JP3729151B2 - 燃料電池の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、燃料極および酸化剤極と、これらの間に設けられた電解質から構成され、燃料極には燃料が、酸化剤極には酸化剤が供給されて電気化学反応により発電する。燃料としては、一般的には水素が用いられるが、近年、安価で取り扱いの容易なメタノールを燃料として直接利用する直接型の燃料電池の開発も盛んに行われている。
【０００３】
燃料として水素を用いた場合、燃料極での反応は以下の式（１）のようになる。
３Ｈ_２→６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ （１）
【０００４】
燃料としてメタノールを用いた場合、燃料極での反応は以下の式（２）のようになる。
ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→６Ｈ^＋＋ＣＯ_２＋６ｅ⁻ （２）
【０００５】
また、いずれの場合も、酸化剤極での反応は以下の式（３）のようになる。
３／２Ｏ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻→３Ｈ_２Ｏ （３）
【０００６】
燃料電池は、電解質の違いによって多くの種類に分類されるが、一般的には、アルカリ型、固体高分子型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型に大別される。なかでも、固体高分子型燃料電池は、高出力を得ることができることから注目されている。
【０００７】
図９は、一般的な固体高分子型燃料電池の単位セルを示す斜視図である。固体高分子型燃料電池の単位セル２６１は、パーフルオロスルフォン酸膜等の固体高分子電解質膜２６６を有し、この固体高分子電解質膜２６６の両面に燃料極２６２と酸化剤極２６４を接合して構成される。この燃料極２６２および酸化剤極２６４は、触媒物質が担持された炭素物質と固体高分子電解質の微粒子との混合体より構成される。
【０００８】
以上の構成において、燃料極２６２に供給された燃料は、燃料極２６２中の細孔を通過して触媒物質に達し、触媒物質により燃料が分解されて、上記式（１）または式（２）で示したように、水素イオンと電子を生じる。水素イオンは固体高分子電解質膜２６６を通って酸化剤極２６４に達し、酸化剤極２６４に供給された酸素および外部回路から流れ込む電子と反応して上記式（３）に示したように水を生じる。一方、燃料の分解により燃料極２６２で放出された電子は外部回路へ導き出され、外部回路から酸化剤極２６４に流れ込む。この結果、外部回路では燃料極２６２から酸化剤極２６４へ向かって電子が流れ、電力が取り出される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この単位セル２６１一つでは、実用的に充分な電力を得ることができないため、通常、複数の単位セル２６１を電気的に直列または並列に接続してスタック構造にされた燃料電池が用いられる。単位セル２６１は、セパレータ２６８を介して互いに電気的に接続される。セパレータ２６８は、単位セル２６１をスタック構造としたときに燃料極２６２に供給される燃料と、酸化剤極２６４に供給される酸素などの酸化剤とを分離する機能をも有する。
【００１０】
また、例えば特開平８−２７３６９６号公報には、複数の単位セルが同一平面状に配置されたスタック構造と、このスタック構造を複数重ねた燃料電池の構造が開示されている。この技術は、複数の単位セル間を電気的に接続することにより高出力化が可能である。しかしながら、特開平８−２７３６９６号公報に記載された燃料電池は、燃料および酸化剤の流路を形成する必要があるため、構成部品数が多くなり電池全体が巨大化するという新たな問題をもたらしている。さらに、複数のスタック構造は、セパレータを介して重ねる必要がある。
【００１１】
セパレータとして金属を用いた場合、水素イオンにより金属が腐食して金属イオンが溶け出し、その溶け出した金属イオンが燃料電池の電解質膜にトラップされ徐々に電池性能が劣化するという問題がある。また、セパレータとして炭素を用いることにより、耐腐食性は向上するが、炭素は脆く、燃料の流路等の形成加工時に壊れやすいため、ある程度の厚さにする必要がある。そのため、複数の単位セルをスタック構造とすると、巨大かつ大重量になってしまうという問題がある。
【００１２】
本発明は上記事情を踏まえてなされたものであり、コンパクトな形態としつつ、必要な電力を確保できる燃料電池を提供することを目的とする。本発明の別の目的は、燃料電池の構造を簡略化することにある。本発明のまた別の目的は、取り扱いの容易な燃料電池を提供することにある。本発明のさらに別の目的は、燃料電池の製造プロセスを簡略化することにある。本発明のさらに別の目的は、燃料電池の低重量化と低体積化を実現することにある。本発明のさらに別の目的は、燃料電池およびその製造プロセスの信頼性を高めることにある。
【００１３】
本発明は燃料電池の製造方法に係るものである。本発明の燃料電池の製造方法によれば、以下のような燃料電池が得られる。
本発明によれば、筒状に形成された固体電解質膜と、固体電解質膜の内壁に設けられた第一の電極および固体電解質膜の外壁に第一の電極と対向して設けられた第二の電極をそれぞれ構成要素とする複数の単位セルと、を含み、一の単位セルと、他の単位セルとが直列に接続されたことを特徴とする燃料電池が得られる。
【００１４】
このようにすると、セパレータを用いることなく、固体電解質膜により第一の電極と第二の電極を隔離して形成することができる。また、固体電解質膜の内壁側と外壁側にそれぞれ燃料および酸化剤のいずれか一方または他方を供給することができるので、燃料電池の取り扱いが容易となる。また、各単位セルが直列に接続されるので、燃料電池に含まれる単位セルの数を調整することにより、所望の出力電力を得ることができる。
【００１５】
ここで、筒状とは、円筒状であってもよく、また、四角柱形状や三角柱形状など、様々な形状とすることができ、筒状の固体電解質膜により、第一の電極と第二の電極が空間的に隔離されるようになっていれば、どのような形状とすることもできる。
【００１６】
「対向して設けられた」とは、一つの単位セルを構成する第一の電極と第二の電極が全領域にわたって対向して設けられる必要はなく、少なくとも一部分で対向するように設けられていればよい。例えば、一の単位セルの第一の電極と他の単位セルの第二の電極とが接合される領域において、これら一の単位セルの第一の電極と他の単位セルの第二の電極は、それぞれ対向する一の単位セルの第二の電極と他の単位セルの第一の電極電極よりも幅広く形成されてもよい。また、接合される領域の反対面には、これら対向する一の単位セルの第二の電極と他の単位セルの第一の電極電極は形成されなくともよい。
【００１７】
本発明によれば、筒状に形成された固体電解質膜と、固体電解質膜の内壁に設けられた第一の電極および固体電解質膜の外壁に第一の電極と対向して設けられた第二の電極をそれぞれ構成要素とする複数の単位セルと、を含み、一の単位セルを構成する第一の電極と、他の単位セルを構成する第二の電極とが電気的に接続されたことを特徴とする燃料電池が提供される。
【００１８】
「電気的に接続」とは、これらの電極を直接接続することもでき、何らかの導電性部材を介して接続することもできる。
【００１９】
この燃料電池において、筒状の固体電解質膜は、固体電解質からなるシートの表面の一部とシートの裏面の一部とが接合された形状を有することができ、その接合部において、一の単位セルの第一の電極と、他の単位セルの第二の電極とを電気的に接続することができる。ここで、シートはどのような形状であってもよいが、例えば矩形とすることができる。
【００２０】
このような形状とすることにより、燃料電池の構成を簡略化することができ、燃料電池の製造を容易にすることができる。これにより、燃料電池の製造歩留および信頼性を向上することもできる。
【００２１】
この燃料電池において、固体電解質膜は、固体電解質からなるシートの一の端部と他の端部とが接合された形状を有することができ、その接合部において、一の単位セルの第一の電極と、他の単位セルの第二の電極とを電気的に接続することができる。
【００２２】
この燃料電池において、固体電解質膜は、固体電解質からなる複数のシートの端部どうしが接合された形状を有することができ、その接合部において、一の単位セルの第一の電極と、他の単位セルの第二の電極とを電気的に接続することができる。ここで、複数のシートは、一方向に彎曲して形成されたものを用いることができる。このような構成にすることにより、各接合部で、複数の単位セルを直列に接続することができるので、省スペースで高い出力電圧を得ることができる。
【００２３】
この燃料電池において、固体電解質膜は、固体電解質からなるシートの一の単位セルの第一の電極が形成された領域と他の単位セルの第二の電極が形成された領域とが接合された形状を有することができる。
【００２４】
この燃料電池において、複数の単位セルは、固体電解質膜の周壁に沿って周回するように形成されることができる。このような構造とすることにより、省スペースで複数の単位セルを形成することができ、コンパクトな形状で出力電圧を高めることができる。
【００２５】
この燃料電池において、複数の単位セルは、固体電解質膜の周壁に沿ってらせん状に配置されることができる。このような構造とすることにより、省スペースで複数の単位セルを形成することができ、コンパクトな形状で出力電圧を高めることができる。
【００２６】
この燃料電池において、複数の単位セルの第一の電極および第二の電極は帯状に形成され、帯状の長手方向の端部で他の単位セルと接続することができる。
【００２７】
この燃料電池において、複数の単位セルは、帯状の短手方向の端部において、他の単位セルと所定の間隔を隔てて設けることができる。
【００２８】
この燃料電池において、複数の単位セルは、帯状の短手方向の端部において、固体電解質膜の膜厚よりも広い間隔を隔てて設けることができる。
【００２９】
この燃料電池において、複数の単位セルの帯状の短手方向の端部において、複数の単位セルを他の単位セルから隔離する隔離部材をさらに含むことができる。隔離部材としては、例えば固体電解質膜に形成されたスリットにより構成することができる。
【００３０】
この燃料電池において、固体電解質膜は、それぞれ一つの単位セルが形成された複数のシート状の固体電解質膜と、これらの固体電解質膜を連結する連結部材と、を含むことができる。ここで、連結部材は、絶縁性材料により構成することができる。
【００３１】
この燃料電池において、第一の電極および第二の電極のうち、いずれか一方は燃料が供給される燃料極とすることができ、いずれか他方は酸化剤が供給される酸化剤極とすることができる。
【００３２】
この燃料電池において、第一の電極を燃料極とすることができ、第二の電極を酸化剤極とすることができる。これにより、筒状の固体電解質膜の内部に燃料を供給する構成とすることができる。
【００３３】
この燃料電池において、燃料が燃料極に直接供給される直接型とすることができる。また、常温で液体である燃料を用いることができる。
【００３４】
この燃料電池において、固体電解質膜は、その内部に燃料をためるように構成することができる。この燃料電池において、固体電解質膜の内部から排出される燃料の流量を調整する流量調整部をさらに含むことができる。
【００３５】
この燃料電池において、固体電解質膜は、円筒状に形成することができる。単位セルを形成したシートを彎曲することにより、固体電解質膜を筒状に形成することができる。円筒状とは、例えば開口部の断面が楕円であってもよく、また、固体電解質膜が円錐形状に形成されてもよい。固体電解質膜を円錐形状にすることにより、固体電解質膜内部に燃料をためることもできる。
【００３６】
この燃料電池において、固体電解質膜を形成するシートは、固体電解質を融着することにより接合することができる。
【００３７】
この燃料電池において、固体電解質膜の内壁側または外壁側において、固体電解質膜を支持する支持体をさらに含むことができる。この場合、固体電解質膜を形成するシートは、支持体に挟持されて接合することができる。また、支持体には、燃料および酸化剤を通過させる孔が形成することができる。ここで、支持体は、導電性材料により構成することができ、集電電極として機能させることができる。
【００３８】
本発明によれば、固体高分子電解質からなるシートの表面に第一の電極を設けるとともに前記シートの裏面に前記第一の電極と対向するように第二の電極を設けて、対向する一対の前記第一の電極および前記第二の電極を構成要素とする単位セルを複数形成する工程と、１枚の前記シートを丸め、かつその端部同士を接合して前記シートを筒状とするとともに、一の前記単位セルの前記第一の電極と、一の前記単位セルに隣接する他の単位セルの前記第二の電極とを直接接合する工程と、を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法が提供される。
【００３９】
この燃料電池の製造方法において、単位セルを形成する工程は、複数の第一の電極をシートの表面に一端から他端に延在するように形成するとともに、複数の第二の電極をシートの裏面に第一の電極と対向するように形成する工程を含むことができる。
【００４０】
この燃料電池の製造方法において、単位セルを形成する工程は、複数の第一の電極を略平行に形成する工程を含むことができる。ここで、複数の第二の電極も、略平行に形成することができる。
【００４１】
この燃料電池の製造方法において、単位セルを形成する工程は、複数の第一の電極をシートの膜厚よりも広い間隔を隔てて形成する工程を含むことができる。ここで、複数の第二の電極も、シートの膜厚よりも広い間隔を隔てて形成することができる。
【００４２】
この燃料電池の製造方法において、単位セルを形成する工程は、複数の第一の電極を互いに実質的に平行に形成する工程を含むことができる。
【００４３】
【発明の実施の形態】
（第一の実施の形態）
図１は本実施の形態における燃料電池の構造を模式的に示した断面図である。燃料電池２７０に含まれる複数の単位セルのうち、一つのみを模式的に示す。燃料電池２７０は、燃料極１０２、酸化剤極１０８および固体電解質膜１１４から構成される。固体電解質膜１１４は、燃料極１０２と酸化剤極１０８を隔てるとともに、両者の間で水素イオンを移動させる役割を有する。このため、固体電解質膜１１４は、水素イオンの伝導性が高い膜であることが好ましい。また、化学的に安定であって機械的強度が高いことが好ましい。
【００４４】
固体電解質膜１１４を構成する材料としては、スルフォン基、リン酸基等の強酸基や、カルボキシル基等の弱酸基等の極性基を有する有機高分子が好ましく用いられる。こうした有機高分子として、スルフォン化ポリ（４−フェノキシベンゾイル−１,４−フェニレン）、アルキルスルフォン化ポリベンゾイミダゾール等の芳香族縮合系高分子；
スルフォン基含有パーフルオロカーボン（ナフィオン（デュポン社製）（登録商標）、アシプレックス（旭化成社製））；
カルボキシル基含有パーフルオロカーボン（フレミオンＳ膜（旭硝子社製）（登録商標））；
等が例示される。
【００４５】
燃料極１０２および酸化剤極１０８は、それぞれ、触媒を担持した炭素粒子と固体電解質の微粒子とを含む燃料極側触媒層１０６および酸化剤極側触媒層１１２を基体１０４および基体１１０上に形成した構成とすることができる。基体１０４および基体１１０の表面は撥水処理してもよい。
【００４６】
燃料極側触媒層１０６の触媒としては、白金、金、銀、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、コバルト、ニッケル、レニウム、リチウム、ランタン、ストロンチウム、イットリウム、またはこれらの合金等が例示される。酸化剤極側触媒層１１２の触媒としては、燃料極側触媒層１０６と同様のものを用いることができ、上記例示物質を使用することができる。なお、燃料極側触媒層１０６および酸化剤極側触媒層１１２の触媒は同じものを用いても異なるものを用いてもどちらでもよい。
【００４７】
触媒を担持する炭素粒子としては、アセチレンブラック（デンカブラック（電気化学社製）（登録商標）、ＸＣ７２（Vulcan社製）等）、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等が例示される。炭素粒子の粒径は、たとえば、０．０１〜０．１μｍ、好ましくは０．０２〜０．０６μｍとする。
【００４８】
燃料極側触媒層１０６および酸化剤極側触媒層１１２における固体電解質の微粒子は、同一のものであっても異なるものであってもよい。ここで、固体電解質の微粒子は、固体電解質膜１１４と同じ材料を用いることができるが、固体電解質膜１１４とは異なる材料や、複数の材料を用いることもできる。
【００４９】
燃料極１０２、酸化剤極１０８ともに、基体１０４および基体１１０としては、カーボンペーパー、カーボンの成形体、カーボンの焼結体、焼結金属、発泡金属等の多孔性基体を用いることができる。また、基体１０４および基体１１０の撥水処理にはポリテトラフルオロエチレン等の撥水剤を用いることができる。
【００５０】
燃料としては、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、または他のアルコール類、あるいはシクロパラフィン等の液体炭化水素等の有機液体燃料を用いることができる。有機液体燃料は、水溶液とすることができる。また、燃料として、水素、メタン、プロパン、ブタン、またはバイオマスガス等の天然および合成の炭水化物を用いることもできる。酸化剤としては、通常、空気を用いることができるが、酸素ガスを供給してもよい。
【００５１】
次に、本実施の形態における燃料電池の製造方法を説明する。
まず、一般的に用いられている含浸法によって炭素粒子に触媒を担持させる。次に触媒を担持させた炭素粒子と固体電解質の微粒子を溶媒に分散させ、ペースト状としたのち、撥水化処理を行った基体１０４または１１０に塗布、乾燥させることによって燃料極１０２および酸化剤極１０８が得られる。
【００５２】
ここで、炭素粒子の粒径は、たとえば０．０１〜０．１μｍとする。また、固体電解質の微粒子の粒径は、たとえば０．０５〜１μｍとする。炭素粒子と固体電解質の微粒子とは、たとえば、重量比で２：１〜４０：１の範囲で用いられる。また、ペースト中の水と溶質との重量比は、たとえば、１：２〜１０：１程度とする。触媒粒子の粒径は、たとえば１ｎｍ〜１０ｎｍとする。基体１０４または１１０へのペーストの塗布方法については特に制限がないが、たとえば、刷毛塗り、スプレー塗布、およびスクリーン印刷法等の方法を用いることができる。ペーストは、約１μｍ〜２ｍｍの厚さで塗布される。ペーストを塗布した後、使用する材料に応じた加熱温度および加熱時間で加熱し、燃料極１０２および酸化剤極１０８が作製される。加熱温度および加熱時間は、用いる材料によって適宜に選択されるが、たとえば、加熱温度１００℃〜２５０℃、加熱時間３０秒間〜３０分とすることができる。
【００５３】
本発明における固体電解質膜１１４は、用いる材料に応じて適宜な方法を採用して作製することができる。たとえば固体電解質膜１１４を有機高分子材料で構成する場合、有機高分子材料を溶媒に溶解ないし分散した液体を、ポリテトラフルオロエチレン等の剥離性シート等の上にキャストして乾燥させることにより得ることができる。
【００５４】
図２は、以上のようにして得られた固体電解質膜１１４に、二つの単位セルを設けて構成した電極−電解質膜複合体を示す図である。まず、固体電解質膜１１４の一面に二つの帯状の酸化剤極１０８ａおよび酸化剤極１０８ｂを配置し、反対面に二つの帯状の燃料極１０２ａおよび燃料極１０２ｂを配置する。このとき、燃料極１０２ａおよび燃料極１０２ｂ、ならびに酸化剤極１０８ａおよび酸化剤極１０８ｂは、燃料極側触媒層１０６および酸化剤極側触媒層１１２が固体電解質膜１１４と接するようにする。この状態でホットプレスして電極−電解質膜複合体を形成する。ホットプレスの条件は、材料に応じて選択されるが、固体電解質膜１１４や燃料極側触媒層１０６および酸化剤極側触媒層１１２中の固体電解質の微粒子を軟化点やガラス転移のある有機高分子で構成する場合、これらの有機高分子の軟化温度やガラス転移温度を超える温度とすることができる。具体的には、たとえば、温度１００〜２５０℃、圧力１〜１００ｋｇ／ｃｍ^２、時間１０秒〜３００秒とする。
【００５５】
ここで、燃料極１０２ａおよび酸化剤極１０８ａは第一の単位セル２７１ａを構成し、燃料極１０２ｂおよび酸化剤極１０８ｂは第二の単位セル２７１ｂを構成する。第一の単位セル２７１ａと第二の単位セル２７１ｂは、固体電解質膜１１４を共有して構成される。ここで、第一の単位セル２７１ａおよび第二の単位セル２７１ｂは、他方の単位セルへの電流リークを避けるため、固体電解質膜１１４の膜厚以上の距離を隔てて設けられるのが好ましい。また、第一の単位セル２７１ａまたは第二の単位セル２７１ｂにおいて、燃料極１０２ａと酸化剤極１０８ａ、または燃料極１０２ｂと酸化剤極１０８ｂは、必ずしも同じ形状に設けられる必要はないが、固体電解質膜１１４を挟んで重なる部分が生じるように配置される。
【００５６】
以上のようにして形成した電極−電解質膜複合体を、第一の単位セル２７１ａの端部Ａとの第二の単位セル２７１ｂの端部Ａ'とが重なるように筒状に丸める。ここで、第一の単位セル２７１ａの燃料極１０２ａと第二の単位セル２７１ｂの酸化剤極１０８ｂが電気的に接続される。このようにして、図３に示す燃料電池２７０が得られる。図３（ａ）は、燃料電池２７０の構造を示す斜視図である。
【００５７】
燃料電池２７０は、具体的には、以下のようにして形成することができる。まず、目的とする燃料電池２７０と同様の形状で、わずかに小さく形成された金型の周囲に、電極−電解質膜複合体を巻きつける。このとき、上述したように第一の単位セル２７１ａの端部Ａと第二の単位セル２７１ｂの端部Ａ'とが重なるようにする。その後、目的とする燃料電池２７０と同様の形状で、わずかに大きく形成された筒状の金型を電極−電解質膜複合体の上にかぶせ、これら二つの金型で電極−電解質膜複合体を挟み込んだ状態で金型に熱をかけ、固体電解質膜１１４の重なり部分をホットプレスする。ホットプレスの条件は、材料に応じて選択されるが、上述した固体電解質膜１１４と、燃料極１０２ａおよび燃料極１０２ｂ、ならびに酸化剤極１０８ａおよび酸化剤極１０８ｂとのホットプレスと同様の条件とすることができる。
【００５８】
図３（ｂ）は、以上のように形成された燃料電池２７０において、第一の単位セル２７１ａの燃料極１０２ａと第二の単位セル２７１ｂの酸化剤極１０８ｂとが接続された状態を示す断面図である。固体電解質膜１１４の重なり部分は、ホットプレスにより接着されるので、固体電解質膜１１４の内壁と外壁が空間的に隔離される。そのため、固体電解質膜１１４の内壁に形成された燃料極１０２ａおよび燃料極１０２ｂと外壁に形成された酸化剤極１０８ａおよび酸化剤極１０８ｂは、固体電解質膜１１４によって空間的に隔てられるので、セパレータを用いることなく燃料と酸化剤を分離して供給することができる。
【００５９】
また、以上の実施の形態では、二つの単位セル２７１ａおよび単位セル２７１ｂを設けるとしたが、さらに多くの単位セルを設けてこれらの間を同様に直列に接続することにより、所望の出力電力を得ることができる。このように、本実施の形態の燃料電池においては、複数の単位セルを直列に接続することができるので、出力電力を高めることができる。
【００６０】
（第二の実施の形態）
図４は、第二の実施の形態における燃料電池を示す図である。本実施の形態における燃料電池２８０は、図３に示した第一の実施の形態における燃料電池２７０と同様の構成のものが、第一の支持体２７６および第二の支持体２７８に挟持されている点で第一の実施の形態と異なる。図３（ａ）に示すように、第一の支持体２７６および第二の支持体２７８は、燃料電池２７０における固体電解質膜１１４の外壁側と内壁側に設けられ、固体電解質膜１１４を挟持する。
【００６１】
これらの第一の支持体２７６および第二の支持体２７８は、酸化剤および燃料をそれぞれ通過可能に構成することができる。例えば、第一の支持体２７６には、酸化剤を通過させるように複数のスリット２８２が形成される。図示していないが、第二の支持体２７８にも、燃料を通過させるように複数のスリットが形成される。また、第一の支持体２７６および第二の支持体２７８は、固体電解質膜１１４を補強する機能をも有するので、ある程度の剛直性を有する材料により構成されるのが好ましい。さらに、第一の支持体２７６および第二の支持体２７８は、燃料や酸化剤、または発生する水素イオンに腐食されにくい材料により構成されるのが好ましい。また、燃料電池２８０を軽量化するため、できるだけ軽い材料により構成されるのが好ましい。第一の支持体２７６および第二の支持体２７８は、例えば金属材料、または炭素材料等の導電性材料により構成することができる。このように、第一の支持体２７６および第二の支持体２７８を導電性材料により構成した場合、第一の支持体２７６および第二の支持体２７８は、集電電極として用いることもできる。さらに、他の例において、第一の支持体２７６および第二の支持体２７８は、多孔性材料により形成することができる。
【００６２】
図４（ｂ）は、以上のように形成された燃料電池２８０の構造を示す上面断面図である。本実施の形態において、第一の実施の形態と同様、固体電解質膜１１４の重なり部分をホットプレスにより接着した後、第一の支持体２７６および第二の支持体２７８で固体電解質膜１１４を挟持してもよいが、第一の支持体２７６および第二の支持体２７８で固体電解質膜１１４を挟み込んで固体電解質膜１１４の重なり部分を固定してもよい。このように、本実施の形態においても、燃料極と酸化剤極が、固体電解質膜１１４によって空間的に隔てられるので、セパレータを用いることなく燃料と酸化剤を分離して供給することができる。
【００６３】
図５は、第一および第二の実施の形態における電極−電解質膜複合体の他の例を示す図である。第一の単位セル２７１ａと第二の単位セル２７１ｂとの間に、溝２７２を形成することができる。この場合、第一の単位セル２７１ａおよび第二の単位セル２７１ｂは、固体電解質膜１１４の溝２７２が設けられた部分の膜厚以上の距離を隔てて設けられるのが好ましい。このようにすると、第一の単位セル２７１ａと第二の単位セル２７１ｂとの間の間隔をせまくしても、他方の単位セルへの電流リークを避けることができる。そのため、コンパクトな形状で多数の単位セルを設けることができるので、燃料電池２７０または燃料電池２８０の出力電圧をさらに高めることができる。
【００６４】
図６は、第一および第二の実施の形態における電極−電解質膜複合体のまた他の例を示す図である。図６（ａ）に示すように、第一の単位セル２７１ａおよび第二の単位セル２７１ｂを、それぞれ独立して形成された二つの固体電解質膜１１４ａおよび固体電解質膜１１４ｂに形成し、連結部材２７４により連結した構成としてもよい。連結部材２７４は、例えばテフロン（登録商標）等の絶縁性材料により構成することができる。このように、第一の単位セル２７１ａおよび第二の単位セル２７１ｂを絶縁性の連結部材２７４で接続することにより、これらの単位セル間を電気的に隔離することができ、電流リークを防ぐことができる。
【００６５】
図６（ｂ）は、図６（ａ）の電極−電解質膜複合体を示す側面図である。連結部材２７４は、テフロン製のブロック体の両側にスリットを形成し、そのスリット部分に固体電解質膜１１４ａおよび固体電解質膜１１４ｂを挟み込み、固体電解質膜１１４ａおよび固体電解質膜１１４ｂを連結することができる。
【００６７】
【実施例】
以下に本発明の燃料電池を実施例によって具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されない。
【００６８】
（実施例１）
本実施例の燃料電池は以下のようにして製造した。固体電解質膜としてはナフィオン１１７（デュポン社製）を用いた。燃料極および酸化剤極の両方とも、炭素粒子としてデンカブラック（電気化学社製）、触媒として白金とルテニウムの１：１合金、固体電解質の微粒子として５％ナフィオンアルコール溶液（アルドリッチ・ケミカル社製）を用いた。触媒の合金と単素粒子の重量比は１：１とした。また、基体としては、燃料極および酸化剤極の両方とも、カーボンペーパー（東レ社製：ＴＧＰ−Ｈ−１２０）を用いた。
【００６９】
まず、５％ナフィオンアルコール溶液１８ｍｌに、触媒が担持されたデンカブラック１ｇを混ぜ、５０℃で約３時間超音波分散器にかけて、ペースト状にした。ナフィオン１１７のこのペースト状の試料をカーボンペーパーにスクリーン印刷法で２ｍｇ／ｃｍ^２塗布した後、１２０℃で乾燥し、燃料極および酸化剤極を得た。これらの燃料極および酸化剤極をナフィオン１１７の両面に１２０℃でホットプレスすることにより、電極−電解質膜複合体を形成した。このようにして形成した二つの電極−電解質膜複合体をテフロン製の連結部材で挟持して、同一面内に二つの単位セルが含まれるシートを形成した。
【００７０】
つづいて、このシートを円筒状に丸め、固体電解質膜１１４の内壁と外壁側に設けられた支持体により固定し、燃料電池を形成した。この燃料電池の内部に１０％メタノール水溶液を満たし、その後圧電ポンプで２ｍｌ／ｍｉｎで１０％メタノール水溶液を供給、排出するようにした。燃料電池の外部を大気中にさらして電池特性を測定したところ、電流密度１００ｍＡ／ｃｍ^２時の電池電圧が０．９Ｖであった。これは、単位セル単体で測定した場合の２倍の電圧に相当し、直列接続が確認された。
【００７１】
（実施例２）
燃料を水素ガスに変更し、電池特性を測定したところ、電流密度６００ｍＡ／ｃｍ^２時の電池電圧が、１．３Ｖであり、単位セル単体で測定した場合の電池電圧６００ｍＶの２倍の電圧が得られた。
【００７２】
以上、本発明を実施の形態および実施例をもとに説明した。この実施の形態および実施例は例示であり、その各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、そうした例を説明する。
【００７３】
単位セルは種々の形状で設けることができる。そのような例を図７および図８に示す。図７（ａ）から図７（ｃ）において、固体電解質膜１１４、固体電解質膜１１４ａおよび固体電解質膜１１４ｂは、それぞれ第一の単位セル２７１ａの酸化剤極１０８ａの端部Ａと第二の単位セル２７１ｂの燃料極１０２ｂの端部Ａ'とが接続されるように筒状に形成される。また、単位セルは、固体電解質膜１１４を丸めて端部を重ね合わせたときに、第一の単位セル２７１ａの端部Ａ'と第二の単位セル２７１ｂの端部Ａが接続されるように形成されていれば、図８に示すような形状にすることもできる。
【００７４】
また、実施の形態で説明した燃料電池２７０および燃料電池２８０において、固体電解質膜１１４内部に燃料をためる構造とすることができる。例えば、固体電解質膜１１４内部から排出される燃料の流量を調整することにより、固体電解質膜１１４内部に燃料をためることができる。このように、簡易な構造で、複数の単位セルのスタック構造を得ることができる。燃料電池２７０および燃料電池２８０は、筒状の固体電解質膜１１４から排出される燃料の流量を調整する流量調整部を含むことができる。これにより、スタック構造の内部に燃料をためることができる。また、燃料電池２７０および燃料電池２８０は、固体電解質膜１１４内部に供給する燃料の流量を調整する圧電ポンプ等を含むこともできる。
【００７５】
さらに、実施の形態では、筒状に形成された固体電解質膜１１４の内壁側に燃料極が形成され、外壁側に酸化剤極が形成されるとしたが、これらは逆に形成することもできる。この場合、内壁を大気中に曝し、外部を燃料で満たすことができる。
【００７６】
さらに、本発明によれば、単位セルの数を増やすことによって燃料電池の出力電圧を高くすることができるので、使用する機器に応じて、必要な出力電圧を提供することができる。また、固体電解質膜１１４により形成される筒状の開口面積や各単位セルを構成する燃料極および酸化剤極の幅を変えることによっても出力電圧を制御することができる。
【００７７】
実施の形態で説明した燃料電池２７０および燃料電池２８０において、固体電解質膜１１４は、円筒状に限らず、三角柱形状や四角柱形状とすることもできる。また、固体電解質膜１１４は、矩形状のシートの一部分のみを筒状に形成することもでき、一枚のシートで複数の筒状部分を形成することもできる。固体電解質膜１１４は、筒状構造により燃料極および酸化剤極を隔離可能であれば、どのような形状にすることもできる。
【００７８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の燃料電池の製造方法によれば、コンパクトな形態で単位セルの直列接続構造を実現できるので、所望の電力が得られる燃料電池を提供することができる。燃料電池の駆動には燃料が必要となるが、本発明の燃料電池の製造方法によれば、筒状の固体電解質膜の内部に、燃料、特に常温で液体である燃料を保持する空間を得ることができるので、燃料電池の構造を簡略化することができる。これにより、燃料電池の取り扱いを容易にすることができる。単位セルが形成されたシートの表面と裏面を接合することにより、複数の単位セルを直列に接続することができるので、燃料電池の製造プロセスを簡略化することができる。これにより、燃料電池およびその製造プロセスの信頼性を高めることができる。また、従来の燃料電池のスタック構造で必要であったセパレータが不要となり、低重量化と低体積化が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第一の実施の形態における燃料電池の構造を模式的に示した断面図である。
【図２】 固体電解質膜に二つの単位セルを設けて構成した電極−電解質膜複合体を示す図である。
【図３】 本実施の形態における燃料電池を示す図である。
【図４】 第二の実施の形態における燃料電池を示す図である。
【図５】 第一および第二の実施の形態における電極−電解質膜複合体の他の例を示す図である。
【図６】 第一および第二の実施の形態における電極−電解質膜複合体のまた他の例を示す図である。
【図７】 電極−電解質膜複合体の他の例を示す図である。
【図８】 電極−電解質膜複合体の他の例を示す図である。
【図９】 従来の、一般的な固体高分子型燃料電池の単位セルを示す斜視図である。

Claims (5)

1. 固体高分子電解質からなるシートの表面に第一の電極を設けるとともに前記シートの裏面に前記第一の電極と対向するように第二の電極を設けて、対向する一対の前記第一の電極および前記第二の電極を構成要素とする単位セルを複数形成する工程と、
   １枚の前記シートを丸め、かつその端部同士を接合して前記シートを筒状とするとともに、一の前記単位セルの前記第一の電極と、一の前記単位セルに隣接する他の単位セルの前記第二の電極とを直接接合する工程と、
   を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。
2. 請求項１に記載の燃料電池の製造方法において、前記単位セルを形成する工程は、複数の前記第一の電極を前記シートの前記表面に一端から他端に延在するように形成するとともに、複数の前記第二の電極を前記シートの裏面に前記第一の電極と対向するように形成する工程を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。
3. 請求項２に記載の燃料電池の製造方法において、前記単位セルを形成する工程は、前記複数の前記第一の電極を略平行に形成することを特徴とする燃料電池の製造方法。
4. 請求項２または３に記載の燃料電池の製造方法において、前記単位セルを形成する工程は、前記複数の前記第一の電極を前記シートの膜厚よりも広い間隔を隔てて形成することを特徴とする燃料電池の製造方法。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池の製造方法において、前記単位セルを形成する工程は、前記単位セルを備える複数のシート部分を絶縁性の連結部材により連結する工程であることを特徴とする燃料電池の製造方法。

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