JP2000058100A - 電極積層構造体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型化することができると共に、大きな起電
力を得ることができる電極積層構造体を提供する。 【解決手段】 正極１１と負極１２とが電解質膜１３を
介して設けられた複合電極体１０を複数積層する。各複
合電極体１０は同極同士が対向するように絶縁性の各セ
パレータ２５を介して配設する。各正極１１同士が対向
する各複合電極体１０の間には酸化性ガス流路２２をそ
れぞれ形成し、各負極１２同士が対向する各複合電極体
１０の間には燃料ガス流路２３をそれぞれ形成する。各
複合電極体１０は配線２６により直列にそれぞれ電気的
に接続する。よって、積層方向もそれに対して垂直な方
向も共に、大きさを小さくすることができる。また、大
きな起電力を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、正極と負極とが電
解質膜を介して設けられた複合電極体を２以上積層した
電極積層構造体に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、燃料電池は、多孔質体よりなる
正極と、多孔質体よりなる負極との間に、電解質膜が挟
まれた複合電極体を有している。この複合電極体では、
負極の側に水素（Ｈ₂ ）ガスなどの燃料ガスが流通され
ると共に、正極の側に酸素（Ｏ₂ ）ガスを含む酸化性ガ
スが流通され、これらのガスが電解質膜を介して電気化
学的に反応することにより正極および負極を介して起電
力が取り出されるようになっている。なお、この複合電
極体は１つでは起電力が小さいので、通常は、図６に示
したように、複数の複合電極体１１０を直列に接続して
使用する場合が多い。

【０００３】例えば、この燃料電池では、各複合電極体
１１０の各正極１１１と各負極１１２とを互いに対向さ
せて積層し、各複合電極体１１０の間に導電性のセパレ
ータ１２５をそれぞれ挿入することにより、各複合電極
体１１０を直列に接続するようになっている。また、各
セパレータ１２５には、隣接する正極１１１に酸化性ガ
スを供給するための酸化性ガス流路１２２と、隣接する
負極１１２に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路１
２３とがそれぞれ形成されている。このような構成を有
する燃料電池は、積層することにより大きな起電力を得
ることができると共に、発電の際に生成するものが水で
あるというクリーン性から大規模発電あるいはオンサイ
ト型の発電装置または自動車の電源などとして開発が進
められている。

【０００４】しかし、また一方で、現在は、ノート型パ
ソコンや携帯通信機器などの発達により、小型で長寿命
の電源が求められている。これらの電源としては、現在
のところ、ニッケル水素電池やリチウムイオン二次電池
のような小型の二次電池が主流であるが、燃料電池をこ
れらの電源として用いることができれば、非常に長時間
の使用が可能でかつ環境保全にも配慮することができる
ので産業的および社会的にも好ましい。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな機器の電源として燃料電池を用いるには、大きさが
大きすぎるという問題があった。ちなみに、一部におい
ては、燃料電池を小型化する試みもなされている。例え
ば、図７に示したように、各複合電極体２１０の各正極
２１１同士あるいは各負極２１２同士を互いに対向させ
て積層し、各複合電極体２１０の間に酸化性ガス流路２
２２または燃料ガス流路２２３のいずれか一方を形成し
た各セパレータ２２５を挿入することにより、積層方向
における大きさを小さくした燃料電池も提案されている
（特開平９−４５３５５号および特開平９−４５３５６
号）。

【０００６】しかし、この燃料電池では各複合電極体２
１０の間の各セパレータ２２５を導電性材料により構成
することにより各複合電極体２１０を電気的に接続する
ようにしていたので、各複合電極体２１０が並列に接続
されてしまい、大きな起電力を得ることができないとい
う問題があった。また、この燃料電池では、各複合電極
体２１０の電気的接続と、各複合電極体２１０における
燃料ガスおよび酸化性ガスの接触とを同一の面で行うよ
うになっていたので、積層方向に対して垂直な方向の大
きさがセパレータ２２５の分だけ大きくなってしまうと
いう問題もあった。

【０００７】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
ので、その目的は、小型化することができると共に、大
きな起電力を得ることができる電極積層構造体を提供す
ることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による電極積層構
造体は、正極と負極とが電解質膜を介して設けられた複
合電極体を２以上積層したものであって、各複合電極体
は、同極同士が対向するように積層されると共に配線に
より直列にそれぞれ電気的に接続されたものである。

【０００９】本発明による他の電極積層構造体は、正極
と負極とが電解質膜を介して設けられた複合電極体を２
以上積層したものであって、各複合電極体は同極同士が
対向するように積層されると共に、各複合電極体の間に
設けられた絶縁性のセパレータを備えたものである。

【００１０】本発明による電極積層構造体では、各複合
電極体が同極同士を対向させて積層されており、配線に
より直列にそれぞれ接続されている。よって、大きな起
電力が得られる。

【００１１】本発明による他の電極積層構造体では、各
複合電極体が各セパレータを介して同極同士を対向させ
て積層されている。よって、各複合電極体の同極同士の
接触が防止される。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。

【００１３】（第１の実施の形態）図１は本発明の第１
の実施の形態に係る電極積層構造体である燃料電池の構
成を表すものである。図２は図１に示した燃料電池の一
部を取り出して表すものである。この燃料電池は、図１
に示したように、複数（図１においては５個）の複合電
極体１０を積層した構造を有している。各複合電極体１
０はそれぞれ同一の構成を有しており、図２に示したよ
うに、各々、正極１１と負極１２とが電解質膜１３を挟
んでそれぞれ設けられている。

【００１４】正極１１は、電解質膜１３の側に設けられ
た触媒層１１ａと、電解質膜１３の反対側に設けられた
ガス透過層１１ｂとを有している。例えば、触媒層１１
ａは触媒として白金微粒子を含む炭素粉末により構成さ
れており、ガス透過層１１ｂは多孔質性の炭素材により
構成されている。負極１２は、正極１１と同様の構成を
有している。すなわち、例えば、電解質膜１３の側に設
けられ白金微粒子を含む炭素粉末よりなる触媒層１２ａ
と、電解質膜１３の反対側に設けられ多孔質性の炭素材
よりなるガス透過層１２ｂとを有している。電解質膜１
３は、例えば、プロトン伝導性の高分子材料により構成
されている。具体的には、デュポン社製のナフィオン膜
により構成されている。

【００１５】このような各複合電極体１０は、図１に示
したように、同極同士（すなわち正極１１同士あるいは
負極１２同士）が対向するようにそれぞれ配置されてお
り、それらの間にはプラスチックなどよりなる各支持部
材２１がそれぞれ挿入されている。これにより、各正極
１１同士が対向する各複合電極体１０の間には酸素を含
有する酸化性ガスを流通させるための酸化性ガス流路２
２が形成され、各負極１２同士が対向する各複合電極体
１０の間には水素を含有する燃料ガスを流通させるため
の燃料ガス流路２３が形成されている。各支持部材２１
は各複合電極体１０をそれぞれ支持すると共に各酸化性
ガス流路２２および各燃料ガス流路２３のガス漏れを防
止する役割を有しており、一方向の両端部にはガスを流
通させるための各開口がそれぞれ設けられている。な
お、各酸化性ガス流路２２の開口と各燃料ガス流路２３
の開口とは異なった方向にそれぞれ形成されており、そ
れらにそれぞれガスを容易に供給することができるよう
になっている。

【００１６】また、各複合電極体１０のうち積層方向の
両側に位置するものの外側には、プラスチックなどより
なる各流路形成部材２４がそれぞれ配設されている。こ
れにより、各複合電極体１０のうち積層方向の両側に位
置するものの外側にも、正極１１に隣接して酸化性ガス
流路２２が形成されており、負極１２に隣接して燃料ガ
ス流路２３が形成されている。

【００１７】これら各酸化性ガス流路２２および各燃料
ガス流路２３の中には、各複合電極体１０における同極
同士の接触を防止するための各セパレータ２５がそれぞ
れ配設されている。各セパレータ２５は、例えば、絶縁
性の合成樹脂などによりそれぞれ構成されており、それ
ぞれ波形の形状を有している。各セパレータ２５は、各
複合電極体１０との接触面積が小さい方が酸化性ガスま
たは燃料ガスと各複合電極体１０との接触面積を大きく
することができるので好ましい。ここでは、各セパレー
タ２５の形状を波形とすることにより、各複合電極体１
０との接触を線状または点状としてその接触面積を小さ
くしている。また、各セパレータ２５は弾性体によりそ
れぞれ構成することが好ましい。外部からの衝撃を緩和
することができ、破損を防止することができるからであ
る。

【００１８】また、各複合電極体１０は、図３に示した
ように、各正極１１と各負極１２とが配線２６によって
電気的に接続されることにより、直列にそれぞれ接続さ
れている。

【００１９】このような構成を有する燃料電池は、次の
ようにして製造することができる。まず、電解質膜１３
の両側に正極１１と負極１２をそれぞれ形成し、複合電
極体１０を形成する。次いで、各複合電極体１０の間に
各支持部材２１と各セパレータ２５とを挿入して、各複
合電極体１０をそれぞれ積層する。その際、各複合電極
体１０の向きは同極同士が対向するように配置する。ち
なみに、ここでは、各正極１１と各負極１２とが同一の
構成を有しているので、複合電極体１０の向きはどちら
でもよい。続いて、積層した複合電極体１０の積層方向
における両側に、各セパレータ２５と各流路形成部材２
４をそれぞれ配設する。そののち、各複合電極体１０の
各正極１１と各負極１２とを配線２６により接続し、そ
れらを直列にそれぞれ電気的に接続する。これにより、
図１に示した燃料電池が形成される。

【００２０】このような燃料電池は次のように作用す
る。

【００２１】この燃料電池では、各複合電極体１０の正
極１１側に各酸化性ガス流路２２を介して酸素を含有す
る酸化性ガスが供給され、負極１２側に各燃料ガス流路
２３を介して水素を含有する燃料ガスが供給される。こ
れにより、各複合電極体１０では、各電解質膜１３を介
して酸素と水素とが反応し、発電する。ここでは、各複
合電極体１０が同極同士を対向させて配設されているの
で、隣接する各複合電極体１０には同一の酸化性ガス流
路２２を介して酸化性ガスがそれぞれ供給され、または
同一の燃料ガス流路２３を介して燃料ガスが供給され
る。また、ここでは、各複合電極体１０は配線２６によ
り直列にそれぞれ接続されているので、大きな起電力が
得られる。

【００２２】このように、本実施の形態に係る燃料電池
によれば、各複合電極体１０の同極同士を対向させて積
層するようにしたので、各複合電極体１０の間に酸化性
ガス流路２２と燃料ガス流路２３のいずれか一方を交互
に形成するようにすればよく、各複合電極体１０の間の
距離を短くすることができる。よって、積層方向の大き
さを小さくすることができる。

【００２３】また、配線２６により各複合電極体１０を
電気的に接続するようにしたので、各複合電極帯１０の
間からそれらの電気的接続を図るための導電性のセパレ
ータを排除することができると共に、各複合電極体１０
を直列にそれぞれ電気的に接続することができる。よっ
て、積層方向に対して垂直な方向の大きさも小さくする
ことができると共に、大きな起電力を得ることができ
る。

【００２４】更に、各複合電極体１０の間に絶縁性の各
セパレータ２５を挿入するようにしたので、各複合電極
体１０の接触を防止することができ、それらの絶縁性を
確保することができる。加えて、各セパレータ２５を弾
性体により構成するようにしたので、各セパレータ２５
により外部からの衝撃を緩和することができ、破損を防
止することができる。

【００２５】更にまた、各セパレータ２５を波形の形状
とするようにしたので、各セパレータ２５と各複合電極
体１０との接触面積を小さくすることができ、酸化性ガ
スまたは燃料ガスと各複合電極体１０との接触面積を大
きくすることができる。よって、積層方向に対して垂直
な方向の大きさを小さくすることができる。

【００２６】（第２の実施の形態）図４は本発明の第２
の実施の形態に係る電極積層構造体である空気電池の構
成を表すものである。この空気電池は、第１の実施の形
態に係る燃料電池と同様に、複数（図４においては５
個）の複合電極体３０を積層した構造を有している。各
複合電極体３０はそれぞれ同一の構成を有しており、各
々、正極３１と負極３２とが電解質膜３３を挟んでそれ
ぞれ設けられている。

【００２７】正極３１は、例えば、電解質膜３３の側に
設けられ白金微粒子を含む炭素粉末よりなる触媒層３１
ａと、電解質膜３３の反対側に設けられ多孔質性の炭素
材よりなるガス透過層３１ｂとを有している。負極３２
は、例えば、アルミニウムまたは亜鉛などの金属により
構成されている。電解質膜３３は、例えば、水酸化カリ
ウム（ＫＯＨ）水溶液などのアルカリ水溶液がセパレー
タ膜に含浸されたものにより構成されている。

【００２８】このような各複合電極体３０は、第１の実
施の形態に係る燃料電池と同様に、同極同士（すなわち
正極３１同士あるいは負極３２同士）が対向するように
それぞれ配置されている。各複合電極体３０のうち各正
極３１同士が対向する間にはプラスチックなどよりなる
各支持部材４１がそれぞれ挿入されており、酸素を含有
する酸化性ガスを流通させるための酸化性ガス流路４２
が形成されている。各支持部材４１には、一方向の両端
部にガスを流通させるための各開口がそれぞれ設けられ
ている。また、各複合電極体３０のうち積層方向の両側
に位置するものの正極３１の外側には、プラスチックな
どよりなる流路形成部材４４が配設されており、酸化性
ガス流路４２が形成されている。

【００２９】これら各酸化性ガス流路４２の中には、各
複合電極体３０のうち正極３１同士の接触を防止するた
めの各セパレータ４５がそれぞれ配設されている。各セ
パレータ４５は、例えば、第１の実施の形態に係る燃料
電池と同様に、絶縁性および弾性を有する合成樹脂など
によりそれぞれ構成されており、それぞれ波形の形状を
有している。各セパレータ４５は波形の形状とされるこ
とにより、各複合電極体３０との接触面積が小さくなっ
ており、酸化性ガスまたは燃料ガスと各複合電極体３０
との接触面積を大きくするようになっている。

【００３０】各複合電極体３０のうち各負極３２同士が
対向する間には、それらの接触を防止するための各セパ
レータ４７がそれぞれ挿入されており、各負極３２は各
セパレータ４７を介してそれぞれ接続されている。各セ
パレータ４７は、例えば、絶縁性の合成樹脂などにより
それぞれ構成されており、それぞれ平板状となってい
る。

【００３１】また、各複合電極体３０は、第１の実施の
形態に係る燃料電池と同様に、各正極３１と各負極３２
とが配線４６によって電気的に接続されることにより、
直列にそれぞれ接続されている。

【００３２】このような構成を有する空気電池は、第１
の実施の形態に係る燃料電池と同様にして製造すること
ができる。また、各酸化性ガス流路４２を介して供給さ
れた酸素と各負極３２を構成する金属とが各電解質膜３
３を介して反応することにより発電することを除き、第
１の実施の形態に係る燃料電池と同様に作用し、同一の
効果を有している。

【００３３】なお、上記実施の形態においては、各負極
３２をアルミニウムまたは亜鉛などの金属により構成す
るようにしたが、水素吸蔵合金により構成するようにし
てもよい。この場合には、各負極から水素が供給され、
この水素が各酸化性ガス流路４２を介して供給された酸
素と各電解質膜３３を介して反応することにより発電す
る。

【００３４】以上、各実施の形態を挙げて本発明を説明
したが、本発明は上記各実施の形態に限定されるもので
はなく、種々変形可能である。例えば、上記各実施の形
態においては、各酸化性ガス流路２２，４２または各燃
料ガス流路２３の中に配設する各セパレータ２５，４５
の形状を波形とするようにしたが、各複合電極体１０，
３０の接触を防止することができれば他の形状とするよ
うにしてもよい。例えば、図５に示したように、柱状の
形状を有する各セパレータ５５を備えるようにしてもよ
い。

【００３５】また、上記各実施の形態においては、５個
の複合電極体１０，３０を積層した場合について具体的
に説明したが、本発明は、２個以上の複合電極体１０，
３０を積層する場合に広く適用することができる。

【００３６】更に、上記各実施の形態においては、各複
合電極体１０，３０を支持する各支持部材２１，４１を
各セパレータ２５，４５と別に設けるようにしたが、各
セパレータ２５，４５と一体として形成するようにして
もよい。

【００３７】加えて、上記各実施の形態においては、各
複合電極体１０，３０（すなわち各正極１１，３１，各
負極１２，３２および各電解質膜１３，３３）または各
セパレータ２５，４５，４７などを構成する材料につい
て具体的にそれぞれ説明したが、本発明は、他の材料を
用いてこれらを構成する場合についても広く適用するこ
とができる。例えば、各正極１１，３１または各負極１
２の触媒層１１ａ，３１ａ，１２ａを白金以外の触媒を
含むように構成してもよい。また、第１の実施の形態に
おける各正極１１と各負極１２とを異なった材料により
それぞれ構成するようにしてもよい。なお、この場合、
各複合電極体１０，３０を積層する際には同極同士が対
向するように配置する必要がある。更に、各電解質膜１
３，３３および各セパレータ２５，４５，４７をセラミ
ックなどにより構成するようにしてもよい。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように請求項１記載の電極
積層構造体によれば、各複合電極体の同極同士を対向さ
せて積層するようにしたので、例えば、各複合電極体の
間にガス流路を形成する場合にも、各複合電極体の間の
距離を短くすることができる。よって、積層方向の大き
さを小さくすることができる。また、配線により各複合
電極体を直列にそれぞれ電気的に接続するようにしたの
で、大きな起電力を得ることができると共に、各複合電
極体の各正極または各負極にガスを接触させる場合に
も、その接触面積を大きくすることができる。よって、
積層方向に対して垂直方向の大きさも小さくすることが
できるという効果を奏する。

【００３９】また、請求項２乃至請求項７のいずれか１
に記載の電極積層構造体によれば、各複合電極体の同極
同士を対向させて積層するようにしたので、例えば、各
複合電極体の間にガス流路を形成する場合にも、各複合
電極体の間の距離を短くすることができる。よって、積
層方向の大きさを小さくすることができる。また、各複
合電極体の間に絶縁性のセパレータを備えるようにした
ので、各複合電極体の同極同士の接触を防止することが
でき、各複合電極体を直列にそれぞれ電気的に接続する
ことが可能となる。よって、大きな起電力を得ることが
できるという効果を奏する。

【００４０】更に、請求項３または請求項４に記載の電
極積層構造体によれば、セパレータの形状を波形または
柱形とするようにしたので、セパレータと各複合電極体
との接触面積を小さくすることができ、各複合電極体の
各正極または各負極にガスを接触させる場合にも、その
接触面積を大きくすることができる。よって、積層方向
に対して垂直方向の大きさも小さくすることができると
いう効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池の構
成を表す斜視図である。

【図２】図１に示した燃料電池の一部を取り出して表す
斜視図である。

【図３】図１に示した燃料電池の電気的な接続状態を表
す結線図である。

【図４】本発明の第２の実施の形態に係る空気電池の構
成を表す斜視図である。

【図５】本発明の変形例を表す斜視図である。

【図６】従来の燃料電池の構成を表す斜視図である。

【図７】従来の他の燃料電池の構成を表す斜視図であ
る。

【符号の説明】

１０，３０，１１０，２１０…複合電極体、１１，３
１，１１１，２１１…正極、１１ａ，１２ａ，３１ａ…
触媒層、１１ｂ，１２ｂ，３１ｂ…ガス透過層、１２，
３２，１１２，２１２…負極、１３，３３…電解質膜、
２１，４１…支持部材、２２，４２，１２２，２２２…
酸化性ガス流路、２３，１２３，２２３…燃料ガス流
路、２４，４４…流路形成部材、２５，４５，４７，１
２５，２２５…セパレータ、２６，４６…配線

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 正極と負極とが電解質膜を介して設けら
   れた複合電極体を２以上積層した電極積層構造体であっ
   て、 前記各複合電極体は、同極同士が対向するように積層さ
   れると共に、配線により直列にそれぞれ電気的に接続さ
   れたことを特徴とする電極積層構造体。
2. 【請求項２】 正極と負極とが電解質膜を介して設けら
   れた複合電極体を２以上積層した電極積層構造体であっ
   て、 前記各複合電極体は同極同士が対向するように積層され
   ると共に、前記各複合電極体の間に設けられた絶縁性の
   セパレータを備えたことを特徴とする電極積層構造体。
3. 【請求項３】 前記セパレータは、波形の形状を有して
   いることを特徴とする請求項２記載の電極積層構造体。
4. 【請求項４】 前記セパレータは、柱状の形状を有して
   いることを特徴とする請求項２記載の電極積層構造体。
5. 【請求項５】 前記各複合電極体を電気的に接続する配
   線を備えたことを特徴とする請求項２記載の電極積層構
   造体。
6. 【請求項６】 前記各複合電極体の間にガス流路を備え
   たことを特徴とする請求項２記載の電極積層構造体。
7. 【請求項７】 前記各複合電極体の正極同士が対向する
   間にガス流路を備えると共に、前記各複合電極体の負極
   同士は前記セパレータを介して接続されたことを特徴と
   する請求項２記載の電極積層構造体。