JP4568044B2 - 膜電極複合体モジュール、燃料電池および電子機器並びに膜電極複合体モジュールの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、膜電極複合体モジュール、これを備える燃料電池および電子機器並びに膜電極複合体モジュールの製造方法に関する。

近年、電源として燃料電池の開発が盛んである。燃料電池は、電解質膜をガス拡散電極で挟んでなる膜電極複合体（膜電極接合体とも称される）を有している。この膜電極複合体から効率的に電気エネルギーを取り出すため、膜電極複合体は、２つの集電板によって挟持されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
なお、一般に、膜電極複合体は、固体高分子形燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）に対して使用される場合が多いが、本明細書では、燃料電池の種類は問わず、後記実施形態で記載するＤＭＦＣなどであってもよいとする。
特開２００３−６８３２５号公報（段落番号００１２〜００３５、図１、図２） 特許第２９４９１５３号明細書（第３頁左欄第４６行目〜第４頁右欄第１８行目、図１）

しかしながら、特許文献１、特許文献２などに記載されるように、膜電極複合体を挟持する、板状のバルクな集電板の接触面は、完全な平面ではなく、微視的なたわみ、うねり、そりなどの凹凸を有していた。また、この従来の集電板は、ある程度の厚さを有する板状であるため、剛性が高く、撓みにくい性質を有していた。
したがって、このような集電板で膜電極複合体を挟むと、集電板と膜電極複合体のガス拡散電極とが良好に密着せず、つまり、集電板とガス拡散電極との間に隙間が生じるという問題があった。よって、ガス拡散電極間で生じる電位差に基づいて、電気エネルギーを取り出しにくいという問題があった。

そこで、本発明は、膜電極複合体と集電板とが良好に密着した膜電極複合体モジュール、これを備えた燃料電池および電子機器並びに膜電極複合体モジュールの製造方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、電解質膜の両面をガス拡散電極で挟んでなる膜電極複合体と、燃料が流通する燃料流通孔を有するアノード集電板と、酸素が流通する酸素流通孔を有するカソード集電板とを具備し、前記膜電極複合体の両面を、前記アノード集電板と前記カソード集電板とで挟んでなる膜電極複合体モジュールであって、前記アノード集電板のベースとなる合成樹脂製の第１フィルムと、前記カソード集電板のベースとなる合成樹脂製の第２フィルムと、をさらに備えたことを特徴とする膜電極複合体モジュールである。

このような膜電極複合体モジュールによれば、アノード側では、アノード集電板のベース（支持体）となる合成樹脂製の第１フィルムを備えたことにより、アノード集電板を薄くして箔状（フィルム状）にすることができる。したがって、アノード集電板は撓みやすくなり、膜電極複合体を構成するアノード側のガス拡散電極に良好に密着し、実質的な接触面積は広くなる。また、ベースとなる第１フィルムを備えたことにより、アノード集電板を薄くしても、取り扱いやすさを確保することができる。
カソード側においても同様であり、合成樹脂製の第２フィルムを備えたことにより、カソード集電板を薄くして撓み性を向上させ、カソード集電板とカソード側のガス拡散電極との密着性を高めることができる。
したがって、このような膜電極複合体モジュールによれば、膜電極複合体で発生する電位差に基づいて、好適に電気エネルギーを取り出すことができる。また、アノード集電板およびカソード集電板を薄くできるので、ＭＥＡモジュールつまり燃料電池の厚さは薄くなる。さらに、一般に、金属から形成されるアノード集電板とカソード集電板を薄くできるため、ＭＥＡモジュールつまり燃料電池を軽量化することができる。

本発明によれば、膜電極複合体と集電板とが良好に密着した膜電極複合体モジュール、これを備えた燃料電池および電子機器並びに膜電極複合体モジュールの製造方法を提供することができる。

次に、本発明の一実施形態について、図１から図９を適宜参照して詳細に説明する。
参照する図面において、図１は本実施形態に係る携帯端末（電子機器）の斜視図であり、燃料電池の取り付け状況を示す。図２は、本実施形態に係る燃料電池の斜視図であり、図３は、同分解斜視図である。図４は、図３に示すＭＥＡモジュールを展開して示す斜視図である。図５は、図４に示すＭＥＡを拡大して示す斜視図である。図６は、図２に示す燃料電池のＸ−Ｘ断面を部分的に示す図である。図７は、図６に示すＸ−Ｘ断面をさらに拡大した図である。図８は、図２に示す燃料電池のＹ−Ｙ断面を部分的に示す図である。図９は、本実施形態に係るＭＥＡモジュールの製造方法の一部を段階的に示す図でり、（ａ）はベースとなるフィルムと導電性シートとの重ねあわせ工程を示し、（ｂ）はエッチング工程を示す。

≪携帯端末≫
図１に示すように、本実施形態に係る携帯端末Ｐ（電子機器）は、燃料電池１と、燃料電池１に燃料を供給する燃料カートリッジ（図示しない）とを搭載している。携帯端末Ｐとしては、例えば、ノートパソコン、ＰＤＡ、携帯電話、電子手帳などが挙げられる。ただし、燃料電池１が搭載される電子機器は、持ち運び容易な携帯端末Ｐに限定されず、例えば、据え置き型の家庭用の小型発電装置（電子機器）であってもよい。

≪燃料電池の構成≫
図２に示すように、第１実施形態に係る燃料電池１は、ノートパソコンなどの薄型の携帯端末Ｐに装着される板状の薄型の燃料電池であって、前記燃料カートリッジから供給される１０質量％程度のメタノール水溶液を燃料として発電する直接メタノール形燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell：ＤＭＦＣ）である。

図３に示すように、燃料電池１は、主として、膜電極複合体１０（Membrane Electrode Assembly: 以下ＭＥＡとする）がモジュール化されたＭＥＡモジュール３と、燃料タンク５と、上ケーシング６と、下ケーシング７と、ボルト９Ａおよびナット９Ｂを備えて構成されている。そして、燃料電池１は、上から、上ケーシング６、ＭＥＡモジュール３、燃料タンク５と、下ケーシング７とが、この順番で組み付けられており、ボルト９Ａとナット９Ｂとが螺合されることで、燃料タンク５の剛性と相まって、ＭＥＡモジュール３は所定の機械的圧縮力で挟持されている。なお、符号５ｃは、燃料取込パイプである。

＜ＭＥＡモジュール＞
図４に展開して示すように、ＭＥＡモジュール３は、主として、６つのＭＥＡ１０と、各ＭＥＡ１０を挟持するアノード集電板２３およびカソード集電板２６からなる集電板対を６つ有する集電板シート２０と、各ＭＥＡ１０のアノード側をそれぞれシールする６つの環状シール部材３１…と、カソード側をそれぞれシールする６つの環状シール部材３２…と、２つの芯部材３４、３４とを備えて構成されている。
なお、図４では１つのＭＥＡ１０を分解して描いており、他の５つのＭＥＡ１０は省略している。また、符号２３ａはアノード集電板２３の燃料流通孔であり、符号２６ａはカソード集電板２６の空気流通孔である。

［ＭＥＡ］
図５に示すように、ＭＥＡ１０は、電解質膜１１と、アノード側のガス拡散電極１２およびカソード側のガス拡散電極１３とから構成されている。

（電解質膜）
電解質膜１１は、アノード側のガス拡散電極１２（燃料極、負極）で生成したプロトン（Ｈ⁺）を選択的にカソード側のガス拡散電極１３（空気極、正極）に輸送するための膜である。このような電解質膜１１としては、パーフルオロカーボンスルホン酸（ＰＦＳ）系の樹脂膜、トリフルオロスチレン誘導体の共重合膜、リン酸を含浸させたポリベンズイミダゾール膜、芳香族ポリエーテルケトンスルホン酸膜、ＰＳＳＡ−ＰＶＡ（ポリスチレンスルホン酸ポリビニルアルコール共重合体）や、ＰＳＳＡ−ＥＶＯＨ（ポリスチレンスルホン酸エチレンビニルアルコール共重合体）等からなるものから適宜選択して使用することができる。なかでも、電解質膜１１として、含フッ素カーボンスルホン酸基を有するイオン交換樹脂からなる膜を選択するが好ましく、具体的には、米国デュポン社製のナフィオン（登録商標）が挙げられる。

（アノード側：ガス拡散電極）
アノード側のガス拡散電極１２は、燃料であるメタノールを酸化して電子とプロトンを生成するものであり、例えば、カーボンペーパ、カーボンクロスなど導電性部材の片面に、触媒として、白金（Ｐｔ）の微粒子、鉄（Ｆｅ）の微粒子、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）あるいはルテニウム（Ｒｕ）などの遷移金属と白金との合金あるいは酸化物などの微粒子が担持されたものが使用される。

（カソード側：ガス拡散電極）
カソード側のガス拡散電極１３は、アノード側から外部回路を経由して移動してきた電子と、アノード側のガス拡散電極１２で発生した後、電解質膜１１中を移動しカソード側のガス拡散電極１３に到達したプロトンとを反応させて水を生成させるものである。このようなカソード側のガス拡散電極１３は、アノード側のガス拡散電極１２と同様、例えば、カーボンペーパの片面に、白金などを担持したものが使用される。

［集電板シート］
図４に戻って説明を続ける。
集電板シート２０は、６つのＭＥＡ１０で発生する電位差に基づいて、電気エネルギーを効率的に取り出すものである。本実施形態に係る集電板シート２０は、主として、ベースとなる合成樹脂製のフィルム２１（第１フィルムかつ第２フィルム）と、このフィルム２１上に配置された６つのアノード集電板２３および６つのカソード集電板２６と、アノード集電板２３とカソード集電板２６とを接続する第Ａ配線２９、２９…と、アノード側の取り出し電極２４（マイナス端子）と、カソード側の取り出し電極２７（プラス端子）とを備えて構成されている。
１つのアノード集電板２３と１つのカソード集電板２６とで１つの集電板対を構成しており、集電板シート２０は６つの前記集電板対を有している。そして、この集電板シート２０が谷線ｂ、谷線ｂで折り曲げられたとき、６つの集電板対で、６つのＭＥＡ１０…をそれぞれ挟持できるように、アノード集電板２３…とカソード集電板２６…とは、フィルム２１上の所定位置に配置している（図６、図７、図８参照）。
なお、６つのアノード集電板２３、６つのカソード集電板２６、第Ａ配線２９…、アノード側の取り出し電極２４、カソード側の取り出し電極２７は、後記するＭＥＡモジュール３の製造方法で説明するように、フィルム２１上に接着剤で貼り付けられた１つの導電性シート５１（図９参照、第１導電性シートかつ第２導電性シート）から、６つのＭＥＡ１０…の位置に対応し、かつ各ＭＥＡ１０の面方向の形状に対応して象られたものである。したがって、従来の板状の集電板に対して、金属量が減少し、ＭＥＡモジュール３は軽くなり、燃料電池１および携帯端末Ｐも軽量化される。

（フィルム）
ベースとなるフィルム２１（第１フィルムかつ第２フィルム）は、ポリイミド、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）などの合成樹脂から形成されており、電気的に絶縁性を有している。また、図７に示すように、フィルム２１には、ＭＥＡ１０の位置に対応して、燃料が流通する複数の連通孔２１ａ…と、酸素を含む空気が流通する複数の連通孔２１ｂ…とが形成されている。
さらに、フィルム２１の厚さは、ＭＥＡモジュールの厚さ、つまり燃料電池１の厚さを考慮すると、５０μｍ以下であることが好ましい。

（アノード集電板、カソード集電板）
アノード集電板２３…、カソード集電板２６…、アノード側の取り出し電極２４、カソード側の取り出し電極２７、第Ａ配線２９…は、フィルム２１に接着されており、一体化している。これにより、集電板シート２０の部品点数が少なくなり、取り扱い容易となる。
すなわち、アノード集電板２３…、カソード集電板２６…、アノード側の取り出し電極２４、カソード側の取り出し電極２７、第Ａ配線２９…を薄くしても、これらはベースのフィルム２１と一体化しているため、取り扱い容易である。このように、アノード集電板２３…、カソード集電板２６…などを薄くすると、ＭＥＡモジュール３の軽量化に繋がるだけでなく、アノード集電板２３…、カソード集電板２６…自体が撓みやすくなり、ＭＥＡ１０との密着性は高まり、効率的に電気エネルギーを取り出し可能となる。

第Ａ配線２９…は、前記した６つの集電板対が直列で接続されるように、つまり、各集電板対で挟持されるＭＥＡ１０…が直列となるように、アノード集電板２３とカソード集電板２６とを所定に接続している。なお、図４に示すように、集電板シート２０を展開したとき、１つのアノード集電板２３と１つのカソード集電板２６とからなる集電板対は、絶縁しているが、集電板シート２０を谷線ｂ、谷線ｂに沿って折り曲げて、ＭＥＡ１０…を狭持し、各ＭＥＡ１０…が発電するとこれらは直列に繋がって、６つのＭＥＡ１０…で発生した各電位差の和の電位差を得て、大電力を取得可能となっている。
そして、アノード側の取り出し電極２４は、このように直列に接続された集電板対の一方の末端に接続しており、カソード側の取り出し電極２７は、他方の末端に接続している。また、アノード側の取り出し電極２４、カソード側の取り出し電極２７は、燃料電池１がノートパソコンなどの携帯端末Ｐに搭載されたとき、外部の負荷（ノートパソコンなど）側の端子に接続可能となっている。

ここで、前記したように、６つのアノード集電板２３…と、６つのカソード集電板２６…と、第Ａ配線２９…と、アノード側の取り出し電極２４と、カソード側の取り出し電極２７とは、導電性を有する１つの導電性シート５１（図９参照）から所定に象られたものである。したがって、アノード集電板２３、カソード集電板２６とは、第Ａ配線２９によって電気的に確実に接続している。

すなわち、従来、起電力を高めるために複数のＭＥＡ１０…を接続する場合、アノード集電板２３とカソード集電板２６とをジャンパ線ではんだ付けなどで接続しなければならず、ジャンパ線の準備およびはんだ付けに手間がかかるだけでなく、機械的な振動もしくは衝撃あるいは温度変化等によって、はんだ接続部に亀裂や剥がれが生じ、断線するおそれがあった。
しかし、本実施形態に係るＭＥＡモジュール３によれば、アノード集電板２３…とカソード集電板２６…とを接続する第Ａ配線２９は、もともと１つの導電性シート５１から、アノード集電板２３…とカソード集電板２６…を接続するように象られたものであるため、電気的に確実に接続しており、さらに、機械的な振動などにより断線するおそれは極めて少なくなる。よって、このＭＥＡモジュール３を備えた燃料電池１の耐久性は高まることになる。

また、アノード集電板２３には、ＭＥＡ１０の位置に対応して、燃料が流通する複数の燃料流通孔２３ａ…が形成されている。一方、カソード集電板２６には、ＭＥＡ１０の位置に対応して、空気が流通する空気流通孔２６ａが形成されている。
なお、図７に示すように、燃料流通孔２３ａの位置は、フィルム２１の連通孔２１ａと燃料タンク５の燃料供給孔５ｂとに対応している。空気流通孔２６ａの位置は、フィルム２１の連通孔２１ｂと上ケーシング６の空気取込孔６ａと対応している。

アノード集電板２３、カソード集電板２６、第Ａ配線２９、アノード側の取り出し電極２４、カソード側の取り出し電極２７の厚さ、つまり、これらが象られる導電性シート５１（図９（ａ）参照）の厚さは、導電性を考慮しつつ撓み性を考慮し、さらに、ＭＥＡモジュール３の厚さ（つまり燃料電池１の厚さ）考慮すると、２００μｍ以下であることが好ましい。アノード集電板２３などの厚さが２００μｍより厚くなると、アノード集電板２３などが撓み難くなり、アノード集電板２３とアノード側のガス拡散電極１２との密着性、カソード集電板２６とカソード側のガス拡散電極１３との密着性が低下し、ＭＥＡ１０で発生した起電力に基づいて、電気エネルギーを取り出しにくくなるからである。

アノード集電板２３、カソード集電板２６、第Ａ配線２９およびアノード側の取り出し電極２４、カソード側の取り出し電極２７、つまり、これらが象られる導電性シート５１は、導電性を有する金属などで形成される。具体的な金属としては、銅、銅合金、チタン、チタン合金などが挙げられる。

アノード集電板２３などが、銅または銅合金から形成される場合、その表面つまりＭＥＡ１０側に金めっきを施す。この金めっきは、バリア層として銅または銅合金からなるアノード集電板２３などの電食を防止すると共に、各集電板とＭＥＡ１０のガス拡散電極１２、１３間の電気的接触抵抗を低減し、燃料電池１の出力密度の向上に繋がる。この場合において、金めっきの厚さは、１〜５μｍの範囲内とすることが好ましい。１μｍより薄いと電食に対する耐久性が充分に向上せず、５μｍより厚いとめっきコストが高くなりすぎるからである。

アノード集電板２３などが、チタンまたはチタン合金から形成される場合、前記した銅または銅合金からなるアノード集電板２３に対して、大幅に電食を防止することができる。ただし、この場合においても、アノード集電板２３などの表面（ＭＥＡ１０側）に、金めっきを施してもよい。このように金めっきを施すとき、めっきの厚さは１μｍ以下とすることが好ましい。

［環状シール部材］
環状シール部材３１は、図５、図７に示すように、各ＭＥＡ１０を構成するアノード側のガス拡散電極１２の全周を取り囲むように配置している。また、環状シール部材３２は、ＭＥＡ１０のカソード側のガス拡散電極１３の全周を取り囲むようにそれぞれ配置している。したがって、アノード側においては、燃料タンク５から、燃料供給孔５ｂ、連通孔２１ａ、燃料流通孔２３ａの順に経由し、アノード側のガス拡散電極１２に供給された燃料が、アノード側のガス拡散電極１２の縁から漏れにくいようになっている。一方、カソード側においては、クロスオーバした燃料や生成した水が、カソード側のガス拡散電極１３の縁から漏れにくいようになっている。

また、集電板シート２０が折り畳まれた状態において、アノード側の環状シール部材３１は、電解質膜１１とアノード集電板２３とに接着している。アノード側のガス拡散電極１２は、環状シール部材３１の中空部に配置している。
一方、カソード側の環状シール部材３２は、電解質膜１１とカソード集電板２６とに接着している。カソード側のガス拡散電極１３は、環状シール部材３２の中空部に配置している。
したがって、例えば、燃料電池１を搬送するときに振動などが加わっても、電解質膜１１に対して、アノード側のガス拡散電極１２およびカソード側のガス拡散電極１３が、ＭＥＡ１０の面方向に拘束され、電解質膜１１を介さずに、ガス拡散電極１２とガス拡散電極１３とが接触し（あるいは近接し）、ショート（短絡）することを防止し、発電効率を向上可能となっている。
ただし、アノード側の環状シール部材３１、カソード側の環状シール部材３２を接着せずに、ボルト９Ａとナット９Ｂとを所定に締め付けることによって、環状シール部材３１、３２の位置を固定するようにしてもよい。

また、このような環状シール部材３１、３２は、例えば、エチレン−プロピレン−ジエンゴム（ethylene propylene diene methylene:EPDM）から形成されたものや、その他の高分子材料の表面に液状ガスケット材を塗布したものを使用できる。

［芯部材］
芯部材３４は、図４、図８に示すように、外形が円柱状の部材であり、その直径はＭＥＡ１０にアノード集電板２３およびカソード集電板２６を加えた厚さと同程度である。したがって、芯部材３４に沿って折り曲げられ、対向するアノード集電板２３とカソード集電板２６との間に、前記厚さに対応した間隔を確保しやすくなり、さらに、局部的な圧力が高い箇所を発生させずに、ＭＥＡ１０を狭持しやすくなっている。
また、芯部材３４の外周面は曲面であるため、集電板シート２０がこの外周面に沿って折れ曲がりやすくなっている。すなわち、集電板シート２０の第Ａ配線２９に折れ目がつかず、断線しにくくなっている。

＜燃料タンク＞
図３、図６および図７に示すように、燃料タンク５は、燃料電池１が搭載される携帯端末Ｐに、別途搭載される燃料カートリッジ（１次燃料タンク）から供給される燃料（例えば、１０質量％メタノール水溶液）が一旦貯溜されると共に、供給された燃料をＭＥＡ１０に供給する２次燃料タンクである。燃料タンク５は、外形が板状であり、内部に燃料室５ａを有している。そして、外部から燃料室５ａに連通し、６つのＭＥＡ１０に対応して形成された複数の燃料供給孔５ｂ、５ｂ…を有している。また、燃料タンク５には、前記燃料カートリッジに接続し、燃料を燃料室５ａに取り込むための燃料取込パイプ５ｃが設けられている。

＜上ケーシング、下ケーシング＞
図３に示すように、上ケーシング６および下ケーシング７は、燃料電池の筺体としての機能を奏すと共に、ＭＥＡモジュール３および燃料タンク５の保護カバーとしての機能を奏し、また、ＭＥＡモジュール３と燃料タンク５とを挟み込み、密着状態で保持するため部材である。このうち、ＭＥＡモジュール３のカソード側に対応する上ケーシング６には、ＭＥＡ１０のカソード側のガス拡散電極１３に空気が供給されるように、複数の空気取込孔６ａが形成されている。

したがって、このようなＭＥＡモジュール３を備えた燃料電池１によれば、アノード集電板２３…と、カソード集電板２６…とＭＥＡ１０…を密着させることができるので、各ＭＥＡ１０から電気エネルギーを効率的に取り出すことができる。また、アノード集電板２３、カソード集電板２６を薄くでき、さらに、これら集電板はＭＥＡ１０の形状に対応して象られたものであるため、ＭＥＡモジュール３、つまり、燃料電池１および携帯端末Ｐは軽量化される。

さらにまた、このようにＭＥＡ１０を所定数にてモジュール化（ユニット化）したＭＥＡモジュール３によれば、燃料電池１が搭載される携帯端末Ｐの必要電源出力に応じて、複数のＭＥＡモジュール３を組み合わせることも容易となる。また、燃料タンク５などに対して、ＭＥＡ１０を構成する電解質膜１１、ガス拡散電極１２、１３は、劣化しやすいものであるが、このようなＭＥＡモジュール３のみを取り換えることも容易となる。

≪燃料電池の動作≫
次に、本実施形態に係る燃料電池１の動作について説明する。

まず、燃料電池１のアノード側について説明する。
１０質量％程度のメタノール水溶液などの燃料が、外部の燃料カートリッジから燃料取込パイプ５ｃを経由して、燃料タンク５の燃料室５ａに導入される。導入された燃料は、燃料タンク５の燃料供給孔５ｂ、フィルム２１の連通孔２１ａ、アノード集電板２３の燃料流通孔２３ａを経由して、ＭＥＡ１０のアノード側のガス拡散電極１２に導かれる。
ガス拡散電極１２では、次の式（１）に示すように、担持された白金などの触媒存在下で、メタノールと水とが反応し、プロトン（Ｈ⁺）、二酸化炭素（ＣＯ₂）、電子（ｅ^-）が発生する。プロトン（Ｈ⁺）は電解質膜１１中を濃度勾配を駆動力として、カソード側に向かって移動する。電子（ｅ^-）は、取り出し電極２４から取り出される。

ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^- …（１）

次に、燃料電池１のカソード側について説明する。
外部から空気取込孔６ａ、連通孔２１ｂ、空気流通孔２６ａを経由して、空気がＭＥＡ１０のカソード側のガス拡散電極１３に導かれる。
ガス拡散電極１３では、次の式（２）に示すように、空気中の酸素と、電解質膜１１中を移動してきたプロトン（Ｈ⁺）と、負荷を有する外部回路を経由した電子（ｅ^-）とが反応し、水が生成する。

Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^-→２Ｈ₂Ｏ …（２）

ここで、前記したように、アノード集電板２３とガス拡散電極１２、カソード集電板２６とガス拡散電極１３は、それぞれ良好に密着しているため、各ＭＥＡ１０で発生する電位差に基づいて、良好に電気エネルギーを取り出すことができる。
また、６つのＭＥＡ１０は、第Ａ配線２９によって、電気的に確実に接続されているため、ＭＥＡ１０…を直列に接続した本実施形態の場合、大きな起電圧とすることができる。

≪燃料電池の製造方法≫
次に、第１実施形態に係る燃料電池１の製造方法について説明する。
第１実施形態に係る燃料電池１の製造方法は、ＭＥＡモジュール３を製造するモジュール製造ステップと、このＭＥＡモジュール３を使用して燃料電池１を組み立てる燃料電池組立てステップとを有している。

＜ＭＥＡモジュール製造ステップ＞
まず、ＭＥＡモジュール製造ステップについて説明する。
ＭＥＡモジュール製造ステップは、主として、ベースとなるフィルム２１に、導電性を有する金属製の導電性シート５１（第１導電性シートかつ第２導電性シート）を貼り付ける第１工程と、フォトリソグラフィ法により、導電性シート５１を所定に象る（パターニングする）第２工程と、６つのＭＥＡ１０を所定位置に配置して、集電板シート２０を折り曲げる第３工程とを有している。

［第１工程］
図９（ａ）に示すように、合成樹脂製のフィルム２１上面（片面）に、金属箔などの導電性シート５１を接着剤を使用して重ね合わせ、貼り付ける。

［第２工程］
次いで、図９（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ法により、導電性シート５１をエッチングし、アノード集電板２３…、カソード集電板２６…、第Ａ配線２９…、取り出し電極２４、２７を象る。つまり、エッチングにより、導電性シート５１の不要部分を除去する。

アノード集電板２３…、カソード集電板２６…の位置は、挟みこむＭＥＡ１０…に対応して象る。第Ａ配線２９…は、アノード集電板２３とカソード集電板２６とでＭＥＡ１０をそれぞれ挟んだとき、６つのＭＥＡ１０が直列となるように配線する。言い換えると、第Ａ配線２９…は、１つのアノード集電板２３と１つのカソード集電板２６とからなる集電板対が、直列となるように導電性シート５１から象る。取り出し電極２４、２７は、直列に配列する前記集電対の両末端に、それぞれ接続するように、導電性シート５１から象る。

また、エッチングについて、具体的に説明すると、導電性シート５１の上面に、薄膜状でフォトレジスト（感光性樹脂）を塗布する。その後、所定のフォトマスクパターンが象られたフォトマスクと、水銀ランプ等の光源を使用して、塗布したフォトレジストに露光させる。その後、現像液により現像し、不要なフォトレジストの除去した後、薬液（リンス液）で洗浄する。そして、ＨＦ（フッ酸）等でフォトレジストの付着していない導電性シート５１の部分を除去した（エッチング）後、純水で洗浄する。最後に、Ｈ₂ＳＯ₄／Ｈ₂Ｏ₂等によりフォトレジストのみを除去することで、アノード集電板２３…、カソード集電板２６…、第Ａ配線２９…、取り出し電極２４、２７を同時に象ることができる。
ここで、前記フォトマスクには、アノード集電板２３…、カソード集電板２６…、第Ａ配線２９…、取り出し電極２４、２７に対応したフォトマスクパターンを象る。このフォトマスクパターンは、使用するフォトレジスト（感光性樹脂）の種類、つまり、ポジ型またはネガ型に対応させて、白黒反転させる。

このように、１つの導電性シート５１から、アノード集電板２３…、カソード集電板２６…、第Ａ配線２９…、取り出し電極２４、２７を象るため、これらは電気的に確実に接続している。

次いで、適宜な穴あけ装置によりパンチングを行って、燃料が流通する連通孔２１ａ、燃料流通孔２３ａと、空気が流通する連通孔２１ｂ、空気流通孔２６ａを形成する（図４参照）。ここで、アノード集電板２３およびカソード集電板２６とフィルム２１とは接着しているため、連通孔２１ａと燃料流通孔２３ａ、連通孔２１ｂと空気流通孔２６ａがずれるおそれは全くない。
ただし、パンチングを行うタイミングはこれに限定されず、第１工程の前に、パンチングを行ってもよい。つまり、連通孔２１ａおよび連通孔２１ｂが形成されたフィルム２１と、燃料流通孔２３ａおよび空気流通孔２６ａが形成された導電性シート５１とを重ね合せてもよい。

［第３工程］
そして、環状シール部材３１をアノード集電板２３の上面の所定位置に接着剤で固定する。この環状シール部材３１の中空部にガス拡散電極１２を嵌め入れた後、環状シール部材３１の上面に接着剤を塗布し、その上に電解質膜１１を載せて、環状シール部材３１と電解質膜１１とを接着させる。
その後、環状シール部材３２を電解質膜１１の上面の所定位置に、接着剤で固定する。次いで、この環状シール部材３２の中空部にガス拡散電極１３を嵌め入れる。

このような操作を６つのアノード集電板２３に対してそれぞれ行う。
その後、谷線ｂ、ｂに芯部材３４、３４を配置し、各環状シール部材３２の上面に接着剤を塗布した後、カソード集電板２６…が配置する集電板シート２０の両端部を、芯部材３４、３４に沿って折り曲げて、各カソード集電板２６と、対応する環状シール部材３２とを接着させる。このとき、集電板シート２０は、芯部材３４、３４の周面に沿って滑らかに折り曲げられる。そうすると、ＭＥＡモジュール３が製造される。
なお、アノード集電板２３の上面に、各部材を配置するに当たっては、位置決めピンを備えた治具などを使用し、位置精度を高めることが好ましい。また、芯部材３４は、谷線ｂ、ｂに沿って接着剤でフィルム２１に固定したり、何らかの治具で芯部材３４とフィルム２１とを相対的に固定し、折り曲げるときに、芯部材３４の位置ずれを防止することが好ましい。

＜燃料電池組立ステップ＞
次いで、燃料電池組立ステップについて、図３を参照して説明する。
前記ＭＥＡモジュール製造ステップで作製したＭＥＡモジュール３の下方に燃料タンク５を配置し、さらにその下方に下ケーシング７を配置する。そして、ＭＥＡモジュール３の上方には、上ケーシング６を配置する。そして、上ケーシング６の空気取込孔６ａと、連通孔２１ｂ、空気流通孔２６ａ、燃料流通孔２３ａ、連通孔２１ａと、燃料タンクの燃料供給孔５ｂとが、高精度で同軸線上となるように位置合せをしながら、ボルト９Ａとナット９Ｂとを螺合し、上ケーシング６と下ケーシング７とで、ＭＥＡモジュール３と燃料タンク５とを狭持する。そうすると燃料電池１が製造される。

以上、本発明の好適な実施形態について一例を説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することができる。

前記した実施形態では、ベースとなるフィルム２１に導電性シート５１を固定する方法として、接着剤による接着方法を採用したが、本発明では、これに限定されず、フィルム２１と導電性シート５１の接触面を予め粗化し、アンカー効果を利用して固定してもよい。このようにアンカー効果を利用して固定すると、接着剤への燃料の含浸や接着剤の外部への染み出しは懸念されない。

前記した実施形態では、６つのＭＥＡ１０が直列に接続されるように、アノード集電板２３とカソード集電板２６とを接続したが、６つのＭＥＡ１０が並列に接続されるように、アノード集電板２３とカソード集電板２６とを接続してもよい。

このようにＭＥＡ１０を並列に接続する場合においては、図１０に示すように、集電板シートは、アノード側の集電板シート４０Ａとカソード側の集電板シート４０Ｂのように、別々であってもよい。
集電板シート４０Ａは、ベースとなるフィルム４１と、フィルム４１の上面の所定位置に配置された６つのアノード集電板２３…と、アノード集電板２３…を接続する第Ｂ配線４３を備えて構成されている。一方、集電板シート４０Ｂは、フィルム４２と、フィルム４２の上面に配置された６つのカソード集電板２６…と、カソード集電板２６…を接続する第Ｃ配線４４とを備えて構成されている。第Ｂ配線４３および第Ｃ配線４４は、６つのアノード集電板２３…と、６つのカソード集電板２６…によって挟持される６つのＭＥＡ１０…が並列となるように、第Ｂ配線４３はアノード集電板２３・・・同士を接続し、第Ｃ配線４４はカソード集電板２６…同士を接続している。
言い換えると、並列に接続する場合、アノード側では、１つの取り出し電極から枝分かれ（分岐）するように第Ｂ配線４３は配置しており、各末端に各アノード集電板２３がそれぞれ接続している。カソード側においても同様であり、１つの取り出し電極から枝分かれするように第Ｃ配線４４は配置しており、各末端にカソード集電板２６がそれぞれ接続している。
すなわち、前記した実施形態では、６つのＭＥＡ１０…を直列に接続するため、１つのフィルム２１上にアノード集電板２３…とカソード集電板２６…を配置し、谷線ｂ、ｂを跨ぐように第Ａ配線２９…を配置したが、並列に接続する場合は、別々のフィルム４１、４２であってもよい。
また、このように並列に接続する場合、フィルム４１、４２にそれぞれ導電性シート（第１導電性シート、第２導電性シート）を貼り付ける。

なお、ＭＥＡ１０を並列に接続する場合、このように別々のフィルム４１、４２にそれぞれ導電性シートを貼り付けた後、所定に象る方法の他に、図９（ａ）に示すように、１つのフィルム２１に１つの導電性シート５１（第１導電性シートかつ第２導電性シート）を貼り付け、この１つの導電性シートからアノード集電板およびカソード集電板を象った後、フィルム２１を折り曲げてもよい。
また、１つのフィルム２１に２つの導電性シート（アノード集電板用導電性シート（第１導電性シート）とカソード集電板用導電性シート（第２導電性シート））をそれぞれ貼り付けた後、これらからアノード集電板とカソード集電板とを象った後、フィルム２１を折り曲げてもよい。
このように折り曲げる方法を採用し、１つのフィルム２１が、アノード集電板とカソード集電板とのベースを兼ねると、作製される集電板シートは１つとなり、部品点数が少なくなるため取り扱い容易となる。

前記した実施形態では、ＭＥＡ１０のアノード側とカソード側の両方に、環状シール部材３１、３２を配置したが、燃料であるメタノールが漏れやすいのは（クロスオーバーを考慮するとカソード側からも漏れる）アノード側であるため、カソード側の環状シール部材３２を省略してもよい。

前記した実施形態では、６つのＭＥＡ１０を有するＭＥＡモジュール３について説明したが、ＭＥＡ１０の数はこれに限定されず、適宜変更自由であり、例えば１つのＭＥＡであってもよい。このようにＭＥＡの数を変更した場合は、アノード集電板２３およびカソード集電板２６の数、燃料タンク５の大きさなども適宜対応させる。

前記した実施形態では、燃料電池１をＤＭＦＣとした場合について説明したが、燃料電池の種類はこれに限定されず、例えば、ＰＥＦＣなどであってもよい。

前記した実施形態に係るＭＥＡモジュール３の製造ステップでは、図９に示すように、ベースとなるフィルム２１の上面に導電性シート５１を貼り付けた後、フォトリソグラフィ法により、アノード集電板２３…、カソード集電板２６…、第Ａ配線２９…などを象ったが、例えば、プレス法（プレス打ち抜き法とも称される）により、導電性シート５１から、アノード集電板２３…、カソード集電板２６…、第Ａ配線２９…、取り出し電極２４、２７を象った後、この象ったものをフィルム２１に貼り付けてもよい。ここで、プレス法とは、アノード集電板２３…、カソード集電板２６…などに対応した型を、所定圧力で導電性シート５１に押し付けて、アノード集電板２３…、カソード集電板２６…などを打ち抜く方法である。
なお、前記したＭＥＡ１０を並列に接続する場合においても、同様である。

前記した実施形態では、図４に示す谷線ｂ、ｂに、芯部材３４、３４をそれぞれ配置することで、対向するアノード集電板２３とカソード集電板２６との間に所定間隔を確保しやすくしたが、芯部材３４、３４を配置せずに、スペーサとして、６つのＭＥＡ１０…に対応した６つの開口部を有するフィルム（以下、スペーサフィルムという）を使用してもよい。
さらに説明すると、このスペーサフィルムを集電板シート２０の６つのアノード集電板２３…対応させて配置し、スペーサフィルムの前記６つの開口部に、ＭＥＡ１０および環状シール部材３１、３２をそれぞれ配置した後、谷線ｂ、ｂで集電板シート２０を折り畳み、一体化させてもよい。このようなスペーサシートを使用すると、アノード集電板２３…、カソード集電板２６…、取り出し電極２４、２７、第Ａ配線２９…の不要な接触を確実に防止することができる。

本実施形態に係る携帯端末の斜視図であり、燃料電池の取り付け状況を示す。 本実施形態に係る燃料電池の斜視図である。 図２に示す燃料電池の分解斜視図である。 図３に示すＭＥＡモジュールを展開して示す斜視図である。 図４に示すＭＥＡを拡大して示す斜視図である。 図２に示す燃料電池のＸ−Ｘ断面を部分的に示す図である。 図６に示すＸ−Ｘ断面をさらに拡大した図である。 図２に示す燃料電池１のＹ−Ｙ断面を部分的に示す図である。 本実施形態に係るＭＥＡモジュール３の製造方法を段階的に示す図でり、（ａ）はベースとなるフィルムと導電性シートとの重ねあわせ工程を示し、（ｂ）はエッチング工程を示す。 集電板シートの変形例を示す斜視図である。

符号の説明

Ｐ 携帯端末（電子機器）
１ 燃料電池
３ ＭＥＡモジュール
５ 燃料タンク
１０ ＭＥＡ
１１ 電解質膜
１２ ガス拡散電極（アノード側）
１３ ガス拡散電極（カソード側）
２０、４０Ａ、４０Ｂ 集電板シート
２１ フィルム（第１フィルム、第２フィルム）
２３ アノード集電板
２３ａ 燃料流通孔
２４ 取り出し電極（アノード側）
２６ カソード集電板
２６ａ 空気流通孔（酸素流通孔）
２７ 取り出し電極（カソード側）
２９ 第Ａ配線（直列）
３１、３２ 環状シール部材
４３ 第Ｂ配線（並列、アノード側）
４４ 第Ｃ配線（並列、カソード側）
５１ 導電性シート（第１導電性シート、第２導電性シート）

Claims (20)

1. 電解質膜の両面をガス拡散電極で挟んでなる膜電極複合体と、燃料が流通する燃料流通孔を有するアノード集電板と、酸素が流通する酸素流通孔を有するカソード集電板とを具備し、前記膜電極複合体の両面を、前記アノード集電板と前記カソード集電板とで挟んでなる膜電極複合体モジュールであって、
   前記アノード集電板が固定され、当該アノード集電板を支持するベースとなり、前記アノード集電板の前記燃料流通孔と対応して形成され燃料が流通する連通孔を有する合成樹脂製の第１フィルムと、
   前記カソード集電板が固定され、当該カソード集電板を支持するベースとなり、前記カソード集電板の前記酸素流通孔と対応して形成され酸素が流通する連通孔を有する合成樹脂製の第２フィルムと、
   を備え、
   前記アノード集電板および前記カソード集電板は、前記膜電極複合体の形状に対応して象られており、
   前記アノード集電板は、第１導電性シートから、フォトリソグラフィ法またはプレス法により象られたものであり、
   前記カソード集電板は、第２導電性シートから、フォトリソグラフィ法またはプレス法により象られたものであり、
   複数の前記膜電極複合体と、当該膜電極複合体の形状に対応してそれぞれ象られた複数の前記アノード集電板および複数の前記カソード集電板と、前記複数の膜電極複合体が並列となるように、前記複数のアノード集電板同士を接続する第Ｂ配線と、前記複数のカソード集電板同士を接続する第Ｃ配線とを備え、
   前記第Ｂ配線は、前記第１導電性シートから象られたものであり、
   前記第Ｃ配線は、前記第２導電性シートから象られたものである
   ことを特徴とする膜電極複合体モジュール。
2. 前記アノード集電板および前記カソード集電板は、チタンまたはチタン合金から形成されていることを特徴とする請求項１に記載の膜電極複合体モジュール。
3. 前記アノード集電板および前記カソード集電板の前記膜電極複合体側は、金めっきが施されていることを特徴とする請求項２に記載の膜電極複合体モジュール。
4. 前記アノード集電板および前記カソード集電板は、銅または銅合金から形成されており、前記膜電極複合体側に金めっきが施されていることを特徴とする請求項１に記載の膜電極複合体モジュール。
5. 前記第１フィルムと第２フィルムとは、同一のフィルムであり、
   当該同一のフィルムを折り曲げることで、前記アノード集電板とカソード集電板とで、前記膜電極複合体を挟んでなることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の膜電極複合体モジュール。
6. 電解質膜の両面をガス拡散電極で挟んでなる膜電極複合体と、燃料が流通する燃料流通孔を有するアノード集電板と、酸素が流通する酸素流通孔を有するカソード集電板とを具備し、前記膜電極複合体の両面を、前記アノード集電板と前記カソード集電板とで挟んでなる膜電極複合体モジュールであって、
   前記アノード集電板が固定され、当該アノード集電板を支持するベースとなり、前記アノード集電板の前記燃料流通孔と対応して形成され燃料が流通する連通孔を有する合成樹脂製の第１フィルムと、
   前記カソード集電板が固定され、当該カソード集電板を支持するベースとなり、前記カソード集電板の前記酸素流通孔と対応して形成され酸素が流通する連通孔を有する合成樹脂製の第２フィルムと、
   を備え、
   前記アノード集電板および前記カソード集電板は、チタンまたはチタン合金から形成されている
   ことを特徴とする膜電極複合体モジュール。
7. 前記アノード集電板および前記カソード集電板の前記膜電極複合体側は、金めっきが施されていることを特徴とする請求項６に記載の膜電極複合体モジュール。
8. 前記アノード集電板および前記カソード集電板は、前記膜電極複合体の形状に対応して象られたことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の膜電極複合体モジュール。
9. 前記アノード集電板は、第１導電性シートから、フォトリソグラフィ法またはプレス法により象られたものであり、
   前記カソード集電板は、第２導電性シートから、フォトリソグラフィ法またはプレス法により象られたものであることを特徴とする請求項８に記載の膜電極複合体モジュール。
10. 前記第１フィルムと第２フィルムとは、同一のフィルムであり、
    当該同一のフィルムを折り曲げることで、前記アノード集電板とカソード集電板とで、前記膜電極複合体を挟んでなることを特徴とする請求項９に記載の膜電極複合体モジュール。
11. 複数の前記膜電極複合体と、当該膜電極複合体の形状に対応してそれぞれ象られた複数の前記アノード集電板および前記複数のカソード集電板と、前記複数のアノード集電板と前記複数のカソード集電板とを前記複数の膜電極複合体が直列となるように接続する第Ａ配線とを備え、
    前記第１導電性シートと前記第２導電性シートとは、同一の導電性シートであって、
    前記複数のアノード集電板と、前記複数のカソード集電板と、前記第Ａ配線とは、前記同一の導電性シートから象られたものであり、
    直列に接続される前記アノード集電板と前記カソード集電板とは、折り曲げられる谷線を挟んでおり、
    前記第Ａ配線は、前記谷線を跨いでいる
    ことを特徴とする請求項１０に記載の膜電極複合体モジュール。
12. 複数の前記膜電極複合体と、当該膜電極複合体の形状に対応してそれぞれ象られた複数の前記アノード集電板および複数の前記カソード集電板と、前記複数の膜電極複合体が並列となるように、前記複数のアノード集電板同士を接続する第Ｂ配線と、前記複数のカソード集電板同士を接続する第Ｃ配線とを備え、
    前記第Ｂ配線は、前記第１導電性シートから象られたものであり、
    前記第Ｃ配線は、前記第２導電性シートから象られたものであることを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の膜電極複合体モジュール。
13. 前記アノード集電板と前記第１フィルム、前記カソード集電板と前記第２フィルムは、それぞれ接着されていることを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の膜電極複合体モジュール。
14. 前記電解質膜の少なくとも片側に、前記ガス拡散電極を囲む環状シール部材を備えたことを特徴とする請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の膜電極複合体モジュール。
15. 請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載の膜電極複合体モジュールと、
    前記膜電極複合体モジュールのアノード側に、燃料を供給する燃料タンクと、
    を備えたことを特徴とする燃料電池。
16. 請求項１５に記載の燃料電池を搭載したことを特徴とする電子機器。
17. 合成樹脂製の第１フィルムに第１導電性シートを重ね合わせ、合成樹脂製の第２フィルムに第２導電性シートを重ね合わせる第１工程と、
    フォトリソグラフィ法により、前記第１導電性シートを象ってアノード集電板を形成し、前記第２導電性シートを象ってカソード集電板を形成し、前記第１フィルム及び前記アノード集電板に燃料が流通する流通孔を形成し、前記第２フィルム及び前記カソード集電板に酸素が流通する流通孔を形成する第２工程と、
    前記アノード集電板と前記カソード集電板とで、電解質膜の両面をガス拡散電極で挟んでなる膜電極複合体を挟む第３工程と、
    を有し、
    前記第２工程において、複数のアノード集電板と複数のカソード集電板とを形成すると共に、前記複数のアノード集電板同士を並列に接続する第Ｂ配線と、前記複数のカソード集電板を並列に接続する第Ｃ配線を、それぞれ対応する導電性シートから象り、
    前記第３工程において、前記複数のアノード集電板と前記複数のカソード集電板とで、複数の前記膜電極複合体を挟む
    ことを特徴とする膜電極複合体モジュールの製造方法。
18. 合成樹脂製のフィルムに導電性シートを重ね合わせる第１工程と、
    フォトリソグラフィ法により、前記導電性シートを象って、アノード集電板およびカソード集電板を形成し、前記フィルム及び前記アノード集電板に燃料が流通する流通孔を形成し、前記フィルム及び前記カソード集電板に酸素が流通する流通孔を形成する第２工程と、
    前記フィルムを折り曲げることで、前記アノード集電板と前記カソード集電板とで、電解質膜の両面をガス拡散電極で挟んでなる膜電極複合体を挟む第３工程と、
    を有し、
    前記第２工程において、複数のアノード集電板と複数のカソード集電板とを形成すると共に、前記複数のアノード集電板同士を並列に接続する第Ｂ配線と、前記複数のカソード集電板を並列に接続する第Ｃ配線を、前記導電性シートから象り、
    前記第３工程において、前記複数のアノード集電板と前記複数のカソード集電板とで、複数の前記膜電極複合体を挟む
    ことを特徴とする膜電極複合体モジュールの製造方法。
19. 第１導電性シートを所定に象ってアノード集電板を形成し、第２導電性シートを所定に象ってカソード集電板を形成する第１工程と、
    前記アノード集電板を合成樹脂製の第１フィルムに重ね合わせ、前記カソード集電板を合成樹脂製の第２フィルムに重ね合わせ、前記第１フィルム及び前記アノード集電板に燃料が流通する流通孔を形成し、前記第２フィルム及び前記カソード集電板に酸素が流通する流通孔を形成する第２工程と、
    前記アノード集電板と前記カソード集電板とで、電解質膜の両面をガス拡散電極で挟んでなる膜電極複合体を挟む第３工程と、
    を有し、
    前記第１工程において、複数のアノード集電板と複数のカソード集電板とを形成すると共に、前記複数のアノード集電板同士を並列に接続する第Ｂ配線と、前記複数のカソード集電板を並列に接続する第Ｃ配線とを、それぞれ対応する導電性シートから象り、
    前記第３工程において、前記複数のアノード集電板と前記複数のカソード集電板とで、複数の前記膜電極複合体を挟む
    ことを特徴とする膜電極複合体モジュールの製造方法。
20. 第１導電性シートを所定に象ってアノード集電板を形成し、第２導電性シートを所定に象ってカソード集電板を形成する第１工程と、
    前記アノード集電板と前記カソード集電板とを、合成樹脂製のフィルムの所定位置に重ね合わせ、前記フィルム及び前記アノード集電板に燃料が流通する流通孔を形成し、前記フィルム及び前記カソード集電板に酸素が流通する流通孔を形成する第２工程と、
    前記フィルムを折り曲げることによって、前記アノード集電板と前記カソード集電板とで、電解質膜の両面をガス拡散電極で挟んでなる膜電極複合体を挟む第３工程と、
    を有し、
    前記第１工程において、複数のアノード集電板と複数のカソード集電板とを形成すると共に、前記複数のアノード集電板同士を並列に接続する第Ｂ配線と、前記複数のカソード集電板を並列に接続する第Ｃ配線とを、それぞれ対応する導電性シートから象り、
    前記第３工程において、前記複数のアノード集電板と前記複数のカソード集電板とで、複数の前記膜電極複合体を挟む
    ことを特徴とする膜電極複合体モジュールの製造方法。

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