JP2006049169A - 燃料電池の製造方法、燃料電池、及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 微細な燃料用流路等を容易かつ低コストに、また大量に形成することが可能な燃料電池の製造方法、燃料電池、及び電子機器を提案する。
【解決手段】 有機燃料Ｍが供給されるアノード基板１４及び酸化剤ガスＡが供給されるカソード基板１５を樹脂材料３２により形成する工程と、電解質膜１１をアノード基板１４及びカソード基板１５により狭持してセル１０を形成する工程と、を有する燃料電池１の製造方法において、アノード基板１４及びカソード基板１５の形成工程は、所定のパターンが形成された型３０を用いて、樹脂材料３２にパターンを転写する転写工程と、パターンが転写された樹脂材料３２を固化させる工程と、を有するようにした。
【選択図】 図３

Description

本発明は、燃料電池に関し、特に、メタノールなどの有機燃料を供給しながら発電するＤＭＦＣ方式の燃料電池に関する。

燃料電池としては、従来から固体電解質型、溶融炭酸塩型、リン酸型などが知られているが、近年、電解質膜としてイオン交換樹脂からなる固体高分子膜を用いることによって、比較的低温で運転できる固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）が開発されている。このＰＥＦＣは、メタノールやメタンなどの燃料ガスを改質器で水素リッチな改質ガスに改質して燃料とするが一般的であるが、更にメタノールを改質せずに直接燃料とするダイレクトメタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）の研究が活発化している。
ＤＭＦＣは、水素容器や改質器が不用であるため、コンパクトで起動が早く、負荷変動応答性も優れていて、自動車やポータブル電源として理想的とも言える形態である。構造はＰＥＦＣとほぼ同様で、電解質膜に電極を貼り合わせた接合体（セル）をつくり、これを積み重ねて必要な電圧を取り出すようになっている。
燃料電池の出力は、電解質膜と燃料及び電極（触媒）の接する所謂三相界面の面積に比例する。このため、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を用いて、シリコン単結晶ウエハに均一な孔等からなる流路を形成して、電解質膜に燃料等を均一に接触させる技術が検討されている。
Yong Ho Seo, MEMS-based direct methanol fuel cells and their stacks using a common electrolyte sandwiched by reinforced microcolumn electrodes, MEMS 2000 TECHNICAL DIGEST, IEEE, P65-68(2004)

しかしながら、上述した技術では、電極が形成されると共に電解質膜を挟持する基板として高価なシリコンウエハが用いられるため、製造コストが上昇してしまうため、供給量が重視される電源分野においては必ずしも適していないという問題がある。
また、射出成型技術を用いて流路を形成する試みをあるが、微細な流路を射出形成技術により形成することは困難である。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、微細な燃料用流路等を容易かつ低コストに、また大量に形成することが可能な燃料電池の製造方法、燃料電池、及び電子機器を提案することを目的とする。

本発明に係る燃料電池の製造方法、燃料電池、及び電子機器では、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
第１の発明は、有機燃料が供給されるアノード基板及び酸化剤ガスが供給されるカソード基板を樹脂材料により形成する工程と、電解質膜をアノード基板及びカソード基板により狭持してセルを形成する工程と、を有する燃料電池の製造方法において、アノード基板及びカソード基板の形成工程は、所定のパターンが形成された型を用いて、樹脂材料にパターンを転写する転写工程と、パターンが転写された樹脂材料を固化させる工程と、を有するようにした。
この発明によれば、アノード基板及びカソード基板を型転写技術により製造することができるので、効率よく大量かつ安価な燃料電池を製造することができる。
また、パターンが、有機燃料又は酸化剤ガスが流通する流路と、流路から電解質膜に向けて開口する複数の孔と、を形成するためのパターンであるものでは、アノード基板に有機燃料を供給すると共に、カソード基板に酸化剤ガスを供給することによって発電する燃料電池を効率よく製造することができる。
例えば、型としては、ガラス又はシリコンを用いることができる。
また、パターンが、ＭＥＭＳ技術により形成されるものでは、微細な流路及び複数の孔を高精度に形成することができるので、有機燃料及び酸化剤ガスの流通の円滑化及び安定化を図ることができる。
また、樹脂材料としては、熱硬化型樹脂又は紫外線硬化型樹脂を用いることができるので、容易かつ安価にアノード基板及びカソード基板を製造することができる。
また、アノード基板及びカソード基板の形成工程が、更に、導電性材料及び貴金属触媒を成膜してアノード又はカソードを形成する工程を有することにより、アノード基板及びカソード基板に形成された複数の孔にもアノード又はカソードが形成されるので、安定して高い出力が得られる燃料電池を製造することができる。

第２の発明は、燃料電池が、第１の発明の方法により製造されるようにした。これにより、上記効果をともなった燃料電池を提供することができる。

第３の発明は、電子機器が、第２の発明の燃料電池を備えるようにした。これにより、上記効果をともなった電子機器を提供することができる。

以下、本発明の燃料電池の製造方法、燃料電池、及び電子機器の実施形態について図を参照して説明する。
〔燃料電池〕
図１は本実施の形態にかかる燃料電池１の構成を示す断面図、図２はアノード基板１４及びカソード基板１５の平面図である。なお、図２のＡＡ断面が図１におけるアノード基板１４及びカソード基板１５の断面に対応する。
燃料電池１は、図１に示すように、複数の燃料電池セル１０を積層させることにより形成される。なお、図１は、３つの燃料電池セル１０を積層させた場合である。
燃料電池セル１０は、電解質膜１１、アノード（燃料極）１２、カソード（空気極）１３、アノード１２及びチャンネル（燃料用流路）１４ｃが形成されたアノード基板１４、カソード１３及びチャンネル（空気用流路）１５ｃが形成されたカソード基板１５とからなる。そして、電解質膜１１の一方の面にアノード１２が、多方の面にカソード１３が配置されるように、電解質膜１１をアノード基板１４とカソード基板１５とで挟持することにより構成される。
なお、アノード基板１４にメタノールを供給するためのメタノール供給機構やカソード基板１５に空気を供給する空気供給器等も備えるが、図１においては省略している。
そして、アノード基板１４に形成されたチャンネル１４ｃにメタノール水溶液が供給されると共にカソード基板１５に形成されたチャンネル１５ｃに空気（酸素）が供給されることによって、アノード１２でメタノールが水と反応してプロトン(水素イオン)、電子と二酸化炭素を生成し、生成したプロトンが電解質膜１１中を移動してカソード１３で酸素及び電子と結合して水になる。この時、外部に電流が取り出される。

具体的には、アノード１２では、メタノールが水と反応する。
ＣＨ_３ＯＨ＋ Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ …（１）
アノード１２側で発生したプロトン（Ｈ^＋）は、電解質膜１１を透過してカソード１３に移動して、酸素と反応する。
Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ …（２）

そして、この時、アノード１２及びカソード１３に連結された外部回路に電流が取り出される。
なお、電解質膜１１は、アノード１２側に供給されるメタノール水溶液中の水分によって保湿されるので、そのイオン導伝性は確保される。
そして、燃料電池セル１０を、絶縁性を有するプラスチックカバー１６を介して複数枚積層することにより、所定の電力を発電可能とする燃料電池を構成することができる。言い換えれば、必要とする電力に応じて燃料電池セル１０の積層枚数が決定される。
このように、燃料電池は、常温で液体の燃料を使用でき、また改質器を必要としないため、燃料を供給する部分の装置構成をシンプルにすることができる。

燃料電池セル１０は、上述したように、電解質膜１１をアノード１２が形成されたアノード基板１４とカソード１３が形成されたカソード基板１５によって挟持して構成されている。
電解質膜１１は、パーフルオロスルホン酸系樹脂からなるイオン交換膜であり、電解質としての役割に加え、燃料と空気が混じらないよう分けるセパレーターの役目を果たしている。
アノード１２及びカソード１３は、いずれも貴金属触媒を担持した銅（Ｃｕ）をアノード基板１４及びカソード基板１５上に成膜させたものである。アノード１２の貴金属触媒としては、白金（Ｐｔ）−ルテニウム（Ｒｕ）、カソード１３の貴金属触媒としては、白金が用いられる。

アノード基板１４とカソード基板１５は、図１及び図２に示すように、略同一形状の板部材であって、樹脂により形成される。
アノード基板１４には、燃料用流路としてのチャンネル１４ｃが形成され、同様に、カソード基板１５には、空気用流路としてのチャンネル１５ｃが形成されている。また、チャンネル１４ｃ，１５ｃから他方の面（電解質膜１１との接触面）に達する貫通孔１４ｋ，１５ｋがそれぞれ形成されている。
そして、上述したように、アノード基板１４及びカソード基板１５のチャンネル１４ｃ，１５ｃが形成された面には、それぞれアノード１２、カソード１３が膜状に形成されている。なお、アノード１２、カソード１３は、それぞれ貫通孔１４ｋ，１５ｋにも形成される。これにより、アノード１２、カソード１３が貫通孔１４ｋ，１５ｋの部分で電解質膜１１に触れるようになる。

〔燃料電池の製造方法〕
次に、燃料電池セル１０の製造方法について図を用いて説明する。
図３は、燃料電池１の製造工程を説明する図である。
アノード基板１４及びカソード基板１５は、ガラス基板或いはシリコン基板からなる同一の型２０によって形成される。このため、アノード基板１４及びカソード基板１５を成型するための型２０をＭＥＭＳ技術を用いて形成する（図３（ａ）〜（ｃ）参照）。なお、本実施形態においては、型２０の材料としてガラス基板２１を用いる。
まず、図３（ａ）に示すように、ガラス基板２１上にクロム（Ｃｒ）２２を所定位置に蒸着させる。このクロム２２の位置は、上述した貫通孔１４ｋ，１５ｋの位置に対応する。そして、クロム２２をマスクとして、ガラス基板２１に対して弗酸水溶液を用いてウェットエッチングを施す。具体的には、ガラス基板２１の表面から、例えば約５０μｍ程度の深さまで取り除く。
なお、エッチングの方法としては、ウェットエッチングに限らず、ドライエッチングであってもよい。

次に、図３（ｂ）に示すように、クロム２２を剥離し、再度クロム２３を所定位置に蒸着する。このクロム２３の位置は、上述したチャンネル１４ｃ，１５ｃの位置に対応する。そして、クロム２３をマスクとして、ガラス基板２１に対してドライエッチングを施す。具体的には、ガラス基板２１の表面から、例えば約１００μｍ程度の深さまで取り除く。
なお、ドライエッチングは、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）であってもよい。また、ウェットエッチングであってもよい。

次いで、クロム２３を剥離し、ジメチルシロキ酸アルコール溶液を表面（転写面）に塗布することにより、転写面を撥水処理する。このようにして、図３（ｃ）に示すように、型２０の形成が完了する。

次に、上述した型２０を用いて、アノード基板１４及びカソード基板１５を成型する。
まず、ワックス３１を蒸着した平坦な成型台３０上に、エポキシ系或いはアクリル系の紫外線硬化樹脂３２を塗布する。そして、図３（ｄ）に示すように、紫外線硬化樹脂３２に対して、型２０の転写面側を押し付ける。これにより、紫外線硬化樹脂３２は、型２０の転写面２０ａにより形成された空隙に充填される。
そして、この状態で、紫外線硬化樹脂３２に対して紫外線を照射して、硬化させた後に、型２０及び成型台３０を取り除く。
次いで、ワックス３１及び硬化した紫外線硬化樹脂３２に対して、弱アルカリ又は弱酸水溶液により、ワックス３１と硬化した紫外線硬化樹脂３２の表面３２ａを僅かに取り除く。
このようにして、図３（ｅ）に示すように、チャンネル１４ｃ，１５ｃ及び貫通孔１４ｋ，１５ｋを有するアノード基板１４及びカソード基板１５を紫外線硬化樹脂３２により形成する。
なお、アノード基板１４及びカソード基板１５の厚みは、型２０の転写面２０ａに形成された空隙の深さに対応するので、上述した例の場合には、約１００μｍ程度となる。

次いで、アノード基板１４及びカソード基板１５の裏面に、銅（Ｃｕ）を蒸着し、更に白金（Ｐｔ）やルテニウム（Ｒｕ）を蒸着させて、アノード１２及びカソード１３を形成する。

そして、図３（ｆ）に示すように、アノード基板１４とカソード基板１５とで電解質膜１１を狭持することにより、燃料電池セル１０が形成される。
更に、プラスチックカバー１６を介して、燃料電池セル１０を複数積層させることにより、燃料電池１が製造される。

〔燃料電池の運転動作〕
上記構成の燃料電池１においては、以下のように運転動作がなされる。
燃料電池セル１０において、アノード基板１４に形成されたチャンネル１４ｃには、メタノールガスＭにＣＯ_２が混合された混合ガス（ＣＨ_３ＯＨ＋ＣＯ_２）が供給され、カソード基板１５に形成されたチャンネル１５ｃには、加湿された空気Ａ（Ａｉｒ＋Ｈ_２Ｏ）が供給される。

アノード１２では、チャンネル１４ｃを流通する混合ガスに含まれるメタノールと、水（後述するように、この水はカソード１３側から電解質膜１１を通過して来る。）とを用いて、上記（１）式で示される反応と同様の電気化学的反応が開始される
この反応で生成するプロトン（Ｈ^＋）は、電解質膜１１を通過してカソード１３に移動する。

カソード１３では、チャンネル１５ｃを流通する加湿空気中に含まれる酸素（Ｏ_２）と、アノード１２から移動してくるプロトン（Ｈ^＋）とを用いて、上記（２）式で示される反応と同様の電気化学的反応が開始される。

そして、チャンネル１４ｃに供給される混合ガスＭ中のＣＯ_２及びアノード１２での反応によって生成されるＣＯ_２は、水分及び未反応のＣＨ_３ＯＨと共に、チャンネル１４ｃから混合物（ＣＯ_２＋ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ）として外部に排出される。
このようにして、燃料電池１によれば、安定した高い出力の電力を得ることができる。

〔電子機器〕
次に、上述した燃料電池を備えた電子機器の例について説明する。
図４は、電子機器の一例である携帯電話３００の斜視図である。上述した燃料電池は、携帯電話３００の筐体内部に配置されている。

なお、上述した燃料電池は、携帯電話以外にも種々の電子機器に適用することができる。例えば、液晶プロジェクタ、マルチメディア対応のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）およびエンジニアリング・ワークステーション（ＥＷＳ）、ページャ、ワードプロセッサ、テレビ、ビューファインダ型またはモニタ直視型のビデオテープレコーダ、電子手帳、電子卓上計算機、カーナビゲーション装置、ＰＯＳ端末、タッチパネルを備えた装置などの電子機器に適用することが可能である。特に、携帯して使用される電子機器に好適である。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施の形態例について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

燃料電池１の構成を示す断面図である。 アノード基板１４及びカソード基板１５の平面図である。 燃料電池１の製造工程を説明する図である。 電子機器の一例である携帯電話の斜視図である。

符号の説明

１…燃料電池、 １０…燃料電池セル、 １１…電解質膜、 １２…アノード（燃料極）、 １３…カソード（空気極）、 １４…アノード基板、 １４ｃ…チャンネル（流路）、 １４ｋ…貫通孔、 １５…カソード基板、 １５ｃ…チャンネル（流路）、 １５ｋ…貫通孔、 ２０…型、 ３２…紫外線硬化樹脂（樹脂材料）、 ３００…携帯電話、 Ｍ…メタノールガス（有機燃料）、 Ａ…空気（酸化剤ガス）

Claims (8)

1. 有機燃料が供給されるアノード基板及び酸化剤ガスが供給されるカソード基板を樹脂材料により形成する工程と、
   電解質膜を前記アノード基板及び前記カソード基板により狭持してセルを形成する工程と、
   を有する燃料電池の製造方法において、
   前記アノード基板及び前記カソード基板の形成工程は、
   所定のパターンが形成された型を用いて、樹脂材料に前記パターンを転写する転写工程と、
   前記パターンが転写された樹脂材料を固化させる工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池の製造方法。
2. 前記パターンは、前記有機燃料又は前記酸化剤ガスが流通する流路と、前記流路から前記電解質膜に向けて開口する複数の孔と、を形成するためのパターンであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の製造方法。
3. 前記型は、ガラス又はシリコンからなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池の製造方法。
4. 前記パターンは、ＭＥＭＳ技術により形成されることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載の燃料電池の製造方法。
5. 前記樹脂材料は、熱硬化型樹脂又は紫外線硬化型樹脂であることを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか一項に記載の燃料電池の製造方法。
6. 前記アノード基板及び前記カソード基板の形成工程は更に、
   導電性材料及び貴金属触媒を成膜してアノード又はカソードを形成する工程を有することを特徴とする請求項１から請求項５のうちいずれか一項に記載の燃料電池の製造方法。
7. 請求項１から請求項６のうちいずれか一項に記載の製造方法により製造されたことを特徴とする燃料電池。
8. 請求項７に記載の燃料電池を備えたことを特徴とする電子機器。
   
   
   

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