JP2006066323A - 燃料電池セル - Google Patents

Abstract

【課題】小型化・薄型化を可能にすると共に、電気の取り出しを効率良く行うことができる燃料電池セルを提供する。
【解決手段】板状の固体高分子電解質１と、その固体高分子電解質１の両側に配置されたカソード側電極板２及びアノード側電極板３と、さらにこれら一対の電極板２，３の両側に配置されたカソード側金属板４及びアノード側金属板５とを備えた燃料電池セルにおいて、カソード側金属板４に設けられ、酸化ガスの注入・排出を行うカソード側注入口４ｃ・排出口４ｄと、これら注入口４ｃと排出口４ｄに間に形成されるカソード側流路溝９と、アノード側金属板５に設けられ、還元ガスの注入・排出を行うアノード側注入口５ｃ・排出口５ｄと、これら注入口５ｃと排出口５ｄの間に形成されるアノード側流路溝９とを備え、これら流路溝９のうちの少なくとも一方は、注入口４ｃ，５ｃから排出口４ｄ，５ｄの方向に向かうにつれて、金属板４，５と電極板２，３の接触領域に占める流路溝の領域が徐々に小さくなるように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、板状の固体高分子電解質と、その固体高分子電解質の両側に配置されたカソード側電極板及びアノード側電極板と、さらにこれら一対の電極板の両側に配置されたカソード側金属板及びアノード側金属板とを備えた燃料電池セルに関する。

ポリマー電解質のような固体高分子電解質を使用した高分子型燃料電池は、高いエネルギー変換効率を持ち、薄型小型・軽量であることから、家庭用コージェネレーションシステムや自動車向けに開発が活発化している。かかる燃料電池の従来技術の構造として、図９に示すものが知られている（例えば、非特許文献１参照）。

即ち、図９に示すように、固体高分子電解質膜１００を挟んでアノード１０１とカソード１０２とを配設する。さらに、ガスケット１０３を介して一対のセパレータ１０４により挟持して単位セル１０５を構成する。各々のセパレータ１０４にはガス流路溝が形成されており、アノード１０１との接触により、還元ガス（還元性流体に相当し、例えば、水素ガス）の流路が形成され、カソード１０２との接触により、酸化ガス（酸化性流体に相当し、例えば、酸素ガス）の流路が形成される。各々のガスは、単位セル１０５内の各流路を流通しながら、アノード１０１又はカソード１０２の内部に担持された触媒の作用により電極反応（電極における化学反応）に供され、電流の発生とイオン伝導が生じる。

この単位セル１０５を多数個積層し、単位セル１０５どうしを電気的に直列に接続して燃料電池Ｎを構成し、電極１０６は、積層した両端の単位セル１０５から取り出すことができる。このような燃料電池Ｎは、クリーンかつ高効率という特徴から、種々の用途、特に、電気自動車用電源や家庭用分散型電源として注目されている。

一方、近年のＩＴ技術の活発化に伴い、携帯電話、ノートパソコン、デジカメなどモバイル機器が頻繁に使用される傾向があるが、これらの電源は、ほとんどリチウムイオン二次電池が用いられている。ところが、モバイル機器の高機能化に伴って消費電力がどんどん増大し、その電源用としてクリーンで高効率な燃料電池が注目されてきている。

しかしながら、図９に示すような従来の構造では、構造に自由度が無いため、モバイル機器の電源として求められる薄型小型軽量化や形状の高自由度化に難があり、メンテナス性が悪いという問題もあった。また、燃料電池セル内で酸化還元ガスを相互に混合させないように供給し、かつ、密閉化することが難しく、これらの条件を満たしながら、燃料電池セルの大きさや重量を低減化することは困難であった。つまり、従来、セル部品をボルト及びナットの締結部品で相互結合して、セル部品に一定の圧力を加えていたため、シール性を確保する上で、各部材の剛性を高める必要性があり、どうしても薄型化、小型化、軽量化、自由な形状設計が困難であった。また、小型化する場合には、電気の取り出し効率を効率良く行う工夫が必要である。
日経メカニカル別冊「燃料電池開発最前線」発行日２００１年６月２９日、発行所：日経ＢＰ社、第３章ＰＥＦＣ、３．１原理と特徴ｐ４６

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その課題は、小型化・薄型化を可能にすると共に、電気の取り出しを効率良く行うことができる燃料電池セルを提供することである。

上記課題を解決するため本発明に係る燃料電池セルは、
板状の固体高分子電解質と、その固体高分子電解質の両側に配置されたカソード側電極板及びアノード側電極板と、さらにこれら一対の電極板の両側に配置されたカソード側金属板及びアノード側金属板とを備えた燃料電池セルにおいて、
カソード側金属板に設けられ、酸化性流体の注入・排出を行うカソード側注入口・排出口と、
これら注入口と排出口に間に形成されるカソード側流路溝と、
アノード側金属板に設けられ、還元性流体の注入・排出を行うアノード側注入口・排出口と、
これら注入口と排出口の間に形成されるアノード側流路溝とを備え、
これら流路溝のうちの少なくとも一方は、注入口から排出口の方向に向かうにつれて、金属板と電極板の接触領域に占める流路溝の領域が徐々に小さくなるように構成されていることを特徴とするものである。

この構成による燃料電池セルの作用・効果を説明する。燃料電池セルは、板状の固体高分子電解質と、その両側に配置される電極板と、更にその両側に配置される金属板により構成される。板状の固体高分子電解質をベースとして構成するので、セル全体を薄型化・小型化することができる。また、一対の金属板には夫々、注入口と排出口が設けられ、酸化性流体の注入・排出と、還元性流体の注入・排出が行われる。更に、夫々の注入口と排出口の間には、流路溝が設けられており、これにより、注入された流体の流路とすることができる。

かかる構成において、電極板は注入された流体を拡散させる機能を有し、これにより、電極板と固体高分子電解質の間で触媒による反応が行われることになる。この流体の拡散を効率良く行わせるために、流路溝が形成される。また、発生した電気の取り出しを効率良く行うためには、電極板と金属板の接触面積をできるだけ多く確保する必要がある。ただし、流路溝を形成することで、その流路溝が形成されている領域は、金属板と電極板とが接触していない領域であるため、流路溝を必要以上に大きな領域を占めないように工夫する必要がある。すなわち、流体の拡散性と電気の取り出し効率のバランスを考慮する必要がある。

そこで、本実施形態においては、カソード側流路溝とアノード側流路溝の少なくとも一方は、注入口から排出口の方向に向かうにつれて、金属板と電極板の接触領域に占める流路溝の領域が徐々に小さくなるようにしている。すなわち、 流路溝は、注入口（上流側）から排出口（下流側）へ向かうほど、占有面積が小さくなる。注入口の付近では、流体を充分に拡散させるために、流路溝の占有面積を多く取る必要があるが、上流側で拡散された流体は、下流側へも徐々に拡散されていく。従って、下流側へ行くほど、流路溝の占有面積を小さくしていくことが可能である。これにより、金属板と電極板の接触領域を十分に確保することができる。その結果、小型化・薄型化を可能にすると共に、電気の取り出しを効率良く行うことができる燃料電池セルを提供することができる。

上記課題を解決するため本発明に係る別の燃料電池セルは、
板状の固体高分子電解質と、その固体高分子電解質の両側に配置されたカソード側電極板及びアノード側電極板と、さらにこれら一対の電極板の両側に配置されたカソード側金属板及びアノード側金属板とを備えた燃料電池セルにおいて、
カソード側金属板に設けられ、空気を取りこむための開口部と、
アノード側金属板に設けられ、還元性流体の注入・排出を行うアノード側注入口・排出口と、
この注入口と排出口の間に形成されるアノード側流路溝とを備え、
この流路溝は、注入口から排出口の方向に向かうにつれて、金属板と電極板の接触領域に占める流路溝の領域が徐々に小さくなるように構成されていることを特徴とするものである。

この構成による燃料電池セルの作用・効果を説明する。この構成においても、板状の固体高分子電解質をベースとして構成するので、セル全体を薄型化・小型化することができる。また、カソード側金属板には、空気を取り込むための開口部が設けられており、この開口部により空気の注入・排出を行うことができる。開口部の個数は適宜決めることができる。開口部により、空気を自然供給できるので、空気を注入するための特別な機構は必要なく、構成を簡素化できる。一方、アノード側金属板には、還元性流体の注入口と排出口が設けられ、還元性流体の注入・排出が行われる。この注入口と排出口の間には、流路溝が設けられており、これにより、注入された還元性流体の流路とすることができる。

このアノード側流路溝は、注入口から排出口の方向に向かうにつれて、金属板と電極板の接触領域に占める流路溝の領域が徐々に小さくなるようにしている。その結果、先ほど説明したのと同じ理由で、小型化・薄型化を可能にすると共に、電気の取り出しを効率良く行うことができる燃料電池セルを提供することができる。

本発明に係る流路溝は、注入口から排出口へ向かうにつれて、前記金属板の幅方向における流路溝の占有領域が徐々に小さくなるように構成されていることが好ましい。

流路溝の占有領域を徐々に小さくする態様は、種々考えられるが、注入口から排出口へ向かうにつれて、金属板の幅方向における占有領域を徐々に小さくなるようにすれば、流路溝の形成も行いやすくすることができる。

本発明に係る流路溝は、金属板に機械加工により形成されることが好ましい。例えば、エンドミルにより加工することで、金属板に任意のパターン形状の流路溝を加工することができる。

本発明に係る流路溝は、金属板にエッチングにより形成されることが好ましい。エッチングにより加工することで、金属板に任意のパターン形状の流路溝を加工することができる。

本発明において、前記カソード側金属板とアノード側金属板の周縁が絶縁層を間に介在させた状態でカシメにより封止されていることが好ましい。

一対の金属板の周縁を絶縁層を介してカシメにより封止することで、両者の短絡を防止しながら、厚みをさほど増加させずにセルごとに確実に封止を行うことができる。また、図９に示す従来構造と比較してセルに剛性が要求されないため、各燃料電池セルを大幅に薄型化することができる。更に、固体高分子電解質や金属板を使用するため、自由な平面形状や屈曲が可能となり、小型軽量かつ自由な形状設計が可能となる。

本発明において、流路溝は、金属板ではなく電極板に形成してもよい。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１、図３は、本発明の燃料電池の単位セルの一例を示す組み立て斜視図であり、図２、図４は、本発明の燃料電池の単位セルの一例を示す正面視断面図である。図１，２は、ガスの流路溝をエッチングにより形成した実施形態であり、図３，４は、ガスの流路溝をプレス加工により形成した例である。

本発明の燃料電池は、図１〜図４に示すように、板状の固体高分子電解質１と、その固体高分子電解質１の両側に配置された一対の電極板２，３とを備えるものである。

固体高分子電解質１としては、従来の固体高分子膜型電池に用いられるものであれば何れでもよいが、化学的安定性及び導電性の点から、超強酸であるスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体からなる陽イオン交換膜が好適に用いられる。このような陽イオン交換膜としては、ナフィオン（登録商標）が好適に用いられる。

その他、例えば、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂からなる多孔質膜に上記ナフィオンや他のイオン伝導性物質を含浸させたものや、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂からなる多孔質膜や不織布に上記ナフィオンや他のイオン伝導性物質を担持させたものでもよい。

固体高分子電解質１の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、イオン伝導機能、強度、ハンドリング性などを考慮すると、１０〜３００μｍが使用可能であるが、２５〜５０μｍが好ましい。

電極板２，３は、ガス拡散層としての機能を発揮して、燃料ガスや、酸化ガス及び水蒸気の供給・排出を行なうと同時に、集電の機能を発揮するものが使用できる。電極板２，３としては、同一又は異なるものが使用でき、その基材には電極触媒作用を有する触媒を担持させることが好ましい。触媒は、固体高分子電解質１と接する内面２ｂ，３ｂに少なくとも担持させるのが好ましい。

電極基材としては、例えば、カーボンペーパー、カーボン繊維不織布などの繊維質カーボン、導電性高分子繊維の集合体などの電導性多孔質材が使用できる。一般に、電極板２，３は、このような電導性多孔質材にフッ素樹脂等の撥水性物質を添加して作製されるものであって、触媒を担持させる場合、白金微粒子などの触媒とフッ素樹脂等の撥水性物質とを混合し、これに溶媒を混合して、ペースト状或いはインク状とした後、これを固体高分子電解質膜と対向すべき電極基材の片面に塗布して形成される。

一般に、電極板２，３や固体高分子電解質１は、燃料電池に供給される還元ガス（還元性流体に相当）と酸化ガス（酸化性流体に相当）に応じた設計がなされる。本発明では、酸化ガスとして酸素ガスや空気が用いられると共に、還元ガスとして水素ガスや用いられる。また、還元ガスの代わりに、メタノールやジメチルエーテル等（これらも還元性流体に相当）を用いることもできる。

例えば、水素ガスと空気を使用する場合、空気を供給する側の電極（空気極）では、酸素と水素イオンの反応が生じて水が生成するため、かかる電極反応に応じた設計をするのが好ましい。特に、低作動温度、高電流密度及び高ガス利用率の運転条件では、特に水が生成する空気極において水蒸気の凝縮による電極多孔体の閉塞（フラッディング）現象が起こりやすい。したがって、長期にわたって燃料電池の安定な特性を得るためには、フラッディング現象が起こらないように電極の撥水性を確保することが有効である。

触媒としては、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、銀、ニッケル、鉄、銅、コバルト及びモリブデンから選ばれる少なくとも１種の金属か、又はその酸化物が使用でき、これらの触媒をカーボンブラック等に予め担持させたものも使用できる。

電極板２，３の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、電極反応、強度、ハンドリング性などを考慮すると、５０〜５００μｍが好ましい。

電極板２，３と固体高分子電解質１とは、予め接着、融着等を行って積層一体化しておいてもよいが、単に積層配置されているだけでもよい。このような積層体は、薄膜電極組立体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）として入手することもでき、これを使用してもよい。

前記電極板２，３の両側には、一対の金属板４，５が配置され、金属板４，５には流路溝９と、これに連通する注入口４ｃ，５ｃ及び排出口４ｄ，５ｄが設けられている。金属板４，５としては、電極反応に悪影響がないものであれば何れの金属も使用できる。但し、伸び、重量、弾性率、強度、耐腐食性、プレス加工性、エッチング加工性などの観点から、ステンレス板、ニッケルなどが好ましい。

金属板４，５に設けられる流路溝９は、電極板２，３との接触により水素ガス等の流路が形成できるような平面形状や断面形状が採用される。流路溝９に水素ガス等が注入されると、電極板２，３によりガスは拡散されていき、電極板２，３と固体高分子電解質１の間で触媒による反応が行われることになる。従って、ガス拡散を効率良く行わせるために、流路溝９が設けられる。

一方、発生した電気の取り出しを効率良く行うためには、電極板２，３と金属板４，５の接触面積をできるだけ多く確保する必要がある。ただし、流路溝９を形成することで、その流路溝が形成されている領域は、金属板４，５と電極板２，３とが接触していない領域であるため、流路溝９を必要以上に大きな領域を占めないように工夫する必要がある。すなわち、流体の拡散性と電気の取り出し効率のバランスを考慮する必要がある。

そこで、本実施形態においては、流路溝９は、注入口４ｃ，５ｃから排出口４ｄ，５ｄの方向に向かうにつれて、金属板４，５と電極板２，３の接触領域に占める流路溝９の領域が徐々に小さくなるようにしている。すなわち、 流路溝９は、注入口４ｃ，５ｃ（上流側）から排出口４ｄ，５ｄ（下流側）へ向かうほど、占有面積が小さくなる。注入口４ｃ，５ｃの付近では、ガスを純分に拡散させるために、流路溝９の占有面積を多く取る必要があるが、上流側で拡散されたガスは、下流側へも徐々に拡散されていく。従って、下流側へ行くほど、流路溝９の占有面積を小さくしていくことが可能である。これにより、金属板４，５と電極板２，３の接触領域を十分に確保することができる。また、ガス拡散の機能も低下させなくて済む。

図１，３に示すように、流路溝９はガス注入口５ｃから排出口５ｄへ向かうまで、１本の流路溝９により構成され、ジグザグ状に形成されている。また、流路溝９が占有する領域も排出口５ｄの方向に向かうにつれて徐々に少なくなっている。これを図５の平面図に示す。

注入口５ｃの近傍における流路溝９が占める入口領域幅Ｗ１（ジグザグ幅）と、排出口５ｄの近傍における流路溝９が占める出口領域幅Ｗ２とを比較すると、出口領域幅Ｗ２のほうが小さくなっており、領域幅の寸法は、直線的に徐々に減少している。従って、流路溝９の占める占有面積は、ガスの進行方向下流側に行くほど小さくなる。注入口５ｃの近傍では、領域幅Ｗ１を十分に取っており、ガス拡散機能を確保することができる。上流側で拡散されたガスは、下流側の方向にも浸透していくので、下流側では、領域幅を上流側ほど大きく取らなくてもよい。また、ガス拡散を効率良く行うために、流路溝９には、短絡路を設けず、１本の連続した溝形成としている。

図６は、流路溝９の変形例を示すものである。図６（ａ）は、注入口５ｃの近傍で、領域幅が一定の領域があり、その領域よりも下流側では徐々に領域幅が減少している構成である。（ｂ）は、領域幅が直線的に減少していくのではなく、曲線的に減少していく例である。（ｃ）は、領域幅の片方のみが直線的に減少していく例である。このように、種々の変形例が考えられる。本実施形態では、流路溝９がジグザグ状に形成されているが、これに限定されるものではない。占有面積が徐々に減少していく形態であれば、ジグザグ状以外の形態を採用してもよい。また、流路溝９の折り返し部の形状は円弧状に描いているが、これに限定されるものではない。

以上のような領域幅が徐々に減少していく流路溝９は、金属板４，５の両方に形成することが好ましいが、いずれか一方のみであってもよい。

なお、このような金属板４，５の流路溝９の一部を電極板２，３の外面に形成してもよい。電極板２，３の外面に流路溝を形成する方法としては、加熱プレスや切削などの機械的な方法でもよいが、微細加工を好適に行う上で、レーザ照射によって溝加工を行うことが好ましい。レーザ照射を行う観点からも、電極板２，３の基材としては、繊維質カーボンの集合体が好ましい。

金属板４，５の流路溝９に連通する注入口４ｃ，５ｃ及び排出口４ｄ，５ｄは、それぞれ１個又は複数を形成することができる。なお、金属板４，５の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、強度、伸び、重量、弾性率、ハンドリング性などを考慮すると、５０〜５００μｍが好ましい。

金属板４，５に流路溝９を形成する方法としては、プレス加工、切削などの機械的な方法やエッチングなどの化学的な方法が挙げられる。但し、前述の理由より、プレス加工による金属板の変形により流路溝９が形成されていることが好ましい。図３，４は、プレス加工により流路溝９を形成した場合の構成例であり、図３の金属板４の上面には、プレス加工による流路溝９の凸条９ｃが示されている。金属板５も同様の凸状が形成される。

特に、プレス加工による流路溝９では、幅０．１〜１０ｍｍ、深さ０．１〜１０ｍｍが好ましい。また、流路溝９の断面形状は、略四角形、略台形、略半円形、Ｖ字形などが好ましい。

また、金属板４，５に流路溝９を形成する方法としては、前述した理由より、エッチングも好ましい（図１、図２参照）。エッチングによる流路溝９では、幅０．１〜１０ｍｍ、深さ０．０５〜１ｍｍが好ましい。また、流路溝９の断面形状は、略四角形、略台形、略半円形、Ｖ字形などが好ましい。

エッチングは、例えばドライフィルムレジストなどを用いて、金属表面に所定形状のエッチングレジストを形成した後、金属板４，５の種類に応じたエッチング液を用いて行うことが可能である。また、２種以上の金属の積層板を用いて、金属ごとに選択的にエッチングを行うことで、流路溝９の断面形状をより高精度に制御することができる。なお、流路溝９に連通する注入口４ｃ，５ｃ及び排出口４ｄ，５ｄなどを、エッチングで形成することも可能である。

図２に示す実施形態は、金属板４，５のカシメ部のＳＵＳもエッチングにより厚みを薄くした例である。このように、カシメ部をエッチングして適切な厚さにすることで、カシメによる封止をより容易に行うことができる。この観点から、カシメ部の厚みとしては、０．０５〜０．３ｍｍが好ましい。

本発明では、金属板４，５の周縁は、絶縁材料６を介在させつつカシメにより封止されている。本発明では、カシメを行う際、図２に示すように、金属板４，５の周縁によって固体高分子電解質１を挟持する構造が好ましく、絶縁材料６を介在させつつ固体高分子電解質１を挟持する構造がより好ましい。このような構造によると、電極板２，３の一方から他方へのガス等の流入を効果的に防止することができる。

絶縁材料６としては、シート状の樹脂、ゴム、熱可塑性エラストマー、セラミックスなどが使用できるが、シール性を高める上で、樹脂、ゴム、熱可塑性エラストマーなどが好ましい。絶縁材料６は、金属板４，５の周縁に直接あるいは粘着剤を介して貼着したり、塗布したりして、予め金属板４，５に一体化しておくことも可能である。

カシメ構造としては、シール性や製造の容易性、厚み等の観点から図２に示すものが好ましい。つまり、一方の金属板５の周縁部５ａを他方の周縁部４ａより大きくしておき、絶縁材料６を介在させつつ、一方の金属板５の外縁部５を他方の金属板４の外縁部４ａを挟圧するように折り返したカシメ構造が好ましい。このカシメ構造では、プレス加工等によって、金属板４の外縁部４ａに段差を設けておくのが好ましい。このようなカシメ構造自体は金属加工として公知であり、公知のカシメ装置によって、それを形成することができる。

次に第３実施形態に係る単位セルの構成を図７，８により説明する。図７は、第３実施形態の単位セルの一例を示す組み立て斜視図であり、図８は、第３実施形態の燃料電池の単位セルの一例を示す正面視断面図である。

第１・第２実施形態と異なる点を中心に説明する。カソード側金属板４には、空気中の酸素を供給するための多数の開口部４ｃが設けられている。開口部４ｃは、カソード側電極板２が露出可能であれば、その個数、形状、大きさ、形成位置などは何れでもよい。但し、空気中の酸素の供給効率と、カソード側電極板２からの集電効果などを考慮すると、開口部４ｃの面積はカソード側電極板２の面積の１０〜５０％であるのが好ましく、特に２０〜４０％であるのが好ましい。カソード側金属板４の開口部４ｃは、例えば規則的又はランダムに複数の円孔やスリット等を設けたり、または金属メッシュによって開口部を設けてもよい。

以上のように、開口部４ｃを設けることで、カソード側金属板４には流路溝は形成されないが、アノード側金属板５には、流路溝９が形成される。この流路溝９については、既に説明してきたのと同じにすることができる。

本発明の燃料電池は、薄型化が可能で小型軽量かつ自由な形状設計が可能なため、特に、携帯電話、ノートＰＣ等のモバイル機器に好適に使用することができる。

以下、本発明の構成と効果を具体的に示す実施例等について説明する。

耐食性を有するＳＵＳ（５０ｍｍ×２６ｍｍ×０．３ｍｍ厚）に注入口から排出口に行くに従い、溝の繰り返し幅が減少しており、その減少幅は、図６に示したように徐々に減少しており、その溝の寸法は（幅０．８ｍｍ、深さ０．２ｍｍ、間隔１．６ｍｍ）である。そして、周辺のカシメ部（薄肉部）と、ガス注入口、ガス排出口を塩化第二鉄水溶液によるエッチングにより形成する。これにより、アノード側金属板とカソード側金属板の両方を形成した。そして絶縁シート（５０ｍｍ×２６ｍｍ×２ｍｍ幅、厚み８０μｍ）をＳＵＳに張り合わせた。また、薄膜電極組立体（ＭＥＡ）（４９．３ｍｍ×２５．３ｍｍ）は、下記のようにして作製した。白金触媒は、米国エレクトロケム社製２０％白金担持カーボン触媒（ＥＣ−２０−ＰＴＣ）を用いた。この白金触媒と、カーボンブラック（アクゾ社ケッチェンブラックＥＣ）、ポリフッ化ビニリデン（カイナー）を、それぞれ７５重量％、１５重量％、１０重量％の割合で混合し、ジメチルホルムアミドを、２．５重量％のポリフッ化ビニリデン溶液となるような割合で、上記白金触媒、カーボンブラック、ポリフッ化ビニリデンの混合物中に加え、乳鉢中で溶解・混合して、触媒ペーストを作製した。カーボンペーパー（東レ製ＴＧＰ−Ｈ−９０、厚み３７０μｍ）を２０ｍｍ×４３ｍｍに切断し、この上に、上記のようにして作製した触媒ペースト約２０ｍｇをスパチュラにて塗布し、８０℃の熱風循環式乾燥機中で乾燥した。このようにして４ｍｇの触媒組成物が担持されたカーボンペーパーを作製した。白金担持量は、０．６ｍｇ／ｃｍ² である。

上記のようにして作製した白金触媒担持カーボンペーパーを、膜電極組立体としてナフィオンフィルム（デュポン社製ナフィオン１１２）（２５．３ｍｍ×４９．３ｍｍ、厚み５０μｍ）を用い、その両面に、金型を用いて、１３５℃、２ＭＰａの条件にて２分間ホットプレスした。こうして得られた薄膜電極組立体（ＭＥＡ）を上記のＳＵＳ板２枚の中央で挟み込み、図２に示すようにカシメ合わせることで、外寸５０ｍｍ×２６ｍｍ×１．４ｍｍ厚という薄型小型のマイクロ燃料電池を得る事ができた。

このマイクロ燃料電池の電池特性を評価した。燃料電池特性は、東陽テクニカ製燃料電池評価システムを用い、室温下、アノード側に純水素ガス、カソード側に純酸素ガスを流して評価した。ガス流量は、１００Ｌ／ｍｉｎとした。得られた最大出力密度は、電極面積当たり４００ｍＷ／ｃｍ² であった。

＜比較例＞
耐食性を有するＳＵＳ（５０ｍｍ×２６ｍｍ×０．３ｍｍ厚）に注入口から排出口に行くに従い、溝の繰り返し幅が減少していないこと以外は、実施例と同様にして、、マイクロ燃料電池を作製した。

このマイクロ燃料電池の電池特性を評価した。燃料電池特性は、東陽テクニカ製燃料電池評価システムを用い、室温下、アノード側に純水素ガスを流した。ガス流量は、１００Ｌ／ｍｉｎとした。得られた最大出力密度は、電極面積当たり３５０ｍＷ／ｃｍ²であった。従って、本発明のような流路溝の構成を採用することで、より多くの出力が得られることが実証された。

＜別実施形態＞
本実施形態では、絶縁材料６（絶縁層に相当）を介してカシメを行っているが、固体高分子電解質１の周縁部を延ばし、これを介在させてカシメを行ってもよい。この場合、固体高分子電解質１が絶縁層として機能する。この場合は、絶縁材料を設ける必要がないので、構成を簡素化することができる。

本実施形態では、流路溝を金属板に形成しているが、電極板に形成してもよい。すなわち、 第１〜第３実施形態の構成で、金属板に形成されている流路溝を電極板に形成することができる。

本実施形態の燃料電池セル（単位セル）を１つで、もしくは複数接続することにより、燃料電池を構成することができる。

第１実施形態に係る燃料電池の単位セルの一例を示す組み立て斜視図 第１実施形態に係る燃料電池の単位セルの一例を示す正面視断面図 第２実施形態に係る燃料電池の単位セルの一例を示す組み立て斜視図 第２実施形態に係る燃料電池の単位セルの一例を示す正面視断面図 流路溝の形状を説明する平面図 流路溝の他の形状を説明する平面図 第３実施形態に係る燃料電池の単位セルの一例を示す組み立て斜視図 第３実施形態に係る燃料電池の単位セルの一例を示す正面視断面図 従来の燃料電池の一例を示す組み立て斜視図

符号の説明

１ 固体高分子電解質
２，３ 電極板
４，５ 金属板
４ｃ，５ｃ 注入口
４ｄ，５ｄ 排出口
６ 絶縁材料
９ 流路溝

Claims (7)

1. 板状の固体高分子電解質と、その固体高分子電解質の両側に配置されたカソード側電極板及びアノード側電極板と、さらにこれら一対の電極板の両側に配置されたカソード側金属板及びアノード側金属板とを備えた燃料電池セルにおいて、
   カソード側金属板に設けられ、酸化性流体の注入・排出を行うカソード側注入口・排出口と、
   これら注入口と排出口に間に形成されるカソード側流路溝と、
   アノード側金属板に設けられ、還元性流体の注入・排出を行うアノード側注入口・排出口と、
   これら注入口と排出口の間に形成されるアノード側流路溝とを備え、
   これら流路溝のうちの少なくとも一方は、注入口から排出口の方向に向かうにつれて、金属板と電極板の接触領域に占める流路溝の領域が徐々に小さくなるように構成されていることを特徴とする燃料電池セル。
2. 板状の固体高分子電解質と、その固体高分子電解質の両側に配置されたカソード側電極板及びアノード側電極板と、さらにこれら一対の電極板の両側に配置されたカソード側金属板及びアノード側金属板とを備えた燃料電池セルにおいて、
   カソード側金属板に設けられ、空気を取りこむための開口部と、
   アノード側金属板に設けられ、還元性流体の注入・排出を行うアノード側注入口・排出口と、
   この注入口と排出口の間に形成されるアノード側流路溝とを備え、
   この流路溝は、注入口から排出口の方向に向かうにつれて、金属板と電極板の接触領域に占める流路溝の領域が徐々に小さくなるように構成されていることを特徴とする燃料電池セル。
3. 前記流路溝は、注入口から排出口へ向かうにつれて、前記金属板の幅方向における流路溝の占有領域が徐々に小さくなるように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池セル。
4. 前記流路溝は、金属板に機械加工により形成されるものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池セル。
5. 前記流路溝は、金属板にエッチングにより形成されるものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池セル。
6. 前記カソード側金属板とアノード側金属板の周縁が絶縁層を間に介在させた状態でカシメにより封止されてい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セル。
7. 流路溝を金属板に代えて電極板に形成した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セル。

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