JP2003197225A - 高分子電解質型燃料電池 - Google Patents

高分子電解質型燃料電池

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JP2003197225A
JP2003197225A JP2001399862A JP2001399862A JP2003197225A JP 2003197225 A JP2003197225 A JP 2003197225A JP 2001399862 A JP2001399862 A JP 2001399862A JP 2001399862 A JP2001399862 A JP 2001399862A JP 2003197225 A JP2003197225 A JP 2003197225A
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Takanori Maeda
高徳 前田
Yutaka Yagi
裕 八木
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Dai Nippon Printing Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 平面状に設けられた単位セルを、電気的に直
列に接続した構造を持つ燃料電池を提供する。 【解決手段】 各単位セルを同じ向きにして平面状に複
数個配設し、所定の隣接する単位セル間を電気的に直列
に接続して、前記複数の単位セルを直列に接続した高分
子電解質型燃料電池であって、前記所定の隣接する単位
セル間に設けられた、各単位セルと電気的に絶縁された
略単位セルの厚さの絶縁部に、スルホール接続部、充填
ビア接続部、バンプ接続部の少なくとも1つを設けてい
る。あるいは、1つの板状の高分子膜電解質の一部を、
その電解質膜として、各単位セルを同じ向きにして平面
状に複数個配設し、所定の隣接する単位セル間を電気的
に直列に接続して、前記複数の単位セルを直列に接続し
た高分子電解質型燃料電池であって、前記所定の隣接す
る単位セル間の高分子膜電解質に、スルホール接続部、
充填ビア接続部、バンプ接続部の少なくとも1つを設け
ている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、各単位セルを同じ
向きにして平面状に複数個配設し、所定の隣接する単位
セル間を電気的に直列に接続して、前記複数の単位セル
を直列に接続した高分子電解質型燃料電池に関する。
【0002】
【従来の技術】最近、地球環境保護の観点や、水素を直
接燃料として用いると有利であり、エネルギー変換効率
が高いという点等から、燃料電池に対する期待が急激に
高まってきている。これまでは、宇宙開発や海洋開発に
利用されてきたが、最近では、自動車のエンジンの代わ
りに、また、家庭用発電装置へと展開され、広く使われ
る可能性が大きくなった。燃料電池は、簡単には、外部
より燃料(還元剤)と酸素または空気(酸化剤)を連続
的に供給し、電気化学的に反応させて電気エネルギーを
取り出す装置で、その作動温度、使用燃料の種類、用途
等で分類することもあるが、最近では、主に使用される
電解質の種類によって、大きく、固体酸化物型燃料電池
(SOFC)、溶融炭酸塩型燃料電池(MCFC)、リ
ン酸型燃料電池(PAFC)、高分子電解質型燃料電池
(PEFC)、アルカリ水溶液型燃料電池(AFC)の
5種類に分類されるのが一般的である。これらは、メタ
ン等から生成された水素ガスを燃料とするものである
が、最近では、燃料としてメタノール水溶液をダイレク
トに用いるダイレクトメタノール型燃料電池(DMF
C)も知られている。
【0003】このような中、燃料電池の中でも固体高分
子膜を2種類の電極で挟み込み、更にこれらの部材をセ
パレータで挟んだ構成の固体高分子型燃料電池(以下、
高分子電解質型燃料電池、あるいはPEFC:Poly
mer Electrolyte Fuel Cell
とも言う)が注目されている。このPEFCは、固体高
分子膜の両側に空気極(酸素極)、燃料極(水素極)等
の電極を配置して単位セルを構成し、この単位セルの両
側を燃料電池用セパレータで挟んだ構成となっている。
厚さ20μm〜70μmの高分子電解質の両側に厚さ1
0μm〜20μmの触媒層からなる燃料極と空気極を形
成し一体化し、触媒層外側に集電材として多孔質の支持
層(カーボンペーパー、気孔率約80%)を付し、さら
に水素や酸素といった反応ガスの供給路をかねているセ
パレータ(仕切り板)によって挟持されている。燃料
(水素)と酸化剤(空気)が直接反応しないように、こ
れらを隔離し、かつ燃料極で生成する水素イオン(プロ
トン)を空気極側まで運ぶ必要がある。常温(100℃
以下)で作動し、固体の高分子膜中をプロトンが動く燃
料電池で、固体高分子膜には、イオン交換基としてスル
フォン酸基を持つパーフルオロカーボンスルフォン酸構
造を持つ薄膜(厚さ50μm程度)が使用でき、コンパ
クトな電池をつくることができる。出力性能は、1〜3
A/cm2 、0. 6〜2. 1V/単セルで、2. 1W/
cm2 の高出力密度が得られる。
【0004】このPEFCにおいては、固体高分子膜の
両側に、それぞれ、電極を配置した単位セルを複数個積
層し、その起電力を目的に合せて大きくした、スタック
構造もの(PEFCスタックとも言う)が、一般的であ
るが、例えば、携帯端末用など、起電力をそれほど必要
としないで、平面型で、できるだけ薄いことが要求され
る場合もある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上記のように、近年、
燃料電池が広く使われる可能性が大きくなったきている
が、PEFCにおいは、平面型で、できるだけ薄い形態
のものも要求されるようになってきた。本発明は、これ
に対応するもので、平面状に設けられた単位セルを、電
気的に直列に接続した構造を持つ燃料電池を提供しよう
とするものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明の高分子電解質型
燃料電池は、各単位セルを同じ向きにして平面状に複数
個配設し、所定の隣接する単位セル間を電気的に直列に
接続して、前記複数の単位セルを直列に接続した高分子
電解質型燃料電池であって、前記所定の隣接する単位セ
ル間の電気的な接続をおこなうために、前記所定の隣接
する単位セル間に設けられた、各単位セルと電気的に絶
縁された略単位セルの厚さの絶縁部に、スルホール接続
部、充填ビア接続部、バンプ接続部の少なくとも1つを
設けていることを特徴とするものである。また、本発明
の高分子電解質型燃料電池は、1つの板状の高分子膜電
解質の一部を、その電解質膜として、各単位セルを同じ
向きにして平面状に複数個配設し、所定の隣接する単位
セル間を電気的に直列に接続して、前記複数の単位セル
を直列に接続した高分子電解質型燃料電池であって、前
記所定の隣接する単位セル間の電気的な接続をおこなう
ために、前記所定の隣接する単位セル間の高分子膜電解
質に、スルホール接続部、充填ビア接続部、バンプ接続
部の少なくとも1つを設けていることを特徴とするもの
である。
【0007】
【作用】本発明の高分子電解質型燃料電池は、このよう
な構成にすることにより、平面状に設けられた複数個の
単位セルを、電気的に直列に接続した構造を持つ燃料電
池の提供を可能とするものである。即ち、所定の隣接す
る単位セル間に、各単位セルと電気的に絶縁された略単
位セルの厚さの絶縁部が設けられていることにより、あ
るいは、1つの板状の高分子膜電解質の一部を、その電
解質膜として、各単位セルを、単位セル間に高分子膜電
解質を配するようにして、同じ向きにして平面状に複数
個配設していることにより、従来広く用いられている、
スルホール接続、充填ビア接続、バンプ接続の技術を、
単位セル間の電気的に直列な接続に、適用できるものと
している。
【0008】
【発明の実施の形態】本発明の高分子電解質型燃料電池
の実施の形態例を、図に基づいて説明する。図1(a)
は本発明の高分子電解質型燃料電池の実施の形態の第1
の例の断面図で、図1(b)はその平面図で、図2は第
1の例において充填タイプのスルホール接続部を表裏接
続部とした場合の製造工程図で、図3は第1の例におい
て充填ビア接続部を表裏接続部とした場合の製造工程図
で、図4は第1の例においてバンプ接続部を表裏接続部
とした場合の製造工程図で、図5(a)は本発明の高分
子電解質型燃料電池の実施の形態の第2の例の断面図
で、図5(b)はその平面図で、図6(a)は本発明の
高分子電解質型燃料電池の実施の形態の第3の例の断面
図で、図6(b)はその平面図である。図1〜図6にお
いて、110は単位セル、111は燃料極側セパレータ
(集電体、あるいは電極とも言う)、112は空気極側
セパレータ(集電体、あるいは電極とも言う)、115
は高分子膜電解質、120は絶縁部、125は貫通孔、
130は接続部、131は接続配線、132は表裏接続
部、141、142は配線、160は銅箔、170は貫
通孔、180はめっき層、191、192は導電ペース
ト、211、212は銅箔、220はバンプ、221は
接触部、310は単位セル、311は燃料極側セパレー
タ(集電体、あるいは電極とも言う)、312は空気極
側セパレータ(集電体、あるいは電極とも言う)、31
5は高分子膜電解質、320は絶縁部、330は接続
部、331は接続配線、332は表裏接続部、341、
342は配線、410は単位セル、411は燃料極側セ
パレータ(集電体、あるいは電極とも言う)、412は
空気極側セパレータ(集電体、あるいは電極とも言
う)、415は高分子膜電解質、415Aは板状の高分
子膜電解質、420は絶縁部、430は接続部、431
は接続配線、432は表裏接続部、441、442は配
線である。尚、図2〜図4は図1(a)の接続部130
付近の図である。また、図1(a)は図1(b)のA1
−A2における断面図で、図5(a)は図5(b)のB
1−B2における断面図で、図6(a)は図6(b)の
C1−C2における断面図である。また、図1(b)
中、A3、A4、図5(b)中、B3、B4、図6
(b)中、C3、C4は出力端子部である。
【0009】はじめに、本発明の高分子電解質型燃料電
池の実施の形態の第1の例を図1に基づいて説明する。
第1の例の高分子電解質型燃料電池は、図1に示すよう
に、平面状に単位セル110を複数個配列し、これらを
電気的に直列に接続し、単位セルの個数分(図1では4
個分)の電圧を取り出す高分子電解質型燃料電池で、各
単位セル110のまわりに、これと略同じ厚さの絶縁部
120を設け、全体を平面状にしているもので、簡単に
は、平板状の絶縁部のくり抜き部に、単位セルを嵌め込
んだ状態で、単位セル110と絶縁部120とを平面状
に設けているものである。そして、本例は、所定の隣接
する単位セル間に設けられた、各単位セルと電気的に絶
縁された絶縁部120に、絶縁部を貫通してその表裏の
接続をおこなうための、表裏接続部132を設け、これ
と、隣接する一方の単位セルの燃料極側セパレータ(集
電体、あるいは電極とも言う)および他方の単位セルの
空気極側セパレータ(集電体、あるいは電極とも言う)
と配線接続131とで接続して、隣接する単位セル間を
電気的に直列に接続しているものである。尚、ここで
は、説明を分かり易くする為、図1で単位セルの個数を
4個としているが、5個以上でも良い。絶縁部120と
しては、隣接する単位セル間を、接続する配線である接
続部130(接続配線131および表裏接続部132)
以外では、互いに絶縁されるようにするもので、処理
性、耐久性の面で優れたものであれば特に限定はされな
い。絶縁部120用の材料としては、通常、基板材料が
用いられ、例えば、ガラスエポキシ、ポリイミド樹脂等
が使用される。絶縁部120は、絶縁物のみからなるも
のでも、導電性のものを一部含むような構造でも良い。
接続部130として、スルホール接続部、あるいは、充
填ビア接続部、バンプ接続部のいずれかが、絶縁部12
0中に設けられるが、これらは、従来の配線基板技術の
応用として、形成できる。単位セル110の燃料極側セ
パレータ111、空気極側セパレータ112の材質とし
ては、導電性、強度、耐食性の面で使用に耐え、且つ、
接続配線131との接続性が良いものが好ましいが、通
常、金属材が用いられ、例えば、ステンレス、冷間圧延
鋼板、アルミニウム等が適用される。あるいは、セパレ
ータ112として、これらの金属材を基材とし、高分子
膜電解質側の面に耐酸性かつ電気導電性を有する樹脂膜
を配設したものが適用される。
【0010】以下、接続部130の表裏接続部132
を、充填タイプのスルホール接続部とした場合につい
て、本例の高分子電解質型燃料電池の製造方法の1例
を、図2に基づいて、その処理の流れを簡単に説明して
おく。予め、両面銅貼りガラスエポキシ基板を用いて、
単位セルを嵌め込む孔部を形成しておき(図示していな
い)、その孔部に単位セルを、同じ向きに嵌め込む。
(図2(a)) 次いで、ドリルあるいはレーザにより、充填タイプのス
ルホール接続部を形成するための、貫通孔170を開け
る。(図2(b)) 次いで、デスミア処理および触媒付与処理を行った後、
貫通孔部の表面部を含む全面に無電解めっきを行ない、
更に無電解めっき層上に電解めっきを行ない、貫通孔
(図2(b)の170)をめっき層180で充填し、表
裏を導通させる。(図2(c)) 無電解めっきとしては、無電解ニッケルめっき、無電解
銅めっき等を適宜行なう。無電解めっきは、触媒にて活
性化処理を行った後、所定のめっき液にて行う。また、
電解めっきとしては、通常、銅めっきが行われる。次い
で、表裏面全体にレジスト製版を行ない、レジストから
露出しためっき層180部分をエッチングして接続配線
131を形成し(図示していない)、レジストの除去、
必要に応じ洗浄処理を行ない、本例の高分子電解質型燃
料電池を得る。(図2(d)) 例えば、エッチング液としてはめっき層180を、燃料
極側セパレータ111、空気極側セパレータ112とは
別に選択的にエッチングできるものを使用する。エッチ
ング液としては、塩化第2鉄液等を用い、セパレータの
材質と銅配線のエッチングレートを考慮し、エッチング
条件を決定する。尚、ここでは、貫通孔170を、めっ
き層180で充填したが、貫通孔170を大きくしてお
き、めっき後、貫通孔がまだ表裏で貫通している状態と
する、普通のスルホール接続部としても良い。
【0011】次いで、接続部130の表裏接続部132
を、充填ビア接続部とした場合について、本例の高分子
電解質型燃料電池の製造方法の1例を、図3に基づい
て、その処理の流れを簡単に説明しておく。予め、ガラ
スエポキシ基板を用いて、単位セルをはめ込む孔部を形
成しておき(図示していない)、その孔部に単位セル
を、同じ向きに嵌め込んでおき(図3(a))、ドリル
あるいはレーザにより、充填ビア部を形成するための、
貫通孔125を開ける。(図3(b)) 次いで、スクリーン印刷等を用いて導電性ペーストを均
一な厚さに塗布し、孔加工を施した基板裏側には、吸引
器具を配置し減圧することにより、導電性ペースト19
1を貫通孔125に充填させる。(図3(c)) 次いで、印刷法にて導電性ペースト192を印刷して、
接続配線131を形成して、本例の高分子電解質型燃料
電池を得る。(図3(d)) 導電性ペーストとしては、銀ペースト、銅ペースト、金
ペースト、パラジウムペースト、パラジウム−銀ペース
ト等が挙げられる。
【0012】次いで、接続部130の表裏接続部132
を、バンプ接続部とした場合について、本例の高分子電
解質型燃料電池の製造方法の1例を、図4に基づいて、
その処理の流れを簡単に説明しておく。予め、ガラスエ
ポキシ基板等の絶縁基板を用いて、単位セルをはめ込む
孔部を形成しておき(図示していない)、その孔部に単
位セルを、同じ向きに嵌め込んでおき、その一方の面側
に銅箔211、他方の面側には、そのガラスエポキシ基
板等の絶縁基板側に、導電性のバンプ220を形成した
銅箔212を用意し(図4(a))、これらを積層す
る。(図4(b)) バンプ220は、導電性ペーストの複数回の印刷してバ
ンプ形成したもの、あるいは、ワイヤバンプ、ワイヤバ
ンプを更に導電性ペーストで覆ったもの等が適用でき
る。尚、バンプを作製する際、バンプ部の高さを得ると
ともに、その先端を鋭く尖らせておく。次いで、表裏面
全体にレジスト製版を行ない、レジストから露出しため
っき層180部分をエッチングして接続配線131を形
成し(図示していない)、レジストの除去、必要に応じ
洗浄処理を行ない、本例の高分子電解質型燃料電池を得
る。(図3(d))
【0013】図2〜図4に示す接続部130の形成方法
は、1例でこれに限定はされない。第1の例は、このよ
うに、所定の隣接する単位セル間に、各単位セルと電気
的に絶縁された略単位セルの厚さの絶縁部が設けられて
いることにより、接続部130として、従来広く用いら
れている、スルホール接続、充填ビア接続、バンプ接続
等を採ることができ、且つ、接続部130の形成を各単
位セルに影響のない電気的に安定なものとしている。
【0014】次に、本発明の高分子電解質型燃料電池の
実施の形態の第2の例を図5に基づいて説明する。第2
の例は、第1の例と同様、平面状に単位セル310を複
数個配列し、これらを電気的に直列に接続し、単位セル
の個数分(図5では4個分)の電圧を取り出す高分子電
解質型燃料電池で、接続部330を設ける単位セル31
0間の一部に、これと略同じ厚さの絶縁部320を設
け、全体を平面状にしてあるものであり、言わば、表裏
接続部332を設ける隣接する単位セル間の、高分子膜
電解質320の一部を絶縁部320に置き代えてある構
造のものである。第2の例の場合、1つの平面板状の高
分子膜電解質320の両側の、それぞれ、複数個(図5
では4個)の燃料極側セパレータ311、空気極側セパ
レータ312が、離れた状態で配置されており、各単位
セルの燃料極側セパレータ311、空気極側セパレータ
312は同じ大きさで、同じ位置で相対しており、各単
位セルは分離されている。各単位セルの向きは同じで、
電気的に直列に接続すためには、表裏接続部が必ず必要
となる。第2の例の場合も、所定の隣接する単位セル間
に設けられた、各単位セルと電気的に絶縁された絶縁部
320に、第1の例の場合と同様、絶縁部を貫通してそ
の表裏の接続をおこなうための、表裏接続部332を設
け、これと、隣接する一方の単位セルの燃料極側セパレ
ータ311および他方の単位セルの空気極側セパレータ
312と配線接続331とで接続して、隣接する単位セ
ル間を電気的に接続しているものである。尚、ここで
も、説明を分かり易くする為、図5で単位セルの個数を
4個としているが、5個以上でも良い。第2の例の場合
も、各部(材質や構造等)は、第1の例の場合と同じも
のが適用できる。また、第2の場合も、第1の例と同様
にして、接続部330として、スルホール接続部、ある
いは、充填ビア接続部、バンプ接続部のいずれかが、絶
縁部120中に設けられる。表裏接続部332として、
スルホール接続部、あるいは、充填ビア接続部、バンプ
接続部を含む接続部330の形成は、基本的には、第1
の例の場合で説明したその工程と同様にしておこなうこ
とができる。第2の例の場合も、このように、所定の隣
接する単位セル間に、各単位セルと電気的に絶縁された
略単位セルの厚さの絶縁部320が設けられていること
により、接続部330として、第2の例の場合と同様、
従来広く用いられている、スルホール接続、充填ビア接
続、バンプ接続等を採ることができ、且つ、接続部33
0の形成を各単位セルに影響のない電気的に安定なもの
としている。
【0015】次に、本発明の高分子電解質型燃料電池の
実施の形態の第3の例を図6に基づいて説明する。第3
の例は、1つの単位セルサイズより大サイズの、1つの
板状の高分子膜電解質415Aの一部を、各単位セルの
電解質膜として、各単位セルを同じ向きにして平面状に
複数個配設し、所定の隣接する単位セル間を電気的に直
列に接続して、複数の単位セルすべてを直列に接続し、
単位セルの個数分(図6では4個分)の電圧を取り出す
高分子電解質型燃料電池で、所定の隣接する単位セル間
の電気的な接続をおこなうために、前記所定の隣接する
単位セル間の高分子膜電解質に、表裏接続部432を設
けている。第3の例の場合も、表裏接続部432と、隣
接する一方の単位セルの燃料極側セパレータ411およ
び他方の単位セルの空気極側セパレータ412と配線接
続431とで接続して、隣接する単位セル間を電気的に
接続している。尚、ここでも、説明を分かり易くする
為、図6で単位セルの個数を4個としているが、5個以
上でも良い。第3の例の場合も、第1の例、第2の例と
同様にして、接続部430として、スルホール接続部、
あるいは、充填ビア接続部、バンプ接続部等を、接続す
る所定の隣接する単位セル間の高分子膜電解質に設け
る。表裏接続部432として、スルホール接続部、ある
いは、充填ビア接続部、バンプ接続部を含む接続部43
0の形成は、基本的には、第1の例の場合で説明したそ
の工程と同様にしておこなうことができる。第3の例の
場合も、このように、1つの板状の高分子膜電解質の一
部を、その電解質膜として、各単位セルを、単位セル間
に高分子膜電解質を配するようにして、接続部430と
して、同じ向きにして平面状に複数個配設していること
により、従来広く用いられている、スルホール接続、充
填ビア接続、バンプ接続等の形態を採ることができるも
のとしている。
【0016】上記、第1の例〜第3の例においては、単
位セルを平面状に複数個配列しただけのものであるが、
このような構造のものを、更に、複数重ねた(スタック
状にした)状態の形態も挙げられる。尚、この場合、出
力端子部(図1のA3、A4、図5のB3、B4、図6
のC3、C4に相当)の積層方向の接続は、従来のスタ
ック構造と同様にしてとることができる。
【0017】
【発明の効果】本発明は、上記のように、平面状に設け
られた単位セルを、電気的に直列に接続した構造を持つ
燃料電池の提供を可能とした。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1(a)は本発明の高分子電解質型燃料電池
の実施の形態の第1の例の断面図で、図1(b)はその
平面図である。
【図2】第1の例において充填タイプのスルホール接続
部を表裏接続部とした場合の製造工程図である。
【図3】第1の例において充填ビア接続部を表裏接続部
とした場合の製造工程図である。
【図4】第1の例においてバンプ接続部を表裏接続部と
した場合の製造工程図である。
【図5】図5(a)は本発明の高分子電解質型燃料電池
の実施の形態の第2の例の断面図で、図5(b)はその
平面図である。
【図6】図6(a)は本発明の高分子電解質型燃料電池
の実施の形態の第3の例の断面図で、図6(b)はその
平面図である。
【符号の説明】
110 単位セル 111 燃料極側セパレータ(集電体、ある
いは電極とも言う) 112 空気極側セパレータ(集電体、ある
いは電極とも言う) 115 高分子膜電解質 120 絶縁部 125 貫通孔 130 接続部 131 接続配線 132 表裏接続部 141、142 配線 160 銅箔 170 貫通孔 180 めっき層 191、192 導電ペースト 211、212 銅箔 220 バンプ 221 接触部 310 単位セル 311 燃料極側セパレータ(集電体、ある
いは電極とも言う) 312 空気極側セパレータ(集電体、ある
いは電極とも言う) 315 高分子膜電解質 320 絶縁部 330 接続部 331 接続配線 332 表裏接続部 341、342 配線 410 単位セル 411 燃料極側セパレータ(集電体、ある
いは電極とも言う) 412 空気極側セパレータ(集電体、ある
いは電極とも言う) 415 高分子膜電解質 415A 板状の高分子膜電解質 420 絶縁部 430 接続部 431 接続配線 432 表裏接続部 441、442 配線

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 各単位セルを同じ向きにして平面状に複
    数個配設し、所定の隣接する単位セル間を電気的に直列
    に接続して、前記複数の単位セルを直列に接続した高分
    子電解質型燃料電池であって、前記所定の隣接する単位
    セル間の電気的な接続をおこなうために、前記所定の隣
    接する単位セル間に設けられた、各単位セルと電気的に
    絶縁された略単位セルの厚さの絶縁部に、スルホール接
    続部、充填ビア接続部、バンプ接続部の少なくとも1つ
    を設けていることを特徴とする高分子電解質型燃料電
    池。
  2. 【請求項2】 1つの板状の高分子膜電解質の一部を、
    その電解質膜として、各単位セルを同じ向きにして平面
    状に複数個配設し、所定の隣接する単位セル間を電気的
    に直列に接続して、前記複数の単位セルを直列に接続し
    た高分子電解質型燃料電池であって、前記所定の隣接す
    る単位セル間の電気的な接続をおこなうために、前記所
    定の隣接する単位セル間の高分子膜電解質に、スルホー
    ル接続部、充填ビア接続部、バンプ接続部の少なくとも
    1つを設けていることを特徴とする高分子電解質型燃料
    電池。
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