燃料電池および燃料電池モジュール
【課題】燃料電池の利用効率を向上させ、燃料電池を小型化する。
【解決手段】燃料電池１０は、複数の貫通孔２２が設けられた基材２０を支持体とする。電解質膜３０は、アノード側の基材２０の全面を被覆するとともに、複数の貫通孔２２に途中まで埋め込まれている。カソード４０は、各貫通孔２２において基材２０と電解質膜３０とで囲まれた領域に分離した状態で埋め込まれている。集電体５０は、各カソード４０の上、および各カソード４０を仕切る基材２０の上に設けられており、固定部材６０により基材２０に固定されている。
【解決手段】燃料電池１０は、複数の貫通孔２２が設けられた基材２０を支持体とする。電解質膜３０は、アノード側の基材２０の全面を被覆するとともに、複数の貫通孔２２に途中まで埋め込まれている。カソード４０は、各貫通孔２２において基材２０と電解質膜３０とで囲まれた領域に分離した状態で埋め込まれている。集電体５０は、各カソード４０の上、および各カソード４０を仕切る基材２０の上に設けられており、固定部材６０により基材２０に固定されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。より具体的には、本発明は、燃料電池の小型化に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、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。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２０９５８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の燃料電池では、液体燃料および空気のシール性を向上させるため、集電体と電極の接触抵抗を低減し、ＭＥＡからの集電性を向上させるためなどの理由により、バンド締め付け、ねじ締め等の締め付け構造が必要となっていた。このため、燃料電池の小型化が困難になっていた。
【０００６】
また、既存の寸法（センチメートルオーダー）の電極の周辺部分に集電体を固定した構造では、集電体と電極との間で均一な接触を確保することが困難であった。具体的には、電極の中央部分での集電体と電極との接触性が低下することが課題となっていた。
【０００７】
また、従来の燃料電池では、電解質膜自体が水分の吸収などにより膨潤することにより、液体燃料がアノードからカソードへ透過（クロスリーク）しやすくなり、液体燃料の利用効率が低下するという課題があった。
【０００８】
また、従来の燃料電池では、電解質膜を電極より大きくし、電極周辺部の電解質膜上にガスケットを設置する構造が採用されていた。このため、液体燃料の一部がガスケットと
電極の隙間にて電解質膜と直に接触し、クロスリークするため、液体燃料の利用効率が低下する要因となっていた。
【０００９】
また、燃料電池を携帯機器の電源として用いる場合に、持ち運び時の振動、外圧、落下などにより燃料電池が損傷を受け、発電不能になるといった問題があった。
【００１０】
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、高出力で小型の燃料電池を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のある態様は、燃料電池である。当該燃料電池は、両主面間に貫通する複数の微小な貫通孔が設けられた絶縁性の基材と、複数の貫通孔に埋め込まれた電解質膜と、電解質膜の一方の面に接合するアノードと、電解質膜の他方の面に接合するカソードと、を備え、アノードおよびカソードのうち一方が、前記絶縁性の基材の一方の主面側において、複数の貫通孔に分離した状態で埋め込まれている複数の電極素子からなり、複数の電極素子を互いに電気的に接続する集電層が、前記絶縁性の基材上に形成されていることを特徴とする。
【００１２】
この態様によれば、金メッシュなどの集電体を用いることなく、基材により分断されたカソード、アノードをそれぞれ電気的に接続することができる。この結果、アノードおよびカソードの集電構造をより簡略化することにより、アノード及びカソードの集電性能を向上させることができる。また、部品点数を削減することにより、製造コストをより低減することができる。
前記態様の燃料電池において、前記集電層が白金、金またはパラジウムからなる導電体であることを特徴とする。
【００１３】
本発明の他の態様は燃料電池モジュールである。当該燃料電池モジュールは、前記燃料電池が複数、平面的に配列され、各燃料電池が電気的に直列に接続していることを特徴とする。前記態様の燃料電池モジュールにおいて、隣接する燃料電池の間に設けられた貫通孔に導通部が設けられており、前記導通部は一方の燃料電池のアノードと他方の燃料電池のカソードとを電気的に接続していることを特徴とする。
前記態様の燃料電池モジュールにおいて、前記導通部は、Ｎｉ、Ａｕ、ＡｇまたはＰｔなどの金属またはそれらの金属を含有する導電性ペーストを前記絶縁性の基材に設けられた貫通孔に充填することを特徴とする。
前記態様の燃料電池モジュールにおいて、隣接する燃料電池の間に、補強部材が設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、燃料電池を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１（Ａ）は、実施の形態１に係る燃料電池の構造を示す平面図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＡ−Ａ’線上の断面図である。
【図２】図２（Ａ）は、実施の形態１で用いられる基材の構造を示す平面図である。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＡ−Ａ’線上の断面図である。
【図３】図３（Ａ）〜（Ｆ）は、実施の形態１の燃料電池の製造方法を示す工程断面図である。
【図４】図３（Ｆ）の固定部材部分の拡大図である。
【図５】実施の形態２に係る燃料電池の構造を示す断面図である。
【図６】実施の形態３に係る燃料電池の構造を示す断面図である。
【図７】実施の形態３に係る燃料電池の製造方法を示す工程断面図である。
【図８】図８（Ａ）は、実施の形態４に係る燃料電池モジュールの構造を示す平面図である。図８（Ｂ）は、図８（Ａ）のＡ−Ａ’線上の断面図である。
【図９】実施の形態４に係る燃料電池モジュールの製造方法を示す工程断面図である。
【図１０】実施の形態５に係る燃料電池モジュールの構造を示す断面図である。
【図１１】実施の形態５に係る燃料電池モジュールの製造方法を示す工程断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（実施の形態１）
図１（Ａ）は、実施の形態１に係る燃料電池１０の構造を示す平面図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＡ−Ａ’線上の断面図である。燃料電池１０は、基材２０、電解質膜３０、カソード４０、集電体５０、固定部材６０およびアノード７０を備える。本実施の形態の燃料電池１０は、液体燃料としてのメタノール水溶液と空気との電気化学反応により発電を行う。
【００１７】
基材２０は、両主面に貫通する複数の貫通孔２２を有する。本実施の形態では、各貫通孔２２の開口形状は四角形であり、複数の貫通孔２２が格子状に配列されている。貫通孔２２の一辺の長さは、たとえば、０．５〜２μｍとすることができる。基材２０の材料としては、多孔質のシリコン、ポリイミドなどが挙げられる。なお、貫通孔２２の開口形状は、四角形に限られず、四角形以外の多角形、または円形であってもよい。発電性能の面内におけるばらつきを抑制するために、複数の貫通孔２２は規則的に配列していることが望ましい。基材２０の厚さは、たとえば、１０〜３０μｍとすることができる。
【００１８】
電解質膜３０は、アノード側の基材２０の全面を被覆するとともに、複数の貫通孔２２に途中まで埋め込まれている。電解質膜３０として、たとえば、ナフィオン（登録商標）を用いることができる。
【００１９】
カソード４０は、各貫通孔２２において基材２０と電解質膜３０とで囲まれた領域に分離した状態で埋め込まれている。カソード４０として、たとえば、白金黒とナフィオンとの混合物が挙げられる。
【００２０】
集電体５０は、各カソード４０の上、および各カソード４０を仕切る基材２０の上に設けられている。集電体５０は、基材２０により仕切られた各カソード４０に接触している。これにより、基材２０により仕切られたカソード４０が互いに電気的に接続される。集電体５０としては、たとえば、金メッシュを用いることができる。
【００２１】
固定部材６０は、カソード側の基材２０の上に集電体５０を介して形成されている。固定部材６０は、集電体５０の隙間を通して基材２０と融着している。固定部材６０により、集電体５０が基材２０に確実に固定されているため、固定部材６０とカソード４０との密着性が向上する。固定部材６０として、たとえば、ガラス材を用いることができる。なお、腐食防止などの観点から、固定部材６０の表面に白金、金などの保護層を被覆することが好ましい。
【００２２】
アノード７０は、アノード触媒層７２および多孔質性のアノード基部７４とを有する。アノード触媒層７２は、アノード基部７４の一方の面の表層に充填されている。アノード触媒層７２は、電解質膜３０のアノード側の面に接合している。
【００２３】
アノード触媒層７２として、たとえば、白金ルテニウム黒とナフィオンからなる混合物を用いることができる。アノード基部７４として、カーボンペーパ、カーボンクロスなど
を用いることができる。
【００２４】
本実施の形態の燃料電池１０では、各貫通孔２２に設けられたカソード４０、電解質膜３０および電解質膜３０を介してカソード４０の反対側に位置するアノード７０が微小な電気化学素子として機能する。アノード７０は、各電気化学素子の共通の電極になっている。一方、カソード４０は、電気化学素子ごとに分離している。燃料電池１０は、上述のように、集電体５０により各カソード４０を互いに電気的に接続することにより、基材２０で支持された電気化学素子の集合体として構成されている。各カソード４０が微細であるため、カソード４０と集電体５０とを面内で均一に接触させることができ、カソード４０と集電体５０との接触抵抗の低減を図ることができる。
【００２５】
本実施の形態の燃料電池１０によれば、少なくともカソードにおいてバンド締めなどの締め付け機構を用いることなく、燃料電池の集電性を向上させることができる。ひいては、燃料電池の小型化を実現することができる。
【００２６】
また、電解質膜が基材により支持されているため、電解質膜の膨潤が抑制されるので、液体燃料のクロスリークを抑制することができる。
【００２７】
また、カソード側の締め付け構造を省略することにより、燃料電池が柔軟性を有するため、燃料電池の持ち運びによる燃料電池の損傷を低減することができる。また、液体燃料が電解質膜と直に接触することがなく、液体燃料の利用効率を向上させることができる。
【００２８】
なお、本実施の形態では、カソードが各電気化学素子に分離した状態にあり、アノードが各電気化学素子の共通の電極になっているが、カソードとアノードとを入れ替えた構造にすることも可能である。
【００２９】
（製造方法）
まず、図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示すように、基材２０として、規則的に配列された貫通孔２２を有する多孔質のシリコン基板を用意する。貫通孔２２が規則的に配列されたシリコン基板を形成する手段としては、周知のフォトリソグラフィ法およびエッチング法を組み合わせた方法が挙げられる。
【００３０】
図３（Ａ）に示すように、基材２０の一方の面に、市販のナフィオン溶液１００をバーコーター、スクリーン印刷法などを用いて塗布する。これにより、ナフィオン塗布面側の基材２０は全面がナフィオン溶液１００で被覆される。一方、ナフィオン塗布面と反対側では、基材２０に設けられた貫通孔２２がナフィオン溶液１００により閉塞され、複数の凹部が形成された状態になっている。この後、９０℃に保持した状態で、ナフィオン塗布面の反対側からナフィオン溶液１００を吸引し、ナフィオン溶液中の溶媒を除去する。これにより、基材２０に支持された電解質膜３０が形成される。
【００３１】
次に、図３（Ｂ）に示すように、白金黒、ナフィオンおよびテフロン（登録商標）ディスパージョンからなる触媒インク１１０をナフィオン塗布面の反対側からスクリーン印刷法により塗布する。これにより、電解質膜３０を底部とし、基材２０により仕切られた凹部に触媒インク１１０が充填されるとともに、ナフィオン塗布面の反対側の基材２０の全体が触媒インク１１０で被覆される。
【００３２】
次に、図３（Ｃ）に示すように、ナフィオン塗布面の反対側に基材２０が露出するように触媒インク１１０をスキージにより除去した後、８０℃に加熱して乾燥させる。この工程により、基材２０に設けられた各貫通孔２２の内部にカソード４０が形成される。
【００３３】
次に、図３（Ｄ）に示すように、ナフィオン塗布面に白金ルテニウム黒およびナフィオンからなるアノード触媒層７２を表層に有するカーボンクロスからなるアノード基部７４をナフィオン塗布面に熱圧着し、アノード７０のアノード触媒層７２を電解質膜３０に接合させる。
【００３４】
次に、図３（Ｅ）に示すように、各カソード４０および基材２０の上に金メッシュなどで形成された集電体５０を載置し、集電体５０の上にガラス製の固定部材６０をさらに載置する。固定部材６０は、基材２０と同様な配列の孔構造か、基材２０よりも開口径の大きい孔構造を有する。固定部材６０は、融点が２００℃程度の低融点材料であることが望ましい。
【００３５】
次に、図３（Ｆ）および図４に示すように、２００℃程度の加熱処理により、固定部材６０を軟化させ、基材２０と固定部材６０とを接触させる。この状態で、基材２０を陽極として、基材２０と固定部材６０との接触面に高電圧（５０Ｖ以上）を印加し、集電体５０の隙間を通して固定部材６０を基材２０に融着させる。
【００３６】
以上説明した製造方法によれば、小型化された燃料電池を製造することができる。
【００３７】
（実施の形態２）
図５は、実施の形態２に係る燃料電池１１の構成を示す断面図である。本実施の形態の燃料電池１１は、電解質膜２３０が各貫通孔２２に分離した状態で設けられていること、ならびにアノード２７０およびその集電構造が実施の形態１のカソード４０と同様な構造を有することを除くと、実施の形態１の燃料電池１０と同様な構成を有する。以下、燃料電池１１について、実施の形態１と同様な構成については同一の符号を付して説明を省略し、実施の形態１と異なる構成について説明する。
【００３８】
電解質膜２３０は、基材２０により仕切られ、各貫通孔２２に分離した状態で設けられている。電解質膜２３０は、実施の形態１の図３（Ａ）の工程において、塗布されたナフィオン溶液が基材によって分離されるように余分なナフィオン溶液を除去することにより形成することができる。
【００３９】
アノード２７０は、各貫通孔２２において基材２０と電解質膜３０とで囲まれた領域に分離した状態で埋め込まれている。アノード２７０として、たとえば、白金黒とナフィオンとの混合物が挙げられる。アノード２７０は、実施の形態１の図３（Ｂ）および図３（Ｃ）と同様な工程により形成することができる。
【００４０】
集電体５１は、各アノード２７０の上、および各アノード２７０を仕切る基材２０の上に設けられている。集電体５１は、基材２０により仕切られた各アノード２７０に接触している。これにより、基材２０により仕切られたアノード２７０が互いに電気的に接続される。集電体５１としては、たとえば、金メッシュを用いることができる。
【００４１】
固定部材６１は、アノード側の基材２０の上に集電体５１を介して形成されている。固定部材６１は、集電体５１の隙間を通して基材２０と融着している。固定部材６１により、集電体５１が基材２０に確実に固定されているため、固定部材６１とアノード２７０との密着性が向上する。固定部材６１として、たとえば、ガラス材を用いることができる。なお、腐食防止などの観点から、固定部材６１の表面に白金、金などの保護層を被覆することが好ましい。
【００４２】
アノード２７０の集電構造は、実施の形態１の図３（Ｅ）および図３（Ｆ）と同様な工程により形成することができる。
【００４３】
本実施の形態の燃料電池１１では、カソード４０、電解質膜３０および電解質膜３０を介してカソード４０の反対側に位置するアノード２７０が各貫通孔２２に形成され、それぞれが微小な電気化学素子として機能する。カソード４０、電解質膜３０およびアノード２７０は、電気化学素子ごとに分離している。燃料電池１１は、集電体５０、集電体５１によりそれぞれ各カソード４０、アノード２７０を互いに電気的に接続することにより、基材２０で支持された電気化学素子の集合体として構成されている。各カソード４０および各アノード２７０が微細であるため、カソード４０と集電体５０、およびアノード２７０と集電体５１とを面内で均一に接触させることができ、接触抵抗の低減を図ることができる。このため、カソードおよびアノードの両方においてバンド締めなどの締め付け機構を用いることなく、燃料電池の集電性を向上させることができ、ひいては、燃料電池をさらに小型化することができる。
（実施の形態３）
図６は、実施の形態３に係る燃料電池１２の構成を示す断面図である。燃料電池１２は、基材２０に設けられた各貫通孔２２に、カソード４０、電解質膜２３０およびアノード２７０からなる電気化学素子がそれぞれ独立して形成されている点で、実施の形態２と共通する。以下、燃料電池１２について、実施の形態２と同様な構成については同一の符号を付して説明を省略し、実施の形態２と異なる構成について説明する。
【００４４】
実施の形態３に係る燃料電池１２では、各カソード４０を仕切るポリイミドフィルムなどの多孔性の基材２０の上に集電層３００が設けられている。集電層３００としては、白金、金、パラジウムなどの導電体を用いることができる。集電層３００の厚さは、たとえば、０．５〜３μｍとすることができる。集電層３００により、各カソード４０が互いに電気的に接続されている。
【００４５】
同様に、各アノード２７０を仕切る基材２０の上に集電層３１０が設けられている。集電層３１０としては、白金、金、パラジウムなどの導電体を用いることができる。集電層３１０の厚さは、たとえば、０．５〜３μｍとすることができる。集電層３１０により、各アノード２７０が互いに電気的に接続されている。
【００４６】
本実施の形態の構成によれば、金メッシュなどの集電体を用いることなく、基材により分断されたカソード、アノードをそれぞれ電気的に接続することができる。この結果、アノードおよびカソードの集電構造をより簡略化することにより、アノードおよびカソードの集電性能を向上させることができる。また、部品点数を削減することにより、製造コストをより低減することができる。
【００４７】
（製造方法）
まず、図７（Ａ）に示すように、基材２０として、規則的に配列された貫通孔２２を有する多孔質のポリイミドフィルムを用意する。貫通孔２２が規則的に配列されたポリイミドフィルムを形成する手段としては、周知のフォトリソグラフィ法およびエッチング法を組み合わせた方法が挙げられる。
【００４８】
次に、図７（Ｂ）に示すように、スパッタにより、基材２０の両主面に白金、金、パラジウムなどの導電体からなる集電層３００、集電層３１０をそれぞれ形成する。
【００４９】
次に、図７（Ｃ）に示すように、実施の形態２と同様に、各貫通孔２２に電解質膜２３０を形成する。
【００５０】
次に、図７（Ｄ）に示すように、実施の形態２と同様に、カソード４０を、各貫通孔２２において基材２０と電解質膜２３０とで囲まれたカソード領域に分離した状態で埋め込
む。また、アノード２７０を、各貫通孔２２において基材２０と電解質膜２３０とで囲まれたアノード領域に分離した状態で埋め込む。
【００５１】
（実施の形態４）
図８（Ａ）および図８（Ｂ）は、実施の形態４に係る燃料電池モジュール４００の構成を示す図である。本実施の形態の燃料電池モジュール４００は、複数の燃料電池（単セル）４１０（図８（Ａ）において、点線で囲まれた部分）が平面状に配列された構造を有する。各燃料電池４１０の基本的な構成は、実施の形態１と同様である。以下、燃料電池モジュール４００について、実施の形態１と同様な構成については同一の符号を付して説明を省略し、実施の形態１と異なる構成について説明する。
【００５２】
本実施の形態の燃料電池モジュール４００では、８個の電気化学素子が配置された１２個の燃料電池４１０が、平面状に配列されている。各燃料電池４１０において、電解質膜３０が貫通孔２２ごとに分離した状態で設けられている。また、各燃料電池４１０において、アノード７０が各電解質膜３０に接合しており、８個の電気化学素子の共通の電極となっている。複数の燃料電池４１０は、配線（図示せず）により電気的に直列に接続されている。
【００５３】
各燃料電池４１０において、カソード４０は、集電体５０により電気的に接続されている。集電体５０は、実施の形態１と同様に、固定部材６０と基材２０との間で固定されている。
【００５４】
隣接する燃料電池４１０の間に形成された少なくとも１つの貫通孔２２に、シリコンなどで形成された補強部材４２０が設けられている。補強部材４２０と、アノード側およびカソード側に設けられた筐体（図示せず）とを連結することにより、燃料電池モジュール４００の強度を向上させ、持ち運び時の破損を防ぐことができる。
【００５５】
（製造方法）
図９（Ａ）に示すように、六角形の貫通孔２２がハニカム状に設けられた基材２０を用意する（基材２０の平面構造は図８（Ａ）参照）。基材２０は、たとえば、ポリイミドフィルムにエキシマレーザを用いて穴空け加工を施すことにより得ることができる。
【００５６】
次に、図９（Ｂ）に示すように、補強部材を形成すべき貫通孔２２ａにマスク（図示せず）を設けた状態で、基材２０の一方の面に、バーコーター、スクリーン印刷法などを用いてナフィオン溶液４３０を塗布する。これにより、基材２０の一方の主面（カソード側）に複数の凹部が形成される。この後、９０℃に保持した状態で、ナフィオン塗布面の反対側からナフィオン溶液４３０を吸引し、ナフィオン溶液中の溶媒を除去する。これにより、基材２０に支持された電解質膜３０が形成される。
【００５７】
次に、図９（Ｃ）に示すように、基材２０の一方の主面に形成された複数の凹部に、白金黒、ナフィオンおよびテフロン（登録商標）ディスパージョンからなる触媒インク４４０をスクリーン印刷法により塗布する。これにより、電解質膜３０を底部とし、基材２０により仕切られた凹部に触媒インク４４０が充填され、触媒インク４４０がカソード４０として機能する。
【００５８】
次に、図９（Ｄ）に示すように、基材２０の他方の主面（アノード側）に白金ルテニウム黒およびナフィオンからなるアノード触媒層７２を表層に有するカーボンクロスからなるアノード基部７４をナフィオン塗布面に熱圧着し、アノード７０のアノード触媒層７２を電解質膜３０に接合させる。
【００５９】
次に、図９（Ｅ）に示すように、各燃料電池４１０のカソード４０の上に金メッシュなどの集電体５０を設置し、集電体５０の上に固定部材６０を設ける。図３（Ｆ）および図４で説明したような陽極接合により、集電体５０の隙間を通して固定部材６０を基材２０に融着させる。また、補強部材を形成すべき貫通孔２２ａに設けられたマスク（図示せず）を除去し、貫通孔２２ａにシリコンなどの補強部材４２０を詰め込む。
【００６０】
以上説明した製造方法によれば、持ち運び時に破損しにくい燃料電池モジュールを製造することができる。
【００６１】
（実施の形態５）
図１０は、実施の形態５に係る燃料電池モジュール５００の構成を示す図である。燃料電池モジュール５００は、複数の電気化学素子を有する２個の燃料電池（単セル）５１０が、平面状に配列された構造を有する。各燃料電池５１０の基本的な構成は、実施の形態３と同様である。以下、燃料電池モジュール５００について、実施の形態３と同様な構成については同一の符号を付して説明を省略し、実施の形態３と異なる構成について説明する。
【００６２】
本実施の形態の燃料電池モジュール５００では、隣接する燃料電池５１０の間に設けられた貫通孔２２ｂに導通部５２０が設けられている。導通部５２０は、一方の燃料電池５１０のアノードと、他方の燃料電池５１０のカソードとを電気的に接続する。
【００６３】
導通部５２０は、たとえば、Ｎｉ、Ａｕ、ＡｇまたはＰｔなどの金属を含有する導電性ペースト、Ｎｉ、Ａｕ、ＡｇまたはＰｔなどの金属からなる電解めっきを基材２０に設けられた貫通孔２２ｂに充填することにより形成することができる。
【００６４】
本実施形態によれば、電気化学素子の集合体を有する燃料電池を、簡便な構造により電気的に直列に接続することができる。
（製造方法）
図１１（Ａ）に示すように、基材２０の一方の主面において、導通部形成用として基材２０に設けられた貫通孔２２ｂの開口部分に位置し、かつ第１の燃料電池５１０ａ（図１１（Ａ）の右側）の外周に位置する基材２０の上にスクリーン印刷によりマスク５３０を形成する。同様に、基材２０の他方の主面において、貫通孔２２ｂの開口部分に位置し、かつ第２の燃料電池５１０ｂ（図１１（Ａ）の左側）の外周に位置する基材２０の上にスクリーン印刷によりマスク５４０を形成する。
【００６５】
次に、図１１（Ｂ）に示すように、スパッタにより、基材２０の両主面に白金、金、パラジウムなどの導電体からなる集電層３００、集電層３１０をそれぞれ形成する。
【００６６】
次に、図１１（Ｃ）に示すように、Ｎｉ、Ａｕ、ＡｇまたはＰｔなどの金属を含有する導電性ペースト、Ｎｉ、Ａｕ、ＡｇまたはＰｔなどの金属からなる電解めっきを基材２０に設けられた貫通孔２２ｂに充填し、導通部５２０を形成する。
【００６７】
次に、図１１（Ｄ）に示すように、実施の形態３と同様な工程により、各貫通孔２２に、カソード４０、電解質膜３０およびアノード２７０を形成する。
【符号の説明】
【００６８】
１０ 燃料電池、２０ 基材、３０ 電解質膜、４０ カソード、５０ 集電体、６０
固定部材、７０ アノード。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。より具体的には、本発明は、燃料電池の小型化に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、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。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２０９５８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の燃料電池では、液体燃料および空気のシール性を向上させるため、集電体と電極の接触抵抗を低減し、ＭＥＡからの集電性を向上させるためなどの理由により、バンド締め付け、ねじ締め等の締め付け構造が必要となっていた。このため、燃料電池の小型化が困難になっていた。
【０００６】
また、既存の寸法（センチメートルオーダー）の電極の周辺部分に集電体を固定した構造では、集電体と電極との間で均一な接触を確保することが困難であった。具体的には、電極の中央部分での集電体と電極との接触性が低下することが課題となっていた。
【０００７】
また、従来の燃料電池では、電解質膜自体が水分の吸収などにより膨潤することにより、液体燃料がアノードからカソードへ透過（クロスリーク）しやすくなり、液体燃料の利用効率が低下するという課題があった。
【０００８】
また、従来の燃料電池では、電解質膜を電極より大きくし、電極周辺部の電解質膜上にガスケットを設置する構造が採用されていた。このため、液体燃料の一部がガスケットと
電極の隙間にて電解質膜と直に接触し、クロスリークするため、液体燃料の利用効率が低下する要因となっていた。
【０００９】
また、燃料電池を携帯機器の電源として用いる場合に、持ち運び時の振動、外圧、落下などにより燃料電池が損傷を受け、発電不能になるといった問題があった。
【００１０】
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、高出力で小型の燃料電池を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のある態様は、燃料電池である。当該燃料電池は、両主面間に貫通する複数の微小な貫通孔が設けられた絶縁性の基材と、複数の貫通孔に埋め込まれた電解質膜と、電解質膜の一方の面に接合するアノードと、電解質膜の他方の面に接合するカソードと、を備え、アノードおよびカソードのうち一方が、前記絶縁性の基材の一方の主面側において、複数の貫通孔に分離した状態で埋め込まれている複数の電極素子からなり、複数の電極素子を互いに電気的に接続する集電層が、前記絶縁性の基材上に形成されていることを特徴とする。
【００１２】
この態様によれば、金メッシュなどの集電体を用いることなく、基材により分断されたカソード、アノードをそれぞれ電気的に接続することができる。この結果、アノードおよびカソードの集電構造をより簡略化することにより、アノード及びカソードの集電性能を向上させることができる。また、部品点数を削減することにより、製造コストをより低減することができる。
前記態様の燃料電池において、前記集電層が白金、金またはパラジウムからなる導電体であることを特徴とする。
【００１３】
本発明の他の態様は燃料電池モジュールである。当該燃料電池モジュールは、前記燃料電池が複数、平面的に配列され、各燃料電池が電気的に直列に接続していることを特徴とする。前記態様の燃料電池モジュールにおいて、隣接する燃料電池の間に設けられた貫通孔に導通部が設けられており、前記導通部は一方の燃料電池のアノードと他方の燃料電池のカソードとを電気的に接続していることを特徴とする。
前記態様の燃料電池モジュールにおいて、前記導通部は、Ｎｉ、Ａｕ、ＡｇまたはＰｔなどの金属またはそれらの金属を含有する導電性ペーストを前記絶縁性の基材に設けられた貫通孔に充填することを特徴とする。
前記態様の燃料電池モジュールにおいて、隣接する燃料電池の間に、補強部材が設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、燃料電池を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１（Ａ）は、実施の形態１に係る燃料電池の構造を示す平面図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＡ−Ａ’線上の断面図である。
【図２】図２（Ａ）は、実施の形態１で用いられる基材の構造を示す平面図である。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＡ−Ａ’線上の断面図である。
【図３】図３（Ａ）〜（Ｆ）は、実施の形態１の燃料電池の製造方法を示す工程断面図である。
【図４】図３（Ｆ）の固定部材部分の拡大図である。
【図５】実施の形態２に係る燃料電池の構造を示す断面図である。
【図６】実施の形態３に係る燃料電池の構造を示す断面図である。
【図７】実施の形態３に係る燃料電池の製造方法を示す工程断面図である。
【図８】図８（Ａ）は、実施の形態４に係る燃料電池モジュールの構造を示す平面図である。図８（Ｂ）は、図８（Ａ）のＡ−Ａ’線上の断面図である。
【図９】実施の形態４に係る燃料電池モジュールの製造方法を示す工程断面図である。
【図１０】実施の形態５に係る燃料電池モジュールの構造を示す断面図である。
【図１１】実施の形態５に係る燃料電池モジュールの製造方法を示す工程断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（実施の形態１）
図１（Ａ）は、実施の形態１に係る燃料電池１０の構造を示す平面図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＡ−Ａ’線上の断面図である。燃料電池１０は、基材２０、電解質膜３０、カソード４０、集電体５０、固定部材６０およびアノード７０を備える。本実施の形態の燃料電池１０は、液体燃料としてのメタノール水溶液と空気との電気化学反応により発電を行う。
【００１７】
基材２０は、両主面に貫通する複数の貫通孔２２を有する。本実施の形態では、各貫通孔２２の開口形状は四角形であり、複数の貫通孔２２が格子状に配列されている。貫通孔２２の一辺の長さは、たとえば、０．５〜２μｍとすることができる。基材２０の材料としては、多孔質のシリコン、ポリイミドなどが挙げられる。なお、貫通孔２２の開口形状は、四角形に限られず、四角形以外の多角形、または円形であってもよい。発電性能の面内におけるばらつきを抑制するために、複数の貫通孔２２は規則的に配列していることが望ましい。基材２０の厚さは、たとえば、１０〜３０μｍとすることができる。
【００１８】
電解質膜３０は、アノード側の基材２０の全面を被覆するとともに、複数の貫通孔２２に途中まで埋め込まれている。電解質膜３０として、たとえば、ナフィオン（登録商標）を用いることができる。
【００１９】
カソード４０は、各貫通孔２２において基材２０と電解質膜３０とで囲まれた領域に分離した状態で埋め込まれている。カソード４０として、たとえば、白金黒とナフィオンとの混合物が挙げられる。
【００２０】
集電体５０は、各カソード４０の上、および各カソード４０を仕切る基材２０の上に設けられている。集電体５０は、基材２０により仕切られた各カソード４０に接触している。これにより、基材２０により仕切られたカソード４０が互いに電気的に接続される。集電体５０としては、たとえば、金メッシュを用いることができる。
【００２１】
固定部材６０は、カソード側の基材２０の上に集電体５０を介して形成されている。固定部材６０は、集電体５０の隙間を通して基材２０と融着している。固定部材６０により、集電体５０が基材２０に確実に固定されているため、固定部材６０とカソード４０との密着性が向上する。固定部材６０として、たとえば、ガラス材を用いることができる。なお、腐食防止などの観点から、固定部材６０の表面に白金、金などの保護層を被覆することが好ましい。
【００２２】
アノード７０は、アノード触媒層７２および多孔質性のアノード基部７４とを有する。アノード触媒層７２は、アノード基部７４の一方の面の表層に充填されている。アノード触媒層７２は、電解質膜３０のアノード側の面に接合している。
【００２３】
アノード触媒層７２として、たとえば、白金ルテニウム黒とナフィオンからなる混合物を用いることができる。アノード基部７４として、カーボンペーパ、カーボンクロスなど
を用いることができる。
【００２４】
本実施の形態の燃料電池１０では、各貫通孔２２に設けられたカソード４０、電解質膜３０および電解質膜３０を介してカソード４０の反対側に位置するアノード７０が微小な電気化学素子として機能する。アノード７０は、各電気化学素子の共通の電極になっている。一方、カソード４０は、電気化学素子ごとに分離している。燃料電池１０は、上述のように、集電体５０により各カソード４０を互いに電気的に接続することにより、基材２０で支持された電気化学素子の集合体として構成されている。各カソード４０が微細であるため、カソード４０と集電体５０とを面内で均一に接触させることができ、カソード４０と集電体５０との接触抵抗の低減を図ることができる。
【００２５】
本実施の形態の燃料電池１０によれば、少なくともカソードにおいてバンド締めなどの締め付け機構を用いることなく、燃料電池の集電性を向上させることができる。ひいては、燃料電池の小型化を実現することができる。
【００２６】
また、電解質膜が基材により支持されているため、電解質膜の膨潤が抑制されるので、液体燃料のクロスリークを抑制することができる。
【００２７】
また、カソード側の締め付け構造を省略することにより、燃料電池が柔軟性を有するため、燃料電池の持ち運びによる燃料電池の損傷を低減することができる。また、液体燃料が電解質膜と直に接触することがなく、液体燃料の利用効率を向上させることができる。
【００２８】
なお、本実施の形態では、カソードが各電気化学素子に分離した状態にあり、アノードが各電気化学素子の共通の電極になっているが、カソードとアノードとを入れ替えた構造にすることも可能である。
【００２９】
（製造方法）
まず、図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示すように、基材２０として、規則的に配列された貫通孔２２を有する多孔質のシリコン基板を用意する。貫通孔２２が規則的に配列されたシリコン基板を形成する手段としては、周知のフォトリソグラフィ法およびエッチング法を組み合わせた方法が挙げられる。
【００３０】
図３（Ａ）に示すように、基材２０の一方の面に、市販のナフィオン溶液１００をバーコーター、スクリーン印刷法などを用いて塗布する。これにより、ナフィオン塗布面側の基材２０は全面がナフィオン溶液１００で被覆される。一方、ナフィオン塗布面と反対側では、基材２０に設けられた貫通孔２２がナフィオン溶液１００により閉塞され、複数の凹部が形成された状態になっている。この後、９０℃に保持した状態で、ナフィオン塗布面の反対側からナフィオン溶液１００を吸引し、ナフィオン溶液中の溶媒を除去する。これにより、基材２０に支持された電解質膜３０が形成される。
【００３１】
次に、図３（Ｂ）に示すように、白金黒、ナフィオンおよびテフロン（登録商標）ディスパージョンからなる触媒インク１１０をナフィオン塗布面の反対側からスクリーン印刷法により塗布する。これにより、電解質膜３０を底部とし、基材２０により仕切られた凹部に触媒インク１１０が充填されるとともに、ナフィオン塗布面の反対側の基材２０の全体が触媒インク１１０で被覆される。
【００３２】
次に、図３（Ｃ）に示すように、ナフィオン塗布面の反対側に基材２０が露出するように触媒インク１１０をスキージにより除去した後、８０℃に加熱して乾燥させる。この工程により、基材２０に設けられた各貫通孔２２の内部にカソード４０が形成される。
【００３３】
次に、図３（Ｄ）に示すように、ナフィオン塗布面に白金ルテニウム黒およびナフィオンからなるアノード触媒層７２を表層に有するカーボンクロスからなるアノード基部７４をナフィオン塗布面に熱圧着し、アノード７０のアノード触媒層７２を電解質膜３０に接合させる。
【００３４】
次に、図３（Ｅ）に示すように、各カソード４０および基材２０の上に金メッシュなどで形成された集電体５０を載置し、集電体５０の上にガラス製の固定部材６０をさらに載置する。固定部材６０は、基材２０と同様な配列の孔構造か、基材２０よりも開口径の大きい孔構造を有する。固定部材６０は、融点が２００℃程度の低融点材料であることが望ましい。
【００３５】
次に、図３（Ｆ）および図４に示すように、２００℃程度の加熱処理により、固定部材６０を軟化させ、基材２０と固定部材６０とを接触させる。この状態で、基材２０を陽極として、基材２０と固定部材６０との接触面に高電圧（５０Ｖ以上）を印加し、集電体５０の隙間を通して固定部材６０を基材２０に融着させる。
【００３６】
以上説明した製造方法によれば、小型化された燃料電池を製造することができる。
【００３７】
（実施の形態２）
図５は、実施の形態２に係る燃料電池１１の構成を示す断面図である。本実施の形態の燃料電池１１は、電解質膜２３０が各貫通孔２２に分離した状態で設けられていること、ならびにアノード２７０およびその集電構造が実施の形態１のカソード４０と同様な構造を有することを除くと、実施の形態１の燃料電池１０と同様な構成を有する。以下、燃料電池１１について、実施の形態１と同様な構成については同一の符号を付して説明を省略し、実施の形態１と異なる構成について説明する。
【００３８】
電解質膜２３０は、基材２０により仕切られ、各貫通孔２２に分離した状態で設けられている。電解質膜２３０は、実施の形態１の図３（Ａ）の工程において、塗布されたナフィオン溶液が基材によって分離されるように余分なナフィオン溶液を除去することにより形成することができる。
【００３９】
アノード２７０は、各貫通孔２２において基材２０と電解質膜３０とで囲まれた領域に分離した状態で埋め込まれている。アノード２７０として、たとえば、白金黒とナフィオンとの混合物が挙げられる。アノード２７０は、実施の形態１の図３（Ｂ）および図３（Ｃ）と同様な工程により形成することができる。
【００４０】
集電体５１は、各アノード２７０の上、および各アノード２７０を仕切る基材２０の上に設けられている。集電体５１は、基材２０により仕切られた各アノード２７０に接触している。これにより、基材２０により仕切られたアノード２７０が互いに電気的に接続される。集電体５１としては、たとえば、金メッシュを用いることができる。
【００４１】
固定部材６１は、アノード側の基材２０の上に集電体５１を介して形成されている。固定部材６１は、集電体５１の隙間を通して基材２０と融着している。固定部材６１により、集電体５１が基材２０に確実に固定されているため、固定部材６１とアノード２７０との密着性が向上する。固定部材６１として、たとえば、ガラス材を用いることができる。なお、腐食防止などの観点から、固定部材６１の表面に白金、金などの保護層を被覆することが好ましい。
【００４２】
アノード２７０の集電構造は、実施の形態１の図３（Ｅ）および図３（Ｆ）と同様な工程により形成することができる。
【００４３】
本実施の形態の燃料電池１１では、カソード４０、電解質膜３０および電解質膜３０を介してカソード４０の反対側に位置するアノード２７０が各貫通孔２２に形成され、それぞれが微小な電気化学素子として機能する。カソード４０、電解質膜３０およびアノード２７０は、電気化学素子ごとに分離している。燃料電池１１は、集電体５０、集電体５１によりそれぞれ各カソード４０、アノード２７０を互いに電気的に接続することにより、基材２０で支持された電気化学素子の集合体として構成されている。各カソード４０および各アノード２７０が微細であるため、カソード４０と集電体５０、およびアノード２７０と集電体５１とを面内で均一に接触させることができ、接触抵抗の低減を図ることができる。このため、カソードおよびアノードの両方においてバンド締めなどの締め付け機構を用いることなく、燃料電池の集電性を向上させることができ、ひいては、燃料電池をさらに小型化することができる。
（実施の形態３）
図６は、実施の形態３に係る燃料電池１２の構成を示す断面図である。燃料電池１２は、基材２０に設けられた各貫通孔２２に、カソード４０、電解質膜２３０およびアノード２７０からなる電気化学素子がそれぞれ独立して形成されている点で、実施の形態２と共通する。以下、燃料電池１２について、実施の形態２と同様な構成については同一の符号を付して説明を省略し、実施の形態２と異なる構成について説明する。
【００４４】
実施の形態３に係る燃料電池１２では、各カソード４０を仕切るポリイミドフィルムなどの多孔性の基材２０の上に集電層３００が設けられている。集電層３００としては、白金、金、パラジウムなどの導電体を用いることができる。集電層３００の厚さは、たとえば、０．５〜３μｍとすることができる。集電層３００により、各カソード４０が互いに電気的に接続されている。
【００４５】
同様に、各アノード２７０を仕切る基材２０の上に集電層３１０が設けられている。集電層３１０としては、白金、金、パラジウムなどの導電体を用いることができる。集電層３１０の厚さは、たとえば、０．５〜３μｍとすることができる。集電層３１０により、各アノード２７０が互いに電気的に接続されている。
【００４６】
本実施の形態の構成によれば、金メッシュなどの集電体を用いることなく、基材により分断されたカソード、アノードをそれぞれ電気的に接続することができる。この結果、アノードおよびカソードの集電構造をより簡略化することにより、アノードおよびカソードの集電性能を向上させることができる。また、部品点数を削減することにより、製造コストをより低減することができる。
【００４７】
（製造方法）
まず、図７（Ａ）に示すように、基材２０として、規則的に配列された貫通孔２２を有する多孔質のポリイミドフィルムを用意する。貫通孔２２が規則的に配列されたポリイミドフィルムを形成する手段としては、周知のフォトリソグラフィ法およびエッチング法を組み合わせた方法が挙げられる。
【００４８】
次に、図７（Ｂ）に示すように、スパッタにより、基材２０の両主面に白金、金、パラジウムなどの導電体からなる集電層３００、集電層３１０をそれぞれ形成する。
【００４９】
次に、図７（Ｃ）に示すように、実施の形態２と同様に、各貫通孔２２に電解質膜２３０を形成する。
【００５０】
次に、図７（Ｄ）に示すように、実施の形態２と同様に、カソード４０を、各貫通孔２２において基材２０と電解質膜２３０とで囲まれたカソード領域に分離した状態で埋め込
む。また、アノード２７０を、各貫通孔２２において基材２０と電解質膜２３０とで囲まれたアノード領域に分離した状態で埋め込む。
【００５１】
（実施の形態４）
図８（Ａ）および図８（Ｂ）は、実施の形態４に係る燃料電池モジュール４００の構成を示す図である。本実施の形態の燃料電池モジュール４００は、複数の燃料電池（単セル）４１０（図８（Ａ）において、点線で囲まれた部分）が平面状に配列された構造を有する。各燃料電池４１０の基本的な構成は、実施の形態１と同様である。以下、燃料電池モジュール４００について、実施の形態１と同様な構成については同一の符号を付して説明を省略し、実施の形態１と異なる構成について説明する。
【００５２】
本実施の形態の燃料電池モジュール４００では、８個の電気化学素子が配置された１２個の燃料電池４１０が、平面状に配列されている。各燃料電池４１０において、電解質膜３０が貫通孔２２ごとに分離した状態で設けられている。また、各燃料電池４１０において、アノード７０が各電解質膜３０に接合しており、８個の電気化学素子の共通の電極となっている。複数の燃料電池４１０は、配線（図示せず）により電気的に直列に接続されている。
【００５３】
各燃料電池４１０において、カソード４０は、集電体５０により電気的に接続されている。集電体５０は、実施の形態１と同様に、固定部材６０と基材２０との間で固定されている。
【００５４】
隣接する燃料電池４１０の間に形成された少なくとも１つの貫通孔２２に、シリコンなどで形成された補強部材４２０が設けられている。補強部材４２０と、アノード側およびカソード側に設けられた筐体（図示せず）とを連結することにより、燃料電池モジュール４００の強度を向上させ、持ち運び時の破損を防ぐことができる。
【００５５】
（製造方法）
図９（Ａ）に示すように、六角形の貫通孔２２がハニカム状に設けられた基材２０を用意する（基材２０の平面構造は図８（Ａ）参照）。基材２０は、たとえば、ポリイミドフィルムにエキシマレーザを用いて穴空け加工を施すことにより得ることができる。
【００５６】
次に、図９（Ｂ）に示すように、補強部材を形成すべき貫通孔２２ａにマスク（図示せず）を設けた状態で、基材２０の一方の面に、バーコーター、スクリーン印刷法などを用いてナフィオン溶液４３０を塗布する。これにより、基材２０の一方の主面（カソード側）に複数の凹部が形成される。この後、９０℃に保持した状態で、ナフィオン塗布面の反対側からナフィオン溶液４３０を吸引し、ナフィオン溶液中の溶媒を除去する。これにより、基材２０に支持された電解質膜３０が形成される。
【００５７】
次に、図９（Ｃ）に示すように、基材２０の一方の主面に形成された複数の凹部に、白金黒、ナフィオンおよびテフロン（登録商標）ディスパージョンからなる触媒インク４４０をスクリーン印刷法により塗布する。これにより、電解質膜３０を底部とし、基材２０により仕切られた凹部に触媒インク４４０が充填され、触媒インク４４０がカソード４０として機能する。
【００５８】
次に、図９（Ｄ）に示すように、基材２０の他方の主面（アノード側）に白金ルテニウム黒およびナフィオンからなるアノード触媒層７２を表層に有するカーボンクロスからなるアノード基部７４をナフィオン塗布面に熱圧着し、アノード７０のアノード触媒層７２を電解質膜３０に接合させる。
【００５９】
次に、図９（Ｅ）に示すように、各燃料電池４１０のカソード４０の上に金メッシュなどの集電体５０を設置し、集電体５０の上に固定部材６０を設ける。図３（Ｆ）および図４で説明したような陽極接合により、集電体５０の隙間を通して固定部材６０を基材２０に融着させる。また、補強部材を形成すべき貫通孔２２ａに設けられたマスク（図示せず）を除去し、貫通孔２２ａにシリコンなどの補強部材４２０を詰め込む。
【００６０】
以上説明した製造方法によれば、持ち運び時に破損しにくい燃料電池モジュールを製造することができる。
【００６１】
（実施の形態５）
図１０は、実施の形態５に係る燃料電池モジュール５００の構成を示す図である。燃料電池モジュール５００は、複数の電気化学素子を有する２個の燃料電池（単セル）５１０が、平面状に配列された構造を有する。各燃料電池５１０の基本的な構成は、実施の形態３と同様である。以下、燃料電池モジュール５００について、実施の形態３と同様な構成については同一の符号を付して説明を省略し、実施の形態３と異なる構成について説明する。
【００６２】
本実施の形態の燃料電池モジュール５００では、隣接する燃料電池５１０の間に設けられた貫通孔２２ｂに導通部５２０が設けられている。導通部５２０は、一方の燃料電池５１０のアノードと、他方の燃料電池５１０のカソードとを電気的に接続する。
【００６３】
導通部５２０は、たとえば、Ｎｉ、Ａｕ、ＡｇまたはＰｔなどの金属を含有する導電性ペースト、Ｎｉ、Ａｕ、ＡｇまたはＰｔなどの金属からなる電解めっきを基材２０に設けられた貫通孔２２ｂに充填することにより形成することができる。
【００６４】
本実施形態によれば、電気化学素子の集合体を有する燃料電池を、簡便な構造により電気的に直列に接続することができる。
（製造方法）
図１１（Ａ）に示すように、基材２０の一方の主面において、導通部形成用として基材２０に設けられた貫通孔２２ｂの開口部分に位置し、かつ第１の燃料電池５１０ａ（図１１（Ａ）の右側）の外周に位置する基材２０の上にスクリーン印刷によりマスク５３０を形成する。同様に、基材２０の他方の主面において、貫通孔２２ｂの開口部分に位置し、かつ第２の燃料電池５１０ｂ（図１１（Ａ）の左側）の外周に位置する基材２０の上にスクリーン印刷によりマスク５４０を形成する。
【００６５】
次に、図１１（Ｂ）に示すように、スパッタにより、基材２０の両主面に白金、金、パラジウムなどの導電体からなる集電層３００、集電層３１０をそれぞれ形成する。
【００６６】
次に、図１１（Ｃ）に示すように、Ｎｉ、Ａｕ、ＡｇまたはＰｔなどの金属を含有する導電性ペースト、Ｎｉ、Ａｕ、ＡｇまたはＰｔなどの金属からなる電解めっきを基材２０に設けられた貫通孔２２ｂに充填し、導通部５２０を形成する。
【００６７】
次に、図１１（Ｄ）に示すように、実施の形態３と同様な工程により、各貫通孔２２に、カソード４０、電解質膜３０およびアノード２７０を形成する。
【符号の説明】
【００６８】
１０ 燃料電池、２０ 基材、３０ 電解質膜、４０ カソード、５０ 集電体、６０
固定部材、７０ アノード。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
両主面間に貫通する複数の貫通孔が設けられた絶縁性の基材と、
前記複数の貫通孔に埋め込まれた電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面に接合するアノードと、
前記電解質膜の他方の面に接合するカソードと、を備え、
前記アノードおよび前記カソードのうち一方が、前記絶縁性の基材の一方の主面側において、前記複数の貫通孔に分離した状態で埋め込まれている複数の電極素子からなり、
複数の電極素子を互いに電気的に接続する集電層が、前記絶縁性の基材上に形成されていることを特徴とする特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記集電層が白金、金またはパラジウムからなる導電体であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池が複数、平面的に配列され、各燃料電池が電気的に接続されていることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項４】
隣接する燃料電池の間に形成された貫通孔に導通部が設けられており、前記導通部は一方の燃料電池のアノードと他方の燃料電池のカソードとを電気的に接続していることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池モジュール。
【請求項５】
前記導通部は、Ｎｉ、Ａｕ、ＡｇまたはＰｔからなる金属またはそれらの金属を含有する導電性ペーストを前記絶縁性の基材に設けられた貫通孔に充填することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池モジュール。
【請求項６】
隣接する燃料電池の間に形成された貫通孔に補強部材が設けられていることを特徴とする請求項３項に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１】
両主面間に貫通する複数の貫通孔が設けられた絶縁性の基材と、
前記複数の貫通孔に埋め込まれた電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面に接合するアノードと、
前記電解質膜の他方の面に接合するカソードと、を備え、
前記アノードおよび前記カソードのうち一方が、前記絶縁性の基材の一方の主面側において、前記複数の貫通孔に分離した状態で埋め込まれている複数の電極素子からなり、
複数の電極素子を互いに電気的に接続する集電層が、前記絶縁性の基材上に形成されていることを特徴とする特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記集電層が白金、金またはパラジウムからなる導電体であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池が複数、平面的に配列され、各燃料電池が電気的に接続されていることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項４】
隣接する燃料電池の間に形成された貫通孔に導通部が設けられており、前記導通部は一方の燃料電池のアノードと他方の燃料電池のカソードとを電気的に接続していることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池モジュール。
【請求項５】
前記導通部は、Ｎｉ、Ａｕ、ＡｇまたはＰｔからなる金属またはそれらの金属を含有する導電性ペーストを前記絶縁性の基材に設けられた貫通孔に充填することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池モジュール。
【請求項６】
隣接する燃料電池の間に形成された貫通孔に補強部材が設けられていることを特徴とする請求項３項に記載の燃料電池モジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−２１６５５６（Ｐ２０１２−２１６５５６Ａ）
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１３５２９２（Ｐ２０１２−１３５２９２）
【出願日】平成２４年６月１５日（２０１２．６．１５）
【分割の表示】特願２００６−１５２６５３（Ｐ２００６−１５２６５３）の分割
【原出願日】平成１８年５月３１日（２００６．５．３１）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年６月１５日（２０１２．６．１５）
【分割の表示】特願２００６−１５２６５３（Ｐ２００６−１５２６５３）の分割
【原出願日】平成１８年５月３１日（２００６．５．３１）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【Ｆターム（参考）】
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