JP2003187810A

JP2003187810A - 発電体構造及びその製造方法

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Publication number: JP2003187810A
Application number: JP2001379985A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Takai; 雄一高井
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2001-12-13
Filing date: 2001-12-13
Publication date: 2003-07-04

Abstract

(57)【要約】【課題】良好な発電効率を備え、安定した発電が可能
な燃料電池用の発電体及びこれを用いた燃料電池を提供
する。【解決手段】プロトン伝導体膜と、面状電極と、流体
拡散層と、導電体層とが積層されてなる発電体構造であ
って、上記導電体層が、上記流体拡散層の主面上に固着
形成されてなることを特徴とする。以上のような本発明
に係る発電体構造では、導電体層が流体拡散層の主面上
に固着形成されている。これにより、この発電体では、
発電体を加圧することなく面状電極と導電体層との電気
的な接続が確実に確保される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プロトン伝導体膜
を用いた発電体構造及びその製造方法、発電体及びその
製造方法、並びに燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、新たな発電システムとして、水素
を燃料として水素と酸素の電気化学反応によって電気を
発生させる燃料電池システムが注目されている。燃料電
池は、水素と酸素とが反応して水が生成される際に発生
するエネルギーを電気エネルギーとして取り出す装置で
ある。燃料電池は、電気エネルギーを取り出す際に有害
な副次生成物が発生しないことから、地球環境に優しい
クリーンな発電装置であり、今後ますます用途が広がる
ものとして期待されている。

【０００３】燃料電池は、燃料を供給することで発電体
に電力を発生させる装置であり、そのような燃料電池の
一例として、プロトン伝導体膜を電極で挟んだ構造を有
し、所望の起電力を得る燃料電池がある。このような燃
料電池は、自動車などの車両に搭載して電気自動車やハ
イブリット式車両としての応用が大きく期待されている
他、その軽量化や小型化が容易となる構造から、現状の
乾電池や充電式電池の如き用途に限らず、例えば携帯可
能な機器への応用が研究や開発の段階にある。

【０００４】ここで、プロトン伝導体膜を用いた燃料電
池について、簡単に図１６を参照しながら説明する。プ
ロトン伝導体膜１０１は水素側電極１０２と酸素側電極
１０３に挟持され、解離したプロトン（Ｈ^＋）は図面矢
印方向に沿って水素側電極１０２から酸素側電極１０３
に向かってプロトン伝導体膜１０１の膜中を移動する。
水素側電極１０２とプロトン伝導体膜１０１の間には、
触媒層１０２ａが形成され、酸素側電極１０３とプロト
ン伝導体膜１０１の間には、触媒層１０３ａが形成され
る。使用時には、水素側電極１０２では導入口１０４か
ら例えば水素（Ｈ_２）が燃料として供給され、排出口１
０５から水素が排出される。そして、燃料である水素
（Ｈ_２）が流路１０６を通過する間にプロトンを発生
し、このプロトンは酸素側電極１０３に移動する。この
移動するプロトンが、導入口１０７から流路１０８に供
給されて排気口１０９に向かう酸素（空気）と反応する
ことにより所望の起電力が取り出される。

【０００５】このような構成の燃料電池では、水素を燃
料とする場合、負極である水素側電極では触媒と高分子
電解質の接触界面において、Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻の如
き反応が生ずる。酸素を酸化剤とした場合、正極である
酸素側電極では同様に１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＝Ｈ
_２Ｏの如き反応が起こり、水が生成される。プロトン伝
導体膜１０１でプロトンが解離しつつ、触媒層１０２ａ
から供給されるプロトンが酸素側電極１０３に移動する
ので、プロトンの伝導率が高くなるという特徴がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、燃料電池、
特にスタック型の燃料電池では、図１７に示すように集
電体１１２として緻密性カーボンまたは金属などからな
り平坦な面に溝状の流路を形成したプレートまたはブロ
ック状のものを用いている。これらは、通常、セパレー
タと呼ばれている。そして、プロトン伝導体膜を触媒電
極で挟み込み、さらにこれを流体拡散層で挟み込むこと
により構成されたものは、ＭＥＡ（membrane electrode
assembly）１１１と呼ばれている。また、プロトン伝
導体膜を、流体拡散層に触媒電極層を形成したもので挟
み込むことによりＭＥＡを形成する場合もある。

【０００７】ここで、従来の燃料電池においては、集電
体１１２とＭＥＡ１１１とを積層して加圧することによ
り集電体１１２とＭＥＡ１１１との電気的な接続がなさ
れている。この場合、接触により電気的接続がなされる
ため大きな抵抗が発生し、さらに接触平面内の圧力分
布、圧力の大きさ等によって抵抗値が変化してしまう。
また、上述した流体拡散層には、多孔質カーボンペーパ
ーやカーボンクロスが広く用いられている。このため、
接触平面内の圧力分布にばらつきが生じ易く、部分的に
非常に大きな抵抗値を示す場合があり、これに起因した
発電効率の低下が生じている。また、安定した発電を行
ううえでは、加圧状態が変化することによる抵抗の変化
も問題となる。

【０００８】これらの問題の対策としては、加圧力を大
きくすることや面内分布を均一化させること等が行われ
ているが、上述したような問題を十分に改善するには至
っていない。また、燃料電池の小型化や薄型化を図るた
めには、加圧力の増加や圧力分布の均一化自体が困難で
ある場合もあり、根本的な解決策とはなっていない。

【０００９】そこで、本発明は、上述した従来の実情を
勘案して創案されたものであり、良好な発電効率を備
え、安定した発電が可能な燃料電池用の発電体構造と発
電体、及びその製造方法、並びにこれを用いた燃料電池
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】以上のような目的を達成
する本発明に係る発電体構造は、プロトン伝導体膜と、
面状電極と、流体拡散層と、導電体層とが積層されてな
る発電体構造であって、導電体層が流体拡散層の主面上
に固着形成されてなることを特徴とするものである。

【００１１】以上のような本発明に係る発電体構造で
は、導電体層が流体拡散層の主面上に固着形成されてい
る。これにより、この発電体では、発電体を加圧するこ
となく面状電極と導電体層との電気的な接続が確実に確
保される。

【００１２】また、以上のような目的を達成する本発明
に係る発電体は、プロトン伝導体膜と当該プロトン伝導
体膜を挟む一対の面状電極と当該一対の面状電極を挟む
一対の流体拡散層と当該一対の流体拡散層に当接する一
対の導電体層とを備え、一対の導電体層のうち少なくと
も一方の導電体層が流体拡散層の主面上に固着形成され
てなることを特徴とするものである。

【００１３】以上のように構成された本発明に係る発電
体は、一対の導電体層のうち少なくとも一方の導電体層
が流体拡散層の主面上に固着形成されている。これによ
り、この発電体では、発電体を加圧することなく面状電
極と導電体層との電気的な接続が確実に確保される。

【００１４】また、以上のような目的を達成する本発明
に係る燃料電池は、発電体に燃料及び酸化剤を供給する
ことにより発電する燃料電池であって、プロトン伝導体
膜と当該プロトン伝導体膜を挟む一対の面状電極と当該
一対の面状電極を挟む一対の流体拡散層と当該一対の流
体拡散層に当接する一対の導電体層とを備え、当該一対
の導電体層のうち少なくとも一方の導電体層が流体拡散
層の主面上に固着形成されてなる発電体を有することを
特徴とするものである。

【００１５】以上のように構成された本発明に係る燃料
電池においては、発電体が、一対の導電体層のうち少な
くとも一方の導電体層が流体拡散層の主面上に固着形成
されることにより構成されている。これにより、この燃
料電池では、その発電体において当該発電体を加圧する
ことなく面状電極と導電体層との電気的な接続が確実に
確保される。

【００１６】また、以上の目的を達成する本発明に係る
発電体構造の製造方法は、プロトン伝導体膜と面状電極
と流体拡散層と導電体層とを積層する発電体構造の製造
方法であって、導電体層を流体拡散層の主面上に固着形
成することを特徴とするものである。

【００１７】以上のような本発明に係る発電体構造の製
造方法においては、流体拡散層の主面上に導電体層を固
着形成する。これにより、この発電体構造の製造方法に
よれば、発電体を加圧することなく面状電極と導電体層
との電気的な接続が確実に確保された発電体構造が実現
される。

【００１８】また、以上の目的を達成する本発明に係る
発電体の製造方法は、プロトン伝導体膜と当該プロトン
伝導体膜を挟む一対の面状電極と当該一対の面状電極を
挟む一対の流体拡散層と当該一対の流体拡散層に当接す
る一対の導電体層とを備える発電体の製造方法であっ
て、一対の導電体層のうち少なくとも一方の導電体層を
流体拡散層の主面上に固着形成することを特徴とするも
のである。

【００１９】以上のような本発明に係る発電体の製造方
法においては、流体拡散層の主面上に導電体層を固着形
成する。これにより、この発電体の製造方法によれば、
発電体を加圧することなく面状電極と導電体層との電気
的な接続が確実に確保された発電体が実現される。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る発電体構造、
発電体、燃料電池、及び製造方法を、図面を参照しなが
ら詳説する。まず、基本となる発電体構造及び発電体に
ついて説明する。

【００２１】本発明に係る発電体構造は、プロトン伝導
体膜と、面状電極と、流体拡散層と、導電体層とが積層
されてなる発電体構造であって、導電体層が流体拡散層
の主面上に固着形成されてなることを特徴とするもので
ある。また、本発明に係る発電体は、プロトン伝導体膜
と、当該プロトン伝導体膜を挟む一対の面状電極と、当
該一対の面状電極を挟む一対の流体拡散層と、当該一対
の流体拡散層を挟む一対の導電体層とを備え、一対の導
電体層が一対の流体拡散層の面状電極と反対側の主面上
に固着形成されてなることを特徴とするものである。

【００２２】図１は、本発明を適用して構成した固体高
分子電解質型燃料電池の最小発電単位である単セル、す
なわち発電体１の基本構成を示す斜視図である。また、
図２はその断面図であり、図３は、正面図である。発電
体１の基本構成となる膜電極複合体２（ＭＥＡ：Membra
ne Electrode Assembly、以下ＭＥＡと呼ぶ。）は、プ
ロトン伝導体３の役割を果たす高分子電解質膜の両側に
水素側触媒電極４ａと酸素側触媒電極４ｂとからなる一
対の触媒電極層４を接合して形成されている。

【００２３】このようなＭＥＡ２としては、例えば、Ｐ
ＲＥＭＥＡ(商品名、ゴアテックス社製）等のように伝
導体膜に直接触媒電極が転写されているようなＣＣＭ
（Catalyst Coated Membrane)と呼ばれるもの等があ
り、この場合、両面から多孔質カーボンシートで挟まれ
る形でＭＥＡが形成される。また、プロトン伝導体を後
述する流体拡散層５に触媒電極層４を形成したもので挟
み込むことによりＭＥＡ２を形成することもできる。

【００２４】ＭＥＡ２の外側には水素側流体拡散層５ａ
と酸素側流体拡散層５ｂとからなり流体拡散層５の役割
を果たすものとして一対の多孔質カーボンペーパーが配
されている。さらにその外側には流路としての開口部６
を備えた水素側集電体層７ａと酸素側集電体層７ｂとか
らなる一対の集電体層７が配されており、流体拡散層５
である多孔質カーボンペーパーを介してＭＥＡ２の触媒
電極層４へと供給される燃料である水素および酸化剤で
ある酸素を含む空気を通流させるとともに発電により得
られた電流を外部に伝える働きをしている。

【００２５】ここで、図１においては、発電体１に対し
て矢印Ａの方向から水素が供給され、また、矢印Ｂの方
向から酸素が供給される。そして、集電体層７には、流
体が透過可能な流体透過部として開口部６が設けられて
いる。この開口部６は、水素側集電体層７ａに開口部６
ａが、酸素側集電体層７ｂに開口部６ｂが、水素側集電
体層７ａ及び酸素側集電体層７ｂをそれぞれ所定の形状
及び所定の大きさに切り欠いた形状に設けられており、
この発電体１においてはこの開口部６ａ，６ｂを介して
燃料としての水素や酸化剤としての酸素や空気等を発電
体１に対して供給することが可能とされている。この開
口部６ａ、６ｂは例えば格子状に設けることができる
が、開口部６ａ，６ｂの形状及び大きさは特に限定され
るものではなく、発電体１の発電能力等の諸条件を勘案
して適宜設定されれば良い。

【００２６】以上のような発電体１を電池として発電運
転させる場合には、上述した開口部６を介して、図１中
の矢印Ａの方向から発電体１に対して水素を供給し、矢
印Ｂの方向から酸素を含む空気を供給する。これにより
水素側触媒電極４ａへは水素が、また、酸素側触媒電極
４ｂへは酸素を含む空気が供給され、ＭＥＡ２内におけ
る発電反応により得られた電流は集電体層７によって集
電され、端子８を通じて外部に取出される。

【００２７】このように構成された発電体１において
は、上述した集電体層７が流体拡散層５の触媒電極層４
と反対側の主面上に固着形成されている。ここで、集電
体層７は、少なくとも流体拡散層５から容易に剥離しな
い程度の密着性を有して流体拡散層５の触媒電極層４と
反対側の主面上に固着形成されている。この発電体１で
は、集電体層７が流体拡散層５の触媒電極層４と反対側
の主面上に固着形成されていることにより、発電体を加
圧することなく流体拡散層５を介してＭＥＡ２と集電体
層７との電気的な接続が実現されている。これにより、
発電体１では、ＭＥＡ２と集電体層７との間の抵抗値を
大幅に低減することが可能とされ、その結果、発電効率
を向上させることができる。

【００２８】また、従来の加圧によりＭＥＡ２と集電体
層７とを加圧により接触させる方法では、集電体層７と
流体拡散層５との接触平面内における圧力分布にばらつ
きが生じ易く、部分的に非常に大きな抵抗値を示す場合
があり、これに起因した集電効率、発電効率の低下が生
じている。また、集電体層７と流体拡散層５との接触平
面内における圧力分布にばらつきが生じた場合には、接
触状態が完全ではなく接触面積が少なくなる虞があり、
これも集電効率、発電効率の低下の原因となり、燃料電
池の能力低下につながる。

【００２９】しかしながら、この発電体１においては、
集電体層７が流体拡散層５の触媒電極層４と反対側の主
面上に固着形成されているため、集電体層７と流体拡散
層５との接触平面は均等に且つ確実に接触した状態とさ
れてＭＥＡ２と集電体層７との電気的接続が確保されて
おり、集電体層７と流体拡散層５との接触平面内におけ
る圧力分布にばらつきが生じることが無く、部分的に非
常に大きな抵抗値を示す等の状況も起こり得ない。した
がって、この発電体１においては、集電体層７と流体拡
散層５との接触面内における圧力分布や接触面積に起因
した集電効率、発電効率の低下が生じることが防止され
ており、安定した発電を行うことが可能とされている。

【００３０】また、従来の発電体においては、上述した
ような集電効率、発電効率の低下を補うために集電体層
自体の厚みを厚くしたり、集電体層７と流体拡散層５と
の接触、すなわちＭＥＡ２と集電体層７との間の電気的
接続を確保するためにボルト締結などの加圧手段を備え
ることが必要であり、集電体層、及びこれを用いた燃料
電池の小型化・薄型化を図ることが困難である。

【００３１】しかしながら、この発電体１においては、
集電体層７が流体拡散層５の触媒電極層４と反対側の主
面上に固着形成されていることにより集電体層７と流体
拡散層５との接触、すなわちＭＥＡ２と集電体層７との
間の電気的接続が確実になされているため、集電体層自
体の厚みを増す必要が無い。また、集電体層７と流体拡
散層５との接触、すなわちＭＥＡ２と集電体層７との間
の電気的接続を確保するためのボルト締結などの加圧手
段を備える必要がない。したがって、この発電体１で
は、発電体１及びこれを用いる燃料電池の小型化・薄型
化を実現することが可能とされている。そして、薄型化
が可能とされるため、スタック型として用いる場合に
は、より多くの発電体を積層することが可能となり、よ
り発電容量の大きな燃料電池の実現が可能とされる。

【００３２】また、上述したような加圧手段を備える必
要がないため、発電体の構造を簡略化することができ、
また、これにより発電体１を製造する際の部品点数、組
み立て工数を削減することができるため、大幅なコスト
ダウンが可能とされており、安価に発電体１を提供する
ことが可能である。

【００３３】このような集電体層７は、流体拡散層５の
触媒電極層４と反対側の主面に薄膜形成されていること
が好ましい。集電体層７として薄膜形成されたものを用
いることにより発電体１自体の厚みを薄くすることがで
き、発電体１及びこれを用いる燃料電池の小型化・薄型
化を実現することが可能である。また、集電体層７の厚
みは、特に限定されるものではなく、集電体層７を構成
する材料の集電特性等の諸条件を勘案して適宜設定され
れば良い。

【００３４】このような集電体層７は、例えば導電性ペ
ーストを塗布することにより形成されたものを用いるこ
とができる。ここで、導電性ペーストとしては、エポキ
シ樹脂、ポリエステル等の高分子に導電性粒子、例えば
金属粒子、カーボン粒子等を含有させたものを用いるこ
とができ、金属粒子としては、例えば金、銀、銅などを
使用することができる。そして、導電性ペーストとして
は、具体的には、金ペースト、銀ペースト、カーボンペ
ースト、金属粒子として銀とカーボンを混在させた銀・
カーボンペーストが好適である。また、導電性ペースト
に用いる樹脂としては、特に限定はなく、溶剤を蒸発さ
せることにより硬化させるタイプの樹脂や加熱すること
により硬化させるタイプの樹脂など種々のタイプの樹脂
を用いることが可能である。

【００３５】しかしながら、集電体層７はこれに限定さ
れるものではなく、従来公知の薄膜形成技術により形成
されたものを用いることができ、例えばスパッタリン
グ、蒸着、メッキ等の手法により形成されたものは、純
粋に金属からなる集電体層７とされるため電気特性に優
れたものとされ、好適である。

【００３６】次に、このような発電体１の製造方法につ
いて説明する。発電体１を製造するには、まず、流体拡
散層５である一対の多孔質カーボンペーパーの一主面に
それぞれ集電体層７を形成する。

【００３７】集電体層７は、例えば上述した導電性ペー
ストをスクリーン印刷等の印刷技術により多孔質カーボ
ンペーパーの主面に塗布することにより形成することが
できる。導電性ペーストを用いてスクリーン印刷により
集電体層７を形成するには、図４に示すように流体拡散
層５である多孔質カーボンペーパーの所定の位置にマス
クとなるスクリーン１１を配置する。ここで、スクリー
ン１１には、所定の形状、すなわちスクリーン印刷を行
った後に、所定の形状及び大きさの開口部６が形成され
るような形状に開口部１２が形成されている。すなわ
ち、このスクリーン１１においては、開口部６となる部
分にスクリーン１１が存在し、集電体層７が形成される
部分が開口部１２とされている。これにより、スクリー
ン印刷を行うことによりスクリーン１１の開口部１２の
位置に導電性ペースト１３が塗布される。

【００３８】また、樹脂に金属粒子やカーボン粒子を含
有させて構成した導電性ペースト１３を用意する。そし
て、この開口部１２から流体拡散層５である多孔質カー
ボンペーパー上にスキージ１４を図４中の矢印Ｃで示す
方向に移動操作することにより導電性ペースト１３を押
し出して導電性ペースト１３を印刷、すなわち塗布す
る。

【００３９】ここで、導電性ペースト１３の印刷パター
ンは特に限定されるものでなく、発電体１において集電
体層７としての機能が確保される限り、導電性ペースト
１３は種々の形状に塗布して集電体層１３を形成するこ
とができる。また、導電性ペースト１３の塗布厚も特に
限定されるものではなく、印刷パターンと同様に発電体
１において集電体層７としての機能が確保される限り、
塗布厚は適宜変更可能である。例えば図５及び図６に示
すように、流体拡散層５である多孔質カーボンペーパー
上において外縁部を除いた部分のみに導電性ペースト１
３を印刷して集電体層７を形成しても良く、図７及び図
８に示すように、流体拡散層５である多孔質カーボンペ
ーパー上において、外縁部と長手方向のライン状の部分
とを除いて導電性ペースト１３を印刷することにより集
電体層７を形成しても良い。また、図９及び図１０に示
すように、流体拡散層５である多孔質カーボンペーパー
上において、長手方向に垂直な方向のライン状の部分以
外に導電性ペースト１３を印刷して集電体層７を形成し
ても良い。そして、図６、図８及び図１０に示すよう
に、導電性ペースト１３の塗布厚、すなわち集電体層７
の厚みも、任意の厚みに設定することが可能である。な
お、図６は図５における線分Ｄ−Ｄ'における断面図で
あり、図８は図７における線分Ｅ−Ｅ'における断面図
であり、図１０は図９における線分Ｆ−Ｆ'における断
面図である。

【００４０】そして、導電性ペーストを印刷した後、導
電性ペーストを硬化させるために乾燥あるいは加熱を行
う。樹脂の選択によっては、加熱による硬化収縮によっ
て導電性を飛躍的に向上させることも可能である。以上
により集電体層７を形成することができる。

【００４１】このようにして集電体層７が形成された流
体拡散層５である多孔質カーボンペーパーを予め用意し
た例えばＣＣＭ等のＭＥＡ２に集電体層７が外側になる
ように配置して密着させることにより、流体拡散層５に
集電体層７が固着形成された発電体１を製造することが
できる。

【００４２】上述した発電体１の製造方法においては、
流体拡散層５に集電体層７を直接形成するため、発電体
１を構成する際の部品点数、及び組み立て工数を削減す
ることができるため、大幅なコストダウンが可能とされ
ており、安価に発電体１を製造することが可能である。

【００４３】また、上記においては、導電性ペーストを
スクリーン印刷することにより集電体層７を形成してい
るが、集電体層７の形成方法はこれに限定されるもので
はなく、従来の公知の薄膜形成方法により形成すること
が可能であり、例えばスパッタリング、蒸着、メッキ等
の手法により形成することができる。これらの手法によ
り形成された集電体層７は、純粋に金属からなる集電体
層７とされるため電気特性に優れたものとされ、好適で
ある。

【００４４】ここで、流体拡散層５としてカーボンペー
パー等の多孔質材料を用いる場合には、集電体層７の厚
みを、集電体層７が一体として電気的に接続が保たれる
ような強度を有する膜厚を設定するようにする。

【００４５】また、メッキにより集電体層７を形成する
場合には、例えば電解メッキを採用することができ、ま
た、メッキ層の下地に金属薄膜を予め形成してからメッ
キを施しても良い。ただし、メッキの場合には、湿式手
段となるため、メッキ処理後の多孔質層への液残りには
十分留意する必要がある。

【００４６】また、図２に示すような発電体１の発電体
構造は、例えば以下のようにして連続工程で作製するこ
とができる。すなわち、図１１に示すように、まず、プ
ロトン伝導体と触媒電極層と流体拡散層とがこの順で積
層されたフィルム１６を巻きだしロール１７から巻き出
し、一対のロール１８ａ，１８ｂにより矢印Ｇの方向に
搬送する。

【００４７】続いて、搬送されたフィルム１６の一方の
主面上、すなわち流体拡散層側の主面上に、一対のロー
ル１９ａ，１９ｂにより導電性接着剤ペースト２０をロ
ール印刷して、さらに矢印Ｇの方向に搬送する。

【００４８】そして、加熱部２１を通過させて導電性接
着剤ペースト２０を加熱硬化させることにより導電体層
を形成する。

【００４９】以上により、図１２に示すような発電体構
造を構成することができる。そして、このような発電体
構造を水素側と酸素側とでそれぞれ構成し、張り合わせ
ることにより図２に示すような発電体１を形成すること
ができる。また、図１１においては、フィルム１６の一
主面側のみに加工を施しているが、両面を同時に加工す
ることも可能であり、水素側と酸素側とにおいて一括し
て発電体構造を構成し、発電体１を形成することもでき
る。

【００５０】したがって、本発明に係る発電体構造及び
発電体は、以上のような連続工程を行うことによりイン
ラインで効率的に作製することが可能であるため、コス
トを低減することが可能とされており、高品質の発電体
を安価に提供することができる。

【００５１】さらに、本発明に係る発電体構造では、導
電体層７は必ずしも流体拡散層５の触媒電極層４と反対
側の主面に配される必要はなく、導電体層７は流体拡散
層５の触媒電極層４側の主面に固着形成されても良い。
このような発電体構造は、例えば以下のようにして連続
工程で作製することができる。すなわち、図１３に示す
ように、まず、プロトン伝導体と触媒電極層とが積層さ
れたフィルム３１を巻き出しロール３２から巻き出し、
一対のロール３３ａ，３３ｂにより矢印Ｇの方向に搬送
する。

【００５２】続いて、搬送されたフィルム３１の一方の
主面上、すなわち触媒電極層側の主面上に、一対のロー
ル３４ａ，３４ｂにより導電性接着剤ペースト３５をロ
ール印刷して加熱部３６を通過させることにより導電体
層を形成し、さらに矢印Ｇの方向に搬送する。

【００５３】続いて、搬送されたフィルム３１の一方の
主面上、すなわち、導電性接着剤ペースト３５がロール
印刷された側の主面上に、巻きだしロール３７から巻き
出された流体拡散層フィルム３８を一対のロール３９
ａ，３９ｂによりラミネートする。

【００５４】以上により、図１４に示すような発電体構
造を構成することができる。なお、図１４に示す発電体
構造においては、印刷された導電性接着剤ペースト３５
と導電性接着剤ペースト３５との間が上述した開口部６
に相当する。そして、このような発電体構造を水素側と
酸素側とでそれぞれ構成し、張り合わせることにより発
電体を形成することができる。また、図１３において
は、フィルム３１の一主面側のみに加工を施している
が、両面を同時に加工することも可能であり、水素側と
酸素側とにおいて一括して発電体構造を構成し、発電体
を形成することもできる。

【００５５】したがって、本発明に係る発電体構造及び
発電体は、以上のような連続工程を行うことによりイン
ラインで効率的に作製することが可能であるため、コス
トを低減することが可能とされており、高品質の発電体
を安価に提供することができる。

【００５６】また、上記においては、流体拡散層５の主
面に集電体層７を直接形成することにより流体拡散層５
に集電体層７を固着形成する場合について説明したが、
本発明においては、集電体層７は流体拡散層５に固着形
成される点が重要であり、直接形成されることに限定さ
れるものではない。すなわち、本発明においては、導電
体からなる集電体層７を例えば導電性接着剤により固着
して発電体を構成しても良い。ここで、集電体としては
金属からなるものが好適であり、例えば金属箔、金属
板、金属線等を用いることができる。このような構成と
した場合においても、流体拡散層５の主面に集電体層７
を直接形成した場合と同様に発電体を加圧することなく
集電体層と流体拡散層との接触、すなわちＭＥＡと集電
体層との間の電気的接続が確実に確保され、ＭＥＡと集
電体層との間の抵抗値を大幅に低減することが可能とさ
れ、その結果、発電効率を向上させることができる。

【００５７】また、集電体層７が流体拡散層５の触媒電
極層４と反対側の主面上に導電性接着剤により固着され
るため、集電体層７と流体拡散層５との接触平面は均等
に且つ確実に接触した状態とされて電気的接続が確保さ
れており、集電体層７と流体拡散層５との接触平面内に
おける圧力分布にばらつきが生じることが無く、部分的
に非常に大きな抵抗値を示す等の状況も起こり得ない。
したがって、集電体層７と流体拡散層５との接触面内に
おける圧力分布や接触面積に起因した集電効率、発電効
率の低下が生じることが防止され、安定した発電を行う
ことが可能とされる。

【００５８】また、集電体層７が流体拡散層５の触媒電
極層４と反対側の主面上に導電性接着剤により固着され
ことにより集電体層７と流体拡散層５との接触、すなわ
ちＭＥＡと集電体層との間の電気的接続が確実になされ
るため、集電効率、発電効率の低下を補うために集電体
層７自体の厚みを増す必要が無く、また、ＭＥＡと集電
体層７との間の接触を確保するためのボルト締結などの
加圧手段を備える必要がない。したがって、発電体及び
これを用いる燃料電池の小型化・薄型化を実現すること
が可能とされる。そして、薄型化が可能とされるため、
スタック型として用いる場合には、より多くの発電体を
積層することが可能となり、より発電容量の大きな燃料
電池の実現が可能とされる。

【００５９】そして、上述したような加圧手段を備える
必要がないため、発電体の構造を簡略化することがで
き、また、これにより発電体を製造する際の部品点数、
組み立て工数を削減することができるため、大幅なコス
トダウンが可能とされ、安価に発電体を提供することが
可能とされる。

【００６０】なお、本発明に係る発電体は、小型のも
の、すなわち小規模なものに限定されることはなく、大
面積を有する大規模な発電体、及び燃料電池にも適用す
ることが可能である。すなわち、本発明に係る発電体
は、集電効率、発電効率に優れたものとされているた
め、従来と同等の規模の大きさとした場合には、従来の
発電体、燃料電池と比して大幅に発電容量が大きなもの
とされるため、使用電力のより大きな用途にも使用する
ことが可能とされ、使用用途の自由度が大きなものとさ
れる。すなわち、本発明に係る発電体は、例えばカード
型等の小さな燃料電池から、自動車用などの大きな燃料
電池まで、あらゆるサイズの燃料電池に適用可能であ
る。

【００６１】また、本発明は、燃料として水素を直接供
給する場合に限られるものではなく、例えばメタノール
等を燃料として供給する発電形式等にも幅広く適用する
ことが可能である。

【００６２】次に、本発明に係る燃料電池について説明
する。図１５は、複数の発電体を内蔵する燃料電池の一
例を示すものである。本例では、一対の筐体４１内に４
つの発電体４２、４３、４４、４５が水素供給部４６の
両面に配置され、また、一対の筐体４１には上下両面に
空気取り込み口４７が設けられている。そして、水素供
給部４６には、外部燃料源と接続するための燃料継ぎ手
４８が設けられている。

【００６３】ここで、４つの発電体として上述した発電
体１が用いられており、その両面には、それぞれ水素側
集電体層７ａ及び酸素側集電体層７ｂが設けられてい
る。そして、４つの発電体１は、それぞれの水素側集電
体層７ａが水素供給部４６と対向するように配される。
また、発電体１の酸素側集電体には、発電体１により得
られた電気を外部に取り出すための外部端子４９が接続
されている。

【００６４】以上のような燃料電池を発電運転させる場
合には、４つの発電体４２、４３、４４、４５に対し
て、水素供給部４６から水素を供給し、また、通気孔４
７を通して酸素を含む空気を供給する。これにより、発
電体１のＭＥＡ２内における水素と酸素との電気化学反
応によって電気が発生し、これが外部端子４９より外部
に取り出される。

【００６５】以上のような本発明に係る燃料電池におい
ては、導電体層７が流体拡散層の主面上に固着形成され
ることにより発電体１が構成されている。これにより、
この燃料電池では、発電体１において当該発電体１を加
圧することなく触媒電極層４と導電体層７との電気的な
接続が確実に確保することが可能とされている。その結
果、本発明に係る燃料電池では、発電体１において触媒
電極層４と導電体層７との間の抵抗値を大幅に低減する
ことが可能とされるため、発電効率に優れた燃料電池を
実現されている。

【００６６】

【発明の効果】本発明に係る発電体構造は、プロトン伝
導体膜と、面状電極と、流体拡散層と、導電体層とが積
層されてなる発電体構造であって、上記導電体層が、上
記流体拡散層の主面上に固着形成されてなるものであ
る。

【００６７】以上のような本発明に係る発電体構造は、
導電体層が流体拡散層の主面上に固着形成されている。
これにより、この発電体では、発電体を加圧することな
く面状電極と導電体層との電気的な接続を確実に確保す
ることが可能とされる。したがって、本発明に係る発電
体構造体では、面状電極と導電体層との間の抵抗値を大
幅に低減することが可能とされるため、発電効率に優れ
た発電体構造を実現することができる。

【００６８】本発明に係る発電体は、プロトン伝導体膜
と、当該プロトン伝導体膜を挟む一対の面状電極と、当
該一対の面状電極を挟む一対の流体拡散層と、当該一対
の流体拡散層に当接する一対の導電体層とを備え、上記
一対の導電体層のうち少なくとも一方の導電体層が、上
記流体拡散層の主面上に固着形成されてなるものであ
る。

【００６９】以上のように構成された本発明に係る発電
体は、導電体層が流体拡散層の主面上に固着形成されて
いる。これにより、この発電体では、発電体を加圧する
ことなく面状電極と導電体層との電気的な接続を確実に
確保することが可能とされる。したがって、本発明に係
る発電体では、面状電極と導電体層との間の抵抗値を大
幅に低減することが可能とされるため、発電効率に優れ
た発電体を実現することができる。

【００７０】また、本発明に係る燃料電池は、発電体に
燃料及び酸化剤を供給することにより発電する燃料電池
であって、プロトン伝導体膜と、当該プロトン伝導体膜
を挟む一対の面状電極と、当該一対の面状電極を挟む一
対の流体拡散層と、当該一対の流体拡散層に当接する一
対の導電体層とを備え、当該一対の導電体層のうち少な
くとも一方の導電体層が上記流体拡散層の主面上に固着
形成されてなる発電体を有するものである。

【００７１】以上のように構成された本発明に係る燃料
電池は、燃料電池内に備える発電体が、導電体層が流体
拡散層の主面上に固着形成されることにより構成されて
いる。これにより、この燃料電池では、その発電体にお
いて当該発電体を加圧することなく面状電極と導電体層
との電気的な接続を確実に確保することが可能とされて
いる。したがって、本発明に係る燃料電池では、発電体
において面状電極と導電体層との間の抵抗値を大幅に低
減することが可能とされるため、発電効率に優れた燃料
電池を実現することができる。

【００７２】また、本発明に係る発電体構造の製造方法
は、プロトン伝導体膜と、面状電極と、流体拡散層と、
導電体層とを積層する発電体構造の製造方法であって、
上記導電体層を上記流体拡散層の主面上に固着形成する
ものである。

【００７３】以上のような本発明に係る発電体構造の製
造方法においては、流体拡散層の主面上に導電体層を固
着形成する。これにより、この発電体構造の製造方法で
は、発電体を加圧することなく面状電極と導電体層との
電気的な接続が確実に確保された発電体構造を構成する
ことが可能とされている。したがって、本発明に係る発
電体構造の製造方法によれば、面状電極と導電体層との
間の抵抗値を大幅に低減することが可能とされるため、
発電効率に優れた発電体構造を実現することができる。

【００７４】また、本発明に係る発電体の製造方法は、
プロトン伝導体膜と、当該プロトン伝導体膜を挟む一対
の面状電極と、当該一対の面状電極を挟む一対の流体拡
散層と、当該一対の流体拡散層に当接する一対の導電体
層とを備える発電体の製造方法であって、上記一対の導
電体層のうち少なくとも一方の導電体層を上記流体拡散
層の主面上に固着形成するものである。

【００７５】以上のような本発明に係る発電体の製造方
法においては、流体拡散層の主面上に導電体層を固着形
成する。これにより、この発電体の製造方法では、発電
体を加圧することなく面状電極と導電体層との電気的な
接続が確実に確保された発電体を構成することが可能と
されている。したがって、本発明に係る発電体の製造方
法によれば、面状電極と導電体層との間の抵抗値を大幅
に低減することが可能とされるため、発電効率に優れた
発電体を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用して構成した発電体の基本構成を
示す斜視図である。

【図２】本発明を適用して構成した発電体の断面図であ
る。

【図３】本発明を適用して構成した発電体の正面図であ
る。

【図４】集電体層の形成方法を説明する図である。

【図５】流体拡散層上おける導電性ペーストの印刷パタ
ーンの一例を示す平面図である。

【図６】流体拡散層上おける導電性ペーストの印刷パタ
ーンの一例を示す断面図である。

【図７】流体拡散層上おける導電性ペーストの印刷パタ
ーンの一例を示す平面図である。

【図８】流体拡散層上おける導電性ペーストの印刷パタ
ーンの一例を示す断面図である。

【図９】流体拡散層上おける導電性ペーストの印刷パタ
ーンの一例を示す平面図である。

【図１０】流体拡散層上おける導電性ペーストの印刷パ
ターンの一例を示す断面図である。

【図１１】本発明に係る発電体構造の製造工程を説明す
る図である。

【図１２】本発明に係る発電体構造の一例を示す断面図
である。

【図１３】本発明に係る発電体構造の製造工程を説明す
る図である。

【図１４】本発明に係る発電体構造の一例を示す断面図
である。

【図１５】本発明に係る燃料電池の一例を示す分解断面
図である。

【図１６】一般的なプロトン伝導体膜を用いた燃料電池
の一例を示す模式図である。

【図１７】従来の燃料電池の一例を示す分解斜視図であ
る。

【符号の説明】

１発電体２ＭＥＡ（膜電極複合体）３プロトン伝導体４触媒電極層５流体拡散層６開口部７集電体層８端子１１スクリーン１２開口部１３導電性ペースト１４スキージ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プロトン伝導体膜と、面状電極と、流体
拡散層と、導電体層とが積層されてなる発電体構造であ
って、上記導電体層が、上記流体拡散層の主面上に固着形成さ
れてなることを特徴とする発電体構造。
【請求項２】上記プロトン伝導体膜と、上記面状電極
と、上記流体拡散層と、上記導電体層とがこの順で積層
されてなることを特徴とする請求項１記載の発電体構
造。
【請求項３】上記プロトン伝導体膜と、上記面状電極
と、上記導電体層と、上記流体拡散層とがこの順で積層
されてなることを特徴とする請求項１記載の発電体構
造。
【請求項４】上記導電体層は、上記流体拡散層の主面
上に直接形成されてなることを特徴とする請求項１記載
の発電体構造。
【請求項５】上記導電体層は、上記流体拡散層の主面
上に導電性ペーストを塗布することにより形成されてな
ることを特徴とする請求項４記載の発電体構造。
【請求項６】上記導電性ペーストは、印刷により塗布
されていることを特徴とする請求項５記載の発電体構
造。
【請求項７】上記導電体層は、上記流体拡散層の主面
上にスパッタリングにより形成されてなることを特徴と
する請求項４記載の発電体構造。
【請求項８】上記導電体層は、上記流体拡散層の主面
上に蒸着により形成されてなることを特徴とする請求項
４記載の発電体構造。
【請求項９】上記導電体層は、上記流体拡散層の主面
上にメッキにより形成されてなることを特徴とする請求
項４記載の発電体構造。
【請求項１０】上記導電体層は、上記流体拡散層に導
電性接着剤により導電体が固着されてなることを特徴と
する請求項１記載の発電体構造。
【請求項１１】上記導電体は、金属材料からなること
を特徴とする請求項１０記載の発電体構造。
【請求項１２】上記導電体層は、流体が透過可能な流
体透過部を有することを特徴とする請求項１記載の発電
体構造。
【請求項１３】上記流体透過部は、上記導電体層を切
り欠いた開口部であることを特徴とする請求項１２記載
の発電体構造。
【請求項１４】上記流体透過部は、複数個形成されて
いることを特徴とする請求項１２記載の発電体構造。
【請求項１５】プロトン伝導体膜と、当該プロトン伝
導体膜を挟む一対の面状電極と、当該一対の面状電極を
挟む一対の流体拡散層と、当該一対の流体拡散層に当接
する一対の導電体層とを備え、上記一対の導電体層のうち少なくとも一方の導電体層
が、上記流体拡散層の主面上に固着形成されてなること
を特徴とする発電体。
【請求項１６】上記導電体層が、上記流体拡散層の上
記面状電極と反対側の主面上に固着形成されてなること
を特徴とする請求項１５記載の発電体。
【請求項１７】上記導電体層が、上記流体拡散層の上
記面状電極側の主面に固着形成されてなることを特徴と
する請求項１５記載の発電体。
【請求項１８】上記導電体層は、上記流体拡散層の主
面上に直接形成されてなることを特徴とする請求項１５
記載の発電体。
【請求項１９】上記導電体層は、上記流体拡散層の主
面上に導電性ペーストを塗布することにより形成されて
なることを特徴とする請求項１８記載の発電体。
【請求項２０】上記導電性ペーストは、印刷により塗
布されていることを特徴とする請求項１９記載の発電
体。
【請求項２１】上記導電体層は、上記流体拡散層の主
面上にスパッタリングにより形成されてなることを特徴
とする請求項１８記載の発電体。
【請求項２２】上記導電体は、上記流体拡散層の主面
上に蒸着により形成されてなることを特徴とする請求項
１８記載の発電体。
【請求項２３】上記導電体は、上記流体拡散層の主面
上にメッキにより形成されてなることを特徴とする請求
項１８記載の発電体。
【請求項２４】上記導電体層は、上記流体拡散層に導
電性接着剤により導電体が固着されてなることを特徴と
する請求項１５記載の発電体。
【請求項２５】上記導電体は、金属材料からなること
を特徴とする請求項２４記載の発電体。
【請求項２６】上記面状電極の一方は水素側電極であ
り、且つ他方は酸素側電極であることを特徴とする請求
項１５記載の発電体。
【請求項２７】上記導電体層は、流体が透過可能な流
体透過部を有することを特徴とする請求項１５記載の発
電体。
【請求項２８】上記流体透過部は、上記導電体層を切
り欠いた開口部であることを特徴とする請求項２７記載
の発電体。
【請求項２９】上記流体透過部は、複数個形成されて
いることを特徴とする請求項２７記載の発電体。
【請求項３０】発電体に燃料及び酸化剤を供給するこ
とにより発電する燃料電池であって、プロトン伝導体膜と、当該プロトン伝導体膜を挟む一対
の面状電極と、当該一対の面状電極を挟む一対の流体拡
散層と、当該一対の流体拡散層に当接する一対の導電体
層とを備え、当該一対の導電体層のうち少なくとも一方
の導電体層が上記流体拡散層の主面上に固着形成されて
なる発電体を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項３１】上記導電体層が、上記流体拡散層の上
記面状電極と反対側の主面上に固着形成されてなること
を特徴とする請求項３０記載の燃料電池。
【請求項３２】上記導電体層が、上記流体拡散層の上
記面状電極側の主面に固着形成されてなることを特徴と
する請求項３０記載の燃料電池。
【請求項３３】上記導電体層は、上記流体拡散層の主
面上に直接形成されてなることを特徴とする請求項３０
記載の燃料電池。
【請求項３４】上記導電体層は、上記流体拡散層の主
面上に導電性ペーストを塗布することにより形成されて
なることを特徴とする請求項３３記載の燃料電池。
【請求項３５】上記導電性ペーストは、印刷により塗
布されていることを特徴とする請求項３４記載の燃料電
池。
【請求項３６】上記導電体層は、上記流体拡散層の主
面上にスパッタリングにより形成されてなることを特徴
とする請求項３３記載の燃料電池。
【請求項３７】上記導電体は、上記流体拡散層の主面
上に蒸着により形成されてなることを特徴とする請求項
３３記載の燃料電池。
【請求項３８】上記導電体は、上記流体拡散層の主面
上にメッキにより形成されてなることを特徴とする請求
項３３記載の燃料電池。
【請求項３９】上記導電体層は、上記流体拡散層に導
電性接着剤により導電体が固着されてなることを特徴と
する請求項３０記載の燃料電池。
【請求項４０】上記導電体は、金属材料からなること
を特徴とする請求項３９記載の燃料電池。
【請求項４１】上記面状電極の一方は水素側電極であ
り、且つ他方は酸素側電極であることを特徴とする請求
項３０記載の燃料電池。
【請求項４２】上記導電体層は、流体が透過可能な流
体透過部を有することを特徴とする請求項３０記載の燃
料電池。
【請求項４３】上記流体透過部は、上記導電体層を切
り欠いた開口部であることを特徴とする請求項４２記載
の燃料電池。
【請求項４４】上記流体透過部は、複数個形成されて
いることを特徴とする請求項４２記載の燃料電池。
【請求項４５】上記水素側電極に当接した上記流体拡
散層に上記流体透過部を通して水素を供給することを特
徴とする請求項４２記載の燃料電池。
【請求項４６】上記酸素側電極に当接した上記流体拡
散層に上記流体透過部を通して酸素を供給することを特
徴とする請求項４２記載の燃料電池。
【請求項４７】プロトン伝導体膜と、面状電極と、流
体拡散層と、導電体層とを積層する発電体構造の製造方
法であって、上記導電体層を上記流体拡散層の主面上に
固着形成することを特徴とする発電体構造の製造方法。
【請求項４８】上記プロトン伝導体膜と、上記面状電
極と、上記流体拡散層と、上記導電体層とをこの順で積
層することを特徴とする請求項４７記載の発電体構造の
製造方法。
【請求項４９】上記プロトン伝導体膜と、上記面状電
極と、上記導電体層と、上記流体拡散層とをこの順で積
層することを特徴とする請求項４７記載の発電体構造の
製造方法。
【請求項５０】上記導電体層を上記流体拡散層の主面
上に直接形成することを特徴とする請求項４７記載の発
電体構造の製造方法。
【請求項５１】上記流体拡散層の主面上に導電性ペー
ストを塗布することにより上記導電体層を形成すること
を特徴とする請求項５０記載の発電体構造の製造方法。
【請求項５２】上記導電性ペーストを印刷により塗布
することを特徴とする請求項５１記載の発電体構造の製
造方法。
【請求項５３】上記導電体層をスパッタリングにより
形成することを特徴とする請求項５０記載の発電体構造
の製造方法。
【請求項５４】上記導電体層を蒸着により形成するこ
とを特徴とする請求項５０記載の発電体構造の製造方
法。
【請求項５５】上記導電体をメッキにより形成するこ
とを特徴とする請求項５０記載の発電体構造の製造方
法。
【請求項５６】上記流体拡散層の主面上に導電性接着
剤により導電体を固着することを特徴とする請求項４７
記載の発電体構造の製造方法。
【請求項５７】上記導電体は、金属材料からなること
を特徴とする請求項５６記載の発電体構造の製造方法。
【請求項５８】上記導電体層に、流体が透過可能な流
体透過部を形成することを特徴とする請求項４７記載の
発電体構造の製造方法。
【請求項５９】上記流体透過部を複数個形成すること
を特徴とする請求項５８記載の発電体構造の製造方法。
【請求項６０】プロトン伝導体膜と、当該プロトン伝
導体膜を挟む一対の面状電極と、当該一対の面状電極を
挟む一対の流体拡散層と、当該一対の流体拡散層に当接
する一対の導電体層とを備える発電体の製造方法であっ
て、上記一対の導電体層のうち少なくとも一方の導電体層を
上記流体拡散層の主面上に固着形成することを特徴とす
る発電体の製造方法。
【請求項６１】上記導電体層を上記流体拡散層の上記
面状電極と反対側の主面上に固着形成することを特徴と
する請求項６０記載の発電体の製造方法。
【請求項６２】上記導電体層を上記流体拡散層の上記
面状電極側の主面に固着形成することを特徴とする請求
項６０記載の発電体の製造方法。
【請求項６３】上記導電体層を上記流体拡散層の主面
上に直接形成することを特徴とする請求項６０記載の発
電体の製造方法。
【請求項６４】上記流体拡散層の主面上に導電性ペー
ストを塗布することにより上記導電体層を形成すること
を特徴とする請求項６３記載の発電体の製造方法。
【請求項６５】上記導電性ペーストを印刷により塗布
することを特徴とする請求項６４記載の発電体の製造方
法。
【請求項６６】上記導電体層をスパッタリングにより
形成することを特徴とする請求項６３記載の発電体の製
造方法。
【請求項６７】上記導電体層を蒸着により形成するこ
とを特徴とする請求項６３記載の発電体の製造方法。
【請求項６８】上記導電体をメッキにより形成するこ
とを特徴とする請求項６３記載の発電体の製造方法。
【請求項６９】上記流体拡散層の主面上に導電性接着
剤により導電体を固着することを特徴とする請求項６０
記載の発電体の製造方法。
【請求項７０】上記導電体は、金属材料からなること
を特徴とする請求項６９記載の発電体の製造方法。
【請求項７１】上記導電体層に、流体が透過可能な流
体透過部を形成することを特徴とする請求項６０記載の
発電体の製造方法。
【請求項７２】上記流体透過部を複数個形成すること
を特徴とする請求項７１記載の発電体の製造方法。