(57)【要約】【課題】高分子電解質型燃料電池において電極反応の有効面積を減らすことがなく、かつ、スタック小型化の実現が可能なガスのショートカットを低減しガスの利用効率を高め、発電効率を高めることができる高分子電解質型燃料電池を提供することを目的とする。【解決手段】高分子電解質膜の周辺部を狭持する枠体は、電極層の内側に突出する電極側突起を有し、かつ、電極側突起は、前記セパレータの隣接する流路溝でガスが対向して流れる折り返し部の畝に当接するよう、少なくとも１つ以上配置されている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜の外周部より内側の一面に燃料ガス用電極層、他面に酸化剤ガス用電極層が配置され、前記燃料ガス用電極層、及び、前記酸化剤ガス用電極層を、前記燃料ガス用電極層と前記酸化剤ガス用電極層のそれぞれに燃料ガスと酸化剤ガスを供給する流路溝が形成されたセパレータで挟んで構成される単電池モジュールを複数個積層した高分子電解質型燃料電池において、
前記高分子電解質膜の周辺部に前記高分子電解質膜を狭持する枠体を有し、
前記枠体は、前記枠体の内側に突出する突起部を１つ以上有し、かつ、前記突起部は、前記セパレータにおいてガスが流路溝を隣接して流れる折り返し部の畝に当接するように配置されてなること、
を特徴とする高分子電解質型燃料電池。
【請求項２】
前記枠体と前記セパレータとが当接するように、単電池モジュールの積層方向の突起が前記枠体の内側に突出する突起部の延長上に配置されている、請求項１記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項３】
前記枠体に前記セパレータが当接する突起部を有する、請求項１記載の高分子電解質型燃料電池。
【請求項４】
燃料ガス側に配置されている突起部の数は、酸化剤ガス側に配置されている突起部の数より多い、請求項１記載の高分子電解質型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポータブル電源、電気自動車電源、または、家庭用コージェネレーションシステム等に使用する燃料電池に関し、特に高分子電解質型燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高分子電解質を用いた燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させるものである。
【０００３】
この燃料電池は、基本的には、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜、及び高分子電解質膜の両面に形成された一対の電極、すなわちアノードとカソードから構成される。これらの電極は、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とし、高分子電解質膜の表面に形成される触媒層、及び触媒層の外面に配置される、通気性と電子導電性を併せ持つガス拡散層を有する。
【０００４】
このように高分子電解質膜と電極（ガス拡散層を含む）とが一体的に接合されて組み立てられたものを電解質膜電極接合体（以降、「ＭＥＡ」とする。）と呼ぶ。
【０００５】
また、ＭＥＡの両側には、ＭＥＡを機械的に挟み込んで固定するとともに、隣接するＭＥＡを互いに電気的に直列に接続するための導電性のセパレータがそれぞれ配置される。各セパレータにおいてＭＥＡと接触する部分には、それぞれの電極に燃料ガス又は酸化剤ガスなどの反応ガスを供給し、生成水又は余剰ガスを運び去るための流路溝が形成される。
【０００６】
このようなガス流路は、セパレータと別に設けることもできるが、セパレータの表面にそれぞれ溝を設けてそれぞれガス流路とする方式が一般的である。
【０００７】
このような燃料電池において、ガス拡散層は反応ガスをガス流路から触媒層にスムーズに移動させたり、生成ガスや水などの反応生成物を流路溝に排出させたりする機能を有していると同時に、電池の平面方向でみると反応ガスのショートカットする経路にもなっており、ガス利用率低下の要因にもなっている。
【０００８】
従来の燃料電池は、例えば特許文献１に記載の通り、電解質膜を燃料電極および酸化剤電極で挟持してなる単セルと、上記燃料電池に燃料流体を供給し、並行した複数の溝からなる燃料並行流路群および上記酸化剤電極に酸化剤流体を供給し、並行した複数の溝からなる酸化剤並行流路群が折り返して走行するセパレータとを、順次積層した積層体からなる燃料電池が知られる。そして、上記並行流路群内の溝間の畝幅より、隣接する並行流路群間の畝幅が大であるようにして、セパレータ流路内でのガスのショートカットを減少させようとしている。
【０００９】
また、燃料電池の構成としては、ＭＥＡを機械的に挟み込んで固定する接合方法では、高分子電解質膜と枠体の微小の隙間からクロスリーク現象が発生しやすいという課題がある。
【００１０】
ここで、図９は、従来の燃料電池スタックが備える電極−膜−枠体接合体の断面の模式図である。１０６は電解質膜、１１０は触媒層で、高分子電解質膜１０６の両側に設けられている。１０８は酸化剤ガス拡散層、１０９は燃料ガス拡散層で、触媒層１１０の外側に設けられている。１１２は枠体で、枠体１１２の内縁と触媒層１１０との間に発生する僅かな隙間１０７を、電池内に供給されたガスの一部が通って燃料ガス側又は酸化剤ガス側の一方へガスがリークしてしまう現象をクロスリークと言う。
【００１１】
燃料電池における発電効率をあげるためには、このようなクロスリークを減少させる必要がある。
【００１２】
また、図１０は、特許文献２に記載された従来の燃料電池の燃料ガス拡散層側からみたセパレータの平面図である。セパレータ１０には流路溝５ａの刻まれた反応有効領域Ｈ×Ｌの形状がある。  流路溝５ａの折り返し部５２の上流側と下流側に位置する主走行部５１では互いに逆方向に燃料ガスが流れる。折り返し部５２が配置された方向の長さが、流路溝の主走行部５１に沿った方向の長さよりも長いことを特長とするセパレータが提案されている。
【００１３】
図１１に特許文献３における電極―膜−枠接合体の部分模式図を示す。
【００１４】
特許文献３の電極―膜−枠接合体は、高分子電解質膜１０６の周縁部１０６ａにおけるカソード面側に枠体１１８が配置され、その端面部は凸形状部１１８ａと凹形状部１１８ｂが交互にくし歯形状に形成され、また、アノード面側に枠体１１９が配置され、その端面部は凸形状部１１９ａと凹形状部１１９ｂが交互にくし歯形状に形成されている。
【００１５】
このときカソード面側枠体の凸部１１８ａにおける高分子電解質膜１０６を境に対応する、アノード面側の枠体形状は、凹形状１１９ｂになっており、また、カソード面側枠体の凹部１１８ｂにおける高分子電解質膜１０６を境に対応する、アノード面側の枠体形状は、凸形状１１９ａになっている。
【００１６】
図１２は、特許文献３の電極―膜−枠接合体において、枠体くし歯部分の凹形状となっている部分に、弾性体を設置した状態の模式図を示す。
【００１７】
高分子電解質膜１０６が、アノード、カソードおよび枠体１１８にて覆われておらず、膜自身が外部に露出している部分、すなわちカソード面側枠体の凸部１１８ａの間の高分子電解質膜１０６の周縁部１０６ａを、弾性体１２０にて覆いかぶせた状態であり、このような電解質膜―電極接合体（ＭＥＡ）が使用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】特開２００１−７６７４６号公報
【特許文献２】特開２００５−２７６５０８号公報
【特許文献３】特開２００９−２３８７５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
しかしながら、上記従来の構成では、特許文献１に示す溝間の畝幅の制御では、ガスのショートカットを極力なくすために畝幅を広くし過ぎると、この部分の触媒層への反応ガスの拡散が難しくなり、電極反応面として有効に作用しなくなるという課題を有している。
【００２０】
また、特許文献２に示す構成では、セパレータの縦横比に制約が設けられてしまうため、スタック小型化が困難という課題を有している。
【００２１】
特許文献３に示す構成であっても、弾性体１２０にて覆われていない高分子電解質膜１０６の周縁部１０６ａにおいてクロスリークが発生することになる。
【００２２】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、高分子電解質型燃料電池において電極反応の有効面積を減らすことがなく、かつ、スタック小型化の実現が可能なガスのショートカットならびにクロスリーク現象を低減し、ガスの利用効率を高め、発電効率を高めることができる高分子電解質型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】
【００２３】
上記目的を達成するために本発明は、高分子電解質膜の周辺部より内側の両面に燃料ガス側の電極層および酸化剤ガス側の電極層が配置され、かつ、前記両電極層を、前記燃料ガス側の電極層および酸化剤側の電極層にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給する流路溝が形成されたセパレータで挟んで構成される単電池モジュールを複数個積層した高分子電解質型燃料電池において、
前記高分子電解質膜の周辺部を狭持する枠体は、電極層の内側に突出する電極側突起を有し、かつ、電極側突起は、前記セパレータの隣接する流路溝でガスが対向して流れる折り返し部の畝に当接するよう、少なくとも１つ以上配置されていることを特徴とする高分子電解質型燃料電池を提供する。
【発明の効果】
【００２４】
以上のように、本発明の高分子型燃料電池によれば、ショートカットを低減することができ、さらに、突起部がセパレータと接し圧縮することにより、枠体と高分子電解質膜の隙間からのクロスリーク現象を低減し、ガスの利用効率を高め、発電効率を高めることができる高分子電解質型燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の燃料電池の分解斜視図
【図２】本発明の燃料電池の酸化剤ガス拡散層の側から見た酸化剤側セパレータの平面図
【図３】（ａ）本発明の実施の形態１における燃料電池の突起の斜視図であり、（ｂ）本発明の実施の形態１における燃料電池のセパレータに当接する枠体の平面図
【図４】図２のＡ−Ａでの単電池モジュールの断面図
【図５】図２のＤ−Ｄでの単電池モジュールの断面図
【図６】本発明の実施の形態２における燃料電池の突起の斜視図
【図７】図６に示す枠体を燃料電池として組付けた状態の部分断面図
【図８】本発明の実施の形態３における燃料電池の燃料ガス拡散層の側から見た燃料側セパレータの配置平面図
【図９】従来の燃料電池スタックが備える電極−膜−枠体接合体の断面の模式図
【図１０】特許文献２に記載された従来の燃料電池の燃料ガス拡散層の側から燃料ガス側セパレータをみた平面図
【図１１】従来の電極―膜−枠接合体（弾性体部材無し）の部分模式図
【図１２】従来の電極―膜−枠接合体（弾性体部材有り）の部分模式図
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２７】
（実施の形態１）
最初に、本発明の高分子電解質型燃料電池の全体構成を説明する。
【００２８】
図１は、本発明の燃料電池の分解斜視図である。
【００２９】
図１に示すように、燃料電池スタック３０は、その中心部に、単電池モジュール（セル）１を複数層積層させてセル積層体２０が構成されている。なお、セル積層体２０の両端部の最外層には、集電板２と、内面に弾性体の一例としての多数の内側バネ４を有する端板３とが配置されている。
【００３０】
外側バネ５が嵌め込まれた４本の締結ボルト７が、セル積層体２０の一方の端部から、端板３と集電板２とセル積層体２０と反対側の集電板２と端板３とのそれぞれの角部のボルト孔６を貫通し、ナット８で締結されるように構成されている。なお、締結部材は、締結ボルト７とナット８とで構成するものに限らず、締結バンドなど他の構成でもよい。
【００３１】
集電板２は、セル積層体２０の外側にそれぞれ配置し、発電された電気を効率良く集電できるように、銅板に金メッキが施されたものを使用する。なお、集電板２には、電気伝導性の良好な金属材料、例えば、鉄、ステンレス鋼、アルミニウム等を使用しても良い。また、各集電板２の表面処理には、スズメッキ、又は、ニッケルメッキ等を施してもよい。
【００３２】
各集電板２の外側には、電気を絶縁するために電気絶縁性のある材料を用いた端板３を配置し、絶縁の役割も兼用させている。端板３としては、強度と耐熱性からガラス繊維入りポリフェニレンサルファイド樹脂を用いて射出成形で製作したものが良い。端板３と一体となっている各配管３ａは、セル積層体２０の各マニホールドに、マニホールド用シール部材として機能しかつマニホールド用貫通穴を有するガスケット（図示せず）を介して押し当てられて連通させて構成している。
【００３３】
各端板３の内側には、セル１に荷重を加える前記多数の内側バネ４が、高分子電解質膜電極接合体（以降、「ＭＥＡ」とする。）９の投影部分、つまり、セル１の内側に、集中的に均等に配置され、締め付けた状態で所定の荷重がセル積層体２０に加えられるように締め付け寸法が管理されている。外側バネ５は、各締結ボルト７の頭部と端板３の外面との間に配置されて、複数本の締結ボルト７と複数個のナット８で組立時に調整されて締結されている。
【００３４】
セル１は、周縁部に枠体１４を有するＭＥＡ９を一対の導電性のセパレータ１０、具体的には燃料側セパレータ１０ａ及び酸化剤側セパレータ１０ｃで挟み、さらに、一方のセパレータ例えば酸化剤側セパレータ１０ｃの外側に冷却水セパレータ１０ｗを配置して構成されている。燃料側セパレータ１０ａ及び酸化剤側セパレータ１０ｃ、冷却水セパレータ１０ｗ、ＭＥＡ９の周縁部に配置された枠体１４には、燃料ガス、酸化剤ガス、及び、冷却水が流通するそれぞれ一対の貫通孔、すなわち、マニホールド孔１１が設けられている。
【００３５】
また、複数個のセル１が積層されたセル積層体２０の状態では、これらマニホールド孔１１が積層されて互いに連通し、燃料ガスマニホールド、酸化剤ガスマニホールド、冷却水マニホールドをそれぞれ形成している。
【００３６】
ＭＥＡ９は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜と、高分子電解質膜の周縁部より内側の部分の両面に形成された一対の電極層、すなわち燃料ガスと酸化剤ガスの電極層とより構成されている。電極層は、ガス拡散層と、ガス拡散層と高分子電解質膜との間に配置される触媒層とを有する積層構造を有している。
【００３７】
燃料側セパレータ１０ａ及び酸化剤側セパレータ１０ｃは、平板状であって、ＭＥＡ９と接触する側の面、すなわち内面は、ＭＥＡ９と枠体１４との形状にそれぞれ対応した形状を有するように構成している。各セパレータ１０では、各種マニホールド孔１１及びボルト孔６が該各セパレータ１０を厚み方向に貫通している。
【００３８】
燃料側セパレータ１０ａの内面には燃料ガス流路溝１２ａが形成されており、酸化剤側セパレータ１０ｃの内面には酸化剤ガス流路溝１２ｃが、冷却水セパレータ１０ｗの内面（酸化剤側セパレータ１０ｃ側の面）には冷却水流路溝１２ｗが形成されている。各種マニホールド孔１１と、ボルト孔６と、燃料ガス流路溝１２ａと、酸化剤ガス流路溝１１ｃと、冷却水流路溝等１２ｗとは、切削加工あるいは成形加工によりそれぞれ形成されている。
【００３９】
ＭＥＡ９の周囲に配置された枠体１４は、樹脂で構成され、ＭＥＡ９と一体成形されている。  各セパレータ１０にはガスケット（図示せず）が配設されており、このガスケットによって、隣接するセル１間やセル１内部のセパレータ１０と枠体１４、セパレータ１０間において、燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却水のそれぞれの漏出が防止される。
【００４０】
本発明の特徴は、電極層の内側に突出する電極側突起を有し、かつ、電極側突起は、前記セパレータの隣接する流路溝でガスが対向して流れる折り返し部の畝に当接するよう、少なくとも１つ以上配置されていることである。
【００４１】
突起部のある場所、その形状、セル組立ての際の突起とガス拡散層の圧縮変形、燃料ガスと酸化剤ガスの流れに関する作用について順次説明する。
【００４２】
突起部のある場所について説明する。
【００４３】
図２、図３、図４、図５は、本発明の実施の形態１における高分子電解質型燃料電池を説明するための図である。
【００４４】
図２は本発明の燃料電池の酸化剤ガス拡散層の側から見た酸化剤側セパレータの平面図である。  図２において、酸化剤側セパレータ１０１（図１では１０ｃに相当）は、入口マニホールド１０２と出口マニホールド１０３を備えている。  入口マニホールド１０２から出口マニホールド１０３には６本の流路溝１０４が折り返して走行しており、流路溝１０４の一端から他端へとガスが流れるように構成されている。なお、流路溝１０４の本数は一例であり、６本に限ったものではない。
【００４５】
酸化剤側セパレータ１０１に投影された高分子電解質膜１０６の外縁の位置を２点鎖線で、触媒層１１０の外縁を破線で、ガスケット１１５の位置を太い実線で示している。
【００４６】
図２において、酸化剤ガスがショートカットする経路は、矢印で示すように隣接する流路溝部内のＢ点からＣ点へ短絡する経路である。  より詳しく述べると、実線の矢印は酸化剤ガス拡散層が露出している方の経路であり、破線の矢印は酸化剤ガス拡散層が枠体で被覆されているほうの経路である。枠体突起部の配置位置１０５は、流路溝部内のＢ点とＣ点の間に、流路溝１０４の長手方向（Ａ−Ａ断面方向）に平行にすると良い。
【００４７】
これは、Ｂ点とＣ点間の折り返し部では、ガスの流れが対向しており、さらに入口マニホールド１０２の上流から出口マニホールド１０３の下流にかけてガスの濃度差が生じており、Ｂ点とＣ点間の折り返し部ではガス濃度の差が大きくなるためである。
【００４８】
また、酸化剤ガスが流れの方向を直角に曲げるＢ点では、内側より外側の流速が早くなるなどの偏流が生ずる。偏流の影響は曲がった場所が一番大きく、下流に行くに従い小さくなる。シミュレーションによると、偏流の影響は流路溝の幅の２０倍まで及び、偏流は流路溝の幅の５倍のところで２％以下、１０倍のところで０．５％以下になる。
【００４９】
突起の形状について説明する。
【００５０】
図３（ａ）は突起の斜視図、図３（ｂ）は図２の丸で囲った部分に対応する枠体の平面図である。
【００５１】
図３（ａ）において、１０８は酸化剤ガス拡散層で、図１のＭＥＡ９の表面に対応する。１１２は枠体であり図１の枠体１４に相当する。１１３は酸化剤側の枠体突起部であり、酸化剤ガス拡散層１０８の外縁を全周、覆いかぶさるように配置されている。酸化剤側枠体突起部１１３の外縁は、ガスケット１１５の内側になるよう配置されている。
【００５２】
酸化剤側枠体突起部１１３には、電極層の内側に突出する電極側突起１１３ａが図２に示す枠体突起部の配置位置１０５に、流路溝１０４の長手方向（Ａ−Ａ断面方向）に平行にある。
【００５３】
図３（ａ）において、厚さＴ１ａは、０を越え、酸化剤ガス拡散層１０８の厚さの０．８倍以下が良く、更には、酸化剤ガス拡散層１０８の空孔率以下が良い。空孔率を越える厚さになると触媒層をも圧縮し発電効率が下がる。電極側突起１１３ａの幅Ｗ１は、流路溝の折り返し部の畝幅未満で、厚さＴ１ａ以上が良い。流路溝の折り返し部の畝幅以上になると発電効率が下がり、厚さＴ１ａ未満になると積層する際に倒れやすくなる。
【００５４】
１１３ｂは積層方向の突起で、電極側突起１１３ａの延長上に配置されている。積層方向の突起１１３ｂの厚さＴ１ｂは厚さＴ１ａに後述する酸化剤側セパレータと酸化剤側枠体突起部１１３との隙間を足したものである。
【００５５】
燃料側の突起も図示しないが同様に電極側突起１１４ａの厚さＴ２ａは、０を越え、酸化剤ガス拡散層１０８の厚さの０．８倍以下が良く、更には、燃料ガス拡散層１０９の空孔率以下が良い。空孔率を越える厚さになると触媒層をも圧縮し発電効率が下がる。電極側突起１１４ａの幅Ｗ２は、流路溝の折り返し部の畝幅未満で、厚さＴ２ａ以上が良い。流路溝の折り返し部の畝幅以上になると発電効率が下がり、厚さＴ２ａ未満になると積層する際に倒れやすくなる。
【００５６】
燃料側の突起も図示しないが同様に１１４ｂは積層方向の突起で、電極側突起１１４ａの延長上に配置されている。積層方向の突起１１４ｂの厚さＴ２ｂは厚さＴ２ａに後述する燃料側セパレータと燃料側枠体突起部１１４との隙間を足したものである。
【００５７】
酸化剤側枠体突起部１１３と電極側突起１１３ａと積層方向の突起１１３ｂとの材質は、耐薬品性の高いポリプロピレンやシリコン樹脂が良く、枠体１１２と同じにすると一体成形できるので、製造工数を下げることができる。枠体１１２と異なる材料にする場合は、枠体１１２より弾性率が低いものを使うと枠体１１２のそりを抑制でき、酸化剤ガス拡散層１０８より弾性率を高いものにすると積層する際にガス拡散層が圧縮変形し易い。
【００５８】
図３（ｂ）において高分子電解質膜１０６の外縁を２点鎖線で、触媒層１１０の外縁は酸化剤ガス拡散層１０８の外縁と一致しており、その位置を破線で、ガスケット１１５の位置を太い実線で示している。
【００５９】
セル組立ての際の、電極側突起と積層方向の突起とガス拡散層の圧縮変形、燃料ガスと酸化剤ガスの流れに関する作用について順次説明する。
【００６０】
図４は、図２のＡ‐Ａでの単電池モジュールの断面図である。高分子電解質膜１０６の両面にそれぞれ触媒層１１０とさらにその外側に酸化剤ガス拡散層１０８及び燃料ガス拡散層１０９が形成され、それらが酸化剤ガス側電極層１１６と燃料ガス側電極層１１７をなしている。
【００６１】
高分子電解質膜１０６の周辺部は樹脂材料でできている枠体１１２によって挟持されている。酸化剤ガス拡散層１０８側には酸化剤側セパレータ１０１が当接し、燃料ガス拡散層１０９には燃料側セパレータ１１１が当接し、触媒層１１０を挟み込む構造となっている。
【００６２】
ガスケット１１５は、弾性体で構成されたシール部材であり、枠体１１２と酸化剤側セパレータ１０１と燃料側セパレータ１１１との押圧によってガスケット１１５は圧縮変形する。ガスケット１１５が圧縮変形するに伴い、電極側突起１１３ａと積層方向の突起１１３ｂとは酸化剤側セパレータ１０１と当接し、電極側突起１１３ａと積層方向の突起１１３ｂの下の酸化剤ガス側電極層１１６が圧縮される。電極側突起１１３ａと積層方向の突起１１３ｂと酸化剤側枠体突起部１１３を酸化剤ガス拡散層１０８より弾性率の高いものにすると積層する際に、主に酸化剤ガス拡散層１０８が圧縮される。酸化剤ガス拡散層１０８の空孔が塞がれるので酸化剤ガスのショートカットを低減できる。
【００６３】
特に電極側突起１１３ａの下層にある酸化剤ガス拡散層が圧縮されるのでその空孔が帯状に塞がれる。酸化剤ガスが流れの方向を直角に曲げる図２のＢ点では、流路溝１０４の内側より外側の流速が早くなるなどの偏流が生じ、酸化剤ガスが図２のＢ点からＣ点へと実線の矢印に示すガス拡散層を通り抜けようとするショートカットを起こしやすくなる。電極側突起１１３ａの下層にあるガス拡散層の空孔が塞がれているので、ガス拡散層を通り抜けようとするショートカットを低減できる。
【００６４】
流路溝１０４の中心より電極側突起１１３ａの先端までの長さＬ１は、流路溝の幅の０．５倍以上で偏流の影響が残る２０倍までが良く、更に偏流の影響が少なくなる流路溝の幅の５倍から１０倍が効率的である。
【００６５】
積層方向の突起１１３ｂも樹脂で覆われている酸化剤ガス拡散層１０８の空孔を塞ぎ、酸化剤ガスが図２のＢ点からＣ点へと破線の矢印に示すように酸化剤ガス拡散層のショートカットするのを低減できる。
【００６６】
なお、電極側突起１１３ａと積層方向の突起１１３ｂとの間の斜面と裾野部も酸化剤側セパレータ１０１を当てることにより酸化剤ガス拡散層１０８の空孔を塞ぎ、酸化剤ガスのショートカットを低減できる。
【００６７】
燃料ガス側も酸化剤ガス側と同様に、
ガスケット１１５が圧縮変形するに伴い、電極側突起１１４ａと積層方向の突起１１４ｂとは燃料側セパレータ１１１と当接し、電極側突起１１４ａと積層方向の突起１１４ｂの下の燃料ガス側電極層１１７が圧縮される。電極側突起１１４ａと積層方向の突起１１４ｂと燃料側枠体突起部１１４を燃料ガス拡散層１０９より弾性率の高いものにすると積層する際に、主に燃料ガス拡散層１０９が圧縮される。燃料ガス拡散層１０９の空孔が塞がれるので燃料ガスのショートカットを低減できる。
【００６８】
特に電極側突起１１４ａの下層にある燃料ガス拡散層が圧縮されるのでその空孔が帯状に塞がれる。燃料ガスが流れの方向を直角に曲げる折り返し部では、流路溝１０４の内側より外側の流速が早くなるなどの偏流が生じ、燃料ガスが図２のＢ点からＣ点に相当する折り返し部でガス拡散層を通り抜けようとするショートカットを起こしやすくなる。電極側突起１１４ａの下層にあるガス拡散層の空孔が塞がれているので、ガス拡散層を通り抜けようとする燃料ガスのショートカットを低減できる。
【００６９】
流路溝１０４の中心より電極側突起１１４ａの先端までの長さＬ２は、流路溝の幅の０．５倍以上で偏流の影響が残る２０倍までが良く、更に偏流の影響が少なくなる流路溝の幅の５倍から１０倍が効率的である。
【００７０】
積層方向の突起１１４ｂも樹脂で覆われている燃料ガス拡散層１０９の空孔を塞ぎ、燃料ガスのショートカットを低減できる。
【００７１】
なお、電極側突起１１４ａと積層方向の突起１１４ｂとの間の斜面と裾野部も燃料側セパレータ１１１を当てることにより燃料ガス拡散層１０９空孔を塞ぎ、燃料ガスのショートカットを低減できる。
【００７２】
よって、酸化剤ガス及び燃料ガスの利用効率を高め、発電効率を高めることができる。
【００７３】
なお、図４では酸化剤ガス側の電極側突起１１３ａと積層方向の突起１１３ｂ、燃料ガス側の電極側突起１１４ａと積層方向の突起１１４ｂとを書いているが、片方の面だけでも良い。
【００７４】
図５は、図２のＤ−Ｄでの単電池モジュールの断面図である。図４と同じところは説明を省略する。図２と異なるところは、  電極側突起１１３ａと１１４ａおよび積層方向の突起１１３ｂと１１４ｂが無く、酸化剤側枠体突起部１１３は、酸化剤側セパレータ１０１とは接せず前述の隙間があり、同様に燃料側枠体突起部１１４は、燃料側セパレータ１１１とは接せず隙間があるところである。枠体突起部とセパレータが接していないことが少ない押圧力でも流路折り返し部を効率的に押圧できる所以である。
【００７５】
（実施の形態２）
図６は本発明の実施の形態２における燃料電池の突起の斜視図である。
【００７６】
実施の形態１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。実施の形態１と異なるところは、積層方向の突起１１３ｂが広がり酸化剤側枠体突起部１１３と一体となっていることである。
【００７７】
この枠体１１２をセパレータで挟み、押圧すると、酸化剤側枠体突起部１１３と燃料側枠体突起部１１４は圧縮変形する。酸化剤ガス側電極層１１６と燃料ガス側電極層１１７も圧縮変形し、両者の触媒層１１０の端面は外側に膨れ隙間１０７を埋める。圧縮変形したときの形状を２点鎖線で示す。
【００７８】
図７は、図６に示す枠体を燃料電池として組付けた状態の部分断面図であり、図２のＡ−Ａでの位置に相当する。
【００７９】
酸化剤側枠体突起部１１３の積層方向の突起１１３ｂの高分子電解質膜１０６からの高さをＨ１とし、枠体１１２と酸化剤側セパレータ１０１、燃料側セパレータ１１１との押圧によってガスケット１１５が変形した後の高さＨ２とし、その関係がＨ１＞Ｈ２である。燃料側枠体突起部１１４と積層方向の突起１１４ｂも同様に圧縮変形する。なお、破線は圧縮される前の位置を示す。
【００８０】
かかる構成によれば、酸化剤側の積層方向の突起１１３ｂと燃料側の積層方向の突起１１４ｂがそれぞれ酸化剤側セパレータ１０１と  燃料側セパレータ１１１とに接し、圧縮されることにより、枠体１１２の内縁と触媒層１１０端部との間に生じる僅かな隙間１０７を触媒層１１０の端面が外側に膨れることによりなくすことができる。
【００８１】
燃料電池内に供給されたガスの一部が発電に寄与しない隙間１０７の高分子電解質膜１０６を通って燃料ガス側又は酸化材ガス側の一方から他方へとガスがリークしてしまうクロスリーク現象を低減することができる。よって、酸化剤ガス及び燃料ガスの利用効率を高め、発電効率を高めることができる。
【００８２】
（実施の形態３）
図８は、本発明の燃料電池の燃料ガス拡散層の側から見た燃料側セパレータの配置平面図である。燃料側セパレータ１１１に投影された高分子電解質膜１０６の外縁の位置を２点鎖線で、触媒層１１０の外縁を破線で、ガスケット１１５の位置を太い実線で示している。
【００８３】
図８において、図２と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。異なるところは、流れるガスが水素であること、流路溝１０４の折り返しが図２の酸化剤側セパレータより多いことである。
【００８４】
一般的に、燃料電池において生ずる化学反応は下記反応式である。
【００８５】
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ
水素を含有している燃料ガスは酸化剤ガスよりも必要体積量が多い。
【００８６】
また、水素は、酸化剤ガスとして流す空気より粘度が低い。燃料電池の燃料極側と酸化剤電極側のガスの圧力損失を同じにするため、燃料極側セパレータの１１１の流路溝１０４の折り返しを酸化剤側セパレータより多くすると良い。
【００８７】
なお、図８では、燃料極側セパレータの１１１の流路溝１０４の折り返しの全てに枠体突起部の配置位置１０５を示しているが、少なくとも出口マニホールド１０３に一番近い突起部の配置位置１０５ａに燃料側枠体突起の電極側突起を設けると良い。  ショートカットした水素ガスが出口マニホールド１０３からオフガスとして流出するのを少なくできるので、燃料ガスの利用効率を高め、発電効率を高めることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明の高分子電解質型燃料電池は、ポータブル電源、電気自動車用電源、又は、家庭用コージェネレーションシステム等に使用する高分子電解質型燃料電池として有用である。
【００８９】
また、水素を提供する燃料ガスの代わりにメタノールを用いる直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）に適用することも可能である。
【符号の説明】
【００９０】
１０ｃ，１０１  酸化剤側セパレータ
１０２  入口マニホールド
１０３  出口マニホールド
５ａ，１０４  流路溝
１０５  枠体突起部の配置位置
１０６  高分子電解質膜
１０７  隙間
１０８  酸化剤ガス拡散層
１０９  燃料ガス拡散層
１１０  触媒層
１０ａ，１１１  燃料側セパレータ
１４，１１２，１１８，１１９  枠体
１１３  酸化剤側枠体突起部
１１４  燃料側枠体突起部
１１５  ガスケット
１１６  酸化剤ガス側電極層
１１７  燃料ガス側電極層
【図１】
2014120212.tif 000003
【図２】
2014120212.tif 000004
【図３】
2014120212.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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