JP4643178B2

JP4643178B2 - 燃料電池

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Publication number: JP4643178B2
Application number: JP2004163116A
Authority: JP
Inventors: 雅也矢野; 正和杉本; 卓司桶結; 俊雄荒木
Original assignee: Aquafairy Corp
Current assignee: Aquafairy Corp
Priority date: 2003-11-19
Filing date: 2004-06-01
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2024-06-01
Also published as: JP2005259676A

Description

本発明は、固体高分子電解質を用いた燃料電池に関し、特に厚みを薄くすることのできる高分子型燃料電池に関する。

ポリマー電解質のような固体高分子電解質を使用した高分子型燃料電池は、高いエネルギー変換効率を持ち、薄型小型・軽量であることから、家庭用コージェネレーションシステムや自動車向けに開発が活発化している。かかる燃料電池の従来技術の構造として、図９に示すものが知られている（例えば、非特許文献１参照）。

即ち、図９に示すように、固体高分子電解質膜１００を挟んでアノード１０１とカソード１０２とを配設する。さらに、ガスケット１０３を介して一対のセパレータ１０４により挟持して単位セル１０５を構成する。各々のセパレータ１０４にはガス流路溝が形成されており、アノード１０１との接触により、還元ガス（例えば、水素ガス）の流路が形成され、カソード１０２との接触により、酸化ガス（例えば、酸素ガス）の流路が形成される。各々のガスは、単位セル１０５内の各流路を流通しながら、アノード１０１又はカソード１０２の内部に担持された触媒の作用により電極反応（電極における化学反応）に供され、電流の発生とイオン伝導が生じる。

この単位セル１０５を多数個積層し、単位セル１０５どうしを電気的に直列に接続して燃料電池Ｎを構成し、電極１０６は、積層した両端の単位セル１０５から取り出すことができる。このような燃料電池Ｎは、クリーンかつ高効率という特徴から、種々の用途、特に、電気自動車用電源や家庭用分散型電源として注目されている。

一方、近年のＩＴ技術の活発化に伴い、携帯電話、ノートパソコン、デジカメなどモバイル機器が頻繁に使用される傾向があるが、これらの電源は、ほとんどリチウムイオン二次電池が用いられている。ところが、モバイル機器の高機能化に伴って消費電力がどんどん増大し、その電源用としてクリーンで高効率な燃料電池が注目されてきている。

しかしながら、図９に示すような従来の構造では、構造に自由度が無いため、モバイル機器の電源として求められる薄型小型軽量化や形状の高自由度化に難があり、メンテナス性が悪いという問題もあった。また、燃料電池セル内で酸化還元ガスを相互に混合させないように供給し、かつ、密閉化することが難しく、これらの条件を満たしながら、燃料電池セルの大きさや重量を低減化することは困難であった。つまり、従来、セル部品をボルト及びナットの締結部品で相互結合して、セル部品に一定の圧力を加えていたため、シール性を確保する上で、各部材の剛性を高める必要性があり、どうしても薄型化、小型化、軽量化、自由な形状設計が困難であった。
日経メカニカル別冊「燃料電池開発最前線」発行日２００１年６月２９日、発行所：日経ＢＰ社、第３章ＰＥＦＣ、３．１原理と特徴ｐ４６

そこで、本発明の目的は、単位セルごとに確実に封止を行うことができ、これによって薄型化が可能となり、メンテナンスも容易になり、しかも小型軽量かつ自由な形状設計が可能な燃料電池を提供することにある。

上記目的は、下記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、板状の固体高分子電解質と、その固体高分子電解質の両側に配置された一対の電極板とを備える燃料電池において、前記電極板の両側に配置され、流路溝とその流路溝に連通する注入口及び排出口が設けられた一対の金属板を備え、その金属板の周縁が絶縁材料を介在させつつカシメにより封止されていることを特徴とする。

本発明の燃料電池によると、電極板と流路溝が形成された金属板との接触により、ガスの注入口及び排出口に連通するガス流路を形成でき、各々の電極板で電極反応を生じさせることができ、金属板から電流を取り出すことができる。また、金属板の周縁が絶縁材料を介在させつつカシメにより封止されているため、両者の短絡を防止しながら、厚みをさほど増加させずに単位セルごとに確実に封止を行うことができる。これによってメンテナンスも容易になり、しかも図９に示す従来構造と比較してセル部材に剛性が要求されないため、各単位セルを大幅に薄型化することができる。更に、固体高分子電解質や金属板を使用するため、自由な平面形状や屈曲が可能となり、小型軽量かつ自由な形状設計が可能となる。

上記において、前記金属板は、プレス加工による金属板の変形により前記流路溝が形成されていることが好ましい。上記の如き封止構造は金属板のカシメにより好適に形成でき、金属板への溝形成をプレス加工で行うことで、コスト的に有利に金属板を製造できるようになる。また、プレス加工で溝形成した金属板は厚みの増加を最小限にすることができ、単位セルごとに確実に封止を行うことと併せて、燃料電池のより薄型化が可能となる。

あるいは、上記において、前記金属板はエッチングにより前記流路溝が形成されていることが好ましい。金属板への溝形成をエッチングにより行うことで、剛性の高い金属板にも容易に溝形成が可能となり、その剛性のため薄膜電極組立体に対して圧力をかけやすくなり、ガス漏れを少なくすることができ、高い出力（図５参照）を得ることができる。

また、前記固体高分子電解質の周縁部を、環状のシール部材を介して、両側の金属板同士で挟持していることが好ましい。特に、固体高分子電解質の厚みが μｍ以下の場合に、このようにシール部材を介して、これを両側の金属板同士で挟持することにより、固体高分子電解質の両側の流体（例えば燃料ガスと酸化ガス）の混合やリークが効果的に防止できる。

更に、一方の金属板の外縁部を他方の金属板の外縁部より大きくして、前記一方の金属板の外縁部により前記他方の金属板の外縁部を挟圧するように折り返したカシメ構造を有すると共に、前記他方の金属板の表面と前記折り返した外縁部の表面とを、電流の取り出し部（即ち正極又は負極となり得る）とすることが好ましい。これによって、電池セルの片側面のみから電流の取り出しが可能となり、薄型燃料電池を配置する際に、より省スペース化、配置スペースの薄型化が図れる。

また、前記固体高分子電解質、一対の電極板、及び一対の金属板で単位セルを構成し、この単位セルを複数積層してあることが好ましい。これによると各々の単位セルを薄型化できるため、全体として高出力の燃料電池を得ることができる。

本発明は、板状の固体高分子電解質と、その固体高分子電解質の両側に配置された一対の電極板とを備える燃料電池において、前記電極板の両側に配置された一対の金属板を備え、それら金属板の周縁が電気的に絶縁した状態でカシメにより封止されていると共に、前記固体高分子電解質の周縁部を、環状のシール部材を介して、両側の金属板同士で挟持しているものでもよい。

この発明によると、電極板と金属板との接触により、各々の電極板で電極反応を生じさせながら、金属板から電流を取り出すことができる。また、金属板の周縁が電気的に絶縁した状態でカシメにより封止されているため、両者の短絡を防止しながら、厚みをさほど増加させずに単位セルごとに確実に封止を行うことができる。これによってメンテナンスも容易になり、しかも図９に示す従来構造と比較してセル部材に剛性が要求されないため、各単位セルを大幅に薄型化することができる。更に、環状のシール部材を介して、これを両側の金属板同士で挟持することにより、特に、固体高分子電解質の厚みが薄い場合でも、固体高分子電解質の両側の流体（例えば燃料ガスと酸化ガス）の混合やリークを効果的に防止できる。

また、本発明は、板状の固体高分子電解質と、その固体高分子電解質の両側に配置された一対の電極板とを備える燃料電池において、前記電極板の両側に配置された一対の金属板を備え、一方の金属板の外縁部を他方の金属板の外縁部より大きくして、前記一方の金属板の外縁部により前記他方の金属板の外縁部を挟圧するように折り返す際に、前記金属板の周縁が電気的に絶縁した状態でカシメにより封止されていると共に、前記他方の金属板の表面と前記折り返した外縁部の表面とを、電流の取り出し部としたものでもよい。

この発明によると、電極板と金属板との接触により、各々の電極板で電極反応を生じさせながら、金属板から電流を取り出すことができる。また、金属板の周縁が電気的に絶縁した状態でカシメにより封止されているため、両者の短絡を防止しながら、厚みをさほど増加させずに単位セルごとに確実に封止を行うことができる。これによってメンテナンスも容易になり、しかも図９に示す従来構造と比較してセル部材に剛性が要求されないため、各単位セルを大幅に薄型化することができる。更に、一方の金属板の外縁部を他方の金属板の外縁部より大きくして、前記一方の金属板の外縁部により前記他方の金属板の外縁部を挟圧するように折り返して、前記他方の金属板の表面と前記折り返した外縁部の表面とを、電流の取り出し部としたため、電池セルの片側面のみから電流の取り出しが可能となり、薄型燃料電池を配置する際に、より省スペース化、配置スペースの薄型化が図れる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の燃料電池の単位セルの一例を示す組み立て斜視図であり、図２は、本発明の燃料電池の単位セルの一例を示す正面視断面図である。

本発明の燃料電池は、図１〜図２に示すように、板状の固体高分子電解質１と、その固体高分子電解質１の両側に配置された一対の電極板２，３とを備えるものである。

固体高分子電解質１としては、従来の固体高分子膜型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。

電極板２，３は、ガス拡散層としての機能を発揮して、燃料ガスや、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使用できる。電極板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１と接する内面２ｂ，３ｂに少なくとも担持させるのが好ましい。

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。一般に、電極板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、電極板２，３や固体高分子電解質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、酸化ガスとして酸素ガスや空気が用いられると共に、還元ガスとして水素ガスや用いられる。また、還元ガスの代わりに、メタノールやジメチルエーテル等を用いることもできる。

例えば、水素ガスと空気を使用する場合、空気を供給する側の電極（空気極）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。

電極板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、５０〜５００μｍが好ましい。

電極板２，３と固体高分子電解質１とは、予め接着、融着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、薄膜電極組立体（ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）として入手することもでき、これを使用してもよい。

前記電極板２，３の両側には、一対の金属板４，５が配置され、金属板４，５には流路溝９と、これに連通する注入口４ｃ，５ｃ及び排出口４ｄ，５ｄが設けられている。金属板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る。但し、伸び、重量、弾性率、強度、耐腐食性、プレス加工性、エッチング加工性などの観点から、ステンレス板、ニッケルなどが好ましい。

金属板４，５に設けられる流路溝９は、電極板２，３との接触により水素ガス等の流露が形成できるものであれば何れの平面形状や断面形状でもよい。但し、流路密度、積層時の積層密度、屈曲性などを考慮すると、金属板４，５の一辺に平行な縦溝９ａと垂直な横溝９ｂを主に形成するのが好ましい。本実施形態では、複数本（図示した例では３本）の縦溝９ａが横溝９ｂに直列接続されるようにして、流路密度と流路長のバランスを取っている。

なお、このような金属板４，５の流路溝９の一部（例えば横溝９ｂ）を電極板２，３の外面に形成してもよい。電極板２，３の外面に流路溝２ａ，３ａを形成する方法としては、加熱プレスや切削などの機械的な方法でもよいが、微細加工を好適に行う上で、レーザ照射によって溝加工を行うことが好ましい。レーザ照射を行う観点からも、電極板２，３の基材としては、繊維質カーボンの集合体が好ましい。

金属板４，５の流路溝９に連通する注入口４ｃ，５ｃ及び排出口４ｄ，５ｄは、それぞれ１個又は複数を形成することができる。なお、金属板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、強度、伸び、重量、弾性率、ハンドリング性などを考慮すると、５０〜５００μｍが好ましい。

金属板４，５に流路溝９を形成する方法としては、プレス加工、切削などの機械的な方法やエッチングなどの化学的な方法が挙げられる。但し、前述の理由より、プレス加工による金属板の変形により流路溝９が形成されていることが好ましい。図１の金属板４の上面には、プレス加工による流路溝９の凸条９ｃが示されている。

特に、プレス加工による流路溝９では、幅０．１〜１０ｍｍ、深さ０．１〜１０ｍｍが好ましい。また、流路溝９の断面形状は、略四角形、略台形、略半円形、Ｖ字形などが好ましい。

また、金属板４，５に流路溝９を形成する方法としては、前述した理由より、エッチングも好ましい（図６参照）。エッチングによる流路溝９では、幅０．１〜１０ｍｍ、深さ０．０５〜１ｍｍが好ましい。また、流路溝９の断面形状は、略四角形、略台形、略半円形、Ｖ字形などが好ましい。

エッチングは、例えばドライフィルムレジストなどを用いて、金属表面に所定形状のエッチングレジストを形成した後、金属板４，５の種類に応じたエッチング液を用いて行うことが可能である。また、２種以上の金属の積層板を用いて、金属ごとに選択的にエッチングを行うことで、流路溝９の断面形状をより高精度に制御することができる。なお、流路溝９に連通する注入口４ｃ，５ｃ及び排出口４ｄ，５ｄなどを、エッチングで形成することも可能である。

図６に示す実施形態は、金属板４，５のカシメ部のＳＵＳもエッチングにより厚みを薄くした例である。このように、カシメ部をエッチングして適切な厚さにすることで、カシメによる封止をより容易に行うことができる。この観点から、カシメ部の厚みとしては、０．０５〜０．３ｍｍが好ましい。

本発明では、金属板４，５の周縁は、絶縁材料６を介在させつつカシメにより封止されている。本発明では、カシメを行う際、図２に示すように、金属板４，５の周縁によって固体高分子電解質１を挟持する構造が好ましく、絶縁材料６を介在させつつ固体高分子電解質１を挟持する構造がより好ましい。このような構造によると、電極板２，３の一方から他方へのガス等の流入を効果的に防止することができる。

絶縁材料６としては、シート状の樹脂、ゴム、熱可塑性エラストマー、セラミックスなどが使用できるが、シール性を高める上で、樹脂、ゴム、熱可塑性エラストマーなどが好ましい。絶縁材料６は、金属板４，５の周縁に直接あるいは粘着剤を介して貼着したり、塗布したりして、予め金属板４，５に一体化しておくことも可能である。

カシメ構造としては、シール性や製造の容易性、厚み等の観点から図２に示すものが好ましい。つまり、一方の金属板５の外縁部５ａを他方の外縁部４ａより大きくしておき、絶縁材料６を介在させつつ、一方の金属板５の外縁部５を他方の金属板４の外縁部４ａを挟圧するように折り返したカシメ構造が好ましい。このカシメ構造では、プレス加工等によって、金属板４の外縁部４ａに段差を設けておくのが好ましい。このようなカシメ構造自体は金属加工として公知であり、公知のカシメ装置によって、それを形成することができる。

また、図３（ａ）に示すカシメ構造ものでもよく、このカシメ構造は、両方の金属板４，５の外縁部４ａ，５ａを折り返したカシメ構造である。なお、この単位セルＵＣでは、各々の電極板２，３から拡散したガスが混合しないように、金属板４，５の各々と固体高分子電解質１との間に、シール部材Ｓを介在させている。

更に、図３（ｂ）に示すカシメ構造ものでもよく、このカシメ構造は、両方の金属板４，５の外縁部４ａ，５ａを折り返さずに、別の金属板７によって、各々の金属板４，５を絶縁する絶縁材料６ａ，６ｂを介して、挟圧したカシメ構造である。なお、カシメ構造では、両者の金属板４，５をプレス加工せずに平板のまま使用することも可能である。

また、シール部材Ｓを介在させる場合、図７（ａ）〜（ｂ）に示すような形態で、シール部材Ｓ１を介在させてもよい。この実施形態では、固体高分子電解質１の周縁部１ａを、環状のシール部材Ｓ１を介して、両側の金属板４，５同士で挟持している。このとき、特に金属板４，５の外縁部４ａ，５ａで挟持するのが、挟持圧を高めてシール性を向上させる観点から好ましい。

環状のシール部材Ｓ１は、図７（ｂ）に示すように、固体高分子電解質１の周縁部１ａに沿った環状形状をなしており、カシメ構造との関係から、外周の４隅が丸みを帯びた形状となっている。シール部材Ｓ１は、単に挟持するだけでもよいが、金属板４，５や固体高分子電解質１の周縁に直接あるいは粘着剤を介して貼着してもよい。

環状のシール部材Ｓ１の厚みは、固体高分子電解質１の厚みにもよるが、２０〜２００μｍが好ましい。また、シール部材Ｓ１（シール部材Ｓも同様）の材質としては、弾性を有する材料が好ましく、シリコーン系樹脂、フッ素系樹脂などの樹脂、ゴム、熱可塑性エラストマーなどが好ましい。

つまり、本発明は、板状の固体高分子電解質１と、その固体高分子電解質１の両側に配置された一対の電極板２，３とを備える燃料電池において、前記電極板２，３の両側に配置された一対の金属板４，５を備え、それら金属板４，５の周縁が電気的に絶縁した状態でカシメにより封止されていると共に、前記固体高分子電解質１の周縁部１ａを、環状のシール部材Ｓ１を介して、両側の金属板４，５同士で挟持しているものでもよい。

この場合、金属板４，５には、必要に応じて流路溝、燃料やガスの注入口や排出口、開口部などを設けることができ、例えば空気を開口部から自然供給したり、燃料ガスの排出口を省略することも可能である。また、電極板２，３にも、必要に応じて流路溝などを設けることができ、金属板４，５の流路溝を省略することも可能である。

本発明では、図２に示すような単位セルＵＣを１個又は複数個使用することができるが、固体高分子電解質１、一対の電極板２，３、及び一対の金属板４，５で単位セルＵＣを構成し、この単位セルＵＣを複数積層してあることが好ましい。本発明によると、ボルト及びナットの締結部品で相互結合して、セル部品に一定の圧力を加えなくても、高出力の燃料電池を提供することができる。

複数積層する場合、単位セルＵＣどうしの間に、ガス等の流路を形成できるスペーサを設けて積層することも可能であるが、図４に示すように、スペーサを介在させずに積層することが薄型化や設計の自由度の点から好ましい。

また、金属板４，５の流路溝９の凸条９ｃを等間隔で平行に形成しておき、各々の単位セルＵＣの凸条９ｃが相互に嵌まり合うようにすることが好ましい。これによって、単位セルＵＣの積層時の厚みをより低減することができる。

図４に示す実施形態では、単位セルＵＣ（金属板４，５）の一辺付近に水素ガス等の注入口４ｃ及び排出口４ｄを設け、対向する一辺の裏側に空気等の注入口５ｃ及び排出口５ｄを設けておき、これらが露出するように各々の単位セルＵＣをずらして積層している。この状態で図４（ｂ）に示すように、主管１１から分岐管１２が分岐したチューブ１０の分岐管１２を注入口４ｃに接続することで、水素ガス等の注入を行うことができる。このようなチューブ１０を注入口５ｃ、排出口４ｄ、排出口５ｄに接続することで、酸化ガスと還元ガスの注入・排出が可能となる。

一方、金属板同士が接触することで、単位セルＵＣが直列に接続されることになり、両端の単位セルＵＣから、積層数に応じた電圧の電流を取り出すことができる。また、複数の単位セルＵＣごとスペーサを設けて（図示省略）、単位セルＵＣごとに電流を取り出すことも可能である。

また、単位セルを使用する際、金属板の燃料の注入口及び排出口には、直接、燃料供給用のチューブを接合することも可能であるが、燃料電池の薄型化を行う上で、厚みが小さく、金属板の表面に平行なパイプを有するチューブジョイントを設けるのが好ましい。

本発明の燃料電池は、薄型化が可能で小型軽量かつ自由な形状設計が可能なため、特に、携帯電話、ノートＰＣ等のモバイル機器に好適に使用することができる。

また、電流を取り出す際に、図８（ａ）〜（ｂ）に示すような実施形態とすることができる。つまり、一方の金属板５の外縁部５ａを他方の金属板の外縁部４ａより大きくして、前記一方の金属板５の外縁部５ａにより前記他方の金属板４の外縁部４ａを挟圧するように折り返したカシメ構造を有すると共に、前記他方の金属板４の表面と前記折り返した外縁部５ａの表面とを、電流の取り出し部（例えば正極又は負極）としてもよい。その場合、図示したように、他方の金属板４の表面と折り返した外縁部５ａの表面（図では上面）とを面一または略面一とするのが好ましい。これによって、電流の取り出し部と、電池ホルダー側の接点端子等との接触が、より好適に行えるようになる。

また、図８（ａ）〜（ｂ）に示す実施形態では、電子機器類などの装置本体側に固定された板バネ製の接点端子２１，２２が、電池セルの電流取り出し部と接触することで、リード線２３，２４により電流を取り出すことができる。

但し、電流の取り出し形態は何れでもよく、電池セルに直線、リード線を半田で接合したり、電池セルにコネクタを設けたりすることも可能である。

つまり、本発明は、板状の固体高分子電解質１と、その固体高分子電解質１の両側に配置された一対の電極板２，３とを備える燃料電池において、前記電極板２，３の両側に配置された一対の金属板４，５を備え、一方の金属板５の外縁部５ａを他方の金属板４の外縁部４ａより大きくして、前記一方の金属板５の外縁部５ａにより前記他方の金属板４の外縁部４ａを挟圧するように折り返す際に、前記金属板４，５の周縁が電気的に絶縁した状態でカシメにより封止されていると共に、前記他方の金属板４の表面と前記折り返した外縁部５ａの表面とを、電流の取り出し部としたものでもよい。

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〕
耐食性を有するＳＵＳ（５０ｍｍ×２６ｍｍ×０．０８ｍｍ厚）に溝（幅０．８ｍｍ、深さ０．２ｍｍ、間隔１．６ｍｍ）をプレス加工により２１個設けた。そして絶縁シート（５０ｍｍ×２６ｍｍ×２ｍｍ幅、厚み８０μｍ）をＳＵＳに張り合わせた。また、薄膜電極組立体（４９．３ｍｍ×２５．３ｍｍ）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２０ｍｍ×４３ｍｍ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）（２５．３ｍｍ×４９．３ｍｍ、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ＳＵＳ板２枚の中央で挟み込み、図２に示すようにカシメ合わせることで、外寸５０ｍｍ×２６ｍｍ×１．４ｍｍ厚という薄型小型のマイクロ燃料電池を得る事ができた。

このマイクロ燃料電池の電池特性を評価した。燃料電池特性は、東陽テクニカ製燃料電池評価システムを用い、室温下、純水素ガス、純酸素ガスを用いて評価した。ガス流量は、０．２Ｌ／ｍｉｎとした。得られた最大出力密度は、電極面積当たり４００ｍＷ／ｃｍ² であった（図５）。そして６個の燃料電池セルを積層することで直列接続となり、燃料電池として１８Ｗの出力が得られた。本発明の特長は、厚さ１．４ｍｍで薄くかつ単位電極面積当たり４００ｍＷ／ｃｍ² と高出力が得られるところにある。

〔実施例２〕
異なる厚みのＳＵＳ（５０ｍｍ×２６ｍｍ×０．３ｍｍ厚）を用い、その加工法を塩化第二鉄水溶液によるエッチングに変えて、溝（幅０．８ｍｍ、深さ０．２ｍｍ、間隔１．６ｍｍ）を形成すること以外は、実施例１と同様にして、図６に示す薄型小型のマイクロ燃料電池を得た。なお、図６において、カシメ部のＳＵＳもエッチングにより厚みを薄くした（厚み０．１ｍｍ）。

このマイクロ燃料電池の電池特性を実施例１と同様に評価した。得られた最大出力密度は、電極面積当たり４５０ｍＷ／ｃｍ² であった（図５）。そして６個の燃料電池セルを積層することで直列接続となり、燃料電池として２０Ｗの出力が得られた。本発明の特長は、厚さ１．４ｍｍで薄くかつ単位電極面積当たり４５０ｍＷ／ｃｍ² と高出力が得られるところにある。

〔参考例１〕
実施例２において、固体高分子電解質の厚みを２５μｍ（実施例２の１／２）とすること以外は、同様にして燃料電池を作製し、その際、図７（ｂ）に示す形状のシール部材（材質：フッ素樹脂、厚み１００μｍ）を用いた場合と用いない場合とで、セル内のガス混合の有無とセル外へのガス漏れの有無とを調べた。

その結果、シール部材を用いると１０／１０の割合でガス混合及びガス漏れが発生せず、これに対して、シール部材を用いないと４／１０の割合でガス混合が発生し、３／１０の割合でガス漏れが発生した。

本発明の燃料電池の単位セルの一例を示す組み立て斜視図本発明の燃料電池の単位セルの一例を示す正面視断面図本発明の燃料電池のカシメ構造の他の例を示す要部断面図本発明の燃料電池の単位セルの積層状態の一例を示す図であり、（ａ）はチューブ取付前の斜視図、（ｂ）はチューブ取付後の要部正面図本発明の実施例で得られた燃料電池の電圧と出力の関係を示すグラフ本発明の燃料電池の単位セルの他の例を示す正面視断面図本発明の燃料電池の単位セルの他の例を示す図であり、（ａ）は正面視断面図、（ｂ）はそのシール部材を示す平面図本発明の燃料電池の単位セルの他の例を示す図であり、（ａ）は左側面図、（ｂ）はそのＩ−Ｉ矢視断面正面視断面図従来の燃料電池の一例を示す組み立て斜視図

符号の説明

１固体高分子電解質
１ａ周縁部
２，３電極板
４，５金属板
４ｃ，５ｃ注入口
４ｄ，５ｄ排出口
６絶縁材料
９流路溝
９ａ縦溝
９ｂ横溝
Ｓ，Ｓ１シール部材

Claims

板状の固体高分子電解質と、その固体高分子電解質の両側に配置された一対の電極板とを備える燃料電池において、
前記電極板の両側に配置され、流路溝とその流路溝に連通する注入口及び排出口が設けられた一対の金属板を備え、その金属板の周縁が絶縁材料を介在させつつカシメにより封止されていることを特徴とする燃料電池。
前記金属板は、プレス加工による金属板の変形により前記流路溝が形成されている請求項１記載の燃料電池。
前記金属板は、エッチングにより前記流路溝が形成されている請求項１記載の燃料電池。
前記固体高分子電解質の周縁部を、環状のシール部材を介して、両側の金属板同士で挟持している請求項１〜３いずれかに記載の燃料電池。
一方の金属板の外縁部を他方の金属板の外縁部より大きくして、前記一方の金属板の外縁部により前記他方の金属板の外縁部を挟圧するように折り返したカシメ構造を有すると共に、前記他方の金属板の表面と前記折り返した外縁部の表面とを、電流の取り出し部とした請求項１〜４いずれかに記載の燃料電池。
前記固体高分子電解質、一対の電極板、及び一対の金属板で単位セルを構成し、この単位セルを複数積層してある請求項１〜５いずれかに記載の燃料電池。
板状の固体高分子電解質と、その固体高分子電解質の両側に配置された一対の電極板とを備える燃料電池において、
前記電極板の両側に配置された一対の金属板を備え、それら金属板の周縁が電気的に絶縁した状態でカシメにより封止されていると共に、前記固体高分子電解質の周縁部を、環状のシール部材を介して、両側の金属板同士で挟持していることを特徴とする燃料電池。
板状の固体高分子電解質と、その固体高分子電解質の両側に配置された一対の電極板とを備える燃料電池において、
前記電極板の両側に配置された一対の金属板を備え、一方の金属板の外縁部を他方の金属板の外縁部より大きくして、前記一方の金属板の外縁部により前記他方の金属板の外縁部を挟圧するように折り返す際に、前記金属板の周縁が電気的に絶縁した状態でカシメにより封止されていると共に、
前記他方の金属板の表面と前記折り返した外縁部の表面とを、電流の取り出し部としたことを特徴とする燃料電池。