JP5201398B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、水素発生剤と水分の反応により発生する水素を、発電セルに供給して発電を行う燃料電池に関し、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。

特に、ノートパソコンや携帯電話のような携帯機器に使用する場合に、携帯性あるいは小型化を維持できるような構造が望まれる。このため、燃料電池を構成するためには、発電セルや燃料ガス発生部などの各部を効率よく配置する必要がある。

携帯性あるいは小型化した燃料電池は、本出願人による下記特許文献１により公知である。この燃料電池は、本体部の外観を形成し、少なくとも異方向に臨ませてなる壁面部から構成される本体部ケースと、壁面部に沿って配置される支持基板と、この支持基板に搭載される発電用の単位セル（発電セル）と、この発電セルに供給する水素ガス等の燃料ガスを発生する燃料ガス発生部とを備えている。

この燃料電池では、単位セルが燃料ガスの流路を備え、複数の単位セルの燃料ガス流路どうしが、パイプで接続されている。また、本体部ケースの内部空間に、燃料ガス発生ユニットを配置する点が開示されている。

しかし、上記の燃料電池のように、複数の単位セルをパイプで接続する構造では、配管のためのスペースが無駄となり、燃料電池を小型化するには限界があった。また、燃料ガス発生ユニットが独立した構造であるため、筐体や供給のための配管が必要となり、燃料ガス発生剤を収容するスペースが狭くなるという問題もあった。

一方、下記の特許文献２には、単位セルをスタックした構造体を形成する際に、単位セルの集電体（電極）面に多孔板を介して燃料ガスを供給できるように構成した燃料電池が開示されている。この燃料電池では、その外部に燃料ガスの供給源が配置されており、パイプ等を介して、裏表に多孔板を有する偏平函状の燃料供給部と接続するようにしている。

また、下記の特許文献３には、容器内の第１室に収容された水と、第２室に収容された水素化物とを含み、第１室と第２室とを仕切る隔壁の開口を覆うように配置された撥水性多孔体を設けた水素発生装置が開示されている。更に、隔壁の開口に対してその開閉を行う開閉部材を設ける点が開示されている。
実用新案登録第３１１４１４８号公報 特開２００３−２８２１３１号公報 特開２００４−２６９３２３号公報

しかしながら、特許文献２の燃料電池では、単位セルをスタックした構造体であるため、その内部に燃料ガス供給源を設けることができず、また、偏平函状の燃料供給部が複数必要になるため、それらに接続するための配管も複数必要になり、配管スペースの点からも、全体を小型化するには限界があった。

一方、特許文献３の水素発生装置は、発電セルを一体に構成するものではなく、上記と同様に発電セルに水素ガスを供給するための配管スペース等の問題があり、また、隔壁に撥水性多孔体を設ける構造のため、隔壁の面積を大きくする必要があり、小型化するのに限界があった。更に、開閉部材で隔壁の開口を閉塞させても撥水性多孔体の表面付近に水が残存する構造であるため、水素発生を停止させるのに時間がかかるという問題もあった。

そこで、本発明の目的は、配管スペース等を極力少なくし、スペース効率を高めることで、更なる小型化を可能にした燃料電池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、一方の表面から水素が供給され、他方の表面から酸素が供給されることで発電を行なう発電セルと、その発電セルの前記一方の表面に対向する内部空間を形成する内部空間形成部材と、その内部空間の一部に配置され、水蒸気と反応して水素を発生する水素発生剤と、前記内部空間の残部に設けられ、水を溜める貯水部と、前記水素発生剤を包囲し、少なくとも一部が疎水性多孔質膜で形成されている包装材と、を備えることを特徴とする。

本発明の燃料電池によると、貯水部から生じる水蒸気が疎水性多孔質膜を介して水素発生剤に供給され、反応により発生した水素ガスが疎水性多孔質膜を介して内部空間に放出される。この水素が、発電セルの一方の表面から供給され、他方の表面から空気中の酸素が供給されるため、発電セルへの配管等を使用せずに発電を行うことができる。また、内部空間に貯水部と水素発生部を配置でき、水素発生部が包装材によりパッケージ化されているため、別途隔壁等を設ける必要がなく、省スペース化を図ることができる。なお、水素発生剤をパッケージ化することで、消耗品である水素発生剤の交換が容易になり、また、疎水性多孔質膜が隔壁として機能するため、水（液体）が直接に水素発生剤に接触せず、安定した水素発生を行うことができる。その結果、配管スペース等を極力少なくし、スペース効率を高めることで、更なる小型化を可能にした燃料電池を提供することができた。

上記において、前記貯水部と前記包装材との間には間隙を有しており、前記貯水部とは間隙を開けて、外部から仕切部材を開閉できる開閉機構を設けてあることが好ましい。水を液体で供給する場合、供給を停止しても、水素発生が停止するまでの時間が長かったが、本発明のように、水蒸気を供給する場合、開閉機構を設けて供給を停止すると、より短時間で水素発生を停止させることができる。その際、包装材と貯水部とが間隙を開けているため、仕切部材を閉じた際に疎水性多孔質膜の表面付近に水が残存せず、水素発生の停止までの時間をより短縮することができる。

また、前記水素発生剤は、水素化金属化合物を樹脂で包埋したものであることが好ましい。樹脂で包埋することにより、水素化金属化合物をそのまま使用する場合に比べて、初期の水素発生速度を緩やかにすることができ、全体としてより安定な水素発生を行うことができる。また、万が一、疎水性多孔質膜の破損等により、水が水素発生剤に接触した場合でも、樹脂で包埋したものでは発熱や発火等の危険を回避することができる。

また、前記貯水部は、保水材により水を保持するものであることが好ましい。これにより使用する姿勢が変化しても一定の場所に水が留まるため、より安定した水素発生を行うことができる。

本発明に係る燃料電池の好適な実施形態について、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）平面図、（ｂ）は正面視断面図である。図２は、本発明における発電セルの一例を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）はそのＩ−Ｉ矢視断面図、（ｃ）はそのＩＩ−ＩＩ矢視断面図である。

＜燃料電池の全体構成＞
本発明の燃料電池は、図１に示すように、一方の表面から水素が供給され、他方の表面から酸素が供給されることで発電を行なう発電セルＦＣと、その発電セルＦＣの前記一方の表面に対向する内部空間ＩＳを形成する内部空間形成部材３１と、その内部空間ＩＳの一部に配置され、水蒸気と反応して水素を発生する水素発生剤３２と、前記内部空間の残部に設けられ、水を溜める貯水部３３とを備える。

本発明では、水素発生剤３２は、少なくとも一部が疎水性多孔質膜３４ａで形成されている包装材３４で包囲されている。本実施形態では、包装材３４の全体が疎水性多孔質膜３４ａで形成されている例を示す。

内部空間形成部材３１は、発電セルＦＣと略同じ形状の底板３１ｂとその周囲の側壁３１ａとを有しており、発電セルＦＣと共に内部空間ＩＳを形成する。内部空間ＩＳは密閉されていてもよいが、過剰に発生した水素をリークさせるための開孔や隙間等を有していてもよい。

貯水部３３は、水を溜めることができればよく、単に凹部（容器状部）に水を溜める構造や、凹部無しに内部空間形成部材３１の何れかの位置に水を溜める構造でもよいが、本発明では、使用する姿勢が変化しても一定の場所に水が留まるように、保水材により水を保持するものであることが好ましい。なお、保水材を使用する場合、上面以外からも水の蒸発が生じるため、水蒸気の発生速度が向上するという利点もある。つまり、貯水部３３は、内部空間ＩＳに対して露出面積が大きいほど、水素発生速度を高める上で好ましい。

保水材としては、水が含浸可能なものであれば何れでもよいが、スポンジ、吸水性樹脂、脱脂綿、吸水性不織布、吸水紙などが好ましい。保水材は、固定しなくてもよいが、接着等によって内部空間形成部材３１に固定するか、内部空間形成部材３１と発電セルＦＣとに挟持するのが好ましい。

貯水部３３は、水素発生剤３２の周囲、一辺、二辺、三辺などに沿って設けることができるが、開閉機構３５を設ける上で、水素発生剤３２と間隔を開けて設けるのが好ましい。本実施形態では、保水材が内部空間ＩＳの一辺に沿って、水素発生剤３２と間隔を開けて設けられている例を示す。

本発明では、図１に示すように、貯水部３３と包装材３４（又は水素発生剤３２）との間には間隙を有しており、貯水部３３とは間隙を開けて、外部から仕切部材３５ａを開閉できる開閉機構３５を設けてあることが好ましい。本実施形態では、板状の仕切部材３５ａを回転自在に内部空間形成部材３１の側壁３１ａに支持させ、外部に設けたツマミ３５ｂで開閉できる例を示す。

仕切部材３５ａが内部空間形成部材３１等と当接する端辺には、シール性を高める観点から、ゴム等の弾性材料を設けることが好ましい。

貯水部３３への給水や、水素発生剤３２の交換は、内部空間ＩＳを開放した状態で行うことができる。例えば、発電セルＦＣを内部空間形成部材３１に対して着脱自在としたり、内部空間形成部材３１の側壁３１ａの何れかを開閉可能にすることで、内部空間ＩＳを開放することができる。着脱自在にするための構造については、嵌合、係合、ネジ締結など、公知の構造を用いることができる。なお、貯水部３３への給水孔を設けて、順次吸水を行うことも可能である。

＜燃料電池の全体構成の別実施形態＞
（１）図４（ａ）に示すように、貯水部３３は、容器状に形成することができ、また保水材を省略することも可能である。この例では、内部空間形成部材３１の一部となる容器部３１ｃが、底板３１ｂの開口に対して着脱自在に構成されている。発電を行わないときは、底板３１ｂに対して着脱自在なキャップによって、開口が塞がれる。

（２）図４（ｂ）に示すように、貯水部３３は、凹部無しに内部空間形成部材３１の何れかの位置に水を溜める構造でもよい。この場合、水が発電セルＦＣに流入しないように、発電セルＦＣの表面に、疎水性多孔質膜３４ａを設けるのが好ましい。疎水性多孔質膜３４ａとしては、後述する包装材として使用できるものが挙げられる。

（３）図４（ｃ）に示すように、貯水部３３を、内部空間形成部材３１の底板３１ｂに沿って設けたシート状の保水材により構成してもよい。その場合の保水材としては、吸水性不織布、吸水性織布、吸水紙（濾紙）などが好ましい。

（４）開閉機構３５は、仕切部材３５ａを回転させる回転式に限らず、仕切部材３５ａをスライドさせるスライド式、着脱式など、何れでもよい。

＜水素発生剤＞
本発明における水素発生剤３２は、水蒸気と反応して水素を発生するものであれば何れでもよく、金属、水素化金属化合物、両者の混合物などが挙げられる。これらの水素発生剤３２は、その単独粒子で使用してもよく、必要に応じて、触媒成分、アルカリ性無機化合物、凝集抑制粒子を更に含有したものを使用することができる。本発明では、前述の理由より、水素化金属化合物を樹脂で包埋したシート状物や粉砕物が好ましい。樹脂で包埋する場合、水蒸気との反応性の観点から、多孔質体であることが好ましい。

なお、金属としては、アルミニウム粒子、鉄粒子、マグネシウム粒子などが挙げられる。また、金属触媒としては、ニッケル、バナジウム、マンガン、チタン、銅、銀、亜鉛、ジルコニウム、コバルト、クロム、カルシウム、これらの合金等が挙げられる。

水素化金属化合物としては、水素化カルシウム、水素化リチウム、水素化カリウム、水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素カリウム、水素化リチウムアルミニウム、水素化アルミニウムナトリウム、又は水素化マグネシウムなどが挙げられる。これらの化合物等は、いずれも水と急激に又は爆発的に反応して水素ガスを発生することが知られており、いずれも水素化マグネシウム以上の水との反応性を示す。

また、上記化合物以外の水素発生剤として、アルミニウム、鉄、マグネシウム、カルシウム等の金属、上記以外の金属水素錯化合物などを含有してもよい。水素化金属化合物、金属、金属水素錯化合物は、何れかを複数組み合わせて使用することもでき、また、それぞれを組み合わせて使用することも可能である。化合物を併用する場合、気泡による多孔質化を促進し易い化合物を含むことが好ましい。このような化合物としては、水素化カルシウムが特に好ましい。

粒状の水素発生剤の平均粒径は、多孔体中への分散性や反応性を制御する観点から、１〜２００μｍが好ましく、６〜３０μｍがより好ましく、８〜１０μｍが更に好ましい。

樹脂で包埋する場合の水素発生剤の含有量は、適度な反応性とある程度の水素発生量を確保する観点から、多孔体中、１０〜８０重量％が好ましく、３０〜７０重量％が好ましい。

用いられる樹脂としては、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、熱硬化性樹脂が好ましい。なお、熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン、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。また、耐熱性樹脂としては、芳香族系のポリイミド、ポリアミド、ポリエステルなどが挙げられる。

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、水素発生反応中に多孔質構造を適度に維持できる観点から、エポキシ樹脂が好ましい。

樹脂が非多孔質又は開孔率の小さい多孔質である場合、水溶性樹脂や吸水性樹脂を主に使用するのが好ましい。水溶性樹脂としては、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコール、ポリエチレンオキシド等が挙げられる。吸水性樹脂としては、アクリル酸塩重合体の架橋物、ビニルアルコール−アクリル酸塩共重合体の架橋物、無水マレイン酸グラフトポリビニルアルコールの架橋物、アクリル酸塩−メタアクリル酸塩共重合体の架橋物、アクリル酸メチル−酢酸ビニル重合体のケン化物の架橋物、デンプン−アクリル酸塩グラフト共重合体の架橋物、デンプン−アクリロニトリル共重合体の加水分解物の架橋物、デンプン−アクリル酸エチルグラフト共重合体のケン化物の架橋物、カルボキシメチルセルロース架橋物等を挙げることができる。

樹脂の含有量は、適度な保形性とある程度の水素発生量を確保する観点から、多孔体中、２０〜９０重量％が好ましく、３０〜７０重量％が好ましい。

樹脂中には、上記の成分以外の任意成分として、触媒、充填材、発泡剤などのその他の成分を含有してもよい。触媒としては、水素発生剤用の金属触媒の他、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化カルシウムなどのアルカリ化合物も有効である。

発泡剤としては、未硬化の熱硬化性樹脂に相分離・分散して、熱硬化性樹脂の反応温度で気化する液体が挙げられる。また、水素発生剤と反応して水素ガスを発生させる反応液を、未硬化の熱硬化性樹脂に微量添加しておくことも可能である。このような反応液としては、水、酸水溶液、アルカリ水溶液などが挙げられる。

本発明では気泡により多孔質化された構造を有する場合が好ましい。多孔質化のための気泡は、発泡剤により生成するものでもよいが、水素発生剤から発生した水素ガスであることが好ましい。

つまり、多孔質体は、粒状の水素発生剤と未硬化の熱硬化性樹脂とを混合した後、これを吸水性シートに塗布し、前記水素発生剤から水素ガスを発生させつつ熱硬化性樹脂を硬化させる工程を含む製法により製造されることが好ましい。

多孔質体は、密度が０．１〜１．２ｇ／ｃｍ^３であることが好ましく、０．２〜０．９ｇ／ｃｍ^３であることがより好ましく、０．３〜０．５ｇ／ｃｍ^３であることが更に好ましい。この範囲の密度を有することで、反応液の浸透性が適度になり、取扱い性もより良好になる。このような密度は、例えば、水素ガスの発生量でコントロールすることが可能である。

また、水素発生用多孔体の気泡径は、反応液の浸透性を適度に制御する観点から、直径０．１〜２ｍｍが好ましく、直径０．５〜１ｍｍがより好ましい。このような気泡径は、例えば、水素ガスの発生量でコントロールすることが可能である。また、気泡径や密度をコントロールするために、加圧条件下で熱硬化性樹脂の硬化を行ってもよい。

水素発生剤から水素ガスを発生させるには、予め未硬化の熱硬化性樹脂に反応液を微量添加しておく方法や、未硬化の熱硬化性樹脂に含まれる反応液を利用する方法も可能であるが、硬化反応のための加熱により、水素発生剤（水素化金属化合物の場合）から水素ガスを脱離させる方法が好ましい。

水素発生剤から水素ガスを脱離させる際の温度は、水素化金属化合物の種類によっても異なるが、５０〜２５０℃が好ましく、８０〜２００℃がより好ましい。つまり、未硬化の熱硬化性樹脂の硬化温度として、この範囲の温度を選択することが好ましい。なお、水素ガスの発生温度と硬化温度とを変えることも可能である。

硬化して得られるシート状多孔質体の厚みは、水等を十分かつ均一に浸透させて均一な反応を行う観点から、０．１〜１０ｍｍが好ましく、０．５〜２ｍｍがより好ましい。

本発明における水素発生剤３２は、少なくとも一部が疎水性多孔質膜３４ａで形成されている包装材３４で包囲されている。この疎水性多孔質膜３４ａを介して水蒸気が流入することで、水素ガスが発生するが、その際の水素発生速度は、疎水性多孔質膜３４ａの面積や開孔率で調整することが可能である。

包装材３４（又は水素発生剤３２）は、内部空間形成部材３１に固定しなくてもよいが、接着等によって内部空間形成部材３１に固定するか、内部空間形成部材３１と発電セルＦＣとに挟持するのが好ましい。

疎水性多孔質膜３４ａは、水を透過させずに、水蒸気及び水素ガスを透過させることができる。従って、疎水性多孔質膜３４ａの孔径としては、０．１〜１０μｍが好ましい。０．５〜５μｍがより好ましい。疎水性多孔質膜３４ａの厚みは、十分な通気性とある程度の強度を付与する観点から、１０〜５００μｍが好ましく、５０〜２００μｍがより好ましい。

疎水性多孔質膜３４ａの材質としては、フッ素系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ポリエーテルサルホン、ポリスルホンなどが挙げられる。なかでも、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂や、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂が好ましい。

包装材３４のうち、疎水性多孔質膜３４ａ以外の部分については、上記と同様の材料からなるフィルム、シート、ケース等が使用できる。但し、本発明では、包装材３４の全体が疎水性多孔質膜３４ａで形成されているのが好ましい。

包装材３４（又は疎水性多孔質膜３４ａ）は袋状に形成するのが好ましく、内部に水素発生剤３２を導入した後、開口が封止される。封止の方法としては、熱融着、接着剤による接着などが挙げられる。図示した例では、２枚の疎水性多孔質膜３４ａの４辺が熱融着により封止されている。

＜発電セル＞
本実施形態の発電セルＦＣは、図２に示すように、複数の単位セルＣを備え、何れかの単位セルＣ１と他の単位セルＣ２の導電層同士を、接続部により電気的に接続している。これ例では、単位セルＣ１の第１導電層（第１金属層４）と、単位セルＣ２の第２導電層（第２金属層５）とを電気的に接続（直列接続）する例を示すが、何れかの単位セルＣ１と他の単位セルＣ２の導電層同士を、並列接続することも可能である。

なお、接続する単位セルＣの数としては、要求される電圧又は電流に応じて、設定することが可能である、本実施形態では２つの単位セルＣを接続する例を示す。

各々の単位セルＣは、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導電層とを有する。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。

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。

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、直列接続の場合には、その両端の単位セルＣの金属層４又は金属層５が、単位セルＣ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。

この実施形態では、接続部Ｊが中央に段差部を有する長方形となっているが、接続部Ｊの形状は何れでもよく、また、部分的に樹脂成形体６の外部に突出する形状でもよい。後述のように、インサート形成する際には、積層物を成形型内に位置固定する必要があり、位置固定の際には接続部Ｊが部分的に樹脂成形体６の外部に突出する形状であることが好ましい。

接続部Ｊは、隣り合う単位セルＣ同士を直列に接続するものであり、第１金属層４及び第２金属層５と一体化した金属板になっている。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、この金属板を用いることにより、これを成形型内に配置するだけで、単位セルＣが直列に接続された燃料電池を製造することができる。

金属板は、図２（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、段差部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。

本発明の燃料電池は、図２に示すように、以上のような単位セルＣ及び接続部Ｊをインサート成形により一体化した樹脂成形体６を備えている。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３（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の樹脂エラストマー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、例えば次の製造方法により製造することができる。即ち、図３（ａ）〜（ｄ）に示すように、固体高分子電解質層１、その両側に配される第１電極層２及び第２電極層３、並びにそれらの外側に配される第１導電層及び第２導電層を含む積層物Ｌの複数を、何れかの積層物Ｌと他の積層物Ｌの導電層同士を接続部Ｊにより電気的に接続した状態で成形型１０内に配置する工程を含む。直列接続の場合、隣り合う積層物Ｌの一方の第１導電層と他方の第２導電層とが接続され、並列接続の場合、隣り合う積層物Ｌの一方の第１導電層と他方の第１導電層とが接続されると共に、一方の第２導電層と他方の第２導電層とが接続される。

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（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。

単位セルＣを構成する積層物Ｌは、その複数を同じ面内に並設してもよく、またＬ字型の２辺、正方形又は長方形の２辺〜４辺、三角形の2辺〜３辺などの各辺に配置してもよい。本実施形態では、２つの積層物Ｌを同じ面内に並設する例を示す。

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及び前記接続部Ｊ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３（ａ）に示すように、各々の単位セルＣの形成領域の底面に、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３（ｂ）に示すように、積層物Ｌの複数を下金型１１の底面に配置する。その際、各々の単位セルＣの形成領域の底面に形成された凸部１１ａの上面が、各々の積層物Ｌの第１金属層４の開孔４ａを閉塞可能な位置に配置する。

本発明では、隣り合う積層物Ｌの一方の第１導電層と他方の第２導電層とを接続部Ｊにより電気的に接続した状態で成形型１０内に配置する。本実施形態では、隣り合う積層物Ｌの一方の第１導電層（金属層４）と、他方の第２導電層（金属層５）と、接続部Ｊとが、連続する金属板からなる金属層で形成されている例を示す。

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３（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の各々の単位セルＣを形成する領域の下面には、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３（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を含む積層物Ｌの複数を、インサート形成により一体化することができる。

＜発電セルの別実施形態＞
（１）前述の実施形態では、直列接続した複数の単位セルにより発電セルを構成する例を示したが、本発明では、単数の単位セルにより発電セルを構成してもよい。また、複数の単位セルを並列に接続してもよい。

（２）前述の実施形態では、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して単位セルＣを形成する例を示したが、第１金属層４と第２金属層５とをより面積の広いものにして、絶縁材を介在させつつ両者の周囲部分をカシメにより封止した構造の単位セルＣを用いてもよい。このようなカシメ構造の単位セルＣについては、例えば、国際公開公報ＷＯ２００５／０５０７６６号公報に開示されており、カシメ封止を行うための製造方法及び製造設備については、例えば、特開２００６−８６０４１号公報に開示される技術を用いることができる。

このようなカシメ構造の単位セルＣは、必要によりその複数を電気的に接続した後に、インサート形成等により、セル保持体と一体化されて、板状の発電セルを形成することができる。板状の発電セルは、図２に示すものと同様にして本発明に使用することができる。

＜アンモニア除去剤について＞
本発明では、水素発生剤３２より発生した水素ガスから、不純物であるアンモニアを除去するために、内部空間ＩＳにアンモニア除去剤を設けてもよい。具体的には、シート状のアンモニア除去剤を包装された水素発生剤３２と重ねて配置することができる。このようなアンモニア除去剤は、シート状に形成されたものが市販されているが、粒状の吸着剤等を通気性の袋に収容したものを使用することも可能である。

アンモニア除去剤としては、例えば、水素中のアンモニアを吸着除去する吸着剤（吸着・分解や反応吸着などの化学吸着を含む）、アンモニアを溶解除去する吸収剤、アンモニアを反応により除去する反応剤、アンモニアを分解（加熱分解・触媒反応分解等）により除去する分解手段、などが挙げられるが、アンモニアを物理吸着又は化学吸着により除去する吸着剤を備えることが好ましい。

＜回路構成など＞
本発明の燃料電池は、更に昇圧や電流制御のための電子回路を設けてもよい。例えば、各発電セルＣによる出力電圧は、ＤＣ−ＤＣコンバータ（昇圧回路に相当）により所定の電圧にまで昇圧するのが好ましい。回路部には、安定化回路などが備えられており、適切な出力電圧や出力電流を供給できるように制御がなされる。更に、コンバータの下流側に付加される回路部を介して、電源供給端子から外部機器、携帯電話などに電源供給がされる。

＜作用＞
本発明の燃料電池の作用について、前述の実施形態に基づいて説明する。まず、仕切部材３５ａにより開閉機構３５が閉じた状態で、貯水部３３に水を供給した後、ツマミ３５ｂを回して仕切部材３５ａを回転させて開閉機構３５を開けた状態とする。これにより、貯水部３３から生じた水蒸気が、内部空間ＩＳの全体に拡散して行き、疎水性多孔質膜３４ａを介して水素発生剤３２に水蒸気が供給される。水蒸気と水素発生剤３２の反応により水素ガスが発生し、その水素ガスが疎水性多孔質膜３４ａを介して内部空間ＩＳに放出される。この水素ガスが、発電セルＦＣの一方の表面から供給され、他方の表面から空気中の酸素が供給されるため、各々の電極で電極反応が生じて発電を行うことができる。発電は、水蒸気の発生が終了するか、水素発生剤が消費されるまで継続して終了する。

本発明の燃料電池の一例を示す図であり、（ａ）平面図、（ｂ）は正面視断面図 本発明における発電セルの一例を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）はそのＩ−Ｉ矢視断面図、（ｃ）はそのＩＩ−ＩＩ矢視断面図 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
３１ 内部空間形成部材
３２ 水素発生剤
３３ 貯水部
３４ 包装材
３４ａ 疎水性多孔質膜
３５ 開閉機構
ＦＣ 発電セル
ＩＳ 内部空間
Ｃ 単位セル
Ｌ 積層物
Ｊ 接続部

Claims (4)

1. 一方の表面から水素が供給され、他方の表面から酸素が供給されることで発電を行なう発電セルと、
   その発電セルの前記一方の表面に対向する内部空間を形成する内部空間形成部材と、
   その内部空間の一部に配置され、水蒸気と反応して水素を発生する水素発生剤と、
   前記内部空間の残部に設けられ、水を溜める貯水部と、
   前記水素発生剤を包囲し、少なくとも一部が疎水性多孔質膜で形成されている包装材と、
   を備える燃料電池。
2. 前記貯水部と前記包装材との間には間隙を有しており、前記貯水部とは間隙を開けて、外部から仕切部材を開閉できる開閉機構を設けてある請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記水素発生剤は、水素化金属化合物を樹脂で包埋したものである請求項１又は２に記載の燃料電池。
4. 前記貯水部は、保水材により水を保持するものである請求項１〜３いずれかに記載の燃料電池。

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