JP5512298B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、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電極層および第２電極層とを備え、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燃料電池に関する。

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、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。この燃料電池用セル部材は、インサート成形した樹脂枠で各層を一体化することで、簡易な構造、製法を実現している。

特開２００５−１５０００８号公報 特開２００５−１１６２４号公報

ところで、燃料電池のより一層の小型化、軽量化のためには、燃料電池の薄型化、すなわち、燃料電池の構成部材である固体高分子電解質と電極板等の薄型化が必要となる。また、水素イオンの伝導性を良くして発電効率を高めるためにも、固体高分子電解質の厚みを薄くする必要がある。

しかしながら、上記の特許文献２の燃料電池用セル部材では、固体高分子電解質の厚みを薄くし過ぎると、固体高分子電解質の外周と電極板の外周が接近している場合に、インサート成形後にアノード側からカソード側への水素ガスの拡散が生じやすくなり、発電効率が却って低下することが判明した。また、固体高分子電解質の厚みを薄くし過ぎると、インサート成形時の樹脂圧（樹脂流れによる圧力）で破れたり、変形したりするおそれがあり、また、ハンドリング性が落ちるおそれもあり、その結果、量産性が悪くなるという問題がある。

そこで、本発明の目的は、固体高分子電解質の厚みを薄くした場合にも、発電効率が高められ、しかも量産性を落とすことがない燃料電池を提供することである。

上記課題を解決するため本発明に係る燃料電池は、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電極層および第２電極層とを備え、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燃料電池であって、前記固体高分子電解質層の少なくとも一面の周縁部に補強層が設けられていることを特徴とする。

本発明に係る燃料電池は、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電極層および第２電極層とを備え、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いる。本発明の燃料電池によれば、固体高分子電解質層の少なくとも一面の周縁部に補強層が設けられているので、固体高分子電解質層の厚みを薄くした場合にも、固体高分子電解質層の外周と第１、第２電極層の外周との間の距離が保たれ、インサート成形後のアノード側からカソード側への水素ガスの拡散を防止することができる。その結果、固体高分子電解質の厚みを薄くした場合にも、発電効率が高められる燃料電池を提供することができる。

さらに、本発明の燃料電池によれば、固体高分子電解質層の少なくとも一面の周縁部に補強層が設けられているので、固体高分子電解質層の厚みを薄くした場合にも、固体高分子電解質層がインサート成形時に発生する周縁部からの樹脂圧によって破れたり、変形したりすることを防止することができる。また、ハンドリング性が損なわれることもない。その結果、量産性を落とすことがない燃料電池を提供することができる。

本発明において、開孔を有する第１金属層および第２金属層が、前記第１電極層および前記第２電極層の更に外側に設けられていることが好ましい。

この構成によれば、第１金属層および第２金属層は開孔を有するので、開孔を介して第１電極層および第２電極層に燃料および酸素等を供給することができる。また、第１金属層および第２金属層を第１電極層および第２電極層の更に外側に設けることで、第１電極層および第２電極層を固体高分子電解質層に十分な圧力で接触させることができ、接触抵抗を低減して出力特性を向上させることができる。

本発明の燃料電池において、前記補強層は、前記固体高分子電解質層と、前記第１電極層または前記第２電極層との間に挟まれており、前記固体高分子電解質層および前記補強層の外周は、前記第１電極層または前記第２電極層の外周よりも突出していることが好ましい。

この構成によれば、補強層が、固体高分子電解質層と第１電極層または第２電極層との間に挟まれているので、固体高分子電解質層に対する補強効果がより大きくなる。また、固体高分子電解質層および補強層の外周が、第１電極層または第２電極層の外周よりも突出しているので、第１電極層の外周と第２電極層の外周との接触を防ぎ、両電極層の間の導電を防ぐことができるので、燃料電池の出力特性が向上する。また、固体高分子電解質層および補強層の外周が、第１電極層または第２電極層の外周よりも突出している場合、各層の外周がすべて同じである場合に比べて、第１電極層の外周と第２電極層の外周との間の距離（行程）が長くなり、その間の樹脂も増えるので、第１電極層または第２電極層の一方から他方への燃料ガスの拡散を防止することができ、その結果、燃料電池の出力特性が向上する。

本発明の燃料電池において、前記補強層は、前記固体高分子電解質層の両面に設けられていることが好ましい。

この構成によれば、補強層は、固体高分子電解質層の両面に設けられているので、固体高分子電解質層に対する補強効果がより大きくなる。また、第１電極層の外周と第２電極層の外周との間の距離がさらに長くなり、第１電極層または第２電極層の一方から他方への燃料ガスの拡散をより一層防止することができる。

本発明の燃料電池において、前記補強層は、前記固体高分子電解質層の片面のみに設けられていることが好ましい。

補強層を固体高分子電解質層の両面に設けると位置合わせが難しくなるが、補強層を固体高分子電解質層の片面のみに設けることで、位置合わせが容易となり製造し易くなる。

本発明の燃料電池において、前記固体高分子電解質層の両面にそれぞれ触媒層が設けられ、カソード側の触媒層がアノード側の触媒層よりも大きいことが好ましい。

アノード側に供給される還元ガスとして水素ガスを用い、カソード側に供給される酸化ガスとして空気を用いる場合、空気は水素ガスに比べて拡散性が良くないが、カソード側の触媒層をアノード側の触媒層よりも大きくすることで、カソード側の反応が良好となり燃料電池の特性が向上する。また、固体高分子電解質層のアノード側の面のみに補強層を設け、この補強層の内方側にアノード側の触媒層を設けるようにすれば、カソード側の触媒層をアノード側の触媒層よりも大きくなるように構成することも容易である。

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（ａ）のＩ−Ｉ矢視断面図、（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 比較例１の燃料電池の構成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 本発明の別の実施形態に係る燃料電池の断面図 実施例２の燃料電池の構成を示す正面視断面図 実施例２における燃料電池のＩＶ特性を示すグラフ

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（ａ）のＩ−Ｉ矢視断面図、（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とを備えている。本実施形態では、これら電極層２，３の更に外側に第１金属層４及び第２金属層５を備えている例を示す。

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、１５〜６０μｍ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９を担持させることが好ましい。触媒９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の外周が固体高分子電解質層１の外周より小さいことが好ましい。すなわち、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の外形より小さいことが好ましい。

本発明では、固体高分子電解質層１の表面の周縁部に補強層８が設けられている。本実施形態では、補強層８が固体高分子電解質層１の両面に設けられている例を示すが、固体高分子電解質層１の片面のみでもよい。

本実施形態では、補強層８は、固体高分子電解質層１と第１電極層２、および固体高分子電解質層１と第２電極層３との間に挟まれた構造をしている。補強層８の外周は、固体高分子電解質層１の外周と同じであり、第１電極層２及び第２電極層３の外周が、触媒層９および固体高分子電解質層１の外周より小さいことが好ましい。

補強層８としては、例えば、ＰＥＮ樹脂（ポリエチレンナフタレート）、ＰＥＴ樹脂（ポリエチレンテレフタラート）、アクリル樹脂などを使用できる。

補強層８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、２０〜２００μｍが好ましく、４０〜１００μｍがより好ましい。

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、３〜５０％が好ましく、５〜２０％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、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、以上のような固体高分子電解質層１、電極層２，３、金属層４，５、補強層８、触媒層９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金属層４及び／又は第２金属層５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金属層４及び第２金属層５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、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、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、各々の開孔４ａ，５ａ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４，５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４，５を覆う部分の樹脂成形体６の厚みとしては、金属層４，５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、例えば以下の製造方法により製造することができる。即ち、この製造方法は、図２（ａ）〜（ｄ）に示すように、固体高分子電解質層１、補強層８、触媒層９と、その両側に配される第１電極層２及び第２電極層３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金属層４及び第２金属層５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）を有し、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、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、補強層８、触媒層９、第１電極層２及び第２電極層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、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。

（４）先の実施形態では、第１金属層３及び／又は第２金属層５の開孔４ａ，５ａ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により一体化してある例を示したが、本発明では、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の複数の開孔４ａ，５ａ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の複数の開孔４ａ，５ａ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つ以上の開孔４ａ，５ａが露出するように成形してもよい。

（５）先の実施形態では、補強層８が固体高分子電解質層１の両面に設けられている例を示したが、補強層８は、固体高分子電解質層１の片面のみに設けられてもよい。また、固体高分子電解質層１の両面にそれぞれ設けられる触媒層９は、カソード側の触媒層９がアノード側の触媒層９よりも大きくなるようにしてもよい。図７（ａ）にこの実施形態に係る燃料電池の正面視断面図を示す。

この燃料電池は、固体高分子電解質層１のアノード側の面のみに補強層８が設けられている。この補強層８の内方にアノード側触媒層９ａが設けられている。一方、カソード側触媒層９ｂは、固体高分子電解質層１の大きさとほぼ同じとなるように設けられており、アノード側触媒層９ａよりも大きくなっている。アノード側電極層２はアノード側触媒層９ａとほぼ同じ大きさ、カソード側電極層３はカソード側触媒層９ｂとほぼ同じ大きさとなるようにしている。ただし、アノード側電極層２は、アノード側触媒層９ａと必ずしも同じ大きさとしなくともよい。

図７（ｂ）に、図７（ａ）に示す燃料電池の製造方法の一例を示す。図に示すように、固体高分子電解質層１、アノード側触媒層９ａ、およびアノード側電極層２の積層物を切り出して作成したアノード側積層物２０を用意しておく。また、固体高分子電解質層１、カソード側触媒層９ｂ、およびカソード側電極層３の積層物を切り出して作成したカソード側積層物３０を用意しておく。カソード側積層物３０の固体高分子電解質層１の表面に、補強層８およびアノード側積層物２０の固体高分子電解質層１を接合する。

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のステンレス板を金メッキしたものを図１に示す形状（小判状部の長径３３ｍｍ、短径１２ｍｍ）にプレスして打ち抜き、金属層４，５となるステンレス板を２枚作製した。

固体高分子電解質層１（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１５μｍ）を用いた。この固体高分子電解質層１の両面の周縁部に、図１に示すように補強層８としてＰＥＮ樹脂（ポリエチレンナフタレート）を幅５００μｍ、厚み４０μｍで設けた。

また、固体高分子電解質層１の両面の中央部には、図１に示すように、触媒層９を補強層８とほぼ同じ厚みで設けた。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、固体高分子電解質層１の表面に塗布した。

電極層２，３としては、カーボンペーパー（東レ製ＴＧＰ−Ｈ−９０、厚み３７０μｍ）を３３ｍｍ×１２ｍｍに切断して用いた。

固体高分子電解質層１、触媒層９、補強層８、電極層２，３の積層物を、上記のステンレス板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枚のステンレス板の両側から圧力（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３５ｍｍ×１４ｍｍ×２．２ｍｍ厚の燃料電池を得た。

比較例１
実施例１において、補強層８を設けず、さらに、固体高分子電解質層１、触媒層９、電極層２，３の外周を全て同じとした（図５参照）。その他の大きさや厚みなどは実施例１と同じとした。

参考例１
参考例１として、比較例１の固体高分子電解質層１の厚みを３０μｍとした燃料電池を作製した。

上記の実施例１、比較例１、参考例１の燃料電池を作製し、電池特性を評価した。電池特性は、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、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。

固体高分子電解質層の薄い燃料電池（比較例１）は、固体高分子電解質層が厚い燃料電池（参考例１）と比較して出力電圧が低下することが判った。すなわち、発電効率を高める観点からは固体高分子電解質層を薄くすることが好ましいが、薄くし過ぎると却って出力電圧が低下する。しかし、固体高分子電解質層を薄くしても、補強層を設けた燃料電池（実施例１）は、補強層の無い燃料電池（比較例１）と比較して出力電圧が大きく向上することが判った。

実施例２−１
実施例２−１として、図８に示すような固体高分子電解質層１、電極層２，３、補強層８、触媒層９ａ，９ｂを備える燃料電池を作成し、ＩＶ特性を評価した。固体高分子電解質層１の大きさは１３×３４ｍｍ、アノード側触媒層９ａ、カソード側触媒層９ｂの大きさはそれぞれ１２×３３ｍｍとした。補強層８は、アノード側触媒層９ａ、カソード側触媒層９ｂの周囲に幅０．５ｍｍで設けた。

実施例２−２
実施例２−２として、図８に示すような固体高分子電解質層１、電極層２，３、補強層８、触媒層９ａ，９ｂを備える燃料電池を作成し、ＩＶ特性を評価した。補強層８は、固体高分子電解質層１のアノード側の面のみに設けられている。固体高分子電解質層１の大きさは１３×３４ｍｍ、アノード側触媒層９ａの大きさは１２×３３ｍｍ、カソード側触媒層９ｂの大きさは１３×３４ｍｍとした。補強層８は、アノード側触媒層９ａの周囲に幅０．５ｍｍで設けた。

実施例２−３
実施例２−３として、図８に示すような固体高分子電解質層１、電極層２，３、補強層８、触媒層９ａ，９ｂを備える燃料電池を作成し、ＩＶ特性を評価した。補強層８は、固体高分子電解質層１のアノード側の面のみに設けられている。固体高分子電解質層１の大きさは１３×３４ｍｍ、アノード側触媒層９ａの大きさは１１×３２ｍｍ、カソード側触媒層９ｂの大きさは１３×３４ｍｍとした。補強層８は、アノード側触媒層９ａの周囲に幅１．０ｍｍで設けた。

実施例２−４
実施例２−４として、図８に示すような固体高分子電解質層１、電極層２，３、補強層８、触媒層９ａ，９ｂを備える燃料電池を作成し、ＩＶ特性を評価した。補強層８は、固体高分子電解質層１のアノード側の面のみに設けられている。固体高分子電解質層１の大きさは１３×３４ｍｍ、アノード側触媒層９ａの大きさは１０×３１ｍｍ、カソード側触媒層９ｂの大きさは１３×３４ｍｍとした。補強層８は、アノード側触媒層９ａの周囲に幅１．５ｍｍで設けた。

図９に実施例２−１、実施例２−２、実施例２−３、実施例２−４の燃料電池のＩＶ特性のグラフを示す。実施例２−２は、補強層８を固体高分子電解質層１の片面のみに設けているため、実施例２−１に比べ、製造時の位置合わせは容易であるが、ＩＶ特性は低下している。これは、補強層８が片面のみの場合、アノード側からカソード側への水素ガスの拡散を十分に防ぐことができないものと思われる。

実施例２−３および実施例２−４は、実施例２−２に比べ、補強層８の幅を広くしている。これに伴い、実施例２−３および実施例２−４のアノード側触媒層９ａの大きさは、実施例２−２に比べて小さくなっている。アノード側触媒層９ａが小さくなると、電極触媒作用の悪化により性能低下が起こりうるが、補強層８の幅を広くすることによる性能向上効果が大きく、結果としてＩＶ特性は良好となる。また、実施例２−４は、補強層８が片面のみであっても、補強層８が両面にある実施例２−１とほぼ同じＩＶ特性となっている。ただし、実施例２−４の方が、実施例２−１に比べると、位置合わせが容易であり、製造し易い。

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
４ａ 開孔
５ 第２金属層
５ａ 開孔
６ 樹脂成形体
６ａ 開孔
７ 予備成形体
７ａ 開孔
８ 補強層
９ 触媒層
１０ 成形型
１１ａ 凸部
１２ａ 凸部
Ｃ 単位セル
Ｌ 積層物

Claims (6)

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電極層および第２電極層と、これらの電極層の更に外側に設けられた第１金属層および第２金属層とを備え、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金属層は、前記第１電極層を部分的に露出させる露出部を有し、前記第２金属層は、前記第２電極層を部分的に露出させる露出部を有し、
   前記樹脂成形体は、前記露出部から露出した前記第１電極層及び前記第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燃料電池であって、
   前記固体高分子電解質層の少なくとも一面の周縁部に補強層が設けられている燃料電池。
2. 前記補強層は、前記固体高分子電解質層と、前記第１電極層または前記第２電極層との間に挟まれており、
   前記固体高分子電解質層および前記補強層の外周は、前記第１電極層または前記第２電極層の外周よりも突出している請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記補強層は、前記固体高分子電解質層の両面に設けられている請求項１又は２に記載の燃料電池。
4. 前記補強層は、前記固体高分子電解質層の片面のみに設けられている請求項１に記載の燃料電池。
5. 前記固体高分子電解質層の両面にそれぞれ触媒層が設けられ、カソード側の触媒層がアノード側の触媒層よりも大きい請求項１又は４に記載の燃料電池。
6. 前記樹脂成形体は、前記第１金属層又は前記第２金属層の全面又は略全面を覆う請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池。

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