(57)【要約】      （修正有）【課題】シール性を向上させることができる燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池１００は、膜−電極接合体１０の一面に配置された第１ガス拡散層２０と、膜−電極接合体の他面に配置された第２ガス拡散層３０と、第１ガス拡散層の膜−電極接合体とは反対側の面に配置されたセパレータ４０と、膜−電極接合体とセパレータとによって挟持されるシール部材６０と、を備え、第２ガス拡散層においてシール部材から膜−電極接合体を介して圧力を受ける部分は、圧力に対する剛性が第２ガス拡散層の他の部位に比較して高い高剛性部３１を有する。【選択図】図１
2010225477.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜−電極接合体の一面に配置された第１ガス拡散層と、
前記膜−電極接合体の他面に配置された第２ガス拡散層と、
前記第１ガス拡散層の前記膜−電極接合体とは反対側の面に配置されたセパレータと、
前記膜−電極接合体と前記セパレータとによって挟持されるシール部材と、を備え、
前記第２ガス拡散層において前記シール部材から前記膜−電極接合体を介して圧力を受ける部分は、前記圧力に対する剛性が前記第２ガス拡散層の他の部位に比較して高い高剛性部を有する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】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、例えば、膜−電極接合体と、膜−電極接合体を挟持する一対のガス拡散層と、一対のガス拡散層を挟持する一対のセパレータと、ガス漏洩を抑制するシール部材と、を備える。特許文献１には、膜−電極接合体とセパレータとによって挟持される内側シール部材と、一対のセパレータ間で挟持される外側シール部材と、を備える燃料電池が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２７０２０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に係る燃料電池によれば、内側シール部材の膜−電極接合体を挟んだ反対側のガス拡散層の変形に伴って、内側シール部材のシール性が悪化するおそれがある。
【０００５】
本発明は、シール性を向上させることができる燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る燃料電池は、膜−電極接合体の一面に配置された第１ガス拡散層と、膜−電極接合体の他面に配置された第２ガス拡散層と、第１ガス拡散層の膜−電極接合体とは反対側の面に配置されたセパレータと、膜−電極接合体とセパレータとによって挟持されるシール部材と、を備え、第２ガス拡散層においてシール部材から膜−電極接合体を介して圧力を受ける部分は、圧力に対する剛性が第２ガス拡散層の他の部位に比較して高い高剛性部を有することを特徴とするものである。
【０００７】
本発明に係る燃料電池によれば、高剛性部の変形が抑制されることから、シール部材のシール線圧が安定する。その結果、シール性を向上させることができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、シール性を向上させることができる燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、実施例１に係る燃料電池のシール部材近傍の拡大断面図である。
【図２】図２（ａ）は、プレス加工の様子を示す模式的断面図である。図２（ｂ）は、金型の凸部の形状が膜−電極接合体に転写された様子を示す模式的断面図である。図２（ｃ）は、凹部および高剛性部が形成された中間体を示す模式的断面図である。図２（ｄ）は、シール部材６０およびセパレータを配置する様子を示す模式的断面図である。
【図３】図３は、実施例２に係る燃料電池のシール部材近傍の分解断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を実施するための形態を説明する。
【実施例１】
【００１１】
本発明の実施例１に係る燃料電池１００について説明する。図１は、燃料電池１００の後述するシール部材６０近傍の拡大断面図である。燃料電池１００は、膜−電極接合体１０と、一対のガス拡散層（アノードガス拡散層２０およびカソードガス拡散層３０）と、一対のセパレータ（アノードセパレータ４０およびカソードセパレータ５０）と、シール部材６０と、を備える。膜−電極接合体１０は、電解質膜１１と、電解質膜１１を挟持するアノード触媒層１２およびカソード触媒層１３と、を備える。
【００１２】
電解質膜１１としては、例えばプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用いることができる。プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜として、例えばパーフルオロスルホン酸膜を用いることができる。
【００１３】
アノード触媒層１２の触媒は、水素のプロトン化を促進させる。カソード触媒層１３の触媒は、プロトンと酸素との反応を促進させる。例えば、アノード触媒層１２およびカソード触媒層１３は、白金担持カーボン等を含んでいる。本実施例において、アノード触媒層１２は、アノードガス拡散層２０が配置されていない所定領域を有している。また、膜−電極接合体１０は、シール部材６０の後述する凸部６１が嵌合する凹部１５（凹部１５は、後述する図２（ｂ）〜図２（ｄ）において図示されている）を有している。
【００１４】
アノードガス拡散層２０は、アノード触媒層１２の電解質膜１１と反対側の面のうち、アノード触媒層１２の外周部を除いた部分に配置されている。カソードガス拡散層３０は、カソード触媒層１３の電解質膜１１と反対側の面に配置されている。アノードガス拡散層２０は、水素を含むアノードガスを拡散させて、アノード触媒層１２に供給する機能を有する。カソードガス拡散層３０は、酸素を含むカソードガスを拡散させて、カソード触媒層１３に供給する機能を有する。アノードガス拡散層２０およびカソードガス拡散層３０としては、例えばカーボンペーパ、カーボンクロス等のカーボン繊維を用いることができる。
【００１５】
本実施例において、カソードガス拡散層３０は、シール部材６０の凸部６１から膜−電極接合体１０を介して圧力を受ける部分に、カソードガス拡散層３０の他の部位に比較して圧力に対する剛性の高い高剛性部３１を有している。したがって、高剛性部３１は、カソードガス拡散層３０の他の部位に比較して高いヤング率を有している。
【００１６】
アノードセパレータ４０は、アノードガス拡散層２０のアノード触媒層１２とは反対側の面に配置されている。カソードセパレータ５０は、カソードガス拡散層３０のカソード触媒層１３とは反対側の面に配置されている。アノードセパレータ４０およびカソードセパレータ５０の材質は、特に限定されず、金属等の導電性材料を用いることができる。
【００１７】
シール部材６０は、アノードガス拡散層２０からのアノードガス漏洩およびカソードガス拡散層３０からのカソードガス漏洩を抑制するための部材である。シール部材６０は、アノード触媒層１２とアノードセパレータ４０とによって挟持される部分と、アノードセパレータ４０とカソードセパレータ５０とによって挟持される部分と、を有する。アノード触媒層１２とアノードセパレータ４０とによって挟持される部分は、主としてアノードガス拡散層２０からのガス漏洩を抑制する機能を有する。また、アノード触媒層１２とアノードセパレータ４０とによって挟持される部分は、主としてカソードガス拡散層３０からのガス漏洩を抑制する機能を有する。
【００１８】
本実施例において、シール部材６０のアノード触媒層１２とアノードセパレータ４０とによって挟持される部分は、アノード触媒層１２側に突出した凸部６１を有する。凸部６１は、アノード触媒層１２の凹部１５に嵌合している。シール部材６０としては、例えば、ビードタイプのゴム製ガスケット等を用いることができる。
【００１９】
燃料電池１００は、発電時に以下のように作動する。まず、アノードガス拡散層２０にアノードガスが供給され、カソードガス拡散層３０にカソードガスが供給される。アノードガス拡散層２０に供給されたアノードガスは、アノードガス拡散層２０を拡散後、アノード触媒層１２に到達する。アノード触媒層１２において、アノードガス中の水素はプロトンと電子とに分離する。プロトンは、電解質膜１１を伝導して、カソード触媒層１３に到達する。電子は、燃料電池１００の外部に取り出される。燃料電池１００の外部に取り出された電子は、負荷の仕事に供された後に、カソード触媒層１３に到達する。カソードガス拡散層３０に供給されたカソードガスは、カソードガス拡散層３０を拡散後、カソード触媒層１３に到達する。カソード触媒層１３においては、カソードガス中の酸素と電解質膜１１を伝導したプロトンと外部から伝導した電子とによって水が生成される。以上のように、燃料電池１００は発電時に作用する。
【００２０】
なお、アノード触媒層１２の凹部１５およびカソードガス拡散層３０の高剛性部３１は、例えば、プレス加工によって形成することができる。図２（ａ）は、プレス加工の様子を示す模式的断面図である。例えば、金型２００および金型２１０を用意する。金型２００は、凸部２０１を有している。これらの金型を用いて、凹部１５の形成されていない膜−電極接合体に一対のガス拡散層が配置された中間体にプレス加工を施す。その結果、図２（ｂ）に示すように、金型２００の凸部２０１の形状が膜−電極接合体１０に転写される。それにより、図２（ｃ）に示すように、膜−電極接合体１０に凹部１５を形成することができる。
【００２１】
また、膜−電極接合体１０に凹部１５が形成されることによって、カソードガス拡散層３０の一部は圧縮されて高剛性部３１となる。この製造方法によれば、アノード触媒層１２の凹部１５と、カソードガス拡散層３０の高剛性部３１と、を同時に形成することができる。
【００２２】
また、シール部材６０、アノードセパレータ４０およびカソードセパレータ５０は、例えば、以下のように配置することができる。図２（ｄ）は、シール部材６０およびセパレータを配置する様子を示す模式的断面図である。例えば、シール部材６０が一面に配置されたアノードセパレータ４０と、カソードセパレータ５０と、を準備する。次いで、図２（ｃ）の工程で製造された中間体に、アノードセパレータ４０およびカソードセパレータ５０を配置する。このとき、シール部材６０の凸部６１が膜−電極接合体１０の凹部１５に嵌合するように、アノードセパレータ４０を配置する。
【００２３】
本実施例に係る燃料電池１００によれば、高剛性部３１の変形が抑制されることから、高剛性部３１においてシール部材６０のシール線圧が安定する。それにより、シール部材６０のシール性を向上させることができる。また、燃料電池１００によれば、凸部６１と、凸部６１に嵌合する凹部１５と、を有していることから、シール部材６０の位置決め精度が向上する。
【００２４】
実施例１において、シール部材６０は、カソードセパレータ５０に配置されていてもよい。この場合、アノードガス拡散層２０が高剛性部３１を有していればよい。また、膜−電極接合体１０は、カソード側に凹部１５を有していればよい。
【実施例２】
【００２５】
続いて、本発明の実施例２に係る燃料電池１００ａについて説明する。図３は、燃料電池１００ａのシール部材６０近傍の分解断面図である。燃料電池１００ａは、膜−電極接合体１０の代わりに膜−電極接合体１０ａを有する点と、カソードガス拡散層３０の代わりにカソードガス拡散層３０ａを有する点と、カソードセパレータ５０の代わりにカソードセパレータ５０ａを有する点と、において、実施例１に係る燃料電池１００と異なる。
【００２６】
膜−電極接合体１０ａは、凹部１５が形成されていない点において、膜−電極接合体１０と異なる。カソードガス拡散層３０ａは、カソードセパレータ５０ａ側に凹部３２を有する点において、カソードガス拡散層３０と異なる。カソードセパレータ５０ａは、カソードガス拡散層３０ａ側に突出した凸部５１を有する点において、カソードセパレータ５０と異なる。
【００２７】
カソードセパレータ５０ａの凸部５１は、カソードガス拡散層３０ａの凹部３２に嵌合する。その結果、高剛性部３１は、膜−電極接合体１０のカソード触媒層１３と、カソードセパレータ５０の凸部５１と、によって挟持される。また、高剛性部３１は、シール部材６０の凸部６１と、カソードセパレータ５０ａの凸部５１と、の間に位置している。
【００２８】
高剛性部３１は、例えば、凹部３２および高剛性部３１が形成されていないカソードガス拡散層にカソードセパレータ５０ａの凸部５１を押圧することによって製作することができる。あるいは、高剛性部３１は、凹部３２および高剛性部３１が形成されていないカソードガス拡散層に、凸部５１に相当する凸部を有する金型を押し当てることによって、製作することができる。
【００２９】
本実施例に係る燃料電池１００ａによれば、高剛性部３１によって、シール部材６０の凸部６１のシール線圧を安定させることができる。その結果、シール部材６０のシール性を向上させることができる。また、カソードセパレータ５０ａの凸部５１がカソードガス拡散層３０ａの凹部３２に嵌合することから、カソードセパレータ５０ａの位置決め精度が向上する。
【００３０】
なお、本実施例において、膜−電極接合体１０ａは、凸部６１が嵌合するための凹部１５を有していてもよい。この構成によれば、シール部材６０の位置決め精度を向上させることができる。
【符号の説明】
【００３１】
１０  膜−電極接合体
１１  電解質膜
１２  アノード触媒層
１３  カソード触媒層
１５  凹部
２０  アノードガス拡散層
３０  カソードガス拡散層
３１  高剛性部
３２  凹部
４０  アノードセパレータ
５０  カソードセパレータ
５１  凸部
６０  シール部材
６１  凸部
１００  燃料電池
２００，２１０  金型
２０１  凸部
【図１】
2010225477.tif 000003
【図２】
2010225477.tif 000004
【図３】
2010225477.tif 000005