(57)【要約】【課題】簡単且つ経済的な構成で、金属セパレータからの金属イオンの溶出を阻止し、固体高分子電解質膜の劣化を可及的に抑制することを可能にする。【解決手段】燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１２を第１金属セパレータ１４及び第２金属セパレータ１６で挟持する。第２金属セパレータ１６は、金属プレート４０と前記金属プレート４０の外周に一体成形された樹脂枠部材４２とを備える。第２金属セパレータ１６に酸化剤ガス流路４４が設けられるとともに、前記酸化剤ガス流路４４は、カソード電極触媒層２０ｂの外周端部２０ｂｅに対向する端部酸化剤ガス流路溝４４ａｅを有する。端部酸化剤ガス流路溝４４ａｅは、樹脂枠部材４２に設けられる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒層及びガス拡散層を有する電極が設けられる電解質膜・電極構造体を、プレート面が波形状に成形された一対の金属セパレータで挟持するとともに、前記金属セパレータには、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成される燃料電池であって、
前記金属セパレータの外周部に、樹脂枠部材が一体に設けられるとともに、
前記金属セパレータ及び前記樹脂枠部材には、前記電解質膜・電極構造体に接する凸部と前記電解質膜・電極構造体から離間する凹部とが交互に成形され、前記凹部に沿って複数本の反応ガス流路溝が形成されることにより、前記反応ガス流路が設けられるとともに、
前記反応ガス流路溝は、前記反応ガス流路の反応ガス流れ方向に交差する幅方向外方に配置され、且つ、前記電極触媒層の外周端部に対向する端部反応ガス流路溝を有し、
前記端部反応ガス流路溝は、前記樹脂枠部材に設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒層及びガス拡散層を有する電極が設けられる電解質膜・電極構造体を、プレート面が波形状に成形された一対の金属セパレータで挟持するとともに、前記金属セパレータには、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成される燃料電池であって、
前記金属セパレータの外周部に、樹脂枠部材が一体に設けられるとともに、
前記金属セパレータ及び前記樹脂枠部材には、前記電解質膜・電極構造体に接する凸部と前記電解質膜・電極構造体から離間する凹部とが交互に成形され、前記凹部に沿って複数本の反応ガス流路溝が形成されることにより、前記反応ガス流路が設けられるとともに、
前記反応ガス流路溝は、発電領域内で前記反応ガスを流通させ、且つ前記反応ガス流路の反応ガス流れ方向に交差する幅方向外方に配置される端部反応ガス流路溝を有し、
前記端部反応ガス流路溝は、前記樹脂枠部材に設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池において、前記樹脂枠部材には、前記反応ガスを前記電解質膜・電極構造体との積層方向に流通させる反応ガス連通孔と、
前記反応ガス流路と前記反応ガス連通孔とを接続するバッファ部と、
が一体に設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池において、それぞれの電極触媒層は、表面積が異なっており、前記固体高分子電解質膜の外周には、一方の前記電極の前記電極触媒層のみが存在する部位が設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記反応ガス流路のガス流れ方向前端又はガス流れ方向後端は、前記電極触媒層の外方に位置することを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記金属セパレータの外周端部は、前記樹脂枠部材の外周端部まで延在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、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒層及びガス拡散層を有する電極が設けられる電解質膜・電極構造体を、プレート面が波形状に成形された一対の金属セパレータで挟持する燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を設けた電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持した発電セルを構成している。燃料電池は、通常、複数の発電セルが積層されて燃料電池スタックを構成するとともに、定置用の他、燃料電池車両に組み込まれることにより、車載用燃料電池システムとして使用されている。
【０００３】
上記の燃料電池では、波形状に成形された金属セパレータが使用されている。金属セパレータの面内に、アノード電極に燃料ガスを流すための燃料ガス流路（以下、反応ガス流路ともいう）と、カソード電極に酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路（以下、反応ガス流路ともいう）とが設けられている。さらに、各発電セル毎又は複数の発電セル毎に、冷却媒体を流すための冷却媒体流路が金属セパレータの面方向に沿って設けられている。
【０００４】
この種の燃料電池では、良好なイオン伝導性を確保するために、電解質膜を保湿する必要がある。このため、反応ガスである酸化剤ガス（例えば、空気）や燃料ガス（例えば、水素ガス）を加湿して燃料電池に供給する方式が採用されている。
【０００５】
その際、加湿用の水分が、電解質膜に吸収されずに液状化され、反応ガス流路に滞留する場合がある。一方、燃料電池では、発電反応によりカソード電極に生成水が発生するとともに、アノード電極には、前記生成水が電解質膜を介して逆拡散している。このため、反応ガス流路には、水分が凝縮して滞留する場合がある。従って、例えば、カソード電極の端部やアノード電極の端部等に高電位や電位勾配が発生すると、滞留水により金属セパレータから金属の溶出が惹起され、溶出した金属が電解質膜に取り込まれることがある。これにより、電解質膜は、金属イオンによる劣化が著しくなるという問題がある。
【０００６】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池用金属セパレータが知られている。この燃料電池用金属セパレータは、金属基材の表面に、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａから選択されるいずれか１種の非貴金属からなる、膜厚が５ｎｍ以上１００ｎｍ未満の耐酸性金属皮膜を有している。燃料電池用金属セパレータは、耐酸性金属皮膜の上にＡｕ、Ｐｔから選択される１種以上の貴金属、及び、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａから選択される１種以上の非貴金属を含み、且つこの非貴金属を５〜６５原子％含んでなる、膜厚が２ｎｍ以上の導電性合金皮膜を有している。
【０００７】
そして、耐酸性金属皮膜は、ＰＶＤ法において、前記金属基材を５０℃以上に加熱しつつ、−５０Ｖ以下に電圧印加することにより前記金属基材の上に成膜したものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第４５１６６２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記の特許文献１では、金属基材に表面処理を施して金属セパレータを構成している。このため、金属セパレータ自体の製造コストが相当に高騰してしまい、経済的ではないという問題がある。
【００１０】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、金属セパレータからの金属イオンの溶出を阻止し、固体高分子電解質膜の劣化を可及的に抑制することが可能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】
【００１１】
本発明は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒層及びガス拡散層を有する電極が設けられる電解質膜・電極構造体を、プレート面が波形状に成形された一対の金属セパレータで挟持するとともに、前記金属セパレータには、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成される燃料電池に関するものである。
【００１２】
この燃料電池では、金属セパレータの外周部に、樹脂枠部材が一体に設けられている。金属セパレータ及び樹脂枠部材には、電解質膜・電極構造体に接する凸部と前記電解質膜・電極構造体から離間する凹部とが交互に成形されている。凹部に沿って複数本の反応ガス流路溝が形成されることにより、反応ガス流路が設けられている。そして、反応ガス流路溝は、反応ガス流路の反応ガス流れ方向に交差する幅方向外方に配置され、且つ、電極触媒層の外周端部に対向する端部反応ガス流路溝を有し、前記端部反応ガス流路溝は、樹脂枠部材に設けられている。
【００１３】
また、この燃料電池では、反応ガス流路溝は、発電領域内で反応ガスを流通させ、且つ反応ガス流路の反応ガス流れ方向に交差する幅方向外方に配置される端部反応ガス流路溝を有し、前記端部反応ガス流路溝は、樹脂枠部材に設けられている。
【００１４】
さらに、この燃料電池では、樹脂枠部材には、反応ガスを電解質膜・電極構造体との積層方向に流通させる反応ガス連通孔と、反応ガス流路と前記反応ガス連通孔とを接続するバッファ部とが一体に設けられることが好ましい。
【００１５】
さらにまた、この燃料電池では、それぞれの電極触媒層は、表面積が異なっており、固体高分子電解質膜の外周には、一方の電極の前記電極触媒層のみが存在する部位が設けられることが好ましい。
【００１６】
また、この燃料電池では、反応ガス流路のガス流れ方向前端又はガス流れ方向後端は、電極触媒層の外方に位置することが好ましい。
【００１７】
さらに、この燃料電池では、金属セパレータの外周端部は、樹脂枠部材の外周端部まで延在することが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明では、端部反応ガス流路溝は、樹脂枠部材に設けられている。このため、金属セパレータ自体は、特に高電位や電位勾配が発生し易い電極触媒層の外周端部に対向して配置されることがなく、前記金属セパレータの外側端部から金属イオンが溶出することを確実に抑制することができる。従って、電解質膜・電極構造体の外周部の劣化を抑制することが可能になる。
【００１９】
これにより、簡単且つ経済的な構成で、金属セパレータからの金属イオンの溶出を阻止し、固体高分子電解質膜の劣化を可及的に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面説明図である。
【図３】前記燃料電池を構成する第１金属セパレータの正面説明図である。
【図４】前記燃料電池を構成する第２金属セパレータの正面説明図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の要部断面説明図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の要部断面説明図である。
【図７】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図８】前記燃料電池の、図７中、ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面説明図である。
【図９】前記燃料電池を構成する第１金属セパレータの正面説明図である。
【図１０】前記燃料電池を構成する第２金属セパレータの正面説明図である。
【図１１】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池の要部断面説明図である。
【図１２】本発明の第６の実施形態に係る燃料電池の要部断面説明図である。
【図１３】本発明の第７の実施形態に係る燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図１４】前記燃料電池の、図１３中、ＸＩＶ−ＸＩＶ線断面説明図である。
【図１５】本発明の第８の実施形態に係る燃料電池の要部断面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０は、例えば、立位姿勢で水平方向（矢印Ａ方向）に積層されることにより、車載用燃料電池スタックとして使用される。
【００２２】
燃料電池１０は、電解質膜・電極構造体１２と、前記電解質膜・電極構造体１２を挟持する第１金属セパレータ１４及び第２金属セパレータ１６とを備える。第１金属セパレータ１４及び第２金属セパレータ１６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板を、波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状を有して構成される。
【００２３】
電解質膜・電極構造体１２は、固体高分子電解質膜１８と、前記固体高分子電解質膜１８を挟持するカソード電極２０及びアノード電極２２とを備える。図２に示すように、カソード電極２０及びアノード電極２２は、カーボンペーパ等からなるカソード側ガス拡散層２０ａ及びアノード側ガス拡散層２２ａと、カソード電極触媒層２０ｂ及びアノード電極触媒層２２ｂとを有する。カソード電極触媒層２０ｂ及びアノード電極触媒層２２ｂは、白金、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子がカソード側ガス拡散層２０ａ及びアノード側ガス拡散層２２ａの表面に一様に塗布される。また、固体高分子電解質膜１８に、直接、塗布、スプレー、転写等を用いて製造してもよく、種々の製法が採用可能である。
【００２４】
カソード電極触媒層２０ｂは、アノード電極触媒層２２ｂよりも全周に亘って小さな平面寸法を有する。カソード側ガス拡散層２０ａは、アノード側ガス拡散層２２ａよりも大きな平面寸法を有する。
【００２５】
なお、カソード電極触媒層２０ｂは、アノード電極触媒層２２ｂよりも大きな若しくは同一の平面寸法を有していてもよい。カソード側ガス拡散層２０ａは、アノード側ガス拡散層２２ａと同一の平面寸法を有していてもよく、又は、前記カソード側ガス拡散層２０ａは、前記アノード側ガス拡散層２２ａよりも小さな平面寸法を有していてもよい。また、以下の第２以降の実施形態においても、同様である。
【００２６】
図１に示すように、燃料電池１０の長辺方向である矢印Ｂ方向（図１中、水平方向）の一端縁部には、具体的には、後述する樹脂枠部材３２の矢印Ｂ方向の一端縁部には、酸化剤ガス入口連通孔２４ａ、冷却媒体入口連通孔２６ａ及び燃料ガス出口連通孔２８ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔２４ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給し、冷却媒体入口連通孔２６ａは、冷却媒体を供給し、燃料ガス出口連通孔２８ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。酸化剤ガス入口連通孔２４ａ、冷却媒体入口連通孔２６ａ及び燃料ガス出口連通孔２８ｂは、それぞれ積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して設けられるとともに、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列する。
【００２７】
燃料電池１０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、具体的には、樹脂枠部材３２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔２８ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２６ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２４ｂが設けられる。燃料ガス入口連通孔２８ａ、冷却媒体出口連通孔２６ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔２４ｂは、それぞれ矢印Ａ方向に互いに連通するとともに、矢印Ｃ方向に配列する。
【００２８】
図３に示すように、第１金属セパレータ１４は、金属プレート３０と前記金属プレート３０の外周に一体成形された電気絶縁性を有する樹脂枠部材３２とを備える。金属プレート３０と樹脂枠部材３２との接合部は、第１金属セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２側に突出する凸部に設けられる。
【００２９】
樹脂枠部材３２は、耐食性を有する材料、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）又は液晶ポリマー（ＬＣＰ）等が使用される。樹脂枠部材３２は、第１金属セパレータ１４と略同一の厚さを有する。なお、第１金属セパレータ１４は、底辺と両端の連通孔を含む３辺が樹脂枠で構成されていてもよい。また、以下に説明する第２金属セパレータ１６でも、同様である。
【００３０】
第１金属セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａには、燃料ガス入口連通孔２８ａと燃料ガス出口連通孔２８ｂとに連通する燃料ガス流路（反応ガス流路）３４が形成される。燃料ガス流路３４は、矢印Ｂ方向に延在する凸部３６ａと凹部３６ｂとが、矢印Ｃ方向に交互に形成されることにより、各凹部３６ｂに沿って形成される複数本の燃料ガス流路溝３４ａを有する。凸部３６ａは、電解質膜・電極構造体１２に接する一方、凹部３６ｂは、前記電解質膜・電極構造体１２から離間する。
【００３１】
図２及び図３に示すように、燃料ガス流路３４を構成する燃料ガス流路溝３４ａは、前記燃料ガス流路３４の燃料ガス流れ方向（矢印Ｂ方向）に交差する幅方向（矢印Ｃ方向）外方に配置され、且つ、アノード電極触媒層２２ｂの外周端部２２ｂｅに対向する端部燃料ガス流路溝３４ａｅを有する。端部燃料ガス流路溝３４ａｅは、少なくとも一方の幅方向の端部に設けられていればよく、また、２本以上設けてもよい。さらに、端部燃料ガス流路溝３４ａｅは、肉厚な樹脂枠部材３２に溝を彫り込んで形成してもよい。
【００３２】
端部燃料ガス流路溝３４ａｅは、樹脂枠部材３２に設けられる。図３に示すように、燃料ガス流路３４の矢印Ｂ方向両端は、それぞれ距離Ｌ１の範囲を含む領域が樹脂枠部材３２により構成される。すなわち、樹脂枠部材３２の内周端部位置が、電解質膜・電極構造体１２の発電領域の外周端部位置になるように、距離Ｌ１が設定される。
【００３３】
第１金属セパレータ１４には、燃料ガス入口連通孔２８ａの近傍に複数の供給孔部３５ａが形成されるとともに、燃料ガス出口連通孔２８ｂの近傍に複数の排出孔部３５ｂが形成される。供給孔部３５ａは、燃料ガス入口連通孔２８ａと燃料ガス流路３４とを連通する一方、排出孔部３５ｂは、燃料ガス出口連通孔２８ｂと前記燃料ガス流路３４とを連通する。
【００３４】
図４に示すように、第２金属セパレータ１６は、金属プレート４０と前記金属プレート４０の外周に一体成形された電気絶縁性を有する樹脂枠部材４２とを備える。第１金属セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２側に突出する凸部には、金属プレート３０と樹脂枠部材３２との接合部が設けられる。金属プレート４０と樹脂枠部材４２との接合部は、第２金属セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２側に突出する凸部に設けられる。
【００３５】
樹脂枠部材４２は、耐食性を有する材料、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）又は液晶ポリマー（ＬＣＰ）等が使用される。樹脂枠部材４２は、第２金属セパレータ１６と略同一の厚さを有する。
【００３６】
第２金属セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、酸化剤ガス入口連通孔２４ａと酸化剤ガス出口連通孔２４ｂとに連通する酸化剤ガス流路（反応ガス流路）４４が形成される。酸化剤ガス流路４４は、矢印Ｂ方向に延在する凸部４５ａと凹部４５ｂとが、矢印Ｃ方向に交互に形成されることにより、各凹部４５ｂに沿って形成される複数本の酸化剤ガス流路溝４４ａを有する。凸部４５ａは、電解質膜・電極構造体１２に接する一方、凹部４５ｂは、前記電解質膜・電極構造体１２から離間する。
【００３７】
図２及び図４に示すように、酸化剤ガス流路４４を構成する酸化剤ガス流路溝４４ａは、前記酸化剤ガス流路４４の酸化剤ガス流れ方向（矢印Ｂ方向）に交差する幅方向（矢印Ｃ方向）外方に配置され、且つ、カソード電極触媒層２０ｂの外周端部２０ｂｅに対向する端部酸化剤ガス流路溝４４ａｅを有する。端部酸化剤ガス流路溝４４ａｅは、少なくとも一方の幅方向の端部に設けられていればよく、また、２本以上設けてもよい。さらに、端部酸化剤ガス流路溝４４ａｅは、肉厚な樹脂枠部材４２に溝を彫り込んで形成してもよい。
【００３８】
端部酸化剤ガス流路溝４４ａｅは、樹脂枠部材４２に設けられる。図４に示すように、酸化剤ガス流路４４の矢印Ｂ方向両端は、それぞれ距離Ｌ２の範囲を含む領域が樹脂枠部材４２により構成される。すなわち、樹脂枠部材４２の内周端部位置が、電解質膜・電極構造体１２の発電領域の外周端部位置になるように、距離Ｌ２が設定される。なお、樹脂枠部材３２、４２は、第１金属セパレータ１４又は第２金属セパレータ１６のいずれか一方のみに設けられていればよい。
【００３９】
図１に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ｂと第２金属セパレータ１６の面１６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔２６ａと冷却媒体出口連通孔２６ｂとに連通する冷却媒体流路４６が形成される。
【００４０】
図１及び図２に示すように、第１金属セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、この第１金属セパレータ１４の外周端部を周回して、第１シール部材４８が一体化されるとともに、第２金属セパレータ１６の面１６ａ、１６ｂには、この第２金属セパレータ１６の外周端部を周回して、第２シール部材５０が一体化される。
【００４１】
図２に示すように、第１シール部材４８は、固体高分子電解質膜１８の先端縁部に当接する第１凸状シール４８ａと、第２シール部材５０に当接する第２凸状シール４８ｂとを有する。第２シール部材５０は、シール面が平面形状を有する平面シールを構成する。なお、第２凸状シール４８ｂに代えて、第２シール部材５０に第２凸状シール（図示せず）を設けてもよい。
【００４２】
第１シール部材４８及び第２シール部材５０には、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール部材が用いられる。
【００４３】
このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００４４】
先ず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２４ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔２８ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔２６ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
【００４５】
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２４ａから第２金属セパレータ１６の酸化剤ガス流路４４に導入され、矢印Ｂ方向に移動して電解質膜・電極構造体１２のカソード電極２０に供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２８ａから供給孔部３５ａを通って第１金属セパレータ１４の燃料ガス流路３４に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路３４に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体１２のアノード電極２２に供給される。
【００４６】
従って、各電解質膜・電極構造体１２では、カソード電極２０に供給される酸化剤ガスと、アノード電極２２に供給される燃料ガスとが、カソード電極触媒層２０ｂ及びアノード電極触媒層２２ｂ内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。
【００４７】
次いで、カソード電極２０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔２４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード電極２２に供給されて消費された燃料ガスは、排出孔部３５ｂを通り燃料ガス出口連通孔２８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００４８】
また、冷却媒体入口連通孔２６ａに供給された冷却媒体は、第１金属セパレータ１４と第２金属セパレータ１６との間の冷却媒体流路４６に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１２を冷却した後、冷却媒体出口連通孔２６ｂから排出される。
【００４９】
この場合、第１の実施形態では、図２及び図４に示すように、第２金属セパレータ１６は、酸化剤ガス流路４４を設けるとともに、前記酸化剤ガス流路４４を構成する酸化剤ガス流路溝４４ａは、カソード電極触媒層２０ｂの外周端部２０ｂｅに対向する端部酸化剤ガス流路溝４４ａｅを有している。そして、端部酸化剤ガス流路溝４４ａｅは、樹脂枠部材４２に設けられている。
【００５０】
一方、カソード電極触媒層２０ｂは、アノード電極触媒層２２ｂよりも小さな平面寸法を有しており、前記カソード電極触媒層２０ｂの外周端部２０ｂｅは、前記アノード電極触媒層２２ｂの外周端部２２ｂｅよりも内方に距離Ｓだけ離間している。このため、固体高分子電解質膜１８の片面にのみアノード電極触媒層２２ｂが存在する半電極領域付近（距離Ｓの範囲）では、高電位や電位勾配が発生し易い。
【００５１】
その際、第１金属セパレータ１４には、アノード電極触媒層２２ｂのみが存在する領域に亘って樹脂枠部材３２が設けられている。これにより、特に高電位や電位勾配により第１金属セパレータ１４の外側端部から金属イオンの溶出を阻止することができる。しかも、アノード電極触媒層２２ｂが存在する半電極領域付近（距離Ｓの範囲）に対向する端部燃料ガス流路溝３４ａｅを有するため、外周端部２２ｂｅに水分が滞留することがない。
【００５２】
しかも、第１金属セパレータ１４には、樹脂枠部材３２よりも内方に、例えば、金やカーボン等のめっき処理を施すことができる一方、導電性を有する耐食性被膜を設けることも可能になる。
【００５３】
従って、簡単且つ経済的な構成で、第１金属セパレータ１４からの金属イオンの溶出を阻止し、固体高分子電解質膜１８の劣化を可及的に抑制することができるという効果が得られる。
【００５４】
また、第２金属セパレータ１６には、酸化剤ガス流路４４を設けるとともに、前記酸化剤ガス流路４４を構成する酸化剤ガス流路溝４４ａは、アノード電極触媒層２２ｂの外周端部２２ｂｅに対向する端部酸化剤ガス流路溝４４ａｅを有している。そして、端部酸化剤ガス流路溝４４ａｅは、樹脂枠部材４２に設けられている。これにより、第２金属セパレータ１６は、上記の第１金属セパレータ１４と同様の効果が得られる。
【００５５】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池６０の要部断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３以降の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００５６】
燃料電池６０は、電解質膜・電極構造体１２と、前記電解質膜・電極構造体１２を挟持する第１金属セパレータ６２及び第２金属セパレータ６４とを備える。第１金属セパレータ６２は、金属プレート６６と前記金属プレート６６の外周に一体成形された樹脂枠部材６８とを備える。樹脂枠部材６８は、所望の樹脂強度を維持するために、金属プレート６６に比べて肉厚に構成される。樹脂枠部材６８の内周端部には、金属プレート６６の外周端部と重なり一体化される重合部位７０が設けられる。
【００５７】
第２金属セパレータ６４は、金属プレート７２と前記金属プレート７２の外周に一体成形された樹脂枠部材７４とを備える。樹脂枠部材７４は、所望の樹脂強度を維持するために、金属プレート７２に比べて肉厚に構成される。樹脂枠部材７４の内周端部には、金属プレート７２の外周端部と重なり一体化される重合部位７６が設けられる。なお、第１の実施形態及び第３以降の実施形態においても、樹脂枠部材は、金属プレートよりも肉厚に構成することができる。
【００５８】
このように構成される第２の実施形態では、樹脂枠部材６８には、端部燃料ガス流路溝３４ａｅが形成されるとともに、樹脂枠部材７４には、端部酸化剤ガス流路溝４４ａｅが形成されている。このため、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５９】
図６は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池８０の要部断面説明図である。
【００６０】
燃料電池８０は、電解質膜・電極構造体１２と、前記電解質膜・電極構造体１２を挟持する第１金属セパレータ８２及び第２金属セパレータ８４とを備える。第１金属セパレータ８２は、金属プレート８６と前記金属プレート８６の外周に一体成形された樹脂枠部材８８とを備える。樹脂枠部材８８の内周端部には、金属プレート８６の電解質膜・電極構造体１２側に折れ曲がった外周端部を挟持するように埋設する埋設部位９０が設けられる。
【００６１】
第２金属セパレータ８４は、金属プレート９２と前記金属プレート９２の外周に一体成形された樹脂枠部材９４とを備える。樹脂枠部材９４の内周端部には、金属プレート９２の電解質膜・電極構造体１２側に折れ曲がった外周端部を挟持するように埋設する埋設部位９６が設けられる。
【００６２】
このように構成される第３の実施形態では、樹脂枠部材８８には、端部燃料ガス流路溝３４ａｅが形成されるとともに、樹脂枠部材９４には、端部酸化剤ガス流路溝４４ａｅが形成されている。従って、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６３】
図７は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池１００の要部分解斜視説明図である。
【００６４】
燃料電池１００は、電解質膜・電極構造体１０２と、前記電解質膜・電極構造体１０２を挟持する第１金属セパレータ１０４及び第２金属セパレータ１０６とを備える。電解質膜・電極構造体１０２は、図７及び図８に示すように、固体高分子電解質膜１０８と、前記固体高分子電解質膜１０８を挟持するカソード電極２０及びアノード電極２２とを備える。
【００６５】
固体高分子電解質膜１０８は、カソード電極２０及びアノード電極２２よりも大きな平面寸法に設定され、外周縁部が前記カソード電極２０及び前記アノード電極２２の外周端部から外方に突出する。
【００６６】
図９に示すように、第１金属セパレータ１０４は、金属プレート１１０と前記金属プレート１１０の外周に一体成形された樹脂枠部材１１２とを備える。第１金属セパレータ１０４の電解質膜・電極構造体１０２に向かう面１０４ａには、酸化剤ガス流路４４が形成されるとともに、樹脂枠部材１１２には、前記酸化剤ガス流路４４を構成する端部酸化剤ガス流路溝４４ａｅが設けられる。
【００６７】
樹脂枠部材１１２には、酸化剤ガス流路４４の入口側に複数のエンボス１１４ａを有する入口バッファ部１１４が設けられるとともに、前記酸化剤ガス流路４４の出口側に複数のエンボス１１６ａを有する出口バッファ部１１６が設けられる。
【００６８】
図１０に示すように、第２金属セパレータ１０６は、金属プレート１１８と前記金属プレート１１８の外周に一体成形された樹脂枠部材１２０とを備える。第２金属セパレータ１０６の電解質膜・電極構造体１０２に向かう面１０６ａには、燃料ガス入口連通孔２８ａと燃料ガス出口連通孔２８ｂとを連通する燃料ガス流路３４が形成されるとともに、樹脂枠部材１２０には、前記燃料ガス流路３４を構成する端部燃料ガス流路溝３４ａｅが設けられる。
【００６９】
樹脂枠部材１２０には、燃料ガス流路３４の入口側に複数のエンボス１２２ａを有する入口バッファ部１２２が設けられるとともに、前記燃料ガス流路３４の出口側に複数のエンボス１２４ａを有する出口バッファ部１２４が設けられる。図７に示すように、列に隣接する第１金属セパレータ１０４の面１０４ｂと第２金属セパレータ１０６の面１０６ｂとの間には、冷却媒体流路４６が形成される。
【００７０】
第１金属セパレータ１０４の面１０４ａ、１０４ｂには、この第１金属セパレータ１０４の外周端部を周回して第１シール部材１２６が一体成形される。第２金属セパレータ１０６の面１０６ａ、１０６ｂには、この第２金属セパレータ１０６の外周端部を周回して第２シール部材１２８が一体成形される。
【００７１】
図８に示すように、第１シール部材１２６及び第２シール部材１２８は、互いに固体高分子電解質膜１０８側に突出して前記固体高分子電解質膜１０８を挟持する凸部シール１２６ａ、１２８ａを有する。なお、電解質膜・電極構造体１０２の外周部に樹脂枠部材を設け、前記樹脂枠部材の外周端部を固体高分子電解質膜１０８の外周部まで延在させて、前記外周端部に凸部シール１２６ａ、１２８ａを当接させてもよい。以下に説明する第５及び第６の実施形態でも、同様である。
【００７２】
このように構成される燃料電池１００は、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同様に動作する。その際、第４の実施形態では、図８及び図９に示すように、第１金属セパレータ１０４は、酸化剤ガス流路４４を設けるとともに、前記酸化剤ガス流路４４を構成する酸化剤ガス流路溝４４ａは、カソード電極触媒層２０ｂの外周端部２０ｂｅに対向する端部酸化剤ガス流路溝４４ａｅを有している。そして、端部酸化剤ガス流路溝４４ａｅは、樹脂枠部材１１２に設けられている。
【００７３】
一方、第２金属セパレータ１０６は、図８及び図１０に示すように、燃料ガス流路３４を設けるとともに、前記燃料ガス流路３４を構成する燃料ガス流路溝３４ａは、カソード電極触媒層２０ｂの外周端部２０ｂｅに対向する端部燃料ガス流路溝３４ａｅを有している。そして、端部燃料ガス流路溝３４ａｅは、樹脂枠部材１２０に設けられている。
【００７４】
このため、第１金属セパレータ１０４及び第２金属セパレータ１０６には、アノード電極触媒層２２ｂのみが存在する領域（高電位や電位勾配が発生し易い領域）に亘って樹脂枠部材１１２、１２０が設けられている。従って、簡単且つ経済的な構成で、第１金属セパレータ１０４及び第２金属セパレータ１０６からの金属イオンの溶出を阻止し、固体高分子電解質膜１８の劣化を可及的に抑制することができる等、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。
【００７５】
図１１は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池１４０の要部断面説明図である。なお、第４の実施形態に係る燃料電池１００と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第６の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００７６】
燃料電池１４０は、電解質膜・電極構造体１０２と、前記電解質膜・電極構造体１０２を挟持する第１金属セパレータ１４２及び第２金属セパレータ１４４とを備える。第１金属セパレータ１４２は、金属プレート１４６と前記金属プレート１４６の外周に一体成形された樹脂枠部材１４８とを備える。樹脂枠部材１４８は、所望の樹脂強度を維持するために、金属プレート１４６に比べて肉厚に構成される。樹脂枠部材１４８の内周端部には、金属プレート１４６の外周端部と一体化される重合部位１５０が設けられる。
【００７７】
第２金属セパレータ１４４は、金属プレート１５２と前記金属プレート１５２の外周に一体成形された樹脂枠部材１５４とを備える。樹脂枠部材１５４は、所望の樹脂強度を維持するために、金属プレート１５２に比べて肉厚に構成される。樹脂枠部材１５４の内周端部には、金属プレート１５２の外周端部と重なり一体化される重合部位１５６が設けられる。
【００７８】
このように構成される第５の実施形態では、樹脂枠部材１４８に端部酸化剤ガス流路溝４４ａｅが形成されるとともに、樹脂枠部材１５４に端部燃料ガス流路溝３４ａｅが形成されている。このため、上記の第４の実施形態と同様の効果が得られる。
【００７９】
図１２は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池１６０の要部断面説明図である。
【００８０】
燃料電池１６０は、電解質膜・電極構造体１０２と、前記電解質膜・電極構造体１０２を挟持する第１金属セパレータ１６２及び第２金属セパレータ１６４とを備える。第１金属セパレータ１６２は、金属プレート１６６と前記金属プレート１６６の外周に一体成形された樹脂枠部材１６８とを備える。樹脂枠部材１６８の内周端部には、金属プレート１６６の電解質膜・電極構造体１０２側に折れ曲がった外周端部を挟持するように埋設する埋設部位１７０が設けられる。
【００８１】
第２金属セパレータ１６４は、金属プレート１７２と前記金属プレート１７２の外周に一体成形された樹脂枠部材１７４とを備える。樹脂枠部材１７４の内周端部には、金属プレート１７２の電解質膜・電極構造体１０２側に折れ曲がった外周端部を挟持するように埋設する埋設部位１７６が設けられる。
【００８２】
このように構成される第６の実施形態では、樹脂枠部材１６８に端部酸化剤ガス流路溝４４ａｅが形成されるとともに、樹脂枠部材１７４に端部燃料ガス流路溝３４ａｅが形成されている。このため、上記の第４及び第５の実施形態と同様の効果が得られる。
【００８３】
図１３は、本発明の第７の実施形態に係る燃料電池１８０の要部分解斜視説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００８４】
燃料電池１８０は、電解質膜・電極構造体１２と、前記電解質膜・電極構造体１２を挟持する第１金属セパレータ１８２及び第２金属セパレータ１８４とを備える。図１４に示すように、第１金属セパレータ１８２は、金属プレート１８６を備える。金属プレート１８６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１８６ａには、前記面１８６ａの外周縁部を覆って樹脂枠部材１８８ａが一体成形される。樹脂枠部材１８８ａには、端部燃料ガス流路溝３４ａｅが設けられる。
【００８５】
金属プレート１８６の冷却媒体流路４６側の面１８６ｂには、前記面１８６ｂの外周縁部を覆って樹脂枠部材１８８ｂが一体成形される。なお、樹脂枠部材１８８ｂは、設けなくてもよい。金属プレート１８６の凸部側の面１８６ａｅ、１８６ｂｅには、必要に応じて、金のコーティング又は導電性を有する耐食性コーティングによる被膜１９０を設けることが好ましい。
【００８６】
第２金属セパレータ１８４は、金属プレート１９２を備える。金属プレート１９２の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１９２ａには、前記面１９２ａの外周縁部を覆って樹脂枠部材１９４ａが一体成形される。樹脂枠部材１９４ａには、端部酸化剤ガス流路溝４４ａｅが設けられる。
【００８７】
金属プレート１９２の冷却媒体流路４６側の面１９２ｂには、前記面１９２ｂの外周縁部を覆って樹脂枠部材１９４ｂが一体成形される。なお、樹脂枠部材１９４ｂは、設けなくてもよい。金属プレート１９２の凸部側の面１９２ａｅ、１９２ｂｅには、必要に応じて、金のコーティング又は導電性を有する耐食性コーティングによる被膜１９０を設けることが好ましい。
【００８８】
このように構成される第７の実施形態では、第１金属セパレータ１８２は、金属プレート１８６のセパレータ外周まで伸びている両方の面１８６ａ、１８６ｂに樹脂枠部材１８８ａ、１８８ｂが一体成形されている。このため、第１金属セパレータ１８２全体としての強度が一層向上するという効果が得られる。なお、第２金属セパレータ１８４においても、上記の第１金属セパレータ１８２と同様の効果が得られる。
【００８９】
図１５は、本発明の第８の実施形態に係る燃料電池２００の要部断面説明図である。なお、第７の実施形態に係る燃料電池１８０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００９０】
燃料電池２００は、電解質膜・電極構造体１２と、前記電解質膜・電極構造体１２を挟持する第１金属セパレータ２０２及び第２金属セパレータ２０４とを備える。第１金属セパレータ２０２は、金属プレート２０６を備える。金属プレート２０６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面２０６ａ及び反対の面２０６ｂには、予め樹脂枠部材２０８ａ、２０８ｂを構成する樹脂材が一体成形される。その後、金属プレート２０６の凸部側の面２０６ａｅ、２０６ｂｅから樹脂材が除去されることにより、樹脂枠部材２０８ａ、２０８ｂが形成される。面２０６ａｅ、２０６ｂｅには、必要に応じて導電性と耐食性とを有する被膜１９０が設けられる。樹脂枠部材２０８ａには、端部燃料ガス流路溝３４ａｅが設けられる。
【００９１】
第２金属セパレータ２０４は、金属プレート２１０を備える。金属プレート２１０の電解質膜・電極構造体１２に向かう面２１０ａ及び反対の面２１０ｂには、予め樹脂枠部材２１２ａ、２１２ｂを構成する樹脂材が一体成形される。そお後、金属プレート２１０の凸部側の面２１０ａｅ、２１０ｂｅから樹脂材が除去されることにより、樹脂枠部材２１２ａ、２１２ｂが形成される。面２１０ａｅ、２１０ｂｅには、必要に応じて導電性と耐食性とを有する被膜１９０が設けられる。樹脂枠部材２１２ａには、端部酸化剤ガス流路溝４４ａｅが設けられる。
【００９２】
このように構成される第８の実施形態では、上記の第７の実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００９３】
１０、６０、８０、１００、１４０、１６０、１８０、２００…燃料電池
１２、１０２…電解質膜・電極構造体
１４、１６、６２、６４、８２、８４、１０４、１０６、１４２、１４４、１６２、１６４、１８２、１８４、２０２、２０４…金属セパレータ
１８、１０８…固体高分子電解質膜    ２０…カソード電極
２０ａ…カソード側ガス拡散層        ２０ｂ…カソード電極触媒層
２２…アノード電極                  ２２ａ…アノード側ガス拡散層
２２ｂ…アノード電極触媒層          ２４ａ…酸化剤ガス入口連通孔
２４ｂ…酸化剤ガス出口連通孔        ２６ａ…冷却媒体入口連通孔
２６ｂ…冷却媒体出口連通孔          ２８ａ…燃料ガス入口連通孔
２８ｂ…燃料ガス出口連通孔
３０、４０、６６、７２、８６、９２、１１０、１１８、１４６、１５２、１６６、１７２、１８６、１９２、２０６、２１０…金属プレート
３２、４２、６８、７４、８８、９４、１１２、１２０、１４８、１５４、１６８、１７４、１８８ａ、１８８ｂ、１９４ａ、１９４ｂ、２０８ａ、２０８ｂ、２１２ａ、２１２ｂ…樹脂枠部材
３４…燃料ガス流路                  ３４ａ…燃料ガス流路溝
３４ａｅ…端部燃料ガス流路溝        ３６ａ、４５ａ…凸部
３６ｂ、４５ｂ…凹部                ４４…酸化剤ガス流路
４４ａ…酸化剤ガス流路溝            ４４ａｅ…端部酸化剤ガス流路溝
４６…冷却媒体流路
４８、５０、１２６、１２８…シール部材
７０、７６、１５０、１５６…重合部位
９０、９６、１７０、１７６…埋設部位
１１４、１２２…入口バッファ部      １１６、１２４…出口バッファ部
１９０…被膜
【図１】
2014056817.tif 000003
【図２】
2014056817.tif 000004
【図３】
2014056817.tif 000005
【図４】
2014056817.tif 000006
【図５】
2014056817.tif 000007
【図６】
2014056817.tif 000008
【図７】
2014056817.tif 000009
【図８】
2014056817.tif 000010
【図９】
2014056817.tif 000011
【図１０】
2014056817.tif 000012
【図１１】
2014056817.tif 000013
【図１２】
2014056817.tif 000014
【図１３】
2014056817.tif 000015
【図１４】
2014056817.tif 000016
【図１５】
2014056817.tif 000017