JP2004200064A - 燃料電池および燃料電池スタック - Google Patents
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Abstract
【課題】電池から燃料が漏れにくく、また、電池の薄型化、小型化を実現することができる燃料電池および燃料電池スタックを提供する。
【解決手段】燃料電池１０は、膜電極接合体１２と、基板１４と、筐体１６とを有する。膜電極接合体１２は、高分子電解質膜１８と、燃料極２０と、空気極２２で構成される。基板１４は、可撓性を有しかつ導体のパターニングが可能な、厚みの薄い材料を用いて形成される。基板１４は、片面１４ａに、膜電極接合体１２の両面に対応して1組の導体層２３ａ、２３ｂおよび引き出し電極２４ａ、２４ｂがパターニング形成される。膜電極接合体１２を間に挟んで、基板１４を折り畳んで、膜電極接合体１２を1組の導体層２３ａ、２３ｂで挟持した構造とする。引き出し電極２４ａ、２４ｂを外部に露出した状態でパッキング３２ａ、３２ｂにより燃料電池本体がシールされる。
【選択図】 図５
【解決手段】燃料電池１０は、膜電極接合体１２と、基板１４と、筐体１６とを有する。膜電極接合体１２は、高分子電解質膜１８と、燃料極２０と、空気極２２で構成される。基板１４は、可撓性を有しかつ導体のパターニングが可能な、厚みの薄い材料を用いて形成される。基板１４は、片面１４ａに、膜電極接合体１２の両面に対応して1組の導体層２３ａ、２３ｂおよび引き出し電極２４ａ、２４ｂがパターニング形成される。膜電極接合体１２を間に挟んで、基板１４を折り畳んで、膜電極接合体１２を1組の導体層２３ａ、２３ｂで挟持した構造とする。引き出し電極２４ａ、２４ｂを外部に露出した状態でパッキング３２ａ、３２ｂにより燃料電池本体がシールされる。
【選択図】 図５
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池および燃料電池スタックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ポータブルパソコン、携帯電話、携帯型ゲーム機等のモバイル機器は、高性能化、高機能化に伴い、電池容量増大へのニーズが高まっている。
【０００３】
例えば携帯電話について見ると、近年、表示部の大画面化、動画像表示機能の付加、Ｗ−ＣＤＭＡ方式による次世代携帯電話サービス化等により、機器の消費電力が益々増大する傾向にある。
【０００４】
これらの機器には、現在、リチウム２次電池が汎用されている。しかしながら、リチウム２次電池は、既に電極材料の蓄電容量の９０％以上が活用されており、また、安全性確保の観点を加味すると、エネルギ密度としては４５０Ｗｈ／Ｌ程度が限界であるといわれており、今後、蓄電容量の大幅な増大は望めない状況にある。
【０００５】
このような状況下において、極めて高蓄電容量化が期待できる次世代エネルギデバイスとして、小型燃料電池の研究開発が鋭意進められている。
【０００６】
種々の方式がある小型燃料電池の１つとして、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）がある。
【０００７】
直接メタノール型燃料電池は、燃料として用いるメタノールを燃料極に設けた触媒で分解して水素を生成し、この水素を酸素と反応させて発電するものである。この直接メタノール型燃料電池は、リチウムイオン系電池の約１０倍の大きなエネルギ密度を実現することができ、また、メタノール改質型燃料電池のようなメタノールを分解するための改質器を設ける必要がないため、電池の小型化、軽量化が容易であり、電池の長時間の使用が可能である。
【０００８】
直接メタノール型燃料電池の従来例について、図１を参照して説明する（特許文献１参照。）。図１の組立て分解断面図では、直接メタノール型燃料電池は、複数個でセルパックを構成している。
【０００９】
直接メタノール型燃料電池１は、イオン交換樹脂膜（メンブレン）２の両面に、例えば触媒が担持されたカーボンペーパー等からなる燃料極（触媒層）３ａおよび空気極（触媒層）３ｂが接合されている。そして、燃料極３ａおよび空気極３ｂに引き出し電極をはんだ付け等して直接に接続することは困難であるため、燃料極３ａの外側および空気極３ｂの外側には、それぞれ、金属メッシュからなる集電体（集電板）４ａ、４ｂが設けられ、集電体４ａ、４ｂに別の導電性部材（図示せず。）がはんだ付け等により電気的に接続された状態で外部に引き出される。なお、参照符号５は、空気流通のためのチャネルを示す。
【００１０】
そして、この場合、上記のように構成される直接メタノール型燃料電池１の複数個が電気接続部材６で直列に接続される。複数個の直接メタノール型燃料電池１は、それぞれ上下をエンドプレート７およびエンドプレート８で挟まれ、エンドプレート７およびエンドプレート８を図示しないねじで締結することにより、セルパック全体が一体化されている。エンドプレート７に燃料流入口７ａおよび燃料流出口（燃料流出口は、図１中、燃料流入口７ａの向こう側に位置するため、表われない。）が設けられ、エンドプレート８に空気供給孔８ａが形成される。なお、図１中、参照符号９は、燃料が空気極３ｂ側に浸入することを阻止するための流動阻止部材を示す。
【００１１】
直接メタノール型燃料電池１は、一定の厚みの導電性部材あるいは集電体４ａ、４ｂ自体を直接に燃料電池本体のシール部の外部に引き出すと、シール不良を生じて燃料漏れを生じるおそれがある。このため、シール部の内側に配置された導電性部材あるいは集電体４ａ、４ｂ自体にシール部、実際にはシール部を含む燃料電池本体を覆う筐体を介して導電性材料で形成したねじ等の締結部材が取り付けられ、この締結部材が引き出し電極として機能する。このとき締結部材の取り付け箇所もシール構造とされる。
【００１２】
直接メタノール型燃料電池１において、燃料としてのメタノール水が燃料極３ａに供給され、燃料極３ａの触媒に接したメタノール水中のメタノールと水が反応して水素イオン、二酸化炭素に変換される。生成した水素イオンは、イオン交換膜２を透過して空気極３ｂに達し、空気極３ｂに供給された空気中の酸素と空気極３ｂの触媒上で反応して、水に変換される。このとき、燃料極３ａでの反応により電子が生成するとともに空気極３ｂでの反応により電子が消費されるが、これらの電子が、集電体４ａから図示しない負荷を介して集電体４ｂに流れ込むことで発電され、負荷に電気が供給される。
【００１３】
【特許文献１】
特開２００１−２８３８９２号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の直接メタノール型燃料電池は、別部材としての、イオン交換樹脂膜、燃料極、空気極、イオン交換樹脂膜、集電体および２枚のエンドプレートを重ね合わせて組立てて電池を形成するものであるため、組立て状態あるいは組立て構造によっては、電池から燃料が漏れるおそれがある。
【００１５】
また、各部材は、それぞれ所定の厚みを有するため、燃料電池の薄型化、小型化が制限される。
【００１６】
また、引き出し電極を燃料電池本体のシール部の内側から直接に引き出すことができないため、電極の引き出し構造が煩雑である。
【００１７】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、電池から燃料が漏れにくく、また、電池の薄型化、小型化を実現することができる燃料電池および燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【００１８】
また、本発明は、燃料電池の引き出し電極の引き出し構造の簡易な燃料電池および燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る燃料電池は、電解質膜の両面に燃料極および空気極を接合した膜電極接合体を備えた燃料電池において、１組の導体層を片面に形成した可撓性基板を有し、該可撓性基板が、該膜電極接合体を挟んで、該１組の導体層を対向させて折り畳まれ、該燃料極および該空気極それぞれに該１組の導体層のいずれか一方が接続されるように構成されてなることを特徴とする（請求項１に係る発明）。
【００２０】
ここで、１組の導体層は、それぞれ２以上のブロックに分割された構成であってもよい。この点は、後述する他の部材の組についても同様であり、また、燃料電池スタックについても同様である。
【００２１】
本発明の上記の構成により、集電体となる導体層が形成された可撓性基板の厚みを薄くすることができるため、燃料電池を組立てる際にパッキング等で可撓性基板を含む各部材を挟んで燃料電池の内部をシールするとき、確実にシールすることができる。また、燃料電池を薄型化、小型化することができる。
【００２２】
この場合、前記可撓性基板は、前記１組の導体層のそれぞれに、さらに延出して1組の引き出し電極が形成され、組立て状態において、該引き出し電極が燃料電池本体をシールするシール部の外側に引き出されてなると（請求項２に係る発明）、引き出し電極の引き出し構造が簡易となる。このとき、引き出し電極が形成された可撓性基板の厚みを薄くすることができるため、燃料電池の内部を確実にシールすることができる。
【００２３】
また、この場合、前記可撓性基板は、前記１組の導体層に、さらに延出して、素子を搭載可能な回路パターンが形成されてなると（請求項３に係る発明）、燃料電池を電源とするシステムを構築するとき、素子を搭載する基板を格別に燃料電池の内部あるいは外部に設ける必要がない。ここで、素子は、電子素子（電子回路）および電気素子（電気回路）の両方を含む。
【００２４】
また、この場合、前記可撓性基板の前記1組の引き出し電極が形成されるそれぞれの部位に、該1組の引き出し電極に電気的に接続される１組の導電性の締結部を取り付け可能に構成してなると（請求項４に係る発明）、燃料電池を電源とする電子・電気部品に、あるいは電子・電気部品を搭載した基板に締結部材によって燃料電池を容易に取り付けることができて好適である。
【００２５】
また、この場合、前記1組の引き出し電極が、はんだ付けにより他の部材を接続可能に形成されてなると（請求項５に係る発明）、燃料電池を電源とする電子・電気部品に、あるいは電子・電気部品を搭載した基板にはんだ付けによって燃料電池を容易に取り付けることができて好適である。
【００２６】
また、この場合、前記１組の導体層が凹凸状または網目状に形成されてなると（請求項６に係る発明）、導体層を膜電極接合体に確実に当接させることができ、確実な電気的接続を得ることができる。また、これにより、発電効率が損なわれることがない。
【００２７】
また、本発明に係る燃料電池スタックは、電解質膜の両面に燃料極および空気極を接合した膜電極接合体を備えた燃料電池が複数個配列されてなる燃料電池スタックにおいて、該燃料電池の数に対応する複数組の導体層を片面に形成した可撓性基板を有し、該可撓性基板が、該膜電極接合体の1個を挟んで、該導体層の1組を対向させるように折り畳まれ、該燃料極および該空気極それぞれに該１組の導体層のいずれか一方が接続されるように構成されてなることを特徴とする（請求項８に係る発明）。
【００２８】
これにより、燃料電池の内部を確実にシールした燃料電池スタックを薄型化、小型化することができる。
【００２９】
この場合、前記可撓性基板は、さらに、組立て状態において前記隣り合う燃料電池間を電気的に接続する接続電極が前記導体層に延出して形成されてなると（請求項９に係る発明）、燃料電池間を簡易な接続構造により接続することができる。
【００３０】
また、本発明に係る燃料電池または燃料電池スタックにおいて、前記可撓性基板が、フレキシブルプリント基板であると、上記した本発明の効果をより好適に得ることができ、また、導体層等を容易に形成することができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
本発明に係る燃料電池および燃料電池スタックの好適な実施の形態（以下、本実施の形態例という。）について、直接メタノール型燃料電池を例にとり、図を参照して、以下に説明する。
【００３２】
まず、本実施の形態例に係る燃料電池について、図２〜図５を参照し、組立て手順に従って説明する。図２は膜電極接合体の斜視図を、図３は膜電極接合体を挟むために用いる基板の展開状態の斜視図を、図４は燃料電池の組立て分解斜視図を、図５は組立て状態の燃料電池の断面図（但し、便宜的に、各部材の断面を示す平行斜線模様は省略。）を、それぞれ示す。
【００３３】
本実施の形態例に係る燃料電池１０は、膜電極接合体１２と、膜電極接合体１２を挟むための基板１４と、筐体１６とを有する。
【００３４】
膜電極接合体１２は、図２に示すように、例えば、フッ素系の高分子電解質膜１８と、高分子電解質膜１８の両面に接合された、それぞれカーボンペーパーからなる燃料極２０および空気極２２で構成される（空気極２２については、図４、図５参照。）。燃料極２０および空気極２２は、高分子電解質膜１８よりも一回り小さな矩形状に形成される。
【００３５】
燃料極２０の高分子電解質膜１８に接合する側の面にはＰｔ／Ｒｕ触媒を担持したカーボンが塗布され、一方、空気極２２の高分子電解質膜１８に接合する側の面にはＰｔ触媒を担持したカーボンが塗布されている。燃料極２０および空気極２２は、例えばホットプレス法で高分子電解質膜１８に接着されており、これにより、燃料極２０および空気極２２の各触媒層が高分子電解質膜１８に確実に接触している。
【００３６】
基板１４は、可撓性を有する、厚みの薄い材料を用いる。また、基板１４は、導体のパターニングが可能な材料を用いる。基板１４は、膜電極接合体１２の両面を合計した面積よりも大きな面積に形成される。基板１４のこのような材料としては、汎用される、ポリエステルやポリイミド等の可撓性、屈曲性を有する樹脂材料に銅層等が接着されたフレキシブルプリント基板を好適に用いることができる。フレキシブルプリント基板を用いる場合、その厚みは特に限定するものではないが、強度を確保する観点から１５μｍ以上程度の厚みに形成し、一方、燃料電池のシール性を確保し、さらには、薄型化を確保する観点からは３００μｍ以下程度の厚みに形成することが好ましい。但し、これに限るものではなく、例えば金属薄膜と上記の樹脂材料との積層材に銅層等が接着された基板等を用いてもよい。
【００３７】
基板１４は、片面１４ａに、膜電極接合体１２の両面に対応して1組の導体層２３ａ、２３ｂがパターニング形成される。各導体層２３ａ、２３ｂは、それぞれ燃料極２０および空気極２２とほぼ同じ大きさの矩形状に形成される。この場合、さらに、各導体層２３ａ、２３ｂに延出して、引き出し電極２４ａ、２４ｂがパターニング形成される。なお、このような引き出し電極２４ａ、２４ｂを設けることなく、別部材として引き出し電極を取り付ける、従来の引き出し電極取り付け構造を採用することを排除するものではない。各導体層２３ａ、２３ｂおよび引き出し電極２４ａ、２４ｂの材料は、銅、金、白金等の良好な導電性を有するものが用いられる。各導体層２３ａ、２３ｂおよび引き出し電極２４ａ、２４ｂの厚みは例えば１０〜１０５ｎｍ程度に形成する。
【００３８】
筐体１６は、図４および図５に示すように、２つの半体２６ａ、２６ｂで構成される。各半体２６ａ、２６ｂは、例えば絶縁性樹脂材料を用いてモールド成形される。空気極２２側に配設される半体２６ａは、空気を空気極２２に導入するための複数のスリット２９が形成される。燃料極２０側に配設される半体２６ｂは、燃料を燃料極２０に導入するための複数の燃料導入口２８が形成され、燃料極２０側の面に複数の燃料導入口２８に連通して複数の燃料通路３０が形成される。なお、図４中、参照符号３１は生成する二酸化炭素の排出口を示す。
【００３９】
上記の膜電極接合体１２および基板１４および筐体１６を用いた燃料電池１０の組立て構造を、図４および図５を参照して説明する。
【００４０】
基板１４の片面１４ａ上に膜電極接合体１２を配置し、片面１４ａを内側にして、膜電極接合体１２を間に挟んで、図３中Ａ−Ａ線で基板１４を折り畳むことにより、膜電極接合体１２を1組の導体層２３ａ、２３ｂで挟持した構造となる。
【００４１】
この膜電極接合体１２を間に挟んだ、折り畳んだ基板１４の両外面の周縁部にそれぞれ枠体状のパッキング３２ａ、３２ｂを配設する。このとき、パッキング３２ａ、３２ｂは、燃料極２０および空気極２２の間からはみ出した高分子電解質膜１８の周縁部および1組の導体層２３ａ、２３ｂが形成された基板１４の部分のみを上下から挟む位置に配置される。
【００４２】
さらに、引き出し電極２４ａ、２４ｂが形成された基板１４の部分を露出した状態で基板１４およびパッキング３２ａ、３２ｂを覆うようにして２つの半体２６ａ、２６ｂを配設し、図示しない締結部材で２つの半体２６ａ、２６ｂを締結することにより、全部材が一体的に固定された燃料電池１０が得られる。なお、図示しないが、燃料電池１０は、スリット２９、２９から流入する空気が空気極に流通するための流通構造が設けられ、また、燃料通路３０ａ〜３０ｃに流入した燃料が燃料極に流通するための流通構造が設けられる。また、図５は、引き出し電極２４ａを含む断面を示しているため、引き出し電極２４ｂは表われない。
【００４３】
燃料電池１０は、例えば、適宜の手段により、１組の引き出し電極２４ａ、２４ｂ間に電線を介して負荷を接続することにより、燃料電池１０を電源として負荷に電力が供給される。
【００４４】
以上説明した本実施の形態例に係る燃料電池１０は、集電体として、厚みの薄い、導体層が形成された基板を用いているため、基板をパッキングで挟んだ状態であっても、燃料電池の内部を確実にシールすることができる。また、これにより、燃料漏れを防止することができる。また、燃料電池を薄型化、小型化することができる。このとき、基板としてフレキシブルプリント基板を用いたものは、上記の効果を好適に得ることができるとともに、燃料電池を作製するときの取り扱い性に優れる。一方、基板として金属薄膜を含む積層基板を用いたものは、強度に優れるため、燃料電池組立て時あるいは使用時において何らかの力が作用したとしても破れ等を生じるおそれがない。
【００４５】
また、本実施の形態例に係る燃料電池１０は、基板にパターニング形成された引き出し電極がそのまま燃料電池本体をシールするシール部（パッキンで挟んだ部分）の外側に引き出されているため、燃料漏れのない引き出し電極の引き出し構造が簡易である。
【００４６】
上記本実施の形態例に係る燃料電池１０において、図５の構成に変えて、図６に示すように、引き出し電極が形成された基板１４の部分を各半体２６ａ、２６ｂ側に折り返し、別部材である基板３４を各半体２６ａ、２６ｂに当てた状態で、導電性の締結部材としての１組の金属製のねじ（多数本であってよい。）３６を用いて、基板３４を各半体２６ａ、２６ｂに固定できる構成としてもよい（図６中、導体層および引き出し電極は図示を省いている。）。基板３４に形成される図示しない回路（回路パターン）は、ねじ３６を介して引き出し電極と電気的に接続される。
【００４７】
これにより、燃料電池１０を電源とする電子・電気部品を搭載した基板３４にねじによって燃料電池１０を取り付けることができて好適である。なお、この場合、電子・電気部品を、引き出し電極が形成された基板１４に直接に取り付けてもよい。
【００４８】
また、この場合、締結部材を用いることなく、基板３４をはんだ付けにより引き出し電極に取り付けて、基板３４の回路（他の部材）と電気的に接続可能な構成としてもよい。
【００４９】
つぎに、本実施の形態例に係る燃料電池１０の変形例について、図７を参照して説明する。
【００５０】
変形例は、基板の構造のみが本実施の形態例に係る燃料電池１０と相違する。
【００５１】
すなわち、変形例の基板３８は、導体層４０ａ、４０ｂの部分を機械的に打ち抜き加工して、基板３８部分を含めて１組の導体層４０ａ、４０ｂを網目状に形成したものである。
【００５２】
上記の変形例に係る燃料電池は、基板３８の網目間の孔部４２をそれぞれの半体内部に導入された燃料または空気を燃料極または空気極に均一に流入させるための通路とすることができる。また、導体層４０ａ、４０ｂが網目状に形成されており、言いかえれば一種の凹凸状に形成された状態にあるため、導体層４０ａ、４０ｂを膜電極接合体に圧接させることで、導体層４０ａ、４０ｂと膜電極接合体とを導体層４０ａ、４０ｂ凸部分で確実に接触させることができ、確実に電気的に接続することができる。また、これにより、良好な発電効率を得ることができる。この場合、導体層を凹凸状に形成しても、同様の効果を得ることができる。
【００５３】
つぎに、本実施の形態例に係る燃料電池スタック４４について、図８の基板の展開図および図９の燃料電池スタックの概略断面図を参照して説明する。
【００５４】
ここでは、燃料電池スタックとして、２個の燃料電池（燃料電池セル）を直列に配列したものを例にとって説明する。なお、燃料電池の基本的な構成は、上記の本実施の形態例に係る燃料電池について説明したものと同様であるため、重複する説明を省略する。
【００５５】
１枚の基板４４は、２個の膜電極接合体１２ａ、１２ｂの両面の面積の合計に対応する大きさに形成される。そして、基板４４の片面４４ａの４分割される各部分に導体層４６ａ、４６ｂ、４８ａ、４８ｂがパターニング形成される。導体層４６ａおよび導体層４６ｂならびに導体層４８ａおよび導体層４８ｂがそれぞれ１組の導体層とされる。このとき、それぞれ１組の導体層は、例えば、導体層４６ａが空気極２２ａに接触される側および導体層４６ｂが燃料極２０ａに接触される側とされ、導体層４８ａが燃料極２０ｂに接触される側および導体層４８ｂが空気極２２ｂに接触される側とされる。基板には、導体層および導体層に延出して引き出し電極５０ａ、５０ｂがパターニング形成される。さらに、導体層４６ｂおよび導体層４８ｂを電気的に接続する接続電極５２がパターニング形成される。
【００５６】
上記のように構成される基板４４を、それぞれ１組の導体層４６ａおよび４６ｂ、４８ａおよび４８ｂが対向して位置するようにして、かつそれぞれ１組の導体層４６ａおよび４６ｂ、４８ａおよび４８ｂ間に膜電極接合体１２ａ、１２ｂを挟むようにして、折り畳む。すなわち、Ａ１−Ａ１線およびＡ３−Ａ３線を挟んで片面４４ａが向き合って膜電極接合体１２ａを挟んで重なるように、言いかえれば、Ａ１−Ａ１線およびＡ３−Ａ３線を内側にして、かつ、Ａ２−Ａ２線を挟んで片面４４ａが互いに外向きになるように、言いかえれば、Ａ２−Ａ２線を外側にして、基板４４を折り畳むことにより、図９に示す、２つの燃料電池１０ａ、１０ｂが、２個重ねて直列に接続された、本実施の形態例に係る燃料電池スタック５４が完成する。
【００５７】
以上説明した本実施の形態例に係る燃料電池スタック５４は、燃料電池の内部を確実にシールした状態で薄型、小型に形成することができる。また、燃料電池間を接続する接続電極が基板に形成した導体パターンであるため、簡易な接続構造によって燃料電池間を接続することができる。また、燃料電池スタック５４は、2個の燃料電池１０ａ、１０ｂを重ね合わせた状態において、それぞれ外側（重ね合わせた側と反対側）に空気極２２ａ、２２ｂ側を配置することで、空気極２２ａ、２２ｂの全面に空気を均一に流通させる構造を容易に得ることができる。
【００５８】
なお、本実施の形態例に係る燃料電池スタック５４は、１枚の基板に複数組の導体層を一括して形成したが、これに限らず、１組の導体層のみを形成した基板を複数枚接合して用いること、すなわち、本実施の形態例に係る燃料電池１０を個別に作製したものを複数個接合して用いることを排除するものではない。
【００５９】
つぎに、本実施の形態例に係る燃料電池スタックの第１の変形例について、図１０を参照して説明する。
【００６０】
第１の変形例は、基板の構成のみが本実施の形態例に係る燃料電池スタック５４と相違する。
【００６１】
すなわち、基板５６には、図１０中上側の左右に燃料極に接触される導体層５８ａおよび空気極に接触される導体層５８ｂからなる１組の導体層が、下側の左右に燃料極に接触される導体層６０ａおよび空気極に接触される導体層６０ｂからなる他の１組の導体層が、それぞれ形成される。導体層５８ｂおよび導体層６０ａに延出して引き出し電極６２ａ、６２ｂがパターニング形成される。さらに、導体層および導体層を電気的に接続する接続電極６４がパターニング形成される。
【００６２】
上記のように構成される基板５６を、それぞれ１組の導体層５８ａおよび５８ｂ、６０ａおよび６０ｂが対向して位置するようにして、かつそれぞれ１組の導体層５８ａおよび５８ｂ、６０ａおよび６０ｂ間に膜電極接合体を挟むようにして、折り畳む。すなわち、基板５６を、Ａ４−Ａ４線を内側にして折り畳む。さらに、折り畳まれることで展開状態の半分の寸法となったＡ５−Ａ５線を適当な方向に折り畳むことにより、２つの燃料電池が、２個重ねて直列に接続された燃料電池スタックが完成する。
【００６３】
第１の変形例に係る燃料電池スタックは、燃料電池間を電気的に接続する接続電極となる導体パターンが短くて済む。
【００６４】
つぎに、本実施の形態例に係る燃料電池スタックの第２の変形例について、図１１を参照して説明する。
【００６５】
第２の変形例は、基板の構成が第１の変形例に係る燃料電池スタックの基板５６とさらに相違する。
【００６６】
すなわち、第２の変形例の基板６６は、各導体層６８ａ、６８ｂ、７０ａ、７０ｂおよび引き出し電極７２ａ、７２ｂについては基板５６のものと同様であるが、導体層６８ｂおよび導体層７０ａに接続して、素子を搭載可能な回路パターン７４がさらに形成されている。
【００６７】
そして、燃料電池スタックを組立てるとき、パッキングを回路パターン７４よりも内側に配設すれば、言いかえれば、回路パターン７４よりも内側に筐体を設ければ、回路パターン７４を燃料電池の外側に配置させることができ、一方、パッキングを回路パターン７４よりも外側に配設すれば、言いかえれば、回路パターン７４よりも外側に筐体を設ければ、回路パターン７４を燃料電池の内側（内部）に配置させることができる。
【００６８】
これにより、燃料電池スタックを電源とする例えばＬＥＤ等の電気素子（電気回路）を燃料電池と一体としたシステムを構築するとき、あるいは、燃料電池スタックを電源とする外部の負荷の使用電圧に対応して燃料電池の出力電圧を昇圧するためのＩＣ等の電子素子（電子回路）を含むシステムを構築するとき、これらの電気素子や電子素子を搭載する基板を格別に燃料電池スタックの内部あるいは外部に設ける必要がない。
【００６９】
なお、燃料電池１個を単独で用いるとき、上記の燃料電池スタックの場合と同様に、燃料電池１個に用いる基板に回路パターンを形成しておけば、上記の燃料電池スタックの場合と同様の効果を得ることができる。
【００７０】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池によれば、電解質膜の両面に燃料極および空気極を接合した膜電極接合体を備えた燃料電池において、１組の導体層を片面に形成した可撓性基板を有し、可撓性基板が、膜電極接合体を挟んで、１組の導体層を対向させて折り畳まれ、燃料極および空気極それぞれに１組の導体層のいずれか一方が接続されるように構成されてなるため、集電体となる導体層が形成された可撓性基板の厚みを薄くすることができ、燃料電池を組立てる際にパッキング等で可撓性基板を含む各部材を挟んで燃料電池の内部をシールするとき、確実にシールすることができる。また、燃料電池を薄型化、小型化することができる。
【００７１】
また、本発明に係る燃料電池によれば、可撓性基板は、１組の導体層のそれぞれに、さらに延出して1組の引き出し電極が形成され、組立て状態において、引き出し電極が燃料電池本体をシールするシール部の外側に引き出されてなるため、引き出し電極の引き出し構造が簡易となる。
【００７２】
また、本発明に係る燃料電池によれば、可撓性基板は、１組の導体層に、さらに延出して、素子を搭載可能な回路パターンが形成されてなるため、燃料電池を電源とするシステムを構築するとき、素子を搭載する基板を格別に燃料電池の内部あるいは外部に設ける必要がない。
【００７３】
また、本発明に係る燃料電池によれば、可撓性基板の1組の引き出し電極が形成されるそれぞれの部位に、1組の引き出し電極に電気的に接続される１組の導電性の締結部を取り付け可能に構成してなるため、燃料電池を電源とする電子・電気部品に、あるいは電子・電気部品を搭載した基板に締結部材によって燃料電池を容易に取り付けることができる。
【００７４】
また、本発明に係る燃料電池によれば、1組の引き出し電極が、はんだ付けにより他の部材を接続可能に形成されてなるため、燃料電池を電源とする電子・電気部品に、あるいは電子・電気部品を搭載した基板にはんだ付けによって燃料電池を容易に取り付けることができる。
【００７５】
また、本発明に係る燃料電池によれば、１組の導体層が凹凸状または網目状に形成されてなるため、確実な電気的接続を得ることができる。また、これにより、発電効率が損なわれることがない。
【００７６】
また、本発明に係る燃料電池スタックによれば、電解質膜の両面に燃料極および空気極を接合した膜電極接合体を備えた燃料電池が複数個配列されてなる燃料電池スタックにおいて、燃料電池の数に対応する複数組の導体層を片面に形成した可撓性基板を有し、可撓性基板が、膜電極接合体の1個を挟んで、導体層の1組を対向させるように折り畳まれ、燃料極および空気極それぞれに１組の導体層のいずれか一方が接続されるように構成されてなるため、燃料電池の内部を確実にシールした燃料電池スタックを薄型化、小型化することができる。
【００７７】
また、本発明に係る燃料電池スタックによれば、可撓性基板は、さらに、組立て状態において隣り合う燃料電池間を電気的に接続する接続電極が導体層に延出して形成されてなるため、燃料電池間を簡易な接続構造により接続することができる。
【００７８】
また、本発明に係る燃料電池または燃料電池スタックにおいて、前記可撓性基板が、フレキシブルプリント基板であると、上記した本発明の効果をより好適に得ることができ、また、導体層等を容易に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の直接メタノール型燃料電池の組立て分解断面図である。
【図２】本実施の形態例に係る燃料電池に用いる膜接合体の斜視図である。
【図３】本実施の形態例に係る燃料電池に用いる基板の展開状態の斜視図である。
【図４】本実施の形態例に係る燃料電池の組立て分解斜視図である。
【図５】本実施の形態例に係る燃料電池の断面図である。
【図６】図５の燃料電池にねじにより基板を取り付ける状態を説明するための図である。
【図７】本実施の形態例に係る燃料電池の変形例に用いる基板の展開図である。
【図８】本実施の形態例に係る燃料電池スタックに用いる基板の展開図である。
【図９】本実施の形態例に係る燃料電池スタックの組立て状態における概略構成を示す断面図である。
【図１０】本実施の形態例に係る燃料電池スタックの第１の変形例に用いる基板の展開図である。
【図１１】本実施の形態例に係る燃料電池スタックの第２の変形例に用いる基板の展開図である。
【符号の説明】
１０、１０ａ、１０ｂ 燃料電池
１２、１２ａ、１２ｂ 膜電極接合体
１４、３８、４４、５６、６６ 基板
１６ 筐体
１８ 高分子電解質膜
２０、２０ａ、２０ｂ 燃料極
２２、２２ａ、２２ｂ 空気極
２３ａ、２３ｂ、４０ａ、４０ｂ、４６ａ、４６ｂ、４８ａ、４８ｂ、５８ａ、５８ｂ、６０ａ、６０ｂ、６８ａ、６８ｂ、７０ａ、７０ｂ 導体層
２４ａ、２４ｂ、５０ａ、５０ｂ、６２ａ、６２ｂ、７２ａ、７２ｂ引き出し電極
２６ａ、２６ｂ 半体
３２ａ、３２ｂ パッキング
３６ ねじ
５２、６４ 接続電極
５４ 燃料電池スタック
７４ 回路パターン
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池および燃料電池スタックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ポータブルパソコン、携帯電話、携帯型ゲーム機等のモバイル機器は、高性能化、高機能化に伴い、電池容量増大へのニーズが高まっている。
【０００３】
例えば携帯電話について見ると、近年、表示部の大画面化、動画像表示機能の付加、Ｗ−ＣＤＭＡ方式による次世代携帯電話サービス化等により、機器の消費電力が益々増大する傾向にある。
【０００４】
これらの機器には、現在、リチウム２次電池が汎用されている。しかしながら、リチウム２次電池は、既に電極材料の蓄電容量の９０％以上が活用されており、また、安全性確保の観点を加味すると、エネルギ密度としては４５０Ｗｈ／Ｌ程度が限界であるといわれており、今後、蓄電容量の大幅な増大は望めない状況にある。
【０００５】
このような状況下において、極めて高蓄電容量化が期待できる次世代エネルギデバイスとして、小型燃料電池の研究開発が鋭意進められている。
【０００６】
種々の方式がある小型燃料電池の１つとして、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）がある。
【０００７】
直接メタノール型燃料電池は、燃料として用いるメタノールを燃料極に設けた触媒で分解して水素を生成し、この水素を酸素と反応させて発電するものである。この直接メタノール型燃料電池は、リチウムイオン系電池の約１０倍の大きなエネルギ密度を実現することができ、また、メタノール改質型燃料電池のようなメタノールを分解するための改質器を設ける必要がないため、電池の小型化、軽量化が容易であり、電池の長時間の使用が可能である。
【０００８】
直接メタノール型燃料電池の従来例について、図１を参照して説明する（特許文献１参照。）。図１の組立て分解断面図では、直接メタノール型燃料電池は、複数個でセルパックを構成している。
【０００９】
直接メタノール型燃料電池１は、イオン交換樹脂膜（メンブレン）２の両面に、例えば触媒が担持されたカーボンペーパー等からなる燃料極（触媒層）３ａおよび空気極（触媒層）３ｂが接合されている。そして、燃料極３ａおよび空気極３ｂに引き出し電極をはんだ付け等して直接に接続することは困難であるため、燃料極３ａの外側および空気極３ｂの外側には、それぞれ、金属メッシュからなる集電体（集電板）４ａ、４ｂが設けられ、集電体４ａ、４ｂに別の導電性部材（図示せず。）がはんだ付け等により電気的に接続された状態で外部に引き出される。なお、参照符号５は、空気流通のためのチャネルを示す。
【００１０】
そして、この場合、上記のように構成される直接メタノール型燃料電池１の複数個が電気接続部材６で直列に接続される。複数個の直接メタノール型燃料電池１は、それぞれ上下をエンドプレート７およびエンドプレート８で挟まれ、エンドプレート７およびエンドプレート８を図示しないねじで締結することにより、セルパック全体が一体化されている。エンドプレート７に燃料流入口７ａおよび燃料流出口（燃料流出口は、図１中、燃料流入口７ａの向こう側に位置するため、表われない。）が設けられ、エンドプレート８に空気供給孔８ａが形成される。なお、図１中、参照符号９は、燃料が空気極３ｂ側に浸入することを阻止するための流動阻止部材を示す。
【００１１】
直接メタノール型燃料電池１は、一定の厚みの導電性部材あるいは集電体４ａ、４ｂ自体を直接に燃料電池本体のシール部の外部に引き出すと、シール不良を生じて燃料漏れを生じるおそれがある。このため、シール部の内側に配置された導電性部材あるいは集電体４ａ、４ｂ自体にシール部、実際にはシール部を含む燃料電池本体を覆う筐体を介して導電性材料で形成したねじ等の締結部材が取り付けられ、この締結部材が引き出し電極として機能する。このとき締結部材の取り付け箇所もシール構造とされる。
【００１２】
直接メタノール型燃料電池１において、燃料としてのメタノール水が燃料極３ａに供給され、燃料極３ａの触媒に接したメタノール水中のメタノールと水が反応して水素イオン、二酸化炭素に変換される。生成した水素イオンは、イオン交換膜２を透過して空気極３ｂに達し、空気極３ｂに供給された空気中の酸素と空気極３ｂの触媒上で反応して、水に変換される。このとき、燃料極３ａでの反応により電子が生成するとともに空気極３ｂでの反応により電子が消費されるが、これらの電子が、集電体４ａから図示しない負荷を介して集電体４ｂに流れ込むことで発電され、負荷に電気が供給される。
【００１３】
【特許文献１】
特開２００１−２８３８９２号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の直接メタノール型燃料電池は、別部材としての、イオン交換樹脂膜、燃料極、空気極、イオン交換樹脂膜、集電体および２枚のエンドプレートを重ね合わせて組立てて電池を形成するものであるため、組立て状態あるいは組立て構造によっては、電池から燃料が漏れるおそれがある。
【００１５】
また、各部材は、それぞれ所定の厚みを有するため、燃料電池の薄型化、小型化が制限される。
【００１６】
また、引き出し電極を燃料電池本体のシール部の内側から直接に引き出すことができないため、電極の引き出し構造が煩雑である。
【００１７】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、電池から燃料が漏れにくく、また、電池の薄型化、小型化を実現することができる燃料電池および燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【００１８】
また、本発明は、燃料電池の引き出し電極の引き出し構造の簡易な燃料電池および燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る燃料電池は、電解質膜の両面に燃料極および空気極を接合した膜電極接合体を備えた燃料電池において、１組の導体層を片面に形成した可撓性基板を有し、該可撓性基板が、該膜電極接合体を挟んで、該１組の導体層を対向させて折り畳まれ、該燃料極および該空気極それぞれに該１組の導体層のいずれか一方が接続されるように構成されてなることを特徴とする（請求項１に係る発明）。
【００２０】
ここで、１組の導体層は、それぞれ２以上のブロックに分割された構成であってもよい。この点は、後述する他の部材の組についても同様であり、また、燃料電池スタックについても同様である。
【００２１】
本発明の上記の構成により、集電体となる導体層が形成された可撓性基板の厚みを薄くすることができるため、燃料電池を組立てる際にパッキング等で可撓性基板を含む各部材を挟んで燃料電池の内部をシールするとき、確実にシールすることができる。また、燃料電池を薄型化、小型化することができる。
【００２２】
この場合、前記可撓性基板は、前記１組の導体層のそれぞれに、さらに延出して1組の引き出し電極が形成され、組立て状態において、該引き出し電極が燃料電池本体をシールするシール部の外側に引き出されてなると（請求項２に係る発明）、引き出し電極の引き出し構造が簡易となる。このとき、引き出し電極が形成された可撓性基板の厚みを薄くすることができるため、燃料電池の内部を確実にシールすることができる。
【００２３】
また、この場合、前記可撓性基板は、前記１組の導体層に、さらに延出して、素子を搭載可能な回路パターンが形成されてなると（請求項３に係る発明）、燃料電池を電源とするシステムを構築するとき、素子を搭載する基板を格別に燃料電池の内部あるいは外部に設ける必要がない。ここで、素子は、電子素子（電子回路）および電気素子（電気回路）の両方を含む。
【００２４】
また、この場合、前記可撓性基板の前記1組の引き出し電極が形成されるそれぞれの部位に、該1組の引き出し電極に電気的に接続される１組の導電性の締結部を取り付け可能に構成してなると（請求項４に係る発明）、燃料電池を電源とする電子・電気部品に、あるいは電子・電気部品を搭載した基板に締結部材によって燃料電池を容易に取り付けることができて好適である。
【００２５】
また、この場合、前記1組の引き出し電極が、はんだ付けにより他の部材を接続可能に形成されてなると（請求項５に係る発明）、燃料電池を電源とする電子・電気部品に、あるいは電子・電気部品を搭載した基板にはんだ付けによって燃料電池を容易に取り付けることができて好適である。
【００２６】
また、この場合、前記１組の導体層が凹凸状または網目状に形成されてなると（請求項６に係る発明）、導体層を膜電極接合体に確実に当接させることができ、確実な電気的接続を得ることができる。また、これにより、発電効率が損なわれることがない。
【００２７】
また、本発明に係る燃料電池スタックは、電解質膜の両面に燃料極および空気極を接合した膜電極接合体を備えた燃料電池が複数個配列されてなる燃料電池スタックにおいて、該燃料電池の数に対応する複数組の導体層を片面に形成した可撓性基板を有し、該可撓性基板が、該膜電極接合体の1個を挟んで、該導体層の1組を対向させるように折り畳まれ、該燃料極および該空気極それぞれに該１組の導体層のいずれか一方が接続されるように構成されてなることを特徴とする（請求項８に係る発明）。
【００２８】
これにより、燃料電池の内部を確実にシールした燃料電池スタックを薄型化、小型化することができる。
【００２９】
この場合、前記可撓性基板は、さらに、組立て状態において前記隣り合う燃料電池間を電気的に接続する接続電極が前記導体層に延出して形成されてなると（請求項９に係る発明）、燃料電池間を簡易な接続構造により接続することができる。
【００３０】
また、本発明に係る燃料電池または燃料電池スタックにおいて、前記可撓性基板が、フレキシブルプリント基板であると、上記した本発明の効果をより好適に得ることができ、また、導体層等を容易に形成することができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
本発明に係る燃料電池および燃料電池スタックの好適な実施の形態（以下、本実施の形態例という。）について、直接メタノール型燃料電池を例にとり、図を参照して、以下に説明する。
【００３２】
まず、本実施の形態例に係る燃料電池について、図２〜図５を参照し、組立て手順に従って説明する。図２は膜電極接合体の斜視図を、図３は膜電極接合体を挟むために用いる基板の展開状態の斜視図を、図４は燃料電池の組立て分解斜視図を、図５は組立て状態の燃料電池の断面図（但し、便宜的に、各部材の断面を示す平行斜線模様は省略。）を、それぞれ示す。
【００３３】
本実施の形態例に係る燃料電池１０は、膜電極接合体１２と、膜電極接合体１２を挟むための基板１４と、筐体１６とを有する。
【００３４】
膜電極接合体１２は、図２に示すように、例えば、フッ素系の高分子電解質膜１８と、高分子電解質膜１８の両面に接合された、それぞれカーボンペーパーからなる燃料極２０および空気極２２で構成される（空気極２２については、図４、図５参照。）。燃料極２０および空気極２２は、高分子電解質膜１８よりも一回り小さな矩形状に形成される。
【００３５】
燃料極２０の高分子電解質膜１８に接合する側の面にはＰｔ／Ｒｕ触媒を担持したカーボンが塗布され、一方、空気極２２の高分子電解質膜１８に接合する側の面にはＰｔ触媒を担持したカーボンが塗布されている。燃料極２０および空気極２２は、例えばホットプレス法で高分子電解質膜１８に接着されており、これにより、燃料極２０および空気極２２の各触媒層が高分子電解質膜１８に確実に接触している。
【００３６】
基板１４は、可撓性を有する、厚みの薄い材料を用いる。また、基板１４は、導体のパターニングが可能な材料を用いる。基板１４は、膜電極接合体１２の両面を合計した面積よりも大きな面積に形成される。基板１４のこのような材料としては、汎用される、ポリエステルやポリイミド等の可撓性、屈曲性を有する樹脂材料に銅層等が接着されたフレキシブルプリント基板を好適に用いることができる。フレキシブルプリント基板を用いる場合、その厚みは特に限定するものではないが、強度を確保する観点から１５μｍ以上程度の厚みに形成し、一方、燃料電池のシール性を確保し、さらには、薄型化を確保する観点からは３００μｍ以下程度の厚みに形成することが好ましい。但し、これに限るものではなく、例えば金属薄膜と上記の樹脂材料との積層材に銅層等が接着された基板等を用いてもよい。
【００３７】
基板１４は、片面１４ａに、膜電極接合体１２の両面に対応して1組の導体層２３ａ、２３ｂがパターニング形成される。各導体層２３ａ、２３ｂは、それぞれ燃料極２０および空気極２２とほぼ同じ大きさの矩形状に形成される。この場合、さらに、各導体層２３ａ、２３ｂに延出して、引き出し電極２４ａ、２４ｂがパターニング形成される。なお、このような引き出し電極２４ａ、２４ｂを設けることなく、別部材として引き出し電極を取り付ける、従来の引き出し電極取り付け構造を採用することを排除するものではない。各導体層２３ａ、２３ｂおよび引き出し電極２４ａ、２４ｂの材料は、銅、金、白金等の良好な導電性を有するものが用いられる。各導体層２３ａ、２３ｂおよび引き出し電極２４ａ、２４ｂの厚みは例えば１０〜１０５ｎｍ程度に形成する。
【００３８】
筐体１６は、図４および図５に示すように、２つの半体２６ａ、２６ｂで構成される。各半体２６ａ、２６ｂは、例えば絶縁性樹脂材料を用いてモールド成形される。空気極２２側に配設される半体２６ａは、空気を空気極２２に導入するための複数のスリット２９が形成される。燃料極２０側に配設される半体２６ｂは、燃料を燃料極２０に導入するための複数の燃料導入口２８が形成され、燃料極２０側の面に複数の燃料導入口２８に連通して複数の燃料通路３０が形成される。なお、図４中、参照符号３１は生成する二酸化炭素の排出口を示す。
【００３９】
上記の膜電極接合体１２および基板１４および筐体１６を用いた燃料電池１０の組立て構造を、図４および図５を参照して説明する。
【００４０】
基板１４の片面１４ａ上に膜電極接合体１２を配置し、片面１４ａを内側にして、膜電極接合体１２を間に挟んで、図３中Ａ−Ａ線で基板１４を折り畳むことにより、膜電極接合体１２を1組の導体層２３ａ、２３ｂで挟持した構造となる。
【００４１】
この膜電極接合体１２を間に挟んだ、折り畳んだ基板１４の両外面の周縁部にそれぞれ枠体状のパッキング３２ａ、３２ｂを配設する。このとき、パッキング３２ａ、３２ｂは、燃料極２０および空気極２２の間からはみ出した高分子電解質膜１８の周縁部および1組の導体層２３ａ、２３ｂが形成された基板１４の部分のみを上下から挟む位置に配置される。
【００４２】
さらに、引き出し電極２４ａ、２４ｂが形成された基板１４の部分を露出した状態で基板１４およびパッキング３２ａ、３２ｂを覆うようにして２つの半体２６ａ、２６ｂを配設し、図示しない締結部材で２つの半体２６ａ、２６ｂを締結することにより、全部材が一体的に固定された燃料電池１０が得られる。なお、図示しないが、燃料電池１０は、スリット２９、２９から流入する空気が空気極に流通するための流通構造が設けられ、また、燃料通路３０ａ〜３０ｃに流入した燃料が燃料極に流通するための流通構造が設けられる。また、図５は、引き出し電極２４ａを含む断面を示しているため、引き出し電極２４ｂは表われない。
【００４３】
燃料電池１０は、例えば、適宜の手段により、１組の引き出し電極２４ａ、２４ｂ間に電線を介して負荷を接続することにより、燃料電池１０を電源として負荷に電力が供給される。
【００４４】
以上説明した本実施の形態例に係る燃料電池１０は、集電体として、厚みの薄い、導体層が形成された基板を用いているため、基板をパッキングで挟んだ状態であっても、燃料電池の内部を確実にシールすることができる。また、これにより、燃料漏れを防止することができる。また、燃料電池を薄型化、小型化することができる。このとき、基板としてフレキシブルプリント基板を用いたものは、上記の効果を好適に得ることができるとともに、燃料電池を作製するときの取り扱い性に優れる。一方、基板として金属薄膜を含む積層基板を用いたものは、強度に優れるため、燃料電池組立て時あるいは使用時において何らかの力が作用したとしても破れ等を生じるおそれがない。
【００４５】
また、本実施の形態例に係る燃料電池１０は、基板にパターニング形成された引き出し電極がそのまま燃料電池本体をシールするシール部（パッキンで挟んだ部分）の外側に引き出されているため、燃料漏れのない引き出し電極の引き出し構造が簡易である。
【００４６】
上記本実施の形態例に係る燃料電池１０において、図５の構成に変えて、図６に示すように、引き出し電極が形成された基板１４の部分を各半体２６ａ、２６ｂ側に折り返し、別部材である基板３４を各半体２６ａ、２６ｂに当てた状態で、導電性の締結部材としての１組の金属製のねじ（多数本であってよい。）３６を用いて、基板３４を各半体２６ａ、２６ｂに固定できる構成としてもよい（図６中、導体層および引き出し電極は図示を省いている。）。基板３４に形成される図示しない回路（回路パターン）は、ねじ３６を介して引き出し電極と電気的に接続される。
【００４７】
これにより、燃料電池１０を電源とする電子・電気部品を搭載した基板３４にねじによって燃料電池１０を取り付けることができて好適である。なお、この場合、電子・電気部品を、引き出し電極が形成された基板１４に直接に取り付けてもよい。
【００４８】
また、この場合、締結部材を用いることなく、基板３４をはんだ付けにより引き出し電極に取り付けて、基板３４の回路（他の部材）と電気的に接続可能な構成としてもよい。
【００４９】
つぎに、本実施の形態例に係る燃料電池１０の変形例について、図７を参照して説明する。
【００５０】
変形例は、基板の構造のみが本実施の形態例に係る燃料電池１０と相違する。
【００５１】
すなわち、変形例の基板３８は、導体層４０ａ、４０ｂの部分を機械的に打ち抜き加工して、基板３８部分を含めて１組の導体層４０ａ、４０ｂを網目状に形成したものである。
【００５２】
上記の変形例に係る燃料電池は、基板３８の網目間の孔部４２をそれぞれの半体内部に導入された燃料または空気を燃料極または空気極に均一に流入させるための通路とすることができる。また、導体層４０ａ、４０ｂが網目状に形成されており、言いかえれば一種の凹凸状に形成された状態にあるため、導体層４０ａ、４０ｂを膜電極接合体に圧接させることで、導体層４０ａ、４０ｂと膜電極接合体とを導体層４０ａ、４０ｂ凸部分で確実に接触させることができ、確実に電気的に接続することができる。また、これにより、良好な発電効率を得ることができる。この場合、導体層を凹凸状に形成しても、同様の効果を得ることができる。
【００５３】
つぎに、本実施の形態例に係る燃料電池スタック４４について、図８の基板の展開図および図９の燃料電池スタックの概略断面図を参照して説明する。
【００５４】
ここでは、燃料電池スタックとして、２個の燃料電池（燃料電池セル）を直列に配列したものを例にとって説明する。なお、燃料電池の基本的な構成は、上記の本実施の形態例に係る燃料電池について説明したものと同様であるため、重複する説明を省略する。
【００５５】
１枚の基板４４は、２個の膜電極接合体１２ａ、１２ｂの両面の面積の合計に対応する大きさに形成される。そして、基板４４の片面４４ａの４分割される各部分に導体層４６ａ、４６ｂ、４８ａ、４８ｂがパターニング形成される。導体層４６ａおよび導体層４６ｂならびに導体層４８ａおよび導体層４８ｂがそれぞれ１組の導体層とされる。このとき、それぞれ１組の導体層は、例えば、導体層４６ａが空気極２２ａに接触される側および導体層４６ｂが燃料極２０ａに接触される側とされ、導体層４８ａが燃料極２０ｂに接触される側および導体層４８ｂが空気極２２ｂに接触される側とされる。基板には、導体層および導体層に延出して引き出し電極５０ａ、５０ｂがパターニング形成される。さらに、導体層４６ｂおよび導体層４８ｂを電気的に接続する接続電極５２がパターニング形成される。
【００５６】
上記のように構成される基板４４を、それぞれ１組の導体層４６ａおよび４６ｂ、４８ａおよび４８ｂが対向して位置するようにして、かつそれぞれ１組の導体層４６ａおよび４６ｂ、４８ａおよび４８ｂ間に膜電極接合体１２ａ、１２ｂを挟むようにして、折り畳む。すなわち、Ａ１−Ａ１線およびＡ３−Ａ３線を挟んで片面４４ａが向き合って膜電極接合体１２ａを挟んで重なるように、言いかえれば、Ａ１−Ａ１線およびＡ３−Ａ３線を内側にして、かつ、Ａ２−Ａ２線を挟んで片面４４ａが互いに外向きになるように、言いかえれば、Ａ２−Ａ２線を外側にして、基板４４を折り畳むことにより、図９に示す、２つの燃料電池１０ａ、１０ｂが、２個重ねて直列に接続された、本実施の形態例に係る燃料電池スタック５４が完成する。
【００５７】
以上説明した本実施の形態例に係る燃料電池スタック５４は、燃料電池の内部を確実にシールした状態で薄型、小型に形成することができる。また、燃料電池間を接続する接続電極が基板に形成した導体パターンであるため、簡易な接続構造によって燃料電池間を接続することができる。また、燃料電池スタック５４は、2個の燃料電池１０ａ、１０ｂを重ね合わせた状態において、それぞれ外側（重ね合わせた側と反対側）に空気極２２ａ、２２ｂ側を配置することで、空気極２２ａ、２２ｂの全面に空気を均一に流通させる構造を容易に得ることができる。
【００５８】
なお、本実施の形態例に係る燃料電池スタック５４は、１枚の基板に複数組の導体層を一括して形成したが、これに限らず、１組の導体層のみを形成した基板を複数枚接合して用いること、すなわち、本実施の形態例に係る燃料電池１０を個別に作製したものを複数個接合して用いることを排除するものではない。
【００５９】
つぎに、本実施の形態例に係る燃料電池スタックの第１の変形例について、図１０を参照して説明する。
【００６０】
第１の変形例は、基板の構成のみが本実施の形態例に係る燃料電池スタック５４と相違する。
【００６１】
すなわち、基板５６には、図１０中上側の左右に燃料極に接触される導体層５８ａおよび空気極に接触される導体層５８ｂからなる１組の導体層が、下側の左右に燃料極に接触される導体層６０ａおよび空気極に接触される導体層６０ｂからなる他の１組の導体層が、それぞれ形成される。導体層５８ｂおよび導体層６０ａに延出して引き出し電極６２ａ、６２ｂがパターニング形成される。さらに、導体層および導体層を電気的に接続する接続電極６４がパターニング形成される。
【００６２】
上記のように構成される基板５６を、それぞれ１組の導体層５８ａおよび５８ｂ、６０ａおよび６０ｂが対向して位置するようにして、かつそれぞれ１組の導体層５８ａおよび５８ｂ、６０ａおよび６０ｂ間に膜電極接合体を挟むようにして、折り畳む。すなわち、基板５６を、Ａ４−Ａ４線を内側にして折り畳む。さらに、折り畳まれることで展開状態の半分の寸法となったＡ５−Ａ５線を適当な方向に折り畳むことにより、２つの燃料電池が、２個重ねて直列に接続された燃料電池スタックが完成する。
【００６３】
第１の変形例に係る燃料電池スタックは、燃料電池間を電気的に接続する接続電極となる導体パターンが短くて済む。
【００６４】
つぎに、本実施の形態例に係る燃料電池スタックの第２の変形例について、図１１を参照して説明する。
【００６５】
第２の変形例は、基板の構成が第１の変形例に係る燃料電池スタックの基板５６とさらに相違する。
【００６６】
すなわち、第２の変形例の基板６６は、各導体層６８ａ、６８ｂ、７０ａ、７０ｂおよび引き出し電極７２ａ、７２ｂについては基板５６のものと同様であるが、導体層６８ｂおよび導体層７０ａに接続して、素子を搭載可能な回路パターン７４がさらに形成されている。
【００６７】
そして、燃料電池スタックを組立てるとき、パッキングを回路パターン７４よりも内側に配設すれば、言いかえれば、回路パターン７４よりも内側に筐体を設ければ、回路パターン７４を燃料電池の外側に配置させることができ、一方、パッキングを回路パターン７４よりも外側に配設すれば、言いかえれば、回路パターン７４よりも外側に筐体を設ければ、回路パターン７４を燃料電池の内側（内部）に配置させることができる。
【００６８】
これにより、燃料電池スタックを電源とする例えばＬＥＤ等の電気素子（電気回路）を燃料電池と一体としたシステムを構築するとき、あるいは、燃料電池スタックを電源とする外部の負荷の使用電圧に対応して燃料電池の出力電圧を昇圧するためのＩＣ等の電子素子（電子回路）を含むシステムを構築するとき、これらの電気素子や電子素子を搭載する基板を格別に燃料電池スタックの内部あるいは外部に設ける必要がない。
【００６９】
なお、燃料電池１個を単独で用いるとき、上記の燃料電池スタックの場合と同様に、燃料電池１個に用いる基板に回路パターンを形成しておけば、上記の燃料電池スタックの場合と同様の効果を得ることができる。
【００７０】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池によれば、電解質膜の両面に燃料極および空気極を接合した膜電極接合体を備えた燃料電池において、１組の導体層を片面に形成した可撓性基板を有し、可撓性基板が、膜電極接合体を挟んで、１組の導体層を対向させて折り畳まれ、燃料極および空気極それぞれに１組の導体層のいずれか一方が接続されるように構成されてなるため、集電体となる導体層が形成された可撓性基板の厚みを薄くすることができ、燃料電池を組立てる際にパッキング等で可撓性基板を含む各部材を挟んで燃料電池の内部をシールするとき、確実にシールすることができる。また、燃料電池を薄型化、小型化することができる。
【００７１】
また、本発明に係る燃料電池によれば、可撓性基板は、１組の導体層のそれぞれに、さらに延出して1組の引き出し電極が形成され、組立て状態において、引き出し電極が燃料電池本体をシールするシール部の外側に引き出されてなるため、引き出し電極の引き出し構造が簡易となる。
【００７２】
また、本発明に係る燃料電池によれば、可撓性基板は、１組の導体層に、さらに延出して、素子を搭載可能な回路パターンが形成されてなるため、燃料電池を電源とするシステムを構築するとき、素子を搭載する基板を格別に燃料電池の内部あるいは外部に設ける必要がない。
【００７３】
また、本発明に係る燃料電池によれば、可撓性基板の1組の引き出し電極が形成されるそれぞれの部位に、1組の引き出し電極に電気的に接続される１組の導電性の締結部を取り付け可能に構成してなるため、燃料電池を電源とする電子・電気部品に、あるいは電子・電気部品を搭載した基板に締結部材によって燃料電池を容易に取り付けることができる。
【００７４】
また、本発明に係る燃料電池によれば、1組の引き出し電極が、はんだ付けにより他の部材を接続可能に形成されてなるため、燃料電池を電源とする電子・電気部品に、あるいは電子・電気部品を搭載した基板にはんだ付けによって燃料電池を容易に取り付けることができる。
【００７５】
また、本発明に係る燃料電池によれば、１組の導体層が凹凸状または網目状に形成されてなるため、確実な電気的接続を得ることができる。また、これにより、発電効率が損なわれることがない。
【００７６】
また、本発明に係る燃料電池スタックによれば、電解質膜の両面に燃料極および空気極を接合した膜電極接合体を備えた燃料電池が複数個配列されてなる燃料電池スタックにおいて、燃料電池の数に対応する複数組の導体層を片面に形成した可撓性基板を有し、可撓性基板が、膜電極接合体の1個を挟んで、導体層の1組を対向させるように折り畳まれ、燃料極および空気極それぞれに１組の導体層のいずれか一方が接続されるように構成されてなるため、燃料電池の内部を確実にシールした燃料電池スタックを薄型化、小型化することができる。
【００７７】
また、本発明に係る燃料電池スタックによれば、可撓性基板は、さらに、組立て状態において隣り合う燃料電池間を電気的に接続する接続電極が導体層に延出して形成されてなるため、燃料電池間を簡易な接続構造により接続することができる。
【００７８】
また、本発明に係る燃料電池または燃料電池スタックにおいて、前記可撓性基板が、フレキシブルプリント基板であると、上記した本発明の効果をより好適に得ることができ、また、導体層等を容易に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の直接メタノール型燃料電池の組立て分解断面図である。
【図２】本実施の形態例に係る燃料電池に用いる膜接合体の斜視図である。
【図３】本実施の形態例に係る燃料電池に用いる基板の展開状態の斜視図である。
【図４】本実施の形態例に係る燃料電池の組立て分解斜視図である。
【図５】本実施の形態例に係る燃料電池の断面図である。
【図６】図５の燃料電池にねじにより基板を取り付ける状態を説明するための図である。
【図７】本実施の形態例に係る燃料電池の変形例に用いる基板の展開図である。
【図８】本実施の形態例に係る燃料電池スタックに用いる基板の展開図である。
【図９】本実施の形態例に係る燃料電池スタックの組立て状態における概略構成を示す断面図である。
【図１０】本実施の形態例に係る燃料電池スタックの第１の変形例に用いる基板の展開図である。
【図１１】本実施の形態例に係る燃料電池スタックの第２の変形例に用いる基板の展開図である。
【符号の説明】
１０、１０ａ、１０ｂ 燃料電池
１２、１２ａ、１２ｂ 膜電極接合体
１４、３８、４４、５６、６６ 基板
１６ 筐体
１８ 高分子電解質膜
２０、２０ａ、２０ｂ 燃料極
２２、２２ａ、２２ｂ 空気極
２３ａ、２３ｂ、４０ａ、４０ｂ、４６ａ、４６ｂ、４８ａ、４８ｂ、５８ａ、５８ｂ、６０ａ、６０ｂ、６８ａ、６８ｂ、７０ａ、７０ｂ 導体層
２４ａ、２４ｂ、５０ａ、５０ｂ、６２ａ、６２ｂ、７２ａ、７２ｂ引き出し電極
２６ａ、２６ｂ 半体
３２ａ、３２ｂ パッキング
３６ ねじ
５２、６４ 接続電極
５４ 燃料電池スタック
７４ 回路パターン
Claims (10)
- 電解質膜の両面に燃料極および空気極を接合した膜電極接合体を備えた燃料電池において、
１組の導体層を片面に形成した可撓性基板を有し、
該可撓性基板が、該膜電極接合体を挟んで、該１組の導体層を対向させて折り畳まれ、該燃料極および該空気極それぞれに該１組の導体層のいずれか一方が接続されるように構成されてなることを特徴とする燃料電池。 - 前記可撓性基板は、前記１組の導体層のそれぞれに、さらに延出して1組の引き出し電極が形成され、
組立て状態において、該引き出し電極が燃料電池本体をシールするシール部の外側に引き出されてなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。 - 前記可撓性基板は、前記１組の導体層に、さらに延出して、素子を搭載可能な回路パターンが形成されてなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
- 前記可撓性基板の前記1組の引き出し電極が形成されるそれぞれの部位に、該1組の引き出し電極に電気的に接続される１組の導電性の締結部を取り付け可能に構成してなることを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
- 前記1組の引き出し電極が、はんだ付けにより他の部材を接続可能に形成されてなることを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
- 前記１組の導体層が凹凸状または網目状に形成されてなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池。
- 前記可撓性基板がフレキシブルプリント基板であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池。
- 電解質膜の両面に燃料極および空気極を接合した膜電極接合体を備えた燃料電池が複数個配列されてなる燃料電池スタックにおいて、
該燃料電池の数に対応する複数組の導体層を片面に形成した可撓性基板を有し、
該可撓性基板が、該膜電極接合体の1個を挟んで、該導体層の1組を対向させるように折り畳まれ、該燃料極および該空気極それぞれに該１組の導体層のいずれか一方が接続されるように構成されてなることを特徴とする燃料電池スタック。 - 前記可撓性基板は、さらに、組立て状態において前記隣り合う燃料電池間を電気的に接続する接続電極が前記導体層に延出して形成されてなることを特徴とする請求項８記載の燃料電池スタック。
- 前記可撓性基板がフレキシブルプリント基板であることを特徴とする請求項８または９記載の燃料電池スタック。
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