JP2008300238A - 配線回路基板および燃料電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】導体層の腐食が防止された配線回路基板およびそれを備えた燃料電池を提供する。
【解決手段】FPC基板1は、例えばポリイミドからなるベース絶縁層2を備える。ベース絶縁層2の一面には、例えば銅からなる導体層3が形成される。導体層3は、一対の矩形の集電部3a,3b、および集電部3a,3bから長尺状に延びる引き出し導体部4a,4bからなる。導体層3を覆うように、ベース絶縁層2上に被覆層6a,6bが形成される。被覆層6aは導体層3の集電部3aおよび引き出し導体部4aを覆うように形成され、被覆層6bは導体層3の集電部3bおよび引き出し導体部4bを覆うように形成される。被覆層6a,6bは、炭素を含有した樹脂組成物からなる。
【選択図】図1

Description

本発明は、配線回路基板およびそれを用いた燃料電池に関する。
携帯電話等のモバイル機器には、小型でかつ高容量の電池が求められる。そこで、リチウム二次電池等の従来の電池に比べて、高エネルギー密度を得ることが可能な燃料電池の開発が進められている。燃料電池としては、例えば直接メタノール型燃料電池(Direct Methanol Fuel Cells)がある。
直接メタノール型燃料電池では、メタノールが触媒によって分解され、水素イオンが生成される。その水素イオンと空気中の酸素とを反応させることにより電力を発生させる。この場合、化学エネルギーを極めて効率良く電気エネルギーに変換することができ、非常に高いエネルギー密度を得ることができる。
このような直接メタノール型燃料電池の内部には、集電回路として例えばフレキシブル配線回路基板(以下、FPC基板と略記する)が設けられる(例えば特許文献1参照)。ここで、図5を用いて従来の燃料電池の構造を説明する。図5(a)は従来の燃料電池に用いられるFPC基板の平面図であり、図5(b)は従来の燃料電池の構造を示す断面図である。
図5(a)に示すように、FPC基板51の一面には、一対の導体層52a,52bが形成される。また、導体層52a,52bから引き出し電極53a,53bがそれぞれ延出するように設けられる。
図5(b)に示すように、燃料電池50は、FPC基板51、膜電極接合体54および筐体55から構成される。膜電極接合体54は、高分子電解質膜54a、燃料極54bおよび空気極54cからなる。燃料極54bは高分子電解質膜54aの一面に形成され、空気極54cは高分子電解質膜54aの他面に形成される。筐体55は、一対の半体55a,55bからなる。半体55aには燃料(メタノール)を流入させるための燃料通路56が設けられ、半体55bには空気を流入させるための空気通路57が設けられる。
FPC基板51は、導体層52a,52bが形成された一面を内側にして折曲される。折曲されたFPC基板51の導体層52a,52bの間に、膜電極接合体54が挟まれる。FPC基板51の周縁部にはパッキング58a,58bが配設される。この状態で、折曲されたFPC基板51が、引き出し電極53a,53bの部分を除いて半体55a,55bからなる筐体55内に収容される。筐体55から突出する引き出し電極53a,53bには、電子部品等の種々の外部回路が電気的に接続される。
この燃料電池50では、半体55aの燃料通路56を通して膜電極接合体54の燃料極54bにメタノールが供給される。また、半体55bの空気通路57を通して膜電極接合体54の空気極54cに空気が供給される。この場合、燃料極54bにおいて、触媒によりメタノールが水素イオンと二酸化炭素とに分解され、電子が生成される。
メタノールから分解された水素イオンは、高分子電解質膜54aを透過して空気極54cに達し、空気極54cに供給された空気中の酸素と触媒上で反応する。それにより、空気極54cにおいて、水が生成されつつ電子が消費される。これにより、FPC基板51の導体層52a,52b間で電子が移動し、外部回路に電力が供給される。
特開2004−200064号公報
一般的に、FPC基板51の導体層52a,52bとしては、銅が用いられる。そのため、燃料電池50に供給されるメタノール等の酸の影響により、導体層52a,52bが腐食することがある。
本発明の目的は、導体層の腐食が防止された配線回路基板およびそれを備えた燃料電池を提供することである。
(1)第1の発明に係る配線回路基板は、燃料電池に用いられる配線回路基板であって、絶縁層と、絶縁層上に設けられ、所定のパターンを有する導体層と、炭素を含み、導体層の表面を被覆する被覆層とを備えるものである。
この配線回路基板においては、絶縁層上に設けられた導体層の表面が被覆層により被覆されている。被覆層は、炭素を含むことによって導電性を有する。この場合、この配線回路基板を用いた燃料電池において、燃料として供給されるメタノール等の酸が配線回路基板に接触する状態であっても、導体層の集電作用を阻害することなく、導体層の腐食を防止することができる。
また、Au(金)等の高価な材料を用いなくてもよいので、低コストで導体層の腐食を防止することができる。さらに、被覆層によって導体層のイオンマイグレーションを防止することもできる。
(2)被覆層は、炭素を含有する樹脂組成物を含んでもよい。この場合、被覆層によって導体層の表面を容易かつ確実に被覆することができる。
(3)絶縁層は、一面および他面を有するとともに、互いに隣接する第1および第2の領域ならびに第1の領域に隣接する第3の領域を一面に有し、絶縁層は、第1の領域と第2の領域との間の折曲部で第1の領域と第2の領域とが対向するように折曲可能であり、導体層は、絶縁層の第1の領域内に形成される第1の導体部と、絶縁層の第2の領域内に形成される第2の導体部と、第1の導体部から絶縁層の第3の領域内まで延びるように形成される第1の引き出し部と、第2の導体部から絶縁層の第3の領域内まで延びるように形成される第2の引き出し部とを有し、被覆層は、第1の導体部および第1の引き出し部を被覆する第1の被覆部と、第2の導体部および第2の引き出し部を被覆する第2の被覆部とを有してもよい。
この配線回路基板を燃料電池に用いる場合には、第1の領域と第2の領域とが対向するように第1の領域と第2の領域との間の折曲部で絶縁層が折曲され、第1の導体部と第2の導体部との間に、燃料極および空気極を含む電池要素が挟み込まれる。また、絶縁層の第3の領域が外部に取り出され、絶縁層の第3の領域上の第1の引き出し部の少なくとも一部および第2の引き出し部の少なくとも一部が外部に露出する。
この場合、第1の引き出し部の少なくとも一部および第2の引き出し部の少なくとも一部が同じ面上で近接して露出しているため、第1および第2の引き出し部と外部回路の端子との位置合わせおよび接続を容易かつ正確に行うことができる。したがって、この配線回路基板を用いた燃料電池と外部回路との接続信頼性が向上される。
また、燃料電池内において、燃料として供給されるメタノール等の酸が配線回路基板に接触する状態であっても、第1および第2の導体部の集電作用を阻害することなく、第1および第2の導体部ならびに第1および第2の引き出し部の酸による腐食が防止される。
(4)絶縁層の第1の領域および導体層の第1の導体部を貫通するように第1の貫通孔が形成され、絶縁層の第2の領域および導体層の第2の導体部を貫通するように第2の貫通孔が形成されてもよい。
この場合、この配線回路基板を用いた燃料電池において、第1および第2の貫通孔を通して燃料電池の燃料極および空気極に燃料および空気を供給することができる。
(5)第2の発明に係る燃料電池は、上記(3)または(4)の配線回路基板と、電池要素と、配線回路基板および電池要素を収容する筐体とを備え、配線回路基板の絶縁層の第1および第2の領域が一面を内側にして折曲部に沿って折曲された状態で第1および第2の領域間に電池要素が配置され、第1の引き出し部の少なくとも一部および第2の引き出し部の少なくとも一部が筐体の外部に露出するように絶縁層の第3の領域が筐体から外部に引き出されたものである。
この燃料電池においては、配線回路基板および電池要素が筐体内に収容される。配線回路基板においては、絶縁層上に設けられた導体層の表面が被覆層により被覆されている。被覆層は、炭素を含むことによって導電性を有する。
配線回路基板の絶縁層は、第1の領域と第2の領域とが対向するように第1の領域と第2の領域との間の折曲部で折曲される。折曲された絶縁層上の第1および第2の導体部の間に燃料極および空気極を含む電池要素が配置される。配線回路基板の絶縁層の第3の領域は、第1の引き出し部の少なくとも一部および第2の引き出し部の少なくとも一部が筐体の外部に露出するように、筐体から外部に取り出される。
筐体内には、メタノール等の酸が燃料として供給される。その場合、配線回路基板の導体層の表面が炭素を含む被覆層により被覆されていることにより、導体層の集電作用を妨げることなく、酸による導体層の腐食を防止することができる。また、Au(金)等の高価な材料を用いなくてもよいので、低コストで導体層の腐食を防止することができる。さらに、被覆層によって導体層のイオンマイグレーションを防止することもできる。
また、筐体の外部において、配線回路基板の第1の引き出し部の少なくとも一部および第2の引き出し部の少なくとも一部が同じ面上で露出する。それにより、第1および第2の引き出し部と外部回路の端子との位置合わせおよび接続を容易かつ正確に行うことができる。したがって、燃料電池と外部回路との接続信頼性が向上される。
本発明によれば、メタノール等の酸が配線回路基板に接触する状態であっても、導体層の集電作用を阻害することなく、導体層の腐食を防止することができる。また、Au(金)等の高価な材料を用いなくてもよいので、低コストで導体層の腐食を防止することができる。さらに、導体層のイオンマイグレーションを防止することもできる。
以下、図面を参照しながら本発明の一実施の形態に係る配線回路基板および燃料電池について説明する。なお、本実施の形態では、配線回路基板の例として、屈曲性を有するフレキシブル配線回路基板について説明する。
(1)フレキシブル配線回路基板の構成
図1(a)は本実施の形態に係るフレキシブル配線回路基板の平面図であり、図1(b)は図1(a)のフレキシブル配線回路基板のA−A線断面図である。以下の説明においては、フレキシブル配線回路をFPC基板と略記する。
図1(a)および図1(b)に示すように、FPC基板1は、例えばポリイミドからなるベース絶縁層2を備える。ベース絶縁層2は、矩形の第1絶縁部2a、および第1絶縁部2aの一辺から外側に延びる第2絶縁部2bからなる。以下、第1絶縁部2aの上記一辺とそれに平行な他の一辺とを側辺と称し、第1絶縁部2aの側辺に垂直な他の一対の辺を端辺と称する。
ベース絶縁層2の第1絶縁部2aには、端辺に平行でかつ第1絶縁部2aをほぼ二等分するように折曲部B1が設けられる。後述のように、第1絶縁部2aは、折曲部B1に沿って折曲される。折曲部B1は、例えば線状の浅い溝であってもよく、または、線状の印等でもよい。あるいは、折曲部B1で第1絶縁部2aを折曲可能であれば、折曲部B1に特に何もなくてもよい。上記第2絶縁部2bは、折曲部B1を境界とする第1絶縁部2aの一方の領域の側辺から外側に延びるように形成される。
折曲部B1を境界とする第1絶縁部2aの一方の領域には、複数(本例では6つ)の開口H1が形成される。また、折曲部B1を境界とする第1絶縁部2aの他方の領域には、複数(本例では6つ)の開口H2が形成される。
ベース絶縁層2の一面には、例えば銅からなる導体層3が形成される。導体層3は、一対の矩形の集電部3a,3b、および集電部3a,3bから長尺状に延びる引き出し導体部4a,4bからなる。
集電部3a,3bの各々は、第1絶縁部2aの側辺に平行な一対の側辺および第1絶縁部2aの端辺に平行な一対の端辺を有する。集電部3aは、折曲部B1を境界とする第1絶縁部2aの一方の領域に形成され、集電部3bは折曲部B1を境界とする第1絶縁部2aの他方の領域に形成される。
ベース絶縁層2の開口H1上における集電部3aの部分には、開口H1よりも径大の開口H11が形成される。ベース絶縁層2の開口H2上における集電部3bの部分には、開口H2よりも径大の開口H12が形成される。
引き出し導体部4aは、集電部3aの側辺から第2絶縁部2b上に直線状に延びるように形成される。引き出し導体部4bは、集電部3bの側辺から第2絶縁部2b上に屈曲して延びるように形成される。
導体層3を覆うように、ベース絶縁層2上に被覆層6a,6bが形成される。被覆層6a,6bは、炭素(例えばカーボンブラック)を含有した樹脂組成物からなる。被覆層6aは導体層3の集電部3aおよび引き出し導体部4aを覆うように形成され、被覆層6bは導体層3の集電部3bおよび引き出し導体部4bを覆うように形成される。集電部3aの開口H11内において、被覆層6aはベース絶縁層2の上面に接する。また、集電部3bの開口H12内において、被覆層6bはベース絶縁層2の上面に接する。
なお、引き出し導体部4a,4bの先端部は被覆層6a,6bに覆われずに露出する。この露出した引き出し導体部4a,4bの部分を、以下、引き出し電極5a,5bと称する。
(2)FPC配線回路基板の製造方法
次に、図1に示したFPC基板1の製造方法を説明する。図2および図3は、FPC基板1の製造方法を説明するための工程断面図である。
まず、図2(a)に示すように、例えばポリイミドからなる絶縁膜20と例えば銅からなる導体膜21とからなる2層基材を用意する。絶縁膜20の厚みは例えば12.5μmであり、導体膜21の厚みは例えば12μmである。
次に、図2(b)に示すように、導電膜21上に所定のパターンを有するエッチングレジスト22が形成される。エッチングレジスト22は、例えば、ドライフィルムレジスト等により導電膜21上にレジスト膜を形成し、そのレジスト膜を所定のパターンで露光し、その後、現像することにより形成される。
次に、図2(c)に示すように、エッチングにより、エッチングレジスト21の下の領域を除く導電膜21の領域が除去される。次に、図2(d)に示すように、エッチングレジスト21を剥離液により除去する。これにより、絶縁膜20上に導体層3が形成される。
続いて、図3(e)に示すように、導体層3上に例えばカーボンブラックを含有する樹脂組成物の塗布またはラミネートにより被覆膜23が形成される。被覆膜23の厚みは例えば10μmである。
次に、図3(f)に示すように、被覆膜23を所定のパターンで露光し、その後、現像することにより、被覆層6a,6bが形成される。そして、図3(g)に示すように、絶縁膜20が所定の形状に切断されることにより、ベース絶縁層2、導体層3および被覆層6a,6bからなるFPC基板1が完成する。
なお、ベース絶縁層2の厚みは、5〜50μmであることが好ましく、12.5〜25μmであることがより好ましい。導体層3の厚みは、3〜35μmであることが好ましく、5〜20μmであることがより好ましい。被覆層6の厚みは、5〜25μmであることが好ましく、10〜20μmであることがより好ましい。
また、図2および図3では、サブトラクティブ法によるFPC基板1の製造方法を示したが、これに限定されず、セミアディティブ法等の他の製造方法を用いてもよい。また、図2および図3では、露光法を用いて被覆層6a,6bを形成する例を示したが、これに限定されず、印刷技術を用いて所定のパターンの被覆膜を形成し、その後、熱硬化処理を行うことに被覆層6a,6bを形成してもよい。
(3)FPC基板を用いた燃料電池
次に、上記のFPC基板1を用いた燃料電池について説明する。図4(a)は、上記のFPC基板1を用いた燃料電池の外観斜視図であり、図4(b)は、燃料電池内における作用を説明するための図である。
図4(a)に示すように、燃料電池30は、半体31a,31bからなる直方体状の筐体31を有する。FPC基板1は、導体層3(図1)および被覆層6a,6bが形成された一面を内側にして図1の折曲部B1に沿って折曲された状態で半体31a,31bにより狭持される。
FPC基板1のベース絶縁層2の第2絶縁部2bは、半体31a,31bの間から外側に引き出される。それにより、第2絶縁部2b上の引き出し電極5a,5bが筐体31の外側に露出した状態になる。引き出し電極5a,5bには、種々の外部回路の端子が電気的に接続される。
図4(b)に示すように、筐体31内において、折曲されたFPC基板1の集電部3aおよび集電部3bの間には、電極膜35が配置される。電極膜35は燃料極35a、空気極35bおよび電解質膜35cからなる。燃料極35aは電解質膜35cの一面に形成され、空気極35bは電解質膜35cの他面に形成される。電極膜35の燃料極35aはFPC基板1の集電部3bに対向し、空気極35bはFPC基板1の集電部3aに対向する。
電極膜35の燃料極35aには、FPC基板1の開口H2,H12を通して燃料が供給される。なお、本実施の形態では、燃料としてメタノールを用いる。電極膜35の空気極35bには、FPC基板1の開口H1,F11を通して空気が供給される。
この場合、燃料極35aにおいて、メタノールが水素イオンと二酸化炭素とに分解され、電子が生成される。生成された電子は、FPC基板1の集電部3bから引き出し電極5b(図4(a))に導かれる。メタノールから分解された水素イオンは、電解質膜35cを透過して空気極35bに達する。空気極35bにおいて、引き出し電極5a(図4(a))から集電部3aに導かれた電子を消費しつつ水素イオンと酸素とが反応し、水が生成される。このようにして、引き出し電極5a,5bに接続された外部回路に電力が供給される。
(4)本実施の形態の効果
本実施の形態のFPC基板1では、導体層3の表面が被覆層6a,6bにより覆われている。そのため、燃料電池30内において、FPC基板1の表面にメタノール等の酸が接触する状態であっても、導体層3が腐食することを防止することができる。また、被覆層6a,6bが炭素を含むことにより、電極膜35と導体層3との間の導電性を確保することができる。さらに、Au(金)等の高価な材料を用いなくてもよいので、低コストで導体層3の腐食を防止することができる。また、被覆層6a,6bによって導体層3のイオンマイグレーションが防止される。
また、本実施の形態のFPC基板1では、引き出し電極5a,5bがベース絶縁層2の共通の第2絶縁部2bの同じ面上に並設される。それにより、FPC1基板1を用いた燃料電池30において、引き出し電極5a,5bと外部回路の端子との位置合わせおよび接続を容易かつ正確に行うことができる。したがって、外部回路と燃料電池30との接続信頼性が向上する。
なお、ベース絶縁層2の材料は、ポリイミドに限らず、ポリエチレンテレフタレート、ポリエーテルニトリル、ポリエーテルスルフォン等の他の絶縁材料を用いてもよい。
また、導体層3の材料は、銅に限らず、銅合金、アルミニウム等の他の金属材料を用いてもよい。また、被覆層6a,6bに用いる炭素を含有する樹脂組成物としては、炭素を含有するエポキシ樹脂、炭素を含有するポリイミド樹脂等が挙げられる。また、炭素はカーボンブラックに限定されず、黒鉛等の種々の炭素材料を用いることができる。
(5)請求項の各構成要素と実施の形態の各要素との対応
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各要素との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。
上記実施の形態では、ベース絶縁層2が絶縁層の例であり、折曲部B1を境界とする第1絶縁部2aの一方の領域が第1の領域の例であり、折曲部B1を境界とする第1絶縁部2aの他方の領域が第2の領域の例であり、第2絶縁部2bが第3の領域の例であり、集電部3aが第1の導体部の例であり、集電部3bが第2の導体部の例であり、引き出し導体部4aが第1の引き出し部の例であり、引き出し導体部4bが第2の引き出し部の例であり、開口H1,H11が第1の貫通孔の例であり、開口H2,H12が第2の貫通孔の例である。また、燃料極35a、空気極35bおよび電解質膜35cが電池要素の例である。
請求項の各構成要素として、請求項に記載されている構成または機能を有する他の種々の要素を用いることもできる。
本発明は、燃料電池に用いる種々の配線回路基板に有効に利用できる。
本実施の形態に係るフレキシブル配線回路基板の構成を示す図である。 フレキシブル配線回路基板の製造方法を説明するための工程断面図である。 フレキシブル配線回路基板の製造方法を説明するための工程断面図である。 図1のフレキシブル配線回路基板を用いた燃料電池の構成を示す図である。 従来の配線回路基板を用いた燃料電池を示す図である。
符号の説明
1 FPC基板
2 ベース絶縁層
2a 第1絶縁部
2b 第2絶縁部
3 導体層
3a,3b 集電部
4a,4b 引き出し導体部
5a,5b 引き出し電極
6a,6b 被覆層
30 燃料電池
31 筐体
35 電極膜
35a 燃料極
35b 空気極
35c 電解質膜
B1 折曲部
H1,H2,H11,H12 開口

Claims (5)

  1. 燃料電池に用いられる配線回路基板であって、
    絶縁層と、
    前記絶縁層上に設けられ、所定のパターンを有する導体層と、
    炭素を含み、前記導体層の表面を被覆する被覆層とを備えることを特徴とする配線回路基板。
  2. 前記被覆層は、炭素を含有する樹脂組成物を含むことを特徴とする請求項1記載の配線回路基板。
  3. 前記絶縁層は、一面および他面を有するとともに、互いに隣接する第1および第2の領域ならびに前記第1の領域に隣接する第3の領域を前記一面に有し、
    前記絶縁層は、前記第1の領域と前記第2の領域との間の折曲部で前記第1の領域と前記第2の領域とが対向するように折曲可能であり、
    前記導体層は、
    前記絶縁層の前記第1の領域内に形成される第1の導体部と、
    前記絶縁層の前記第2の領域内に形成される第2の導体部と、
    前記第1の導体部から前記絶縁層の前記第3の領域内まで延びるように形成される第1の引き出し部と、
    前記第2の導体部から前記絶縁層の前記第3の領域内まで延びるように形成される第2の引き出し部とを有し、
    前記被覆層は、
    前記第1の導体部および前記第1の引き出し部を被覆する第1の被覆部と、
    前記第2の導体部および前記第2の引き出し部を被覆する第2の被覆部とを有することを特徴とする請求項1または2記載の配線回路基板。
  4. 前記絶縁層の前記第1の領域および前記導体層の前記第1の導体部を貫通するように第1の貫通孔が形成され、
    前記絶縁層の前記第2の領域および前記導体層の前記第2の導体部を貫通するように第2の貫通孔が形成されたことを特徴とする請求項3記載の配線回路基板。
  5. 請求項3または4記載の配線回路基板と、
    電池要素と、
    前記配線回路基板および前記電池要素を収容する筐体とを備え、
    前記配線回路基板の前記絶縁層の前記第1および第2の領域が前記一面を内側にして前記折曲部に沿って折曲された状態で前記第1および第2の領域間に前記電池要素が配置され、
    前記第1の引き出し部の少なくとも一部および前記第2の引き出し部の少なくとも一部が前記筐体の外部に露出するように前記絶縁層の前記第3の領域が前記筐体から外部に引き出されたことを特徴とする燃料電池。
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