図２と同様な断面図、（ｂ）は図９（ａ）のＩＸｂ−ＩＸｂ線について見た断面図、（ｃ）は図９（ａ）のＩＸｃ−ＩＸｃ線について見た断面図。
【符号の説明】
１  筒状ケーシング
２  電解質
３  ガス拡散電極
４〜７  ガス通路
８、９  電極
１１  基板
１２  外枠
１３  フォトレジスト
１４  凹部
１５  暫定層
１６  ガス拡散電極３となる部分
１７  触媒層
１８  暫定層
１９  フォトレジスト
２０  高分子固体電解質材料ゲル
２４〜２７  ガス通路
３１  ケーシング
３４〜３７  ガス通路
Ａ  段
Ｍ  マスク
【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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【図６】
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【図７】
0004916053.tif 000008
【図８】
0004916053.tif 000009
【図９】
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