(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、
電解質膜の外周部に配置したフレームと、
膜電極接合体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、
電極層が、中間層であるカーボン多孔体と、電極表面層である金属多孔体を備え、
両電極層の金属多孔体の端部が、フレームの表面に延出しており、
両電極層のカーボン多孔体の端部が、互いに内外方向にオフセットしてあると共に、対極側の金属多孔体の端部よりも内側に配置してあることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記金属多孔体の曲げ弾性率が、フレームの曲げ弾性率よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記フレームの外周部とセパレータの外周部との間にシール材が介装してあり、
前記金属多孔体の端部が、シール材の位置に達していることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記金属多孔体の外周部が、セパレータの内面側に設けた凸部により固定してあ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】
前記金属多孔体の外周部が、フレームに接合してあ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、固体高分子電解質膜を支持する第１及び第２の支持部材を備えると共に、一方の支持部材が、他方の支持部材に比べて面方向の内側に長く延びている。そして、燃料電池は、長く延びている支持部材と、その反対側の電極の縁端とが、固体高分子電解質膜を介して重なるように構成されている。
【０００３】
上記燃料電池は、固体高分子電解質膜を支持部材により補強すると共に、アノード電極側及びカソード電極側からの加圧のいずれに対しても、固体高分子電解質膜に対する剪断応力の発生を防止するものとなっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１７１７８３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、上記したように、電解質膜の両面側に支持部材を備えた構造を有する燃料電池では、電極と支持部材との隙間に、電解質膜の露出部分が生じる。これに対して、従来の燃料電池にあっては、支持部材により電解質膜を補強してはいるものの、カソード側とアノード側との間の差圧により支持部材が変形すると、上記した電解質膜の露出部分に曲げや剪断の応力が集中することが避けられず、これにより電解質膜を破損するおそれがあるという問題点があり、このような問題点を解決することが課題であった。
【０００６】
本発明は、上記従来の課題に着目して成されたもので、外周部にフレームを有する膜電極接合体を備えた燃料電池であって、カソード側とアノード側との間に差圧が生じても、電解質膜に加わる応力を緩和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】
【０００７】
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、電解質膜の外周部に配置したフレームと、膜電極接合体との間にガス流路を区画形成するセパレータを備えている。また、燃料電池は、電極層が、中間層であるカーボン多孔体と、電極表面層である金属多孔体を備えている。そして、燃料電池は、両電極層の金属多孔体の端部が、フレームの表面に延出しており、両電極層のカーボン多孔体の端部が、互いに内外方向にオフセットしてあると共に、対極側の金属多孔体の端部よりも内側に配置してある構成としており、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】
【０００８】
本発明の燃料電池によれば、外周部にフレームを有する膜電極接合体を備えた燃料電池において、カソード側とアノード側との間に差圧が生じても、電解質膜に加わる応力を緩和することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【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（Ａ）、及びフレーム及び金属多孔体の曲げ剛性を示すグラフ（Ｂ）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。
【図５】本発明の燃料電池のさらに他の実施形態を説明する要部の断面図である。
【図６】本発明の燃料電池のさらに他の実施形態を説明する要部の断面図である。
【図７】本発明の燃料電池のさらに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】
【００１０】
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Ｍ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。なお、図１は、図２中のＡ−Ａ線に基づく断面図である。
【００１１】
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、中間層であり且つガス拡散層として機能する第１カーボン多孔体２２，３２及び第２カーボン多孔体２３，３３と、電極表面層である金属多孔体２４，３４を夫々備えている。
【００１２】
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、電解質膜１の外周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の外周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。
【００１３】
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。
【００１４】
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２４，３４を省略している。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
さらに、燃料電池ＦＣは、とくに図１に示すように、カソード層２及びアノード層３の各金属多孔体２４，３４の端部（外周端部）が、フレーム４の表面に延出している。また、燃料電池ＦＣは、カソード層２及びアノード層３の第１カーボン多孔体２２，３２の端部が、互いに内外方向（面内方向における内外方向）にオフセットしてあると共に、対極側の金属多孔体２４，３４の端部よりも内側に配置してある。また、図示例の燃料電池ＦＣでは、第２カーボン多孔体２３，３３の端部がフレーム４に接触しており、これにより、第１カーボン多孔体２２，２３とフレーム４との隙間を塞いでいる。
【００１８】
図１においては、上側のカソード層２を構成する第１カーボン多孔体２２の端部に対して、下側のアノード層３を構成する第１カーボン多孔体３２の端部が、外側（図中で右側）にオフセットされている。また、各第１カーボン多孔体２２，３２の端部が、図中の点線矢印で示すように、対極側の金属多孔体２４，３４の端部よりも内側（図中で左側）に配置してある。つまり、燃料電池ＦＣは、各第１カーボン多孔体２２，３２の端部に対し、その対極側には必ず金属多孔体２４，３４が存在するように構成されている。
【００１９】
第１及び第２のカーボン多孔体２２，２３，３２，３３は、例えば、カーボンクロスやカーボンペーパなどのカーボン材料に加え、金属多孔体にカーボン粒子を塗布したものや、カーボン粒子をシート状に形成したものであり、厚さ方向及び面内方向のガス透過性を有している。
【００２０】
各金属多孔体２４，３４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２４，３４は、少なくとも厚さ方向のガス透過性を有しており、材質自体や適宜の成形により面内方向のガス透過性も得ることが可能である。
【００２１】
また、金属多孔体２４，３４は、図１（Ｂ）に示すように、曲げ弾性率（曲げ剛性）が、フレーム４の曲げ弾性率（曲げ剛性）よりも大きいものとなっている。この金属多孔体２４，３４は、先述の如く端部がフレーム４の表面に延出しているが、この延出部分はフレーム４に接合しなくても良い。
【００２２】
上記の燃料電池ＦＣは、各電極層（２，３）とフレーム４との隙間に、電解質膜１及び触媒層２１，３１の積層膜が存在するが、第１及び第２カーボン多孔体２２，２３，３２，３３の端部、及び両金属多孔体２４，３４の端部を上記した配置にしているので、前記積層膜の直接的な露出を防ぐと共に、金属多孔体２４，３４の剛性を利用して電解質膜１にかかる応力を緩和することができる。
【００２３】
これにより、上記の燃料電池ＦＣは、運転状況などによりカソード側とアノード側との間に差圧が生じても、フレーム４の変形が抑制され、各電極層（２，３）とフレーム４との隙間における電解質膜１の応力集中を回避することができ、電解質膜１の破損を未然に防止すると共に、耐久性の向上などを実現することができる。
【００２４】
また、上記の燃料電池ＦＣは、フレーム４よりも曲げ弾性率（曲げ剛性）が大きい金属多孔体２４，３４を採用しているので、フレーム４若しくはフレーム４及び第１及び第２のカーボン多孔体２２，２３，３２，３３の剛性を、金属多孔体２４，３４の剛性で補完したものとなる。これにより、フレーム４及びガス拡散層（２２，２３，３２，３３）、並びに電池全体の薄型化を図ることができる。
【００２５】
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、上記した電解質膜１の応力緩和や耐久性の向上に伴って、信頼性を高めることができる。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。
【００２６】
図４〜図７は、本発明に係る燃料電池の他の実施形態を説明する図である。なお、以下の各実施形態において、図１に示す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。なお、図４〜図７は、いずれも図１中のＡ−Ａ線に基づく断面図である。
【００２７】
図４に示す燃料電池ＦＣは、先の実施形態と同様に、フレーム４の外周部と各セパレータ５の外周部との間にシール材６が介装してあり、金属多孔体２４，３４の端部が、シール材６の位置に達している構成である。
【００２８】
上記の燃料電池ＦＣにあっても、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うえに、フレーム４の表面のほぼ全域に重なる金属多孔体２４，３４により、フレーム４の剛性がより充分に補完されたものとなる。これにより、燃料電池ＦＣは、カソード側とアノード側との間に差圧が生じても、フレーム４の変形が抑制され、各電極層（２，３）とフレーム４との隙間における電解質膜１の応力集中をより確実に回避することができ、電解質膜１の破損防止や耐久性のさらなる向上などを実現する。
【００２９】
図５に示す燃料電池ＦＣは、金属多孔体２４，３４の外周部が、セパレータ５の内面側に設けた凸部５Ａにより固定してある。セパレータ５は、膜電極接合体Ｍとの間にガス流路Ｇを形成し、且つガス流路Ｇの厚さ（高さ）を維持するために、断面凹凸形状に成形してあり、内面側の凸部５Ａを膜電極接合体Ｍに当接させる。そこで、図示の燃料電池ＦＣでは、セパレータ５において、シール材６の内側にも凸部（リブ）５Ａを形成し、この凸部５を金属多孔体２４，３４に圧接させて、同金属多孔体２４，３４を固定している。
【００３０】
上記の燃料電池ＦＣにあっても、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うえに、フレーム４の表面に重なる金属多孔体２４，３４の剛性を高めることができる。これにより、燃料電池ＦＣは、フレーム４の剛性をより充分に補完して、カソード側とアノード側との間の差圧を起因とするフレーム４の変形を抑制すると共に、電解質膜１の応力集中を回避し、電解質膜１の破損防止、及び耐久性のさらなる向上などを実現する。
【００３１】
図６に示す燃料電池ＦＣは、金属多孔体２４，３４の外周部が、フレーム４に接合してある。図示例の燃料電池ＦＣでは、接着層７により、金属多孔体２４，３４とフレーム４とを接合している。なお、接着以外の接合手段を採用することも当然可能である。
【００３２】
上記の燃料電池ＦＣにあっても、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うえに、フレーム４の表面に重なる金属多孔体２４，３４の剛性を高めることができる。これにより燃料電池ＦＣは、フレーム４の剛性をより充分に補完して、カソード側とアノード側との間の差圧を起因とするフレーム４の変形を抑制すると共に、電解質膜１の応力集中を回避し、電解質膜１の破損防止、及び耐久性のさらなる向上などを実現する。また、燃料電池ＦＣは、金属多孔体２４，３４とフレーム４とが一体化されるので、組付け性が向上し、生産性の向上や低コスト化に貢献することができる。
【００３３】
図７に示す燃料電池ＦＣは、金属多孔体２４，３４の外周部すなわちフレーム４の表面に重なる部分が、厚さ方向の立体的形状に成形して、これを立体成形部２４Ａ，３４Ａとしている。図示例の燃料電池ＦＣでは、立体成形部２４Ａ，３４Ａが、断面波形状を成している。このような立体成形部２４Ａ，３４Ａは、プレス加工等により成形することができる。また、外周部の立体的形状（立体成形部）としては、断面波形状のほかに、厚さ方向に突出するリブやドットなどを挙げることができる。
【００３４】
上記の燃料電池ＦＣにあっても、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うえに、外周部の立体的形状により、フレーム４の表面に重なる金属多孔体２４，３４の剛性を高める、いわゆる形状効果を得ることができる。これにより、燃料電池ＦＣは、フレーム４の剛性をより充分に補完して、カソード側とアノード側との間の差圧を起因とするフレーム４の変形を抑制すると共に、電解質膜１の応力集中を回避し、電解質膜１の破損防止、及び耐久性のさらなる向上などを実現する。
【００３５】
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】
【００３６】
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
２２    第１カーボン多孔体
２３    第２カーボン多孔体
２４    金属多孔体
３２    第１カーボン多孔体
３３    第２カーボン多孔体
３４    金属多孔体
【図１】
0005945922.tif 000002
【図２】
0005945922.tif 000003
【図３】
0005945922.tif 000004
【図４】
0005945922.tif 000005
【図５】
0005945922.tif 000006
【図６】
0005945922.tif 000007
【図７】
0005945922.tif 000008