JP2010086682A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクト化を図りつつ、触媒層中の拡散性を損なうことなく、電解質膜と平行方向の抵抗を低くすることのできる燃料電池を提供する。
【解決手段】カソード２６ａ、ｂは、電解質膜の一方の面に離間した状態で形成されている。各カソード２６ａ、ｂの周囲の一辺にそれぞれ集電体８２ａ、ｂが接続されている。また、集電体８２ａ、ｂが設けられた辺とは反対側の各カソード２６ａ、ｂの側面には、絶縁体８６ａ、ｂが設けられている。カソード２６ａ、ｂの上には、導電層３００ａ、ｂがそれぞれ成膜されている。導電層３００ａ、ｂには、それぞれ開口部３１０ａ、ｂが設けられており、開口部３１０ａ、ｂにおいて、それぞれカソード２６ａ、ｂの一部が露出している。カソード２６ａ、ｂの面方向と平行方向の導電層３００ａ、ｂの抵抗率は、カソード２６ａ、ｂの面方向の抵抗率より小さい。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池に関する。より具体的には、本発明は、セルが平面配列された燃料電池に関する。

燃料電池は水素と酸素とから電気エネルギを発生させる装置であり、高い発電効率を得ることができる。燃料電池の主な特徴としては、従来の発電方式のように熱エネルギや運動エネルギの過程を経ない直接発電であるので、小規模でも高い発電効率が期待できること、窒素化合物等の排出が少なく、騒音や振動も小さいので環境性が良いことなどが挙げられる。このように、燃料電池は燃料のもつ化学エネルギを有効に利用でき、環境にやさしい特性を持っているので、２１世紀を担うエネルギ供給システムとして期待され、宇宙用から自動車用、携帯機器用まで、大規模発電から小規模発電まで、種々の用途に使用できる将来有望な新しい発電システムとして注目され、実用化に向けて技術開発が本格化している。

中でも、固体高分子形燃料電池は、他の種類の燃料電池に比べて、作動温度が低く、高い出力密度を持つ特徴が有り、特に近年、携帯機器（携帯電話、ノート型パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ、ＭＰ３プレーヤ、デジタルカメラあるいは電子辞書（書籍））などの電源への利用が期待されている。携帯機器用の固体高分子形燃料電池としては、複数の単セルを平面状に配列した平面配列型の燃料電池が知られている（特許文献１参照）。燃料としては、特許文献１に示したメタノールの他、水素吸蔵合金や水素ボンベに格納された水素を利用することが研究されている。

固体高分子形燃料電池から外部に電気を取り出すために、触媒層の表面にガス拡散層（ＧＤＬ）やメッシュ金属などの集電体を設ける構造や、触媒層の周囲に集電体を形成する構造が採用されている。しかし、触媒層の表面にＧＤＬ等を設けた構造の場合には、触媒層とＧＤＬ等との接触性を高めるために、ねじなどの締結部材を用いてＧＤＬ等を触媒層に押しつける必要がある。このため、締結部材が占める部分が燃料電池をコンパクト化する際の障害となっていた。一方、触媒層の周囲に集電体を形成する構造では、締結部材が不要となるため薄型化が可能であるものの、電子は触媒層を電解質膜と平行方向に移動するため移動距離が大きくなり、電圧のロスが大きくなる。

したがって、固体高分子形燃料電池の発電性能をより高めるためには、セル上の電解質膜と平行方向の抵抗を低くすることが必要である。抵抗を低くするために、触媒層の膜厚を増やし、電子の伝導パスの断面積を大きくすることが考えられるが、単純に膜厚を増加させるだけだと触媒層中の拡散性が低下して、フラッディングや燃料欠の原因となる。

特許文献２では、触媒層中のフラッディングを防止するために、触媒層表面に幅０．１〜０．３ｍｍの溝を設けている。しかし、特許文献２に記載の燃料電池では、従来のように触媒層表面にＧＤＬを設け、締付けた状態で使用することを想定している。このため、締付け圧に耐えうる強度と電解質膜と垂直方向の導電性を重視しているため、溝の間隔が１〜５ｍｍと非常に広い。また、特許文献２では溝の作製方法として、触媒層を白金ワイヤで削る、溝に対応するＰＴＦＥなどの樹脂シートに作製した触媒層を電解質膜上に転写する、触媒層をインクジェット法で作製する、ということが挙げられている。この場合、以下のような課題が生じる。白金ワイヤで削る場合、溝の断面は半円状になる。また、ワイヤの半径より微細で緻密な溝を作製することはできない。転写法の場合、転写時にプレスをするため、微細な溝は潰れてしまう。触媒層をインクジェット法で作製する場合、触媒層の膜厚が薄くなってしまう。
特開２００４−１４６０９２号公報 特開２００７−１４１５８８号公報

上述したように、従来の固体高分子形燃料電池では、コンパクト化、触媒層中の拡散性、電解質膜と平行方向の低抵抗化を両立させることが困難であった。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、コンパクト化を図りつつ、触媒層中の拡散性を損なうことなく、電解質膜と平行方向の抵抗を低くすることのできる燃料電池の提供にある。

本発明のある態様は、燃料電池である。当該燃料電池は、電解質膜と、電解質膜の一方の面に形成された複数のアノード触媒層と、各アノード触媒層の近傍領域において電解質膜の上に形成されたアノード集電体と、電解質膜の他方の面に形成された複数のカソード触媒層と、各カソード触媒層の近傍領域において電解質膜の上に形成されたカソード集電体と、アノード触媒層およびカソード触媒層のうち少なくとも一方の触媒層の電解質膜と反対側の主表面上に触媒層の一部が露出する開口を有するように触媒層に成膜され、かつ、触媒層に対応する、アノード集電体またはカソード集電体と電気的に接続された導電層と、を備えることを特徴とする。

この態様によれば、触媒層の一部が露出するように導電層を触媒層の上に成膜することにより、導電層を触媒層に締結する必要がないため、締結部材を用いることなく燃料電池を構築することができる。これにより、燃料電池のコンパクト化が可能になる。また、触媒層の一部が露出しているため、触媒層の拡散性を損なうことがない。また、電子が導電層を移動することにより、電解質膜と平行方向の抵抗を低減することができる。

また、本発明の他の態様の燃料電池は、少なくとも膜厚方向にプロトン伝導性を有する複数の第１の領域と、第１の領域を互いに電気的に絶縁する第２の領域とを有する複合膜と、複合膜の一方の面の、第１の領域の上にそれぞれ形成されたアノード触媒層と、各アノード触媒層の近傍領域において第２の領域の上に形成されたアノード集電体と、複合膜の他方の面の、第１の領域の上にそれぞれ形成されたカソード触媒層と、各カソード触媒層の近傍領域において第２の領域の上に形成されたカソード集電体と、アノード触媒層およびカソード触媒層のうち少なくとも一方の触媒層の電解質膜と反対側の主表面上に触媒層の一部が露出する開口を有するように触媒層に成膜され、かつ、触媒層に対応する、アノード集電体またはカソード集電体と電気的に接続された導電層と、を備えることを特徴とする。

上述した態様の燃料電池において、導電層の触媒層の面方向と平行方向の抵抗率が、触媒層の面方向の抵抗率よりも小さくてもよい。また、導電層の空隙率が、触媒層の空隙率よりも小さくてもよい。また、開口部は、長手方向が一定方向を向いて並設された複数の矩形領域から構成されていてもよい。また、触媒層が矩形の場合に、矩形領域の長手方向が、触媒層の短手方向を向いていてもよい。また、矩形領域に挟まれた導電層の幅が、触媒層の厚さの２倍より小さくてもよい。

本発明によれば、燃料電池のコンパクト化を図りつつ、触媒層中の拡散性を損なうことなく、電解質膜と平行方向の抵抗を低くすることができる。

以下、本発明を具現化した実施形態について図面に基づいて説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る燃料電池１０の分解斜視図である。燃料電池１０は、膜電極接合体２０、水素吸蔵合金タンク３０、アノード側筐体４０、カソード側筐体４２を備える。膜電極接合体２０の詳細な構造については後述し、燃料電池１０の全体的な概略構造について説明する。

膜電極接合体２０の一方の面には、アノード側筐体４０が設けられ、アノード側筐体４０内に、アノード側の部材が格納される。具体的には、膜電極接合体２０のアノード側の面には、アノードカバー５０および水素吸蔵合金タンク３０が設けられている。

アノードカバー５０によって、膜電極接合体２０のアノードに面し、水素が充填される空間が形成される。水素吸蔵合金タンク３０には、水素を吸蔵可能な水素吸蔵合金（たとえば、希土類系のＭｍ（ミッシュメタル）Ｎｉ_4.32Ｍｎ_0.18Ａｌ_0.1Ｆｅ_0.1Ｃｏ_0.3）が格納されている。なお、水素吸蔵合金は、希土類系に限られず、たとえばＴｉ−Ｍｎ系、Ｔｉ−Ｆｅ系、Ｔｉ−Ｚｒ系、Ｍｇ−Ｎｉ系、Ｚｒ−Ｍｎ系等であってもよい。

水素吸蔵合金タンク３０には、補給用の水素を貯蔵する外部ボンベ（図示せず）に接続可能な燃料補給口３２が設けられている。燃料補給口３２に外部ボンベを接続することにより、水素吸蔵合金タンク３０内の水素吸蔵合金に水素を補充可能である。

水素吸蔵合金タンク３０に貯蔵された水素は、レギュレータ（図示せず）を介して膜電極接合体２０のアノードに供給される。レギュレータにより、外部ボンベから水素吸蔵合金に水素が補充される際や、水素吸蔵合金から水素が放出される際に、アノードに供給される水素の圧力が低減され、アノードが保護される。

また、アノード側筐体４０内には、制御回路７０が格納されている。制御回路７０は、燃料電池１０で発生する電圧を調整し、一定の値を外部に出力するＤＣ−ＤＣコンバータなどの電気回路を含む。

一方、膜電極接合体２０の他方の面には、カソード側筐体４２が設けられ、カソード側筐体４２内に、カソード側の部材が格納される。具体的には、膜電極接合体２０のカソード側の面には、パッキン６０を介してメッシュ状のカソードフィルタ６２が設けられている。カソードフィルタ６２により、外部から取り込まれる空気の塵やほこりが除去される。

図２は、膜電極接合体２０の構造を示す平面図である。図３は、図２のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。図４は、図２のＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。膜電極接合体２０は、電解質膜２２、アノード２４ａ、ｂおよび、アノード２４ａ、ｂにそれぞれ対向するカソード２６ａ、ｂを備える。すなわち、膜電極接合体２０において、複数のセルが平面状に直列接続されている。アノード２４ａ、ｂには、水素吸蔵合金タンク３０から水素が供給される。カソード２６ａ、ｂには空気が供給される。膜電極接合体２０（燃料電池１０）は、水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電する。なお、図２に示した膜電極接合体の例では、２つのセルが直列接続した部分を抜き出したが、セルの数は任意である。また、複数のセルを並列接続することも可能である。

アノード２４ａ、ｂは、電解質膜２２の一方の面に離間した状態で形成されている。本実施の形態では、各アノード２４ａ、ｂの周囲の一辺にそれぞれ集電体８０ａ、ｂが接続されている。また、集電体８０ａ、ｂが設けられた辺とは反対側の各アノード２４ａ、ｂの側面には、絶縁体８４ａ、ｂが設けられている。絶縁体８４ａ、ｂにより、隣接するアノード間において一方のアノードに接続された集電体と他方のアノードとが絶縁されている。

カソード２６ａ、ｂは、電解質膜２２の他方の面に離間した状態で形成されている。アノードと同様に、各カソード２６ａ、ｂの周囲の一辺にそれぞれ集電体８２ａ、ｂが接続されている。ただし、カソード側において、集電体８２ａ、ｂは、電解質膜２２を挟んでアノード側に設けられた絶縁体８４ａ、ｂとそれぞれ対向する位置に設けられている。また、集電体８２ａ、ｂが設けられた辺とは反対側の各カソード２６ａ、ｂの側面には、絶縁体８６ａ、ｂが設けられている。絶縁体８６ａ、ｂにより、隣接するカソード間において一方のカソードに接続された集電体と他方のカソードとが絶縁されている。

なお、集電体８０ａ，ｂおよび集電体８２ａ、ｂは、たとえば、アルミニウム、金、白金などの金属あるいはカーボンからなる導電材料により構成される。

隣接するセルにおいて、一方のセルのアノード側の集電体８０と他方のセルのカソード側の集電体８２とは、膜電極接合体２０の端部に設けられたインターコネクタ（図示せず）により電気的に接続される。図２の例では、集電体８０ｂと集電体８２ａとがインターコネクタにより接続される。これにより、各セルが電気的に直列に接続される。

電解質膜２２は、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示すことが好ましく、アノード２４とカソード２６との間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能する。電解質膜２２は、含フッ素重合体や非フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成され、例えば、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例として、ナフィオン（デュポン社製：登録商標）１１２などが挙げられる。また、非フッ素重合体の例として、スルホン化された、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホンなどが挙げられる。

アノード２４ａ、ｂおよびカソード２６ａ、ｂは、イオン交換樹脂と触媒粒子からなる触媒層で構成される。

イオン交換樹脂は、触媒担持炭素粒子と電解質膜２２を接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を持つ。イオン交換樹脂は、電解質膜２２と同様の高分子材料から形成されてよい。触媒には、例えば白金、ルテニウム、ロジウムなどの１種または２種を合金化したものや、これらの金属、合金を担持したカーボンなどがある。

カソード２６ａ、ｂの上には、導電層３００ａ、ｂがそれぞれ成膜されている。ここで、「成膜」とは、塗布、蒸着、印刷、転写などによる膜形成をいう。導電層３００ａ、ｂには、それぞれ開口部３１０ａ、ｂが設けられており、開口部３１０ａ、ｂにおいて、それぞれカソード２６ａ、ｂの一部が露出している。これにより、カソード２６における空気の拡散性が確保される。さらに、導電層３００ａ、ｂは、それぞれ、集電体８２ａ、ｂと接し電気的に接続されている。導電層３００ａ、ｂに用いられる材料としては、カーボン、白金/カーボン粒子を凝集させたものの他、白金、金（Ａｕ）などの金属が挙げられる。

カソード２６ａ、ｂの面方向と平行方向の導電層３００ａ、ｂの抵抗率は、カソード２６ａ、ｂの面方向の抵抗率より小さいことが好ましい。たとえば、カソード２６ａ、ｂの触媒として白金担持カーボンを用いた場合、カソード２６ａ、ｂの面方向と平行方向の抵抗率は２．５×１０^−３Ωｍ程度である。導電層３００ａ、ｂとしてカーボン粒子を使用した場合、導電層３００ａ、ｂの面方向と平行方向の抵抗率は１×１０^−４Ωｍである。これによれば、導電層３００ａ、ｂにおける電圧ロスを抑制することができる。

また、導電層３００ａ、ｂの空隙率は、カソード２６ａ、ｂの空隙率より小さいことが好ましい。たとえば、カソード２６ａ、ｂの空隙率は３０％程度である。導電層３００ａ、ｂとしてカーボン粒子を使用した場合、空隙率は１０％程度である。これによれば、導電層３００ａ、ｂにおける抵抗が小さくなり、電圧ロスを抑制することができる。

本実施の形態では、図２に示すように、開口部３１０ａ、ｂは、長手方向が一定方向を向いて並設された複数の矩形領域で構成されている。言い換えると、導電層３００ａ、ｂは、短冊状に形成されている。さらに、開口部３１０ａ、ｂに関して、矩形領域の長手方向が、それぞれカソード２６ａ、ｂの短手方向を向いている。これにより、カソード２６と集電体８２と間の電子の移動経路を短くし、電圧ロスを抑制することができる。

開口部３１０に挟まれた短冊状の導電層３００の幅は、導電性向上の目的から広いほど望ましい。ただし、カソード２６中の拡散性を保つために、面方向において開口部３１０から最も遠い部分(導電層３００の中央部分の下方)のカソード２６においても、拡散性が十分に保たれることが好ましい。この条件を満たすため、開口部３１０に挟まれた短冊状の導電層３００の幅は、カソード２６の厚みの２倍より小さいことが好ましい。なお、カソード２６内では、少なくともその厚み(通常１０〜１００μｍ)分の拡散性は確保されている。

また、開口部３１０に挟まれた短冊状の導電層３００の幅が５μｍ未満の場合、作製が困難であり、導電層３００の作製中に導電層３００が折れるなどして歩留まりも悪くなるため、開口部３１０に挟まれた短冊状の導電層３００の幅は５μｍ以上であることが好ましい。

さらに、拡散性を損なうことなく、導電層３００の導電性をより大きくするために、導電層３００の断面積は大きいほうがよい。すなわち、導電層３００の壁面は電解質膜２２に対して垂直であることが望ましい。

この他、導電層３００の導電性を大きくするためには、開口部３１０の幅はより小さいことが望ましく、たとえば、開口部３１０の幅は、開口部３１０に挟まれた導電層３００の幅の半分以下であることが好ましい。

また、電流が一部に集中し、導電層３００が劣化することを防ぐために、導電層３００の断面形状および面積が均一、または導電層３００が所定の断面形状および面積を有することが望ましい。

一方、アノード２４ａ、ｂの上には、導電層２００ａ、ｂがそれぞれ成膜されている。カソードと同様に、導電層２００ａには開口部２１０ａが設けられている。また、導電層２００ｂには同様に開口部（図示せず）が設けられている。アノード側の開口部において、それぞれアノード２４ａ、ｂの一部が露出している。これにより、アノード２４における水素の拡散性が確保される。さらに、導電層２００ａ、ｂは、それぞれ、集電体８０ａ、ｂと接し電気的に接続されている。導電層２００ａ、ｂに用いられる材料としては、カーボン、白金/カーボン粒子を凝集させたものの他、白金、金（Ａｕ）などの金属が挙げられる。

アノード２４ａ、ｂの面方向と平行方向の導電層２００ａ、ｂの抵抗率は、アノード２４ａ、ｂの面方向の抵抗率より小さいことが好ましい。たとえば、アノード２４ａ、ｂの触媒として白金担持カーボンを用いた場合、アノード２４ａ、ｂの面方向と平行方向の抵抗率は２．５×１０^−３Ωｍ程度である。導電層２００ａ、ｂとしてカーボン粒子を使用した場合、導電層２００ａ、ｂの面方向と平行方向の抵抗率は１×１０^−４Ωｍである。これによれば、導電層２００ａ、ｂにおける電圧ロスを抑制することができる。

また、導電層２００ａ、ｂの空隙率は、アノード２４ａ、ｂの空隙率より小さいことが好ましい。たとえば、アノード２４ａ、ｂの空隙率は３０％程度である。導電層２００ａ、ｂとしてカーボン粒子を使用した場合、空隙率は１０％程度である。これによれば、導電層２００ａ、ｂにおける抵抗が小さくなり、電圧ロスを抑制することができる。

本実施の形態では、アノード側の開口部は、カソード側の開口部３１０と同様に長手方向が一定方向を向いて並設された複数の矩形領域で構成されている。言い換えると、導電層２００ａ、ｂは、短冊状に形成されている。さらに、アノード側の開口部に関して、矩形領域の長手方向が、それぞれアノード２４ａ、ｂの短手方向を向いている。これにより、アノード２４と集電体８０と間の電子の移動経路を短くし、電圧ロスを抑制することができる。

アノード側の開口部に挟まれた短冊状の導電層２００の幅は、導電性向上の目的から広いほど望ましい。ただし、アノード２４中の拡散性を保つために、面方向においてアノード側の開口部から最も遠い部分(導電層２００の中央部分の下方)のアノード２４においても、拡散性が十分に保たれることが好ましい。この条件を満たすため、アノード側の開口部に挟まれた短冊状の導電層２００の幅は、アノード２４の厚みの２倍より小さいことが好ましい。なお、アノード２４内では、少なくともその厚み(通常１０〜１００μｍ)分の拡散性は確保されている。

また、アノード側の開口部に挟まれた短冊状の導電層２００の幅が５μｍ未満の場合、作製が困難であり、導電層２００の作製中に導電層２００が折れるなどして歩留まりも悪くなるため、アノード側の開口部に挟まれた短冊状の導電層２００の幅は５μｍ以上であることが好ましい。

さらに、拡散性を損なうことなく、導電層２００の導電性をより大きくするために、導電層２００の断面積は大きいほうがよい。すなわち、導電層２００の壁面は電解質膜２２に対して垂直であることが望ましい。

この他、導電層２００の導電性を大きくするためには、アノード側の開口部の幅はより小さいことが望ましく、たとえば、アノード側の開口部の幅は、アノード側の開口部に挟まれた導電層２００の幅の半分以下であることが好ましい。

また、電流が一部に集中し、導電層２００が劣化することを防ぐために、導電層２００の断面形状および面積が均一であること、または導電層３００の断面形状および表面形状が滑らかであり、長手方向で連続的に変化していることが望ましい。

なお、膜厚方向において、カソード２６の側の開口部３１０の位置と、アノード２４の側の開口部の位置とが一致していないことが好ましい。これによれば、膜電極接合体２０の強度を向上させることができる。

以上説明した導電層は、以下の手順により作製することができる。まず、アノードおよびカソードを構成する触媒スラリー、導電層を構成するカーボンスラリーの順に、電解質膜の両面にスプレー塗布し、ホットプレスを行う。この後、レーザ加工により、カーボンを選択的に除去して、アノード側の開口部およびカソード側の開口部を形成する。波長１８０〜６００ｎｍ程度のレーザを用いることにより、熱による影響を抑えつつ、微細なアノード側の開口部およびカソード側の開口部を容易に作製することが可能である。また、ホットプレス後にアノード側の開口部およびカソード側の開口部を形成することにより、導電層の形状を崩すことなく維持することができる。

この他、アノード２４およびカソード２６を作製し、ホットプレスを行った後、
（１）金をセル全体に蒸着し、レーザで金のみを除去する
（２）導電層の形成領域が開口となるようなマスクを設置した後、金を蒸着する
（３）インクジェット法により導電層の形成領域に金ペーストを塗布するという手法も適用可能である。

図３の説明に戻り、本実施の形態の膜電極接合体２０では、隣接するセル間にアノード側に突き出た突出部１００が形成されている。突出部１００において、電解質膜２２が折り返されている。カソード２６ａと接する集電体８２ａの延長部分が、折り返された電解質膜２２の間に埋め込まれている。折り返された電解質膜２２の間において、集電体８２ａの延長部分は、カソード２６ａ側の電解質膜２２ａと接し、カソード２６ｂ側の電解質膜２２ｂとは離間している。集電体８２ａと電解質膜２２ｂとの間に絶縁体８６ｂが埋め込まれている。絶縁体８６ｂにより、集電体８２ａと電解質膜２２ｂとが絶縁されている。また、アノード側において、アノード２４ｂと接する集電体８０ｂの延長部分が、電解質膜２２ｂに沿って設けられている。なお、突出部１００（電気接続手段）がアノード２４側に突き出しているため、本実施の形態では、カソード２６における空気の拡散性が確保されている。

本実施の形態によれば、触媒層の一部が露出するように導電層を触媒層の上に成膜することにより、導電層を触媒層に締結する必要がないため、締結部材を用いることなく燃料電池を構築することができる。これにより、燃料電池のコンパクト化が可能になる。また、触媒層の一部が露出しているため、触媒層の拡散性を損なうことがない。また、電子が導電層を移動することにより、電解質膜と平行方向の抵抗を低減することができる。

なお、本実施の形態のように、膜電極接合体２０に突出部１００を設けられている場合には、図５に示すように、アノードカバー５０に突出部１００を挿入可能な溝５２を設けることが望ましい。これによれば、突出部１００を安定的に固定することができる。

（実施の形態２）
実施の形態２に係る燃料電池の構成は、膜電極接合体を除いて実施の形態１と同様である。実施の形態１の燃料電池１０では、膜電極接合体２０の端部にインターコネクタを設けることにより、各セルを電気的に直列に接続しているが、各セルを直列に接続する手段はこれに限られない。実施の形態１の燃料電池１０では、連続した電解質膜２２を用いて複数のセルが形成されているが、電解質膜２２は連続していなくてもよい。

図６は、実施の形態２に係る膜電極接合体２０の構造を示す平面図である。図７は、図４のＣ−Ｃ’線に沿った断面図である。

実施の形態２の膜電極接合体２０では、図６に示すように、カソード２６ａ、ｂの周囲の四辺に沿って、それぞれ、集電体８２ａ、ｂが設けられている。また、カソード２６ａ、ｂに対応して、アノードの周囲の四辺に沿って、それぞれ、集電体が設けられている。

電解質膜２２は、セル毎に複数の領域に分離されており、電解質膜２２は、絶縁層４００によって互いに絶縁されている。絶縁層４００としては、テフロン（登録商標）などのフッ素樹脂シート、ポリイミドシート、ポリ塩化ビニルシート、シリコンゴムシート、ＰＥＴシートが挙げられる。本実施の形態では、電解質膜２２と絶縁層４００とにより複合膜が形成されている。絶縁体８６ｂは、集電体８２ａと、集電体８２ｂおよび絶縁層４００との間に設けられており、集電体８２ａと、集電体８２ｂおよび絶縁層４００との絶縁性が確保されている。

また、実施の形態２の膜電極接合体２０では、図７に示すように、インターコネクタ１１０が隣接するセルの間に設けられている。具体的には、隣接するセル間において、アノード側の集電体８０ｂとカソード側の集電体８２ａとが対向するように、集電体８０ｂおよび集電体８２ａが延長している。インターコネクタ１１０は、突出部１００において絶縁層４００を貫通し、集電体８０ｂと集電体８２ａを電気的に接続している。これにより、各セルが電気的に直列に接続される。

本実施の形態によれば、実施の形態１と同様な効果が得られることに加えて、インターコネクタが膜電極接合体２０の端部に設けられずに、隣接するセルの間に設けられているため、電子の移動距離が小さくなり、集電体における抵抗による電圧ロスをさらに低減することができる。

（導電層の変形例）
実施の形態１および２では、導電層２００、３００が短冊状に形成されているが、導電層２００、３００の形状は様々な形態に変更可能である。以下の説明では、カソード側を例にとって説明するが、アノード側も同様な形態とすることができる。

図８は、導電層３００の変形例１を示す平面図である。この例では、集電体８２がカソード２６の周囲の一辺に沿って形成されている。カソード２６が露出する開口部３１０で挟まれた導電層３００の幅は、集電体８２に近づくほど太くなっている。これによれば、移動する電子の数が多くなる集電体８２近傍の導電層３００を低抵抗化することにより、電圧ロスをさらに抑制することができる。

図９は、導電層３００の変形例２を示す平面図である。この例では、集電体８２がカソード２６の周囲の四辺に沿って形成されている。この場合には、カソード２６が露出する開口部３１０で挟まれた導電層３００の幅は、中央部分が最も狭く、導電層３００の長手方向において対向する集電体８２に近づくほど太くなっている。これによれば、移動する電子の数が多くなる、導電層３００の長手方向において対向する集電体８２近傍の導電層３００を低抵抗化することにより、電圧ロスをさらに抑制することができる。

図１０は、導電層３００の変形例３を示す平面図である。この例では、集電体８２がカソード２６の周囲の四辺に沿って形成されている。変形例３では、導電層３００が格子状に形成されている。これによれば、セル端部における電子の移動距離が短くなるため、電圧ロスを抑制することができる。

また、集電体８２がカソード２６の周囲の四辺に沿って形成されている場合には、導電層３００は、カソード２６の中心部分から各辺の集電体８２に向けて放射状に形成されていてもよい。これによれば、各辺の集電体８２へ電子の移動距離が短くなるため、電圧ロスを抑制することができる。

この他、集電体８２がカソード２６の周囲の四辺に沿って形成されている場合には、開口部３１０は、カソード２６の面上に点在して設けられた複数の孔であってもよい。この場合、開口部３１０の形状は、円形、矩形、多角形でもよい。これによれば、導電層３００の面積を大きくすることができるため、導電層３００における集電性を向上させることができる。

実施の形態１に係る燃料電池の分解斜視図である。 実施の形態１に係る膜電極接合体の構造を示す平面図である。 図２のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。 図２のＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。 実施の形態１に係る燃料電池の要部を示す分解斜視図である。 実施の形態２に係る膜電極接合体の構造を示す平面図である。 図５のＣ−Ｃ’線に沿った断面図である。 導電層の変形例１を示す平面図である。 導電層の変形例２を示す平面図である。 導電層の変形例３を示す平面図である。

符号の説明

１０ 燃料電池、２０ 膜電極接合体、２２ 電解質膜、２４ アノード、２６ カソード、３０ 水素吸蔵合金タンク、４０ アノード側筐体、４２ カソード側筐体、５０ アノードカバー、６０ パッキン、８０、８２ 集電体、２００、３００ 導電層。

Claims (7)

1. 電解質膜と、
   前記電解質膜の一方の面に形成された複数のアノード触媒層と、
   前記各アノード触媒層の近傍領域において前記電解質膜の上に形成されたアノード集電体と、
   前記電解質膜の他方の面に形成された複数のカソード触媒層と、
   前記各カソード触媒層の近傍領域において前記電解質膜の上に形成されたカソード集電体と、
   前記アノード触媒層および前記カソード触媒層のうち少なくとも一方の触媒層の前記電解質膜と反対側の主表面上に前記触媒層の一部が露出する開口部を有するように前記触媒層に成膜され、かつ、前記触媒層に対応する、前記アノード集電体または前記カソード集電体と電気的に接続された導電層と、
   を備えることを特徴とする燃料電池。
2. 少なくとも膜厚方向にプロトン伝導性を有する複数の第１の領域と、前記第１の領域を互いに電気的に絶縁する第２の領域とを有する複合膜と、
   前記複合膜の一方の面の、前記第１の領域の上にそれぞれ形成されたアノード触媒層と、
   前記各アノード触媒層の近傍領域において前記第２の領域の上に形成されたアノード集電体と、
   前記複合膜の他方の面の、前記第１の領域の上にそれぞれ形成されたカソード触媒層と、
   前記各カソード触媒層の近傍領域において前記第２の領域の上に形成されたカソード集電体と、
   前記アノード触媒層および前記カソード触媒層のうち少なくとも一方の触媒層の前記第１の領域と反対側の主表面上に前記触媒層の一部が露出する開口部を有するように前記触媒層に成膜され、かつ、前記触媒層に対応する、前記アノード集電体または前記カソード集電体と電気的に接続された導電層と、
   を備えることを特徴とする燃料電池。
3. 前記導電層の前記触媒層の面方向と平行方向の抵抗率が、前記触媒層の面方向の抵抗率よりも小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
4. 前記導電層の空隙率が、前記触媒層の空隙率よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池。
5. 前記開口部は、長手方向が一定方向を向いて並設された複数の矩形領域からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池。
6. 前記触媒層が矩形の場合に、前記矩形領域の長手方向が、前記触媒層の短手方向を向いていることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
7. 前記矩形領域に挟まれた前記導電層の幅が、前記触媒層の厚さの２倍より小さいことを特徴とする請求項５または６に記載の燃料電池。

Images