(57)【要約】  電解質膜１を一対の電極層２，３で挟持した膜電極接合体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との間にガス流路Ｇを形成するセパレータ５と、ガス流路Ｇよりも外周側に配置されるシール部材６と、電極層２，３の表面に配置され且つガス透過性を有する金属多孔体２３を備えると共に、金属多孔体２３は、その外周に、電極層２よりも外側に延出する延出部２３Ａを形成し、フレーム４に金属多孔体２３の延出部２３Ａを埋設する埋設部４０を形成し、セパレータ５と埋設部４０との間に、金属多孔体２３の延出部２３Ａを保持する保持手段を備えた燃料電池のセル構造。
2013141192.tif 000002
【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と、
ガス流路よりも外周側に配置するシール部材と、
電極層の表面に配置され且つガス透過性を有する金属多孔体を備えると共に、
前記金属多孔体は、その外周に電極層よりも外側に延出する延出部を形成し、
前記フレームに前記金属多孔体の延出部の少なくとも一部を埋設する埋設部を形成し、
前記セパレータと前記埋設部との間に、前記金属多孔体の延出部を保持する保持手段を備えたことを特徴とする燃料電池のセル構造。
【請求項２】
前記保持手段は、金属多孔体の延出部の厚さ方向の変位を規制する手段であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池のセル構造。
【請求項３】
前記保持手段は、金属多孔体の延出部の面内方向の変位を規制する手段であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池のセル構造。
【請求項４】
前記保持手段は、セパレータの内側面に形成した突条部であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池のセル構造。
【請求項５】
前記保持手段は、前記シール部材であることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の燃料電池のセル構造。
【請求項６】
前記金属多孔体において、延出部の空孔率が、その他の部分の空孔率よりも大きいことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池のセル構造。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池のセル構造を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）などの燃料電池のセル構造の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の燃料電池のセル構造としては、例えば燃料電池の名称で特許文献１に記載されたものがある。特許文献１に記載された燃料電池は、電解質膜をアノード側触媒層とカソード側触媒層とで挟んだ構造を有する膜電極接合体と、膜電極接合体の両面側に配置した夫々複数の通気性層と、膜電極接合体及び両面側の通気性層の外縁に射出成形されたシールガスケットと、これらの多層構造を支持するセパレータを備えている。【０００３】
上記の燃料電池は、通気性層に、カーボンクロスやカーボンペーパから成るガス拡散層が含まれており、このようなガス拡散層に樹脂を含浸させる都合上、射出成形でシールガスケットを形成する。このシールガスケットは、シール機能だけでなく、膜電極接合体を支持するフレームとしても機能する。そして、上記の燃料電池は、一方側の通気性層、膜電極接合体及び他方側の通気性層の外縁部を順に外側にずらせた構成にすることにより、射出成形時における樹脂を含浸を容易にし、反応に寄与しないガスの流れを抑制して発電効率の向上を図ったものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】日本国特開２００９−２１１９２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来の燃料電池には、明記されていないものの、セパレータには反応ガスを流通させるためのガス流路空間を設ける必要がある。また、シールガスケットを樹脂で成形した場合、反応ガスのリークを抑制するために、セパレータに溝を形成して、溝にシール材を配置する必要がある。ここで、アノード側とカソード側との間の差圧や乾湿サイクルに対する耐久性という観点から、ガス流路空間や溝をセパレータに設ける場所については、ガス拡散層との位置関係において改善の余地があった。【０００６】
本発明は、上記従来の課題に着目して成されたもので、アノード側とカソード側との間の差圧や乾湿サイクルに対する耐久性を大幅に高めることができる燃料電池のセル構造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のセル構造は、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と、ガス流路よりも外周側に配置するシール部材と、電極層の表面に配置され且つガス透過性を有する金属多孔体を備えている。前記金属多孔体は、その外周に電極層よりも外側に延出する延出部を形成している。また、前記フレームには、前記金属多孔体の延出部の少なくとも一部を埋設する埋設部を形成している。そして、燃料電池のセル構造は、前記セパレータと前記埋設部との間に、前記金属多孔体の延出部を保持する保持手段を備えた構成としており、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】
本発明の燃料電池のセル構造は、フレームに金属多孔体の延出部の少なくとも一部を埋設する埋設部を形成し、保持手段によって金属多孔体の延出部を保持しているので、フレームと金属多孔体との接合部の曲げ変形が抑制され、接合外側端部における応力入力を緩和する。これにより、燃料電池のセル構造は、アノード側とカソード側との間の差圧や乾湿サイクルに対する耐久性を大幅に高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】燃料電池のセル構造の第１実施形態を説明する単セルの片側省略の断面図である。
【図２】図１に示す単セルを構成するフレーム及び膜電極接合体の平面図（Ａ）及び図Ａ中のＡ−Ａ線に基づく断面図（Ｂ）である。
【図３】単セルの参考例を説明する断面図である。
【図４】燃料電池のセル構造の第２実施形態を説明する単セルの片側省略の断面図である。
【図５】燃料電池のセル構造の第３実施形態を説明する単セルの片側省略の断面図である。
【図６】図５に示す単セルの金属多孔体を示す平面図（Ａ）、金属多孔体及びフレームの一体化前の断面図（Ｂ）及び一体化後の断面図（Ｃ）である。
【図７】単セルの金属多孔体の他の例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
〈第１実施形態〉
以下、図面に基づいて、燃料電池のセル構造の実施形態を説明する。
図１及び図２に示す燃料電池の単セルＦＣは、電解質膜（高分子電解質膜）１を一対の電極層であるカソード層２及びアノード層（図示せず）で挟持した構造を有する膜電極接合体Ｍと、膜電極接合体Ｍの外周に配置したフレーム４と、膜電極接合体Ｍとの間に夫々のガス流路Ｇを区画形成するセパレータ５を備えている。
【００１１】
膜電極接合体Ｍは、いわゆるＭＥＡ（Membrane  Electrode Assembly)であって、この実施形態ではガス拡散層を含むものである。すなわち、膜電極接合体Ｍのカソード層２及びアノード層は、図１に示すように、電解質膜１側から、触媒層２１、ガス拡散層２２、及びガス拡散層として機能する金属多孔体２３を夫々備えている。ガス拡散層２２はそれぞれ複数層から構成されていても構わない。
【００１２】
ここで、図１には、単セルＦＣのカソード層２側のみを示している。実際の単セルＦＣは、参考例である図３に示すように、電解質膜１を中心にして、カソード層２及びアノード層３を備えている。各層２，３は、電解質膜１側から、触媒層２１，３１、ガス拡散層２２，３２、及び金属多孔体２３，３３を夫々備えている。なお、図１で省略したアノード側は、対称的な構成であるが、非対称な構成でも構わない。
【００１３】
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る。このフレーム４は、図２（Ａ）に示すように平面矩形状を成すと共に、平面中央部に膜電極接合体Ｍが露出するように膜電極接合体Ｍの外周に一体成形してある。
【００１４】
また、フレーム４は、図２（Ａ）中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。
【００１５】
セパレータ５は、集電体を兼用するものであって、図示を省略したが、フレーム４に対応した平面矩形状を成すと共に、フレーム４と同様の供給孔及び排出孔が形成してある。このセパレータ５は、膜電極接合体Ｍに重合した状態で先述のガス流路Ｇを形成する。なお、この実施形態の単セルＦＣは、複数枚を積層した際に、各供給孔（Ｈ１〜Ｈ３）および排出孔（Ｈ４〜Ｈ６）が積層方向に連続して夫々の流路を形成し、また、隣接する単セルＦＣとの間（セパレータ５同士の間）に冷却液を流通させる。
【００１６】
上記のセパレータ５とフレーム４との間には、図１に示すシール材６を介装する。すなわち、セパレータ５のガス流路Ｇよりも外周側には溝１６が形成されており、溝１６にシール材６が配置されている。このシール材６は、フレーム４の外周部や、供給孔Ｈ１〜Ｈ３及び排出孔Ｈ４〜Ｈ６の周囲に設けてあり、この際、各孔Ｈ１〜Ｈ６の周囲には、対応する層へのガスの流通を妨げないように開放部分を設けている。
【００１７】
前記カソード層２及びアノード層において、ガス拡散層２２は、例えば、カーボン材料で形成してあり、より望ましい形態として、シート状カーボン材料を用いることができる。
【００１８】
金属多孔体２３は、電極層（カソード層２及びアノード層）の表面に配置され、且つガス透過性を有するもので、先述のとおりガス拡散層としても機能する。この金属多孔体２３には、望ましい形態として、鉄、ステンレス鋼、アルミニウム及びアルミニウム合金、チタン及びチタン合金、クロム及びクロム合金、ニッケル及びニッケル合金、マグネシウム及びマグネシウム合金のうちのいずれか１種類以上の金属を用いることができる。そして、金属多孔体２３は、具体的な形態として、パンチングメタル、エッチングメタル、金網及びエキスパンドメタル等で構成してある。
【００１９】
上記の単セルＦＣにおいて、前記金属多孔体２３は、図１に示すように、が、その外周に、電極層よりも外側、すなわちカソード層２及びアノード層の主体部分よりも外側に延出する延出部２３Ａが形成してある。そして、単セルＦＣにおいて、フレーム４は、金属多孔体２３の延出部２３Ａの少なくとも一部を埋設した埋設部４０を形成している。このとき、金属多孔体２３及びフレーム４は、互いの表面が平滑に連続している。なお、金属多孔体２３とフレーム４は、互いの表面が必ずしも平滑である必要はなく段差があってもよい。
【００２０】
すなわち、単セルＦＣは、先述したようにフレーム４が樹脂製であるから、金属多孔体２３の延出部２３Ａを鋳込むようにフレーム４を射出成形して埋設部４０を形成したり、予め形成したフレーム４と延出部２３Ａとを熱圧着により接合して埋設部４０を形成したりする。これらの手段を適宜選択して、フレーム４と金属多孔体２３とを一体化する。
【００２１】
さらに、単セルＦＣは、セパレータ４と埋設部４０との間に、金属多孔体２３の延出部２３Ａを保持する保持手段を備えている。保持手段は、金属多孔体２３の延出部２３Ａの厚さ方向（図１中で上下方向）の変位を規制する手段、若しくは金属多孔体２３の延出部２３Ａの面内方向（図１中で左右方向）の変位を規制する手段である。
【００２２】
この実施形態における保持手段は、セパレータ５の内側面に形成した突条部５Ａであり、前記延出部２３Ａの埋設部４０及びその両側を含む範囲に相対向し、金属多孔体２３の延出部２３Ａの厚さ方向の変位を規制する。突条部５Ａは、カソード層２やアノード層に対して、一定厚さのガス流路Ｇを維持するもので、ガスの流通方向に応じて適切な箇所に設けてある。この実施形態の単セルＦＣは、いくつか突条部のうちの一つの突条部５Ａを保持手段として利用したものである。
【００２３】
上記構成を備えた燃料電池の単セルＦＣは、金属多孔体２３とフレーム４との接合外側端部２３Ｃへの応力入力を緩和することができる。すなわち、この種の単セルＦＣでは、運転条件などによってカソード側とアノード側との間に不可避的な差圧が生じると共に、膜電極接合体Ｍが膨潤及び乾燥を繰り返す。このため、膜電極接合体Ｍには、差圧や乾湿サイクルによる負荷が加わり、これによりフレーム４との接合部に応力が発生する。
【００２４】
そこで、上記単セルＦＣは、先ず、フレーム４に金属多孔体２３の延出部を２３Ａを埋設して埋設部４０を形成し、この埋設部４０によりフレーム４及び金属多孔体２３を一体化して、金属多孔体２３によってフレーム４を補強した状態にしている。
【００２５】
そして、上記単セルＦＣは、セパレータ５に設けた突条部（保持手段）５Ａにより、膜電極接合体Ｍとフレーム４との接合部、すなわちフレーム４における延出部２３Ａの埋設部４０を押圧して厚さ方向の変位を規制し、接合部の曲げ変形を抑制して、同接合外側端部２３Ｃにおける応力入力を緩和する。これにより、単セルＦＣは、アノード側とカソード側との間の差圧や乾湿サイクルに対する耐久性を大幅に高めることができる。
【００２６】
また、単セルＦＣは、フレーム４と金属多孔体２３とを埋設部４０により一体化し、金属多孔体２３によってフレーム４を補強しているので、フレーム４を薄型化しても、同フレーム４による膜電極接合体Ｍの良好な支持機能を維持することができる。しかも、フレーム４の薄型化は、金属多孔質体２２の下層であるガス拡散層２２の薄型化をも実現可能とする。
【００２７】
さらに、上記の単セルＦＣは、フレーム４の製法や、フレーム４と金属多孔体２３とを一体化する手段を選択することができる。つまり、カーボン材料から成るガス拡散層に対し、樹脂製のフレームを熱圧着することは、実質的に不可能であるから、この場合にはフレーム４を射出成形する以外にない。これに対して、上記の単セルＦＣでは、金属多孔体２３の延出部２３Ａの少なくとも一部を樹脂製フレーム４に埋設して埋設部４０を形成するので、射出成形等の脂成形方法や、熱圧着等の接合手段を採用することができる。これにより、フレーム４の製法や、フレーム４と金属多孔体２３とを一体化する手段の選択の自由度が増すこととなる。
【００２８】
さらに、上記の単セルＦＣは、少なくとも金属多孔体２３の延出部２３Ａをフレーム４に埋設して埋設部４０を形成することで一定の効果が得られるので、各触媒層２１及びガス拡散層２２と、フレーム４とを接合しなくても構わない。このようにしても、フレーム４と延出部２３Ａとの一体化（埋設部４０の形成）により、膜電極接合体Ｍとフレーム４との間のガスシール性を良好に維持することができる。
【００２９】
このように、上記の単セルＦＣは、金属多孔体２３によりフレーム４を補強して、同フレーム４による膜電極構造体Ｍの支持機能を良好に維持することができ、当該単セルＦＣの薄型化を図りつつ耐久性や生産性の向上を実現することができる。
【００３０】
また、上記の単セルＦＣは、複数枚を積層して燃料電池スタックを構成する。このような燃料電池スタックは、単セルＦＣの薄型化に伴って、全体構造の小型軽量化や低コスト化を実現し、自動車等の車両の搭載用電源として非常に好適なものとなる。
【００３１】
〈参考例〉
図３に示す燃料電池の単セルＦＣは、第１実施形態と同等の基本構成を有するもので、電解質膜（高分子電解質膜）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で挟持した構造を有する膜電極接合体Ｍと、膜電極接合体Ｍの外周に配置したフレーム４と、膜電極接合体Ｍとの間に夫々のガス流路Ｇ，Ｇを区画形成するセパレータ５，５を備えている。
【００３２】
膜電極接合体Ｍのカソード層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、ガス拡散層２２，３２、及びガス拡散層として機能する金属多孔体２３，３３を夫々備えている。上記のセパレータ５とフレーム４との間には、シール材６が介装してある。
【００３３】
前記金属多孔体２３，３３は、その外周に、電極層よりも外側に延出する延出部２３Ａ，３３Ａが形成してあり、また、フレーム４は、金属多孔体２３，３３の延出部２３Ａ，３３Ａの少なくとも一部を埋設した埋設部４０を形成したものとなっている。
【００３４】
さらに、上記の単セルＦＣは、セパレータ５の内側面に突条部５Ａを有している。しかしながら、この参考例における突条部５Ａは、フレーム４のみに接触するもので、第１実施形態で説明した保持手段としての機能すなわち延出部２３Ａ，３３Ａを直接保持する機能は有していない。
【００３５】
上記構成を備えた単セルＦＣは、フレーム４に金属多孔体２３，３３の延出部を２３Ａ，３３Ａを埋設して埋設部４０を形成し、この埋設部４０により双方を一体化したので、金属多孔体２３，３３によってフレーム４が補強された状態になる。これにより、単セルＦＣは、フレーム４を薄型化しても、同フレーム４による膜電極接合体Ｍの良好な支持機能を維持することができる。
【００３６】
図４〜図６は、本発明に係る燃料電池のセル構造の第２及び第３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、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。
【００３７】
〈第２実施形態〉
図４に示す燃料電池の単セルＦＣは、先の実施形態のものと同等の基本構成を備えると共に、金属多孔体２３の延出部２３Ａが外側に拡大してあり、フレーム４に、延出部２３Ａの少なくとも一部を埋設する埋設部４０が形成してある。そして、図示の単セルＦＣは、セパレータ５と埋設部４０との間に、前記金属多孔体２３の延出部２３Ａを保持する保持手段を備えている。
【００３８】
この実施形態の保持手段は、金属多孔体２３の延出部２３Ａの厚さ方向の変位を規制する手段であると共に、金属多孔体の延出部の面内方向の変位を規制する手段である。具体的には、保持手段は、セパレータ５側の突条部５Ａであり、延出部２３Ａを押圧して、厚さ方向の変位を規制する。また、保持手段は、セパレータ５の溝１６に配置したシール材６を含む。このシール材６は、保持手段の補助的な役割を有し、延出部２３Ａに接触して、延出部２３Ａの厚さ方向の変位を規制し、また、接着性を有するので、延出部２３Ａの面内方向の変位をも規制する。なお、図４はカソード層２側のみを示す。省略したアノード側は、図１と同様に対称的な構成である。
【００３９】
また、単セルＦＣは、図６（Ａ）に示すように、金属多孔体２３において、延出部２３Ａの空孔率が、その他の部分の空孔率よりも大きい構成になっている。その他の部分とは、膜電極接合体Ｍに重なる部分である。すなわち、図示の金属多孔体２３は、その外周部である延出部２３Ａに、ほぼ全周にわたって複数のスリット２３Ｂが配列してあり、これらのスリット２３Ｂにより延出部２３Ａの空孔率を大きくしている。なお、スリットだけでなく、適宜形状の孔なども採用できる。また、金属多孔体２３において、延出部２３Ａの空孔率が、その他の部分の空孔率と同じでも構わない。
【００４０】
上記の単セルＦＣは、図６（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、金属多孔体２３の延出部２３Ａを樹脂製フレーム４に埋設して埋設部４０を形成するのであるが、この際、延出部２３Ａの空孔率が大きいので、フレーム４の素材である樹脂の含浸が容易になるとともに含浸量が多くなる。いわゆる樹脂の食い付きがより良好になる。
【００４１】
上記の単セルＦＣは、先の実施形態と同様の効果を得ることができるうえに、樹脂の含浸性や含浸量の向上に伴って、延出部２３Ａ以外の金属多孔体２３への樹脂のはみ出し量（流量）が制御し易くなり、寸法精度の向上を実現する。
【００４２】
また、単セルＦＣは、図５に示す如く延出部２３Ａのスリット２３Ｂがシール材６の下部に配置された構成では、シール材下部分を樹脂リッチにしてシール材６との界面を平滑にすることができ、シール性のさらなる向上を実現する。なお、上記実施形態では、セパレータ５側に備えた保持手段として、同セパレータ５に形成した突条部５Ａ、またはセパレータ５の溝１６に配置したシール材６を例示したが、別の部材を採用したりすることも当然可能である。
【００４３】
図７は、金属多孔体の他の実施形態を示す図である。図示の金属多孔体２３は、全体がメッシュであって、延出部２３Ａの空孔率が、その他の部分すなわち膜電極接合体Ｍに重ねる中央部分の空孔率よりも大きい構成になっている。つまり、金属多孔体２３は、空孔（網目）が密のメッシュで中央部分を形成し、空孔（網目）が疎のメッシュで延出部２３Ａを形成している。このような金属多孔体２３を用いた単セルＦＣにあっても、先の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４４】
本発明に係る燃料電池のセル構造は、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】
【００４５】
ＦＣ    単セル
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
５Ａ    突条部（保持手段）
６      シール材（保持手段）
２３    金属多孔体
２３Ａ  延出部
３３    金属多孔体
３３Ａ  延出部
４０    埋設部
【図１】
2013141192.tif 000003
【図２】
2013141192.tif 000004
【図３】
2013141192.tif 000005
【図４】
2013141192.tif 000006
【図５】
2013141192.tif 000007
【図６】
2013141192.tif 000008
【図７】
2013141192.tif 000009
【国際調査報告】
2013141192.tif 000010
2013141192.tif 000011
2013141192.tif 000012
2013141192.tif 000013