複合膜および燃料電池
【課題】セルを平面状に配列した平面配列型の燃料電池において、隣接するセル間を電気的に直列に接続するための接続部の接続信頼性を向上させる。
【解決手段】基材１４に設けられた開口部１６にそれぞれ膜電極接合体２０が形成されている。膜電極接合体２０は、電解質膜２２、アノード触媒層２４、およびカソード触媒層２６を備える。基材１４は、隣接する膜電極接合体２０を直列接続するための導電領域１４ｃと膜電極接合体２０の周囲を絶縁する絶縁領域１４ｚとを有し、導電領域１４ｃは、隣接する膜電極接合体２０の間に設けられている。導電領域１４ｃおよび絶縁領域１４ｚは、ベースとなる材料が同じであり、絶縁領域１４ｚから導電領域１４ｃにかけて導電率が連続的に増加している。
【解決手段】基材１４に設けられた開口部１６にそれぞれ膜電極接合体２０が形成されている。膜電極接合体２０は、電解質膜２２、アノード触媒層２４、およびカソード触媒層２６を備える。基材１４は、隣接する膜電極接合体２０を直列接続するための導電領域１４ｃと膜電極接合体２０の周囲を絶縁する絶縁領域１４ｚとを有し、導電領域１４ｃは、隣接する膜電極接合体２０の間に設けられている。導電領域１４ｃおよび絶縁領域１４ｚは、ベースとなる材料が同じであり、絶縁領域１４ｚから導電領域１４ｃにかけて導電率が連続的に増加している。
【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、セルが平面配列された燃料電池に関する。
【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。
【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、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、電子書籍）などの電源への利用が期待されている。携帯機器用の固体高分子形燃料電池としては、複数の単セルを平面状に配列した平面配列型の燃料電池が知られている。また、複数の単セルを平面状に配列させる方法として非電解質である基材を用いて複数の貫通孔を設け、そこに電解質を充填することで作製した複合膜を用いた平面配列型の燃料電池もある(特許文献１参照)。基材を用いることで、プロトン伝導性は高いが機械的強度の弱い電解質を用いることが可能になるとともに、電解質の部分を極力減らすことでコストの削減になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２４４７１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
セルを平面状に配列した平面配列型の燃料電池は、スタック構造の燃料電池と比べてセル間を直列に電気的に接続することが困難であった。これに対して、特許文献１では、固体高分子膜に接続配線を貫通させる手法が採られているが、この場合には、接続配線の接触不良およびガスリークが生じてしまう問題があった。
【０００６】
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、セルを平面状に配列した平面配列型の燃料電池において、隣接するセル間を電気的に直列に接続するための接続部の接続信頼性を向上させる技術の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のある態様は、複合膜である。当該複合膜は、複数の開口部が設けられた基材と、開口部にそれぞれ設けられ、イオン交換体を含む電解質膜と、電解質膜の一方の面に設けられたアノード触媒層と、電解質膜の他方の面に設けられたカソード触媒層と、を有する膜電極接合体と、を備え、基材は、膜電極接合体の周囲を絶縁する絶縁領域と、隣接する膜電極接合体の一方のアノード触媒層と他方のカソード触媒層とを電気的に接続するための導電領域とを有し、絶縁領域から導電領域にかけて基材の導電性が連続的に増加していることを特徴とする。なお、基材の導電性が連続的に増加するとは、図５に示すように連続的な曲線状に増加する場合だけでなく、一部の領域で導電性の増加が一定になっているような場合や、あるいは絶縁領域と導電領域との間に両者の中間領域が設けられているような場合も含まれる。
【０００８】
上記態様の複合膜によれば、隣接する膜電極接合体を直列に接続するための導電領域が基材の導電性を連続的に変えることにより形成されている。このため、導電領域が基材と別部材で形成されておらず、導電領域に隙間が生じにくくなっている。この結果、隣接する膜電極接合体を直列接続する導電領域の接続信頼性を向上させることができる。
【０００９】
上記態様の複合膜において、絶縁領域から導電領域にかけて基材の黒鉛化度が高くなっていてもよい。少なくとも１つの膜電極接合体のアノード触媒層またはカソード触媒層と接する基材の表層部分に設けられ、導電領域と電気的に接続した集電領域をさらに備え、絶縁領域から集電領域にかけて基材の導電性が連続的に増加していてもよい。また、直線状に配置され、直列に接続された第１の列に属する複数の膜電極接合体と、当該複数の膜電極接合体と並行して、直線状に配置され、直列に接続された第２の列に属する複数の膜電極接合体とを有し、導電領域の一つが、第１の列に属する複数の膜電極接合体の中で端部に位置する膜電極接合体と、当該膜電極接合体と対向し、第２の列に属する複数の膜電極接合体の中で端部に位置する膜電極接合体と、を直列に接続してもよい。基材の絶縁領域が加熱により黒鉛化する芳香族高分子で形成されていてもよい。また、その芳香族高分子はポリイミドで形成され、基材の導電領域が黒鉛化されたポリイミドで形成されていてもよい。
【００１０】
本発明の他の態様は燃料電池である。当該燃料電池は、上述した態様の複合膜を有することを特徴とする。
【００１１】
なお、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、セルを平面状に配列した平面配列型の燃料電池において、隣接するセル間を電気的に直列に接続するための接続部の接続信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】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】図１のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
【図３】図３（Ａ）は、複合膜をアノード側から平面視した平面図である。図３（Ｂ）は、複合膜をカソード側から平面視した平面図である。図３（Ｃ）は、図３（Ａ）のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。図３（Ｄ）は、図３（Ａ）のＣ−Ｃ’線に沿った断面図である。
【図４】図４（Ａ）は、アノード触媒層を省略して、複合膜をアノード側から平面視した平面図である。図４（Ｂ）は、カソード触媒層を省略して、複合膜をカソード側から平面視した平面図である。
【図５】基材の導電領域と絶縁領域の導電率を示す模式図である。
【図６】実施の形態に係る燃料電池に用いられる複合膜を作製する方法を示す工程図である。
【図７】実施の形態に係る燃料電池に用いられる複合膜を作製する方法を示す工程図である。
【図８】実施の形態に係る燃料電池に用いられる複合膜を作製する方法を示す工程図である。
【図９】実施の形態に係る燃料電池に用いられる複合膜を作製する方法を示す工程図である。
【図１０】実施の形態に係る燃料電池に用いられる複合膜を作製する方法を示す工程図である。
【図１１】実施の形態に係る燃料電池に用いられる複合膜を作製する方法を示す工程図である。
【図１２】導電領域のより詳細な構成および作製方法を示す部分拡大図である。
【図１３】絶縁領域およびレーザ照射によって形成された導電領域を撮像した顕微鏡像である。
【図１４】絶縁領域およびレーザ照射によって形成された導電領域を撮像した顕微鏡像である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１５】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態に係る燃料電池１０の構造を示す分解斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。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が組み込まれた複合膜１２、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、複合膜１２の周縁部に後述する封止部材５０が設けられている。
【００１６】
図３（Ａ）は、複合膜１２をアノード側から平面視した平面図である。図３（Ｂ）は、複合膜１２をカソード側から平面視した平面図である。図３（Ｃ）は、図３（Ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図３（Ｄ）は、図３（Ａ）のＣ−Ｃ’線に沿った断面図である。また、図４（Ａ）は、アノード触媒層を省略して、複合膜１２をアノード側から平面視した平面図である。図４（Ｂ）は、カソード触媒層を省略して、複合膜１２をカソード側から平面視した平面図である。
【００１７】
図３および図４を参照して、複合膜１２の構成を説明する。複合膜１２は、基材１４および複数の膜電極接合体２０を含む。基材１４には、膜電極接合体２０と同数の開口部１６が設けられており、各開口部１６に対応し膜電極接合体２０が形成されている。
【００１８】
膜電極接合体２０は、電解質膜２２、電解質膜２２の一方の面に設けられたアノード触媒層２４、電解質膜２２の他方の面に設けられたカソード触媒層２６を備える。電解質膜２２は、基材１４に設けられた開口部１６を充填するように設けられている。アノード触媒層２４には、燃料ガスとして水素が供給される。一方、カソード触媒層２６には酸化剤として空気が供給される。一対のアノード触媒層２４とカソード触媒層２６との間に電解質膜２２が狭持されることによりセルが構成され、各セルは水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電する。
【００１９】
このように、本実施の形態の燃料電池１０では、アノード触媒層２４にカソード触媒層２６が対となり、複数の膜電極接合体２０またはセルが平面状に形成されている。なお、開口部は４辺が囲まれていても、あるいは１辺が開放されて３辺が囲まれていてもよい。開放されている１辺は成形後削除してもよい。
【００２０】
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、アノード触媒層２４とカソード触媒層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。
【００２１】
アノード触媒層２４およびカソード触媒層２６は、イオン交換樹脂ならびに触媒粒子、場合によって炭素粒子を有する。
【００２２】
アノード触媒層２４およびカソード触媒層２６が有するイオン交換樹脂は、触媒粒子と電解質膜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。このイオン交換樹脂は、電解質膜２２と同様の高分子材料から形成されてよい。触媒金属としては、Ｓｃ、Ｙ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｏｓ、Ｉｒ、ランタノイド系列元素やアクチノイド系列の元素の中から選ばれる合金や単体が挙げられる。また触媒を担持する場合には炭素粒子として、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を用いてもよい。
【００２３】
本実施の形態では、膜電極接合体２０の数は、膜電極接合体２０（１）〜膜電極接合体２０（８）の８組である。このうち、膜電極接合体２０（１）〜膜電極接合体２０（４）が基材１４の長手方向に一列に並び、これらと並行して膜電極接合体２０（５）〜膜電極接合体２０（８）が膜電極接合体２０（１）〜膜電極接合体２０（４）とは逆の順序で一列に並んでいる。
【００２４】
基材１４は、絶縁領域１４ｚおよび導電領域１４ｃを有する。絶縁領域１４ｚは、膜電極接合体２０の周囲を絶縁する領域である。絶縁領域１４ｚにより、隣接する膜電極接合体２０が短絡することが抑制される。導電領域１４ｃは、隣接する膜電極接合体２０の一方のアノード触媒層２４と他方のカソード触媒層２６とを電気的に接続するための領域であり、いわゆるインターコネクタ部である。具体的には、隣接する膜電極接合体２０の間において、電解質膜２２の辺に沿って基材１４を貫通した領域として設けられており、かつ、隣接する電解質膜２２のいずれからも絶縁領域１４ｚにより絶縁して設けられている。
【００２５】
一列に並ぶ膜電極接合体２０（１）〜膜電極接合体２０（４）は、隣接する膜電極接合体２０の間にそれぞれ設けられた導電領域１４ｃによって直列に接続されている。同様に、一列に並ぶ膜電極接合体２０（５）〜膜電極接合体２０（８）は、隣接する膜電極接合体２０の間にそれぞれ設けられた導電領域１４ｃによって直列に接続されている。また、膜電極接合体２０（４）と膜電極接合体２０（５）との間に導電領域１４ｃが設けられており（図３（Ｄ）参照）、この導電領域１４ｃによって膜電極接合体２０（４）と膜電極接合体２０（５）とが直列に接続されている。このように、膜電極接合体２０（１）〜膜電極接合体２０（８）は、隣接する膜電極接合体２０の間にそれぞれ設けられた導電領域１４ｃにより直列に接続されている。
【００２６】
図３（Ａ）に示すように、導電領域１４ｃにより直列接続される膜電極接合体２０の方向が膜電極接合体２０（１）〜膜電極接合体２０（４）と膜電極接合体２０（４）〜膜電極接合体２０（５）とで、９０度変わり、膜電極接合体２０（４）〜膜電極接合体２０（５）と、膜電極接合体２０（５）〜膜電極接合体２０（８）とでさらに９０度変わっている。すなわち、膜電極接合体２０（１）〜膜電極接合体２０（８）を結ぶ導電パスが膜電極接合体２０（４）〜膜電極接合体２０（５）で折り返したＵ字状となっている。膜電極接合体２０を直線状に直列に接続するだけでなく、任意の形状に応じた接続を可能とすることで、燃料電池をよりコンパクトに、また、形状の自由度が高い設計を可能とする。
【００２７】
また、本実施の形態の基材１４は、集電領域１４ｓを有する。集電領域１４ｓは、触媒層の集電性を高めるための領域であり、基材１４の表層部分に設けられている。具体的には、基材１４の長手方向の端部領域において、膜電極接合体２０（４）のアノード触媒層２４と接するように集電領域１４ｓが設けられ、この集電領域１４ｓは、膜電極接合体２０（４）と膜電極接合体２０（５）との間に設けられた導電領域１４ｃと接続している。
また、基材１４の長手方向の端部領域において、膜電極接合体２０（５）のカソード触媒層２６と接するように集電領域１４ｓが設けられ、この集電領域１４ｓは、膜電極接合体２０（４）と膜電極接合体２０（５）との間に設けられた導電領域１４ｃと接続している。
【００２８】
絶縁領域１４ｚ、導電領域１４ｃおよび集電領域１４ｓは、ベースとなる材料が同じであり、ベース材料を改質して導電性を変えることにより機能が異なる領域が形成されている。このため、絶縁領域１４ｚと導電領域１４ｃとの間、および絶縁領域１４ｚと集電領域１４ｓとの間には物理的な区切りが存在せず、基材１４において、絶縁領域１４ｚ、導電領域１４ｃおよび集電領域１４ｓが一体的に形成されている。
【００２９】
図５は、基材１４の導電領域１４ｃと絶縁領域１４ｚの導電率を示す模式図である。図５に示すように、絶縁領域１４ｚから導電領域１４ｃにかけて導電率が連続的に増加している。導電率が基準となる導電率Ａ０以上の領域が導電領域１４ｃであり、導電率が導電率Ａ０未満の領域が絶縁領域１４ｚである。なお、導電率は基材１４の黒鉛化度と正の相関があり、基材１４の黒鉛化度が高いほど導電率が高くなる。このため、図５の縦軸の導電率を黒鉛化度に置き換えることができる。基材１４の黒鉛化度は、たとえば、ラマン分光法により測定することができる。
【００３０】
基材１４の集電領域１４ｓと絶縁領域１４ｚの導電率の関係も、図５に示す模式図と同様な関係であり、絶縁領域１４ｚから集電領域１４ｓにかけて導電率が連続的に増加している。基材１４の材料としては、加熱により黒鉛化する芳香族高分子が用いられる。この芳香族高分子は、加熱によって炭素六方網平面が積層してなる黒鉛微結晶を形成・成長・配列しやすい構造をしている。ここで用いる芳香族高分子としては、たとえば、ポリイミドが挙げられる。この場合、絶縁領域１４ｚは絶縁性のポリイミドで形成され、導電領域１４ｃおよび集電領域１４ｓは、ポリイミドの黒鉛化度を高めることにより形成される。
【００３１】
以上説明した複合膜１２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からなる筐体に収容されている。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。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。
【００３２】
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。
【００３３】
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、複合膜１２の周縁部に設けられた封止部材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。
【００３４】
本実施の形態に係る燃料電池１０では、隣接する膜電極接合体２０を直列に接続するためのインターコネクタが基材１４を構成する材料を改質して導電性を連続的に変えることにより形成されている。このため、インターコネクタが基材１４と別部材で形成されておらず、インターコネクタ部分に隙間が生じにくくなっている。この結果、隣接する膜電極接合体２０を直列接続するインターコネクタの接続信頼性を向上させることができる。また、インターコネクタ部において、クロスリークが生じることを抑制することができる。
【００３５】
また、導電領域１４ｃが設けられた膜電極接合体２０の辺とは別の辺に沿って集電領域１４ｓを設けることにより、膜電極接合体２０の集電性を高めることができる。この集電領域１４ｓは、導電領域１４ｃと同様に、基材１４を構成する材料を改質して導電性を連続的に変えることにより形成されている。このため、集電領域１４ｓの部分に隙間が生じにくくなっている。この結果、集電領域１４ｓの接続信頼性を向上させることができる。
【００３６】
（複合膜の作製方法）
実施の形態に係る燃料電池に用いられる複合膜１２の作製方法について、図６乃至図１２を参照して説明する。図６乃至図１１は、実施の形態に係る複合膜１２を作製する方法を示す工程図である。なお、図６乃至図７において、左側（ｉ）に平面図を示し、右側（ｉｉ）に平面図のＡ−Ａ’線に沿った断面図を示す。図８乃至図１０では、左側（ｉ）、（ｉ’）にそれぞれアノード側の平面図、カソード側の平面図を示し、左側（ｉｉ）、（ｉｉ’）にそれぞれ平面図（ｉ）のＡ−Ａ’線に沿った断面図、平面図（ｉ’）のＢ−Ｂ’線に沿った断面図を示す。図１１は、図１０の平面図（ｉ）のＣ−Ｃ’線に沿った断面図である。
【００３７】
まず、図６（Ａ）に示すように、ポリイミドを板状に成型して形成された基材１４を用意する。基材１４の厚さは、たとえば、２０−１５０μｍである。この段階では、基材１４の全体が絶縁領域１４ｚである。
【００３８】
次に、図６（Ｂ）に示すように、基材１４に複数の開口部１６を作製する。開口部１６の形成領域は、後述する電解質膜の形成領域に相当する。基材１４の長手方向に隣接する開口部１６間の間隔は、たとえば８００μｍである。開口部１６を形成する方法として、たとえば、赤外レーザ、可視光レーザ、紫外レーザによるレーザ加工あるいは金型を用いた打ち抜き法などの手法が挙げられる。
【００３９】
次に、図７に示すように、基材１４に設けられた開口部１６（図６（Ｂ）参照）に電解質膜２２を形成する。具体的には、ナフィオン溶液を開口部１６に充填した後、溶媒を蒸発させることにより電解質膜２２を形成することができる。この手法は、開口部１６が微小である場合に有効である。また、開口部１６に、開口部１６の大きさに予め成形された電解質膜２２を嵌め込んでもよい。この場合には、開口部１６に電解質膜２２を嵌め込んだ後、基材１４と電解質膜２２との界面にナフィオン溶液を流し込むことが好ましい。これによれば、ナフィオン溶液が接着剤として機能するため、基材１４と電解質膜２２との密着性を高めることができる。
【００４０】
次に、図８に示すように、基材１４の長手方向に隣接する電解質膜２２の間にインターコネクタとなる導電領域１４ｃを形成する。導電領域１４ｃは、隣接する電解質膜２２の対向する辺に沿って設けられており、かつ、この段階では、導電領域１４ｃは、隣接する電解質膜２２のいずれからも離間して設けられている。なお、基材１４の長手方向の一方の端部領域において、図８の上下方向（基材１４の短手方向に）に隣接する電解質膜２２（４）と電解質膜２２（５）の間においても導電領域１４ｃを形成する。
【００４１】
また、図８（ｉ）および図８（ｉｉ）に示すように、基材１４のアノード側において、電解質膜２２（４）の辺に沿って延在し、一方の端部が電解質膜２２（４）と電解質膜２２（５）との間に設けられた導電領域１４ｃと接続する集電領域１４ｓを形成する。また、図８（ｉ’）および図８（ｉｉ’）に示すように、基材１４のカソード側において、電解質膜２２（５）の辺に沿って延在し、一方の端部が電解質膜２２（５）との間に設けられた導電領域１４ｃと接続する集電領域１４ｓを形成する。
【００４２】
図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）は、導電領域１４ｃのより詳細な構成および作製方法を示す部分拡大図である。まず、図１２（Ａ）に示すように、基材１４の一方の面側から絶縁領域１４ｚの所定領域に向けてレーザを照射し、ポリイミドを黒鉛化することにより導電領域４ｃ（１）を形成する。このときのレーザの照射領域は、隣接する電解質膜２２のうち、一方の電解質膜２２により近い領域である。レーザの照射幅Ｗ１は、たとえば、４００μｍである。
【００４３】
次に、図１２（Ｂ）に示すように、基材１４の他方の面側から絶縁領域１４ｚの所定領域に向けてレーザを照射し、ポリイミドを黒鉛化することにより導電領域１４ｃ（２）を形成する。このときのレーザの照射領域は、隣接する電解質膜２２のうち、他方の電解質膜２２により近い領域であり、かつ、導電領域１４ｃ（２）が導電領域４ｃ（１）と重畳するような位置である。基材１４の一方の面側からのレーザ照射により形成された導電領域１４ｃ（１）と基材１４の他方の面側からのレーザ照射により形成された導電領域４ｃ（２）とが重畳する領域の幅Ｗ２は、たとえば、２００μｍである。
【００４４】
これによれば、基材の一方の面側からレーザを照射しただけでは、導電領域１４ｃを基材の一方の面から他方の面に貫通する領域とすることができないような条件下においても、導電領域１４ｃを簡便かつ確実に形成することができる。
【００４５】
集電領域１４ｓは、導電領域１４ｃと同様に、絶縁領域１４ｚの所定領域へのレーザ照射により形成することができる。集電領域１４ｓを形成する場合は、アノード側の絶縁領域１４ｚの表層へのレーザ照射、または、カソード側の絶縁領域１４ｚの表層へのレーザ照射を行う。この場合、集電領域１４ｓが基材１４を貫通しないように、導電領域１４ｃを形成する場合に比べて、照射するレーザの出力を抑えることが求められる。
【００４６】
次に、図９（ｉ）および図９（ｉｉ）に示すように、基材１４のアノード側において、複数の電解質膜２２を跨ぐように、基材１４の長手方向に沿って触媒層８０を形成する。具体的には、水１０ｇ、ナフィオン溶液５ｇ、白金ブラックまたは白金担持カーボン５ｇ、１−プロパノール５ｇを十分撹拌することにより触媒スラリーを調整し、この触媒スラリーをスプレー塗布することにより触媒層８０を形成する。同様に、図９（ｉ’）および図９（ｉｉ’）に示すように、基材１４のカソード側において、複数の電解質膜２２を跨ぐように、基材１４の長手方向に沿って触媒層８２を形成する。具体的には、上述した触媒スラリーをスプレー塗布することにより触媒層８２を形成する。
【００４７】
次に、図１０（ｉ）、図１０（ｉｉ）および図１１に示すように、基材１４のアノード側に設けられた触媒層８０の所定領域をエキシマレーザなどのレーザを用いて部分的に除去して、一つの電解質膜２２を覆うような区画に分割されたアノード触媒層２４を形成する。電解質膜２２を覆うアノード触媒層２４（ただし、アノード触媒層２４（８）を除く）は、各電解質膜２２の一辺の近傍に設けられた導電領域１４ｃの上に延在して形成されている。また、アノード触媒層２４（４）は、電解質膜２２（４）の一辺に沿って設けられた集電領域１４ｓの上に延在して形成されている。
【００４８】
また、図１０（ｉ’）、図１０（ｉｉ’）および図１１に示すように、基材１４のカソード側に設けられた触媒層８２の所定領域をエキシマレーザなどのレーザを用いて部分的に除去して、一つの電解質膜２２を覆うような区画に分割されたカソード触媒層２６を形成する。電解質膜２２を覆うカソード触媒層２６（ただし、カソード触媒層２６（１）を除く）は、各電解質膜２２の一辺の近傍に設けられた導電領域１４ｃの上に延在して形成されている。また、カソード触媒層２６（５）は、電解質膜２２（５）の一辺に沿って設けられた集電領域１４ｓの上に延在して形成されている。
【００４９】
なお、触媒層除去に用いるレーザにはエキシマレーザの他にその発振波長が１８０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下であるＹＡＧ第３高周波レーザやＹＶＯ４第４高周波グリーンレーザなどを用いてもよい。レーザの出力は、レーザ照射部分の触媒層を完全に除去するのに十分であればよく、触媒層の材質や厚さに応じて適宜調整すればよい。
【００５０】
以上の製造工程により、実施の形態に係る膜電極接合体２０が組み込まれた複合膜１２が作製される。なお、上述した製造工程では、各工程でアノードおよびカソードに同様な工程を実施した後、次の工程に移行しているが、たとえば、アノードに一連の工程を施した後、カソードに一連の工程を施してもよい。
【００５１】
（レーザ照射実験１）
厚さ２５μｍのポリイミドフィルムを用意し、ＣＯ２レーザ（最大出力７５Ｗ、波長９．３μｍ）の強度および走査スピードを変えて当該ポリイミドフィルムの片面に照射した。表１にレーザ照射の結果を示す。表１の◎はレーザ照射した面から裏面まで炭化（黒色に変色）し、かつポリイミドフィルムに貫通孔が生じなかったことを示す。表１の△は、レーザ照射した面から裏面まで炭化（黒色に変色）したが、ポリイミドフィルムに貫通孔が生じたことを示す。表１の×は、レーザ照射した面側の一部のみが炭化（黒色に変色）したことを示す。また、表１の−は、レーザ照射実験を実施していないことを示す。表１に示すように、ポリイミドフィルムの片面にＣＯ２レーザを片面照射した場合に、ＣＯ２レーザの強度および走査スピードを調整することにより、貫通孔を生じさせることなく、レーザ照射した面から裏面まで炭化させることが可能であることが確認された。また、レーザ照射した面を顕微鏡観察した結果、導電領域である基材（白色透明）から、導電領域である黒鉛部（黒色部分）に、中間領域である中間色（灰色）部分を経て、漸次変色しており、絶縁領域から導電領域にかけて基材の導電性の漸次的増加が推測される（図１３および図１４参照）。
【表１】
【００５２】
（レーザ照射実験２）
厚さ２５μｍのポリイミドフィルムを用意し、ＣＯ２レーザ（出力１１．３Ｗ、波長９．３μｍ）を走査スピード３００ｍｍ／秒で当該ポリイミドフィルムの片面に照射した。レーザ照射された部分（０．９ｍｍ×０．１ｍｍ）について、貫層方向の抵抗を測定したところ、２０Ωであった。この場合の体積抵抗率は、２０（Ω）×０．０９（ｃｍ）×０．０１（ｃｍ）÷０．００２５（ｃｍ）＝７．２Ω・ｃｍとなる。また、ガス拡散層として用いられるカーボンペーパー（東レ社製、ＴＧＰ−Ｈ−０６０、厚さ０．２ｍｍ、５ｍｍ×５ｍｍ）について、貫層方向の抵抗を測定したところ、５Ωであった。この場合の体積抵抗率は、５（Ω）×０．５（ｃｍ）×０．５（ｃｍ）÷０．０２（ｃｍ）＝６２．５Ω・ｃｍとなる。以上の結果より、ポリイミドフィルムをレーザ照射して導電領域を形成した場合の体積抵抗率は、カーボンペーパーの体積抵抗率に対して８．７倍程度低い値であり、十分実用レベルにあることが確認された。
【００５３】
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。
【符号の説明】
【００５４】
１０ 燃料電池、１２ 複合膜、１４ 基材、１４ｚ 絶縁領域、１４ｃ 導電領域、１４ｓ 集電領域、２０ 膜電極接合体、２２ 電解質膜、２４ アノード触媒層、２６ カソード触媒層
【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、セルが平面配列された燃料電池に関する。
【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。
【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、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、電子書籍）などの電源への利用が期待されている。携帯機器用の固体高分子形燃料電池としては、複数の単セルを平面状に配列した平面配列型の燃料電池が知られている。また、複数の単セルを平面状に配列させる方法として非電解質である基材を用いて複数の貫通孔を設け、そこに電解質を充填することで作製した複合膜を用いた平面配列型の燃料電池もある(特許文献１参照)。基材を用いることで、プロトン伝導性は高いが機械的強度の弱い電解質を用いることが可能になるとともに、電解質の部分を極力減らすことでコストの削減になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２４４７１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
セルを平面状に配列した平面配列型の燃料電池は、スタック構造の燃料電池と比べてセル間を直列に電気的に接続することが困難であった。これに対して、特許文献１では、固体高分子膜に接続配線を貫通させる手法が採られているが、この場合には、接続配線の接触不良およびガスリークが生じてしまう問題があった。
【０００６】
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、セルを平面状に配列した平面配列型の燃料電池において、隣接するセル間を電気的に直列に接続するための接続部の接続信頼性を向上させる技術の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のある態様は、複合膜である。当該複合膜は、複数の開口部が設けられた基材と、開口部にそれぞれ設けられ、イオン交換体を含む電解質膜と、電解質膜の一方の面に設けられたアノード触媒層と、電解質膜の他方の面に設けられたカソード触媒層と、を有する膜電極接合体と、を備え、基材は、膜電極接合体の周囲を絶縁する絶縁領域と、隣接する膜電極接合体の一方のアノード触媒層と他方のカソード触媒層とを電気的に接続するための導電領域とを有し、絶縁領域から導電領域にかけて基材の導電性が連続的に増加していることを特徴とする。なお、基材の導電性が連続的に増加するとは、図５に示すように連続的な曲線状に増加する場合だけでなく、一部の領域で導電性の増加が一定になっているような場合や、あるいは絶縁領域と導電領域との間に両者の中間領域が設けられているような場合も含まれる。
【０００８】
上記態様の複合膜によれば、隣接する膜電極接合体を直列に接続するための導電領域が基材の導電性を連続的に変えることにより形成されている。このため、導電領域が基材と別部材で形成されておらず、導電領域に隙間が生じにくくなっている。この結果、隣接する膜電極接合体を直列接続する導電領域の接続信頼性を向上させることができる。
【０００９】
上記態様の複合膜において、絶縁領域から導電領域にかけて基材の黒鉛化度が高くなっていてもよい。少なくとも１つの膜電極接合体のアノード触媒層またはカソード触媒層と接する基材の表層部分に設けられ、導電領域と電気的に接続した集電領域をさらに備え、絶縁領域から集電領域にかけて基材の導電性が連続的に増加していてもよい。また、直線状に配置され、直列に接続された第１の列に属する複数の膜電極接合体と、当該複数の膜電極接合体と並行して、直線状に配置され、直列に接続された第２の列に属する複数の膜電極接合体とを有し、導電領域の一つが、第１の列に属する複数の膜電極接合体の中で端部に位置する膜電極接合体と、当該膜電極接合体と対向し、第２の列に属する複数の膜電極接合体の中で端部に位置する膜電極接合体と、を直列に接続してもよい。基材の絶縁領域が加熱により黒鉛化する芳香族高分子で形成されていてもよい。また、その芳香族高分子はポリイミドで形成され、基材の導電領域が黒鉛化されたポリイミドで形成されていてもよい。
【００１０】
本発明の他の態様は燃料電池である。当該燃料電池は、上述した態様の複合膜を有することを特徴とする。
【００１１】
なお、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、セルを平面状に配列した平面配列型の燃料電池において、隣接するセル間を電気的に直列に接続するための接続部の接続信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】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】図１のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
【図３】図３（Ａ）は、複合膜をアノード側から平面視した平面図である。図３（Ｂ）は、複合膜をカソード側から平面視した平面図である。図３（Ｃ）は、図３（Ａ）のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。図３（Ｄ）は、図３（Ａ）のＣ−Ｃ’線に沿った断面図である。
【図４】図４（Ａ）は、アノード触媒層を省略して、複合膜をアノード側から平面視した平面図である。図４（Ｂ）は、カソード触媒層を省略して、複合膜をカソード側から平面視した平面図である。
【図５】基材の導電領域と絶縁領域の導電率を示す模式図である。
【図６】実施の形態に係る燃料電池に用いられる複合膜を作製する方法を示す工程図である。
【図７】実施の形態に係る燃料電池に用いられる複合膜を作製する方法を示す工程図である。
【図８】実施の形態に係る燃料電池に用いられる複合膜を作製する方法を示す工程図である。
【図９】実施の形態に係る燃料電池に用いられる複合膜を作製する方法を示す工程図である。
【図１０】実施の形態に係る燃料電池に用いられる複合膜を作製する方法を示す工程図である。
【図１１】実施の形態に係る燃料電池に用いられる複合膜を作製する方法を示す工程図である。
【図１２】導電領域のより詳細な構成および作製方法を示す部分拡大図である。
【図１３】絶縁領域およびレーザ照射によって形成された導電領域を撮像した顕微鏡像である。
【図１４】絶縁領域およびレーザ照射によって形成された導電領域を撮像した顕微鏡像である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１５】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態に係る燃料電池１０の構造を示す分解斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。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が組み込まれた複合膜１２、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、複合膜１２の周縁部に後述する封止部材５０が設けられている。
【００１６】
図３（Ａ）は、複合膜１２をアノード側から平面視した平面図である。図３（Ｂ）は、複合膜１２をカソード側から平面視した平面図である。図３（Ｃ）は、図３（Ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図３（Ｄ）は、図３（Ａ）のＣ−Ｃ’線に沿った断面図である。また、図４（Ａ）は、アノード触媒層を省略して、複合膜１２をアノード側から平面視した平面図である。図４（Ｂ）は、カソード触媒層を省略して、複合膜１２をカソード側から平面視した平面図である。
【００１７】
図３および図４を参照して、複合膜１２の構成を説明する。複合膜１２は、基材１４および複数の膜電極接合体２０を含む。基材１４には、膜電極接合体２０と同数の開口部１６が設けられており、各開口部１６に対応し膜電極接合体２０が形成されている。
【００１８】
膜電極接合体２０は、電解質膜２２、電解質膜２２の一方の面に設けられたアノード触媒層２４、電解質膜２２の他方の面に設けられたカソード触媒層２６を備える。電解質膜２２は、基材１４に設けられた開口部１６を充填するように設けられている。アノード触媒層２４には、燃料ガスとして水素が供給される。一方、カソード触媒層２６には酸化剤として空気が供給される。一対のアノード触媒層２４とカソード触媒層２６との間に電解質膜２２が狭持されることによりセルが構成され、各セルは水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電する。
【００１９】
このように、本実施の形態の燃料電池１０では、アノード触媒層２４にカソード触媒層２６が対となり、複数の膜電極接合体２０またはセルが平面状に形成されている。なお、開口部は４辺が囲まれていても、あるいは１辺が開放されて３辺が囲まれていてもよい。開放されている１辺は成形後削除してもよい。
【００２０】
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、アノード触媒層２４とカソード触媒層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。
【００２１】
アノード触媒層２４およびカソード触媒層２６は、イオン交換樹脂ならびに触媒粒子、場合によって炭素粒子を有する。
【００２２】
アノード触媒層２４およびカソード触媒層２６が有するイオン交換樹脂は、触媒粒子と電解質膜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。このイオン交換樹脂は、電解質膜２２と同様の高分子材料から形成されてよい。触媒金属としては、Ｓｃ、Ｙ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｏｓ、Ｉｒ、ランタノイド系列元素やアクチノイド系列の元素の中から選ばれる合金や単体が挙げられる。また触媒を担持する場合には炭素粒子として、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を用いてもよい。
【００２３】
本実施の形態では、膜電極接合体２０の数は、膜電極接合体２０（１）〜膜電極接合体２０（８）の８組である。このうち、膜電極接合体２０（１）〜膜電極接合体２０（４）が基材１４の長手方向に一列に並び、これらと並行して膜電極接合体２０（５）〜膜電極接合体２０（８）が膜電極接合体２０（１）〜膜電極接合体２０（４）とは逆の順序で一列に並んでいる。
【００２４】
基材１４は、絶縁領域１４ｚおよび導電領域１４ｃを有する。絶縁領域１４ｚは、膜電極接合体２０の周囲を絶縁する領域である。絶縁領域１４ｚにより、隣接する膜電極接合体２０が短絡することが抑制される。導電領域１４ｃは、隣接する膜電極接合体２０の一方のアノード触媒層２４と他方のカソード触媒層２６とを電気的に接続するための領域であり、いわゆるインターコネクタ部である。具体的には、隣接する膜電極接合体２０の間において、電解質膜２２の辺に沿って基材１４を貫通した領域として設けられており、かつ、隣接する電解質膜２２のいずれからも絶縁領域１４ｚにより絶縁して設けられている。
【００２５】
一列に並ぶ膜電極接合体２０（１）〜膜電極接合体２０（４）は、隣接する膜電極接合体２０の間にそれぞれ設けられた導電領域１４ｃによって直列に接続されている。同様に、一列に並ぶ膜電極接合体２０（５）〜膜電極接合体２０（８）は、隣接する膜電極接合体２０の間にそれぞれ設けられた導電領域１４ｃによって直列に接続されている。また、膜電極接合体２０（４）と膜電極接合体２０（５）との間に導電領域１４ｃが設けられており（図３（Ｄ）参照）、この導電領域１４ｃによって膜電極接合体２０（４）と膜電極接合体２０（５）とが直列に接続されている。このように、膜電極接合体２０（１）〜膜電極接合体２０（８）は、隣接する膜電極接合体２０の間にそれぞれ設けられた導電領域１４ｃにより直列に接続されている。
【００２６】
図３（Ａ）に示すように、導電領域１４ｃにより直列接続される膜電極接合体２０の方向が膜電極接合体２０（１）〜膜電極接合体２０（４）と膜電極接合体２０（４）〜膜電極接合体２０（５）とで、９０度変わり、膜電極接合体２０（４）〜膜電極接合体２０（５）と、膜電極接合体２０（５）〜膜電極接合体２０（８）とでさらに９０度変わっている。すなわち、膜電極接合体２０（１）〜膜電極接合体２０（８）を結ぶ導電パスが膜電極接合体２０（４）〜膜電極接合体２０（５）で折り返したＵ字状となっている。膜電極接合体２０を直線状に直列に接続するだけでなく、任意の形状に応じた接続を可能とすることで、燃料電池をよりコンパクトに、また、形状の自由度が高い設計を可能とする。
【００２７】
また、本実施の形態の基材１４は、集電領域１４ｓを有する。集電領域１４ｓは、触媒層の集電性を高めるための領域であり、基材１４の表層部分に設けられている。具体的には、基材１４の長手方向の端部領域において、膜電極接合体２０（４）のアノード触媒層２４と接するように集電領域１４ｓが設けられ、この集電領域１４ｓは、膜電極接合体２０（４）と膜電極接合体２０（５）との間に設けられた導電領域１４ｃと接続している。
また、基材１４の長手方向の端部領域において、膜電極接合体２０（５）のカソード触媒層２６と接するように集電領域１４ｓが設けられ、この集電領域１４ｓは、膜電極接合体２０（４）と膜電極接合体２０（５）との間に設けられた導電領域１４ｃと接続している。
【００２８】
絶縁領域１４ｚ、導電領域１４ｃおよび集電領域１４ｓは、ベースとなる材料が同じであり、ベース材料を改質して導電性を変えることにより機能が異なる領域が形成されている。このため、絶縁領域１４ｚと導電領域１４ｃとの間、および絶縁領域１４ｚと集電領域１４ｓとの間には物理的な区切りが存在せず、基材１４において、絶縁領域１４ｚ、導電領域１４ｃおよび集電領域１４ｓが一体的に形成されている。
【００２９】
図５は、基材１４の導電領域１４ｃと絶縁領域１４ｚの導電率を示す模式図である。図５に示すように、絶縁領域１４ｚから導電領域１４ｃにかけて導電率が連続的に増加している。導電率が基準となる導電率Ａ０以上の領域が導電領域１４ｃであり、導電率が導電率Ａ０未満の領域が絶縁領域１４ｚである。なお、導電率は基材１４の黒鉛化度と正の相関があり、基材１４の黒鉛化度が高いほど導電率が高くなる。このため、図５の縦軸の導電率を黒鉛化度に置き換えることができる。基材１４の黒鉛化度は、たとえば、ラマン分光法により測定することができる。
【００３０】
基材１４の集電領域１４ｓと絶縁領域１４ｚの導電率の関係も、図５に示す模式図と同様な関係であり、絶縁領域１４ｚから集電領域１４ｓにかけて導電率が連続的に増加している。基材１４の材料としては、加熱により黒鉛化する芳香族高分子が用いられる。この芳香族高分子は、加熱によって炭素六方網平面が積層してなる黒鉛微結晶を形成・成長・配列しやすい構造をしている。ここで用いる芳香族高分子としては、たとえば、ポリイミドが挙げられる。この場合、絶縁領域１４ｚは絶縁性のポリイミドで形成され、導電領域１４ｃおよび集電領域１４ｓは、ポリイミドの黒鉛化度を高めることにより形成される。
【００３１】
以上説明した複合膜１２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からなる筐体に収容されている。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。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。
【００３２】
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。
【００３３】
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、複合膜１２の周縁部に設けられた封止部材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。
【００３４】
本実施の形態に係る燃料電池１０では、隣接する膜電極接合体２０を直列に接続するためのインターコネクタが基材１４を構成する材料を改質して導電性を連続的に変えることにより形成されている。このため、インターコネクタが基材１４と別部材で形成されておらず、インターコネクタ部分に隙間が生じにくくなっている。この結果、隣接する膜電極接合体２０を直列接続するインターコネクタの接続信頼性を向上させることができる。また、インターコネクタ部において、クロスリークが生じることを抑制することができる。
【００３５】
また、導電領域１４ｃが設けられた膜電極接合体２０の辺とは別の辺に沿って集電領域１４ｓを設けることにより、膜電極接合体２０の集電性を高めることができる。この集電領域１４ｓは、導電領域１４ｃと同様に、基材１４を構成する材料を改質して導電性を連続的に変えることにより形成されている。このため、集電領域１４ｓの部分に隙間が生じにくくなっている。この結果、集電領域１４ｓの接続信頼性を向上させることができる。
【００３６】
（複合膜の作製方法）
実施の形態に係る燃料電池に用いられる複合膜１２の作製方法について、図６乃至図１２を参照して説明する。図６乃至図１１は、実施の形態に係る複合膜１２を作製する方法を示す工程図である。なお、図６乃至図７において、左側（ｉ）に平面図を示し、右側（ｉｉ）に平面図のＡ−Ａ’線に沿った断面図を示す。図８乃至図１０では、左側（ｉ）、（ｉ’）にそれぞれアノード側の平面図、カソード側の平面図を示し、左側（ｉｉ）、（ｉｉ’）にそれぞれ平面図（ｉ）のＡ−Ａ’線に沿った断面図、平面図（ｉ’）のＢ−Ｂ’線に沿った断面図を示す。図１１は、図１０の平面図（ｉ）のＣ−Ｃ’線に沿った断面図である。
【００３７】
まず、図６（Ａ）に示すように、ポリイミドを板状に成型して形成された基材１４を用意する。基材１４の厚さは、たとえば、２０−１５０μｍである。この段階では、基材１４の全体が絶縁領域１４ｚである。
【００３８】
次に、図６（Ｂ）に示すように、基材１４に複数の開口部１６を作製する。開口部１６の形成領域は、後述する電解質膜の形成領域に相当する。基材１４の長手方向に隣接する開口部１６間の間隔は、たとえば８００μｍである。開口部１６を形成する方法として、たとえば、赤外レーザ、可視光レーザ、紫外レーザによるレーザ加工あるいは金型を用いた打ち抜き法などの手法が挙げられる。
【００３９】
次に、図７に示すように、基材１４に設けられた開口部１６（図６（Ｂ）参照）に電解質膜２２を形成する。具体的には、ナフィオン溶液を開口部１６に充填した後、溶媒を蒸発させることにより電解質膜２２を形成することができる。この手法は、開口部１６が微小である場合に有効である。また、開口部１６に、開口部１６の大きさに予め成形された電解質膜２２を嵌め込んでもよい。この場合には、開口部１６に電解質膜２２を嵌め込んだ後、基材１４と電解質膜２２との界面にナフィオン溶液を流し込むことが好ましい。これによれば、ナフィオン溶液が接着剤として機能するため、基材１４と電解質膜２２との密着性を高めることができる。
【００４０】
次に、図８に示すように、基材１４の長手方向に隣接する電解質膜２２の間にインターコネクタとなる導電領域１４ｃを形成する。導電領域１４ｃは、隣接する電解質膜２２の対向する辺に沿って設けられており、かつ、この段階では、導電領域１４ｃは、隣接する電解質膜２２のいずれからも離間して設けられている。なお、基材１４の長手方向の一方の端部領域において、図８の上下方向（基材１４の短手方向に）に隣接する電解質膜２２（４）と電解質膜２２（５）の間においても導電領域１４ｃを形成する。
【００４１】
また、図８（ｉ）および図８（ｉｉ）に示すように、基材１４のアノード側において、電解質膜２２（４）の辺に沿って延在し、一方の端部が電解質膜２２（４）と電解質膜２２（５）との間に設けられた導電領域１４ｃと接続する集電領域１４ｓを形成する。また、図８（ｉ’）および図８（ｉｉ’）に示すように、基材１４のカソード側において、電解質膜２２（５）の辺に沿って延在し、一方の端部が電解質膜２２（５）との間に設けられた導電領域１４ｃと接続する集電領域１４ｓを形成する。
【００４２】
図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）は、導電領域１４ｃのより詳細な構成および作製方法を示す部分拡大図である。まず、図１２（Ａ）に示すように、基材１４の一方の面側から絶縁領域１４ｚの所定領域に向けてレーザを照射し、ポリイミドを黒鉛化することにより導電領域４ｃ（１）を形成する。このときのレーザの照射領域は、隣接する電解質膜２２のうち、一方の電解質膜２２により近い領域である。レーザの照射幅Ｗ１は、たとえば、４００μｍである。
【００４３】
次に、図１２（Ｂ）に示すように、基材１４の他方の面側から絶縁領域１４ｚの所定領域に向けてレーザを照射し、ポリイミドを黒鉛化することにより導電領域１４ｃ（２）を形成する。このときのレーザの照射領域は、隣接する電解質膜２２のうち、他方の電解質膜２２により近い領域であり、かつ、導電領域１４ｃ（２）が導電領域４ｃ（１）と重畳するような位置である。基材１４の一方の面側からのレーザ照射により形成された導電領域１４ｃ（１）と基材１４の他方の面側からのレーザ照射により形成された導電領域４ｃ（２）とが重畳する領域の幅Ｗ２は、たとえば、２００μｍである。
【００４４】
これによれば、基材の一方の面側からレーザを照射しただけでは、導電領域１４ｃを基材の一方の面から他方の面に貫通する領域とすることができないような条件下においても、導電領域１４ｃを簡便かつ確実に形成することができる。
【００４５】
集電領域１４ｓは、導電領域１４ｃと同様に、絶縁領域１４ｚの所定領域へのレーザ照射により形成することができる。集電領域１４ｓを形成する場合は、アノード側の絶縁領域１４ｚの表層へのレーザ照射、または、カソード側の絶縁領域１４ｚの表層へのレーザ照射を行う。この場合、集電領域１４ｓが基材１４を貫通しないように、導電領域１４ｃを形成する場合に比べて、照射するレーザの出力を抑えることが求められる。
【００４６】
次に、図９（ｉ）および図９（ｉｉ）に示すように、基材１４のアノード側において、複数の電解質膜２２を跨ぐように、基材１４の長手方向に沿って触媒層８０を形成する。具体的には、水１０ｇ、ナフィオン溶液５ｇ、白金ブラックまたは白金担持カーボン５ｇ、１−プロパノール５ｇを十分撹拌することにより触媒スラリーを調整し、この触媒スラリーをスプレー塗布することにより触媒層８０を形成する。同様に、図９（ｉ’）および図９（ｉｉ’）に示すように、基材１４のカソード側において、複数の電解質膜２２を跨ぐように、基材１４の長手方向に沿って触媒層８２を形成する。具体的には、上述した触媒スラリーをスプレー塗布することにより触媒層８２を形成する。
【００４７】
次に、図１０（ｉ）、図１０（ｉｉ）および図１１に示すように、基材１４のアノード側に設けられた触媒層８０の所定領域をエキシマレーザなどのレーザを用いて部分的に除去して、一つの電解質膜２２を覆うような区画に分割されたアノード触媒層２４を形成する。電解質膜２２を覆うアノード触媒層２４（ただし、アノード触媒層２４（８）を除く）は、各電解質膜２２の一辺の近傍に設けられた導電領域１４ｃの上に延在して形成されている。また、アノード触媒層２４（４）は、電解質膜２２（４）の一辺に沿って設けられた集電領域１４ｓの上に延在して形成されている。
【００４８】
また、図１０（ｉ’）、図１０（ｉｉ’）および図１１に示すように、基材１４のカソード側に設けられた触媒層８２の所定領域をエキシマレーザなどのレーザを用いて部分的に除去して、一つの電解質膜２２を覆うような区画に分割されたカソード触媒層２６を形成する。電解質膜２２を覆うカソード触媒層２６（ただし、カソード触媒層２６（１）を除く）は、各電解質膜２２の一辺の近傍に設けられた導電領域１４ｃの上に延在して形成されている。また、カソード触媒層２６（５）は、電解質膜２２（５）の一辺に沿って設けられた集電領域１４ｓの上に延在して形成されている。
【００４９】
なお、触媒層除去に用いるレーザにはエキシマレーザの他にその発振波長が１８０ｎｍ以上５５０ｎｍ以下であるＹＡＧ第３高周波レーザやＹＶＯ４第４高周波グリーンレーザなどを用いてもよい。レーザの出力は、レーザ照射部分の触媒層を完全に除去するのに十分であればよく、触媒層の材質や厚さに応じて適宜調整すればよい。
【００５０】
以上の製造工程により、実施の形態に係る膜電極接合体２０が組み込まれた複合膜１２が作製される。なお、上述した製造工程では、各工程でアノードおよびカソードに同様な工程を実施した後、次の工程に移行しているが、たとえば、アノードに一連の工程を施した後、カソードに一連の工程を施してもよい。
【００５１】
（レーザ照射実験１）
厚さ２５μｍのポリイミドフィルムを用意し、ＣＯ２レーザ（最大出力７５Ｗ、波長９．３μｍ）の強度および走査スピードを変えて当該ポリイミドフィルムの片面に照射した。表１にレーザ照射の結果を示す。表１の◎はレーザ照射した面から裏面まで炭化（黒色に変色）し、かつポリイミドフィルムに貫通孔が生じなかったことを示す。表１の△は、レーザ照射した面から裏面まで炭化（黒色に変色）したが、ポリイミドフィルムに貫通孔が生じたことを示す。表１の×は、レーザ照射した面側の一部のみが炭化（黒色に変色）したことを示す。また、表１の−は、レーザ照射実験を実施していないことを示す。表１に示すように、ポリイミドフィルムの片面にＣＯ２レーザを片面照射した場合に、ＣＯ２レーザの強度および走査スピードを調整することにより、貫通孔を生じさせることなく、レーザ照射した面から裏面まで炭化させることが可能であることが確認された。また、レーザ照射した面を顕微鏡観察した結果、導電領域である基材（白色透明）から、導電領域である黒鉛部（黒色部分）に、中間領域である中間色（灰色）部分を経て、漸次変色しており、絶縁領域から導電領域にかけて基材の導電性の漸次的増加が推測される（図１３および図１４参照）。
【表１】
【００５２】
（レーザ照射実験２）
厚さ２５μｍのポリイミドフィルムを用意し、ＣＯ２レーザ（出力１１．３Ｗ、波長９．３μｍ）を走査スピード３００ｍｍ／秒で当該ポリイミドフィルムの片面に照射した。レーザ照射された部分（０．９ｍｍ×０．１ｍｍ）について、貫層方向の抵抗を測定したところ、２０Ωであった。この場合の体積抵抗率は、２０（Ω）×０．０９（ｃｍ）×０．０１（ｃｍ）÷０．００２５（ｃｍ）＝７．２Ω・ｃｍとなる。また、ガス拡散層として用いられるカーボンペーパー（東レ社製、ＴＧＰ−Ｈ−０６０、厚さ０．２ｍｍ、５ｍｍ×５ｍｍ）について、貫層方向の抵抗を測定したところ、５Ωであった。この場合の体積抵抗率は、５（Ω）×０．５（ｃｍ）×０．５（ｃｍ）÷０．０２（ｃｍ）＝６２．５Ω・ｃｍとなる。以上の結果より、ポリイミドフィルムをレーザ照射して導電領域を形成した場合の体積抵抗率は、カーボンペーパーの体積抵抗率に対して８．７倍程度低い値であり、十分実用レベルにあることが確認された。
【００５３】
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。
【符号の説明】
【００５４】
１０ 燃料電池、１２ 複合膜、１４ 基材、１４ｚ 絶縁領域、１４ｃ 導電領域、１４ｓ 集電領域、２０ 膜電極接合体、２２ 電解質膜、２４ アノード触媒層、２６ カソード触媒層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の開口部が設けられた基材と、
前記開口部にそれぞれ設けられ、イオン交換体を含む電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に設けられたアノード触媒層と、前記電解質膜の他方の面に設けられたカソード触媒層と、を有する膜電極接合体と、
を備え、
前記基材は、前記膜電極接合体の周囲を絶縁する絶縁領域と、隣接する前記膜電極接合体の一方のアノード触媒層と他方のカソード触媒層とを電気的に接続するための導電領域とを有し、
前記絶縁領域から前記導電領域にかけて前記基材の導電性が連続的に増加していることを特徴とする複合膜。
【請求項２】
前記絶縁領域から前記導電領域にかけて前記基材の黒鉛化度が高くなっている請求項１に記載の複合膜。
【請求項３】
少なくとも１つの前記膜電極接合体の前記アノード触媒層または前記カソード触媒層と接する前記基材の表層部分に設けられ、前記導電領域と電気的に接続した集電領域をさらに備え、
前記絶縁領域から前記集電領域にかけて前記基材の導電性が連続的に増加している請求項１または２に記載の複合膜。
【請求項４】
直線状に配置され、直列に接続された第１の列に属する複数の膜電極接合体と、
当該複数の膜電極接合体と並行して、直線状に配置され、直列に接続された第２の列に属する複数の膜電極接合体とを有し、
前記導電領域の一つが、前記第１の列に属する複数の膜電極接合体の中で端部に位置する膜電極接合体と、当該膜電極接合体と対向し、前記第２の列に属する複数の膜電極接合体の中で端部に位置する膜電極接合体と、を直列に接続する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の複合膜。
【請求項５】
前記基材の絶縁領域は加熱により黒鉛化する芳香族高分子で形成されている請求項１乃至４のいずれか１項に記載の複合膜。
【請求項６】
前記芳香族高分子はポリイミドである請求項５に記載の複合膜。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の複合膜を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項１】
複数の開口部が設けられた基材と、
前記開口部にそれぞれ設けられ、イオン交換体を含む電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に設けられたアノード触媒層と、前記電解質膜の他方の面に設けられたカソード触媒層と、を有する膜電極接合体と、
を備え、
前記基材は、前記膜電極接合体の周囲を絶縁する絶縁領域と、隣接する前記膜電極接合体の一方のアノード触媒層と他方のカソード触媒層とを電気的に接続するための導電領域とを有し、
前記絶縁領域から前記導電領域にかけて前記基材の導電性が連続的に増加していることを特徴とする複合膜。
【請求項２】
前記絶縁領域から前記導電領域にかけて前記基材の黒鉛化度が高くなっている請求項１に記載の複合膜。
【請求項３】
少なくとも１つの前記膜電極接合体の前記アノード触媒層または前記カソード触媒層と接する前記基材の表層部分に設けられ、前記導電領域と電気的に接続した集電領域をさらに備え、
前記絶縁領域から前記集電領域にかけて前記基材の導電性が連続的に増加している請求項１または２に記載の複合膜。
【請求項４】
直線状に配置され、直列に接続された第１の列に属する複数の膜電極接合体と、
当該複数の膜電極接合体と並行して、直線状に配置され、直列に接続された第２の列に属する複数の膜電極接合体とを有し、
前記導電領域の一つが、前記第１の列に属する複数の膜電極接合体の中で端部に位置する膜電極接合体と、当該膜電極接合体と対向し、前記第２の列に属する複数の膜電極接合体の中で端部に位置する膜電極接合体と、を直列に接続する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の複合膜。
【請求項５】
前記基材の絶縁領域は加熱により黒鉛化する芳香族高分子で形成されている請求項１乃至４のいずれか１項に記載の複合膜。
【請求項６】
前記芳香族高分子はポリイミドである請求項５に記載の複合膜。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の複合膜を有する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２０１２−１５０９３（Ｐ２０１２−１５０９３Ａ）
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６８６１７（Ｐ２０１１−６８６１７）
【出願日】平成２３年３月２５日（２０１１．３．２５）
【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１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２５日（２０１１．３．２５）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【Ｆターム（参考）】
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