JP4781626B2

JP4781626B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP4781626B2
Application number: JP2003416877A
Authority: JP
Inventors: 敏浩中井; 昭二西原; 博志柏野; 康夫有島; 進介柴田
Original assignee: Hitachi Maxell Energy Ltd
Current assignee: Hitachi Maxell Energy Ltd
Priority date: 2003-12-15
Filing date: 2003-12-15
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2023-12-15
Also published as: JP2005174872A

Description

本発明は、燃料電池用発電素子およびそれを用いた燃料電池に関し、さらに詳しくは燃料電池の小型化および軽量化が可能な燃料電池用発電素子およびそれを用いた小型・軽量の燃料電池に関する。

近年、パソコン、携帯電話などのコードレス機器の普及に伴い、その電源である二次電池はますます小型化、高容量化が要望されている。現在、エネルギー密度が高く、小型軽量化が図れる二次電池としてリチウムイオン二次電池が実用化されており、ポータブル電源として需要が増大している。しかし、使用されるコードレス機器の種類によっては、このリチウムイオン二次電池では未だ十分な連続使用時間を保証する程度までには至っていない。

このような状況の中で上記要望に応え得る電池として、電解質に固体高分子電解質、正極活物質に空気中の酸素、負極活物質に水素、メタノールなどの燃料を用いる固体高分子型燃料電池が、リチウムイオン二次電池よりも高エネルギー密度が期待できる系として注目されている。中でも、液体燃料であるメタノールを直接電池の反応に利用する直接メタノール型燃料電池は、毛管力などを利用してメタノールを供給することにより、燃料を供給するポンプなどを用いなくてもよいため、小型化が可能であり、将来のポータブル電源として有望である。

この固体高分子型燃料電池は、単セルの作動電圧が０．７〜０．２Ｖと低いため、通常複数のセルを電気的に直列に接続して、電子機器などを駆動することのできる起電力を得ている。また、従来の固体高分子型燃料電池は、薄いセパレータとセルとを交互に積み重ねた積層型である。この場合、薄いセパレータに溝を形成して、その溝を通して酸素または燃料を供給する。しかし、自然拡散のみでは酸素および燃料が電極に行き渡らないため、補器を用いて強制的に酸素および燃料を流通させている。従って、補器の配置スペースが必要となり、従来の積層型の固体高分子型燃料電池では、携帯機器用電源として必要な小型化が難しい。

一方、補器を必要としない燃料電池として、単セルを同一平面に配置し、酸素は大気中から自然供給する平面型燃料電池が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。平面型燃料電池では、正極を燃料電池筐体の外壁面に並べて大気に触れるように配置して酸素を取り込む構造である。また、直接メタノール型燃料電池を平面型にすると、毛管力などを利用してメタノールを負極に供給することができ、補器を使わずに小型化が可能になる。

また、固体高分子型燃料電池の集電方法は、電極面に多孔性カーボンペーパーなどを拡散層として配置し、拡散層の上から集電体を押圧することにより行う。従って、拡散層の材質としては導電性材料が用いられる。さらに、拡散層には燃料、酸素、発電反応で生成する水、二酸化炭素などを流通させる機能も必要である。しかし、この流通機能を向上させるために拡散層の多孔度を増加させると、導電性が低下するという問題がある。この問題に対し、多孔性の発泡金属を拡散層に用い、高い導電性と多孔性とを両立させる方法が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

上記固体高分子型燃料電池の集電方法では、電極は強い力で押さえつけられるため、機械的強度が必要である。この電極の強度を増加させる方法としては、電極中に金属繊維を混入させる方法などが提案されている（例えば、特許文献３参照。）。

ここで、従来の燃料電池について説明する。図４は、従来の燃料電池の各部品を結合する前の一例を示す断面図である。正極２１は、例えば、多孔性の炭素材料からなる拡散層２２と、触媒を担持した炭素粉末を含む触媒層２３とを積層して構成される。また、負極２４は、拡散層２５と触媒層２６とからなり、例えば、上記正極２１と同様に構成されている。正極２１、負極２４および固体電解質膜２７は、集電体を兼ねる正極支持板２８と負極支持板２９との間に積層されて配置されている。正極支持板２８には酸素流入孔３０が設けられ、負極支持板２９には燃料供給孔３１が設けられている。また、負極支持板２９の下部には、液体燃料３２を貯蔵する燃料タンク３３が配置されている。なお、３４はシール材である。この燃料電池を同一平面上に複数配置することにより、平面型燃料電池とすることができる。

上記燃料電池の集電は、正極支持板２８と負極支持板２９とを押圧することにより、正極２１と正極支持板２８、および負極２４と負極支持板２９を電気的に接触させて行う。このとき、電極と集電体の接触抵抗をできる限り小さくするため、大きな面圧で押圧する必要がある。
特開２０００−２６８８３６号公報特開平６−５２８９号公報特開平６−２６７５５５号公報

積層型燃料電池では、電極と集電体とを押圧する方向とセルの積層方向が同一であるため、押圧するための締め付け治具を積層方向に共有できる。このため、１つの大きな締め付け治具により大きな面圧で電極と集電体を押圧することができる。しかし、平面型燃料電池では、電極と集電体とを押圧する方向とセルの配置方向が直交しているため、締め付け治具を共有することはできない。従って、各セル毎に締め付け治具が必要となり、平面型燃料電池において集電体を押圧することによる集電方法では、燃料電池を小型化することは困難であった。

また、集電体を押圧することによる集電方法では、電極が強い力で押さえつけられるので、電極に機械的強度が必要になる。しかし、従来の固体高分子型燃料電池の電極は、電極中に機械的強度の強い材料は含まれていない。従って、強い力で押さえつけた際に、電極または固体電解質膜に亀裂や破断が生じる問題があった。この問題を避けるためには、正極支持板および負極支持板の強度を上げる必要があるが、強度を上げるために支持板に鋼板などを用いると電池の軽量化が困難になる。

そこで、本発明は、電極の集電構造を改善することにより、燃料電池の小型化および軽量化が可能な燃料電池用発電素子およびそれを用いた小型・軽量の燃料電池を提供するものである。

本発明の燃料電池は、酸素を還元する正極と、燃料を酸化する負極と、前記正極と前記負極との間に配置された固体電解質とを備えた複数の燃料電池用発電素子を備えた燃料電池であって、前記正極および前記負極が、触媒担持カーボンと固体高分子電解質とを含み、前記正極および前記負極が、それぞれ、その内部に集電体を含み、前記集電体の厚さが、１０μｍ以上１００μｍ以下であり、前記複数の燃料電池用発電素子は、同一平面上に配置され、隣接する前記燃料電池用発電素子の集電体が電気的に接続されており、前記正極の集電体が酸素を透過する開孔を有し、前記負極の集電体が燃料を透過する開孔を有することを特徴とする。

本発明の燃料電池用発電素子は、外部から強い押圧を加えなくても、十分な集電が可能となる。従って、本発明の燃料電池用発電素子を用いた燃料電池は、セルの締め付け治具が不要となるため小型化することができる。また、セルに強い圧力が加わらないため、従来より強度の低い軽量材料が使用でき、燃料電池を軽量化することができる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。

先ず、本発明の燃料電池用発電素子の実施の形態について説明する。本発明の燃料電池用発電素子の一例は、酸素を還元する正極と、燃料を酸化する負極と、上記正極と上記負極との間に配置された固体電解質とを備えた燃料電池用発電素子であって、上記正極および上記負極はその内部に集電体を含み、上記正極の集電体は酸素を透過する開孔を有し、上記負極の集電体は燃料を透過する開孔を有することを特徴とする。

正極および負極が、その内部に集電体を含むことにより、燃料電池用発電素子に大きな圧力を加えなくても集電が可能となる。また、集電体が開孔を有することにより、酸素や燃料の供給を妨げず、反応生成物の排出も容易となる。

また、上記正極および上記負極はシート状に形成され、上記集電体は上記正極および上記負極の端部から外部に導出していることが好ましい。これにより、電極に圧力を加えなくても確実に集電することができる。

また、上記集電体は、上記固体電解質に対して耐蝕性を有する材料により被覆されていることが好ましい。これにより、集電体の耐久性を向上できる。

次に、本発明の燃料電池の実施の形態について説明する。本発明の燃料電池の一例は、上記で説明した燃料電池用発電素子を用いたことを特徴とする。

圧力を加えなくても集電が可能な上記燃料電池用発電素子を用いることにより、セルの締め付け治具が不要となるため、燃料電池を小型化することができる。また、セルに強い圧力が加わらないため、従来より強度の低い軽量材料が使用可能となり、燃料電池を軽量化することができる。

また、本実施形態の燃料電池は、上記燃料電池用発電素子を同一平面上に複数配置し、隣接する上記燃料電池用発電素子の集電体を電気的に接続することが好ましい。これにより、正極は外部の大気から直接酸素を取り入れることができるため、酸素供給のための補器が不要となり、また、負極は燃料の供給を受ける燃料貯蔵部を各負極で共有できるため、燃料電池全体を小型化、軽量化できる。

次に、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

（実施形態１）
図１は、本発明の燃料電池用発電素子の一例を示す断面図である。図１において、燃料電池用発電素子１は、酸素を還元するシート状の正極２と、燃料を酸化するシート状の負極３と、正極２と負極３との間に配置された固体電解質膜４とを備えている。正極２は、その内部に酸素を透過する開孔５を有するシート状の集電体６を備えている。また、負極３は、その内部に燃料を透過する開孔７を有するシート状の集電体８を備えている。また、集電体６、８は、電極からその一部が露出しており、その端部は集電リード線９と接続されている。

負極３は、触媒、導電性材料、固体高分子電解質などから構成される。負極３に含まれる触媒としては、燃料からプロトンを生成する機能、即ち燃料を電気化学的に酸化する機能を有するものが使用でき、例えば、白金微粒子単独や、白金とルテニウム、インジウム、イリジウム、錫、鉄、チタン、金、銀、クロム、ケイ素、亜鉛、マンガン、モリブデン、タングステン、レニウム、アルミニウム、鉛、パラジウム、オスミウムなどとの合金微粒子などが用いられる。導電性材料としては、主として炭素材料が用いられ、例えば、カーボンブラック、活性炭、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーンなどが用いられる。一般的には、導電性材料の表面に、上記触媒を分散担持させた触媒担持カーボンの状態で用いられる。また、固体高分子電解質としては、プロトン伝導性のみを有する材料、またはプロトン伝導性と電子伝導性を併せ持つ材料が使用される。

上記プロトン伝導性の材料としては、例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂、スルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂、スルホン化ポリイミド樹脂、スチレン−ジビニルベンゼンスルホン酸樹脂などが挙げられる。また、プロトン伝導性と電子伝導性を併せ持つ材料としては、プロトン伝導性と電子伝導性とを有する高分子材料、または電子伝導性の高分子材料と上記プロトン伝導性の高分子材料との混合材料などを用いることができる。プロトン伝導性と電子伝導性とを有する高分子材料としては、例えば、(アルキル)スルホン化ポリアニリン、(アルキル)スルホン化ポリピロール、(アルキル)スルホン化ポリチオフェン、(アルキル)スルホン化ポリｐ−フェニレン、(アルキル)スルホン化ポリフランなどが挙げられる。また、電子伝導性の高分子材料としては、例えば、ポリアニリン、アルキルポリアニリン、アルキルポリピロール、アルキルポリチオフェン、アルキルポリｐ−フェニレン、アルキルポリフランなどが挙げられる。

負極３の厚さは、１０μｍ以上が好ましい。１０μｍ未満では負極中でバインダとしても機能する固体高分子電解質の量が少なくなり、固体電解質膜４との接合性が低下するからである。また、負極３の厚さは、３００μｍ以下が好ましく、より好ましくは１５０μｍ以下である。３００μｍを超えると、燃料が反応して生成した二酸化炭素などの不要ガスが電極内から脱離しにくくなり、また新たな燃料の電極内への拡散を阻害する可能性もあるからである。

正極２も、触媒、導電性材料、固体高分子電解質などから構成することができる。正極２に含まれる触媒としては、酸素を電気化学的に還元する機能を有するものが使用でき、例えば、白金微粒子や、鉄、ニッケル、コバルト、錫、ルテニウム、金などと白金との合金微粒子などが用いられる。また、導電性材料および固体高分子電解質については、前述の負極と同様のものが使用できる。

正極２の厚さは、１０μｍ以上が好ましい。１０μｍ未満では正極中でバインダとしても機能する固体高分子電解質の量が少なくなり、固体電解質膜４との接合性が低下するからである。また、正極２の厚さは、３００μｍ以下が好ましく、より好ましくは１５０μｍ以下である。３００μｍを超えると、電極反応により生成した水が電極内から脱離しにくくなり、また新たな酸素の電極内への拡散を阻害する可能性もあるからである。

正極２と負極３との間に配置される固体電解質膜４としては、電子伝導性を持たず、プロトン伝導性のみを有する高分子材料により構成することができる。例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂膜、具体的には、デュポン社製の“ナフィオン”（商品名）、旭硝子社製の“フレミオン”（商品名）、旭化成工業社製の“アシプレックス”（商品名）などの膜を使用できる。その他では、スルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂膜、スルホン化ポリイミド樹脂膜、硫酸ドープポリベンズイミダゾール膜、固体電解質として知られているリン酸ドープＳｉＯ₂膜、高分子と固体電解質のハイブリッド膜、または高分子および酸化物に酸性溶液を含浸させたゲル電解質膜などが挙げられる。

正極２および負極３の電極層に埋め込まれている集電体６、８の材料は、酸性の固体高分子電解質に対して耐蝕性を持ち、電子伝導性を有する材料であれば、特にその種類は限定されるものではない。例えば、ステンレス鋼などの耐蝕性金属、白金、金などの貴金属などを用いることができる。

さらに、固体高分子電解質に対して耐蝕性を持たない材料であっても、固体高分子電解質に対して耐蝕性を持つ材料を被覆することで、上記集電体の材料として用いることができる。被覆する材料としては、例えば、金、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウムなどの貴金属、または炭素などを用いることができる。耐食性材料を被覆した集電体の材料としては、例えば、金メッキを施した銅、ニッケル、ステンレス鋼、あるいはステンレス鋼にチタンを被覆した上にさらに炭素を被覆した材料などを用いることができる。

上記集電体に被覆する材料が導電性を有する場合、被覆される材料は必ずしも導電性を有する材料に限定されない。例えば、穿孔された樹脂板、樹脂布などに導電性を有する上記被覆材料を被覆したものを用いることができる。

正極２の集電体６はシート状に形成され、酸素を透過する開孔５を備えている。また、負極３の集電体８もシート状に形成され、燃料を透過する開孔７を備えている。集電体６、８は、例えば、エキスパンドメタル、パンチングメタル、金属発泡体、または金属網などを用いることができる。特に、エキスパンドメタルおよび金属発泡体は、高い導電性が得られることから、好適に用いることができる。

集電体６、８は、電極の全面に埋め込まれていることが好ましい。電極中の導電性材料に比べて集電体の方が導電性に優れているため、全面に埋め込むことで一層電気抵抗が小さくなり、出力特性の向上を図れるからである。

集電体６は、正極２の端部から外部に導出されて集電リード線９に接続されている。また、集電体８は、負極３の端部から外部に導出されて集電リード線９に接続されている。このように、集電体６、８から直接集電を行うことにより、容易に外部へ電気を取り出すことができる。これにより、従来の固体高分子型燃料電池のような集電体を強い力で押さえつけて集電する必要が無くなり、電池の小型化が容易になる。

集電体６、８の厚さは、１０μｍ以上が好ましく、さらに好ましくは３０μｍ以上であり、且つ１００μｍ以下が好ましい。１０μｍ未満では薄すぎて集電体の強度が不足し、燃料電池用発電素子１の作製が困難になる。また、１００μｍを超えると厚すぎて集電体の柔軟性が不足し、集電体および電極と固体高分子電解質膜とが剥離しやすく、さらに短絡も発生しやすくなる。

本実施形態では、電極面に集電体を押しつけて集電を行わないため、従来の固体高分子型燃料電池で用いられていた導電性の拡散層は必ずしも必要ではない。拡散層を用いる場合でも、電極面から集電する必要がないため、拡散層の材料として従来の導電性の多孔性材料に加えて、絶縁性の多孔性材料を用いることができる。例えば、電極表面に撥水性樹脂層、撥水性多孔質膜などを形成することにより、拡散層の機能を付与することができる。

（実施形態２）
図２は、本発明の燃料電池の各部品を結合する前の一例を示す断面図である。正極２、負極３、固体電解質膜４、および集電体６、８は、実施形態１で説明したものを使用することができる。正極２、負極３および固体電解質膜４は、正極支持板１０と負極支持板１１との間に積層されて配置されている。正極支持板１０には酸素流入孔１２が設けられ、負極支持板１１には燃料供給孔１３が設けられている。また、負極支持板１１の下部には、燃料１４を貯蔵する燃料タンク１５が配置されている。なお、１６はシール材である。

上記燃料１４としては、例えばメタノール、水素、エタノール、イソプロパノール、ジメチルエーテル、シクロヘキサンなどを用いることができる。

本実施形態の燃料電池は、正極支持板１０および負極支持板１１を電極面に強く押圧しなくても集電が可能であるため、正極支持板１０および負極支持板１１の強度を高める必要がない。このため、電極支持板の材料として、高強度の鋼板などの代わりに、樹脂製の薄い板を用いることができるため、燃料電池の軽量化が図れる。さらに、押圧するための治具も不要となり、燃料電池の小型化および軽量化が図れる。

（実施形態３）
図３は、実施形態１の燃料電池用発電素子を用いて平面型燃料電池の各部品を結合する前の一例を示す断面図である。本実施形態では、実施形態１で説明した燃料電池用発電素子を同一平面上に５個配置して相互に電気的に接続して平面型燃料電池を形成するものである。

本実施形態でも、実施形態２と同様の理由により、燃料電池の小型化および軽量化を図ることができる。

次に、本発明を実施例に基づき具体的に説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
以下のようにして、図１と同様の構造の燃料電池用発電素子を作製した。

先ず、正極用ペーストを以下のようにして作製した。触媒として白金を５０質量％担持させた田中貴金属工業社製の白金担持カーボン“１０Ｅ５０Ｅ”（商品名）１質量部を、固体高分子電解質であるポリパーフルオロスルホン酸樹脂の５質量％溶液であるアルドリッチ（Ａｌｄｒｉｃｈ）社製の“ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）”（商品名）溶液１２質量部および水１質量部に添加し、均一に分散するよう混合液を充分に攪拌して正極用ペーストを調製した。

次に、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）フィルムを準備し、その上に、上記正極用ペーストを塗布して乾燥し、触媒担持量１ｍｇ／ｃｍ²、厚さ３５μｍの正極シートを得た。この正極シートを所定のサイズに切り出して以下の工程に用いた。

上記工程で得た正極シートの上に、厚さ３０μｍのステンレス鋼からなる開孔率４０％のエキスパンドメタルを集電体６として載置し、その端部をＰＴＦＥフィルムでマスキングした。その後、上記正極用ペーストを上記エキスパンドメタルの上に塗布して乾燥し、触媒担持量３ｍｇ／ｃｍ²、厚さ１００μｍの正極２を得た。

負極については、触媒として白金とルテニウムの合金（合金質量比１：１）を３３質量％担持させた田中貴金属工業社製の白金・ルテニウム合金担持カーボン“６１Ｖ３３”（商品名）を用いた以外は、上記正極と同様の方法で触媒担持量５ｍｇ／ｃｍ²、厚さ１５０μｍの負極３を得た。

固体電解質膜４としては、デュポン（ＤｕＰｏｎｔ）社製のポリパーフルオロスルホン酸樹脂膜“Ｎａｆｉｏｎ１１２”（商品名）を所定のサイズに切り出して用いた。

続いて、この固体電解質膜４の両面に、先に作製した正極１と負極２とを重ね合わせ、温度１６０℃、圧力４．４ＭＰａの条件でホットプレスを行い、これらを接合した。その後、両面のＰＴＦＥフィルムおよび端部のマスキングを剥がし、正極１および負極２の端部にそれぞれニッケル製の集電リード線９を溶接して、実施例１の燃料電池用発電素子を得た。

（実施例２）
集電体の厚さを１０μｍ、正極および負極の厚さをそれぞれ１０μｍとした以外は、実施例１と同様にして実施例２の燃料電池用発電素子を作製した。

（実施例３）
集電体の厚さを３０μｍ、正極および負極の厚さをそれぞれ３００μｍとした以外は、実施例１と同様にして実施例３の燃料電池用発電素子を作製した。

（実施例４）
集電体の厚さを１００μｍとした以外は、実施例１と同様にして実施例４の燃料電池用発電素子を作製した。

（実施例５）
集電体に厚さ３μｍの金をめっきした以外は、実施例１と同様にして実施例５の燃料電池用発電素子を作製した。

（比較例１）
正極および負極の中に集電体を埋め込まず、その代わりに、固体電解質膜とは反対側の正極および負極の表面に拡散層を配置した以外は、実施例１と同様にして比較例１の燃料電池用発電素子を作製した。拡散層としては、厚さ２００μｍの多孔性カーボンペーパーを用いた。

上記実施例１〜５の燃料電池用発電素子を用いて、図２と同様の構造の燃料電池を作製した。正極支持板１０および負極支持板１１としては、厚さ２ｍｍのナイロン樹脂板を用い、シール材１６としては、シリコーンゴム板を用いた。燃料タンク１５は、ポリプロピレン樹脂製のものを用いた。また、燃料１４としては、１５質量％のメタノール水溶液を用いた。さらに、シール材１６を押圧して燃料が漏れないようにするために、セル全体をＭ３のネジを２０ｍｍピッチで配置して加圧した。

また、上記比較例１の燃料電池用発電素子を用いて、図４と同様の構造の燃料電池を作製した。正極支持板２８および負極支持板２９としては、厚さ４ｍｍのステンレス鋼板を用い、シール材３４としては、シリコーンゴム板を用いた。燃料タンク３３は、ポリプロピレン樹脂製のものを用いた。また、液体燃料３２としては、１５質量％のメタノール水溶液を用いた。さらに、正極支持板２８と正極２１、および負極支持板２９と負極２４を強く押圧して接触させることにより、正極２１および負極２４から集電するために、Ｍ３のネジを１０ｍｍピッチで配置して加圧した。

上記で作製した燃料電池を、セル温度を２５℃で放電させ、最大出力密度を測定した。その結果を表１に示す。

表１から明らかなように、実施例１〜５および比較例１ではほぼ良好な最大出力密度を得ることができた。実施例１〜５の中で最大出力密度に差があるのは、電極中の触媒量、電極厚さによる燃料および酸素の拡散への影響などが原因と考えられる。

次に、実施例１〜５の燃料電池と比較例１の燃料電池の電池質量および電極の積層方向の電池厚さを測定した。質量測定は、液体燃料を全て排出して行った。その結果を表２に示す。

表２から明らかなように、実施例１〜５の燃料電池は、比較例１の燃料電池に比べて小型化および軽量化がされていることが分かる。これは、実施例１〜５の燃料電池では、燃料電池用発電素子を大きな圧力で押圧する必要がないため、比較例１の燃料電池に比べて、加圧用のネジが少なくてすみ、また電極支持板もより軽量で薄いものが使用できたからである。

（実施例６）
実施例１の燃料電池用発電素子を５個使用し、図３と同様の構造の平面型燃料電池を作製した。正極支持板１０および負極支持板１１としては、厚さ２ｍｍのナイロン樹脂板を用い、シール材１６としては、シリコーンゴム板を用いた。燃料タンク１５は、ポリプロピレン樹脂製のものを用いた。また、燃料１４としては、１５質量％のメタノール水溶液を用いた。さらに、シール材１６を押圧して燃料が漏れないようにするために、セル全体をＭ３のネジを２０ｍｍピッチで配置して加圧した。

上記で作製した平面型燃料電池を、セル温度を２５℃で放電させ、最大出力密度を測定した。その結果、２５ｍＷ／ｃｍ²の最大出力密度が得られ、平面型燃料電池としも機能することが確認できた。

このように本発明は、電極内に埋め込んだ集電体から直接集電することにより、従来の固体高分子型燃料電池のような強い力で電極面を押さえつけることなく、良好な出力特性を有する燃料電池を提供することができる。また、本発明の燃料電池の小型化、軽量化の効果は、平面型燃料電池において特に大きい。

以上説明したように本発明の燃料電池用発電素子を用いた燃料電池は、大きな圧力で押圧しなくても集電が可能であるため、従来の燃料電池に比べて小型化および軽量化することができる。このため、この燃料電池をパソコン、携帯電話などのコードレス機器の電源に使用することで、コードレス機器の小型化、軽量化を図ることができる。

本発明の燃料電池用発電素子の一例を示す断面図である。本発明の燃料電池の各部品を結合する前の一例を示す断面図である。実施形態１の燃料電池用発電素子を用いて平面型燃料電池の各部品を結合する前の一例を示す断面図である。従来の燃料電池の各部品を結合する前の一例を示す断面図である。

符号の説明

１燃料電池用発電素子
２正極
３負極
４固体電解質膜
５開孔
６集電体
７開孔
８集電体
９集電リード線
１０正極支持板
１１負極支持板
１２酸素流入孔
１３燃料供給孔
１４燃料
１５燃料タンク
１６シール材
２１正極
２２拡散層
２３触媒層
２４負極
２５拡散層
２６触媒層
２７固体電解質膜
２８正極支持板
２９負極支持板
３０酸素流入孔
３１燃料供給孔
３２液体燃料
３３燃料タンク
３４シール材

Claims

酸素を還元する正極と、燃料を酸化する負極と、前記正極と前記負極との間に配置された固体電解質とを備えた複数の燃料電池用発電素子を備えた燃料電池であって、
前記正極および前記負極が、触媒担持カーボンと固体高分子電解質とを含み、
前記正極および前記負極が、それぞれ、その内部に集電体を含み、
前記集電体の厚さが、１０μｍ以上１００μｍ以下であり、
前記複数の燃料電池用発電素子は、同一平面上に配置され、隣接する前記燃料電池用発電素子の集電体が電気的に接続されており、
前記正極の集電体が酸素を透過する開孔を有し、前記負極の集電体が燃料を透過する開孔を有することを特徴とする燃料電池。
前記正極および前記負極がシート状に形成され、前記集電体が前記正極および前記負極の端部から外部に導出している請求項１に記載の燃料電池。
前記集電体が、エキスパンドメタル、金属発泡体、パンチングメタル、および金属網から選ばれるいずれか一つからなる請求項１または２に記載の燃料電池。
前記集電体が、前記固体電解質に対して耐蝕性を有する材料により被覆されている請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
前記正極および前記負極の厚さが、１０μｍ以上３００μｍ以下である請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池。