(57)【要約】      （修正有）【課題】積層時の位置決めが容易な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と、膜−電極接合体と膜−電極接合体の周辺に設けられたシール部材２０とを挟持する一対のセパレータ３０，４０と、を備え、セパレータは、膜−電極接合体の配置領域に配置された中央部３１，４１と、中央部の周辺に配置された緩衝部３２，４２と、を含み、緩衝部において、膜−電極接合体の面直方向のヤング率が面内方向のヤング率に対して低いことを特徴とするものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜−電極接合体と、
前記膜−電極接合体と前記膜−電極接合体の周辺に設けられたシール部材とを挟持する一対のセパレータと、を備え、
前記セパレータは、前記膜−電極接合体の配置領域に配置された中央部と、前記中央部の周辺に配置された緩衝部と、を含み、
前記緩衝部において、前記膜−電極接合体の面直方向のヤング率が面内方向のヤング率に対して低い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、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、セパレータの外周部が折り曲げられた構造を有す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２００８−１２３９６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示される折り曲げられた構造は、締結荷重を緩和することができるものの、製造時に締結荷重にばらつきが生じやすい。そのため、燃料電池の積層時に位置決めが困難になるおそれがある。
【０００５】
本発明は、積層時の位置決めが容易な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−電極接合体と、膜−電極接合体と膜−電極接合体の周辺に設けられたシール部材とを挟持する一対のセパレータと、を備え、セパレータは、膜−電極接合体の配置領域に配置された中央部と、中央部の周辺に配置された緩衝部と、を含み、緩衝部において、膜−電極接合体の面直方向のヤング率が面内方向のヤング率に対して低い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、緩衝部のヤング率が面直方向に比較して面内方向において高いことから、緩衝部の面内方向の変位が抑制される。したがって、燃料電池を積層する際の位置ずれが抑制されることから、積層時の位置決めが容易である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、積層時の位置決めが容易な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（ａ）は、実施例１に係る燃料電池の模式的断面図である。図１（ｂ）は、膜−電極接合体の拡大断面図である。図１（ｃ）は、可動部の分解拡大断面図である。図１（ｄ）は、可動部の拡大断面図である。
【図２】図２は、積層体が一対の締結治具によって挟持された様子を示す模式的断面図である。
【図３】図３（ａ）は、比較例に係る燃料電池を積層する際の位置決め時の様子を示す模式的断面図である。図３（ｂ）は、複数の燃料電池を積層する際の位置決め時の様子を示す模式的断面図である。
【図４】図４は、アノードセパレータのシール部とカソードセパレータのシール部とが接触した場合を示す模式的断面図である。
【図５】図５（ａ）は、３層構造の可動部を有する緩衝部を備えたアノードセパレータの模式的断面図である。図５（ｂ）は、緩衝部が面直方向に撓んだ様子を示す模式的断面図である。図５（ｃ）は、２層構造の可動部を有する緩衝部を備えたアノードセパレータの模式的断面図である。
【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（ａ）は、燃料電池１００の模式的断面図である。燃料電池１００は、膜−電極接合体１０と、シール部材２０と、一対のセパレータ（アノードセパレータ３０およびカソードセパレータ４０）と、を備える。図１（ｂ）は、膜−電極接合体１０の拡大断面図である。膜−電極接合体１０は、電解質膜１１と、一対の触媒層（アノード触媒層１２およびカソード触媒層１３）と、一対のガス拡散層（アノードガス拡散層１４およびカソードガス拡散層１５）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。なお、本実施例において、電解質膜１１は、触媒層およびガス拡散層から面方向に延在した部分を有している。
【００１３】
アノード触媒層１２およびカソード触媒層１３は、電解質膜１１を挟持するように配置されている。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。
【００１４】
アノードガス拡散層１４は、アノード触媒層１２の電解質膜１１と反対側の面に配置されている。カソードガス拡散層１５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１４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１５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１４およびカソードガス拡散層１５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】
図１（ａ）を参照して、シール部材２０は、膜−電極接合体１０の周辺に設けられている。また、本実施例においてシール部材２０は、電解質膜１１の延在部分を挟み込んでいる。シール部材２０は、燃料電池１００から反応ガスが漏洩することを抑制している。
【００１６】
アノードセパレータ３０およびカソードセパレータ４０は、膜−電極接合体１０およびシール部材２０を挟持するように配置されている。アノードセパレータ３０は、膜−電極接合体１０のアノード側に配置されている。カソードセパレータ４０は、膜−電極接合体１０のカソード側に配置されている。本実施例においては、アノードセパレータ３０およびカソードセパレータ４０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】
アノードセパレータ３０は、中央部３１と緩衝部３２とを有する。カソードセパレータ４０は、中央部４１と緩衝部４２とを有する。中央部３１，４１は、セパレータの膜−電極接合体１０の配置領域に対応する部分である。緩衝部３２，４２は、セパレータの中央部３１，４１の周辺部分である。
【００１８】
緩衝部３２，４２は、膜−電極接合体１０の面直方向（以下、単に面直方向と称する）のヤング率が膜−電極接合体１０の面内方向（以下、単に面内方向と称する）のヤング率に比較して低い構造を有している。本実施例においては、緩衝部３２は、可動部３３と、シール部３４と、を有する。緩衝部４２は、可動部４３とシール部４４とを有する。シール部３４，４４は、セパレータのシール部材２０を挟持している部分である。可動部３３，４３は、セパレータの中央部３１，４１とシール部３４，４４との間の部分である。
【００１９】
図１（ｃ）は、可動部３３の分解拡大断面図である。本実施例において可動部３３は、外周に切り欠きを有する穴が形成された第１部材３５と、穴に結合する結合部を有する第２部材３６とが結合することによって構成される。図１（ｄ）は、可動部３３の拡大断面図である。第２部材３６は、第１部材３５の穴を回転軸として面直方向に揺動することができる。すなわち、可動部３３は、いわゆる首振り構造を有している。なお、可動部４３は、図１（ｃ）および図１（ｄ）と同様の首振り構造を有している。
【００２０】
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１４にアノードガスが供給され、カソードガス拡散層１５にカソードガスが供給される。アノードガス拡散層１４に供給されたアノードガスは、アノードガス拡散層１４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１５に供給されたカソードガスは、カソードガス拡散層１５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。
【００２１】
本実施例に係る燃料電池１００によれば、緩衝部３２，４２が面直方向に変位可能であることから、膜−電極接合体１０およびシール部材２０にそれぞれ独立した締結荷重を加えることができる。図２は、複数の燃料電池１００が積層された積層体が一対の締結治具２００によって挟持された様子を示す模式的断面図である。締結治具２００は、セパレータの中央部３１，４１を挟持する部分の厚みがセパレータのシール部３４，４４を挟持する部分の厚みより大きい。このような締結治具２００によって積層体が挟持された場合、各燃料電池１００の膜−電極接合体１０に対して、シール部材２０に比較して大きな締結荷重を加えることができる。この場合、膜−電極接合体１０の締結荷重不足による燃料電池１００の性能低下を抑制することができる。
【００２２】
なお、締結治具２００として、セパレータの中央部３１，４１を挟持する部分の厚みがセパレータのシール部３４，４４を挟持する部分の厚みより小さい治具を使用してもよい。この場合、各燃料電池１００のシール部材２０に対して、膜−電極接合体１０に比較して大きな締結荷重を加えることができる。それにより、シール部材２０の締結荷重不足を抑制することができる。その結果、シール部材２０の締結荷重不足によるガスリークを抑制することができる。
【００２３】
図３（ａ）は、比較例に係る燃料電池１００ａを積層する際の位置決め時の様子を示す模式的断面図である。燃料電池１００ａの緩衝部３２ａ，４２ａは、面内方向のヤング率が面直方向のヤング率以下の構造を有している。具体的には、緩衝部３２ａ，４２ａは、面内方向に伸縮変位する可動部３３ａ，４３ａを有するジャバラ構造を有している。この構造においては、燃料電池１００ａを積層する際に緩衝部３２ａ，４２ａが面内方向に変位する。したがって、燃料電池１００ａを積層する際の位置決めが困難である。
【００２４】
図３（ｂ）は、複数の燃料電池１００を積層する際の位置決め時の様子を示す模式的断面図である。燃料電池１００においては緩衝部３２，４２のヤング率が面直方向に比較して面内方向において高いことから、緩衝部３２，４２の面内方向の変位が抑制される。したがって、燃料電池１００を積層する際の位置ずれが抑制される。
【００２５】
なお、燃料電池１００において、可動部３３，４３の第１部材と第２部材との結合部分の界面に潤滑油が塗布されていてもよい。この場合、第１部材と第２部材との結合部分からのガスリークが抑制されることから、燃料電池１００のシール性が向上する。
【００２６】
また、緩衝部３２，４２は絶縁性を有していてもよい。緩衝部３２，４２が絶縁性を有することによって、例えば図４に示すように、アノードセパレータ３０のシール部３４とカソードセパレータのシール部４４とが接触した場合における短絡が抑制される。例えば、シール部３４，４４の材質として樹脂、ゴム等の絶縁性素材を用いることによって、緩衝部３２，４２は絶縁性を有することができる。
【００２７】
(変形例１)
図５（ａ）は、実施例１の変形例１に係るアノードセパレータ３０ｂの模式的断面図である。アノードセパレータ３０ｂは、緩衝部３２の代わりに緩衝部３２ｂを備える点において実施例１に係るアノードセパレータ３０と異なる。緩衝部３２ｂは、可動部３３の代わりに可動部３３ｂを備える。可動部３３ｂは、面内方向のヤング率の低い低剛性部３８を面内方向のヤング率の高い高剛性部３７が挟持した３層構造を有する点において、実施例１に係る可動部３３と異なる。この構成においても、緩衝部３２ｂの面直方向のヤング率は面内方向のヤング率に比較して低い。緩衝部３２ｂが面直方向に撓んだ様子を図５（ｂ）に示す。
【００２８】
なお、可動部３３ｂとしては、例えばゴム素材（ＦＫＭ等）を用いることができる。この場合、高剛性部３７は、例えば低剛性部３８に比較して、添加カーボン量を多くすればよい。また、可動部３３ｂの高剛性部３７に金属、カーボン等を用い、低剛性部３８にゴム等の弾性部材を用いてもよい。
【００２９】
また、可動部３３ｂは、高剛性部３７と低剛性部３８とが積層された２層構造を有していてもよい。図５（ｃ）は、２層構造の可動部３３ｃを有する緩衝部３２ｃを備えたアノードセパレータ３０ｃの模式的断面図である。この構成においても、緩衝部３２ｃの面直方向のヤング率は面内方向のヤング率に比較して低い。
【００３０】
なお、燃料電池１００において、カソードセパレータ４０の緩衝部４２が、緩衝部３２ｂと同様の３層構造または緩衝部３２ｃと同様の２層構成を有していてもよい。
【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
１４  アノードガス拡散層
１５  カソードガス拡散層
２０  シール部材
３０  アノードセパレータ
３１  中央部
３２  緩衝部
３３  可動部
３４  シール部
３５  第１部材
３６  第２部材
３７  高剛性部
３８  低剛性部
４０  カソードセパレータ
４１  中央部
４２  緩衝部
４３  可動部
４４  シール部
１００  燃料電池
２００  締結治具
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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