JP2010108840A - 燃料電池およびこれに用いる電極ならびに電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】電気抵抗を低減しつつ、燃料電池全体の薄型化を実現可能な燃料電池およびこれを用いた電子機器を提供する。
【解決手段】燃料電極と酸素電極との間に電解質を流通させる流路を備える。燃料電極側の集電体１１は、対角位置に一対の集電端子１１Ａ，１１Ｂを有する。同様に、酸素電極側の集電体２１も対角位置に一対の集電端子２１Ａ，２１Ｂを有している。これら集電端子１１Ａ，１１Ｂ、２１Ａ，２１Ｂは燃料電池外部に突出している。これにより、電池内での単位セルの結合が容易となり、集電体としてモノポーラ・プレート構造を採用し易くなると共に、流れる電流の距離が短くなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、メタノールを燃料電極に供給して反応させる直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ；Direct Methanol Fuel Cell ）などの燃料電池、および燃料電池に用いる電極、ならびに燃料電池を備えた電子機器に関する。

近年、モバイル機器は高性能化に伴って消費電力が増加する傾向にあり、リチウムイオン二次電池に代わる電池として、燃料電池が有力視されている。燃料電池は、その電解質によって、アルカリ電解質型燃料電池（ＡＦＣ；Alkaline Fuel Cell）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ；Phosphoric Acid Fuel Cell ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ；Molten Carbonate Fuel Cell）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ；Solid Electrolyte Fuel Cell ）および固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ；Polymer Electrolyte Fuel Cell ）などに分類される。

燃料電池の燃料としては、水素やメタノールなど、種々の可燃性物質を用いることができる。しかし、水素などの気体燃料は、貯蔵用のボンベなどが必要になるため、小型化には適していない。一方、メタノールなどの液体燃料は貯蔵しやすい点で有利である。とりわけ、ＤＭＦＣには、燃料から水素を取り出すための改質器を必要とせず、構成が簡素になり、小型化が容易であるという利点がある。

ＤＭＦＣの燃料であるメタノールのエネルギー密度は、理論的に４．８ｋＷ／Ｌであり、一般的なリチウムイオン二次電池のエネルギー密度の１０倍以上である。すなわち、燃料としてメタノールを用いる燃料電池は、リチウムイオン二次電池のエネルギー密度を凌ぐ可能性を多いに持っている。以上のことから、ＤＭＦＣは、種々の燃料電池の中で、最もモバイル機器や電気自動車などのエネルギー源として使用される可能性が高い。

しかしながら、ＤＭＦＣには、理論電圧は１．２３Ｖであるにもかかわらず、実際に発電しているときの出力電圧は約０．６Ｖ以下に低下してしまうという問題がある。出力電圧が低下する原因は、ＤＭＦＣの内部抵抗によって生じる電圧降下であって、ＤＭＦＣには、両電極で生じる反応に伴う抵抗、物質の移動に伴う抵抗、プロトンが電解質膜を移動する際に生じる抵抗、更に接触抵抗などの内部抵抗が存在している。メタノールの酸化から電気エネルギーとして実際に取り出すことのできるエネルギーは、発電時の出力電圧と、回路を流れる電気量との積で表されるから、発電時の出力電圧が低下すると、実際に取り出すことのできるエネルギーはその分小さくなってしまう。

一方、このようなＤＭＦＣでは、電解質膜に代えて、液状の電解質（電解液）を用いることで内部抵抗を低減するＤＭＦＣの開発がなされている。しかし、液体電解質および固体電解質を使用する燃料電池に共通する問題は、一つの燃料電池セルの電圧が極めて低く、実用的な電流を取り出す場合は明らかに足りないことである。従って、有用な電圧にするため、多くの燃料電池セルを直列に接続し（直列したのち並列でもよい）燃料電池スタック構成とすると共に、効率よく電気エネルギーとして変換するための、集電体を設けた燃料電池が提案されている（例えば、特許文献１）。
特開２００７−２８０６７８号公報

しかしながら、燃料電池スタック構造とすることにより、有用な電圧にするという手法では、燃料電池の枚数が多くなることから、必然的に様々な問題が存在する。例えば、厚みの問題、重さの問題、電気抵抗の問題、コストの問題および材料選定の問題などである。

現在、燃料電池スタックの集電体ならびに結合手段としては、バイポーラ・プレートがある。最も用いられているバイポーラ・プレートの機能としては、次のようなものが挙げられる。すなわち、（ａ）燃料流体、酸化性流体を電池面内に均一に供給する機能、（ｂ）空気電極側で生成した水を反応後の空気と共に燃料電池内部から効率的に系外に排出させる機能、（ｃ）長時間に渡る電極として低電気抵抗、良電導性を維持する単セル間の電気的コネクタ（集電体）としての機能、（ｄ）隣り合うセルにおいて一方のセルのアノード室と隣接するセルのカソード室との隔壁としての機能、および（ｅ）冷却水流路と隣接するセルとの隔壁としての機能などである。

上記のようにバイポーラ・プレートは、燃料電極の表面全体を隣接する燃料電池セルの空気電極と結合するものであり、燃料電極と隣接する燃料電池セルの酸素電極とを一体化することが可能である。このことから分かるように、電流はそれぞれの電極表面ではなく、燃料電池セルに直交して、効率よく通過する構造であることが伺える。

しかし、バイポーラ・プレート構造にも様々な問題が存在する。例えば、電流は燃料電池セル間を直交して通過することから、電気的接触部を可能な限り大きく取る必要がある。この場合、燃料および空気（酸素）の流れを妨げるという問題が生じる。そこで、燃料および空気（酸素）の流れを妨げないように電気的接触部を小さくした場合、電気抵抗を下げるために接触部の数を増やすことが必要となる。しかし、これでは製造工程が複雑化し、製造コストが上昇すると共に、バイポーラ・プレートの強度にも問題が生じる。

また、燃料電池および燃料電池スタックの厚みは、バイポーラ・プレートの厚みに依存する。通常、バイポーラ・プレートには、燃料電極用の流路と酸素電極用の流路とを形成する必要があるため、スタックの厚みを大幅に低減することは非常に難しい。また、使用する材料によって厚みの限界が設定されてしまう。

さらに、複数の燃料電池セルは圧力をかけてスタックする方法が用いられるが、燃料電池セル全体に均一な圧力をかけることは難しく、燃料極用および酸素電極用の流路に歪みが生じる。そのため、電解質には固体電解質（電解質膜）が用いられる。

よって、バイポーラ・プレートを用いて、電気抵抗を低減しつつ、燃料電池スタックの厚みを小さくすることは、上述したようなトレードオフの関係から非常に困難である。

このようなバイポーラ・プレートが抱える問題を解決する方法として、モノポーラ・プレートを使用することが考えられる。モノポーラ・プレートを使用した燃料電池スタックの結合方法は、最もシンプルなものである。すなわち、酸素電極の端部を隣の燃料電極に電線、あるいは、溶着などで単純に結合するというものである。そのため、液体電解質を用いることができ、燃料内の内部抵抗を低減すると共に、電解質と燃料とを同一流路を用いて供給することで燃料電池の厚みを抑えることができる。

また、バイポーラ・プレートとは異なり、電流は燃料電池セルに直交して流れず、電極の表面を横断して終端の電流集合体まで流れる。そのため、電気的接触部分と燃料および空気（酸素）流体とのトレードオフの関係から解消される。

更に、必ずしも燃料、および空気（酸素）などの流体用の供給流路をプレート上に形成する必要はない。従って、プレート材料の選定に柔軟性があり、非常に薄いプレートを用いることができるため、燃料電池スタックの厚みを大幅に低減することが可能になる。

しかしながら、上述したように、電流は電極の表面あるいはプレートを横断して終端の電流集合体まで流れなければいけないことから、電極およびプレートは、非常に良好な導電体でなければならない。従って、動作電流が低いものであれば、問題は起こらないが、動作電流が非常に高い燃料電池、および燃料電池スタックにおいては、モノポーラ・プレートの電気抵抗が問題になる。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、電気抵抗を低減しつつ、燃料電池全体の薄型化を実現することが可能な燃料電池およびこれを用いた電子機器を提供することにある。

本発明の第２の目的は、上記燃料電池の燃料電極および酸素電極として好適に用いることのできる電極を提供することにある。

本発明による燃料電池は、第１の集電体を含む燃料電極と、第２の集電体を含む酸素電極と、燃料電極と酸素電極との間に設けられ、少なくとも電解質を流通させる電解質流路と、第１の集電体および第２の集電体の少なくとも一方に設けられると共に外部に突出する複数の集電端子とを備えている。

本発明による電極は、上記本発明の燃料電極の電極、または酸素電極の電極として用いられるもので、集電体に複数の集電端子を有するものである。

本発明による電子機器は、上記本発明の燃料電池を備えたものである。

本発明の燃料電池、電極および電子機器では、集電体の集電端子が電池外部に突出しているため、電池内での単位セル同士の結合が容易となり、集電体としてモノポーラ・プレート構造を採用し易くなる。これにより、電解質として流通可能なものを用いることができ、例えば、電解質と燃料とを同一流路にて供給することが可能となる。また、各集電体には複数の集電端子が設けられているため、従来のように集電体に１つ集電端子のみが設けられている場合と比べ、モノポーラ・プレート構造を採用した際に流れる電流の距離が短くなる。

本発明の燃料電池、電極および電子機器によれば、集電体の集電端子が電池外部に突出しているようにしたので、集電体としてモノポーラ・プレート構造を採用し易くなる。更に、電解質として流通可能なものを用いることができ、燃料電池全体の厚みを小さくすることができる。また、各集電体に複数の集電端子を設けるようにしたので、モノポーラ・プレート構造を採用した場合に、従来と比べて電流の流れる距離を短くすることができる。よって、電気抵抗を低減しつつ、燃料電池全体の薄型化を実現することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

［燃料電池の構成例］
図１は、本発明の一実施の形態に係る燃料電池１１０の断面構造（ＹＺ断面構造）を表すものである。この図１は、図２のII−II線に沿った断面構成に対応している。燃料電池１１０は、いわゆる直接型メタノールフロー型燃料電池（ＤＭＦＦＣ；Direct Methanol Flow Based Fuel Cell）であり、燃料電極１０と酸素電極２０とが対向配置された構成を有している。燃料電極１０と酸素電極２０との間には、燃料・電解質混合液を流通させるための燃料・電解質流路３０が設けられている。

燃料電池１０は、集電体１１（第１集電体）上に拡散層１２および触媒層１３をこの順に積層したものである。一方、酸素電極２０は集電体２１（第２集電体）上に拡散層２２および触媒層２３をこの順に積層した構成を有している。触媒層１３および触媒層２３が燃料・電解質流路３０に面している。

集電体１１は、例えば、電気伝導性を有するポーラス材料や板状部材、具体的にはチタン（Ｔｉ）メッシュやチタン板等により構成されている。集電体２１も同様に、例えば、チタンメッシュやチタン板などにより構成されている。集電体の材料は、チタンに限られておらず、他の金属を用いても良い。また、表面処理が行われた集電体でも良い。

図２は燃料電池１１０を構成する集電体１１および集電体２１の形状およびそのスタック方法を表すものである。

集電体１１および集電体２１は、図２に示したように矩形状であると共に、それぞれ２つの集電端子を有している。集電体１１の集電端子１１Ａ，１１Ｂおよび集電体２１の集電端子２１Ａ，２１Ｂは、燃料電池外部にＹ軸方向に沿って突出するように、Ｘ軸に沿って設けられると共に、各集電端子は対角に配置されている。また、Ｚ軸方向に集電体１１、２１をスタックした場合、集電体１１Ａおよび集電体２１Ａならびに集電体１１Ｂおよび集電体２１Ｂは互いに重ならないように配置されている。なお、複数の単位セルをスタックする場合は、単位セル同士の結合を容易にするため、例えば、一の単位セルの燃料電極に設けられた集電端子は、隣接する他の単位セルの酸素電極に設けられた集電端子と重なるようにスタックされる。

拡散層１２，２２は、例えば、カーボンクロス，カーボンペーパーまたはカーボンシートにより構成されている。拡散層１２，２２は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などにより撥水化処理が行われていることが望ましい。但し、拡散層１２，２２は必ずしも設ける必要はなく、触媒層を直接集電体上に形成するようにしてもよい。

触媒層１３，２３は、触媒として酸化する性質を持つ、例えば、パラジウム（Ｐｄ），白金（Ｐｔ），イリジウム（Ｉｒ），ロジウム（Ｒｈ）およびルテニウム（Ｒｕ）などの金属の単体または合金、有機錯体、酵素などにより構成されている。

触媒層１３，２３には、上記触媒に加えて、プロトン伝導体およびバインダーが含まれていてもよい。プロトン伝導体としては、上述したポリパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂（デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）または、その他のプロトン伝導性を有する樹脂が挙げられる。バインダーは、触媒層１３，２３の強度や柔軟性を保つために添加されるものであり、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）やポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などの樹脂が挙げられる。

燃料電極１０および酸素電極２０の外側には、外装部材１４，２４がそれぞれ設けられている。外装部材１４，２４は、例えば、厚みが１ｍｍであり、チタン（Ｔｉ）板などの金属板、樹脂板などの一般的に購入可能な材料により構成されているが、材料は特に限定されない。なお、外装部材１４，２４の厚みは薄ければ薄いほうが望ましい。

燃料・電解質流路３０は、例えば、樹脂シートを加工することにより微細な流路を形成
したものであり、酸素電極２０と対面する燃料電極１０の両側に接着されている。この燃料・電解質流路３０には、外装部材１４に設けられた燃料・電解質入口１４Ａおよび燃料・電解質出口１４Ｂから貫通孔５０Ａおよび貫通孔５０Ｂを介して燃料および電解質を含む流動体Ｆ１、例えば、メタノール硫酸混合液が供給されるようになっている。なお、流路の本数や形状は限定されるものではなく、例えば蛇形、並列型としてもよい。更に、流路の幅、高さおよび長さについても特には限定されないが、小さい方が望ましい。燃料・電解質流路３０内では、燃料および電解質を混合させた状態で流通させるようにしてもよく、あるいは燃料と電解液を層分離した状態で流通させてもよい。

酸素電極２０の燃料・電解質流路３０とは反対側（外側）には、空気もしくは酸素を供給するための空気流路４０が設けられている。空気流路４０には、外装部材２４に設けられた空気入口２４Ａおよび空気出口２４Ｂから貫通孔５０Ｃおよび貫通孔５０Ｄを介して、自然換気あるいはファン、ポンプおよびブロワなどの強制的供給法により、空気が供給されるようになっている。空気流路４０の構造もまた、燃料・電解質流路３０と同様に限定されない。

上記燃料電池１１０は、例えば、次のようにして製造することができる。

［燃料電池の製造方法例］
まず、触媒として、例えば白金（Ｐｔ）とルテニウム（Ｒｕ）とを所定の比で含む合金と、ポリパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂（デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）の分散溶液とを所定の比で混合し、燃料電極１０の触媒層１３を形成する。この触媒層１３を、上述した材料よりなる拡散層１２に熱圧着する。続いて、上述した材料よりなる集電体１１の一面に拡散層１２および触媒層１３をホットメルト系の接着剤または接着性のある樹脂シートを用いて熱圧着し、燃料電極１０を形成する。なお、上述したように拡散層１２を形成せずに、集電体１１に触媒層１３を直接形成するようにしてもよい。

また、触媒として白金（Ｐｔ）をカーボンに担持させたものと、ポリパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂（デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）の分散溶液とを所定の比で混合し、酸素電極２０の触媒層２３を形成する。この触媒層２３を、上述した材料よりなる拡散層２２に熱圧着する。続いて、上述した材料よりなる集電体２１を、図２に示した集電端子の配置となるようにセットし、ホットメルト系の接着剤または接着性のある樹脂シートを用いて熱圧着して酸素電極２０を形成する。

続いて、接着性のある樹脂シートを用意し、この樹脂シートに流路を形成して燃料・電解質流路３０を形成し、燃料電極１０の酸素電極２０に対向する面に熱圧着する。

次いで、上述した材料よりなる外装部材１４，２４を作製する。外装部材１４には、例えば樹脂製の継手よりなる燃料・電解質入口１４Ａおよび燃料・電解質出口１４Ｂを設け、外装部材２４には、例えば樹脂製の継手よりなる空気入口２４Ａおよび空気出口２４Ｂを設ける。

その後、熱圧着した燃料・電解質流路３０に、酸素電極２０を接着し、外装部材１４，２４に収納する。これにより図１および図２に示した燃料電池セル１１０が完成する。

次に、上記燃料電池１１０の作用・効果について説明する。

この燃料電池１１０では、燃料・電解質流路３０により燃料および電解質が燃料電極１０に供給されると、反応によりプロトンと電子とを生成する。プロトンは燃料・電解質流路３０を通って酸素電極２０へ移動し、電子および酸素と反応して水を生成する。燃料電極１０、酸素電極２０および燃料電池１１０全体で起こる反応は、式１〜３で表される。これにより、燃料であるメタノールの化学エネルギーの一部が電気エネルギーに変換されて、電力として取り出される。なお、燃料電極１０で発生する二酸化炭素および酸素電極２０で発生する水は、燃料・電解質流路３０に流出して取り除かれる。

燃料電極１０：ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋６ｅ^-＋６Ｈ⁺ …（１）
酸素電極２０：（３／２）Ｏ_２＋６ｅ^- ＋６Ｈ⁺→３Ｈ_２ Ｏ …（２）
燃料電池１１０全体：ＣＨ_３ＯＨ＋（３／２）Ｏ_２→ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ…（３）

本実施の形態では、集電体１１および集電体２１の集電端子１１Ａ，１１Ｂおよび集電端子２１Ａ，２１Ｂを燃料電池外部に突出しているため、単位セル間の燃料電極と酸素電極の結合が電線、あるいは溶着など単純な方法を用いることができる。そのため、集電体としてモノポーラ・プレート構造を採用し易くなる。これにより、電解質として流通可能なもの（電解液）を用いることができ、例えば、電解質と燃料とを同一流路にて供給することが可能となる。また、各集電体には複数の集電端子が設けられているため、従来のように集電体内に１つの集電端子のみが設けられている場合と比べ、モノポーラ・プレート構造を採用した際に流れる電流の距離が短くなる。

図３は従来の燃料電池に用いられている集電体３１１および集電体３２１の形状およびその積層方法を比較例として表すものである。集電体３１１，３２１には、集電端子３１１Ａおよび集電端子３２１Ａがそれぞれ一つずつ設けられている。この集電体を用いた燃料電池では、例えば、図３に示した場所で発生した電流（Ｐ３１０，Ｐ３２０）は、電極の表面あるいはプレートを横断して（Ｐ３２１，Ｐ３１１）終端の電流集合体（集電端子）まで流れなければいけない。そのため、燃料電池内部で高い抵抗がかかってしまう。

これに対し、本実施の形態の集電体１１および集電体２１では、それぞれ２つの集電端子１１Ａ，１１Ｂおよび２１Ａ，２１Ｂを対角に配置することにより、図２に示したように発生した電流（Ｐ１０，Ｐ２０）の電極面上を流れる距離は、２分割される（Ｐ１１，Ｐ１２およびＰ２１，Ｐ２２）。これにより電極自体の電気抵抗が著しく低くなる。

以上のように、本実施の形態では、集電体の集電端子が電池外部に突出しているようにしたので、集電体としてモノポーラ・プレート構造を採用し易くなると共に、流通可能な電解質、すなわち、電解液を用いることができる。従って、燃料電池全体の厚みを小さくすることが可能となる。また、各集電体に複数の集電端子を設けるようにしたので、モノポーラ・プレート構造を採用した場合に、従来と比べて電流の流れる距離を短くすることができる。よって、電気抵抗を低減しつつ、燃料電池全体の薄型化を実現することが可能となる。

また、燃料・電解質を流動体として供給することにより、電解質膜が不要となり、温度や湿度に影響されることなく発電を行うことができると共に、電解質膜を用いる通常の燃料電池に比べてイオン伝導度（プロトン伝導度）を高めることができる。また、電解質膜の劣化や、電解質膜の乾燥によるプロトン伝導性の低下のおそれがなくなり、酸素電極におけるフラッディングや水分管理などの問題も解消する。

加えて、燃料電池セル１つ１つが封止可能であるため、燃料電池スタックの作製時に扱いが容易となる。

更に、モバイル機器から大型装置にまで組み込めるような柔軟性の高い簡易な構成で、高出力を実現できる。よって特に、薄型で消費電力の大きな多機能・高性能の電子機器に好適に用いることができる。

次に、上記燃料電池１１０の適用例について説明する。

＜適用例＞
［燃料電池システムの構成例］
図４は本発明の燃料電池１１０を備えた燃料電池システムを有する電子機器の概略構成を表すものである。この電子機器は、例えば、携帯電話やＰＤＡ（Personal Digital Assistant；個人用携帯情報機器）などのモバイル機器、またはノート型ＰＣ（Personal Computer ）であり、燃料電池システム１と、この燃料電池システム１で発電される電気エネルギーにより駆動される外部回路（負荷）２とを備えている。

燃料電池システム１は、例えば、燃料電池１１０と、この燃料電池１１０の運転状態を測定する測定部１２０と、測定部１２０による測定結果に基づいて燃料電池１１０の運転条件を決定する制御部１３０とを備えている。この燃料電池システム１は、また、燃料電池１１０に燃料および電解質を含む流動体Ｆ１を供給する燃料・電解質供給部１４０と、例えばメタノールなどの燃料Ｆ２のみを燃料・電解質貯蔵部１４１に供給する燃料供給部１５０とを備えている。なお、燃料電池１１０における燃料・電解質流路３０は、外装部材１４に設けられた燃料・電解質入口１４Ａおよび燃料・電解質出口１４Ｂを介して燃料・電解質供給部１４０に連結されており、燃料・電解質供給部１４０から流動体Ｆ１が供給されるようになっている。

測定部１２０は、燃料電池１１０の動作電圧および動作電流を測定するものであり、例えば、燃料電池１１０の動作電圧を測定する電圧測定回路１２１と、動作電流を測定する電流測定回路１２２と、得られた測定結果を制御部１３０に送るための通信ライン１２３とを有している。

制御部１３０は、測定部１２０の測定結果に基づいて、燃料電池１１０の運転条件として燃料・電解質供給パラメータおよび燃料供給パラメータの制御を行うものであり、例えば、演算部１３１、記憶（メモリ）部１３２、通信部１３３および通信ライン１３４を有している。ここで、燃料・電解質供給パラメータには、例えば、燃料・電解質を含む流動体Ｆ１の供給流速が含まれる。燃料供給パラメータは、例えば、燃料Ｆ２の供給流速および供給量を含み、必要に応じて供給濃度を含んでいてもよい。制御部１３０は、例えばマイクロコンピュータにより構成することができる。

演算部１３１は、測定部１２０で得られた測定結果から燃料電池１１０の出力を算出し、燃料・電解質供給パラメータおよび燃料供給パラメータを設定するものである。具体的には、演算部１３１は、記憶部１３２に入力された各種測定結果から一定間隔でサンプリングしたアノード電位、カソード電位、出力電圧および出力電流を平均して、平均アノード電位、平均カソード電位、平均出力電圧および平均出力電流を算出し、記憶部１３２に入力すると共に、記憶部１３２に保存されている各種平均値を相互比較し、燃料・電解質供給パラメータおよび燃料供給パラメータを判定するようになっている。

記憶部１３２は、測定部１２０から送られてきた各種測定値や、演算部１３１により算出された各種平均値などを記憶するものである。

通信部１３３は、通信ライン１２３を介して測定部１２０から測定結果を受け取り、記憶部１３２に入力する機能と、通信ライン１３４を介して燃料・電解質供給部１４０および燃料供給部１５０に燃料・電解質供給パラメータおよび燃料供給パラメータを設定する信号をそれぞれ出力する機能とを有している。

燃料・電解質供給部１４０は、燃料・電解質貯蔵部１４１と、燃料・電解質供給調整部１４２と、燃料・電解質供給ライン１４３とを備えている。燃料・電解質貯蔵部１４１は、流動体Ｆ１を貯蔵するものであり、例えばタンクまたはカートリッジにより構成されている。燃料・電解質供給調整部１４２は流動体Ｆ１の供給流速を調整するものである。燃料・電解質供給調整部１４２は、制御部１３０からの信号で駆動されうるものであればよく、特に限定されるものではないが、例えば、モータや圧電素子で駆動されるバルブ、または電磁ポンプにより構成されていることが好ましい。

燃料供給部１５０は、燃料貯蔵部１５１と、燃料供給調整部１５２と、燃料供給ライン１５３とを有する。燃料貯蔵部１５１は、メタノールなどの燃料Ｆ２のみを貯蔵するものであり、例えばタンクまたはカートリッジにより構成されている。燃料供給調整部１５２は、燃料Ｆ２の供給流速および供給量を調整するものである。燃料供給調整部１５２は、制御部１３０からの信号で駆動されうるものであればよく、特に限定されるものではないが、例えば、モータや圧電素子で駆動されるバルブ、または電磁ポンプにより構成されていることが好ましい。なお、燃料供給部１５０は、燃料Ｆ２の供給濃度を調整する濃度調整部（図示せず）を備えていてもよい。濃度調整部は、燃料Ｆ２として純（９９．９％）メタノールを用いる場合には省略することができ、より小型化することができる。

また、上記燃料電池システム１は、次のようにして製造することができる。

［燃料電池システムの製造方法例］
例えば、上記燃料電池１１０を、上述した構成を有する測定部１２０，制御部１３０，燃料・電解質供給部１４０および燃料供給部１５０を有するシステムに組み込み、燃料入口１４Ａおよび燃料出口１４Ｂと燃料供給部１５０とを例えばシリコーンチューブよりなる燃料供給ライン１５３で接続すると共に、燃料・電解質入口１４Ａおよび燃料・電解質出口１４Ｂと燃料・電解質供給部１４０とを例えばシリコーンチューブよりなる燃料・電解質供給ライン１４３で接続する。これにより図４に示した燃料電池システム１が完成する。

このような燃料電池システム１では、燃料・電解質供給部１４０から燃料電池１１０に燃料および電解質を含む流動体Ｆ１が供給されると、燃料電池１１０から電力が取り出され、外部回路２が駆動する。燃料電池１１０の運転中には、測定部１２０により燃料電池１１０の動作電圧および動作電流が測定され、その測定結果に基づいて、制御部１３０により、燃料電池１１０の運転条件として上述した燃料・電解液供給パラメータおよび燃料供給パラメータの制御が行われる。測定部１２０による測定および制御部１３０によるパラメータ制御は頻繁に繰り返され、燃料電池１１０の特性変動に追従して流動体Ｆ１および燃料Ｆ２の供給状態が最適化される。

次に、上記燃料電池１１０およびこれを備えた燃料電池システム１の効果を示す実施例について説明する。

［実施例］
上述した製造方法により、触媒として白金（Ｐｔ）とルテニウム（Ｒｕ）とを所定の比で含む合金と、ポリパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂（デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）の分散溶液とを所定の比で混合し、燃料電極１０の触媒層１１を形成した。この触媒層１３を、上述した材料よりなる拡散層１２（Ｅ−ＴＥＫ社製；ＨＴ−２５００）に対して、温度１５０℃、圧力２４９ｋＰａの条件下で１０分間熱圧着した。更に、上述した材料よりなる集電体１１を、ホットメルト系の接着剤または接着性のある樹脂シートを用いて熱圧着し、燃料電極１０を形成した。ここで使用する集電体１１は、図２に示すような形状をしており、集電端子を２つ備え、それぞれ対角配置されている。

また、触媒として白金（Ｐｔ）をカーボンに担持させたものと、ポリパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂（デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）の分散溶液とを所定の比で混合し、酸素電極２０の触媒層２３を形成した。この触媒層２３を、上述した材料よりなる拡散層２２（Ｅ−ＴＥＫ社製；ＨＴ−２５００）に対して、燃料電極１０の触媒層１３と同様にして熱圧着した。更に、上述した材料よりなる集電体２１を、燃料電極１０の集電体１１と同様にして熱圧着し、酸素電極２０を形成した。ここで使用する集電体２１も集電体１１と同様、図２に示すような形状をしており、集電端子を２つ備え、それぞれ対角配置されている。

次いで、接着性のある樹脂シートを用意し、この樹脂シートに流路を形成して燃料・電解質流路を燃料電極１０と空気電極２０の間に熱圧着した。続いて、上述した材料よりなる外装部材１４，２４を作製し、外装部材１４には、例えば樹脂製の継手よりなる空気入口１４Ａおよび空気出口１４Ｂを設け、外装部材２４には、例えば樹脂製の継手よりなる燃料・電解液入口２４Ａおよび燃料・電解液出口２４Ｂを設けた。その後、燃料電極１０と酸素電極２０とを、燃料・電解液流路３０を両者の間に配置し、外装部材１４，２４に収納した。

この燃料電池１１０を、上述した構成を有する測定部１２０，制御部１３０，電解液供給部１４０および燃料供給部１５０を有するシステムに組み込み、図４に示した燃料電池システム１を構成した。その際、燃料・電解液供給調整部１４２および燃料供給調整部１５２をダイアフラム式定量ポンプ（株式会社ＫＮＦ社製）により構成し、それぞれのポンプからシリコーンチューブよりなる燃料・電解液供給ライン１４３を電解液入口２４Ａに直接接続し、燃料供給ライン１５３は、燃料・電解質貯蔵部に直接接続され、燃料・電解質貯蔵部内のメタノール濃度が常に１Ｍになるように、任意のメタノール量が供給された。流体Ｆ２の電解質には、１Ｍメタノールと1 Ｍ硫酸の混合液を用い、燃料電池１１０には１．０ｍｌ／ｍｉｎの流速で供給した。

［評価］
得られた燃料電池システム１について、燃料電極および酸素電極にそれぞれ２つの集電端子を有する集電体を用いてその効果を調べた。比較例として、燃料電極および酸素電極にそれぞれ１つの集電端子を備えた集電体（図３）を用いた燃料電池を用いて同様の実験を行った。

まず、図５は、厚みは２００μｍ、幅は４．０ｃｍのチタンメッシュを用い、それぞれ４ｃｍ、８ｃｍ、２０ｃｍの場所で抵抗測定を行った結果である。図５のグラフから分かるように、抵抗と長さ（距離）は比例する関係にあり、電気の流れる距離が長くなればなるほど、必然的に抵抗は増加する傾向にあることが明らかである。

図６は１枚の集電体に集電端子を２端子あるいは１端子備えた燃料電池の（Ａ）電圧−電流カーブ、（Ｂ）電力−電流カーブを表したものである。図６から、１枚の集電体に集電端子を２端子設けることで３３％のピーク出力の向上が見られた。これは、高電流領域での出力向上であるため、集電端子を２箇所にすることで、電流が流れる経路を２分割にし、電流が流れる距離を半分にしたことから、電気抵抗が大幅に低減されたためと考えられる。

以上の結果から、集電体に集電端子を複数設けることにより、燃料電池内部の抵抗を大幅に低減することが可能であるといえる。

以上、実施の形態、適用例および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は、上記実施の形態等に限定されるものではなく、種々変形することができる。例えば、上記実施の形態等では、触媒層１３を集電体１１の片側のみに設けたが、両側に設けてもよい。

また、上記実施の形態等では、２端子集電体、および対角配置を基に具体的に説明をしたが、この構成に限定されるものではなく、例えば、図７に示したように、十字型（集電端子が４つ）に形成することも可能である。この場合、発生した電流（Ｐ２１０，Ｐ２２１）が流れる経路は４分割（Ｐ２１１，Ｐ２１２，Ｐ２１３およびＰ２１４、ならびにＰ２２１，Ｐ２２２，Ｐ２２３およびＰ２２４）され、電流が流れる距離が４等分され、電池内部の抵抗を低減することができる。更に、各集電端子は、必ずしも対角配置でなくてもよい。

また、燃料電極１０，酸素電極２０，燃料・電解質流路３０および空気流路４０の構成についてそれぞれ具体的に説明したが、他の構造あるいは他の材料により構成するようにしてもよい。例えば、燃料・電解質流路３０は、上記実施の形態で説明したような樹脂シートを加工して流路を形成したもののほか、多孔質などのシートにより構成してもよい。また、燃料・電解質流路３０の換わりに電解質膜を配置してもよい。更に、集電体１１および集電体２１は、カーボン素材を用いてもよい。

また、上記実施の形態等において説明した燃料および電解液を含む流動体Ｆ１は、プロトン（Ｈ⁺）伝導性を有するもの、例えば、硫酸のほか、リン酸またはイオン性液体のみ限定されず、アルカリ系電解液でもよい。さらに、上記第２の実施の形態で説明した燃料Ｆ２は、メタノールのほか、エタノールやジメチルエーテルなどの他のアルコール、もしくは砂糖燃料でもよい。

また、上記実施の形態等では、酸素電極２０へ空気を供給する場合について説明したが、空気に代えて酸素または酸素を含むガスを供給するようにしてもよい。

更に、上記実施の形態等において説明した各構成要素の材料および厚み、または燃料電池ユニット１１０の運転条件などは限定されるものではなく、他の材料および厚みとしてもよく、または他の運転条件としてもよい。

また、上記実施の形態等では、燃料電池として直接型メタノール燃料電池を例に挙げて説明したが、これに限らず、水素など液体燃料以外の物質を燃料として用いる燃料電池、例えばＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte Fuel Cell ：固体高分子型燃料電池）、アルカリ型燃料電池、あるいはグルコースなどの砂糖燃料を利用した酵素電池などにも適用可能である。更に、上記実施の形態においては、燃料電極１０および酸素電極２０の各集電体１１、２１にそれぞれ複数の端子を設ける構成としたが、いずれか一方にのみ複数の端子を設ける構成としてもよい。

本発明の一実施の形態に係る燃料電池の構成を表す断面図である。 図１に示した集電体の構造、集電体のスタック方法および電流の流れる経路を表す平面図である。 従来の集電体の構造とそのスタック方法および電流の流れる経路を表す平面図である。 燃料電池システムの概略構成を表す図である。 金属網の抵抗と長さとの関係の一例を示す特性図である。 集電体の端子の数による違いを説明するための特性図である 集電体の変形例を表す平面図である。

符号の説明

１…燃料電池システム、２…外部回路（負荷）、１０…燃料電極、１１，２１…集電体、１１Ａ，１１Ｂ，２１Ａ，２１Ｂ…集電端子、１２，２２…拡散層、１３，２３…触媒層、２０…酸素電極、１４，２４…外装部材、３０…燃料・電解液流路、４０…空気流路、１１０…燃料電池、１１２…燃料電池スタック、１２０…測定部、１３０…制御部、１４０…燃料・電解液供給部、１５０…燃料供給部。

Claims (10)

1. 第１の集電体を含む燃料電極と、
   第２の集電体を含む酸素電極と、
   前記燃料電極と酸素電極との間に設けられ、少なくとも電解質を流通させる電解質流路と、
   前記第１の集電体および第２の集電体の少なくとも一方に設けられると共に外部に突出する複数の集電端子と
   を備えた燃料電池。
2. 前記第１集電体および第２集電体はそれぞれ矩形状を有する
   請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記矩形状の集電体の対角位置に一対の集電端子を備える
   請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記矩形状の集電体の四端に二対の集電端子が対角配置され、
   一方の一対の集電端子は前記集電体の一の端辺方向に沿って外部に突出すると共に、他方の一対の集電端子は他の端辺方向に沿って外部に突出している
   請求項２に記載の燃料電池。
5. 前記集電体は、金属材料からなる板状または網状のものである
   請求項１に記載の燃料電池。
6. 前記集電体は、カーボン材料からなる板状または網状のものである
   請求項１に記載の燃料電池。
7. 前記燃料電極と、前記酸素電極と、前記電解質流路とを含んで単位セルが構成され、
   前記単位セルにおいて、前記第１の集電体における各集電端子と、前記第２の集電体における各集電端子とが、互いに重ならないように対向配置されている
   請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池。
8. 前記単位セルが複数設けられると共に、厚み方向に沿ってスタックされ、
   前記第１の集電体における集電端子と、前記第２の集電体における集電端子とが、互いに対向配置するように突出している
   請求項７に記載の燃料電池。
9. 複数の集電端子を有する集電体を備え、
   燃料電極と酸素電極との間に設けられ、少なくとも電解質を流通させる電解質流路を有する燃料電池の前記燃料電極または前記酸素電極として用いられる
   電極。
10. 燃料電池を備え、前記燃料電池が、
    第１の集電体を含む燃料電極と、第２の集電体を含む酸素電極と、前記燃料電極と酸素電極との間に設けられ、少なくとも電解質を流通させる電解質流路と、前記第１の集電体および第２の集電体の少なくとも一方に設けられると共に外部に突出する複数の集電端子とを有する
    電子機器。

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