JP2008210714A - 燃料電池および燃料電池用集電体の接続方法 - Google Patents

Abstract

【課題】平面配列セル構造の燃料電池において、接続信頼性を損なうことなく、インターコネクタ部分に要する面積を低減し、燃料電池をコンパクト化する。
【解決手段】複数のセルが平面状に形成された電解質膜２２の周縁部に設けられた封止部材５０の内側に、隣接するセルを直列接続する接続部６０を設ける。封止部材５０の内側に、各セルのアノード用の集電体の端子３２と、カソード用の集電体の端子３６とが、電解質膜２２を介して対向している。接続部６０は、電解質膜を貫通し、隣接するセルの一方のアノードの端子３２と、他方のカソードの端子３６とを接続している。
【選択図】図５

Description

本発明は、燃料電池に関する。より具体的には、本発明は、セルが平面配列された燃料電池および集電体の接続方法に関する。

燃料電池は水素と酸素とから電気エネルギを発生させる装置であり、高い発電効率を得ることができる。燃料電池の主な特徴としては、従来の発電方式のように熱エネルギや運動エネルギの過程を経ない直接発電であるので、小規模でも高い発電効率が期待できること、窒素化合物等の排出が少なく、騒音や振動も小さいので環境性が良いことなどが挙げられる。このように、燃料電池は燃料のもつ化学エネルギを有効に利用でき、環境にやさしい特性を持っているので、２１世紀を担うエネルギ供給システムとして期待され、宇宙用から自動車用、携帯機器用まで、大規模発電から小規模発電まで、種々の用途に使用できる将来有望な新しい発電システムとして注目され、実用化に向けて技術開発が本格化している。

中でも、固体高分子形燃料電池は、他の種類の燃料電池に比べて、作動温度が低く、高い出力密度を持つ特徴が有り、特に近年、固体高分子形燃料電池の一形態として、ダイレクトメタノール燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）が注目を集めている。ＤＭＦＣは、燃料であるメタノール水溶液を改質することなく直接アノードへ供給し、メタノール水溶液と酸素との電気化学反応により電力を得るものであり、この電気化学反応によりアノードからは二酸化炭素が、カソードからは生成水が、反応生成物として排出される。メタノール水溶液は水素に比べ、単位体積当たりのエネルギが高く、また、貯蔵に適しており、爆発などの危険性も低いため、自動車や携帯機器（携帯電話、ノート型パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ、ＭＰ３プレーヤ、デジタルカメラあるいは電子辞書（書籍））などの電源への利用が期待されている。
特開２００４−１４６０９２号公報

セルが平面配列された平面配列型の燃料電池では、隣接するセルを接続部（インターコネクタ）を用いて電気的に接続するために、集電体の端子を電解質膜の端まで伸ばしていた。このため集電体の面積を必要以上に大きくする必要があるとともに、集電体の端子が長くなることにより、その分だけ抵抗の増大を招いていた。

また、特許文献１に記載のように、隣接するセルの間の電解質膜に貫通孔を設けてインターコネクタを設置する構造が知られているが、燃料電池のコンパクト化を進めるにあたり、電極間の距離を縮めていくと、隣接する電極同士がショートしたり、貫通孔部分においてクロスリークが生じるといった問題が生じる。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、セルが平面配列された燃料電池において、接続信頼性を損なうことなく、集電体の面積を低減する技術の提供にある。また、本発明の他の目的は、セルが平面配列された燃料電池において、隣接する電極同士がショートすることを抑制しつつ、セル間を近接させることが可能な技術の提供にある。

本発明のある態様は、燃料電池である。当該燃料電池は、電解質膜と、電解質膜の一方の面に設けられた複数のアノードと、複数のアノードにそれぞれ対向してセルを形成するように、電解質膜の他方の面に設けられた複数のカソードと、複数のアノード毎に設けられたアノード集電体と、複数のカソード毎に設けられたカソード集電体と、電解質膜の周縁部を封止する封止部材と、封止部材の内部において、隣接するセルの一方のアノード集電体と他方のカソード集電体とを接続する接続部と、を備えることを特徴とする。

接続部が電解質膜の周縁部をシールする封止部材の内側に設けられているため、集電体の面積を必要最小限にとどめつつ、隣接するセル同士の直列接続を実現することができる。

上記態様の燃料電池において、電解質膜の周縁部に接続部が貫通する貫通孔が設けられ、貫通孔が、隣接するセルのアノード集電体の間、およびカソード集電体の間に位置してもよい。

上記いずれかの態様の燃料電池において、電解質膜の周縁部に突出したアノード集電体およびカソード集電体の幅が、セルの幅より小さくてもよい。これによれば、隣接する集電体の端子間の距離を広くし、隣接する集電体の絶縁性を高めることができる。

本発明の他の態様は、燃料電池用集電体の接続方法である。当該燃料電池用集電体の接続方法は、アノード集電体と接触する接触面と接続端子とを有する第１の金属パターン、およびカソード集電体と接触する接触面と接続端子とを有する第２の金属パターンが埋め込まれた封止部材を第１の金属パターンと第２の金属パターンの間で折り返し、第１の金属パターンと第２の金属パターンとの間にアノード集電体とカソード集電体との間に狭持された電解質膜の周縁部を挿入し、第１の金属パターンと第２の金属パターンとの間にアノード集電体およびカソード集電体を圧着することにより、隣接するセルの第１の金属パターンの接続端子と第２の金属パターンの接続端子とを接続することを特徴とする。

これによれば、メタノール燃料等の漏洩防止と隣接するセルの直列接続を同時に行うことができるため、燃料電池の製造工程を簡略化することが可能となる。

本発明によれば、平面配列セル構造の燃料電池において、接続信頼性を損なうことなく、集電体に要する面積を低減し、燃料電池をコンパクト化することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、実施の形態に係る構造を示す分解斜視図である。図２（Ａ）、図２（Ｂ）は、それぞれ、図１のＡ−Ａ’線上、図１のＢ−Ｂ’線上の断面図である。図１および図２に示すように、燃料電池１０は、膜電極接合体（ＭＥＡ、触媒塗布プロトン交換膜（ＣＣＭ）ともいう）２０、アノード用ハウジング４０およびカソード用ハウジング４２を備える。また、膜電極接合体２０の周縁部に後述する封止部材５０が設けられている。

膜電極接合体２０は、電解質膜２２、アノード２４ａ−ｄおよび、アノード２４ａ−ｄにそれぞれ対向するカソード２６ａ−ｄを備える。アノード２４ａ−ｄには、メタノール水溶液あるいは純メタノール（以下、「メタノール燃料」と記載する）が毛細管現象により供給される。カソード２６ａ−ｄには空気が供給される。燃料電池１０は、メタノール燃料中のメタノールと空気中の酸素との電気化学反応により発電する。

アノード２４ａ−ｄは、電解質膜２２の一方の面に離間した状態で形成されている。電解質膜２２の面積は、アノード２４ａ−ｄの合計面積より大きく、電解質膜２２のアノード側の周縁部は、アノード２４ａ−ｄを取り囲んでいる。電解質膜２２がアノード２４ａ−ｄを取り囲む周縁部分の幅は、たとえば、２ｍｍである。また、カソード２６ａ−ｄは、電解質膜２２の他方の面に離間した状態で形成されている。電解質膜２２の面積は、カソード２６ａ−ｄの合計面積より大きく、電解質膜２２のカソード側の周縁部は、カソード２６ａ−ｄを取り囲んでいる。電解質膜２２がカソード２６ａ−ｄを取り囲む周縁部分の幅は、たとえば、２ｍｍである。このように、本実施の形態の燃料電池では、アノード２４ａ−ｄにカソード２６ａ−ｄがそれぞれ対となり、複数のセルが平面状に形成されている。隣接するセル同士は、後述する接続部６０により直列接続されている。

電解質膜２２は、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示すことが好ましく、アノード２４とカソード２６との間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能する。電解質膜２２は、含フッ素重合体や非フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成され、例えば、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例として、ナフィオン（デュポン社製：登録商標）１１２などが挙げられる。また、非フッ素重合体の例として、スルホン化された、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホンなどが挙げられる。

アノード２４ａ−ｄおよびカソード２６ａ−ｄは、電極基材、およびこれに保持されるイオン交換樹脂ならびに触媒を担持した炭素粒子すなわち触媒担持炭素粒子を有する。

電極基材としては、カーボンペーパー、カーボンの織布または不織布などを用いることができ、必要に応じて、四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）などフッ素系樹脂により撥水性が付与される。

イオン交換樹脂は、触媒担持炭素粒子と電解質膜２２を接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を持つ。イオン交換樹脂は、電解質膜２２と同様の高分子材料から形成されてよい。担持される触媒には、例えば白金、ルテニウム、ロジウムなどの１種または２種を合金化したものなどがある。また触媒を担持する炭素粒子には、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブなどがある。

アノード用ハウジング４０により、燃料貯蔵用の燃料貯蔵部３７が形成されている。アノード用ハウジング４０には、アノード２４に接するリブ３８が設けられている。リブ３８でアノード２４を押圧することにより、アノード２４の集電性が向上する。なお、アノード用ハウジング４０に燃料供給口（図示せず）を設置することにより、燃料カートリッジなどから燃料を適宜補充可能である。

一方、カソード用ハウジング４２には、外部から空気を取り込むための空気取入口４４が設けられている。

アノード用ハウジング４０とカソード用ハウジング４２とは、封止部材５０を介して、ボルト、ナットなどの締結部材（図示せず）を用いて締結されている。これにより、封止部材５０に圧力が加えられ、封止部材５０によるシール性が高められる。

図３（Ａ）は、アノード側の集電体を示す平面図である。図３（Ｂ）は、カソード側の集電体を示す平面図である。図１、図２（Ａ）、（Ｂ）および図３（Ａ）に示すように、アノード２４ａ−ｄの上にそれぞれ集電体３０ａ−ｄが設けられている。集電体３０ａ−ｄとして、たとえば、金メッシュを用いることができる。集電体３０ａ−ｄは、それぞれアノード２４ａ−ｄと接する集電領域３１およびアノード２４ａ−ｄの外側の電解質膜２２の周縁部に突出した端子３２を有する。端子３２の幅は、セルの幅よりも狭いことが望ましく、角がテーパー状になっていることがさらに望ましい。これにより、電解質膜２２の周縁部に設けられたインターコネクタ用の貫通孔２３（詳細については後述する）と集電体３０ａ−ｄとの距離が広がるため、この間で短絡が生じることを抑制することができる。

また、図３（Ｂ）等に示すように、カソード２６ａ−ｄの上にそれぞれ集電体３４ａ−ｄが設けられている。集電体３４ａ−ｄとして、たとえば、金メッシュを用いることができる。集電体３４ａ−ｄは、それぞれカソード２６ａ−ｄと接する集電領域３５およびカソード２６ａ−ｄの外側の電解質膜２２の周縁部に突出した端子３６を有する。端子３６の幅は、セルの幅よりも狭いことが望ましく、角がテーパー状になっていることがさらに望ましい。これにより、電解質膜２２の周縁部に設けられた貫通孔２３と集電体３４ａ−ｄとの距離が広がるため、この間で短絡が生じることを抑制することができる。

図４（Ａ）および図４（Ｂ）は、それぞれ、アノード側、カソード側の接続部６０を示す平面図である。図５（Ａ）は、接続部６０の構造を示す断面図（図１のＣ−Ｃ’線上の断面図）である。図５（Ｂ）は、接続部６０の要部断面図である。図５（Ａ）および図５（Ｂ）に示すように、接続部６０は、封止部材５０の内部に設置されている。接続部（インターコネクタ）６０は、隣接するセルを電気的に直列に接続する。具体的には、接続部６０は、電解質膜２２に形成された貫通孔２３を通り、隣接するセルの一方のアノード側の端子３２と他方のカソード側の端子３６とを電気的に接続する。接続部６０の材料としては、金、白金、アルミニウム、銅などの金属、またはカーボンなどの導体が挙げられる。なお、貫通孔２３は、電解質膜２２の周縁部において、開口領域が電解質膜２２の端に達するような切り欠き状に設けられていてもよい。

図５（Ａ）および図５（Ｂ）を参照し、封止部材５０は、膜電極接合体２０（図１参照）の周縁部に設けられ、電解質膜２２の周縁部を被覆している。このため、接続部６０、集電体３０ａ−ｄの端子３２、および集電体３４ａ−ｄの端子３６が封止部材５０の内側に位置している。封止部材５０によりメタノール燃料が外部に漏洩することが防がれる。封止部材５０の材料としては、バイトンなどのフッ素系ゴム、シリコンゴムなどが挙げられる。上述したように、アノード用ハウジング４０とカソード用ハウジング４２とは、封止部材５０を介して締結されているため、封止部材５０に圧力が掛かり、シール性が高められている。

本実施の形態によれば、接続部が電解質膜の周縁部をシールする封止部材の内側に設けられているため、集電体の面積を必要最小限にとどめつつ、隣接するセル同士の直列接続を実現することができる。また、集電体の端子の幅をセルの幅より小さくすること、さらには、端子の角をテーパー化することにより、隣接する集電体の端子間の距離を広くし、端子間の電解質膜にインターコネクタ用の貫通孔を設けた場合の絶縁性を高めることができる。また、接続部が貫通する貫通孔が電解質膜の周縁部をシールする封止部材の内側に設けられているため、貫通孔部分からのクロスリークを抑制することができる。

（燃料電池用集電体の接続方法）
ここで、燃料電池用集電体の接続方法について説明する。まず、図６に示すように、ホットプレス、金属ペーストの印刷などの方法で、テープ状の封止部材５０の所定の位置にアノードの金属パターン１００ａおよびカソード側の金属パターン１００ｂを配置する。金属パターン１００ａ、１００ｂとして、金、白金などの腐食性金属、もしくはＳＵＳなどに貴金属で表面処理した材料を用いることができる。

図７（Ａ）および図７（Ｂ）は、ぞれぞれ図６のＡ−Ａ’線、Ｂ−Ｂ’線上の断面図である。金属パターン１００ａ、１００ｂは、それぞれ、集電体と接触する接触面１０２ａ、１０２ｂを有する。金属パターン１００ａの一方の端部には、凹状の接続端子１０４ａが設けられている。また、接続端子１０４ａが設けられた金属パターン１００ａの端部とは反対側の金属パターン１００ｂの一方の端部には、凸状の接続端子１０４ｂが設けられている。金属パターン１００ａ、１００ｂが集電体と接する接触面１０２ａ、１０２ｂ、および接続端子１０４ａ、１０４ｂを除く領域は、封止部材５０と同様な材料が塗布されている。これにより、封止部材５０のシール性がさらに良好となる。なお、図７（Ｂ）において、直列接続の末端に当たる金属パターン１００ｂ（図中左端）には、接続端子１０４ｂは不要である。

金属パターン１００ａの接続端子１０４ａが、隣接するセル用の金属パターン１００ｂの接続端子１０４ｂと対向するように、金属パターン１００ａと対応する金属パターン１００ｂとの位置がずれている。接続端子１０４ａと接続端子１０４ｂとは、圧着により電気的に接続可能である。これにより、金属パターン１００ａの接続端子１０４ａと隣接するセル用の金属パターン１００ｂの接続端子１０４ｂとを接続することにより、隣接するセルを電気的に直列に接続することが可能になる。

図８は、図６のＣ−Ｃ’線上の断面図である。図８に示すように、金属パターン１００ａの列と金属パターン１００ｂの列との中間部分の線１１０において、接触面１０２ａと接触面１０２ｂとが向き合うように封止部材５０を折り曲げる。

続いて、図９に示すように、向かい合わされた金属パターン１００ａと金属パターン１００ｂとの間に、電解質膜２２の端部を挟み込んだ状態で、ホットプレスにより溶着する。これにより、金属パターン１００ａの接触面１０２ａにアノード２４の集電体３０が接触し、金属パターン１００ｂの接触面１０２ｂにカソード２６の集電体３４が接触する。また、図７（Ａ）および図７（Ｂ）に示した接続端子１０４ａ、接続端子１０４ｂが電解質膜２２を貫通し、電気的に接続される。この結果、金属パターン１００ａと隣接するセルの金属パターン１００ｂが電気的に接続され、図５（Ａ）および図５（Ｂ）等で説明した接続部６０としての役割を果たす。

なお、金属パターン１００ａおよび金属パターン１００ｂが設置される位置は、アノード用ハウジング４０およびカソード用ハウジング４２による締め付け圧が付与される位置であることが好ましい。これによれば、上述したような、金属パターン１００ａと集電体３０との接触性、金属パターン１００ｂと集電体３４との接触性、接続端子１０４ａと接続端子１０４ｂとの接続信頼性を向上させることができる。

以上説明した接続部（インターコネクタ）の形成方法によれば、メタノール燃料等の漏洩防止と隣接するセルの直列接続を同時に行うことができるため、燃料電池の製造工程を簡略化することが可能となる。

上述した実施の形態では、長方形のセルが平面状に並置されているが、セルの配置はこれに限られない。たとえば、図１０に示すように、電解質膜２２上にセルを縦横に配列してもよい。図１０に示した配列のセルを有する燃料電池において、電極２００（アノードまたはカソード）と接する接触面２１２と、電解質膜２２の周縁部に突出した端子２１４とを有する集電体２１０を設けることにより、上述したような接続部によって隣接するセルを電気的に直列に接続することができる。これによれば、集電体と接続部との接触面積をより広くすることが可能になるため、集電性を向上させることができる。また。集電体２１０における導電パス２１６が交差する２方向になるため、集電体２１０の集電性が向上する。また、図１１に示すように、電解質膜２２を円形状とし、分割線が円の中心を通るようにして分割された領域を各セルとしてもよい。図１１のような円形状のセルによっても、同様に、集電体２１０の集電性を向上させることができる。

本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。

例えば、上述の各実施の形態では、集電体がアノード、カソードの上に設けられているが、集電体の構成は限定されない。たとえば、集電体は、アノードと電解質膜の間、カソードと電解質膜との間にそれぞれ設けられ、集電体の一部が電解質膜に埋め込まれていてもよい。

また、上述の実施の形態では、接続部が各セルの一方の側面に沿って設けられているが、各セルにおいて、複数の接続部が形成されていてもよい。たとえば、各セルの他方の側面に沿って接続部を別途設け、両方の側面においてそれぞれ、セルを直列接続した上で、２つの直列接続を並列に接続してもよい。これによれば、電極内の触媒から接続部への導電経路を短くすることができるので、各セルにおける集電性を向上させることができる。

実施の形態に係る燃料電池の構造を示す分解斜視図である。 図２（Ａ）は、図１のＡ−Ａ’線上の断面図である。図２（Ｂ）は、図１のＢ−Ｂ’線上の断面図である。 図３（Ａ）は、アノード側の集電体を示す平面図である。図３（Ｂ）は、カソード側の集電体を示す平面図である。 図４（Ａ）は、アノード側の接続部を示す平面図である。図４（Ｂ）は、カソード側の接続部を示す平面図である。 図５（Ａ）は、接続部の構造を示す断面図（図１のＣ−Ｃ’線上の断面図）である。図５（Ｂ）は、接続部の要部断面図である。 燃料電池用集電体の接続に用いる封止部材を示す斜視図である。 図７（Ａ）は、燃料電池用集電体の接続に用いる封止部材における図６のＡ−Ａ’線上の断面図である。図７（Ｂ）は、燃料電池用集電体の接続に用いる封止部材における図６のＢ−Ｂ’線上の断面図である。 燃料電池用集電体の接続に用いる封止部材における図６のＣ−Ｃ’線上の断面図である。 封止部材と電解質膜との接続方法を示す図である。 セルが縦横に配列された平面配列構造を示す平面図である。 円形状に構成されたセルが配列された平面配列構造を示す平面図である。

符号の説明

１０ 燃料電池、２０ 膜電極接合体、２２ 電解質膜、２４ アノード、２６ カソード、４０ アノード用ハウジング、４２ カソード用ハウジング、５０ 封止部材、６０ 接続部。

Claims (4)

1. 電解質膜と、
   前記電解質膜の一方の面に設けられた複数のアノードと、
   前記複数のアノードにそれぞれ対向してセルを形成するように、前記電解質膜の他方の面に設けられた複数のカソードと、
   前記複数のアノード毎に設けられたアノード集電体と、
   前記複数のカソード毎に設けられたカソード集電体と、
   前記電解質膜の周縁部を封止する封止部材と、
   前記封止部材の内部において、隣接するセルの一方の前記アノード集電体と他方の前記カソード集電体とを接続する接続部と、
   を備えることを特徴とする燃料電池。
2. 前記電解質膜の周縁部に前記接続部が貫通する貫通孔が設けられ、
   前記貫通孔が、隣接するセルの前記アノード集電体の間、および前記カソード集電体の間に位置することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記電解質膜の周縁部に突出した前記アノード集電体および前記カソード集電体の幅が、前記セルの幅より小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
4. アノード集電体と接触する接触面と接続端子とを有する第１の金属パターン、およびカソード集電体と接触する接触面と接続端子とを有する第２の金属パターンが埋め込まれた封止部材を前記第１の金属パターンと前記第２の金属パターンの間で折り返し、前記第１の金属パターンと前記第２の金属パターンとの間に前記アノード集電体と前記カソード集電体との間に狭持された電解質膜の周縁部を挿入し、前記第１の金属パターンと前記第２の金属パターンとの間に前記アノード集電体および前記カソード集電体を圧着することにより、隣接するセルの前記第１の金属パターンの接続端子と前記第２の金属パターンの接続端子とを接続することを特徴とする燃料電池用集電体の接続方法。

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