WO2003105264A1

WO2003105264A1 - 燃料電池

Info

Publication number: WO2003105264A1
Application number: PCT/JP2003/006801
Authority: WO
Inventors: 木村　英和; 渡辺　秀; 吉武　務; 黒島　貞則; 中村　新; 島川　祐一; 眞子　隆志; 今井　英人; 久保　佳実
Original assignee: 日本電気株式会社
Priority date: 2002-06-07
Filing date: 2003-05-30
Publication date: 2003-12-18
Also published as: EP1515386A4; JP3575477B2; CA2488162A1; KR20050005528A; JP2004014314A; CN1659735A; TW200308118A; KR100747366B1; EP1515386A1; US20040241516A1; CN1316667C; TWI256170B

Abstract

簡素な構造を有し、高出力かつ小型化および薄型化された固体高分子型燃料電池を提供することを目的として、固体高分子電解質膜を挟んで、固体高分子電解質膜の一方の面に複数の燃料極を、他方の面に複数の酸化剤極をそれぞれ配置して、複数の単位セルを構成し、これらの単位セルを接続電極により電気的に接続している。固体高分子電解質膜上の隣接する単位セル間の領域に溝部が設けられているため、隣接する単位セルへの水素イオンの移動が抑制され、電圧降下が防止される。

Description

明細書

燃料電池技術分野

本発明は、燃料電池に関し、特に固体電解質膜を用いた燃料電池に関する。背景技術

固体高分子型燃料電池は、パーフルォロスルフォン酸膜等のイオン交換膜を電解質膜として用い、このイオン交換膜の両面にそれぞれ電極（燃料極および酸化剤極）が接合された構成であり、燃料極に水素、酸化剤極に酸素あるいは空気が供給されて、電気化学反応により発電する装置である。この電気化学反応を起こすために、通常、固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜であるイオン交換膜と、イオン交換膜の両面に形成された、触媒物質が担持された炭素微粒子と固体高分子電解質との混合体からなる触媒層と燃料および酸化ガスの供給と拡散のための多孔質性炭素材料からなるガス拡散層（供給層）とからなる電極と、炭素あるいは金属の導電性薄板からなる集電体とで構成されている。

また近年では、前記と同様の構成で、燃料としてメタノールなどの有機液体燃料を直接燃料極に供給する直接メタノール固体高分子型燃料電池の研究開発も活発に行われている。

前記した構成において、燃料極に供給された燃料は、ガス拡散層（供給層）中の細孔を通過して触媒に達し、触媒の作用で燃料が分解されて、電子と水素ィォンが生成される。電子は、燃料極中の触媒担体とガス拡散層（供給層）とを通つて外部回路へ導き出され、外部回路より酸化剤極に流れ込む。一方、水素イオンは燃料極中の電解質および両電極間の固体高分子電解質膜を通って酸化剤極に達し、酸化剤極に供給された酸素と外部回路よリ流れ込む電子と反応して水を生じる。この結果、外部回路では燃料極から酸化剤極へ向かって電子が流れ、電力が取り出される。

しかしながら、このような基本的構成の固体高分子型燃料電池単体の電池電圧は、各電極における酸化還元電位差に相当することから、理想的な開放電圧であつても髙々 1 . 2 3 Vである。このため、様々な機器に搭載する駆動電源としては、電池出力の点で必ずしも充分とは言えない。例えば、携帯用電子機器の多くは電源として 1 . 5〜 4 V程度以上の入力電圧を必要とするため、そのような携帯用電子機器の駆動電源として固体高分子型燃料電池を使用する場合には、燃料電池の単位セルを直列に接続し、電池の電圧を上げる必要がある。

そこで、電池電圧を上昇させるために、燃料電池の単位セルを積層した構成にして充分な電圧を確保することが考えられるが、このようにすると電池全体が厚 <なるため、薄型化が要請される携帯用電子機器などの駆動電源としては好ましいとは言えない。

電池電圧を上昇させつつ電池の薄型化を実現する技術として、例えば特開平 8 - 2 7 3 6 9 6号公報には、同一平面上に複数のセルを組み込んだ燃料電池と、この燃料電池を複数枚重ねるスタック構造が開示されている。

また、特開平 8— 1 7 1 9 2 5号公報には、 1枚の電解質膜の一方の面に複数の酸化剤極が配置され、当該電解質膜の他方の面に複数の燃料極が配置されることにより、複数の単位セルを同一平面上に有する燃料電池が開示されている。このような燃料電池を具体的に例示すると、図 1 A , 1 Bに模式的に示すように、 1枚の固体高分子電解質膜 1 1 4の一方の面に複数の燃料極（一方の電極） 1 0 2が配置され、固体高分子電解質膜 1 1 4の他方の面に複数の酸化剤極（他方の電極） 1 0 8が配置されている。燃料極 1 0 2上には集電体 1 2 0、 1 2 1 が、酸化剤極 1 0 8上には集電体 1 2 2、 1 2 3がそれぞれ配置されて接続され、集電体 1 2 1と 1 2 2は、接続電極 1 2 4により電気的に接続されている。前記した従来の技術は、複数のセルを電気的に接続することにより高出力化が可能であるので、機器駆動のために十分な電源電圧を得るという点においてある程度の効果を奏している。

しかしながら、特開平 8— 2 7 3 6 9 6号公報に記載の技術においては、平面内に配された各単位セルの燃料極と酸化剤極の向きが一様ではないため、各単位セル毎に分離して燃料および酸化剤ガスを供給する必要がある。また、各単位セル内の燃料または酸化剤ガスが隣接する単位セルに流入することを防ぐため、各単位セル毎に密閉する保持機構を必要とする。このため、燃料電池の単位セル間の間隔は、燃料および酸化剤ガスの供給機構や保持機構の大きさに依存し、充分な小型化を達成することが難しかった。さらに、構成部品数が多くなるなど、小型化およびコス卜の面から改善の余地を有していた。

また、特開平 8—1 7 1 9 2 5号公報に記載の技術においては、ある単位セルの燃料極において生成した水素イオンが、その単位セルの酸化剤極ではなく、隣接する単位セルの酸化剤極へ移動し（電気的リーク）、電圧が低下してしまうという課題を有していた。特に、各単位セルの間隔が電解質膜の厚さと同程度に小さい場合には、電気的リークが顕著であり、電圧の低下が避けられなかった。発明の開示

前記事情に鑑み、本発明の目的は、簡素な構造を有し、髙出力かつ小型化および薄型化が可能な固体高分子型燃料電池を提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明によれば、固体電解質膜と、固体電解質膜の一方の面に配置された複数の燃料極と、固体電解質膜の他方の面に複数の燃料極と対向して配置された複数の酸化剤極とを含み、燃料極と酸化剤極と固体電解質膜とからなる、複数の単位セルが電気的に接続された構成の燃料電池であって、隣接する単位セルの間の領域に、低イオン伝導性の領域が設けられていることを特徴とする燃料電池が提供される。

本発明の燃料電池は、 1枚の固体電解質膜を共有する 2つ以上の単位セルが電気的に接続された構成である。このため、単位セル同士を相対的に固定する部材を別に必要としないため、簡素な構造で高出力が得られる燃料電池が実現する。さらに、固体電解質膜の一方の面には燃料極が、他方の面には酸化剤極がそれぞれ配置されているため、各単位セル毎に個別に燃料あるいは酸化剤を供給する流路などを設ける必要がなく、 2つ以上の単位セルに対して一度に燃料や酸化剤を供給することが可能である。したがって、機構を簡素化することができるため、燃料電池の小型化を図ることが可能となる。

また、本発明の燃料電池においては、各単位セル間の間隔を狭めることにより、さらに燃料電池の小型化を図ることができる。従来は、このように各単位セル間の間隔を狭めた場合、前記したように電気的リークが生じるため、電圧が低下してしまうという課題が生じていた。しかし、本発明の燃料電池では、固体電解質膜の隣接する単位セル間の領域に、低イオン伝導性領域を設けることにより、電気的リークの発生を防止している。このため、各単位セル間の間隔を、固体電解質膜の厚さと同程度まで小さくした場合においても、電圧の低下が抑制され、小型かつ薄型で髙出力の燃料電池が実現する。ここで、本発明における低イオン伝導性領域とは、他の領域と比較して、水素イオンの伝導性が低い領域をいう。本発明では、前記した燃料電池において、低イオン伝導性領域が、固体電解質膜に溝部が形成された領域であってもよい。

また、本発明では、前記した燃料電池において、低イオン伝導性領域が、固体電解質膜に凹部が形成された領域であってもよい。

このような構成にすることによって低イオン伝導性領域を設けることができ、固体電解質膜を介した単位セル間の水素イオンの移動を抑制することができるため、電圧低下が効果的に抑制された高出力の燃料電池が実現する。

本発明では、前記した燃料電池において、溝部または凹部に絶縁性樹脂が充填されていてもよい。溝部または凹部を絶縁性樹脂によって充填することにより、固体電解質膜を介した単位セル間の水素イオンの移動をよリー層抑制することが可能となり、出力の一層高い燃料電池を得ることが可能となる。絶縁性樹脂としては、フッ素系樹脂、ポリイミド系樹脂、フエノール系樹脂、エポキシ系樹脂のいずれかを用いることが好ましい。これらの樹脂を用いることにより、溝部または凹部に対し、簡便かつ確実に絶縁性樹脂を充填することができる。

また、本発明によれば、前記した燃料電池において、 2つ以上の燃料極を覆う燃料流路をさらに備え、燃料流路の隔壁の一部が固体電解質膜であることを特徴とする燃料電池が提供される。この燃料電池は、固体電解質膜を燃料流路の隔壁の一部として利用しているため、構成部品数が少なく、構造が簡素である。このため、燃料電池全体の小型化および薄型化に寄与することができる。

本発明によれば、前記した燃料電池において、複数の単位セルのうちの少なくとも 2つが直列に接続されたことを特徴とする燃料電池が提供される。

また、本発明によれば、前記した燃料電池において、複数の単位セルのうちの少なくとも 2つが並列に接続されたことを特徴とする燃料電池が提供される。本発明の燃料電池においては、複数の単位セルを直列あるいは並列に自由に接続することが可能であるため、所望の電圧または電流値を有する燃料電池を得ることが可能である。

以上説明したように、本発明によれば、簡素な構造を有し、髙出力かつ小型化および薄型化された固体高分子型燃料電池を提供することが可能となる。図面の簡単な説明

図 1 A, 1 Bは従来の燃料電池の一例を示す図である。

図 2A, 2 Bは本発明の燃料電池の実施形態を示す図である。

図 3 A, 3 Bは本発明の燃料電池の他の実施形態を示す図である。

図 4 A, 4 Bは本発明の燃料電池のさらに他の実施形態を示す図である。図 5 A, 5 Bは本発明の燃料電池のさらに他の実施形態を示す図である。発明を実施するための最良の形態

以下、図 2A〜5Bを参照して、本発明の実施形態の燃料電池の構成および動作について説明する。

図 2 Aは、本発明の実施形態の燃料電池の構造を模式的に表した斜視図であり、図 2Bは、図 2Aの A— A' 線断面図である。図 2 Aおよび 2 Bに示されるように、一枚の固体高分子電解質膜 1 1 4の一方の面に燃料極（一方の電極） 1 0 2 a、 1 02 bが配置され、固体高分子電解質膜 1 14の他方の面には酸化剤極 (他方の電極） 108 a, 108 bが配置されている。また、燃料極 1 02 a、 102 b上には集電体 1 20、 1 21が、酸化剤極 1 08 a、 1 08 b上には集電体 1 22、 1 23がそれぞれ配置されて接続されている。また、集電体 1 21 および 1 22は、接続電極 1 24により電気的に接続されている。なお、燃料極 1 02 a. 102 bおよび酸化剤極 1 08 a、 108 bは、図示しない基体および触媒層から構成されている。

以上のように構成された燃料電池において、図 2 Bに示されるように、燃料極 1 02 a、 1 02 bには燃料 1 25が、酸化剤極 108 a、 108 bには空気あるいは酸素などの酸化剤 1 26が供給される。本実施形態の燃料電池においては、固体高分子電解質膜 1 1 4を挟んで、複数の単位セルの燃料極 1 0 2 a、 1 0 2 bがー方の側に、酸化剤極 1 0 8 a、 1 0 8 bが他方の側にそれぞれ配置されている。したがって、図 2 Bに模式的に示している通り、燃料 1 2 5を供給する燃料流路および酸化剤 1 2 6を供給する酸化剤流路はそれぞれ一系統で足りるため、燃料電池の構造を簡素化することが可能となる。ここで、固体高分子電解質膜 1 1 4は、燃料極側と酸化剤極側を隔てる隔壁の役割を有しているため、燃料 1 2 5が酸化剤極側に進入することはなく、また酸化剤 1 2 6が燃料極側に進入することもない。

固体高分子電解質膜 1 1 4は、燃料極 1 0 2 a、 1 0 2 bと酸化剤極 1 0 8 a 、 1 0 8 bとを隔てるとともに、両者の間で水素イオンを移動させるイオン交換膜としての役割を有する。このため、固体高分子電解質膜 1 1 4は、水素イオンの導電性が高い膜であることが好ましい。また、化学的に安定であって機械的強度が高いことが好ましい。固体高分子電解質膜 1 1 4を構成する材料としては、スルホン基、リン酸基、ホスホン基、ホスフィン基などの強酸基や、カルボキシル基などの弱酸基などの極性基を有する有機高分子が好ましく用いられる。このような有機高分子としては、

スルフォン化ポリ（4一フエノキシベンゾィルー 1 . 4一フエ二レン）、アルキルスルフォン化ポリベンゾィミダゾールなどの芳香族含有高分子；

ポリスチレンスルホン酸共重合体、ポリビニルスルホン酸共重合体、架橋アルキルスルホン酸誘導体、フッ素樹脂骨格およびスルホン酸からなるフッ素含有高分子などの共重合体；

ァクリルアミドー 2—メチルプロパンスルフォン酸のようなァクリルアミド類と n—プチルメタクリレー卜のようなァクリレート類とを共重合させて得られる共 α体；

スルホン基含有パーフルォロカーボン（例えば、デュポン社製ナフイオン（商品名）、旭化成社製ァシプレックス（商品名））；

カルボキシル基含有パーフルォロカーボン（例えば、旭硝子社製フレミオン s膜 (商品名）) ；

などが例示される。燃料 125として有機液体燃料を使用する場合であって、スルフォン化ポリ（ 4一フエノキシベンゾィル一 1 , 4一フエ二レン）、アルキルスルフォン化ポリベンゾイミダゾールなどの芳香族含有高分子を選択した場合には、有機液体燃料の透過を抑制でき、クロスオーバーによる電池効率の低下を抑えることができる燃料極 102 a、 102 bおよび酸化剤極 108 a、 108 bは、たとえば、触媒を担持した炭素粒子と固体高分子電解質の微粒子とを含む膜（触媒層〉が基体（ガス拡散層）上に形成された構成とすることができる。基体には、燃料極、酸化剤極ともに、カーボンペーパー、カーボンの成形体、カーボンの焼結体、焼結金属、発泡金属などの多孔性基体を用いることができる。また、基体表面は撥水処理されていてもよく、基体の撥水処理にはポリテトラフルォロエチレンなどの撥水剤を用いることができる。

燃料極の炭素粒子に担持される触媒としては、白金、ロジウム、パラジウム、イリジウム、オスミウム、ルテニウム、レニウム、金、銀、ニッケル、コバルト、リチウム、ランタン、ストロンチウム、イットリウムなどが例示され、これらを単独または二種類以上組み合わせて用いることができる。一方、酸化剤極の炭素粒子に担持される触媒としては、燃料極の触媒と同様のものが用いることができ、前記例示物質を使用することができる。なお、燃料極および酸化剤極の触媒は互いに同じものを用いても異なるものを用いてもよい。

触媒を担持する炭素粒子としては、アセチレンブラック（例えば電気化学社製デンカブラック（商品名）、 Vulcan社製 XC72 (商品名）など）、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーンなどが例示される。炭素粒子の粒径は、たとえば、 0. 01 ~0. 1 m、好ましくは 0. 02~0. 0 6 μ. mである。

燃料 125としては、メタノール、エタノール、ジェチルエーテルなどの有機液体燃料や水素含有ガスを用いることができる。

燃料極 102 a, 102 bおよび酸化剤極 1 08 a、 108 bの作製方法は、特に制限がないが、たとえば以下のようにして作製することができる。

燃料極 102 a、 102 bおよび酸化剤極 1 08 a、 108 bの炭素粒子による触媒の担持は、一般的に行われている含浸法によって行うことができる。そして、触媒を担持した炭素粒子と固体高分子電解質粒子を溶媒に分散させ、ペースト状とした後、これを基体に塗布し乾燥することによって、燃料極 102 a、 1 02 bおよび酸化剤極 108 a、 1 08 bを得ることができる。ここで、炭素粒子の粒径は、たとえば 0. 01 ~0. 1 //mとする。また、触媒粒子の粒径は、たとえば 1 nm〜1 O nmとする。また、固体高分子電解質粒子の粒径は、たとえば 0. 05〜1 jumとする。炭素粒子と固体高分子電解質粒子とは、たとえば、重量比が 2 ： "！〜 40： 1の範囲で用いられる。また、ペースト中の水と溶質との重量比は、たとえば、 1 ： 2〜10 ： 1程度とする。基体へのペーストの塗布方法については特に制限がないが、たとえば、刷毛塗り、スプレー塗布、およびスクリーン印刷等の方法を用いることができる。ペーストは、約 1 m~2m mの厚さで塗布される。ペーストを塗布した後、使用するフッ素樹脂に応じた加熱温度および加熱時間で加熱し、燃料極 102 a. 102 bまたは酸化剤極 1 0 8 a、 108 bが作製される。加熱温度および加熱時間は、用いられる材料によつて適宜に選択されるが、たとえば、加熱温度を 1 00¾〜250°C、加熱時間を 30秒間〜 30分とすることができる。

固体高分子電解質膜 1 14は、用いられる材料に応じて適宜な方法を採用して作製することができる。たとえば、固体高分子電解質膜 1 14を有機高分子材料で構成する場合、有機高分子材料を溶媒に溶解または分散した液体を、ポリ亍トラフルォロエチレン等の剥離性シート等の上にキャストして乾燥させることによリ得ることができる。

このようにして作製した固体高分子電解質膜 1 1 4を、燃料極 1 02 a、 1 0 2 bおよび酸化剤極 108 a、 1 08 bで挟み、ホットプレスし、電極一電解質接合体を得る。このとき、両電極（燃料極 102 a、 1 02 bおよび酸化剤極 1 08 a. 1 08 b) の触媒が設けられた面と固体電解質膜 1 1 4とが接するようにする。ホットプレスの条件は、材料に応じて選択されるが、固体高分子電解質膜 1 1 4や電極（燃料極 102 a、 102 bおよび酸化剤極 1 08 a、 1 08 b ) の表面の電解質を有機高分子で構成する場合、これらの有機高分子の軟化温度やガラス転位温度を超える温度で行うことができる。具体的には、例えば、温度が 1 0 0〜2 5 0 °C、圧力が 1〜 1 0 0 k g / c m ²、時間が 1 0秒〜 3 0 0秒の条件でホッ卜プレスが行われる。

前記したようにして得られた電極一電解質接合体を、集電体 1 2 0〜 1 2 3により挟持する。その後、燃料極 1 0 2 b上に配置されて接続された集電体 1 2 1 と、酸化剤極 1 0 8 a上に配置されて接続された集電体 1 2 2とを、接続電極 1 2 4により電気的に接続する。こうして、 2つの単位セルが直列接続された燃料電池を得ることができる。なお、集電体 1 2 0〜 1 2 3および接続電極 1 2 4は導電性を有する部材であリ、例えばス亍ンレスやチタンなどから形成することができる。

本実施形態の燃料電池においては、前記した従来技術のように密閉性を有する保持機構を必要としないため、各単位セル同士を近付けて配置し、省スペース化を図ることにより、高密度実装を実現できる。しかしながら、各単位セル同士を固体高分子電解質膜の厚さと同じ程度まで近付けて配置した場合には、ある単位セルの燃料極において生成した水素イオンが、その単位セルの酸化剤極ではなく、隣接する単位セルの酸化剤極へ移動してしまう、いわゆる電気的リークが生じ得る。このように移動する水素イオンは電圧降下の原因となる。そこで本実施形態では、この電気的リークを防止するために、図 2 A , 2 Bに示すように、単位セルと単位セルとの間の領域に溝部 3 0 2を設けている。図 2 Aは、溝部 3 0 2 が設けられた構成の斜視図であり、図 2 Bはその A— A ' 線断面図である。また、図 3 A , 3 Bに示すように、単位セルと単位セルとの間の領域に、溝部 3 0 2に代えて凹部 3 0 3を設けることもできる。図 3 Aは、凹部 3 0 3が設けられた実施形態の斜視図であり、図 3 Bはその A— A ' 線断面図である。

このように溝部 3 0 2または凹部 3 0 3を設けることにより、燃料極 1 0 2 a で生成された水素イオンが隣接する単位セルの酸化剤極 1 0 8 bへ移動するィォン伝導性を低下させることができる。それによつて、電気的リークを抑え、燃料極 1 0 2 aで生成された水素イオンを効果的に酸化剤極 1 0 8 aに導くことができる。

さらに、溝部 3 0 2または凹部 3 0 3を、絶縁性を有する樹脂などで充填することもできる。このような構成を図 4 A , 4 B , 5 A, 5 Bに示す。図 4 Aは溝部 302に絶縁性フイルム 304が挟め込まれた実施形態の斜視図であり、図 4 Bはその A— A' 線断面図である。また、図 5 Aは、凹部 303に絶縁性樹 fl旨 3 05が充填された実施形態の斜視図であり、図 5 Bはその A— A' 線断面図である。このような構成を採用することにより、電気的リークをよリー層抑制することが可能となる。なお、絶縁性フィルム 304および絶縁性樹脂 305の材料としては、フッ素系樹脂、ポリイミド系樹脂、フエノール系樹脂、エポキシ系樹脂などを用いることができる。

前記した通り、図 2A〜図 5Bに示される各実施形態においては、電気的リークを抑制でき、燃料電池の単位セル間の間隔を固体高分子電解質膜 1 14の膜厚以下にすることができるため、より高密度な実装を実現することができる。なお、前記した各実施形態においては、簡単にするため、単位セルが 2つの場合について例示したが、本発明はこれに限られるものではなく、 3つ以上の単位セルを用いた形態についても同様に適用することができる。

次に、本発明のより具体的な実施例について、比較例と対比しつつ、図面を参照して説明する。

(実施例 1 )

図 2A, 2Bを参照して、本発明の実施例 1について説明する。

実施例 1では、触媒として粒子径 3〜5 nmの白金（P t) —ルテニウム（R u) 合金を用い、この触媒を炭素微粒子（電気化学社製デンカブラック：商品名 ) に重量比 50%だけ担持させた触媒担持炭素微粒子を使用した。なお、合金組成は 50a t%Ruで、合金と炭素微粉末の重量比は 1 ： 1とした。この触媒担持炭素微粒子 1 gを、アルドリッチ 'ケミカル社製の 5wt*½ナフイオン溶液 1 8m I (ナフイオンはデュポン社の登録商標）に加え、超音波混合機により 50 °Cで 3時間攪拌して触媒ペーストとした。この触媒ペース卜を、カーボンぺーパ一（東レ製 TGP— H— 1 20 ：商品名）上に、スクリーン印刷法で 2 m gZc m²塗布し、 1 20°Cで乾燥して電極を得た。

このようにして 4つの電極を作製し、それらを、デュポン社製ナフイオンからなる膜厚 1 50〃 mの 1枚の固体高分子電解質膜 1 1 4の両面に 2つずつ、 1 2 0°Cで熱圧着して、燃料極 102 a、 102bおよび酸化剤極 108 a、 108 bとした。こうして、 2つの単位セルを作成した。なお、これら 2つの単位セルの間の間隔は 0. 2 mmとした。さらに、この 2つの単位セルの間に、幅 0. 0 5mm、深さ 0. 1 mmの溝部 302を設けた。

そして、燃料極 1 02 a、 1 02 bおよび酸化剤極 108 a、 1 08 b上にそれぞれステンレス製の集電体 1 20〜1 23を配置して接続し、 2つの単位セルを集電体 1 20〜1 23で挟持する構成とした。さらに、集電体 1 21と集電体 1 22とを接続電極 1 24を介して直列に接続した。さらに、図示しないが、テトラフルォロエチレン樹脂製の燃料容器を、固体高分子電解質膜 1 1 4の燃料極 1 02 a, 102 b側に取り付けた。燃料極 102 a、 102 bは、この燃料容器に覆われ、かつ固体高分子電解質膜 1 1 4とこの燃料容器とで密閉された状態となるようにした。

このようにして作製した燃料電池の内部に、 1 0%メタノール水溶液を 2m I /m i πで流入し、外部を大気中に曝して電池特性を測定した。その結果、表 1 に示すように、電流密度 1 0 OmA cm²における電池電圧が 0. 87 Vであつた。この電圧は、 1つの単位セルのみからなる燃料電池単体の電池電圧の 2倍に近く、実施例 1では電気的リークがかなり抑えられていることが判る。

(比較例 1 )

図 1 A, 1 Bに示す比較例 1でも、実施例 1と同様の方法で作製した 4つの電極を、 1枚の固体高分子電解質膜 1 14の両面に 2つずつ熱圧着して、燃料極 1 02 a、 1 02 bおよび酸化剤極 1 08 e、 1 08 bとして、 2つの単位セルを作成した。ただし、これら 2つの単位セルの間の間隔は 3 mmとし、溝部 302 は設けなかった。そして、実施例 1と同様に集電体 1 20〜1 23を配置して、集電体 1 21と集電体 1 22とを接続電極 1 24を介して直列に接続し、図示しない燃料容器を、固体高分子電解質膜 1 14の燃料極 1 02 a、 1 02 b側に取リ付けた。

比較例 1の燃料電池に対しても、内部に 1 0%メタノール水溶液を 2m l m ί ηで流入し、外部を大気中に曝して電池特性を測定した。その結果、表 1に示すように、電流密度 10 OmAZcm²における電池電圧が 0. 9Vであった。この電圧は、 1つの単位セルのみからなる燃料電池単体の電池電圧の 2倍に相当し、比較例 1では、 2つの単位セルの間に充分な間隔が確保されているため、電気的リークがほとんど生じず、良好な結果が得られることが判る。しかし、比較例 1には、単位セル間の間隔がかなり広いため、小型化の要求に反するという大きな欠点がある。

(比較例 2)

図示しない比較例 2では、 2つの単位セルの間の間隔が 0. 2 mmであり、それ以外は比較例 1と同じ構成の燃料電池を、比較例 1と同じ製造方法で製造した。言い換えると、比較例 2の燃料電池は、実施例 1との相違点は固体高分子電解質膜 1 14に溝部 302が設けられていない点のみであり、それ以外は実施例 1 と同じ構成である。

比較例 2の燃料電池に対しても、内部に 10%メタノール水溶液を 2 m I /m ί ηで流入し、外部を大気中に曝して電池特性を測定した。その結果、表 1に示すように、電流密度 10 OmAZcm²における電池電圧が 0. 8 Vであった。この電圧は、 1つの単位セルのみからなる燃料電池単体の電池電圧の 2倍よりも小さく、比較例 2では、比較例 1に比べて 2つの単位セルの間の間隔を小さくして小型化を可能にしたものの、電気的リークが生じて十分な電池電圧が得られないという結果になった。

(実施例 2)

図 4A, 4Bに示す実施例 2は、実施例 1と同様な構成において、固体高分子電解質膜 1 1 4に設けられた溝部 302に、ポリイミドからなる絶縁性フィルム 304 (デュポン社製カプトン（登録商標)）を挟み込んで接着した構成である。その他の構成は実施例 1と同様であり、実施例 1と同様な方法により製造されている。

実施例 2の燃料電池に対しても、内部に 10%メタノール水溶液を 2m I /m i nで流入し、外部を大気中に曝して電池特性を測定した。その結果、表 1に示すように、電流密度 10 OmAZcm²における電池電圧が 0. 9Vであった。この電圧は、実施例 1の電池電圧よりも大きく、 1つの単位セルのみからなる燃料電池単体の電池電圧の 2倍に相当し、実施例 2では電気的リークがほとんど抑えられていることが判る。

(実施例 3)

図 3A, 3Bに示す実施例 3は、実施例 1と同様な構成において、固体高分子電解質膜 1 1 4に、溝部 302に代えて、直径が 0. 1 mmで深さが 0. 1 mm の凹部 303を複数個設けた構成である。その他の構成は実施例 1と同様であり、実施例 1と同様な方法により製造されている。

実施例 3の燃料電池に対しても、内部にこのようにして作製した燃料電池の内部に、 10。メタノール水溶液を 2 m Iノ m i nで流入し、外部を大気中に曝して電池特性を測定した。その結果、表 1に示すように、電流密度 l OOmA/c m²における電池電圧が 0. 85 Vであった。この電圧は、 1つの単位セルのみからなる燃料電池単体の電池電圧の 2倍よリも小さいが、比較例 2よりも大きく、電気的リークがある程度抑えられていることが判る。

(実施例 4)

図 5A, 5 Bに示す実施例 4は、実施例 3と同様な構成において、固体高分子電解質膜 1 1 4に設けられた凹部 303に、絶縁性樹脂 305 (エポキシ性樹脂 ) を充填した構成である。その他の構成は実施例 3と同様であり、実施例"!〜 3 と同様な方法により製造されている。

実施例 4の燃料電池に対しても、内部に 10%メタノール水溶液を 2m I Zm ί ηで流入し、外部を大気中に曝して電池特性を測定した。その結果、表 1に示すように、電流密度 10 OmAZcm²における電池電圧が 0. 9Vであった。この電圧は、実施例 3の電池電圧よりも大きく、 1つの単位セルのみからなる燃料電池単体の電池電圧の 2倍に相当し、実施例 4では電気的リークがほとんど抑えられていることが判る。

以上説明した本発明の実施例 1 〜4と比較例 1〜2の電池電圧測定結果について述べる。

まず、従来の構成である比較例 1では、 2つの単位セルの間に広い間隔を確保することによって、電気的リークがほとんど生じず、良好な結果が得られている。しかし、単位セル間の間隔が 3 mmと広いため、燃料電池の小型化の妨げとなるという大きな欠点がある。

比較例 2は、比較例 1の欠点を解消するように、 2つの単位セル間の間隔を固体高分子電解質膜の厚さと同程度（0 . 2 mm) まで狭めて、燃料電池の小型化を可能にしている。しかし、この比較例 2では、電気的リークが顕著であり、電圧降下が生じる。

これに対し、実施例 1では、比較例 2において顕著に生じた電気的リークを、固体高分子電解質膜 1 1 4に設けられた溝部 3 0 2によって抑制することができ、その結果、 2つの単位セル間を固体高分子電解質膜の厚さと同程度（0 . 2 m m) まで狭めて燃料電池の小型化を可能にしながら、大きな電池電圧を得ることができる。

また、寒施例 2では、絶縁性フィルム 3 0 4により電気的リークの発生をさらに抑えることができ、実施例 1よりもさらに高い電池電圧を得ることができる。もちろん、 2つの単位セル間の間隔は狭く燃料電池の小型化が可能である。実施例 3では、実施例 1と同様に、比較例 2において顕著に生じた電気的リークを、固体高分子電解質膜 1 1 4に設けられた凹部 3 0 3によって抑制することができ、その結果、 2つの単位セル間を固体高分子電解質膜の厚さと同程度（0 • 2 mm) まで狭めて燃料電池の小型化を可能にしながら、大きな電池電圧を得ることができる。

実施例 4では、実施例 2と同様に、絶縁性樹脂 3 0 5により電気的リークの発生をさらに抑えることができ、実施例 3よリもさらに高い電池電圧を得ることができる。もちろん、 2つの単位セル間の間隔は狭く燃料電池の小型化が可能である。

このように、実施例"!〜 4の燃料電池は、大きな電池電圧を得ることができ、しかも単位セルの間隔が 0 . 2 mmという極めて高密度な実装が可能であることが判明した。なお、前記した実施例では、 2つの単位セルが電気的に直列に接続された構成を示したが、同様の構成で、 2つの単位セルの燃料極（あるいは酸化剤極）同士の間を接続することにより、電気的に並列に接続することも可能である。また、前記した実施例では、電池電圧は 0 . 9 V程度であり、携帯用機器の駆動電源として十分な大きさとは言えないが、電気的に接続する単位セル数を増やすことによって電圧あるいは電流を高くすることが可能である。さらに、接続方法を適宜選択することで電池出力を調整することが可能である。

Claims

請求の範囲

1 . 固体電解質膜と、該固体電解質膜の一方の面に配置された複数の燃料極と、該固体電解質膜の他方の面に前記複数の燃料極と対向して配置された複数の酸化剤極とを含み、

前記燃料極と前記酸化剤極と前記固体電解質膜とからなる、複数の単位セルが電気的に接続された構成の燃料電池であって、

隣接する前記単位セルの間の領域に、低イオン伝導性領域が設けられていることを特徴とする燃料電池。

2. 請求項 1に記載の燃料電池において、前記低イオン伝導性領域が、前記固体電解質膜に溝部が形成された領域であることを特徴とする燃料電池。

3 . 請求項 2に記載の燃料電池において、前記溝部に絶縁性樹脂が充填されていることを特徴とする燃料電池。

4. 請求項 1に記載の燃料電池において、前記低イオン伝導性領域が、前記固体電解質膜に凹部が形成された領域であることを特徴とする燃料電池。

5 . 請求項 4に記載の燃料電池において、前記凹部に絶縁性樹脂が充填されていることを特徴とする燃料電池。

6. 請求項 3または 5に記載の燃料電池において、前記絶縁性樹脂が、フッ素系樹脂、ポリイミド系樹脂、フ: Lノール系樹脂、エポキシ系樹脂のいずれかであることを特徴とする燃料電池。

7 . 請求項 1から 6のいずれか 1項に記載の燃料電池において、 2つ以上の前記燃料極を覆う燃料流路をさらに備え、該燃料流路の隔壁の一部が前記固体電解質膜であることを特徴とする燃料電池。

8 . 請求項 1から 7のいずれか 1項に記載の燃料電池において、複数の前記単位セルのうちの少なくとも 2つが直列に接続されていることを特徴とする燃料電池

9. 請求項 1から 8のいずれか 1項に記載の燃料電池において、複数の前記単位セルのうちの少なくとも 2つが並列に接続されていることを特徴とする燃料電池