(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を一対の電極層で挟持した構造を有する膜電極接合体と、膜電極接合体の外周部に配置したフレームと、膜電極接合体及びフレームとの間にガス流路を区画形成するセパレータを備えると共に、フレームとセパレータとの間にガス流路の一部であるディフューザ部を形成した燃料電池であって、
電極層の表面に、ガス透過性を有する金属多孔体を備え、
金属多孔体が、外周側に、フレームのディフューザ部の領域を覆う張出部を備えていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
電解質膜を一対の電極層で挟持した構造を有する膜電極接合体と、膜電極接合体の外周部に配置したフレームと、膜電極接合体及びフレームとの間にガス流路を区画形成するセパレータを備えると共に、フレームとセパレータとの間にガス流路の一部であるディフューザ部を形成した燃料電池であって、
電極層の表面に、ガス透過性を有する金属多孔体を備え、
片側の電極層の金属多孔体が、外周側に、フレームのディフューザ部の領域を覆う状態にして同フレームに接合した張出部を備えていることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
前記片側の電極層が、カソード側及びアノード側のうちのガス圧力が低い側の電極層であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記金属多孔体が、発泡金属、エキスパンドメタル、パンチングメタル、エッチングプレート、金網、金属メッシュ及び金属細線のうちの少なくとも一つから成ることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記金属多孔体が、厚さ方向及び面内方向のガス透過性を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池を複数枚積層して成ることを特徴とする燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）などの燃料電池の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の燃料電池としては、例えば、特許文献１に記載されているものがある。特許文献１に記載の燃料電池は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane  Electrode Assembly)と、膜電極接合体を挟む二枚のセパレータを備えている。膜電極接合体は、電解質膜を燃料極と空気極とで挟持し、その両面に、第１及び第２のガス拡散層を夫々備えている。
【０００３】
そして、上記の燃料電池は、ガス拡散層の外側に、膜電極接合体の端部を延出させると共に、ガス拡散層の外側において、両セパレータに設けた弾性ガスケットで膜電極接合体の端部の挟み込むことにより、膜電極接合体の変形やガス拡散層のずれを防止するものである。この特許文献１には、膜電極接合体の外周部に、補強フレームを一体で設けてもよいことが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１０８８５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記したような燃料電池では、膜電極接合体と膜電極接合体に反応用ガスを供給するマニホールドとの間には、反応用ガスを整流するための一定面積のディフューザ部が不可欠である。ディフューザ部は、膜電極接合体の外周部に形成されるフレームによって構成される。
【０００６】
その一方で、この種の燃料電池では、燃料電池の運転状況等によりカソード側とアノード側との間でガスの差圧が発生し、上記のディフューザ部を形成するフレームが差圧の影響を受けやすい。つまり、ディフューザ部を有する燃料電池では、上記の差圧により、比較的梁長が大きくなるディフューザ部において、フレームが厚さ方向に変形し、これにより片側のガス流路の断面積が減少して反応用ガスの圧力損失が大きくなる、また差圧変動により、繰り返し応力を受け、フレームが厚さ方向に変形し、これにより片側のガス流路の断面積が減少して反応用ガスの圧力損失が大きくなるという問題点があった。
【０００７】
また、近年では、燃料電池の小型・高性能化を実現する対策の一つとして、薄型化の研究開発が進められており、これに伴って、フレームの薄型化を図る場合に上記の差圧を起因とする問題点がより顕著になる。
【０００８】
本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたもので、外周部にフレームを有する膜電極接合体と、フレーム及び膜電極接合体を挟持する二枚のセパレータを備えると共に、フレームとセパレータとの間にディフューザ部を形成した燃料電池において、カソード側とアノード側とのガスの差圧によるフレームの変形を抑制することができる燃料電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る燃料電池は、電解質膜を一対の電極層で挟持した構造を有する膜電極接合体と、膜電極接合体の外周部に配置したフレームと、膜電極接合体及びフレームとの間にガス流路を区画形成するセパレータを備えると共に、フレームとセパレータとの間にガス流路の一部であるディフューザ部を形成している。そして、燃料電池は、電極層の表面に、ガス透過性を有する金属多孔体を備えると共に、金属多孔体が、外周側に、フレームのディフューザ部の領域を覆う張出部を備えている構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、外周部にフレームを有する膜電極接合体と、フレーム及び膜電極接合体を挟持する二枚のセパレータを備えると共に、フレームとセパレータとの間にディフューザ部を形成した燃料電池において、カソード側とアノード側とのガスの差圧によるフレームの変形を抑制することができる。これにより、ガス流路の断面積を充分に確保して、反応用ガスの圧力損失を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の燃料電池の一実施形態を説明する要部の断面図である。
【図２】図１に示す燃料電池の全体の平面図である。
【図３】図２に示す燃料電池を分解状態にした平面図である。
【図４】本発明の燃料電池の他の実施形態を説明する要部の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面に基づいて、本発明に係る燃料電池の一実施形態を説明する。
図１〜図３に示す燃料電池ＦＣは、電解質膜１を一対の電極層（２，３）で挟持した構造を有する膜電極接合体Ｍと、電解質膜１の外周部に配置したフレーム４と、膜電極接合体Ｍ及びフレーム４との間にガス流路Ｇを区画形成するセパレータ５，５を備えている。
【００１３】
膜電極接合体Ｍは、いわゆるＭＥＡ（Membrane  Electrode Assembly)であって、固体高分子から成る電解質膜１を一対の電極層であるカソード層２及びアノード層３で挟んだものである。カソード層２及びアノード層３は、図１に示すように、電解質膜１側から、触媒層２１，３１と、ガス拡散層として機能する多孔層２２，３２及び金属多孔体２３，３３を夫々備えている。また、多孔層２２，３２は複数層からなってもよい。
【００１４】
フレーム４は、膜電極接合体Ｍを支持すると共に、ガスケットとしても機能する樹脂製の部材であり、材料の一例としてポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）が挙げられる。このフレーム４は、図３に示すように平面矩形状を成すと共に、膜電極複合体Ｍの外縁部に一体化してある。この実施形態のフレーム４は、図１に示す如く、電解質膜１の外縁部を一対のシート状の素材で挟むと共に、素材同士を接着層４Ａで貼り合わせたものである。、
【００１５】
また、フレーム４は、図３中で左側となる一方の短辺側に、カソードガス（酸素含有ガス）、冷却液及びアノードガス（水素含有ガス）の供給孔Ｈ１〜Ｈ３を有し、他方の短辺側に、これら流体の排出孔Ｈ４〜Ｈ６を有している。なお、供給及び排出の位置関係は適宜変更することができる。
【００１６】
セパレータ５は、集電体を兼用するものであり、図３に示すように、フレーム４とほぼ同等の縦横寸法を有する平面矩形状を成すと共に、ステンレス等の金属板をプレス成形したものである。セパレータ５は、中央部分の内面に、長辺方向に沿う複数の突条を互いに平行に有し、これにより、膜電極接合体Ｍとの間にガス流路Ｇを形成する。また、セパレータ５は、両短辺側に、フレーム４と同様の供給孔Ｈ１〜Ｈ３及び排出孔Ｈ４〜Ｈ６が形成してある。なお、図３では、金属多孔体２３，３３を省略している。
【００１７】
上記の膜電極接合体Ｍ及びフレーム４、並びに両セパレータ５，５は、互いに重ね合わせて燃料電池ＦＣを構成する。このとき、燃料電池ＦＣは、とくに図２に示すように、中央に、膜電極接合体Ｍの領域である発電部Ｇを備えている。そして、燃料電池ＦＣは、発電部Ｇの両側に、反応用ガスの供給孔Ｈ１〜Ｈ３及び排出孔Ｈ４〜Ｈ６を夫々配置したマニホールド部Ｈを備えると共に、各マニホールド部Ｈから発電部Ｇに至る間に、反応用ガスの整流を行うディフューザ部Ｄを備えている。すなわち、燃料電池ＦＣは、フレーム４とセパレータ５，５との間に、ガス流路Ｇの一部であるディフューザ部Ｄを形成した構成になっている。
【００１８】
ここで、セパレータ５は、ディフューザ部Ｄに対応する領域に、多数の凸部５Ａが縦横に配列してある。これらの凸部５Ａは、当該燃料電池ＦＣに厚さ方向の負荷が加わった際に、フレーム４に当接してガス流路Ｇの閉塞を防止するものである。
【００１９】
さらに、燃料電池ＦＣは、フレーム４と各セパレータ５，５の縁部同士の間や、供給孔Ｈ１〜Ｈ３及び排出孔Ｈ４〜Ｈ６の周囲に、シール材６が設けてある。また、燃料電池ＦＣを複数枚を積層した状態では、電池同士すなわち隣接するセパレータ５同士の間にもシール材６を設ける。  上記のシール材６は、個々の層間において、カソードガス、アノードガス及び冷却流体の夫々の流通域を気密的に分離すると共に、その層間に所定の流体が流れるように、供給孔Ｈ１〜Ｈ３及び排出孔Ｈ４〜Ｈ６の周縁部の適当な箇所に開口を設ける。
【００２０】
上記の燃料電池ＦＣは、先に述べたように、電極層であるカソード層２及びアノード層３の表面に、ガス透過性を有してガス拡散層として機能する金属多孔体２３，３３を備えている。そして、燃料電池ＦＣは、金属多孔体２３，３３が、その外周側に、フレーム４のディフューザ部Ｄの領域を覆う張出部２３Ａ，３３Ａを備えている。
【００２１】
この実施形態の場合、金属多孔体２３，３３の張出部２３Ａ，３３Ａは、フレーム４を覆っていれば良いのであって、フレーム４に接合する必要はない。当然、接合により一体構造としても同様の効果を発揮することは言うまでもない。また、この実施形態では、前記張出部２３Ａ，３３Ａと、セパレータ５の凸部５Ａとが互いに当接した構造になっている。この張出部２３Ａ，３３Ａ及び凸部５Ａにあっても、互いに接合する必要はなく、単に当接していれば構わない。また、張出部２３Ａ，３３Ａと、セパレータ５の凸部５Ａとが互いに接していなくても構わない。この場合、差圧でフレーム４が変形した際に接するようにしても構わない。
【００２２】
上記の金属多孔体２３，３３は、発泡金属、エキスパンドメタル、パンチングメタル、エッチングプレート、精密プレス加工プレート、金網、金属メッシュ及び金属細線焼結体うちの少なくとも一つから成るものである。すなわち、金属多孔体２３，３３は、少なくとも厚さ方向のガス透過性を有している。
【００２３】
また、金属多孔体２３，３３は、より望ましくは、厚さ方向のガス透過性だけでなく、面内方向のガス透過性をも有するものとする。この際、金属多孔体２３，３３は、例えば発泡金属、金網及び金属細線焼結体等のように、それ自体で面内方向のガス透過性を有するものでも良いし、厚さ方向に立体化する加工を施して面内方向のガス透過性を確保したものでも良い。例えば、平坦なパンチングメタルを断面波形状に加工することで、面内方向のガス透過性を確保することができる。
【００２４】
上記構成を備えた燃料電池ＦＣは、カソード層２及びアノード層３の表面に金属多孔体２３，３３を備えているので、この金属多孔体２３，３３が、差圧入力や定常入力荷重を受け持つこととなり、フレーム４への応力が緩和される。
【００２５】
また、この種の燃料電池では、運転状況等によりカソード側とアノード側との間でガスの差圧サイクルが発生し、一般的に梁長が大きくなる部分、すなわちディフューザ部Ｄにおけるフレーム４が差圧入力等の影響を受け易い。これに対して、燃料電池ＦＣは、上記の差圧サイクルが発生しても、前記金属多孔体２３，３３により、フレーム４への応力を緩和して、同フレーム４の変形を抑制することができる。これにより、燃料電池ＦＣでは、ガス流路Ｇの断面積を充分に確保して、反応用ガスの圧力損失の増加を防ぐことができる。
【００２６】
さらに、燃料電池ＦＣは、上述の如くフレーム４への応力が緩和されるので、フレーム４の耐久性が向上すると共に、フレーム４を薄くしても、同フレーム４による膜電極接合体Ｍの支持機能を充分に維持することができ、全体の薄型化も実現し得るものとなる。
【００２７】
さらに、燃料電池ＦＣは、複数枚を積層して燃料電池スタックを構成する。この燃料電池スタックは、上記したフレーム４の変形抑制及びガス流路Ｇの断面積確保に伴って、高効率の発電を維持することができる。さらに、燃料電池スタックは、上記した燃料電池ＦＣの薄型化に伴って、小型軽量化を実現することができる。このような燃料電池スタックは、自動車等の車両に搭載する電源として非常に好適なものとなる。
【００２８】
さらに、この実施形態の燃料電池ＦＣは、セパレータ５の凸部５Ａと、金属多孔体２３，３３の張出部２３Ａ，３３Ａとが互いに当接した構造であるから、張出部２３Ａ，３３Ａ及びフレーム４の厚さ方向の変位が抑制され、差圧サイクルによるフレーム４の変形抑制機能がより一層高いものとなる。
【００２９】
さらに、燃料電池ＦＣは、金属多孔体２３，３３が、発泡金属、エキスパンドメタル、パンチングメタル、エッチングプレート、精密プレス加工プレート、金網、金属メッシュ及び金属細線焼結体うちの少なくとも一つから成るものとしたので、簡単な構成により、フレーム４への応力を緩和する機能を高めることができる。
【００３０】
さらに、燃料電池ＦＣは、前記金属多孔体２３，３３が、厚さ方向及び面内方向のガス透過性を有するものであるから、ディフューザ部Ｄにおける実質的なガス透過面積が増加することとなり、これにより反応用ガスの圧力損失のさらなる低減を実現し得る。
【００３１】
図４は、本発明の燃料電池の他の実施形態を説明する図である。なお、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００３２】
図示の燃料電池ＦＣは、膜電極接合体Ｍと、その外周部に配置したフレーム４と、膜電極接合体Ｍ及びフレーム４との間にガス流路Ｇを区画形成するセパレータ５を備えている。前記フレーム４とセパレータ５との間には、ガス流路Ｇの一部であるディフューザ部Ｄが形成してある。
【００３３】
また、燃料電池ＦＣは、電極層（２，３）の表面に、ガス透過性を有する多孔層２２，３２及び金属多孔体２３，３３を備え、片側の電極層（２）の金属多孔体２３が、外周側に、フレーム４のディフューザ部Ｄの領域を覆う状態にして同フレーム４に接合した張出部２３Ａを備えている。図示例の燃料電池ＦＣは、カソード層２の表面を形成する金属多孔体２３に、張出部２３Ａが設けてある。
【００３４】
つまり、先の実施形態では、カソード層２及びアノード層３の各金属多孔体（２３，３３）の張出部（２３Ａ，３３Ａ）が、フレーム４のディフューザ部Ｄの領域を覆った構成である。これに対して、この実施形態では、カソード層２における金属多孔体２３の張出部２３Ａが、フレーム４のディフューザ部Ｄの領域を覆うだけではなく、同フレーム４に接合した構成である。
【００３５】
ここで、上記の燃料電池ＦＣは、先述したように燃料電池スタックを構成する。この燃料電池スタックは、所定の燃料電池システムにより運転される。燃料電池システムには、アノードガスの流通を供給側から排出側へ一方向にしたアノードデッドエンドシステムと呼ばれるものがある。このような燃料電池システムでは、アノードガスの供給や生成水の排出を効率的に行うために、アノードガスの供給圧力を脈動させる。このとき、カソードガスの圧力はほぼ一定であると共に、アノードガスの上限・下限圧力をカソードガスの圧力よりも大きく設計することができる。
【００３６】
このような燃料電池システムにおいて、燃料電池ＦＣには、カソード側とアノード側との間に差圧が繰り返し発生し、このような差圧サイクルにより、とくに梁長が大きくなる部分、すなわちディフューザ部Ｄの領域に対応するフレーム４が繰り返し変形する。
【００３７】
そこで、この実施形態の燃料電池ＦＣでは、片側の電極層（２）の金属多孔体２３に張出部２３Ａを設け、この張出部２３Ａとフレーム４とを接合することで、張出部２３Ａによりフレーム４の変形を抑制する。これにより、燃料電池ＦＣは、先の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができる。
【００３８】
上記の燃料電池ＦＣは、張出部２３Ａとフレーム４とを接合することから、片側の電極層に張出部２３Ａを設けておけば、フレーム４の変形を抑制する一定の効果を得ることができる。ただし、燃料電池ＦＣは、カソード側及びアノード側のうちのガス圧力が低い側の電極層（２）において、その金属多孔体（２３）に張出部（２３Ａ）を設けた構成にすることがより望ましい。
【００３９】
これは、ガス圧力が高い側の電極層に張出部を設けた場合，構造上では、フレーム４とセパレータ突条部５Aが当接し、フレーム４の特性に依存して、クリープ変形することになる。これに対して、ガス圧力が低い側の電極層に張出部を設ければ、金属多孔体の特性に依存してクリープ変形が発生することになるため、フレーム４及び張出部の低圧力側への変位を緩和することができる。つまり、構造的に変位を阻止し得るものとなる。
【００４０】
そこで、燃料電池ＦＣは、より望ましい実施形態として、ガス圧力が低い側の電極層に張出部を設けており、上記した燃料電池システムに適用する場合には、ガス圧力が低い側の電極層であるカソード層２の金属多孔体２３に張出部２３Ａを設ける。これにより、上記の燃料電池ＦＣは、カソード側とアノード側とのガスの差圧によるフレーム４の変形をより確実に防ぐことができ、先の実施形態と同様に、耐久性や発電機能の向上、電池全体の薄型化を実現すると共に、燃料電池スタックの小型軽量化等に貢献する。
【００４１】
本発明に係る燃料電池は、その構成が上記各実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、燃料電池全体の形状や、各部品の形状及び材料などを含めて構成の細部を適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００４２】
Ｄ      ディフューザ部
ＦＣ    燃料電池
Ｇ      ガス流路
Ｍ      膜電極接合体
１      電解質膜
２      カソード層（電極層）
３      アノード層（電極層）
４      フレーム
５      セパレータ
２３    金属多孔体
２３Ａ  張出部
３３    金属多孔体
３３Ａ  張出部
【図１】
0005954528.tif 000002
【図２】
0005954528.tif 000003
【図３】
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【図４】
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