JP4511610B2 - 燃料電池及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池を構成する各層を樹脂により一体化してある燃料電池、及びその製造方法に関し、特にモバイル機器（携帯機器）等に使用する燃料電池として有用である。

近年のＩＴの発展に伴い、携帯電話、ノートパソコン、デジタルカメラ等のモバイル機器のほとんどの電源は、リチウムイオン二次電池が用いられている。しかし、これらのモバイル機器の高機能化に伴い、消費電力がますます増加する傾向にあり、その電源用あるいは充電用としてクリーンで高効率な燃料電池に注目が集まっている。

このような小型・軽量の燃料電池としては、例えば下記の特許文献１のように、板状の固体高分子電解質と、その一方側に配置されたアノード側電極板と、他方側に配置されたカソード側電極板と、アノード側電極板の外側に配置されたアノード側金属板と、カソード側電極板の外側に配置されたカソード側金属板とを備え、これら金属板の外周部を絶縁材を介してカシメることにより、封止したものが知られている。しかし、金属板のカシメによる封止では、工程が複雑化し、カシメ部分の厚み制御にも精度を要するという問題があった。

そこで、封止工程を簡略化すべく、下記の特許文献２には、上記と同様の板状の固体高分子電解質と電極板と金属板とを備える燃料電池において、エポキシ系樹脂等の封止材料を用いて、絶縁材を介在させつつ、両側の金属板の周縁領域のみを封止したものが提案されている。

また、下記の特許文献３には、板状の固体高分子電解質と、その両側に設けた電極板（触媒層＋導電性多孔質体）とを備え、それら各層の周囲をインサート成形した樹脂枠で一体化した燃料電池用セル部材が提案されている。この発明では、電気を外部に取り出すための導電部材（接続部材１８等）は、樹脂の外側に配置されて、少ない面積で導電性多孔質体と接触しており、導電部材は樹脂で覆われていない。

特開２００５−１５０００８号公報 実用新案登録第３１１５４３４号公報 特開２００５−１１６２４号公報

しかしながら、特許文献２の燃料電池では、両側の金属板の周縁領域のみを封止する構造のため、両側の金属板と内側の電極板との接触面の圧力が低くなる傾向があり、これが電池抵抗となって電池の出力が低下するなどの問題があった。また仮に、製造時に両側の金属板を加圧した状態で周縁領域を封止しても、徐々に接触面の圧力が低くなる傾向があった。更に、金属板同士の間に絶縁材を介在させる必要があるため、製造工程が複雑となり、部材が多くなるという問題もあった。

また、特許文献３の燃料電池用セル部材では、インサート成形しているため、簡易な構造・製法になるものの、樹脂枠により周囲のみが固着された構造のため、電気を外部に効率良く取り出すのが困難であった。つまり、電気の取り出しには、導電性多孔質体に導電部材を接触させる必要があるが、樹脂枠により周囲のみを固着させ、樹脂の外側に導電部材を配置する構造では、導電部材と電極板とを十分な圧力で接触させることができず、これが電池抵抗となって電池の出力が低下するなどの問題があった。

そこで、本発明の目的は、簡易な構造でありながら、電極層と金属層等の接触圧力を高めて、電池出力を向上させることができる燃料電池及びその製造方法を提供することである。

上記目的は、次の如き本発明により達成できる。
即ち、本発明の燃料電池は、固体高分子電解質層と、この固体高分子電解質層の両側に設けられた第１電極層及び第２電極層と、これら電極層の更に外側に各々配置された第１導電層及び第２導電層とを備え、これら各層をインサート成形した樹脂成形体で一体化してあることを特徴とする。

本発明の燃料電池によると、固体高分子電解質層、電極層、及び導電層を、これらを用いてインサート成形した樹脂成形体で一体化してあるため、樹脂成形体で導電層が保持されて電極層との接触圧力を高めることができ、接触抵抗を低減して電池出力を向上させることができる。つまり、各層を用いてインサート成形した簡易な構造でありながら、電池出力が高い燃料電池とすることができる。なお、インサート成形する際に、樹脂の注入圧力により、第１導電層及び第２導電層が両側から加圧されるが、成形型の内面に設けた凸部で別途加圧することにより、導電層と電極層との接触圧力を更に高めることができる。発電の際には、例えば樹脂成形体に設けた開孔や流路を介して、第１電極層及び第２電極層に燃料及び酸素等を供給することで、各々の電極での反応と固体高分子電解質でのイオン伝導とにより、発電を行うことができる。

つまり、本発明では、前記樹脂成形体が、第１電極層及び第２電極層に気体又は液体を供給するための供給部を有することが好ましい。供給される気体としては水素ガス等の燃料ガス、空気等の酸素含有ガス等が挙げられ、液体としてはメタノール等が挙げられる。

上記において、前記第１導電層は、前記第１電極層を部分的に露出させる露出部を有する第１金属層からなり、前記第２導電層は、前記第２電極層を部分的に露出させる露出部を有する第２金属層からなることが好ましい。導電層としては、ガス透過性を有するものなども使用可能であるが、露出部を有することにより、露出部を介して電極層に気体又は液体を供給することができる。また、金属層を用いることにより、他の材料に比べて大電流の取り出しが可能となる。

その際、前記樹脂成形体の供給部は、前記第１金属層又は第２金属層の露出部に対応する位置に設けられた開孔であることが好ましい。この構成によると、金属層の露出部に対応する位置に樹脂成形体の開孔が設けられるため、この開孔と露出部とを介して電極層に気体又は液体を供給することができ、より効率良く発電を行うことができる。

また、前記樹脂成形体の開孔と前記第１電極層又は第２電極層との間には、多孔質層が介在することが好ましい。これにより、気体又は液体の供給を可能にしながら、ゴミの付着等による電極層の劣化を防止することができる。

更に、上記いずれかに記載の燃料電池を単位セルとして、その単位セルの複数が同じ面内に並設されるように、前記樹脂成形体で一体化してあることが好ましい。例えば単位セル同士を直列接続することで、出力電圧を高めることができ、高出力電圧の燃料電池を一体のものとして得ることができる。

一方、本発明の燃料電池の製造方法は、固体高分子電解質層と、その両側に配される第１電極層及び第２電極層と、それらの外側に配される第１導電層及び第２導電層との積層物を成形型内に配置する工程と、その成形型内に樹脂を注入することで、前記積層物を一体化する樹脂成形体を成形する工程とを含むことを特徴とする。

本発明の燃料電池の製造方法によると、固体高分子電解質層、電極層、及び導電層の積層物を用いて、インサート成形した樹脂成形体で一体化してあるため、樹脂成形体で導電層が保持されて電極層との接触圧力を高めることができ、接触抵抗を低減して電池出力を向上させることができる。つまり、各層を用いてインサート成形すると言う簡易な構造、製法でありながら、電池出力が高い燃料電池を得ることができる。

本発明の燃料電池の製造方法としては、固体高分子電解質層と、その両側に配される第１電極層及び第２電極層と、それらの外側に配され、前記第１電極層及び第２電極層を部分的に露出させる露出部を有する第１金属層及び第２金属層との積層物を、成形型内に配置する工程と、前記第１金属層及び第２金属層を両側から加圧した状態で、その成形型内に樹脂を注入することで、第１電極層及び第２電極層に気体又は液体を供給するための供給部を有し、前記積層物を一体化する樹脂成形体を成形する工程とを含むことが好ましい。

この製造方法によると、第１金属層及び第２金属層が第１電極層及び第２電極層を露出させる露出部を有し、その積層物を成形型内に配置して樹脂を注入して、電極層に気体又は液体を供給するための供給部を有する樹脂成形体を成形する。この供給部を介して燃料及び酸素等を電極層に供給することができ、各々の電極での反応と固体高分子電解質でのイオン伝導とにより、発電を行うことができる。その際、前記第１金属層及び第２金属層を両側から加圧した状態で、インサート成形しているため、両側の金属層が電極層に接触する際の圧力が大きくなり、電池抵抗が小さくなって電池の出力が向上する。

上記において、前記成形型を分割構造にして分割した型部材の内面に凸部を設け、その凸部を前記第１金属層又は第２金属層に圧接させた状態で、前記成形型内に樹脂を注入することが好ましい。この場合、型部材の内面の凸部によって、第１金属層又は第２金属層を加圧した状態で、樹脂により封止して一体化されるため、両側の金属層が電極層に接触する際の圧力がより確実に大きくなる。

また、前記第１金属層又は第２金属層の表面には複数の開孔が設けられており、前記分割した型部材には、前記開孔よりやや大きい上面を有する複数の凸部を前記複数の開孔に対応する位置にそれぞれ設けてあることが好ましい。この場合、型部材の内面の凸部によって、金属層の開孔の周囲を加圧することができ、これにより金属層と電極層との接触圧力を高くすることができる。また、同時に金属層の露出部を凸部で閉塞させることで、樹脂による被覆を防止して、露出部から第１電極層又は第２電極層を露出させることができる。

また、前記積層物を成形型内に配置する工程で、前記積層物を複数用いて、それらの積層物の各々を電気的に接続した状態で成形型内に並設することが好ましい。この製造方法によると、例えば積層物同士を直列接続することで、出力電圧を高めることができ、高出力電圧の燃料電池を一体のものとして製造することができ、製造効率も高めることができる。

本発明に係る燃料電池の好適な実施形態を図面を用いて説明する。図１は、本発明の燃料電池の一例を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は正面視断面図、（ｃ）は底面図である。

本発明の燃料電池は、図１に示すように、固体高分子電解質層１と、この固体高分子電解質層１の両側に設けられた第１電極層２及び第２電極層３と、これら電極層２，３の更に外側に各々配置された第１導電層及び第２導電層とを備えている。本実施形態では、第１導電層及び第２導電層が、第１電極層２及び第２電極層３を部分的に露出させる露出部を有する第１金属層４及び第２金属層５とからなる例を示す。

なお、導電層の材質としては、金属、導電性高分子、導電性ゴム、導電性繊維、導電性ペースト、導電性塗料などが挙げられる。

固体高分子電解質層１としては、従来の固体高分子膜型の燃料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。

固体高分子電解質層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。

電極層２，３は、固体高分子電解質層１の表面付近でアノード側およびカソード側の電極反応を生じさせるものであれば何れでもよい。なかでも、ガス拡散層としての機能を発揮して、燃料ガス、燃料液、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好適に使用できる。電極層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、固体高分子電解質層１と接する内面側に少なくとも担持させるのが好ましい。

電極層２，３の電極基材としては、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。また、固体高分子電解質層１に触媒を直接付着させたり、カーボンブラックなどの導電性粒子に担持させて固体高分子電解質層１に付着させた電極層２，３を用いることも可能である。

一般に、電極層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、電極層２，３や固体高分子電解質層１は、燃料電池に供給される還元ガスと酸化ガスに応じた設計がなされる。本発明では、酸化ガスとして空気が用いられると共に、還元ガスとして水素ガスを用いるのが好ましい。なお、還元ガスの代わりにメタノール等の燃料液を使用することも可能である。

例えば、水素ガスと空気を使用する場合、空気が自然供給される側のカソード側の第２電極層３（本明細書では、アノード側を第１電極層、カソード側を第２電極層と仮定する）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。

電極層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、１〜５００μｍが好ましく、１００〜３００μｍがより好ましい。電極層２，３と固体高分子電解質層１とは、予め接着、融着、又は塗布形成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、膜／電極接合体（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。

本発明では、第１電極層２及び第２電極層３の外形が固体高分子電解質層１の外形より小さいものでもよいが、第１電極層２及び第２電極層３の外形と固体高分子電解質層１の外形とが同じであることが好ましい。電極層の外形と固体高分子電解質層の外形とが同じであると、電極板と固体高分子電解質の積層体を打ち抜いて、固体高分子電解質・電極・接合体を製造することができ、量産効果により当該接合体のコストを低減することができる。また、電極層の外周より金属層の外周が内側に形成されていることで、電極層の外周及び固体高分子電解質層の外周をより確実に封止することができる。

アノード側電極層２の表面にはアノード側の第１金属層４が配置され、カソード側電極層３の表面にはカソード側の第２金属層５が配置される（本明細書では、アノード側を第１金属層、カソード側を第２金属層と仮定する）。第１金属層４は、第１電極層２を部分的に露出させる露出部を有するが、本実施形態では、アノード側金属層４には燃料ガス等を供給するための開孔４ａが設けられている例を示す。

第１金属層４の露出部は、アノード側電極層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。アノード側金属層４の開孔４ａ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孔４ａを設けたり、第１金属層４を櫛形電極のような形状にしてアノード側電極層２を露出させてもよい。開孔４ａ部分の面積が締める割合（開孔率）は、電極との接触面積とガスの供給面積のバランスなどの観点から、１０〜５０％が好ましく、１５〜３０％がより好ましい。

また、カソード側の第２金属層５は、第２電極層３を部分的に露出させる露出部を有するが、本実施形態では、カソード側金属層５には、空気中の酸素を供給（自然吸気）するための多数の開孔５ａが設けられている例を示す。開孔５ａは、カソード側電極層３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。カソード側金属層５の開孔５ａ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孔５ａを設けたり、第２金属層５を櫛形電極のような形状にしてカソード側電極層３を露出させてもよい。開孔５ａ部分の面積が締める割合（開孔率）は、電極との接触面積とガスの供給面積のバランスなどの観点から、１０〜５０％が好ましく、１５〜３０％がより好ましい。

金属層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、例えばステンレス板、ニッケル、銅、銅合金などが挙げられる。但し、導電性、コスト、形状付与性、加圧のための強度などの観点から、銅、銅合金、ステンレス板などが好ましい。また、上記の金属に金メッキなどの金属メッキを施したものでもよい。

なお、金属層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、導電性、コスト、重量、形状付与性、加圧のための強度などを考慮すると、１０〜１０００μｍが好ましく、５０〜２００μｍがより好ましい。

本発明では、電極層２，３と金属層４，５とを良好に樹脂で一体化する観点から、第１電極層２の外周より、第１金属層４の外周が内側に形成されていることが好ましく、第２電極層３の外周より、第２金属層５の外周が内側に形成されていることが好ましい。なお、第１電極層２の外周より、第１金属層４の外周が外側に形成されていてもよく、第２電極層３の外周より、第２金属層５の外周が外側に形成されていてもよい。

金属層４及び金属層５は、少なくとも一部が樹脂から露出することにより、その部分を電極として電気を外部に取り出すことができる。このため、樹脂成形体６に対して、金属層４及び金属層５を一部露出させた端子部を設けてもよいが、本発明では、金属層４及び金属層５が、単位セルの電極となる突出部４ｂ，５ｂを備え、これが樹脂成形体６から外部に出ていることが好ましい。この突出部４ｂ，５ｂは、インサート成形を行う際に、金属層４，５等（積層物Ｌ）を成形型内に保持するためにも利用できる。

金属層４及び金属層５の形成や開孔５ａ、４ａの形成は、プレス加工（プレス打ち抜き加工）を利用して行うことができる。また、金属層４及び金属層５の突出部４ｂ，５ｂには、樹脂の流動や密着性を良好にする目的で、インサート成形される部分に貫通孔を設けてもよい。更に、接続や固定を良好に行うために、突出部４ｂ，５ｂの露出した部分に貫通孔を設けてもよい。

本発明の燃料電池は、図１に示すように、以上のような各層１〜５をインサート成形した樹脂成形体６で一体化してある。本発明では、第１導電層及び／又は第２導電層の全面又は略全面を樹脂成形体６で覆うことが好ましく、第１導電層及び第２導電層の全面又は略全面を樹脂成形体６で覆うことがより好ましい。その場合、後述するように、樹脂成形体６は部分的に予備成形体を含むものであってもよい。樹脂成形体６は、第１電極層２及び第２電極層３に気体又は液体を供給するための供給部を有することが好ましく、この供給部は、第１金属層４又は第２金属層５の露出部に対応する位置に設けられた開孔６ａであることが好ましい。

本実施形態では、前記第１電極層２及び第２電極層３が開孔６ａから露出するように、前記第１金属層４及び第２金属層５を両側から加圧した状態で、樹脂成形体６によりインサート成形して一体化してある例を示す。

本発明では、金属層４，５の露出部に相当する開孔４ａ，５ａの大きさが、樹脂成形体６の開孔６ａの大きさより、大きくてもよく、同じ大きさでもよく、小さくてもよい。但し、第１金属層４及び／又は第２金属層５の露出部の大きさと、開孔６ａの大きさとがほぼ等しくなるように、樹脂成形体６を成形してあることが好ましい。具体的には、各々の開孔６ａの面積は、各々の露出部の面積の６０〜１５０％が好ましく、８０〜１３０％がより好ましい。

本実施形態では、金属層４，５の露出部に相当する開孔４ａ，５ａの大きさが、樹脂成形体６の開孔６ａの大きさより小さい場合の例を示す。これにより金属層４，５の開孔４ａ，５ａの周囲に対して、樹脂成形体６の開孔６ａに相当する部分を利用して、成型時に加圧することができる（図２（ｃ）参照）。

樹脂成形体６の材質としては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、耐熱性樹脂などが挙げられるが、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂が好ましい。なお、熱可塑性樹脂としては、ポリカーボネート樹脂、ＡＢＳ樹脂、液晶ポリマー、ポリプロピレン、ポリスチレン、アクリル樹脂、フッ素樹脂、ポリエステル、ポリアミドなどが挙げられる。熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、アミノ樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコーン樹脂、または熱硬化性ポリイミド樹脂等が挙げられる。なかでも、成形型内での樹脂の流動性、強度、溶融温度などの観点から、ポリエステル、ポリプロピレン、アクリル樹脂が好ましく、これらはアプリケーションによって選択することが可能である。

樹脂成形体６としては、熱可塑性エラストマーやゴム等を用いることも可能である。その場合、他の材料にも可とう性の有るものを使用することで、燃料電池全体を可とう性にすることが可能である。

樹脂成形体６の全体の厚みとしては、樹脂による一体化の強度や、金属層を加圧する圧力、薄型化などの観点から、０．３〜４ｍｍが好ましく０．５〜２ｍｍがより好ましい。特に、金属層を覆う部分の樹脂成形体６の厚みとしては、金属層を加圧する圧力の観点から、０．２〜１．５ｍｍが好ましく、０．３〜１．０ｍｍがより好ましい。

樹脂成形体６の外形の面積としては、樹脂による一体化の強度や、金属層を加圧する圧力の観点から、固体高分子電解質層１の外形の面積の１０１〜２００％が好ましく、１５０〜１８０％がより好ましい。

本発明の燃料電池は、次のようにして燃料等を供給して発電させることができる。例えばカソード側は、そのまま大気開放にしておき、アノード側に設けた空間に水素ガス等の燃料を供給したり、アノード側に設けた空間内で水素ガス等の燃料を発生させることで発電を行うことができる。また、アノード側及び／又はカソード側に対して、流路を形成するための流路形成部材を取り付けて、その流路に酸素含有ガスや燃料を供給することも可能である。流路形成部材としては、例えば流路溝と供給口と排出口を設けた板状体や、スタック型燃料電池のセパレータと類似の構造のものが使用できる。後者を使用するとスタック型燃料電池を構成することができる。

以上のような燃料電池は、例えば本発明の製造方法により製造することができる。即ち、本発明の燃料電池の製造方法は、図２（ａ）〜（ｄ）に示すように、固体高分子電解質層１と、その両側に配される第１導電層及び第２導電層と、それらの外側に配される第１金属層４及び第２金属層５との積層物Ｌを成形型１０内に配置する工程を含む。本実施形態では、第１導電層及び第２導電層が第１電極層２及び第２電極層３を部分的に露出させる露出部（例えば開孔４ａ，５ａ）を有する第１金属層４及び第２金属層５であり、その露出部が成形型１０の凸部１１ａ，１２ａにより閉塞した状態で成形型１０内に配置する例を示す。

また、本発明の燃料電池の製造方法は、上記の成形型１０内に樹脂を注入することで、積層物Ｌを一体化する樹脂成形体６を成形する工程を含む。本実施形態では、第１金属層４及び第２金属層５を両側から加圧した状態で、その成形型１０内に樹脂を注入することで、第１電極層２及び第２電極層３に気体又は液体を供給するための供給部を有し、積層物Ｌを一体化する樹脂成形体６を成形する工程を含む例を示す。つまり、前記供給部に相当する開孔６ａを除いて、積層物Ｌのほぼ全体を樹脂成形体６で覆う例を示す。

まず、例えば、図２（ａ）に示すように、底面に凸部１１ａを有する下金型１１を準備する。本実施形態では、成形型１０を分割構造にして分割した型部材の内面に凸部１１ａ，１２ａを設け、その凸部１１ａ，１２ａを第１金属層４及び第２金属層５圧接させる場合の例を示す。凸部１１ａは、積層物Ｌの下側の第１金属層４の開孔４ａを閉塞させる大きさの上面を有し、各々の開孔４ａに対向する位置に設けている。下金型１１は、底面の周囲に側壁を有しており、側壁の内面に沿って上金型１２が挿入できる。

下金型１１（又は上金型１２）には、樹脂の注入口１１ｂが設けられているが、注入口１１ｂは複数設けてもよい。また、成型時の樹脂の流れを良好にするために、樹脂の小排出口を１箇所以上に設けてもよい。

更に、第１金属層４及び第２金属層５の突出部４ｂ，５ｂを、成形後に樹脂成形体６から露出させるために、下金型１１の側壁は分割構造になっている（図示省略）。積層物Ｌを成形型１０内に配置する際に、下金型１１の側壁に設けた矩形の切欠き部に、第１金属層４及び第２金属層５の突出部４ｂ，５ｂが位置決めされ、その突出部４ｂ，５ｂを型部材が押さえる構造になっている。これにより、突出部４ｂ，５ｂを樹脂成形体６から露出させることができる。

次に、例えば、図２（ｂ）に示すように、積層物Ｌを下金型１１の底面に配置する。その際、底面の凸部１１ａの上面が、第１金属層４の開孔４ａを閉塞可能な位置に配置する。積層物Ｌを配置する際には、各層の一部又は全部が一体化されていてもよく、一体化されていなくてもよい。また、一部が一体化されていない場合、各層を別々に配置しても、同時に配置してもよい。配置する積層物Ｌの構成は、前述の通りであるが、配置を行う際に、最終的な樹脂成形体６の形状の一部を予め成形した予備成形体を用いて、この予備成形体を積層物Ｌと共に成形型１０内に配置することも可能である（例えば図４参照）。

次に、例えば、図２（ｃ）に示すように、下金型１１の側壁の内面に沿って上金型１２を挿入するが、上金型１２の下面には凸部１２ａが設けてある。この凸部１２ａは、積層物Ｌの上側の第２金属層５の開孔５ａを閉塞させる大きさの上面を有し、各々の開孔５ａに対向する位置に設けている。そして、下金型１１の凸部１１ａと上金型１２凸部１２ａとで、金属層４，５を加圧した状態で、積層物Ｌを成形型１０内に配置する。その際、第１金属層４及び第２金属層５の突出部４ｂ，５ｂが成形型１０の内部空間から外側に配置されるようにしてもよい。

その状態で、成形型１０内に樹脂（「樹脂」には樹脂の原料液や未硬化物を含む）を注入するが、露出部（例えば開孔４ａ，５ａ）が凸部１１ａと凸部１２ａによって閉塞されているため、図２（ｄ）に示すように、得られた成形体では第１電極層２及び第２電極層３が開孔６ａから露出する。また、樹脂の注入により、固体高分子電解質層１、電極層２，３、第１金属層４及び第２金属層５を、インサート形成により一体化することができる。

［別の実施形態］
（１）先の実施形態では、樹脂の成形体中に１つの単位セルを含む燃料電池の例を示したが、本発明では、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、樹脂の成形体中に２つ以上の単位セルを含むものでもよい。この実施形態では、樹脂の成形体中に、第１金属層４及び第２金属層５を一体化した金属板Ｊを用いて接続された４つの単位セルＣ１〜Ｃ４を含む例を示す。

この燃料電池は、先の実施形態で示したような燃料電池を単位セルＣとし、その単位セルＣの複数を同じ面内に並設して、各々を電気的に接続した状態で、前記樹脂成形体６を一体に成形して複数の単位セルＣ１〜Ｃ４を一体化したものである。このような燃料電池は、図２に示すような前述の製造方法において、積層物Ｌを成形型１０内に配置する工程で、積層物Ｌを複数用いて、それらの積層物Ｌの各々を電気的に接続した状態で成形型１０内に並設する方法により製造することができる。

各単位セルＣ１〜Ｃ４の構成は基本的には、前述の通りであるが、金属層の突出部４ｂ，５ｂと、第１金属層４及び第２金属層５を一体化した金属板Ｊとが相違している。この実施形態では、各単位セルＣ１〜Ｃ４が直列に接続されているため、金属層の突出部４ｂ，５ｂは、単位セルＣ１と単位セルＣ４とにだけ設けられている。つまり、単位セルＣ１の第１金属層４の突出部４ｂと、単位セルＣ４の第２金属層５の突出部５ｂとだけが存在する。金属層の突出部４ｂ，５ｂの必要性や形状等は、前述の通りである。

第１金属層４及び第２金属層５を一体化した金属板Ｊは、隣り合う単位セルＣ同士を直列に接続するための部材である。第１金属層４及び第２金属層５を独立して配置する代わりに、この金属板Ｊを用いることにより、これを成形型１０内に配置するだけで、単位セルＣ１〜Ｃ４が直列に接続された燃料電池を製造することができる。

金属板Ｊは、図３（ｃ）に示すように、相互に平行な面内に隣接して配置された第１金属層４及び第２金属層５が、同じ面内で外側に各々延設された延出部４ｊ，５ｊを有しており、延出部４ｊ，５ｊを段差部４ｓによって連結一体化してある。このような段差部は、金属板を板金加工することで作製することができる。

本発明では、第１金属層４及び第２金属層５を一体化した金属板Ｊを用いて、単位セルＣを接続する代わりに、第１金属層４及び第２金属層５に各々の端子部を設けて、接続板や接続配線などで両者を接続してもよい。

（２）先の実施形態では、予備成形体を使用せずに、上下の成形型の凸部により開孔を形成する例を示したが、本発明では、図４に示すように、予め開孔６ａを形成した予備成形体７を使用して、一方の成形型１２のみの凸部１２ａにより開孔６ａを形成するようにしてよい。このような予備成形体７を使用することで、積層物Ｌを成形型１０内に配置する際の位置決めを容易にし、樹脂成形体６の開孔６ａの形成を容易にすることができる。なお、予備成形体７を使用する場合、これによって一方の金属層が加圧され、他方の金属層は成形型の凸部により加圧される。

まず、図４（ａ）に示すように、予備成形体７を予め成形する。予備成形体７は、樹脂成形体６の開孔６ａに相当する開孔７ａを有している。つまり、この開孔７ａは、後の樹脂成形の際に開孔７ａが維持される。予備成形体７の外形は特に限定されないが、インサート形成後の樹脂成形体６より小さく、固体高分子電解質層１より若干大きい程度でよい。

また、予備成形体７は、第１金属層４を位置決めするための段差部７ｂ又は電極層２，３及び固体高分子電解質層１を位置決めするための段差部７ｃを有することが好ましい。また、第２金属層５の突出部５ｂを支持するための支持部７ｄを有することが好ましい。

次に、図４（ｂ）に示すように、予備成形体７を成形型（図示省略）内に配置し、更に第１金属層４を段差部７ｂに沿って位置決め配置する。このとき、第１金属層４の開孔４ａの位置は、予備成形体７の開孔７ａの位置と略一致する。

次に、図４（ｃ）〜（ｅ）に示すように、予備成形体７の段差部７ｃに沿って、第１電極層２、固体高分子電解質層１、及び第２電極層３を、順次位置決めして配置する。その際、予めこれらが積層一体化されたものを位置決め配置してもよい。その際、段差部７ｃの大きさに少し余裕をもたせることで、後に樹脂を注入した際に、電極層２，３の外周及び前記固体高分子電解質層１の外周を封止することができる。

次に、図４（ｆ）に示すように、第２金属層５を積層配置する。このとき、第２金属層５の突出部５ｂは、支持部７ｄによって支持され、また、第２金属層５の開孔５ａが、上金型１２の下面に設けた凸部１２ａの位置と略一致するように配置される。

次に、図４（ｇ）に示すように、セット後の成形型内に樹脂を注入して、予備成形体７が樹脂成形体６と一体化した燃料電池を成形する。そのとき、開孔５ａが凸部１２ａによって閉塞されており、また、予備成形体７の開孔７ａが樹脂で塞がれないため、得られた成形体では第１電極層２及び第２電極層３が開孔６ａから露出する。なお、予備成形体７によって一方の金属層４が加圧され、他方の金属層５は成形型１０の凸部１２ａにより加圧されるため、第１金属層４及び第２金属層５を両側から加圧した状態で、樹脂成形体６により一体化された構造となる。

（３）先の実施形態では、金属層の露出部に相当する開孔の大きさが、樹脂の開孔の大きさより小さい例を示したが、図５（ａ）に示すように、金属層４，５の開孔４ａ，５ａの大きさより、樹脂成形体６の開孔６ａの大きさを小さくすることも可能である。その場合、開孔４ａ，５ａから露出する電極層２，３の一部（例えば周囲）が樹脂成形体６により封止されるため、樹脂成形体６と電極層２，３との接着力によって、電極層２，３と金属層４，５との密着性を高めることができる。開孔４ａ，５ａの大きさより、樹脂成形体６の開孔６ａの大きさを小さくするには、上面の大きさが開孔４ａ，５ａの大きさより小さい凸部を形成した成形型を使用して、その凸部が電極層２，３と接触した状態で、樹脂による封止を行えばよい。

上記の場合、金属層４，５の開孔４ａ，５ａの周囲に対して、樹脂成形体６の開孔６ａに相当する部分を利用して、成型時に加圧できない。このため、図５（ｂ）に示すように、金属層４，５の開孔４ａ，５ａ以外の部分を、例えば別のピンを用いて成型時に加圧することで、第１金属層４及び第２金属層５を両側から加圧した状態で、樹脂成形体６により一体化することができる。このような加圧を行う場合、ピン等を圧接した部分に加圧用開孔６ｂが形成される。

更に、図５（ｃ）に示すように、発電に寄与しない貫通孔６ｃを樹脂成形体６に設けることも可能である。この貫通孔６ｃは、固体高分子電解質層１、電極層２，３等にも貫通孔を設けておき、その孔より小さい貫通孔６ｃを設けて、その周囲の樹脂成形体６により電極層２，３等を一体化したものである。この貫通孔６ｃによると、その周囲の樹脂成形体６によって、固体高分子電解質層１、電極層２，３、及び金属層４，５が一体化するため、電極層２，３と金属層４，５との圧接力を高めることができる。

このような発電に寄与しない貫通孔６ｃは、発電のための電極層２，３の露出部と共に設けられる。また、貫通孔６ｃ以外の部分を、例えば別のピン等を用いて成型時に加圧することで、第１金属層４及び第２金属層５を両側から加圧した状態で、樹脂成形体６により一体化することができる。その場合にも、ピン等を圧接した部分に加圧用開孔６ｂが形成される。

（４）先の実施形態では、水素供給型の燃料電池の例を主に示したが、本発明に用いられる燃料電池としては、燃料により発電可能な燃料電池であれば何れでもよく、例えばメタノール改質型、ダイレクトメタノール型、炭化水素供給型などが挙げられる。その他の燃料を用いる燃料電池も各種知られており、それらを何れも採用できる。

その場合、各種の燃料電池に応じた固体高分子電解質層、および電極層等が使用される。例えば、ダイレクトメタノール型の場合、一般的には、ナフィオン系ではクロスオーバーが大きくこれを抑止するために、芳香族炭化水素系の固体高分子電解質を使うことが好ましい。また、電極層には触媒は二種混合（Pt、Ru）を使用することが好ましい。

（５）先の実施形態では、第１金属層及び／又は第２金属層の露出部の大きさと、開孔の大きさとがほぼ等しくなるように、樹脂成形体により一体化してある例を示したが、本発明では、図７（ａ）〜（ｂ）に示すように、片面に１つの大きな開孔６ａを設けることで、第１金属層４及び／又は第２金属層５の複数の露出部の全数又は一部を露出させるようにしてもよい。

また、片面に２つ以上の大きな開孔６ａを設けることで、第１金属層４及び／又は第２金属層５の複数の露出部の半数又はそれ以下を露出させるようにしてもよい。つまり、本発明では１つの開孔６ａから、２つ以上の露出部が露出するように成形してもよい。

（６）先の実施形態では、第１導電層及び第２導電層が、第１電極層及び第２電極層を部分的に露出させる露出部を有する第１金属層及び第２金属層とからなる例を示したが、本発明では、露出部を有さない導電層を第１導電層及び／又は第２導電層として使用することも可能である。その場合、ガス透過性やガス拡散性を有する導電層が使用でき、このような導電層としては、例えば多孔質金属層、多孔質導電性高分子層、導電性ゴム層、導電性繊維層、導電性ペースト、導電性塗料などが挙げられる。

（７）先の実施形態では、第１電極層及び第２電極層が樹脂成形体の開孔から露出する例を示したが、本発明では、樹脂成形体の開孔と第１電極層又は第２電極層との間に、多孔質層を介在させてもよい。多孔質層を介在させるには、インサート成形に使用する積層物として、金属層又は導電層の外側に多孔質層を予め設けておけばよい。多孔質層と金属層又は導電層とは予め接着等していてもよいが、積層配置するだけでもよい。

多孔質層を形成する材料としては、インサート成形時の温度に耐え得る多孔質膜、不織布、織布などが挙げられる。

（８）先の実施形態では、第１電極層及び第２電極層を外部に露出させる開孔を樹脂成形体に設ける例を示したが、本発明では、樹脂成形体の内部に気体又は液体を供給するための流路を設けることも可能である。その場合、導電層に接触する側の内面に流路を設けた予備成形体を用いて、前述のようなインサート成形を行うことで、その流路に電極層を露出させることができる。

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。

実施例１
厚み０．２ｍｍの銅板を図１に示す形状（小判状部の長径３１ｍｍ、短径１０ｍｍ、突出部の開孔径φ２．０ｍｍ×２２個）にプレスして打ち抜き、金属層となる銅板を２枚作製した。

また、図１に示す形状の薄膜電極組立体（３３ｍｍ×１２ｍｍ）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３３ｍｍ×１２ｍｍ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と、固体高分子電解質（陽イオン交換膜）としてナフィオンフィルム（デュポン社製ナフィオン１１２、３３ｍｍ×１２ｍｍ、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を上記の銅板２枚の中央で挟み込み、図２に示すような金型を用いて、２枚の銅板の両側から圧力（１トン）がかかる状態で、金型内に配置した。その状態で、樹脂（（株）プライムポリマー製、ポリプロピレン樹脂、Ｊ−７００ＧＰ）を１９５℃で型内に注入して（射出圧力４００ｋｇｆ／ｃｍ^２）、冷却した後に金型から取り出すことで、樹脂成形体の外寸３９ｍｍ×１８ｍｍ×２．１ｍｍ厚の燃料電池を得た。

この燃料電池を用い、アノード側に内部空間を有しカソード側が大気開放となる評価治具にセットして、アノード側の内部空間に水素を１２ｍＬ／分で供給することで発電を行い、そのときの電池特性を評価した。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、電流を変化させながら出力電圧の変化を測定した。その際の出力電圧の変化を図６に示す。この結果から、金属板同士をカシメにより封止した燃料電池（比較例１）と比較して出力電圧が約２０％向上することが判った。

比較例１
実施例１において、銅板の代わりに金メッキしたＳＵＳ板を用いて、その大きさを電極より大きくし（カソード側３５ｍｍ×１４ｍｍ、アノード側３９ｍｍ×１８ｍｍ）、ナフィオンフィルムもカーボンペーパーより大きくし（３９ｍｍ×１８ｍｍ）、ナフィオンフィルムを介在させて短絡しないように、ＳＵＳ板の周囲をカシメて封止したこと以外は実施例１と同様にして、燃料電池を作製し、評価した。その際の出力電圧の変化を図６に示す。

本発明の燃料電池の一例を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は正面視断面図、（ｃ）は底面図 本発明の燃料電池の製造方法の一例を示す正面視断面図 本発明の燃料電池の他の例を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は要部を示す斜視図 本発明の燃料電池の製造方法の他の例を示す斜視図 本発明の燃料電池の他の例を示す正面視断面図 実施例１等における燃料電池の出力電圧の変化を示すグラフ 本発明の燃料電池の他の例を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は正面視断面図

符号の説明

１ 固体高分子電解質層
２ 第１電極層
３ 第２電極層
４ 第１金属層（第１導電層）
４ａ 開孔（露出部）
５ 第２金属層（第２導電層）
５ａ 開孔（露出部）
６ 樹脂成形体
６ａ 開孔
７ 予備成形体
７ａ 開孔
１０ 成形型
１１ａ 凸部
１２ａ 凸部
Ｃ 単位セル
Ｌ 積層物

Claims (8)

1. 固体高分子電解質層と、この固体高分子電解質層の両側に設けられた第１電極層及び第２電極層と、これら電極層の更に外側に各々配置された第１導電層及び第２導電層とを備え、これら各層をインサート成形した樹脂成形体で一体化してあり、
   前記第１導電層は、前記第１電極層を部分的に露出させる露出部を有する第１金属層からなり、前記第２導電層は、前記第２電極層を部分的に露出させる露出部を有する第２金属層からなり、
   前記樹脂成形体は、前記第１電極層及び第２電極層に気体又は液体を供給するための開孔を有する燃料電池。
2. 前記樹脂成形体の開孔は、前記第１金属層又は第２金属層の露出部に対応する位置に設けられている請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記樹脂成形体の開孔と前記第１電極層又は第２電極層との間には、多孔質層が介在する請求項１又は２に記載の燃料電池。
4. 請求項１〜３いずれかに記載の燃料電池を単位セルとして、その単位セルの複数が同じ面内に並設されるように、前記樹脂成形体で一体化してある燃料電池。
5. 固体高分子電解質層と、その両側に配される第１電極層及び第２電極層と、これら電極層の更に外側に配され、前記第１電極層及び第２電極層を部分的に露出させる露出部を有する第１金属層及び第２金属層との積層物を、成形型内に配置する工程と、
   前記第１金属層及び第２金属層を両側から加圧した状態で、その成形型内に樹脂を注入することで、第１電極層及び第２電極層に気体又は液体を供給するための前記第１金属層又は第２金属層の露出部に対応する位置に設けられた開孔を有し、前記積層物を一体化する樹脂成形体を成形する工程とを含む燃料電池の製造方法。
6. 前記成形型を分割構造にして分割した型部材の内面に凸部を設け、その凸部を前記第１金属層又は第２金属層に圧接させた状態で、前記成形型内に樹脂を注入する請求項５に記載の燃料電池の製造方法。
7. 前記第１金属層又は第２金属層の表面には複数の開孔が設けられており、前記分割した型部材には、前記開孔よりやや大きい上面を有する複数の凸部を前記複数の開孔に対応する位置にそれぞれ設けてある請求項５に記載の燃料電池の製造方法。
8. 前記積層物を成形型内に配置する工程で、前記積層物を複数用いて、それらの積層物の各々を電気的に接続した状態で成形型内に並設する請求項５〜７いずれかに記載の燃料電池の製造方法。

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