JP2004273260A - 燃料電池およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】複数の発電部を電気的に直列に接続するとともに、簡単かつコンパクトな構成で、シール性能の向上を図ることを可能にする。
【解決手段】ＭＥＡユニット１２は、多孔質樹脂フィルム２２上にアノード側電極２８、高分子電解質２９およびカソード側電極３０を積層して複数の発電部を構成する。電解質・電極構造体２４（１）のカソード側電極３０に電気的に接続される導電材３６と、電解質・電極構造体２４（２）のアノード側電極２８に電気的に接続される金属フィルム３２とを備えるとともに、前記導電材３６は、前記金属フィルム３２に電気的に接続する膨出部３６ａを設ける。電解質・電極構造体２４（１）のカソード側電極３０と、電解質・電極構造体２４（２）のアノード側電極２８とは、導電材３６および金属フィルム３２を介して電気的に接続される。
【選択図】図３
【解決手段】ＭＥＡユニット１２は、多孔質樹脂フィルム２２上にアノード側電極２８、高分子電解質２９およびカソード側電極３０を積層して複数の発電部を構成する。電解質・電極構造体２４（１）のカソード側電極３０に電気的に接続される導電材３６と、電解質・電極構造体２４（２）のアノード側電極２８に電気的に接続される金属フィルム３２とを備えるとともに、前記導電材３６は、前記金属フィルム３２に電気的に接続する膨出部３６ａを設ける。電解質・電極構造体２４（１）のカソード側電極３０と、電解質・電極構造体２４（２）のアノード側電極２８とは、導電材３６および金属フィルム３２を介して電気的に接続される。
【選択図】図３
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される発電部を備え、複数の前記発電部が平面状に配設される燃料電池およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子形燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜（電解質）を採用している。この電解質膜の両側に、それぞれカーボンを主体とする基材に貴金属系の電極触媒層を接合したアノード側電極およびカソード側電極を設けた電解質・電極構造体（発電部）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持した単位セルを備えている。通常、この単位セルは、所定数だけ積層することにより燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この種の燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、他の燃料電池では、複数の単位セルを平面状に１列または複数列に配設し、各単位セル同士を電気的に直列に接続した平面形燃料電池が採用されている。例えば、図１５に示す平面形燃料電池（特許文献１参照）では、電解質層１ａ〜１ｄを挟んで空気極（カソード極）２ａ〜２ｄと燃料極（アノード極）３ａ〜３ｄとを対設した複数個の単位セル４ａ〜４ｄを、同じ極が同じ面に並ぶように平面に配列している。単位セル４ａ〜４ｄは、導電性のＺ字状接続板５ａ〜５ｃにより接続されて、各単位セル４ａ〜４ｄが電気的に直列に接続されている。
【０００５】
具体的には、Ｚ字状接続板５ａが単位セル４ａの空気極２ａと単位セル４ｂの燃料極３ｂとを接続し、Ｚ字状接続板５ｂが単位セル４ｂの空気極２ｂと単位セル４ｃの燃料極３ｃとを接続し、Ｚ字状接続板５ｃが単位セル４ｃの空気極２ｃと単位セル４ｄの燃料極３ｄとを接続している。単位セル４ａの燃料極３ａは、陰極側電流端子６ａに接続される一方、単位セル４ｄの空気極２ｄは、陽極側電流端子６ｂに接続されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−５６８５５号公報（図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の特許文献１では、各単位セル４ａ〜４ｄを電気的に直列に接続するために、専用のＺ字状接続板５ａ〜５ｃが用いられており、前記Ｚ字状接続板５ａ〜５ｃが、空気極２ａ〜２ｄと燃料極３ａ〜３ｄとに跨っている。このため、空気極２ａ〜２ｄと燃料極３ａ〜３ｄとの間におけるシール構造等の信頼性を確保することが困難になるという問題が指摘されている。
【０００８】
しかも、燃料電池の厚さ方向（矢印Ｔ方向）の寸法が拡大してしまい、燃料電池全体の小型化を図ることができないという問題がある。さらに、各単位セル４ａ〜４ｄは、基本的に独立した部品であり、基準となる面がないために前記単位セル４ａ〜４ｄ同士の位置精度が得られないという問題がある。
【０００９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、複数の発電部を電気的に直列に接続するとともに、簡単かつコンパクトな構成で、シール性の向上を図って所望の電圧を確保することが可能な燃料電池およ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】
本発明の請求項１に係る燃料電池では、電解質をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される複数の発電部が、単一の多孔質非導電性フィルム上に配設されるとともに、各発電部のそれぞれ同一の極側が前記多孔質非導電性フィルムに対向している。すなわち、各発電部は、それぞれ同一の極側が単一の多孔質非導電性フィルムの同一の面に配置されている。
【００１１】
そして、隣接する一方の発電部のアノード側電極が、第１フィルム状導電材に電気的に接続されるとともに、隣接する他方の発電部のカソード側電極が、第２フィルム状導電材に電気的に接続される。その際、第１または第２フィルム状導電材は、電解質から離間する位置で前記第１および第２フィルム状導電材を電気的に接続する膨出部を設けている。
【００１２】
このため、隣接する発電部同士は、第１および第２フィルム状導電材によりアノード側電極とカソード側電極とが接続され、全体として複数の発電部が電気的に直列に接続される。
【００１３】
具体的には、隣接する第１および第２の発電部において、前記第１の発電部のアノード側電極に接続された第１フィルム状導電材と、前記第２の発電部のカソード側電極に接続された第２フィルム状導電材とが、電気的に結合される。従って、第１の発電部と第２の発電部とは、電気的に接続される。
【００１４】
さらに、第２の発電部のアノード側電極に接続された第１フィルム状導電材は、前記第２の発電部に隣接する第３の発電部のカソード側電極に接続された第２フィルム状導電材と電気的に結合される。従って、第２の発電部と第３の発電部とは、電気的に接続され、第１の発電部、第２の発電部および第３の発電部は、電気的に直列に接続される。
【００１５】
これにより、従来の専用のＺ字状接続板が不要になるため、構成が簡素化されて経済的であるとともに、シール構造等の信頼性が有効に向上する。しかも、燃料電池全体の構成が簡素化される他、燃料電池の小型化が容易に図られる。
【００１６】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池では、第１フィルム状導電材は、アノード側電極のアノード拡散層と略同一平面上に構成されるとともに、第２フィルム状導電材は、カソード側電極のカソード拡散層と略同一平面上に構成される。このため、燃料電池は、厚さ方向（積層方向）の寸法が可及的に薄肉化され、燃料電池全体の小型化が遂行可能になる。
【００１７】
さらに、本発明の請求項３に係る燃料電池では、第１フィルム状導電材は、金属フィルムで構成されるとともに、第２フィルム状導電材は、樹脂と電気導電材との複合材で構成される。一方、本発明の請求項４に係る燃料電池では、第１フィルム状導電材は、樹脂と電気導電材との複合材で構成されるとともに、第２フィルム状導電材は、金属フィルムで構成される。
【００１８】
その際、金属フイルムは、製作時の取り扱い性に優れる一方、複合材は、位置精度を厳密に維持する必要がない。従って、燃料電池の製造作業が簡便に遂行されるとともに、構成の簡素化および小型化が容易に図られる。しかも、カソード側電極とアノード側電極とは、いずれを上下に設定してもよく、汎用性に優れる。
【００１９】
さらにまた、本発明の請求項５に係る燃料電池の製造方法では、単一の多孔質非導電性フィルム上に、第１フィルム状導電材が固着された後、前記多孔質非導電性フィルム上に、隣接する第１および第２の発電部を構成する一方の電極（例えば、アノード側電極）が設けられるとともに、前記第２の発電部を構成する一方の電極が前記第１フィルム状導電材と電気的に接続される。
【００２０】
次いで、一方の電極に、それぞれ第１フィルム状導電材に一部を重ね合わせて第１および第２の電解質が設けられ、前記第１および第２の電解質には、第１および第２の発電部を構成する他方の電極（例えば、カソード側電極）が設けられる。そして、第１の発電部を構成する他方の電極と第１フィルム状導電材とが、第２フィルム状導電材を介して電気的に接続されるとともに、前記第２フィルム状導電材上および該第２フィルム状導電材と前記他方の電極との隙間を覆って絶縁樹脂が設けられる。
【００２１】
このように、多孔質非導電性フィルム上に構成材料を、順次、重ねることによって燃料電池が製造されるため、この燃料電池の製造作業が有効に簡素化される。しかも、多孔質非導電性フィルムは、製造作業時の基準平面を構成しており、各発電部の位置決め精度が良好に向上する。さらに、平面上の界面でシールされるため、積層方向に貫通するシール必要部位がなく、所望のシール性能を確実に得ることができる。
【００２２】
また、本発明の請求項６に係る燃料電池の製造方法では、第２の発電部の一方の電極を構成する拡散層が、第１フィルム状導電材と電気的に接続されるとともに、前記第１の発電部の他方の電極を構成する拡散層が、第２フィルム状導電材と電気的に接続される。これにより、第１の発電部の他方の電極と第２の発電部の一方の電極とは、コンパクトな構成で、電気的に確実に接続される。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の要部分解斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池１０の要部断面説明図である。
【００２４】
燃料電池１０は、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）ユニット１２と、このＭＥＡユニット１２の両面に配置される第１および第２セパレータ１４、１６とを備える。
【００２５】
燃料電池１０の矢印Ｂ方向の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に連通して、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔１８ａと、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔２０ａとが、矢印Ｃ方向一端側に配列して設けられる。燃料電池１０の矢印Ｂ方向の一端縁部には、矢印Ａ方向に連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔１８ｂと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとが、矢印Ｃ方向他端側に配列して設けられる。
【００２６】
ＭＥＡユニット１２は、多孔質樹脂フィルム（多孔質非導電性フィルム）２２を備える。この多孔質樹脂フィルム２２の面内には、複数の電解質・電極構造体（発電部）２４（１）〜２４（ｎ）が所定の数ずつ配列して設けられる。
【００２７】
図３に示すように、多孔質樹脂フィルム２２上には、後述する電極が設けられていない部分に対応してラミネート窓枠フイルム、例えば、シリコンフィルム２６が設けられる。この多孔質樹脂フィルム２２には、所定の位置に複数の孔部２７が形成される（図１参照）。
【００２８】
図３および図４に示すように、電解質・電極構造体２４（１）は、多孔質樹脂フィルム２２上に設けられるアノード側電極２８と、前記アノード側電極２８上に積層される高分子電解質２９と、前記高分子電解質２９上に積層されるカソード側電極３０とを備える。アノード側電極２８は、導電性のアノード拡散層２８ａと、アノード電極触媒層２８ｂとを設ける一方、カソード側電極３０は、導電性のカソード拡散層３０ａと、カソード電極触媒層３０ｂとを備える。
【００２９】
高分子電解質２９は、電解質・電極構造体２４（１）に隣接する電解質・電極構造体２４（２）側に突出する端部２９ａを設け、この端部２９ａは、多孔質樹脂フィルム２２上のシリコンフィルム２６に積層された金属フィルム（第１フィルム状導電材）３２の一端部上に積層される。
【００３０】
金属フィルム３２の他端は、電解質・電極構造体２４（２）のアノード側電極２８近傍に延在しており、この他端には、前記アノード側電極２８を構成するアノード拡散層２８ａから電解質・電極構造体２４（１）側に突出する端部２８ａａが積層される。電解質・電極構造体２４（２）の高分子電解質２９は、電解質・電極構造体２４（１）側に突出してアノード拡散層２８ａの端部２８ａａから金属フィルム３２上の所定の位置まで覆う端部２９ｂを設ける。互いに対向する高分子電解質２９の端部２９ａ、２９ｂ間には、円柱状の隙間３４ａが形成される。
【００３１】
電解質・電極構造体２４（１）のカソード側電極３０を構成するカソード拡散層３０ａに導電材（第２フィルム状導電材）３６の一端が電気的に接続される。この導電材３６は、樹脂と電気導電材、例えば、カーボンとの複合材で構成され、電解質・電極構造体２４（１）、２４（２）間に設けられる。導電材３６は、電解質・電極構造体２４（２）のカソード側電極３０との間に所定の隙間３４ｂを設けるとともに、高分子電解質２９の端部２９ａ、２９ｂ間の隙間３４ａに突出する膨出部３６ａを有する。
【００３２】
この膨出部３６ａは、金属フィルム３２に電気的に接続され、電解質・電極構造体２４（１）のカソード側電極３０と、電解質・電極構造体２４（２）のアノード側電極２８とが、電気的に接続される。導電材３６上およびこの導電材３６と電解質・電極構造体２４（２）のカソード側電極３０との隙間３４ｂとを覆って絶縁樹脂３８が設けられる。
【００３３】
第１および第２セパレータ１４、１６は、非導電性の伝熱材補強プラスチック製成形体で構成される。図１および図５に示すように、第１セパレータ１４のＭＥＡユニット１２に対向する面１４ａには、矢印Ｃ方向一端側に矢印Ｂ方向に延在して供給マニホールド４０が形成されるとともに、矢印Ｃ方向他端側に矢印Ｂ方向に延在して排出マニホールド４２が形成される。供給マニホールド４０は、凹部形状を有しており、燃料ガス入口連通孔１８ａに連通する。排出マニホールド４２は、同様に凹部形状を有しており、燃料ガス出口連通孔１８ｂに連通する。
【００３４】
面１４ａには、供給マニホールド４０から排出マニホールド４２に向かって燃料ガスを供給するための燃料ガス流路４４が形成される。この燃料ガス流路４４は、矢印Ｃ方向に延在して供給マニホールド４０と排出マニホールド４２とに連通する複数本の流路溝を備えている。面１４ａには、電解質・電極構造体２４（１）〜２４（ｎ）の各アノード側電極２８を収容するための矩形状溝部４６が形成されるとともに、所定の位置に複数のシール付きねじ孔４８が形成される。
【００３５】
面１４ａには、燃料ガス入口連通孔１８ａ、燃料ガス出口連通孔１８ｂ、供給マニホールド４０、排出マニホールド４２および燃料ガス流路４４を覆ってシール５０が焼き付け等により設けられる。第１セパレータ１４は、−（マイナス）側の端子５２が電解質・電極構造体２４（１）のアノード側電極２８に接続可能に設けられる。
【００３６】
図６に示すように、第２セパレータ１６のＭＥＡユニット１２に対向する面１６ａには、酸化剤ガス入口連通孔２０ａに連通して矢印Ｂ方向に延在する供給マニホールド５４と、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに連通して矢印Ｂ方向に延在する排出マニホールド５６とが形成される。供給マニホールド５４と排出マニホールド５６とは、矢印Ｃ方向に延在する複数本の流路溝を備えた酸化剤ガス流路５８を介して連通する。
【００３７】
面１６ａには、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂ、供給マニホールド５４、排出マニホールド５６および酸化剤ガス流路５８を覆ってシール５９が焼き付け等により設けられる。
【００３８】
面１６ａには、電解質・電極構造体２４（１）〜２４（ｎ）の各カソード側電極３０に対応して矩形状の溝部６０が形成される。面１６ａには、所定の位置にシール付き孔部６２が形成されており、図１に示すように、前記シール付き孔部６２からＭＥＡユニット１２の孔部２７を貫通して第２セパレータ１６のシール付きねじ孔４８に締結ねじ６４が螺合して燃料電池１０が一体化される。第２セパレータ１６には、電解質・電極構造体２４（ｎ）のカソード側電極３０に接続可能な＋（プラス）側の端子６６が設けられる。
【００３９】
図１に示すように、第２セパレータ１６の面１６ａとは反対側の面１６ｂには、矢印Ｃ方向に延在してリブ７０が設けられ、前記リブ７０間には、冷却媒体流路７２が形成される。
【００４０】
このように構成される燃料電池１０を製造する作業について、以下に説明する。
【００４１】
なお、隣接する電解質・電極構造体２４（１）、２４（２）を製造する作業について詳細に説明し、電解質・電極構造体２４（３）〜２４（ｎ）の製造作業については、その詳細な説明は省略する。
【００４２】
まず、ＭＥＡユニット１２全体の基準平面を構成する多孔質樹脂フィルム２２が形成され、この多孔質樹脂フィルム２２上に、電解質・電極構造体２４（１）〜２４（ｎ）に対応する打ち抜き窓が設けられたラミネート窓枠フィルムとしてシリコンフィルム２６が設けられる。
【００４３】
そこで、図７に示すように、多孔質樹脂フィルム２２上に接着剤８０を塗布し、この接着剤８０によって金属フィルム３２が貼り付けられる。そして、多孔質樹脂フィルム２２上には、マスキング枠８２を介してアノード拡散層（例えば、カーボンと樹脂）２８ａが塗布され、このアノード拡散層２８ａは乾燥される。その際、電解質・電極構造体２４（２）を構成するアノード拡散層２８ａの端部２８ａａは、金属フィルム３２上に積層されて電気的に接続される。
【００４４】
次いで、図８に示すように、マスキング枠８４が配置され、このマスキング枠８４を用いてアノード電極触媒層２８ｂがアノード拡散層２８ａ上に塗布される。このアノード電極触媒層２８ｂは乾燥される。
【００４５】
さらに、図９に示すように、マスキング枠（スクリーン等）８６を用いて高分子電解質２９が塗布される。具体的には、マスキング枠８６が隙間３４ａに対応する位置に配置されており、電解質・電極構造体２４（１）では、アノード電極触媒層２８ｂ上に設けられた高分子電解質２９の端部２９ａが、金属フィルム３２の端部上まで延在する。一方、電解質・電極構造体２４（２）では、アノード電極触媒層２８ｂから金属フィルム３２上に高分子電解質２９が設けられるとともに、前記高分子電解質２９の端部２９ｂが前記金属フィルム３２上の所定の位置まで延在する。従って、端部２９ａ、２９ｂ間には、マスキング枠８６により円柱状の隙間３４ａが形成される。
【００４６】
高分子電解質２９が乾燥された後、図１０に示すように、マスキング枠８４を用いて、前記高分子電解質２９上にカソード電極触媒層３０ｂが塗布される。カソード電極触媒層３０ｂが乾燥されると、同様にマスキング枠８４を用いて、前記カソード電極触媒層３０ｂ上にカソード拡散層（例えば、カーボンと樹脂）３０ａが塗布されて、このカソード拡散層３０ａが乾燥される。
【００４７】
次に、図１１に示すように、マスキング枠８８を用いて、導電材３６が塗布され、この導電材３６に乾燥処理が施される。導電材３６は、電解質・電極構造体２４（１）を構成するカソード側電極３０のカソード拡散層３０ａに電気的に接続されるとともに、高分子電解質２９の端部２９ａ、２９ｂ間に形成された円形状の隙間３４ａに充填される膨出部３６ａを備える。この膨出部３６ａは、金属フィルム３２に電気的に接続され、電解質・電極構造体２４（１）のカソード側電極３０と、電解質・電極構造体２４（２）のアノード側電極２８とが、導電材３６および金属フィルム３２を介して電気的に接続される。
【００４８】
導電材３６を乾燥させた後、図１２に示すように、マスキング枠９０が用いられ、絶縁樹脂３８が塗布される。この絶縁樹脂３８は、導電材３６上から前記導電材３６と電解質・電極構造体２４（２）のカソード側電極３０との隙間３４ｂに充填され、電解質・電極構造体２４（１）、２４（２）の各カソード側電極３０同士が電気的に絶縁される。これにより、多孔質樹脂フィルム２２上には、隣接する電解質・電極構造体２４（１）、２４（２）が電気的に直列に接続されて製造される。
【００４９】
すなわち、図１３に示すように、電解質・電極構造体２４（１）を構成するカソード側電極３０の端部と導電材３６の端部との間には、電子導電繋ぎ部９２ａが設けられ、前記導電材３６の円柱状の膨出部３６ａの端面と金属フィルム３２の界面には、電子導電繋ぎ部９２ｂが設けられる。さらに、金属フィルム３２と電解質・電極構造体２４（２）のアノード拡散層２８ａの端部２８ａａとの界面には、電子導電繋ぎ部９２ｃが設けられる。
【００５０】
この場合、第１の実施形態では、図３に示すように、金属フィルム３２および導電材３６を介して、電解質・電極構造体２４（１）のカソード側電極３０と、電解質・電極構造体２４（２）のアノード側電極２８とが、電気的に直列に接続されるため、従来の専用のＺ字状接続板が不要になる。これにより、電気接続構造が簡素化されて経済的であるとともに、燃料電池１０全体の構成を小型化かつ簡素化することができるという効果が得られる。
【００５１】
さらに、金属フィルム３２は、製造時の取り扱い性に優れる一方、導電材３６は、位置精度を厳密に維持する必要がない。従って、燃料電池１０の製造作業が簡便に遂行されるとともに、構成の簡素化および小型化が容易に図られる。特に、金属フィルム３２および導電材３６は、アノード側電極２８およびカソード側電極３０と略同一平面上に構成されており、ＭＥＡユニット１２は、厚さ方向の寸法が可及的に薄肉化される。従って、燃料電池１０全体の小型化が一層確実に遂行可能になる。
【００５２】
しかも、燃料ガスと酸化剤ガスとのシール構造は、高分子電解質２９の端部２９ａとシリコンフィルム２６および金属フィルム３２との界面に沿った面方向の距離Ｈ１の範囲、および前記高分子電解質２９の端部２９ｂの界面に沿った距離Ｈ２の範囲内にわたっている。このため、反応ガスのシール構造として、信頼性が有効に向上するという利点がある。
【００５３】
また、第１の実施形態では、多孔質樹脂フィルム２２上に構成材料を、順次、重ねることによって、ＭＥＡユニット１２が製造される。これにより、燃料電池１０全体の製造作業が有効に簡素化される。しかも、多孔質樹脂フィルム２２は、製造作業時の基準平面を構成しており、電解質・電極構造体２４（１）〜２４（ｎ）の位置決め精度が良好に向上するとともに、製造作業の簡素化が図られるという効果がある。
【００５４】
次に、上記の燃料電池１０の動作について説明する。
【００５５】
まず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔１８ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。また、冷却媒体流路７２には、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
【００５６】
このため、酸化剤ガスは、図６に示すように、第２セパレータ１６の面１６ａに形成される供給マニホールド５４に一旦導入された後、酸化剤ガス流路５８に供給される。酸化剤ガスは、複数の流路溝を介して矢印Ｃ方向に移動し、電解質・電極構造体２４（１）〜２４（ｎ）の各カソード側電極３０に供給される。未使用の酸化剤ガスは、排出マニホールド５６から酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに排出される。
【００５７】
一方、燃料ガスは、図５に示すように、第１セパレータ１４の面１４ｂに形成される供給マニホールド４０に導入され、この供給マニホールド４０に連通する燃料ガス流路４４に供給される。この燃料ガス流路４４では、燃料ガスが矢印Ｃ方向に移動しながら、電解質・電極構造体２４（１）〜２４（ｎ）の各アノード側電極２８に供給される。未使用の燃料ガスは、排出マニホールド４２を通って燃料ガス出口連通孔１８ｂから排出される。
【００５８】
従って、電解質・電極構造体２４（１）〜２４（ｎ）では、各カソード側電極３０に供給される酸化剤ガスと、各アノード側電極２８に供給される燃料ガスとが電気化学反応により消費され、発電が行われる。これにより、端子５２、６６間には、全ての発電部である電解質・電極構造体２４（１）〜２４（ｎ）が電気的に直列に接続され、所望の電圧を発生させることができる。
【００５９】
図１４は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成するＭＥＡユニット１００の接続状態を示す説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０を構成するＭＥＡユニット１２と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００６０】
ＭＥＡユニット１００を構成する電解質・電極構造体１０２（１）は、多孔質樹脂フィルム２２上に設けられるカソード側電極３０と、前記カソード側電極３０上に積層される高分子電解質２９と、前記高分子電解質２９上に積層されるアノード側電極２８とを備える。
【００６１】
電解質・電極構造体１０２（１）に隣接する電解質・電極構造体１０２（２）は、カソード側電極３０を構成するカソード拡散層３０ａから電解質・電極構造体１０２（１）側に突出する端部３０ａａが、金属フィルム（第２フィルム状導電材）３２上に積層される。電解質・電極構造体１０２（１）のアノード側電極２８を構成するアノード拡散層２８ａに導電材（第１フィルム状導電材）３６の一端が電気的に接続される。
【００６２】
これにより、第２の実施形態では、多孔質樹脂フィルム２２に対してカソード側電極３０を下、アノード側電極２８を上に配置しており、第１の実施形態とは逆に構成されているが、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００６３】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、従来の専用のＺ字状接続板が不要になり、構成が簡素化されて経済的であるとともに、シール構造等の信頼性が有効に向上する。しかも、燃料電池全体の構成が簡素化される他、前記燃料電池の小型化が容易に図られる。
【００６４】
また、本発明に係る燃料電池の製造方法では、多孔質非導電性フィルム上に構成材料を、順次、重ねることにより、燃料電池の製造作業が有効に簡素化される。しかも、多孔質非導電性フイルムは、製造作業時の基準平面を構成しており、各発電部の位置決め精度が有効に向上する。さらに、平面上の界面でシールされるため、積層方向に貫通するシール必要部位がなく、所望のシール性能を確実に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池の要部断面説明図である。
【図３】前記燃料電池を構成するＭＥＡユニットの接続状態を示す説明図である。
【図４】前記ＭＥＡユニットの正面図である。
【図５】前記燃料電池を構成する第１セパレータの正面図である。
【図６】前記燃料電池を構成する第２セパレータの正面図である。
【図７】多孔質樹脂フィルム上にアノード拡散層を形成する際の説明図である。
【図８】前記アノード拡散層上にアノード電極触媒層を形成する際の説明図である。
【図９】高分子電解質を形成する際の説明図である。
【図１０】カソード電極触媒層およびカソード拡散層を形成する際の説明図である。
【図１１】導電材を形成する際の説明図である。
【図１２】絶縁樹脂を形成する際の説明図である。
【図１３】電子導電繋ぎ部の斜視説明図である。
【図１４】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成するＭＥＡユニットの接続状態を示す説明図である。
【図１５】特許文献１に係る平面形燃料電池の要部断面説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池 １２、１００…ＭＥＡユニット
１４、１６…セパレータ １８ａ…燃料ガス入口連通孔
１８ｂ…燃料ガス出口連通孔 ２０ａ…酸化剤ガス入口連通孔
２０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ２２…多孔質樹脂フィルム
２４（１）〜２４（ｎ）、１０２（１）、１０２（２）…電解質・電極構造体
２６…シリコンフィルム ２８…アノード側電極
２８ａ…アノード拡散層 ２８ａａ、２９ａ、２９ｂ、３０ａａ…端部
２８ｂ…アノード電極触媒層 ２９…高分子電解質
３０…カソード側電極 ３０ａ…カソード拡散層
３０ｂ…カソード電極触媒層 ３２…金属フィルム
３４ａ、３４ｂ…隙間 ３６…導電材
３６ａ…膨出部 ３８…絶縁樹脂
４４…燃料ガス流路 ５８…酸化剤ガス流路
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される発電部を備え、複数の前記発電部が平面状に配設される燃料電池およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子形燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜（電解質）を採用している。この電解質膜の両側に、それぞれカーボンを主体とする基材に貴金属系の電極触媒層を接合したアノード側電極およびカソード側電極を設けた電解質・電極構造体（発電部）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持した単位セルを備えている。通常、この単位セルは、所定数だけ積層することにより燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この種の燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、他の燃料電池では、複数の単位セルを平面状に１列または複数列に配設し、各単位セル同士を電気的に直列に接続した平面形燃料電池が採用されている。例えば、図１５に示す平面形燃料電池（特許文献１参照）では、電解質層１ａ〜１ｄを挟んで空気極（カソード極）２ａ〜２ｄと燃料極（アノード極）３ａ〜３ｄとを対設した複数個の単位セル４ａ〜４ｄを、同じ極が同じ面に並ぶように平面に配列している。単位セル４ａ〜４ｄは、導電性のＺ字状接続板５ａ〜５ｃにより接続されて、各単位セル４ａ〜４ｄが電気的に直列に接続されている。
【０００５】
具体的には、Ｚ字状接続板５ａが単位セル４ａの空気極２ａと単位セル４ｂの燃料極３ｂとを接続し、Ｚ字状接続板５ｂが単位セル４ｂの空気極２ｂと単位セル４ｃの燃料極３ｃとを接続し、Ｚ字状接続板５ｃが単位セル４ｃの空気極２ｃと単位セル４ｄの燃料極３ｄとを接続している。単位セル４ａの燃料極３ａは、陰極側電流端子６ａに接続される一方、単位セル４ｄの空気極２ｄは、陽極側電流端子６ｂに接続されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−５６８５５号公報（図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の特許文献１では、各単位セル４ａ〜４ｄを電気的に直列に接続するために、専用のＺ字状接続板５ａ〜５ｃが用いられており、前記Ｚ字状接続板５ａ〜５ｃが、空気極２ａ〜２ｄと燃料極３ａ〜３ｄとに跨っている。このため、空気極２ａ〜２ｄと燃料極３ａ〜３ｄとの間におけるシール構造等の信頼性を確保することが困難になるという問題が指摘されている。
【０００８】
しかも、燃料電池の厚さ方向（矢印Ｔ方向）の寸法が拡大してしまい、燃料電池全体の小型化を図ることができないという問題がある。さらに、各単位セル４ａ〜４ｄは、基本的に独立した部品であり、基準となる面がないために前記単位セル４ａ〜４ｄ同士の位置精度が得られないという問題がある。
【０００９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、複数の発電部を電気的に直列に接続するとともに、簡単かつコンパクトな構成で、シール性の向上を図って所望の電圧を確保することが可能な燃料電池およ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】
本発明の請求項１に係る燃料電池では、電解質をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される複数の発電部が、単一の多孔質非導電性フィルム上に配設されるとともに、各発電部のそれぞれ同一の極側が前記多孔質非導電性フィルムに対向している。すなわち、各発電部は、それぞれ同一の極側が単一の多孔質非導電性フィルムの同一の面に配置されている。
【００１１】
そして、隣接する一方の発電部のアノード側電極が、第１フィルム状導電材に電気的に接続されるとともに、隣接する他方の発電部のカソード側電極が、第２フィルム状導電材に電気的に接続される。その際、第１または第２フィルム状導電材は、電解質から離間する位置で前記第１および第２フィルム状導電材を電気的に接続する膨出部を設けている。
【００１２】
このため、隣接する発電部同士は、第１および第２フィルム状導電材によりアノード側電極とカソード側電極とが接続され、全体として複数の発電部が電気的に直列に接続される。
【００１３】
具体的には、隣接する第１および第２の発電部において、前記第１の発電部のアノード側電極に接続された第１フィルム状導電材と、前記第２の発電部のカソード側電極に接続された第２フィルム状導電材とが、電気的に結合される。従って、第１の発電部と第２の発電部とは、電気的に接続される。
【００１４】
さらに、第２の発電部のアノード側電極に接続された第１フィルム状導電材は、前記第２の発電部に隣接する第３の発電部のカソード側電極に接続された第２フィルム状導電材と電気的に結合される。従って、第２の発電部と第３の発電部とは、電気的に接続され、第１の発電部、第２の発電部および第３の発電部は、電気的に直列に接続される。
【００１５】
これにより、従来の専用のＺ字状接続板が不要になるため、構成が簡素化されて経済的であるとともに、シール構造等の信頼性が有効に向上する。しかも、燃料電池全体の構成が簡素化される他、燃料電池の小型化が容易に図られる。
【００１６】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池では、第１フィルム状導電材は、アノード側電極のアノード拡散層と略同一平面上に構成されるとともに、第２フィルム状導電材は、カソード側電極のカソード拡散層と略同一平面上に構成される。このため、燃料電池は、厚さ方向（積層方向）の寸法が可及的に薄肉化され、燃料電池全体の小型化が遂行可能になる。
【００１７】
さらに、本発明の請求項３に係る燃料電池では、第１フィルム状導電材は、金属フィルムで構成されるとともに、第２フィルム状導電材は、樹脂と電気導電材との複合材で構成される。一方、本発明の請求項４に係る燃料電池では、第１フィルム状導電材は、樹脂と電気導電材との複合材で構成されるとともに、第２フィルム状導電材は、金属フィルムで構成される。
【００１８】
その際、金属フイルムは、製作時の取り扱い性に優れる一方、複合材は、位置精度を厳密に維持する必要がない。従って、燃料電池の製造作業が簡便に遂行されるとともに、構成の簡素化および小型化が容易に図られる。しかも、カソード側電極とアノード側電極とは、いずれを上下に設定してもよく、汎用性に優れる。
【００１９】
さらにまた、本発明の請求項５に係る燃料電池の製造方法では、単一の多孔質非導電性フィルム上に、第１フィルム状導電材が固着された後、前記多孔質非導電性フィルム上に、隣接する第１および第２の発電部を構成する一方の電極（例えば、アノード側電極）が設けられるとともに、前記第２の発電部を構成する一方の電極が前記第１フィルム状導電材と電気的に接続される。
【００２０】
次いで、一方の電極に、それぞれ第１フィルム状導電材に一部を重ね合わせて第１および第２の電解質が設けられ、前記第１および第２の電解質には、第１および第２の発電部を構成する他方の電極（例えば、カソード側電極）が設けられる。そして、第１の発電部を構成する他方の電極と第１フィルム状導電材とが、第２フィルム状導電材を介して電気的に接続されるとともに、前記第２フィルム状導電材上および該第２フィルム状導電材と前記他方の電極との隙間を覆って絶縁樹脂が設けられる。
【００２１】
このように、多孔質非導電性フィルム上に構成材料を、順次、重ねることによって燃料電池が製造されるため、この燃料電池の製造作業が有効に簡素化される。しかも、多孔質非導電性フィルムは、製造作業時の基準平面を構成しており、各発電部の位置決め精度が良好に向上する。さらに、平面上の界面でシールされるため、積層方向に貫通するシール必要部位がなく、所望のシール性能を確実に得ることができる。
【００２２】
また、本発明の請求項６に係る燃料電池の製造方法では、第２の発電部の一方の電極を構成する拡散層が、第１フィルム状導電材と電気的に接続されるとともに、前記第１の発電部の他方の電極を構成する拡散層が、第２フィルム状導電材と電気的に接続される。これにより、第１の発電部の他方の電極と第２の発電部の一方の電極とは、コンパクトな構成で、電気的に確実に接続される。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０の要部分解斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池１０の要部断面説明図である。
【００２４】
燃料電池１０は、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）ユニット１２と、このＭＥＡユニット１２の両面に配置される第１および第２セパレータ１４、１６とを備える。
【００２５】
燃料電池１０の矢印Ｂ方向の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に連通して、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔１８ａと、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔２０ａとが、矢印Ｃ方向一端側に配列して設けられる。燃料電池１０の矢印Ｂ方向の一端縁部には、矢印Ａ方向に連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔１８ｂと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２０ｂとが、矢印Ｃ方向他端側に配列して設けられる。
【００２６】
ＭＥＡユニット１２は、多孔質樹脂フィルム（多孔質非導電性フィルム）２２を備える。この多孔質樹脂フィルム２２の面内には、複数の電解質・電極構造体（発電部）２４（１）〜２４（ｎ）が所定の数ずつ配列して設けられる。
【００２７】
図３に示すように、多孔質樹脂フィルム２２上には、後述する電極が設けられていない部分に対応してラミネート窓枠フイルム、例えば、シリコンフィルム２６が設けられる。この多孔質樹脂フィルム２２には、所定の位置に複数の孔部２７が形成される（図１参照）。
【００２８】
図３および図４に示すように、電解質・電極構造体２４（１）は、多孔質樹脂フィルム２２上に設けられるアノード側電極２８と、前記アノード側電極２８上に積層される高分子電解質２９と、前記高分子電解質２９上に積層されるカソード側電極３０とを備える。アノード側電極２８は、導電性のアノード拡散層２８ａと、アノード電極触媒層２８ｂとを設ける一方、カソード側電極３０は、導電性のカソード拡散層３０ａと、カソード電極触媒層３０ｂとを備える。
【００２９】
高分子電解質２９は、電解質・電極構造体２４（１）に隣接する電解質・電極構造体２４（２）側に突出する端部２９ａを設け、この端部２９ａは、多孔質樹脂フィルム２２上のシリコンフィルム２６に積層された金属フィルム（第１フィルム状導電材）３２の一端部上に積層される。
【００３０】
金属フィルム３２の他端は、電解質・電極構造体２４（２）のアノード側電極２８近傍に延在しており、この他端には、前記アノード側電極２８を構成するアノード拡散層２８ａから電解質・電極構造体２４（１）側に突出する端部２８ａａが積層される。電解質・電極構造体２４（２）の高分子電解質２９は、電解質・電極構造体２４（１）側に突出してアノード拡散層２８ａの端部２８ａａから金属フィルム３２上の所定の位置まで覆う端部２９ｂを設ける。互いに対向する高分子電解質２９の端部２９ａ、２９ｂ間には、円柱状の隙間３４ａが形成される。
【００３１】
電解質・電極構造体２４（１）のカソード側電極３０を構成するカソード拡散層３０ａに導電材（第２フィルム状導電材）３６の一端が電気的に接続される。この導電材３６は、樹脂と電気導電材、例えば、カーボンとの複合材で構成され、電解質・電極構造体２４（１）、２４（２）間に設けられる。導電材３６は、電解質・電極構造体２４（２）のカソード側電極３０との間に所定の隙間３４ｂを設けるとともに、高分子電解質２９の端部２９ａ、２９ｂ間の隙間３４ａに突出する膨出部３６ａを有する。
【００３２】
この膨出部３６ａは、金属フィルム３２に電気的に接続され、電解質・電極構造体２４（１）のカソード側電極３０と、電解質・電極構造体２４（２）のアノード側電極２８とが、電気的に接続される。導電材３６上およびこの導電材３６と電解質・電極構造体２４（２）のカソード側電極３０との隙間３４ｂとを覆って絶縁樹脂３８が設けられる。
【００３３】
第１および第２セパレータ１４、１６は、非導電性の伝熱材補強プラスチック製成形体で構成される。図１および図５に示すように、第１セパレータ１４のＭＥＡユニット１２に対向する面１４ａには、矢印Ｃ方向一端側に矢印Ｂ方向に延在して供給マニホールド４０が形成されるとともに、矢印Ｃ方向他端側に矢印Ｂ方向に延在して排出マニホールド４２が形成される。供給マニホールド４０は、凹部形状を有しており、燃料ガス入口連通孔１８ａに連通する。排出マニホールド４２は、同様に凹部形状を有しており、燃料ガス出口連通孔１８ｂに連通する。
【００３４】
面１４ａには、供給マニホールド４０から排出マニホールド４２に向かって燃料ガスを供給するための燃料ガス流路４４が形成される。この燃料ガス流路４４は、矢印Ｃ方向に延在して供給マニホールド４０と排出マニホールド４２とに連通する複数本の流路溝を備えている。面１４ａには、電解質・電極構造体２４（１）〜２４（ｎ）の各アノード側電極２８を収容するための矩形状溝部４６が形成されるとともに、所定の位置に複数のシール付きねじ孔４８が形成される。
【００３５】
面１４ａには、燃料ガス入口連通孔１８ａ、燃料ガス出口連通孔１８ｂ、供給マニホールド４０、排出マニホールド４２および燃料ガス流路４４を覆ってシール５０が焼き付け等により設けられる。第１セパレータ１４は、−（マイナス）側の端子５２が電解質・電極構造体２４（１）のアノード側電極２８に接続可能に設けられる。
【００３６】
図６に示すように、第２セパレータ１６のＭＥＡユニット１２に対向する面１６ａには、酸化剤ガス入口連通孔２０ａに連通して矢印Ｂ方向に延在する供給マニホールド５４と、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに連通して矢印Ｂ方向に延在する排出マニホールド５６とが形成される。供給マニホールド５４と排出マニホールド５６とは、矢印Ｃ方向に延在する複数本の流路溝を備えた酸化剤ガス流路５８を介して連通する。
【００３７】
面１６ａには、酸化剤ガス入口連通孔２０ａ、酸化剤ガス出口連通孔２０ｂ、供給マニホールド５４、排出マニホールド５６および酸化剤ガス流路５８を覆ってシール５９が焼き付け等により設けられる。
【００３８】
面１６ａには、電解質・電極構造体２４（１）〜２４（ｎ）の各カソード側電極３０に対応して矩形状の溝部６０が形成される。面１６ａには、所定の位置にシール付き孔部６２が形成されており、図１に示すように、前記シール付き孔部６２からＭＥＡユニット１２の孔部２７を貫通して第２セパレータ１６のシール付きねじ孔４８に締結ねじ６４が螺合して燃料電池１０が一体化される。第２セパレータ１６には、電解質・電極構造体２４（ｎ）のカソード側電極３０に接続可能な＋（プラス）側の端子６６が設けられる。
【００３９】
図１に示すように、第２セパレータ１６の面１６ａとは反対側の面１６ｂには、矢印Ｃ方向に延在してリブ７０が設けられ、前記リブ７０間には、冷却媒体流路７２が形成される。
【００４０】
このように構成される燃料電池１０を製造する作業について、以下に説明する。
【００４１】
なお、隣接する電解質・電極構造体２４（１）、２４（２）を製造する作業について詳細に説明し、電解質・電極構造体２４（３）〜２４（ｎ）の製造作業については、その詳細な説明は省略する。
【００４２】
まず、ＭＥＡユニット１２全体の基準平面を構成する多孔質樹脂フィルム２２が形成され、この多孔質樹脂フィルム２２上に、電解質・電極構造体２４（１）〜２４（ｎ）に対応する打ち抜き窓が設けられたラミネート窓枠フィルムとしてシリコンフィルム２６が設けられる。
【００４３】
そこで、図７に示すように、多孔質樹脂フィルム２２上に接着剤８０を塗布し、この接着剤８０によって金属フィルム３２が貼り付けられる。そして、多孔質樹脂フィルム２２上には、マスキング枠８２を介してアノード拡散層（例えば、カーボンと樹脂）２８ａが塗布され、このアノード拡散層２８ａは乾燥される。その際、電解質・電極構造体２４（２）を構成するアノード拡散層２８ａの端部２８ａａは、金属フィルム３２上に積層されて電気的に接続される。
【００４４】
次いで、図８に示すように、マスキング枠８４が配置され、このマスキング枠８４を用いてアノード電極触媒層２８ｂがアノード拡散層２８ａ上に塗布される。このアノード電極触媒層２８ｂは乾燥される。
【００４５】
さらに、図９に示すように、マスキング枠（スクリーン等）８６を用いて高分子電解質２９が塗布される。具体的には、マスキング枠８６が隙間３４ａに対応する位置に配置されており、電解質・電極構造体２４（１）では、アノード電極触媒層２８ｂ上に設けられた高分子電解質２９の端部２９ａが、金属フィルム３２の端部上まで延在する。一方、電解質・電極構造体２４（２）では、アノード電極触媒層２８ｂから金属フィルム３２上に高分子電解質２９が設けられるとともに、前記高分子電解質２９の端部２９ｂが前記金属フィルム３２上の所定の位置まで延在する。従って、端部２９ａ、２９ｂ間には、マスキング枠８６により円柱状の隙間３４ａが形成される。
【００４６】
高分子電解質２９が乾燥された後、図１０に示すように、マスキング枠８４を用いて、前記高分子電解質２９上にカソード電極触媒層３０ｂが塗布される。カソード電極触媒層３０ｂが乾燥されると、同様にマスキング枠８４を用いて、前記カソード電極触媒層３０ｂ上にカソード拡散層（例えば、カーボンと樹脂）３０ａが塗布されて、このカソード拡散層３０ａが乾燥される。
【００４７】
次に、図１１に示すように、マスキング枠８８を用いて、導電材３６が塗布され、この導電材３６に乾燥処理が施される。導電材３６は、電解質・電極構造体２４（１）を構成するカソード側電極３０のカソード拡散層３０ａに電気的に接続されるとともに、高分子電解質２９の端部２９ａ、２９ｂ間に形成された円形状の隙間３４ａに充填される膨出部３６ａを備える。この膨出部３６ａは、金属フィルム３２に電気的に接続され、電解質・電極構造体２４（１）のカソード側電極３０と、電解質・電極構造体２４（２）のアノード側電極２８とが、導電材３６および金属フィルム３２を介して電気的に接続される。
【００４８】
導電材３６を乾燥させた後、図１２に示すように、マスキング枠９０が用いられ、絶縁樹脂３８が塗布される。この絶縁樹脂３８は、導電材３６上から前記導電材３６と電解質・電極構造体２４（２）のカソード側電極３０との隙間３４ｂに充填され、電解質・電極構造体２４（１）、２４（２）の各カソード側電極３０同士が電気的に絶縁される。これにより、多孔質樹脂フィルム２２上には、隣接する電解質・電極構造体２４（１）、２４（２）が電気的に直列に接続されて製造される。
【００４９】
すなわち、図１３に示すように、電解質・電極構造体２４（１）を構成するカソード側電極３０の端部と導電材３６の端部との間には、電子導電繋ぎ部９２ａが設けられ、前記導電材３６の円柱状の膨出部３６ａの端面と金属フィルム３２の界面には、電子導電繋ぎ部９２ｂが設けられる。さらに、金属フィルム３２と電解質・電極構造体２４（２）のアノード拡散層２８ａの端部２８ａａとの界面には、電子導電繋ぎ部９２ｃが設けられる。
【００５０】
この場合、第１の実施形態では、図３に示すように、金属フィルム３２および導電材３６を介して、電解質・電極構造体２４（１）のカソード側電極３０と、電解質・電極構造体２４（２）のアノード側電極２８とが、電気的に直列に接続されるため、従来の専用のＺ字状接続板が不要になる。これにより、電気接続構造が簡素化されて経済的であるとともに、燃料電池１０全体の構成を小型化かつ簡素化することができるという効果が得られる。
【００５１】
さらに、金属フィルム３２は、製造時の取り扱い性に優れる一方、導電材３６は、位置精度を厳密に維持する必要がない。従って、燃料電池１０の製造作業が簡便に遂行されるとともに、構成の簡素化および小型化が容易に図られる。特に、金属フィルム３２および導電材３６は、アノード側電極２８およびカソード側電極３０と略同一平面上に構成されており、ＭＥＡユニット１２は、厚さ方向の寸法が可及的に薄肉化される。従って、燃料電池１０全体の小型化が一層確実に遂行可能になる。
【００５２】
しかも、燃料ガスと酸化剤ガスとのシール構造は、高分子電解質２９の端部２９ａとシリコンフィルム２６および金属フィルム３２との界面に沿った面方向の距離Ｈ１の範囲、および前記高分子電解質２９の端部２９ｂの界面に沿った距離Ｈ２の範囲内にわたっている。このため、反応ガスのシール構造として、信頼性が有効に向上するという利点がある。
【００５３】
また、第１の実施形態では、多孔質樹脂フィルム２２上に構成材料を、順次、重ねることによって、ＭＥＡユニット１２が製造される。これにより、燃料電池１０全体の製造作業が有効に簡素化される。しかも、多孔質樹脂フィルム２２は、製造作業時の基準平面を構成しており、電解質・電極構造体２４（１）〜２４（ｎ）の位置決め精度が良好に向上するとともに、製造作業の簡素化が図られるという効果がある。
【００５４】
次に、上記の燃料電池１０の動作について説明する。
【００５５】
まず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔１８ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。また、冷却媒体流路７２には、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
【００５６】
このため、酸化剤ガスは、図６に示すように、第２セパレータ１６の面１６ａに形成される供給マニホールド５４に一旦導入された後、酸化剤ガス流路５８に供給される。酸化剤ガスは、複数の流路溝を介して矢印Ｃ方向に移動し、電解質・電極構造体２４（１）〜２４（ｎ）の各カソード側電極３０に供給される。未使用の酸化剤ガスは、排出マニホールド５６から酸化剤ガス出口連通孔２０ｂに排出される。
【００５７】
一方、燃料ガスは、図５に示すように、第１セパレータ１４の面１４ｂに形成される供給マニホールド４０に導入され、この供給マニホールド４０に連通する燃料ガス流路４４に供給される。この燃料ガス流路４４では、燃料ガスが矢印Ｃ方向に移動しながら、電解質・電極構造体２４（１）〜２４（ｎ）の各アノード側電極２８に供給される。未使用の燃料ガスは、排出マニホールド４２を通って燃料ガス出口連通孔１８ｂから排出される。
【００５８】
従って、電解質・電極構造体２４（１）〜２４（ｎ）では、各カソード側電極３０に供給される酸化剤ガスと、各アノード側電極２８に供給される燃料ガスとが電気化学反応により消費され、発電が行われる。これにより、端子５２、６６間には、全ての発電部である電解質・電極構造体２４（１）〜２４（ｎ）が電気的に直列に接続され、所望の電圧を発生させることができる。
【００５９】
図１４は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成するＭＥＡユニット１００の接続状態を示す説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０を構成するＭＥＡユニット１２と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００６０】
ＭＥＡユニット１００を構成する電解質・電極構造体１０２（１）は、多孔質樹脂フィルム２２上に設けられるカソード側電極３０と、前記カソード側電極３０上に積層される高分子電解質２９と、前記高分子電解質２９上に積層されるアノード側電極２８とを備える。
【００６１】
電解質・電極構造体１０２（１）に隣接する電解質・電極構造体１０２（２）は、カソード側電極３０を構成するカソード拡散層３０ａから電解質・電極構造体１０２（１）側に突出する端部３０ａａが、金属フィルム（第２フィルム状導電材）３２上に積層される。電解質・電極構造体１０２（１）のアノード側電極２８を構成するアノード拡散層２８ａに導電材（第１フィルム状導電材）３６の一端が電気的に接続される。
【００６２】
これにより、第２の実施形態では、多孔質樹脂フィルム２２に対してカソード側電極３０を下、アノード側電極２８を上に配置しており、第１の実施形態とは逆に構成されているが、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００６３】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、従来の専用のＺ字状接続板が不要になり、構成が簡素化されて経済的であるとともに、シール構造等の信頼性が有効に向上する。しかも、燃料電池全体の構成が簡素化される他、前記燃料電池の小型化が容易に図られる。
【００６４】
また、本発明に係る燃料電池の製造方法では、多孔質非導電性フィルム上に構成材料を、順次、重ねることにより、燃料電池の製造作業が有効に簡素化される。しかも、多孔質非導電性フイルムは、製造作業時の基準平面を構成しており、各発電部の位置決め精度が有効に向上する。さらに、平面上の界面でシールされるため、積層方向に貫通するシール必要部位がなく、所望のシール性能を確実に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池の要部断面説明図である。
【図３】前記燃料電池を構成するＭＥＡユニットの接続状態を示す説明図である。
【図４】前記ＭＥＡユニットの正面図である。
【図５】前記燃料電池を構成する第１セパレータの正面図である。
【図６】前記燃料電池を構成する第２セパレータの正面図である。
【図７】多孔質樹脂フィルム上にアノード拡散層を形成する際の説明図である。
【図８】前記アノード拡散層上にアノード電極触媒層を形成する際の説明図である。
【図９】高分子電解質を形成する際の説明図である。
【図１０】カソード電極触媒層およびカソード拡散層を形成する際の説明図である。
【図１１】導電材を形成する際の説明図である。
【図１２】絶縁樹脂を形成する際の説明図である。
【図１３】電子導電繋ぎ部の斜視説明図である。
【図１４】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を構成するＭＥＡユニットの接続状態を示す説明図である。
【図１５】特許文献１に係る平面形燃料電池の要部断面説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池 １２、１００…ＭＥＡユニット
１４、１６…セパレータ １８ａ…燃料ガス入口連通孔
１８ｂ…燃料ガス出口連通孔 ２０ａ…酸化剤ガス入口連通孔
２０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ２２…多孔質樹脂フィルム
２４（１）〜２４（ｎ）、１０２（１）、１０２（２）…電解質・電極構造体
２６…シリコンフィルム ２８…アノード側電極
２８ａ…アノード拡散層 ２８ａａ、２９ａ、２９ｂ、３０ａａ…端部
２８ｂ…アノード電極触媒層 ２９…高分子電解質
３０…カソード側電極 ３０ａ…カソード拡散層
３０ｂ…カソード電極触媒層 ３２…金属フィルム
３４ａ、３４ｂ…隙間 ３６…導電材
３６ａ…膨出部 ３８…絶縁樹脂
４４…燃料ガス流路 ５８…酸化剤ガス流路
Claims (6)
- 電解質の両側にカソード側電極およびアノード側電極を設けた発電部を備え、複数の前記発電部が平面状に配設される燃料電池であって、
複数の前記発電部が配設されるとともに、各発電部のそれぞれ同一の極側が対向する単一の多孔質非導電性フィルムと、
隣接する一方の発電部の前記アノード側電極に電気的に接続され、該アノード側電極の面方向に延在する第１フィルム状導電材と、
隣接する他方の発電部の前記カソード側電極に電気的に接続され、該カソード側電極の面方向に延在する第２フィルム状導電材と、
を備え、
前記第１または第２フィルム状導電材には、前記電解質から離間する位置で該第１および第２フィルム状導電材を電気的に接続する膨出部が設られることを特徴とする燃料電池。 - 請求項１記載の燃料電池において、前記第１フィルム状導電材は、前記アノード側電極のアノード拡散層と略同一平面上に構成されるとともに、
前記第２フィルム状導電材は、前記カソード側電極のカソード拡散層と略同一平面上に構成されることを特徴とする燃料電池。 - 請求項１または２記載の燃料電池において、前記第１フィルム状導電材は、金属フィルムで構成されるとともに、
前記第２フィルム状導電材は、樹脂と電気導電材との複合材で構成されることを特徴とする燃料電池。 - 請求項１または２記載の燃料電池において、前記第１フィルム状導電材は、樹脂と電気導電材との複合材で構成されるとともに、
前記第２フィルム状導電材は、金属フィルムで構成されることを特徴とする燃料電池。 - 電解質の両側にそれぞれ電極を設けた発電部を備え、複数の前記発電部が平面状に配設される燃料電池の製造方法であって、
単一の多孔質非導電性フィルム上に、第１フィルム状導電材を固着させる工程と、
前記多孔質非導電性フィルム上に、隣接する第１および第２の発電部を構成する一方の電極を設けるとともに、前記第２の発電部を構成する一方の電極を前記第１フィルム状導電材と電気的に接続させる工程と、
前記一方の電極に、それぞれ前記第１フィルム状導電材に一部を重ね合わせて第１および第２の電解質を設ける工程と、
前記第１および第２の電解質に、前記第１および第２の発電部を構成する他方の電極を設ける工程と、
前記第１の発電部を構成する他方の電極と前記第１フィルム状導電材とを、第２フィルム状導電材を介して電気的に接続させる工程と、
前記第２フィルム状導電材上および該第２フィルム状導電材と前記他方の電極との隙間を覆って絶縁樹脂を設ける工程と、
を有することを特徴とする燃料電池の製造方法。 - 請求項５記載の製造方法において、前記第２の発電部の前記一方の電極を構成する拡散層を前記第１フィルム状導電材と電気的に接続させる工程と、
前記第１の発電部の前記他方の電極を構成する拡散層を前記第２フィルム状導電材と電気的に接続させることにより、前記第１の発電部の前記他方の電極と前記第２の発電部の前記一方の電極とを電気的に接続する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池の製造方法。
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