燃料電池
【課題】安定した高出力を得ることが可能な小型の燃料電池を提供する。
【解決手段】電解質膜１７と、電解質膜１７の一方の面に間隔をおいて配置された複数のアノード１３と、電解質膜１７の他方の面に間隔をおいて配置されアノード１３の各々と対向する複数のカソード１６と、を有する膜電極接合体１０と、二つ折りにされた絶縁フィルム２１と、絶縁フィルム２１の一方の面に形成されアノード１６の各々に積層された複数のアノード導電層ＡＤと、絶縁フィルム２１の一方の面に形成されカソード１６の各々に積層された複数のカソード導電層ＣＤと、絶縁フィルム２１の他方の面に形成された良導体層ＧＤＡと、を有する集電体２０と、を備えたことを特徴とする燃料電池。
【解決手段】電解質膜１７と、電解質膜１７の一方の面に間隔をおいて配置された複数のアノード１３と、電解質膜１７の他方の面に間隔をおいて配置されアノード１３の各々と対向する複数のカソード１６と、を有する膜電極接合体１０と、二つ折りにされた絶縁フィルム２１と、絶縁フィルム２１の一方の面に形成されアノード１６の各々に積層された複数のアノード導電層ＡＤと、絶縁フィルム２１の一方の面に形成されカソード１６の各々に積層された複数のカソード導電層ＣＤと、絶縁フィルム２１の他方の面に形成された良導体層ＧＤＡと、を有する集電体２０と、を備えたことを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、パーソナルコンピュータや携帯電話等の各種携帯用電子機器を長時間充電なしで使用可能とするために、これらの携帯用電子機器の電源に燃料電池を用いる試みがなされており、一部で市販が始まっている。このような燃料電池は、燃料と空気を供給するだけで発電することができ、燃料のみを補充・交換すれば連続して長時間発電可能であるという特徴を有している。このため、燃料電池は、小型化できれば、携帯用電子機器の電源として極めて有利なシステムとなりえる。
【０００３】
特に、メタノール（メチルアルコール）を燃料として用いる、直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：以下ＤＭＦＣと称する）は、エネルギー密度の高いメタノールを燃料として用いており、メタノールから電極触媒上で直接電流を取り出せるため、小型化が可能であり、また燃料の取り扱いも水素ガス燃料に比べて容易なことから、小型の携帯用電子機器の電源として有望視されている。
【０００４】
このような燃料電池では、単セルから得られる電圧が比較的低電圧であるため、複数の単セルを直列に接続して昇圧して使用する場合が多い。単セルを電気的に接続するための集電体として、種々の構成が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２０００６４号公報
【特許文献２】特開２００９−３８００９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本実施形態の目的は、安定した高出力を得ることが可能な燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本実施形態によれば、
電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に間隔をおいて配置された複数のアノードと、前記電解質膜の他方の面に間隔をおいて配置され前記アノードの各々と対向する複数のカソードと、を有する膜電極接合体と、二つ折りにされた絶縁フィルムと、前記絶縁フィルムの一方の面に形成され前記アノードの各々に積層された複数のアノード導電層と、前記絶縁フィルムの一方の面に形成され前記カソードの各々に積層された複数のカソード導電層と、前記絶縁フィルムの他方の面に形成された良導体層と、を有する集電体と、を備えたことを特徴とする燃料電池が提供される。
【０００８】
本実施形態によれば、
アノードとカソードとの間に電解質膜が配置された膜電極接合体と、前記膜電極接合体の前記アノード側に配置された燃料供給機構と、前記膜電極接合体の前記カソード側に配置されたカバー部材と、二つ折りにされた絶縁フィルムと、前記絶縁フィルムの一方の面に形成され前記アノードに積層されたアノード導電層と、前記絶縁フィルムの一方の面に形成され前記カソードに積層されたカソード導電層と、前記アノード導電層と前記燃料供給機構との間及び前記カソード導電層と前記カバー部材との間の少なくとも一方に位置する前記絶縁フィルムの他方の面に形成され前記膜電極接合体の熱を拡散する良導体層と、を有する集電体と、を備えたことを特徴とする燃料電池が提供される。
【０００９】
本実施形態によれば、
電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に間隔をおいて２×２のマトリクス状に配置された４個のアノードと、前記電解質膜の他方の面に間隔をおいて２×２のマトリクス状に配置され前記アノードの各々と対向する４個のカソードと、を有する膜電極接合体と、二つ折りにされスルーホールが形成された絶縁フィルムと、前記絶縁フィルムの一方の面に形成され前記アノードの各々に積層された４個のアノード導電層と、前記絶縁フィルムの一方の面に形成され前記カソードの各々に積層された４個のカソード導電層と、前記絶縁フィルムの他方の面に形成され前記スルーホールを介して前記アノード導電層の１つと前記カソード導電層の１つとを電気的に接続する良導体層と、を有する集電体と、を備えたことを特徴とする燃料電池が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本実施形態による燃料電池の構成を概略的に示す図である。
【図２】図２は、図１に示した燃料電池を構成する膜電極接合体の一例を概略的に示す斜視図である。
【図３】図３は、図１に示した燃料電池を構成する集電体の一例を概略的に示す平面図である。
【図４】図４は、図２に示した例の膜電極接合体を、図３に示した例の集電体で挟持した状態を概略的に示す断面図である。
【図５】図５は、図３に示した集電体の裏面の形状の一例を概略的に示す平面図である。
【図６】図６は、本実施形態による燃料電池のバリエーションを説明するための概略断面図である。
【図７】図７は、本実施形態による燃料電池のバリエーションを説明するための概略断面図である。
【図８】図８は、本実施形態による燃料電池のバリエーションを説明するための概略断面図である。
【図９】図９は、本実施形態による燃料電池と、良導体層を配置しなかった比較例の燃料電池との出力及び温度差の比較結果を示す図である。
【図１０】図１０は、図１に示した燃料電池を構成する膜電極接合体の他の例を概略的に示す斜視図である。
【図１１】図１１は、図１に示した燃料電池を構成する集電体の他の例を概略的に示す平面図である。
【図１２】図１２は、図１１に示した例の集電体の良導電層ＪＢ１を含む構造を概略的に示す断面図である。
【図１３】図１３は、図１１に示した例の集電体の良導電層ＪＢ２を含む構造を概略的に示す断面図である。
【図１４】図１４は、良導体層を保護する保護膜を備えた構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、同一又は類似した機能を発揮する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１２】
図１は、本実施形態による燃料電池１の構成を概略的に示す図である。
【００１３】
燃料電池１は、膜電極接合体（ＭＥＡ）１０と、集電体２０と、燃料供給機構３０と、カバー部材４０と、を備えている。
【００１４】
膜電極接合体１０は、アノード（燃料極）１３とカソード（空気極あるいは酸化剤極）１６との間に電解質膜１７が配置された構成である。アノード１３は、電解質膜１７の一方の面１７Ａに複数個配置されている。カソード１６は、電解質膜１７の他方の面１７Ｃに複数個配置されている。電解質膜１７は、プロトン（水素イオン）伝導性を有する材料によって形成されている。
【００１５】
アノード１３は、電解質膜１７の一方の面１７Ａに配置されたアノード触媒層１１を有しており、図示した例では、さらに、アノード触媒層１１に積層されたアノードガス拡散層１２を有している。カソード１６は、電解質膜１７の他方の面１７Ｃに配置されたカソード触媒層１４を有しており、図示した例では、さらに、カソード触媒層１４に積層されたカソードガス拡散層１５を有している。なお、これらのアノードガス拡散層１２及びカソードガス拡散層１５は、後述する集電体２０に含まれていても良い。
【００１６】
発電要素である１個の単セルは、電解質膜１７を挟んで対向する１個のアノード１３と１個のカソード１６とによって構成されている。本実施形態の膜電極接合体１０は、複数個の単セルが平面的に並んだ構成である。これらの単セルは、膜電極接合体１０を挟持する集電体２０により、電気的に直列に接続されている。
【００１７】
集電体２０は、二つ折りにされた絶縁フィルム２１、アノード導電層ＡＤ、カソード導電層ＣＤ、及び、良導体層ＧＤＡ及びＧＤＣを有している。アノード導電層ＡＤ及びカソード導電層ＣＤは、絶縁フィルム２１の一方の面２１Ａに形成されている。良導体層ＧＤＡ及びＧＤＣは、絶縁フィルム２１の他方の面２１Ｂに形成されている。
【００１８】
絶縁フィルム２１は、電気的に絶縁性を有するとともに、使用する燃料（例えばメタノール）などに対する耐腐食性を有する材料によって形成され、例えば、ポリイミドなどの各種樹脂フィルムによって形成されている。アノード導電層ＡＤ及びカソード導電層ＣＤは、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、もしくは、アルミニウム、銀、ニッケル、銅を含む合金などの低抵抗な金属材料によって形成されている。
【００１９】
アノード導電層ＡＤは、アノード１３に積層されている。図示した例では、アノード導電層ＡＤは、アノードガス拡散層１２に積層されている。このアノード導電層ＡＤには、アノード１３に向けて発電反応に必要な燃料の供給を可能とする開口部ＡＨが形成されている。
【００２０】
カソード導電層ＣＤは、カソード１６に積層されている。図示した例では、カソード導電層ＣＤは、カソードガス拡散層１５に積層されている。このカソード導電層ＣＤには、カソード１６に向けて発電反応に必要な酸素の供給を可能とするとともに発電反応に伴って生成された二酸化炭素や過剰な水蒸気などの気体の外部への排出を可能とする開口部ＣＨが形成されている。
【００２１】
良導体層ＧＤＡは、アノード導電層ＡＤの背面側に配置されている。つまり、この良導体層ＧＤＡは、アノード導電層ＡＤと燃料供給機構３０との間に配置されている。良導体層ＧＤＣは、カソード導電層ＣＤの背面側に配置されている。つまり、この良導体層ＧＤＣは、カソード導電層ＣＤとカバー部材４０との間に配置されている。
【００２２】
膜電極接合体１０は、電解質膜１７の一方の面１７Ａと集電体２０との間及び電解質膜１７の他方の面１７Ｃと集電体２０との間にそれぞれ挟持されたゴム製のＯリング等のシール部材１８によってシールされている。これにより、膜電極接合体１０からの燃料漏れや酸化剤漏れが防止されている。なお、膜電極接合体１０において、電解質膜１７には、１個乃至複数個のガス排出孔（図示せず）を設けても良い。このようなガス排出孔は、アノード触媒層１１及びカソード触媒層１４にともに接しておらず、且つ、シール部材１８によって囲まれた内側に相当する位置に形成されている。
【００２３】
燃料供給機構３０は、膜電極接合体１０のアノード１３に向けて燃料を供給するものである。この燃料供給機構３０は、膜電極接合体１０のアノード１３の側に配置されている。このような燃料供給機構３０は、液体燃料Ｆを収容する燃料収容部５に流路６を介して接続されている。
【００２４】
燃料収容部５には、膜電極接合体１０に応じた液体燃料Ｆが収容されている。液体燃料Ｆとしては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。なお、液体燃料Ｆは、必ずしもメタノール燃料に限られるものではない。液体燃料Ｆは、例えば、エタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の液体燃料Ｆであってもよい。いずれにしても、燃料収容部５には、膜電極接合体１０に応じた液体燃料Ｆが収容される。
【００２５】
また、図示した例では、燃料収容部５と燃料供給機構３０との間の流路６には、ポンプ７が介在している。このポンプ７は、燃料収容部５に収容された液体燃料Ｆを燃料供給機構３０まで強制的に送液するものであり、燃料を循環させる循環ポンプではない。燃料供給機構３０に供給された燃料は、膜電極接合体１０に向けて供給され、発電反応に使用され、その後に循環して燃料収容部５に戻されることはない。ポンプ７の種類は、特に限定されるものではないが、少量の液体燃料Ｆを制御性よく送液することができ、さらに小型軽量化が可能なものが好ましい。このようなポンプ７は、図示しない制御基板から送られた信号に基づいて作動し、膜電極接合体１０の温度を略一定に保つように制御されている。
【００２６】
本実施形態において適用される燃料供給機構３０は、膜電極接合体１０のアノード１３に対して燃料を供給するように構成されたものであれば、特定の構成に限定されるものではない。以下に、燃料供給機構３０の一例について説明する。
【００２７】
すなわち、燃料供給機構３０は、箱状に形成された容器３１、及び、膜電極接合体１０のアノード１３の面方向（つまり、図中のＸ−Ｙ平面内の方向）に燃料を分散並びに拡散させつつ供給する燃料分配板３２を備えている。燃料分配板３２は、容器３１の内側に形成された凹部に配置されている。この燃料分配板３２は、平板状に形成されている。このような燃料分配板３２には、複数の燃料排出口３３が形成されている。このような燃料分配板３２は、燃料収容部５から容器３１の燃料導入口に供給された液体燃料をアノード１３に向けて燃料排出口３３から排出する。
【００２８】
また、この燃料供給機構３０は、燃料分配板３２と膜電極接合体１０のアノード１３との間に、液体燃料とその気化成分とを分離し気化成分を膜電極接合体１０に向けて透過させる気液分離膜、液体燃料を面方向に拡散させる拡散板、液体燃料の供給量を制御する絞り板などの各種フィルム部材３４が配置されている。
【００２９】
カバー部材４０は、膜電極接合体１０のカソード１６の側に配置されている。つまり、膜電極接合体１０は、燃料供給機構３０とカバー部材４０との間に保持されている。このカバー部材４０は、例えば、板状に形成されている。カバー部材４０には、複数の開口部４０Ｈが形成されている。これらの開口部４０Ｈは、いずれもカソード１６の上方に位置しており、カソード１６に向けて空気を供給するためのものである。
【００３０】
このようなカバー部材４０と集電体２０との間には、通気性を有する絶縁材料によって形成された板状体１９が配置されている。この板状体１９は、主に保湿層として機能する。すなわち、この板状体１９は、カソード触媒層１４で生成された水の一部が含浸されて水の蒸散を抑制するとともに、カバー部材４０の開口部４０Ｈから取り込んだ空気のカソード触媒層１４への取入れ量を調整し且つ空気の均一拡散を促進するものである。
【００３１】
図２は、図１に示した燃料電池１を構成する膜電極接合体１０の一例を概略的に示す斜視図である。
【００３２】
膜電極接合体１０は、単一の電解質膜１７の一方の面１７Ａに間隔をおいて配置された４個のアノード１３１乃至１３４と、電解質膜１７の他方の面１７Ｃに間隔をおいて配置された４個のカソード１６１乃至１６４と、を備えている。アノード１３１はカソード１６１と対向し、アノード１３２はカソード１６２と対向し、アノード１３３はカソード１６３と対向し、アノード１３４はカソード１６４と対向している。
【００３３】
これらのアノード１３１乃至１３４とカソード１６１乃至１６４との各組み合わせは、それぞれ電解質膜１７を挟持し、単セルＣをなしている。図示した例では、アノード１３１とカソード１６１との組み合わせが単セルＣ１をなし、同様にして、アノード１３２とカソード１６２との組み合わせが単セルＣ２をなし、アノード１３３とカソード１６３との組み合わせが単セルＣ３をなし、アノード１３４とカソード１６４との組み合わせが単セルＣ４をなしている。
【００３４】
これらの単セルＣ１乃至Ｃ４は、略同等のサイズであるとともに略同一の形状である。ここでは、単セルＣ１乃至Ｃ４の各々（あるいはアノード１３１乃至１３４の各々、あるいはカソード１６１乃至１６４の各々）は、第１方向Ｘに延出した長辺を有するとともに、第１方向Ｘに直交する第２方向Ｙに延出した短辺を有する長方形状である。これらの単セルＣ１乃至Ｃ４は、第２方向Ｙに間隔をおいて並んで配置されている。
【００３５】
図３は、図１に示した燃料電池１を構成する集電体２０の一例を概略的に示す平面図である。
【００３６】
集電体２０の絶縁フィルム２１は、膜電極接合体１０の外形寸法の概ね２倍の面積を有しており、膜電極接合体１０における単セルの並び方向（つまり第２方向Ｙ）とは直交する第１方向Ｘに延出している。この絶縁フィルム２１は、図中の位置（折り曲げ線）Ｂに沿って二つ折りに折り曲げられる。
【００３７】
アノード導電層ＡＤ及びカソード導電層ＣＤは、絶縁フィルム２１の一方の面２１Ａに形成されている。アノード導電層ＡＤは、膜電極接合体１０のアノード１３と同数であり、４個のアノード導電層ＡＤ１乃至ＡＤ４からなる。また、カソード導電層ＣＤは、膜電極接合体１０のカソード１６と同数であり、４個のカソード導電層ＣＤ１乃至ＣＤ４からなる。
【００３８】
アノード導電層ＡＤ１乃至ＡＤ４は、それぞれ第１方向Ｘに沿って延出し、第２方向Ｙに所定の間隔をおいて並んで配置されている。アノード導電層ＡＤ１乃至ＡＤ４の各々には、絶縁フィルム２１を貫通した複数の開口部ＡＨが形成されている。カソード導電層ＣＤ１乃至ＣＤ４は、それぞれ第１方向Ｘに沿って延出し、第２方向Ｙに所定の間隔をおいて並んで配置されている。カソード導電層ＣＤ１乃至ＣＤ４の各々には、絶縁フィルム２１を貫通した複数の開口部ＣＨが形成されている。
【００３９】
このような集電体２０には、アノード端子ＴＡ及びカソード端子ＴＣが接続されている。アノード端子ＴＡは、アノード導電層ＡＤ１に接続されている。カソード端子ＴＣは、カソード導電層ＣＤ４に接続されている。これらのアノード端子ＴＡ及びカソード端子ＴＣは、それぞれ集電した電子を外部に取り出す出力端子として機能する。
【００４０】
アノード端子ＴＡ及びカソード端子ＴＣに接続されていないアノード導電層ＡＤ２乃至ＡＤ４及びカソード導電層ＣＤ１乃至ＣＤ３は、それぞれ接続体Ｊによって電気的に接続されている。図示した例では、アノード導電層ＡＤ２及びカソード導電層ＣＤ１は、接続体Ｊ１によって接続されている。同様に、アノード導電層ＡＤ３及びカソード導電層ＣＤ２は、接続体Ｊ２によって接続され、アノード導電層ＡＤ４及びカソード導電層ＣＤ３は、接続体Ｊ３によって接続されている。これらの接続体Ｊ１乃至Ｊ３は、絶縁フィルム２１の一方の面２１Ａに形成されている。
【００４１】
このような集電体２０は、二つ折りに折り曲げられ、図２に示したような構成の膜電極接合体１０を挟持する。
【００４２】
図４は、図２に示した例の膜電極接合体１０を、図３に示した例の集電体２０で挟持した状態を概略的に示す断面図である。なお、ここでは、説明に必要な構成のみを図示していている。
【００４３】
膜電極接合体１０の単セルＣ１は、集電体２０のアノード導電層ＡＤ１とカソードＣＤ１とで挟持されている。つまり、アノード導電層ＡＤ１はアノード１３１に積層され、また、カソード導電層ＣＤ１はカソード１６１に積層されている。同様に、単セルＣ２のアノード１３２にはアノード導電層ＡＤ２が積層され、カソード１６２にはカソード導電層ＣＤ２が積層されている。単セルＣ３のアノード１３３にはアノード導電層ＡＤ３が積層され、カソード１６３にはカソード導電層ＣＤ３が積層されている。単セルＣ４のアノード１３４にはアノード導電層ＡＤ４が積層され、カソード１６４にはカソード導電層ＣＤ４が積層されている。
【００４４】
図５は、図３に示した集電体２０の裏面の形状の一例を概略的に示す平面図である。
【００４５】
良導体層ＧＤＡ及びＧＤＣの各々は、絶縁フィルム２１の他方の面２１Ｂに形成されている。ここでは、絶縁フィルム２１の一方の面側に形成された４個のアノード導電層ＡＤ１乃至ＡＤ４及び４個のカソード導電層ＣＤ１乃至ＣＤ４の外形をそれぞれ破線で示している。なお、ここに示した良導体層ＧＤＡ及びＧＤＣは、いずれもアノード導電層ＡＤ１乃至ＡＤ４及びカソード導電層ＣＤ１乃至ＣＤ４とは電気的に絶縁されている。
【００４６】
良導体層ＧＤＡは、４個のアノード導電層ＡＤ１乃至ＡＤ４の各々の背面側に配置されている。図示した例では、良導体層ＧＤＡは単一であり、アノード導電層ＡＤ１乃至ＡＤ４に対して共通に配置されている。つまり、良導体層ＧＤＡは、アノード導電層ＡＤ１乃至ＡＤ４の各々の背面側だけでなく、隣り合うアノード導電層ＡＤ１とＡＤ２との間、ＡＤ２とＡＤ３との間、及び、ＡＤ３とＡＤ４との間の各々の背面側にも配置された一連の層として形成されている。
【００４７】
また、この良導体層ＧＤＡは、４個のアノード導電層ＡＤ１乃至ＡＤ４が形成された領域の外形（図中の破線）よりも大きな外形を有しており、アノード導電層ＡＤ１乃至ＡＤ４の各々の端部よりも外方に延在している。つまり、良導体層ＧＤＡの端部は、アノード導電層ＡＤ１乃至ＡＤ４の各々の端部よりも絶縁フィルム２１の端部に近接している。図示した例では、良導体層ＧＤＡは、開口部ＡＨを除いて絶縁フィルム２１の右側半分の略全体に亘って配置されている。
【００４８】
良導体層ＧＤＣは、４個のカソード導電層ＣＤ１乃至ＣＤ４の各々の背面側に配置されている。図示した例では、良導体層ＧＤＣは単一であり、カソード導電層ＣＤ１乃至ＣＤ４に対して共通に配置されている。つまり、良導体層ＧＤＣは、カソード導電層ＣＤ１乃至ＣＤ４の各々の背面側だけでなく、隣り合うカソード導電層ＣＤ１とＣＤ２との間、ＣＤ２とＣＤ３との間、及び、ＣＤ３とＣＤ４との間の各々の背面側にも配置された一連の層として形成されている。
【００４９】
また、この良導体層ＧＤＣは、４個のカソード導電層ＣＤ１乃至ＣＤ４が形成された領域の外形（図中の破線）よりも大きな外形を有しており、カソード導電層ＣＤ１乃至ＣＤ４の各々の端部よりも外方に延在している。つまり、良導体層ＧＤＣの端部は、カソード導電層ＣＤ１乃至ＣＤ４の各々の端部よりも絶縁フィルム２１の端部に近接している。図示した例では、良導体層ＧＤＣは、開口部ＣＨを除いて絶縁フィルム２１の左側半分の略全体に亘って配置されている。
【００５０】
本実施形態において、膜電極接合体１０に向けて燃料及び酸素を供給し発電を開始すると、膜電極接合体１０のアノード側においては発電反応に伴って発熱する一方で、膜電極接合体１０のカソード側においては燃料がアノード側からカソード側にリークするクロスオーバに起因した燃焼反応に伴って発熱する。
【００５１】
膜電極接合体１０の面内では、上述した発熱により、その中央部付近が高温となりその周辺部が低温となるといった温度勾配が形成される。このような温度勾配は、膜電極接合体１０の中央部と周辺部とで燃料の透過量や触媒活性の差を生み、単セル間の発電量に差を生じさせる原因となりうる。図２に示した例の膜電極接合体１０では、中央部に近い単セルＣ２及びＣ３では比較的高い発電量が得られるのに対して、周辺部に近い単セルＣ１及びＣ４では単セルＣ２及びＣ３ほどの発電量が得られない。
【００５２】
本実施形態によれば、良導体層ＧＤＡ及びＧＤＣは、膜電極接合体１０の熱を拡散する熱伝導体として機能する。良導体層ＧＤＡは、膜電極接合体１０のアノード側において、その中央部から周辺部に向けて熱を拡散する。また、良導体層ＧＤＣは、膜電極接合体１０のカソード側において、その中央部から周辺部に向けて熱を拡散する。膜電極接合体１０の周辺部では、燃料電池１を構成する各種部材などを介して放熱される。
【００５３】
これにより、膜電極接合体１０の面内での温度勾配を緩和し、単セルＣ１乃至Ｃ４のいずれにおいても略同等の発電量を得ることが可能となる。また、放熱が促進され、膜電極接合体１０の温度を適温に維持することが可能となる。したがって、安定した高出力を得ることが可能となる。
【００５４】
また、本実施形態によれば、４個のアノード導電層ＡＤ１乃至ＡＤ４に対して、単一の良導体層ＧＤＡが配置されている。また、４個のカソード導電層ＣＤ１乃至ＣＤ４に対して、単一の良導体層ＧＤＣが配置されている。これらの良導体層ＧＤＡ及びＧＤＣは、隣接する単セル間で熱を拡散するための熱伝導パスを形成するため、複数の単セル間に亘って連続的に熱を拡散させ、しかも、膜電極接合体１０の中央部から周辺部に向けて放射状に熱を拡散させることが可能となる。
【００５５】
また、本実施形態によれば、良導体層ＧＤＡは、アノード導電層ＡＤ１乃至ＡＤ４が形成された領域の外形よりも大きな外形を有している。また、良導体層ＧＤＣは、カソード導電層ＣＤ１乃至ＣＤ４が形成された領域の外形よりも大きな外形を有している。このため、これらの良導体層ＧＤＡ及びＧＤＣは、膜電極接合体１０の中央部の熱を、より放熱されやすい周辺部に向けて拡散させることが可能となる。
【００５６】
本実施形態においては、良導体層ＧＤＡ及びＧＤＣは、主として熱伝導性の高い材料、例えば、銅もしくは銅を含む合金によって形成されている。
【００５７】
なお、上記の例では、良導体層がアノード導電層の背面側及びカソード導電層の背面側のそれぞれに配置されたが、本実施形態で適用した良導体層は、アノード導電層の背面側及びカソード導電層の背面側の少なくとも一方の側に配置されていれば良い。以下に、良導体層の配置のバリエーションについて説明する。以下に示すバリエーションでは、説明に必要な構成のみを図示することとする。
【００５８】
図６乃至図８は、本実施形態による燃料電池１のバリエーションを説明するための概略断面図である。
【００５９】
図６に示した例では、集電体２０は、アノード導電層ＡＤの背面側に配置された１つの良導体層ＧＤＡを有している。つまり、絶縁フィルム２１の他方の面２１Ｂには、良導体層ＧＤＡが形成されているが、カソード導電層ＣＤの背面側には良導体層は形成されていない。このような良導体層ＧＤＡは、膜電極接合体１０の少なくともアノード１３の側の熱を拡散する。
【００６０】
図７に示した例では、集電体２０は、カソード導電層ＣＤの背面側に配置された１つの良導体層ＧＤＣを有している。つまり、絶縁フィルム２１の他方の面２１Ｂには、良導体層ＧＤＣが形成されているが、アノード導電層ＡＤの背面側には良導体層は形成されていない。このような良導体層ＧＤＣは、膜電極接合体１０の少なくともカソード１６の側の熱を拡散する。
【００６１】
図８に示した例では、集電体２０は、アノード導電層ＡＤの背面側及びカソード導電層ＣＤの背面側に配置された１つの良導体層ＧＤを有している。つまり、良導体層ＧＤは、絶縁フィルム２１の他方の面２１Ｂの略全面に形成され、二つ折りにされる絶縁フィルム２１の折り曲げ部分にも延在している。このような良導体層ＧＤは、膜電極接合体１０のアノード１３の側及びカソード１６の側の熱を拡散する。
【００６２】
これらの各種バリエーションによれば、良導体層を配置しなかった場合と比較して、高出力を得ることが可能である。
【００６３】
図９は、本実施形態による燃料電池と、良導体層を配置しなかった比較例の燃料電池との出力及び温度差の比較結果を示す図である。
【００６４】
燃料電池Ａは、比較例の燃料電池に相当する。この燃料電池Ａは、良導体層を配置しなかった集電体を適用する以外は本実施形態と同一構成である。燃料電池Ｂは、図７に示した本実施形態のバリエーションに相当する。この燃料電池Ｂは、カソード側のみに良導体層ＧＤＣを有する集電体を適用している。燃料電池Ｃは、図６に示した本実施形態のバリエーションに相当する。この燃料電池Ｃは、アノード側のみに良導体層ＧＤＡを有する集電体を適用している。燃料電池Ｄは、図１などに示した本実施形態のバリエーションに相当する。この燃料電池Ｄは、アノード側及びカソード側の双方に良導体層ＧＤＡ及びＧＤＣを有する集電体を適用している。燃料電池Ｅは、図８に示した本実施形態のバリエーションに相当する。この燃料電池Ｅは、アノード側及びカソード側の双方及び絶縁フィルムの折り曲げ部に亘り良導体層ＧＤを有する集電体を適用している。
【００６５】
ここでは、いずれの構成の燃料電池Ａ乃至Ｅについても同一条件で運転し、所定の運転時間が経過したときに、得られた出力を測定し、また、膜電極接合体のカソード側の中央部及び周辺部でそれぞれ表面温度を測定した。出力の比較結果は、燃料電池Ａによって得られた出力を１としたとき、本実施形態による各々の燃料電池Ｂ乃至Ｅによって得られた出力の相対値を示している。また、温度の比較結果は、燃料電池Ａ乃至Ｅの各々における膜電極接合体の中央部での表面温度と周辺部での表面温度との温度差（℃）を示している。
【００６６】
燃料電池Ａによれば、相対出力は１であり、温度差は５．４℃であった。
【００６７】
燃料電池Ｂによれば、相対出力は１．０６５であり、燃料電池Ａに対して６．５％の出力アップが確認された。また、この燃料電池Ｂによれば、温度差は５．０℃であり、燃料電池Ａよりも温度勾配が緩和されることが確認された。
【００６８】
燃料電池Ｃによれば、相対出力は１．１０４であり、燃料電池Ａに対して１０．４％の出力アップが確認された。また、この燃料電池Ｃによれば、温度差は４．５℃であり、燃料電池Ａ及びＢよりも温度勾配が緩和されることが確認された。
【００６９】
燃料電池Ｄによれば、相対出力は１．１１７であり、燃料電池Ａに対して１１．７％の出力アップが確認された。また、この燃料電池Ｄによれば、温度差は４．２℃であり、燃料電池Ａ乃至Ｃよりも温度勾配が緩和されることが確認された。
【００７０】
燃料電池Ｅによれば、相対出力は１．０５４であり、燃料電池Ａに対して５．４％の出力アップが確認された。また、この燃料電池Ｅによれば、中央部と折り曲げ部側周辺部との温度差は３．６℃であり、また、中央部とカソード端子側周辺部との温度差は４．８℃であり、燃料電池Ａよりも温度勾配が緩和されることが確認された。
【００７１】
次に、他の実施形態について説明する。ここでは、４個の単セルＣ１乃至Ｃ４がマトリクス状に平面配置された構成について説明する。
【００７２】
図１０は、図１に示した燃料電池１を構成する膜電極接合体１０の他の例を概略的に示す斜視図である。
【００７３】
膜電極接合体１０は、単一の電解質膜１７の一方の面１７Ａに間隔をおいて配置された４個のアノード１３１乃至１３４と（アノード１３４は図示なし）、電解質膜１７の他方の面１７Ｃに間隔をおいて配置された４個のカソード１６１乃至１６４と、を備えている。
【００７４】
特に、ここに示した例では、これらのアノード１３１乃至１３４は第１方向Ｘ及び第２方向Ｙにそれぞれ２個ずつ並べた２×２のマトリクス状に配置されており、また、カソード１６１乃至１６４は第１方向Ｘ及び第２方向Ｙにそれぞれ２個ずつ並べた２×２のマトリクス状に配置されており、この点で図２に示した例と相違している。
【００７５】
アノード１３１はカソード１６１と対向し、これらの組み合わせが単セルＣ１をなしている。アノード１３２はカソード１６２と対向し、これらの組み合わせが単セルＣ２をなしている。アノード１３３はカソード１６３と対向し、これらの組み合わせが単セルＣ３をなしている。アノード１３４はカソード１６４と対向し、これらの組み合わせが単セルＣ４をなしている。
【００７６】
図１１は、図１に示した燃料電池１を構成する集電体２０の他の例を概略的に示す平面図である。
【００７７】
集電体２０の絶縁フィルム２１は、膜電極接合体１０の外形寸法の概ね２倍の面積を有している。４個のアノード導電層ＡＤ１乃至ＡＤ４及び４個のカソード導電層ＣＤ１乃至ＣＤ４は、絶縁フィルム２１の一方の面２１Ａに形成されている。
【００７８】
アノード導電層ＡＤ１乃至ＡＤ４は、所定の間隔をおいて２×２のマトリクス状に並んで配置されている。図示した例では、アノード導電層ＡＤ２は、アノード導電層ＡＤ１と所定の間隔をおいて第１方向Ｘに並んで配置されている。アノード導電層ＡＤ３は、アノード導電層ＡＤ２と所定の間隔をおいて第２方向Ｙに並んで配置されている。アノード導電層ＡＤ４は、アノード導電層ＡＤ１と所定の間隔をおいて第２方向Ｙに並び、アノード導電層ＡＤ３と所定の間隔をおいて第１方向Ｘに並んで配置されている。アノード導電層ＡＤ１乃至ＡＤ４の各々には、絶縁フィルム２１を貫通した複数の開口部ＡＨが形成されている。
【００７９】
カソード導電層ＣＤ１乃至ＣＤ４は、所定の間隔をおいて２×２のマトリクス状に並んで配置されている。図示した例では、カソード導電層ＣＤ２は、カソード導電層ＣＤ１と所定の間隔をおいて第１方向Ｘに並んで配置されている。カソード導電層ＣＤ３は、カソード導電層ＣＤ２と所定の間隔をおいて第２方向Ｙに並んで配置されている。カソード導電層ＣＤ４は、カソード導電層ＣＤ１と所定の間隔をおいて第２方向Ｙに並び、カソード導電層ＣＤ３と所定の間隔をおいて第１方向Ｘに並んで配置されている。カソード導電層ＣＤ１乃至ＣＤ４の各々には、絶縁フィルム２１を貫通した複数の開口部ＣＨが形成されている。
【００８０】
絶縁フィルム２１は、図中の位置（折り曲げ線）Ｂに沿って、アノード導電層ＡＤ１乃至ＡＤ４とカソード導電層ＣＤ１乃至ＣＤ４とが向かい合うように二つ折りに折り曲げられる。このとき、アノード導電層ＡＤ１の上方にはカソード導電層ＣＤ１が位置し、アノード導電層ＡＤ２の上方にはカソード導電層ＣＤ２が位置し、アノード導電層ＡＤ３の上方にはカソード導電層ＣＤ３が位置し、アノード導電層ＡＤ４の上方にはカソード導電層ＣＤ４が位置する。
【００８１】
アノード端子ＴＡは、アノード導電層ＡＤ１に接続されている。カソード端子ＴＣは、カソード導電層ＣＤ４に接続されている。カソード導電層ＣＤ１とアノード導電層ＡＤ２とは、絶縁フィルム２１の他方の面２１Ｂに形成された良導体層ＪＢ１によって電気的に接続されている。カソード導電層ＣＤ２とアノード導電層ＡＤ３とは、絶縁フィルム２１の一方の面２１Ａに形成された接続体ＪＡによって電気的に接続されている。カソード導電層ＣＤ３とアノード導電層ＡＤ４とは、絶縁フィルム２１の他方の面２１Ｂに形成された良導体層ＪＢ２によって電気的に接続されている。
【００８２】
良導体層ＪＢ１及びＪＢ２は、離間しており、互いに電気的に絶縁されている。なお、ここでは、これらの良導体層ＪＢ１及びＪＢ２については詳述しないが、互いに電気的に絶縁されていれば、どのようなレイアウトであっても良い。例えば、良導体層ＪＢ１は、先に説明した例の良導体層ＧＤＣのように、４個のカソード導電層ＣＤ１乃至ＣＤ４の各々の背面側に配置されていてもよい。同様に、良導体層ＪＢ２は、先に説明した例の良導体層ＧＤＡのように、４個のアノード導電層ＡＤ１乃至ＡＤ４の各々の背面側に配置されていてもよい。
【００８３】
このような集電体２０は、図中の位置（折り曲げ線）Ｂに沿って二つ折りに折り曲げられ、図１０に示した膜電極接合体１０を挟持する。このとき、単セルＣ１はアノード導電層ＡＤ１とカソード導電層ＣＤ１との間に挟持され、単セルＣ２はアノード導電層ＡＤ２とカソード導電層ＣＤ２との間に挟持され、単セルＣ３はアノード導電層ＡＤ３とカソード導電層ＣＤ３との間に挟持され、単セルＣ４はアノード導電層ＡＤ４とカソード導電層ＣＤ４との間に挟持される。単セルＣ１と単セルＣ２とは良導体層ＪＢ１を介して電気的に接続され、単セルＣ２と単セルＣ３とは接続体ＪＡを介して電気的に接続され、単セルＣ３と単セルＣ４とは良導体層ＪＢ２を介して電気的に接続される。
【００８４】
このように、ここに示した例では、絶縁フィルム２１の他方の面２１Ｂに形成された良導体層ＪＢ１及びＪＢ２は、絶縁フィルム２１の一方の面２１Ａに形成されたアノード導電層の１つとカソード導電層の１つとを電気的に接続する接続体として機能する。
【００８５】
図１２は、図１１に示した例の集電体２０の良導体層ＪＢ１を含む構造を概略的に示す断面図である。
【００８６】
絶縁フィルム２１には、一方の面２１Ａから他方の面２１Ｂまで貫通するスルーホールＴＨ１及びＴＨ２が形成されている。なお、図示した例では、スルーホールＴＨ１及びＴＨ２のそれぞれは単一であるが、微細なスルーホールの集合体であっても良い。
【００８７】
絶縁フィルム２１の一方の面２１Ａに形成されたカソード導電層ＣＤ１はスルーホールＴＨ１に延在し、アノード導電層ＡＤ２はスルーホールＴＨ２に延在している。絶縁フィルム２１の他方の面２１Ｂに形成された良導体層ＪＢ１は、カソード導電層ＣＤ１の背面側からスルーホールＴＨ１に延在するとともに、カソード導電層ＣＤ２の背面側及びアノード導電層ＡＤ２の背面側を通り、スルーホールＴＨ２に延在している。これにより、良導体層ＪＢ１は、カソード導電層ＣＤ１とアノード導電層ＡＤ２とを電気的に接続している。
【００８８】
図１３は、図１１に示した例の集電体２０の良導体層ＪＢ２を含む構造を概略的に示す断面図である。
【００８９】
絶縁フィルム２１には、一方の面２１Ａから他方の面２１Ｂまで貫通するスルーホールＴＨ３及びＴＨ４が形成されている。なお、図示した例では、スルーホールＴＨ３及びＴＨ４のそれぞれは単一であるが、微細なスルーホールの集合体であっても良い。
【００９０】
絶縁フィルム２１の一方の面２１Ａに形成されたカソード導電層ＣＤ３はスルーホールＴＨ３に延在し、アノード導電層ＡＤ４はスルーホールＴＨ４に延在している。絶縁フィルム２１の他方の面２１Ｂに形成された良導体層ＪＢ２は、アノード導電層ＡＤ４の背面側からスルーホールＴＨ４に延在するとともに、アノード導電層ＡＤ３の背面側及びカソード導電層ＣＤ３の背面側を通り、スルーホールＴＨ３に延在している。これにより、良導体層ＪＢ２は、カソード導電層ＣＤ３とアノード導電層ＡＤ４とを電気的に接続している。
【００９１】
このような実施形態によれば、２×２のマトリクス状に配置された４個の単セルＣ１乃至Ｃ４を備えた構成の膜電極接合体１０を適用したことにより、単セル間での温度条件あるいは発熱状態の差異を低減することが可能である。すなわち、膜電極接合体１０の面内において、４個の単セルＣ１乃至Ｃ４の熱が集中する中央部付近が高温となり、各単セルの周辺部が低温となるといった温度勾配が形成される。各単セルに形成される温度勾配はいずれも略同等であるため、単セルＣ１乃至Ｃ４のいずれにおいても略同等の発電量を得ることが可能となる。
【００９２】
また、この実施形態によれば、集電体２０の良導体層ＪＢ１及びＪＢ２は、アノード導電層の１つとカソード導電層の１つとを電気的に接続する接続体として機能するとともに、先に説明した例と同様に、膜電極接合体１０の熱を拡散する熱伝導体として機能する。これにより、各単セルの面内での温度勾配を緩和し、発電量の向上を図ることが可能となる。したがって、安定した高出力を得ることが可能となる。
【００９３】
ここに示した例においては、良導体層ＪＢ１及びＪＢ２は、熱伝導性及び導電性が高い材料、例えば銅もしくは銅を含む合金によって形成されている。
【００９４】
次に、良導体層ＧＤＡ及びＧＤＣ、あるいは、良導体層ＪＢ１及びＪＢ２を保護する保護膜について説明する。ここでは、良導体層ＧＤＡ及びＧＤＣを保護する保護膜について説明するが、この保護膜は、良導体層ＪＢ１及びＪＢ２を保護する保護膜としても適用できることは言うまでもない。
【００９５】
図１４は、良導体層ＧＤＡ及びＧＤＣを保護する保護膜ＰＦを備えた構成の一例を示す図である。なお、ここでは、説明に必要な構成のみを図示している。
【００９６】
集電体２０は、絶縁フィルム２１の他方の面２１Ｂに形成された良導体層ＧＤＡ及びＧＤＣを覆う保護膜ＰＦを備えている。この保護膜ＰＦは、膜電極接合体１０における発電反応で必要な酸素や燃料、あるいは、発電反応で生成された水などの副生成物に対に対して耐腐食性を有する材料によって形成されている。
【００９７】
これにより、良導体層ＧＤＡ及びＧＤＣは、酸素や燃料、水などの副生成物に晒されることがなく、その腐食を抑制することが可能となる。
【００９８】
以上説明したように、本実施形態によれば、安定した高出力を得ることが可能な燃料電池を提供することができる。
【００９９】
なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１００】
１…燃料電池
１０…膜電極接合体 １３…アノード １６…カソード １７…電解質膜
２０…集電体 ＡＤ…アノード導電層 ＣＤ…カソード導電層
ＧＤ…良導体層 ＪＢ…良導体層
３０…燃料供給機構
４０…カバー部材
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、パーソナルコンピュータや携帯電話等の各種携帯用電子機器を長時間充電なしで使用可能とするために、これらの携帯用電子機器の電源に燃料電池を用いる試みがなされており、一部で市販が始まっている。このような燃料電池は、燃料と空気を供給するだけで発電することができ、燃料のみを補充・交換すれば連続して長時間発電可能であるという特徴を有している。このため、燃料電池は、小型化できれば、携帯用電子機器の電源として極めて有利なシステムとなりえる。
【０００３】
特に、メタノール（メチルアルコール）を燃料として用いる、直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：以下ＤＭＦＣと称する）は、エネルギー密度の高いメタノールを燃料として用いており、メタノールから電極触媒上で直接電流を取り出せるため、小型化が可能であり、また燃料の取り扱いも水素ガス燃料に比べて容易なことから、小型の携帯用電子機器の電源として有望視されている。
【０００４】
このような燃料電池では、単セルから得られる電圧が比較的低電圧であるため、複数の単セルを直列に接続して昇圧して使用する場合が多い。単セルを電気的に接続するための集電体として、種々の構成が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２０００６４号公報
【特許文献２】特開２００９−３８００９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本実施形態の目的は、安定した高出力を得ることが可能な燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本実施形態によれば、
電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に間隔をおいて配置された複数のアノードと、前記電解質膜の他方の面に間隔をおいて配置され前記アノードの各々と対向する複数のカソードと、を有する膜電極接合体と、二つ折りにされた絶縁フィルムと、前記絶縁フィルムの一方の面に形成され前記アノードの各々に積層された複数のアノード導電層と、前記絶縁フィルムの一方の面に形成され前記カソードの各々に積層された複数のカソード導電層と、前記絶縁フィルムの他方の面に形成された良導体層と、を有する集電体と、を備えたことを特徴とする燃料電池が提供される。
【０００８】
本実施形態によれば、
アノードとカソードとの間に電解質膜が配置された膜電極接合体と、前記膜電極接合体の前記アノード側に配置された燃料供給機構と、前記膜電極接合体の前記カソード側に配置されたカバー部材と、二つ折りにされた絶縁フィルムと、前記絶縁フィルムの一方の面に形成され前記アノードに積層されたアノード導電層と、前記絶縁フィルムの一方の面に形成され前記カソードに積層されたカソード導電層と、前記アノード導電層と前記燃料供給機構との間及び前記カソード導電層と前記カバー部材との間の少なくとも一方に位置する前記絶縁フィルムの他方の面に形成され前記膜電極接合体の熱を拡散する良導体層と、を有する集電体と、を備えたことを特徴とする燃料電池が提供される。
【０００９】
本実施形態によれば、
電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に間隔をおいて２×２のマトリクス状に配置された４個のアノードと、前記電解質膜の他方の面に間隔をおいて２×２のマトリクス状に配置され前記アノードの各々と対向する４個のカソードと、を有する膜電極接合体と、二つ折りにされスルーホールが形成された絶縁フィルムと、前記絶縁フィルムの一方の面に形成され前記アノードの各々に積層された４個のアノード導電層と、前記絶縁フィルムの一方の面に形成され前記カソードの各々に積層された４個のカソード導電層と、前記絶縁フィルムの他方の面に形成され前記スルーホールを介して前記アノード導電層の１つと前記カソード導電層の１つとを電気的に接続する良導体層と、を有する集電体と、を備えたことを特徴とする燃料電池が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本実施形態による燃料電池の構成を概略的に示す図である。
【図２】図２は、図１に示した燃料電池を構成する膜電極接合体の一例を概略的に示す斜視図である。
【図３】図３は、図１に示した燃料電池を構成する集電体の一例を概略的に示す平面図である。
【図４】図４は、図２に示した例の膜電極接合体を、図３に示した例の集電体で挟持した状態を概略的に示す断面図である。
【図５】図５は、図３に示した集電体の裏面の形状の一例を概略的に示す平面図である。
【図６】図６は、本実施形態による燃料電池のバリエーションを説明するための概略断面図である。
【図７】図７は、本実施形態による燃料電池のバリエーションを説明するための概略断面図である。
【図８】図８は、本実施形態による燃料電池のバリエーションを説明するための概略断面図である。
【図９】図９は、本実施形態による燃料電池と、良導体層を配置しなかった比較例の燃料電池との出力及び温度差の比較結果を示す図である。
【図１０】図１０は、図１に示した燃料電池を構成する膜電極接合体の他の例を概略的に示す斜視図である。
【図１１】図１１は、図１に示した燃料電池を構成する集電体の他の例を概略的に示す平面図である。
【図１２】図１２は、図１１に示した例の集電体の良導電層ＪＢ１を含む構造を概略的に示す断面図である。
【図１３】図１３は、図１１に示した例の集電体の良導電層ＪＢ２を含む構造を概略的に示す断面図である。
【図１４】図１４は、良導体層を保護する保護膜を備えた構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、同一又は類似した機能を発揮する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１２】
図１は、本実施形態による燃料電池１の構成を概略的に示す図である。
【００１３】
燃料電池１は、膜電極接合体（ＭＥＡ）１０と、集電体２０と、燃料供給機構３０と、カバー部材４０と、を備えている。
【００１４】
膜電極接合体１０は、アノード（燃料極）１３とカソード（空気極あるいは酸化剤極）１６との間に電解質膜１７が配置された構成である。アノード１３は、電解質膜１７の一方の面１７Ａに複数個配置されている。カソード１６は、電解質膜１７の他方の面１７Ｃに複数個配置されている。電解質膜１７は、プロトン（水素イオン）伝導性を有する材料によって形成されている。
【００１５】
アノード１３は、電解質膜１７の一方の面１７Ａに配置されたアノード触媒層１１を有しており、図示した例では、さらに、アノード触媒層１１に積層されたアノードガス拡散層１２を有している。カソード１６は、電解質膜１７の他方の面１７Ｃに配置されたカソード触媒層１４を有しており、図示した例では、さらに、カソード触媒層１４に積層されたカソードガス拡散層１５を有している。なお、これらのアノードガス拡散層１２及びカソードガス拡散層１５は、後述する集電体２０に含まれていても良い。
【００１６】
発電要素である１個の単セルは、電解質膜１７を挟んで対向する１個のアノード１３と１個のカソード１６とによって構成されている。本実施形態の膜電極接合体１０は、複数個の単セルが平面的に並んだ構成である。これらの単セルは、膜電極接合体１０を挟持する集電体２０により、電気的に直列に接続されている。
【００１７】
集電体２０は、二つ折りにされた絶縁フィルム２１、アノード導電層ＡＤ、カソード導電層ＣＤ、及び、良導体層ＧＤＡ及びＧＤＣを有している。アノード導電層ＡＤ及びカソード導電層ＣＤは、絶縁フィルム２１の一方の面２１Ａに形成されている。良導体層ＧＤＡ及びＧＤＣは、絶縁フィルム２１の他方の面２１Ｂに形成されている。
【００１８】
絶縁フィルム２１は、電気的に絶縁性を有するとともに、使用する燃料（例えばメタノール）などに対する耐腐食性を有する材料によって形成され、例えば、ポリイミドなどの各種樹脂フィルムによって形成されている。アノード導電層ＡＤ及びカソード導電層ＣＤは、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、もしくは、アルミニウム、銀、ニッケル、銅を含む合金などの低抵抗な金属材料によって形成されている。
【００１９】
アノード導電層ＡＤは、アノード１３に積層されている。図示した例では、アノード導電層ＡＤは、アノードガス拡散層１２に積層されている。このアノード導電層ＡＤには、アノード１３に向けて発電反応に必要な燃料の供給を可能とする開口部ＡＨが形成されている。
【００２０】
カソード導電層ＣＤは、カソード１６に積層されている。図示した例では、カソード導電層ＣＤは、カソードガス拡散層１５に積層されている。このカソード導電層ＣＤには、カソード１６に向けて発電反応に必要な酸素の供給を可能とするとともに発電反応に伴って生成された二酸化炭素や過剰な水蒸気などの気体の外部への排出を可能とする開口部ＣＨが形成されている。
【００２１】
良導体層ＧＤＡは、アノード導電層ＡＤの背面側に配置されている。つまり、この良導体層ＧＤＡは、アノード導電層ＡＤと燃料供給機構３０との間に配置されている。良導体層ＧＤＣは、カソード導電層ＣＤの背面側に配置されている。つまり、この良導体層ＧＤＣは、カソード導電層ＣＤとカバー部材４０との間に配置されている。
【００２２】
膜電極接合体１０は、電解質膜１７の一方の面１７Ａと集電体２０との間及び電解質膜１７の他方の面１７Ｃと集電体２０との間にそれぞれ挟持されたゴム製のＯリング等のシール部材１８によってシールされている。これにより、膜電極接合体１０からの燃料漏れや酸化剤漏れが防止されている。なお、膜電極接合体１０において、電解質膜１７には、１個乃至複数個のガス排出孔（図示せず）を設けても良い。このようなガス排出孔は、アノード触媒層１１及びカソード触媒層１４にともに接しておらず、且つ、シール部材１８によって囲まれた内側に相当する位置に形成されている。
【００２３】
燃料供給機構３０は、膜電極接合体１０のアノード１３に向けて燃料を供給するものである。この燃料供給機構３０は、膜電極接合体１０のアノード１３の側に配置されている。このような燃料供給機構３０は、液体燃料Ｆを収容する燃料収容部５に流路６を介して接続されている。
【００２４】
燃料収容部５には、膜電極接合体１０に応じた液体燃料Ｆが収容されている。液体燃料Ｆとしては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。なお、液体燃料Ｆは、必ずしもメタノール燃料に限られるものではない。液体燃料Ｆは、例えば、エタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の液体燃料Ｆであってもよい。いずれにしても、燃料収容部５には、膜電極接合体１０に応じた液体燃料Ｆが収容される。
【００２５】
また、図示した例では、燃料収容部５と燃料供給機構３０との間の流路６には、ポンプ７が介在している。このポンプ７は、燃料収容部５に収容された液体燃料Ｆを燃料供給機構３０まで強制的に送液するものであり、燃料を循環させる循環ポンプではない。燃料供給機構３０に供給された燃料は、膜電極接合体１０に向けて供給され、発電反応に使用され、その後に循環して燃料収容部５に戻されることはない。ポンプ７の種類は、特に限定されるものではないが、少量の液体燃料Ｆを制御性よく送液することができ、さらに小型軽量化が可能なものが好ましい。このようなポンプ７は、図示しない制御基板から送られた信号に基づいて作動し、膜電極接合体１０の温度を略一定に保つように制御されている。
【００２６】
本実施形態において適用される燃料供給機構３０は、膜電極接合体１０のアノード１３に対して燃料を供給するように構成されたものであれば、特定の構成に限定されるものではない。以下に、燃料供給機構３０の一例について説明する。
【００２７】
すなわち、燃料供給機構３０は、箱状に形成された容器３１、及び、膜電極接合体１０のアノード１３の面方向（つまり、図中のＸ−Ｙ平面内の方向）に燃料を分散並びに拡散させつつ供給する燃料分配板３２を備えている。燃料分配板３２は、容器３１の内側に形成された凹部に配置されている。この燃料分配板３２は、平板状に形成されている。このような燃料分配板３２には、複数の燃料排出口３３が形成されている。このような燃料分配板３２は、燃料収容部５から容器３１の燃料導入口に供給された液体燃料をアノード１３に向けて燃料排出口３３から排出する。
【００２８】
また、この燃料供給機構３０は、燃料分配板３２と膜電極接合体１０のアノード１３との間に、液体燃料とその気化成分とを分離し気化成分を膜電極接合体１０に向けて透過させる気液分離膜、液体燃料を面方向に拡散させる拡散板、液体燃料の供給量を制御する絞り板などの各種フィルム部材３４が配置されている。
【００２９】
カバー部材４０は、膜電極接合体１０のカソード１６の側に配置されている。つまり、膜電極接合体１０は、燃料供給機構３０とカバー部材４０との間に保持されている。このカバー部材４０は、例えば、板状に形成されている。カバー部材４０には、複数の開口部４０Ｈが形成されている。これらの開口部４０Ｈは、いずれもカソード１６の上方に位置しており、カソード１６に向けて空気を供給するためのものである。
【００３０】
このようなカバー部材４０と集電体２０との間には、通気性を有する絶縁材料によって形成された板状体１９が配置されている。この板状体１９は、主に保湿層として機能する。すなわち、この板状体１９は、カソード触媒層１４で生成された水の一部が含浸されて水の蒸散を抑制するとともに、カバー部材４０の開口部４０Ｈから取り込んだ空気のカソード触媒層１４への取入れ量を調整し且つ空気の均一拡散を促進するものである。
【００３１】
図２は、図１に示した燃料電池１を構成する膜電極接合体１０の一例を概略的に示す斜視図である。
【００３２】
膜電極接合体１０は、単一の電解質膜１７の一方の面１７Ａに間隔をおいて配置された４個のアノード１３１乃至１３４と、電解質膜１７の他方の面１７Ｃに間隔をおいて配置された４個のカソード１６１乃至１６４と、を備えている。アノード１３１はカソード１６１と対向し、アノード１３２はカソード１６２と対向し、アノード１３３はカソード１６３と対向し、アノード１３４はカソード１６４と対向している。
【００３３】
これらのアノード１３１乃至１３４とカソード１６１乃至１６４との各組み合わせは、それぞれ電解質膜１７を挟持し、単セルＣをなしている。図示した例では、アノード１３１とカソード１６１との組み合わせが単セルＣ１をなし、同様にして、アノード１３２とカソード１６２との組み合わせが単セルＣ２をなし、アノード１３３とカソード１６３との組み合わせが単セルＣ３をなし、アノード１３４とカソード１６４との組み合わせが単セルＣ４をなしている。
【００３４】
これらの単セルＣ１乃至Ｃ４は、略同等のサイズであるとともに略同一の形状である。ここでは、単セルＣ１乃至Ｃ４の各々（あるいはアノード１３１乃至１３４の各々、あるいはカソード１６１乃至１６４の各々）は、第１方向Ｘに延出した長辺を有するとともに、第１方向Ｘに直交する第２方向Ｙに延出した短辺を有する長方形状である。これらの単セルＣ１乃至Ｃ４は、第２方向Ｙに間隔をおいて並んで配置されている。
【００３５】
図３は、図１に示した燃料電池１を構成する集電体２０の一例を概略的に示す平面図である。
【００３６】
集電体２０の絶縁フィルム２１は、膜電極接合体１０の外形寸法の概ね２倍の面積を有しており、膜電極接合体１０における単セルの並び方向（つまり第２方向Ｙ）とは直交する第１方向Ｘに延出している。この絶縁フィルム２１は、図中の位置（折り曲げ線）Ｂに沿って二つ折りに折り曲げられる。
【００３７】
アノード導電層ＡＤ及びカソード導電層ＣＤは、絶縁フィルム２１の一方の面２１Ａに形成されている。アノード導電層ＡＤは、膜電極接合体１０のアノード１３と同数であり、４個のアノード導電層ＡＤ１乃至ＡＤ４からなる。また、カソード導電層ＣＤは、膜電極接合体１０のカソード１６と同数であり、４個のカソード導電層ＣＤ１乃至ＣＤ４からなる。
【００３８】
アノード導電層ＡＤ１乃至ＡＤ４は、それぞれ第１方向Ｘに沿って延出し、第２方向Ｙに所定の間隔をおいて並んで配置されている。アノード導電層ＡＤ１乃至ＡＤ４の各々には、絶縁フィルム２１を貫通した複数の開口部ＡＨが形成されている。カソード導電層ＣＤ１乃至ＣＤ４は、それぞれ第１方向Ｘに沿って延出し、第２方向Ｙに所定の間隔をおいて並んで配置されている。カソード導電層ＣＤ１乃至ＣＤ４の各々には、絶縁フィルム２１を貫通した複数の開口部ＣＨが形成されている。
【００３９】
このような集電体２０には、アノード端子ＴＡ及びカソード端子ＴＣが接続されている。アノード端子ＴＡは、アノード導電層ＡＤ１に接続されている。カソード端子ＴＣは、カソード導電層ＣＤ４に接続されている。これらのアノード端子ＴＡ及びカソード端子ＴＣは、それぞれ集電した電子を外部に取り出す出力端子として機能する。
【００４０】
アノード端子ＴＡ及びカソード端子ＴＣに接続されていないアノード導電層ＡＤ２乃至ＡＤ４及びカソード導電層ＣＤ１乃至ＣＤ３は、それぞれ接続体Ｊによって電気的に接続されている。図示した例では、アノード導電層ＡＤ２及びカソード導電層ＣＤ１は、接続体Ｊ１によって接続されている。同様に、アノード導電層ＡＤ３及びカソード導電層ＣＤ２は、接続体Ｊ２によって接続され、アノード導電層ＡＤ４及びカソード導電層ＣＤ３は、接続体Ｊ３によって接続されている。これらの接続体Ｊ１乃至Ｊ３は、絶縁フィルム２１の一方の面２１Ａに形成されている。
【００４１】
このような集電体２０は、二つ折りに折り曲げられ、図２に示したような構成の膜電極接合体１０を挟持する。
【００４２】
図４は、図２に示した例の膜電極接合体１０を、図３に示した例の集電体２０で挟持した状態を概略的に示す断面図である。なお、ここでは、説明に必要な構成のみを図示していている。
【００４３】
膜電極接合体１０の単セルＣ１は、集電体２０のアノード導電層ＡＤ１とカソードＣＤ１とで挟持されている。つまり、アノード導電層ＡＤ１はアノード１３１に積層され、また、カソード導電層ＣＤ１はカソード１６１に積層されている。同様に、単セルＣ２のアノード１３２にはアノード導電層ＡＤ２が積層され、カソード１６２にはカソード導電層ＣＤ２が積層されている。単セルＣ３のアノード１３３にはアノード導電層ＡＤ３が積層され、カソード１６３にはカソード導電層ＣＤ３が積層されている。単セルＣ４のアノード１３４にはアノード導電層ＡＤ４が積層され、カソード１６４にはカソード導電層ＣＤ４が積層されている。
【００４４】
図５は、図３に示した集電体２０の裏面の形状の一例を概略的に示す平面図である。
【００４５】
良導体層ＧＤＡ及びＧＤＣの各々は、絶縁フィルム２１の他方の面２１Ｂに形成されている。ここでは、絶縁フィルム２１の一方の面側に形成された４個のアノード導電層ＡＤ１乃至ＡＤ４及び４個のカソード導電層ＣＤ１乃至ＣＤ４の外形をそれぞれ破線で示している。なお、ここに示した良導体層ＧＤＡ及びＧＤＣは、いずれもアノード導電層ＡＤ１乃至ＡＤ４及びカソード導電層ＣＤ１乃至ＣＤ４とは電気的に絶縁されている。
【００４６】
良導体層ＧＤＡは、４個のアノード導電層ＡＤ１乃至ＡＤ４の各々の背面側に配置されている。図示した例では、良導体層ＧＤＡは単一であり、アノード導電層ＡＤ１乃至ＡＤ４に対して共通に配置されている。つまり、良導体層ＧＤＡは、アノード導電層ＡＤ１乃至ＡＤ４の各々の背面側だけでなく、隣り合うアノード導電層ＡＤ１とＡＤ２との間、ＡＤ２とＡＤ３との間、及び、ＡＤ３とＡＤ４との間の各々の背面側にも配置された一連の層として形成されている。
【００４７】
また、この良導体層ＧＤＡは、４個のアノード導電層ＡＤ１乃至ＡＤ４が形成された領域の外形（図中の破線）よりも大きな外形を有しており、アノード導電層ＡＤ１乃至ＡＤ４の各々の端部よりも外方に延在している。つまり、良導体層ＧＤＡの端部は、アノード導電層ＡＤ１乃至ＡＤ４の各々の端部よりも絶縁フィルム２１の端部に近接している。図示した例では、良導体層ＧＤＡは、開口部ＡＨを除いて絶縁フィルム２１の右側半分の略全体に亘って配置されている。
【００４８】
良導体層ＧＤＣは、４個のカソード導電層ＣＤ１乃至ＣＤ４の各々の背面側に配置されている。図示した例では、良導体層ＧＤＣは単一であり、カソード導電層ＣＤ１乃至ＣＤ４に対して共通に配置されている。つまり、良導体層ＧＤＣは、カソード導電層ＣＤ１乃至ＣＤ４の各々の背面側だけでなく、隣り合うカソード導電層ＣＤ１とＣＤ２との間、ＣＤ２とＣＤ３との間、及び、ＣＤ３とＣＤ４との間の各々の背面側にも配置された一連の層として形成されている。
【００４９】
また、この良導体層ＧＤＣは、４個のカソード導電層ＣＤ１乃至ＣＤ４が形成された領域の外形（図中の破線）よりも大きな外形を有しており、カソード導電層ＣＤ１乃至ＣＤ４の各々の端部よりも外方に延在している。つまり、良導体層ＧＤＣの端部は、カソード導電層ＣＤ１乃至ＣＤ４の各々の端部よりも絶縁フィルム２１の端部に近接している。図示した例では、良導体層ＧＤＣは、開口部ＣＨを除いて絶縁フィルム２１の左側半分の略全体に亘って配置されている。
【００５０】
本実施形態において、膜電極接合体１０に向けて燃料及び酸素を供給し発電を開始すると、膜電極接合体１０のアノード側においては発電反応に伴って発熱する一方で、膜電極接合体１０のカソード側においては燃料がアノード側からカソード側にリークするクロスオーバに起因した燃焼反応に伴って発熱する。
【００５１】
膜電極接合体１０の面内では、上述した発熱により、その中央部付近が高温となりその周辺部が低温となるといった温度勾配が形成される。このような温度勾配は、膜電極接合体１０の中央部と周辺部とで燃料の透過量や触媒活性の差を生み、単セル間の発電量に差を生じさせる原因となりうる。図２に示した例の膜電極接合体１０では、中央部に近い単セルＣ２及びＣ３では比較的高い発電量が得られるのに対して、周辺部に近い単セルＣ１及びＣ４では単セルＣ２及びＣ３ほどの発電量が得られない。
【００５２】
本実施形態によれば、良導体層ＧＤＡ及びＧＤＣは、膜電極接合体１０の熱を拡散する熱伝導体として機能する。良導体層ＧＤＡは、膜電極接合体１０のアノード側において、その中央部から周辺部に向けて熱を拡散する。また、良導体層ＧＤＣは、膜電極接合体１０のカソード側において、その中央部から周辺部に向けて熱を拡散する。膜電極接合体１０の周辺部では、燃料電池１を構成する各種部材などを介して放熱される。
【００５３】
これにより、膜電極接合体１０の面内での温度勾配を緩和し、単セルＣ１乃至Ｃ４のいずれにおいても略同等の発電量を得ることが可能となる。また、放熱が促進され、膜電極接合体１０の温度を適温に維持することが可能となる。したがって、安定した高出力を得ることが可能となる。
【００５４】
また、本実施形態によれば、４個のアノード導電層ＡＤ１乃至ＡＤ４に対して、単一の良導体層ＧＤＡが配置されている。また、４個のカソード導電層ＣＤ１乃至ＣＤ４に対して、単一の良導体層ＧＤＣが配置されている。これらの良導体層ＧＤＡ及びＧＤＣは、隣接する単セル間で熱を拡散するための熱伝導パスを形成するため、複数の単セル間に亘って連続的に熱を拡散させ、しかも、膜電極接合体１０の中央部から周辺部に向けて放射状に熱を拡散させることが可能となる。
【００５５】
また、本実施形態によれば、良導体層ＧＤＡは、アノード導電層ＡＤ１乃至ＡＤ４が形成された領域の外形よりも大きな外形を有している。また、良導体層ＧＤＣは、カソード導電層ＣＤ１乃至ＣＤ４が形成された領域の外形よりも大きな外形を有している。このため、これらの良導体層ＧＤＡ及びＧＤＣは、膜電極接合体１０の中央部の熱を、より放熱されやすい周辺部に向けて拡散させることが可能となる。
【００５６】
本実施形態においては、良導体層ＧＤＡ及びＧＤＣは、主として熱伝導性の高い材料、例えば、銅もしくは銅を含む合金によって形成されている。
【００５７】
なお、上記の例では、良導体層がアノード導電層の背面側及びカソード導電層の背面側のそれぞれに配置されたが、本実施形態で適用した良導体層は、アノード導電層の背面側及びカソード導電層の背面側の少なくとも一方の側に配置されていれば良い。以下に、良導体層の配置のバリエーションについて説明する。以下に示すバリエーションでは、説明に必要な構成のみを図示することとする。
【００５８】
図６乃至図８は、本実施形態による燃料電池１のバリエーションを説明するための概略断面図である。
【００５９】
図６に示した例では、集電体２０は、アノード導電層ＡＤの背面側に配置された１つの良導体層ＧＤＡを有している。つまり、絶縁フィルム２１の他方の面２１Ｂには、良導体層ＧＤＡが形成されているが、カソード導電層ＣＤの背面側には良導体層は形成されていない。このような良導体層ＧＤＡは、膜電極接合体１０の少なくともアノード１３の側の熱を拡散する。
【００６０】
図７に示した例では、集電体２０は、カソード導電層ＣＤの背面側に配置された１つの良導体層ＧＤＣを有している。つまり、絶縁フィルム２１の他方の面２１Ｂには、良導体層ＧＤＣが形成されているが、アノード導電層ＡＤの背面側には良導体層は形成されていない。このような良導体層ＧＤＣは、膜電極接合体１０の少なくともカソード１６の側の熱を拡散する。
【００６１】
図８に示した例では、集電体２０は、アノード導電層ＡＤの背面側及びカソード導電層ＣＤの背面側に配置された１つの良導体層ＧＤを有している。つまり、良導体層ＧＤは、絶縁フィルム２１の他方の面２１Ｂの略全面に形成され、二つ折りにされる絶縁フィルム２１の折り曲げ部分にも延在している。このような良導体層ＧＤは、膜電極接合体１０のアノード１３の側及びカソード１６の側の熱を拡散する。
【００６２】
これらの各種バリエーションによれば、良導体層を配置しなかった場合と比較して、高出力を得ることが可能である。
【００６３】
図９は、本実施形態による燃料電池と、良導体層を配置しなかった比較例の燃料電池との出力及び温度差の比較結果を示す図である。
【００６４】
燃料電池Ａは、比較例の燃料電池に相当する。この燃料電池Ａは、良導体層を配置しなかった集電体を適用する以外は本実施形態と同一構成である。燃料電池Ｂは、図７に示した本実施形態のバリエーションに相当する。この燃料電池Ｂは、カソード側のみに良導体層ＧＤＣを有する集電体を適用している。燃料電池Ｃは、図６に示した本実施形態のバリエーションに相当する。この燃料電池Ｃは、アノード側のみに良導体層ＧＤＡを有する集電体を適用している。燃料電池Ｄは、図１などに示した本実施形態のバリエーションに相当する。この燃料電池Ｄは、アノード側及びカソード側の双方に良導体層ＧＤＡ及びＧＤＣを有する集電体を適用している。燃料電池Ｅは、図８に示した本実施形態のバリエーションに相当する。この燃料電池Ｅは、アノード側及びカソード側の双方及び絶縁フィルムの折り曲げ部に亘り良導体層ＧＤを有する集電体を適用している。
【００６５】
ここでは、いずれの構成の燃料電池Ａ乃至Ｅについても同一条件で運転し、所定の運転時間が経過したときに、得られた出力を測定し、また、膜電極接合体のカソード側の中央部及び周辺部でそれぞれ表面温度を測定した。出力の比較結果は、燃料電池Ａによって得られた出力を１としたとき、本実施形態による各々の燃料電池Ｂ乃至Ｅによって得られた出力の相対値を示している。また、温度の比較結果は、燃料電池Ａ乃至Ｅの各々における膜電極接合体の中央部での表面温度と周辺部での表面温度との温度差（℃）を示している。
【００６６】
燃料電池Ａによれば、相対出力は１であり、温度差は５．４℃であった。
【００６７】
燃料電池Ｂによれば、相対出力は１．０６５であり、燃料電池Ａに対して６．５％の出力アップが確認された。また、この燃料電池Ｂによれば、温度差は５．０℃であり、燃料電池Ａよりも温度勾配が緩和されることが確認された。
【００６８】
燃料電池Ｃによれば、相対出力は１．１０４であり、燃料電池Ａに対して１０．４％の出力アップが確認された。また、この燃料電池Ｃによれば、温度差は４．５℃であり、燃料電池Ａ及びＢよりも温度勾配が緩和されることが確認された。
【００６９】
燃料電池Ｄによれば、相対出力は１．１１７であり、燃料電池Ａに対して１１．７％の出力アップが確認された。また、この燃料電池Ｄによれば、温度差は４．２℃であり、燃料電池Ａ乃至Ｃよりも温度勾配が緩和されることが確認された。
【００７０】
燃料電池Ｅによれば、相対出力は１．０５４であり、燃料電池Ａに対して５．４％の出力アップが確認された。また、この燃料電池Ｅによれば、中央部と折り曲げ部側周辺部との温度差は３．６℃であり、また、中央部とカソード端子側周辺部との温度差は４．８℃であり、燃料電池Ａよりも温度勾配が緩和されることが確認された。
【００７１】
次に、他の実施形態について説明する。ここでは、４個の単セルＣ１乃至Ｃ４がマトリクス状に平面配置された構成について説明する。
【００７２】
図１０は、図１に示した燃料電池１を構成する膜電極接合体１０の他の例を概略的に示す斜視図である。
【００７３】
膜電極接合体１０は、単一の電解質膜１７の一方の面１７Ａに間隔をおいて配置された４個のアノード１３１乃至１３４と（アノード１３４は図示なし）、電解質膜１７の他方の面１７Ｃに間隔をおいて配置された４個のカソード１６１乃至１６４と、を備えている。
【００７４】
特に、ここに示した例では、これらのアノード１３１乃至１３４は第１方向Ｘ及び第２方向Ｙにそれぞれ２個ずつ並べた２×２のマトリクス状に配置されており、また、カソード１６１乃至１６４は第１方向Ｘ及び第２方向Ｙにそれぞれ２個ずつ並べた２×２のマトリクス状に配置されており、この点で図２に示した例と相違している。
【００７５】
アノード１３１はカソード１６１と対向し、これらの組み合わせが単セルＣ１をなしている。アノード１３２はカソード１６２と対向し、これらの組み合わせが単セルＣ２をなしている。アノード１３３はカソード１６３と対向し、これらの組み合わせが単セルＣ３をなしている。アノード１３４はカソード１６４と対向し、これらの組み合わせが単セルＣ４をなしている。
【００７６】
図１１は、図１に示した燃料電池１を構成する集電体２０の他の例を概略的に示す平面図である。
【００７７】
集電体２０の絶縁フィルム２１は、膜電極接合体１０の外形寸法の概ね２倍の面積を有している。４個のアノード導電層ＡＤ１乃至ＡＤ４及び４個のカソード導電層ＣＤ１乃至ＣＤ４は、絶縁フィルム２１の一方の面２１Ａに形成されている。
【００７８】
アノード導電層ＡＤ１乃至ＡＤ４は、所定の間隔をおいて２×２のマトリクス状に並んで配置されている。図示した例では、アノード導電層ＡＤ２は、アノード導電層ＡＤ１と所定の間隔をおいて第１方向Ｘに並んで配置されている。アノード導電層ＡＤ３は、アノード導電層ＡＤ２と所定の間隔をおいて第２方向Ｙに並んで配置されている。アノード導電層ＡＤ４は、アノード導電層ＡＤ１と所定の間隔をおいて第２方向Ｙに並び、アノード導電層ＡＤ３と所定の間隔をおいて第１方向Ｘに並んで配置されている。アノード導電層ＡＤ１乃至ＡＤ４の各々には、絶縁フィルム２１を貫通した複数の開口部ＡＨが形成されている。
【００７９】
カソード導電層ＣＤ１乃至ＣＤ４は、所定の間隔をおいて２×２のマトリクス状に並んで配置されている。図示した例では、カソード導電層ＣＤ２は、カソード導電層ＣＤ１と所定の間隔をおいて第１方向Ｘに並んで配置されている。カソード導電層ＣＤ３は、カソード導電層ＣＤ２と所定の間隔をおいて第２方向Ｙに並んで配置されている。カソード導電層ＣＤ４は、カソード導電層ＣＤ１と所定の間隔をおいて第２方向Ｙに並び、カソード導電層ＣＤ３と所定の間隔をおいて第１方向Ｘに並んで配置されている。カソード導電層ＣＤ１乃至ＣＤ４の各々には、絶縁フィルム２１を貫通した複数の開口部ＣＨが形成されている。
【００８０】
絶縁フィルム２１は、図中の位置（折り曲げ線）Ｂに沿って、アノード導電層ＡＤ１乃至ＡＤ４とカソード導電層ＣＤ１乃至ＣＤ４とが向かい合うように二つ折りに折り曲げられる。このとき、アノード導電層ＡＤ１の上方にはカソード導電層ＣＤ１が位置し、アノード導電層ＡＤ２の上方にはカソード導電層ＣＤ２が位置し、アノード導電層ＡＤ３の上方にはカソード導電層ＣＤ３が位置し、アノード導電層ＡＤ４の上方にはカソード導電層ＣＤ４が位置する。
【００８１】
アノード端子ＴＡは、アノード導電層ＡＤ１に接続されている。カソード端子ＴＣは、カソード導電層ＣＤ４に接続されている。カソード導電層ＣＤ１とアノード導電層ＡＤ２とは、絶縁フィルム２１の他方の面２１Ｂに形成された良導体層ＪＢ１によって電気的に接続されている。カソード導電層ＣＤ２とアノード導電層ＡＤ３とは、絶縁フィルム２１の一方の面２１Ａに形成された接続体ＪＡによって電気的に接続されている。カソード導電層ＣＤ３とアノード導電層ＡＤ４とは、絶縁フィルム２１の他方の面２１Ｂに形成された良導体層ＪＢ２によって電気的に接続されている。
【００８２】
良導体層ＪＢ１及びＪＢ２は、離間しており、互いに電気的に絶縁されている。なお、ここでは、これらの良導体層ＪＢ１及びＪＢ２については詳述しないが、互いに電気的に絶縁されていれば、どのようなレイアウトであっても良い。例えば、良導体層ＪＢ１は、先に説明した例の良導体層ＧＤＣのように、４個のカソード導電層ＣＤ１乃至ＣＤ４の各々の背面側に配置されていてもよい。同様に、良導体層ＪＢ２は、先に説明した例の良導体層ＧＤＡのように、４個のアノード導電層ＡＤ１乃至ＡＤ４の各々の背面側に配置されていてもよい。
【００８３】
このような集電体２０は、図中の位置（折り曲げ線）Ｂに沿って二つ折りに折り曲げられ、図１０に示した膜電極接合体１０を挟持する。このとき、単セルＣ１はアノード導電層ＡＤ１とカソード導電層ＣＤ１との間に挟持され、単セルＣ２はアノード導電層ＡＤ２とカソード導電層ＣＤ２との間に挟持され、単セルＣ３はアノード導電層ＡＤ３とカソード導電層ＣＤ３との間に挟持され、単セルＣ４はアノード導電層ＡＤ４とカソード導電層ＣＤ４との間に挟持される。単セルＣ１と単セルＣ２とは良導体層ＪＢ１を介して電気的に接続され、単セルＣ２と単セルＣ３とは接続体ＪＡを介して電気的に接続され、単セルＣ３と単セルＣ４とは良導体層ＪＢ２を介して電気的に接続される。
【００８４】
このように、ここに示した例では、絶縁フィルム２１の他方の面２１Ｂに形成された良導体層ＪＢ１及びＪＢ２は、絶縁フィルム２１の一方の面２１Ａに形成されたアノード導電層の１つとカソード導電層の１つとを電気的に接続する接続体として機能する。
【００８５】
図１２は、図１１に示した例の集電体２０の良導体層ＪＢ１を含む構造を概略的に示す断面図である。
【００８６】
絶縁フィルム２１には、一方の面２１Ａから他方の面２１Ｂまで貫通するスルーホールＴＨ１及びＴＨ２が形成されている。なお、図示した例では、スルーホールＴＨ１及びＴＨ２のそれぞれは単一であるが、微細なスルーホールの集合体であっても良い。
【００８７】
絶縁フィルム２１の一方の面２１Ａに形成されたカソード導電層ＣＤ１はスルーホールＴＨ１に延在し、アノード導電層ＡＤ２はスルーホールＴＨ２に延在している。絶縁フィルム２１の他方の面２１Ｂに形成された良導体層ＪＢ１は、カソード導電層ＣＤ１の背面側からスルーホールＴＨ１に延在するとともに、カソード導電層ＣＤ２の背面側及びアノード導電層ＡＤ２の背面側を通り、スルーホールＴＨ２に延在している。これにより、良導体層ＪＢ１は、カソード導電層ＣＤ１とアノード導電層ＡＤ２とを電気的に接続している。
【００８８】
図１３は、図１１に示した例の集電体２０の良導体層ＪＢ２を含む構造を概略的に示す断面図である。
【００８９】
絶縁フィルム２１には、一方の面２１Ａから他方の面２１Ｂまで貫通するスルーホールＴＨ３及びＴＨ４が形成されている。なお、図示した例では、スルーホールＴＨ３及びＴＨ４のそれぞれは単一であるが、微細なスルーホールの集合体であっても良い。
【００９０】
絶縁フィルム２１の一方の面２１Ａに形成されたカソード導電層ＣＤ３はスルーホールＴＨ３に延在し、アノード導電層ＡＤ４はスルーホールＴＨ４に延在している。絶縁フィルム２１の他方の面２１Ｂに形成された良導体層ＪＢ２は、アノード導電層ＡＤ４の背面側からスルーホールＴＨ４に延在するとともに、アノード導電層ＡＤ３の背面側及びカソード導電層ＣＤ３の背面側を通り、スルーホールＴＨ３に延在している。これにより、良導体層ＪＢ２は、カソード導電層ＣＤ３とアノード導電層ＡＤ４とを電気的に接続している。
【００９１】
このような実施形態によれば、２×２のマトリクス状に配置された４個の単セルＣ１乃至Ｃ４を備えた構成の膜電極接合体１０を適用したことにより、単セル間での温度条件あるいは発熱状態の差異を低減することが可能である。すなわち、膜電極接合体１０の面内において、４個の単セルＣ１乃至Ｃ４の熱が集中する中央部付近が高温となり、各単セルの周辺部が低温となるといった温度勾配が形成される。各単セルに形成される温度勾配はいずれも略同等であるため、単セルＣ１乃至Ｃ４のいずれにおいても略同等の発電量を得ることが可能となる。
【００９２】
また、この実施形態によれば、集電体２０の良導体層ＪＢ１及びＪＢ２は、アノード導電層の１つとカソード導電層の１つとを電気的に接続する接続体として機能するとともに、先に説明した例と同様に、膜電極接合体１０の熱を拡散する熱伝導体として機能する。これにより、各単セルの面内での温度勾配を緩和し、発電量の向上を図ることが可能となる。したがって、安定した高出力を得ることが可能となる。
【００９３】
ここに示した例においては、良導体層ＪＢ１及びＪＢ２は、熱伝導性及び導電性が高い材料、例えば銅もしくは銅を含む合金によって形成されている。
【００９４】
次に、良導体層ＧＤＡ及びＧＤＣ、あるいは、良導体層ＪＢ１及びＪＢ２を保護する保護膜について説明する。ここでは、良導体層ＧＤＡ及びＧＤＣを保護する保護膜について説明するが、この保護膜は、良導体層ＪＢ１及びＪＢ２を保護する保護膜としても適用できることは言うまでもない。
【００９５】
図１４は、良導体層ＧＤＡ及びＧＤＣを保護する保護膜ＰＦを備えた構成の一例を示す図である。なお、ここでは、説明に必要な構成のみを図示している。
【００９６】
集電体２０は、絶縁フィルム２１の他方の面２１Ｂに形成された良導体層ＧＤＡ及びＧＤＣを覆う保護膜ＰＦを備えている。この保護膜ＰＦは、膜電極接合体１０における発電反応で必要な酸素や燃料、あるいは、発電反応で生成された水などの副生成物に対に対して耐腐食性を有する材料によって形成されている。
【００９７】
これにより、良導体層ＧＤＡ及びＧＤＣは、酸素や燃料、水などの副生成物に晒されることがなく、その腐食を抑制することが可能となる。
【００９８】
以上説明したように、本実施形態によれば、安定した高出力を得ることが可能な燃料電池を提供することができる。
【００９９】
なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１００】
１…燃料電池
１０…膜電極接合体 １３…アノード １６…カソード １７…電解質膜
２０…集電体 ＡＤ…アノード導電層 ＣＤ…カソード導電層
ＧＤ…良導体層 ＪＢ…良導体層
３０…燃料供給機構
４０…カバー部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に間隔をおいて配置された複数のアノードと、前記電解質膜の他方の面に間隔をおいて配置され前記アノードの各々と対向する複数のカソードと、を有する膜電極接合体と、
二つ折りにされた絶縁フィルムと、前記絶縁フィルムの一方の面に形成され前記アノードの各々に積層された複数のアノード導電層と、前記絶縁フィルムの一方の面に形成され前記カソードの各々に積層された複数のカソード導電層と、前記絶縁フィルムの他方の面に形成された良導体層と、を有する集電体と、
を備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記良導体層は、前記アノード導電層の背面側、及び、前記カソード導電層の背面側の少なくとも一方の側に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記アノード導電層の各々の背面側には、単一の前記良導体層が配置されたことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記良導体層は、複数の前記アノード導電層が形成された領域の外形よりも大きな外形を有し、前記アノード導電層の端部よりも外方に延在したことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記カソード導電層の各々の背面側には、単一の前記良導体層が配置されたことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記カソード導電層の背面側に形成された前記良導体層は、前記カソード導電層の外形よりも大きな外形を有し、前記カソード導電層の端部よりも外方に延在したことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記アノード及び前記カソードは、２×２のマトリクス状に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記良導体層は、前記アノード導電層の１つと前記カソード導電層の１つとを電気的に接続することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記良導体層は、銅もしくは銅を含む合金によって形成されたことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記良導体層は、保護膜によって覆われたことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１１】
アノードとカソードとの間に電解質膜が配置された膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記アノード側に配置された燃料供給機構と、
前記膜電極接合体の前記カソード側に配置されたカバー部材と、
二つ折りにされた絶縁フィルムと、前記絶縁フィルムの一方の面に形成され前記アノードに積層されたアノード導電層と、前記絶縁フィルムの一方の面に形成され前記カソードに積層されたカソード導電層と、前記アノード導電層と前記燃料供給機構との間及び前記カソード導電層と前記カバー部材との間の少なくとも一方に位置する前記絶縁フィルムの他方の面に形成され前記膜電極接合体の熱を拡散する良導体層と、を有する集電体と、
を備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項１２】
電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に間隔をおいて２×２のマトリクス状に配置された４個のアノードと、前記電解質膜の他方の面に間隔をおいて２×２のマトリクス状に配置され前記アノードの各々と対向する４個のカソードと、を有する膜電極接合体と、
二つ折りにされスルーホールが形成された絶縁フィルムと、前記絶縁フィルムの一方の面に形成され前記アノードの各々に積層された４個のアノード導電層と、前記絶縁フィルムの一方の面に形成され前記カソードの各々に積層された４個のカソード導電層と、前記絶縁フィルムの他方の面に形成され前記スルーホールを介して前記アノード導電層の１つと前記カソード導電層の１つとを電気的に接続する良導体層と、を有する集電体と、
を備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項１】
電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に間隔をおいて配置された複数のアノードと、前記電解質膜の他方の面に間隔をおいて配置され前記アノードの各々と対向する複数のカソードと、を有する膜電極接合体と、
二つ折りにされた絶縁フィルムと、前記絶縁フィルムの一方の面に形成され前記アノードの各々に積層された複数のアノード導電層と、前記絶縁フィルムの一方の面に形成され前記カソードの各々に積層された複数のカソード導電層と、前記絶縁フィルムの他方の面に形成された良導体層と、を有する集電体と、
を備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記良導体層は、前記アノード導電層の背面側、及び、前記カソード導電層の背面側の少なくとも一方の側に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記アノード導電層の各々の背面側には、単一の前記良導体層が配置されたことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記良導体層は、複数の前記アノード導電層が形成された領域の外形よりも大きな外形を有し、前記アノード導電層の端部よりも外方に延在したことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記カソード導電層の各々の背面側には、単一の前記良導体層が配置されたことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記カソード導電層の背面側に形成された前記良導体層は、前記カソード導電層の外形よりも大きな外形を有し、前記カソード導電層の端部よりも外方に延在したことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記アノード及び前記カソードは、２×２のマトリクス状に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記良導体層は、前記アノード導電層の１つと前記カソード導電層の１つとを電気的に接続することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記良導体層は、銅もしくは銅を含む合金によって形成されたことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記良導体層は、保護膜によって覆われたことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１１】
アノードとカソードとの間に電解質膜が配置された膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記アノード側に配置された燃料供給機構と、
前記膜電極接合体の前記カソード側に配置されたカバー部材と、
二つ折りにされた絶縁フィルムと、前記絶縁フィルムの一方の面に形成され前記アノードに積層されたアノード導電層と、前記絶縁フィルムの一方の面に形成され前記カソードに積層されたカソード導電層と、前記アノード導電層と前記燃料供給機構との間及び前記カソード導電層と前記カバー部材との間の少なくとも一方に位置する前記絶縁フィルムの他方の面に形成され前記膜電極接合体の熱を拡散する良導体層と、を有する集電体と、
を備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項１２】
電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に間隔をおいて２×２のマトリクス状に配置された４個のアノードと、前記電解質膜の他方の面に間隔をおいて２×２のマトリクス状に配置され前記アノードの各々と対向する４個のカソードと、を有する膜電極接合体と、
二つ折りにされスルーホールが形成された絶縁フィルムと、前記絶縁フィルムの一方の面に形成され前記アノードの各々に積層された４個のアノード導電層と、前記絶縁フィルムの一方の面に形成され前記カソードの各々に積層された４個のカソード導電層と、前記絶縁フィルムの他方の面に形成され前記スルーホールを介して前記アノード導電層の１つと前記カソード導電層の１つとを電気的に接続する良導体層と、を有する集電体と、
を備えたことを特徴とする燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１２−１５０９５７（Ｐ２０１２−１５０９５７Ａ）
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８０００（Ｐ２０１１−８０００）
【出願日】平成２３年１月１８日（２０１１．１．１８）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月１８日（２０１１．１．１８）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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