(57)【要約】  燃料電池１０は、電解質膜３０と、アノード電極４０と、カソード電極５０とを備え、カソード電極５０の周縁面５８は、電解質膜３０の周縁面３８およびアノード電極４０の周縁面４８よりも、面方向Ｄｐに沿った内側に配置されており、更に、電解質膜３０の変形部３５への応力集中を抑制する応力抑制構造を備える。
2013084256.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面に接合された第１電極と、
前記電解質膜における前記一方の面とは異なる他方の面に接合された第２電極と
を備え、
前記第１電極の周縁の少なくとも一部である第１周縁部は、前記電解質膜および前記第２電極の各周縁よりも、前記第１電極の面方向に沿った内側に配置されており、
更に、前記電解質膜における前記第１周縁部に沿った部位への応力集中を抑制する応力抑制構造を備える燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池であって、
前記応力抑制構造の少なくとも一部は、前記電解質膜の前記第１電極側、かつ前記第１周縁部よりも前記面方向に沿った外側に、前記電解質膜よりも横弾性係数が小さい弾性部材を圧接した構造である、燃料電池。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池であって、
前記応力抑制構造の少なくとも一部は、前記電解質膜と前記第２電極との間の接合強度を、前記第１周縁部よりも前記面方向に沿った内側よりも、前記第１周縁部よりも前記面方向に沿った外側で小さくした構造である、燃料電池。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池であって、
前記電解質膜と前記第２電極との間は、前記第１周縁部よりも前記面方向に沿った内側において相互に接合されていると共に、前記第１周縁部よりも前記面方向に沿った外側において相互に非接合である、燃料電池。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池であって、
前記応力抑制構造の少なくとも一部は、前記第１電極の前記第１周縁部が磁性を有すると共に、前記第１周縁部との間に斥力を発生させる磁性体を、前記第２電極における前記電解質膜に接合される側に対する反対側に配置した構造である、燃料電池。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池であって、
前記応力抑制構造の少なくとも一部は、前記第１電極の前記第１周縁部が磁性を有すると共に、前記第１周縁部との間に引力を発生させる磁性体を、前記第１電極における前記電解質膜に接合される側に対する反対側に配置した構造である、燃料電池。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池であって、
前記応力抑制構造の少なくとも一部は、前記第１周縁部の形状に合わせて、前記電解質膜および前記第２電極を前記第１電極側へと予め折り曲げた構造である、燃料電池。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の燃料電池であって、
前記第２電極は、
前記電解質膜に対して接合される側の面である一方の電極面と、
前記一方の電極面に対する反対側の面である他方の電極面と
を有し、
前記応力抑制構造の少なくとも一部は、前記一方の電極面よりも前記他方の電極面の方を軟らかくした構造である、燃料電池。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の燃料電池であって、
前記第２電極は、
前記電解質膜に対して接合される側の面である一方の電極面と、
前記一方の電極面に対する反対側の面である他方の電極面と
を有し、
前記応力抑制構造の少なくとも一部は、前記第２電極を前記電解質膜へと押圧する押圧部材に合わせた形状で、前記他方の電極面の一部を掘り下げた掘り下げ部を、前記第２電極に予め成形した構造である、燃料電池。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の燃料電池であって、
前記応力抑制構造の少なくとも一部は、前記第１電極の剛性を前記第２電極の剛性よりも小さくした構造である、燃料電池。
【請求項１１】
請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の燃料電池であって、
前記応力抑制構造の少なくとも一部は、前記第２電極の剛性を前記第１電極の剛性よりも小さくした構造である、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池には、２つの電極の間に電解質膜を接合してなる膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly、以下、「ＭＥＡ」ともいう）を備えるものがある。このような燃料電池には、電解質膜を挟持する２つの電極の大きさが異なるもの、すなわち、小さい方の電極の周縁が、大きい方の電極および電解質膜の各周縁よりも、各層の面方向に沿った内側に配置されているものが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２２５４８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
電解質膜の損傷を防止する観点からすると、電解質膜における応力集中の発生を回避することが望ましいが、電解質膜を挟持する２つの電極の大きさが異なる場合、電解質膜における小さい方の電極の周縁に沿った部位に応力集中が発生し易いという問題があった。【０００５】
本発明は、上記した課題を踏まえ、燃料電池の耐久性を向上させることができる技術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】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。【０００７】
適用例１）適用例１の燃料電池は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に接合された第１電極と、前記電解質膜における前記一方の面とは異なる他方の面に接合された第２電極とを備え、前記第１電極の周縁の少なくとも一部である第１周縁部は、前記電解質膜および前記第２電極の各周縁よりも、前記第１電極の面方向に沿った内側に配置されており、更に、前記電解質膜における前記第１周縁部に沿った部位への応力集中を抑制する応力抑制構造を備えることを特徴とする。この適用例によれば、電解質膜における応力集中を抑制することができる。その結果、燃料電池の耐久性を向上させることができる。【０００８】
適用例２）前記応力抑制構造の少なくとも一部は、前記電解質膜の前記第１電極側、かつ前記第１周縁部よりも前記面方向に沿った外側に、前記電解質膜よりも横弾性係数が小さい弾性部材を圧接した構造であっても良い。この適用例によれば、弾性部材が面方向に弾性変形して、面方向に沿った電解質膜の移動を許容することによって、電解質膜の応力集中を抑制することができる。【０００９】
適用例３）前記応力抑制構造の少なくとも一部は、前記電解質膜と前記第２電極との間の接合強度を、前記第１周縁部よりも前記面方向に沿った内側よりも、前記第１周縁部よりも前記面方向に沿った外側で小さくした構造であっても良い。この適用例によれば、電解質膜と第２電極との間の接合強度が比較的に小さい第１周縁部の外側において、電解質膜と第２電極とが相対的にずれることによって、電解質膜の応力集中を抑制することができる。【００１０】
適用例４）上述の適用例において、前記電解質膜と前記第２電極との間は、前記第１周縁部よりも前記面方向に沿った内側において相互に接合されていると共に、前記第１周縁部よりも前記面方向に沿った外側において相互に非接合であるとしても良い。この適用例によれば、電解質膜と第２電極との間の接合強度を第１周縁部の内側よりも第１周縁部の外側で小さくした構造を容易に実現することができる。【００１１】
適用例５）前記応力抑制構造の少なくとも一部は、前記第１電極の前記第１周縁部が磁性を有すると共に、前記第１周縁部との間に斥力を発生させる磁性体を、前記第２電極における前記電解質膜に接合される側に対する反対側に配置した構造であっても良い。この適用例によれば、斥力によって第１周縁部から電解質膜が受ける押圧力が緩和されることによって、電解質膜の応力集中を抑制することができる。【００１２】
適用例６）前記応力抑制構造の少なくとも一部は、前記第１電極の前記第１周縁部が磁性を有すると共に、前記第１周縁部との間に引力を発生させる磁性体を、前記第１電極における前記電解質膜に接合される側に対する反対側に配置した構造であっても良い。この適用例によれば、引力によって第１周縁部から電解質膜が受ける押圧力が緩和されることによって、電解質膜の応力集中を抑制することができる。【００１３】
適用例７）前記応力抑制構造の少なくとも一部は、前記第１周縁部の形状に合わせて、前記電解質膜および前記第２電極を前記第１電極側へと予め折り曲げた構造であっても良い。この適用例によれば、電解質膜に対して第１電極および第２電極を押し付ける前後における電解質膜の変形が緩和されることによって、電解質膜の応力集中を抑制することができる。【００１４】
適用例８）前記第２電極は、前記電解質膜に対して接合される側の面である一方の電極面と、前記一方の電極面に対する反対側の面である他方の電極面とを有し、前記応力抑制構造の少なくとも一部は、前記一方の電極面よりも前記他方の電極面の方を軟らかくした構造であるとしても良い。この適用例によれば、第２電極において一方の電極面よりも他方の電極面が比較的に大きく変形して、電解質膜の変形が緩和されることによって、電解質膜の応力集中を抑制することができる。【００１５】
適用例９）前記第２電極は、前記電解質膜に対して接合される側の面である一方の電極面と、前記一方の電極面に対する反対側の面である他方の電極面とを有し、前記応力抑制構造の少なくとも一部は、前記第２電極を前記電解質膜へと押圧する押圧部材に合わせた形状で、前記他方の電極面の一部を掘り下げた掘り下げ部を、前記第２電極に予め成形した構造であるとしても良い。この適用例によれば、押圧部材による第２電極を介した電解質膜の変形が緩和されることによって、電解質膜の応力集中を抑制することができる。【００１６】
適用例１０）前記応力抑制構造の少なくとも一部は、前記第１電極の剛性を前記第２電極の剛性よりも小さくした構造であっても良い。この適用例によれば、第１電極が第２電極よりも大きく変形して電解質膜の変形が緩和されることによって、電解質膜の応力集中を抑制することができる。【００１７】
適用例１１）前記応力抑制構造の少なくとも一部は、前記第２電極の剛性を前記第１電極の剛性よりも小さくした構造であっても良い。この適用例によれば、第２電極が第１電極よりも大きく変形して電解質膜の変形が緩和されることによって、電解質膜の応力集中を抑制することができる。【００１８】
本発明の形態は、燃料電池に限るものではなく、例えば、燃料電池の電力を利用して走行する車両、燃料電池の電力を供給する発電システム、燃料電池の製造方法などの種々の形態に適用することも可能である。また、本発明は、前述の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１実施形態における燃料電池の断面構成を示す説明図である。
【図２】第１実施形態におけるＭＥＡの全体構成を示す説明図である。
【図３】第１実施形態における電解質膜の横弾性係数と弾性部材の横弾性係数との関係を示す説明図である。
【図４】第２実施形態における燃料電池の断面構成を示す説明図である。
【図５】第２実施形態における電解質膜の引張強度と接合強度との関係を示す説明図である。
【図６】第３実施形態における燃料電池の断面構造を示す説明図である。
【図７】第４実施形態における燃料電池の断面構造を示す説明図である。
【図８】第５実施形態におけるＭＥＡの断面構成を示す説明図である。
【図９】第６実施形態におけるＭＥＡの断面構成を示す説明図である。
【図１０】第７実施形態におけるＭＥＡの断面構成を示す説明図である。
【図１１】第８実施形態における燃料電池の断面構成を示す説明図である。
【図１２】第９実施形態における燃料電池の断面構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以上説明した本発明の構成および作用を一層明らかにするために、以下本発明を適用した燃料電池について説明する。
【００２１】
Ａ．第１実施形態：
図１は、第１実施形態における燃料電池１０の断面構成を示す説明図である。燃料電池１０は、反応ガスを用いて電気化学的に発電する装置である。本実施例では、燃料電池１０は、固体高分子型の燃料電池である。本実施形態では、燃料電池１０は、反応ガスとして、水素を含有する燃料ガスと、酸素を含有する酸化ガスとを用いる。
【００２２】
燃料電池１０は、複数のセル１５を備える。セル１５は、反応ガスから直接的に電気を取り出す電気化学反応を行う単電池である。燃料電池１０において、複数のセル１５は、相互に積層されている。
【００２３】
本実施形態の説明では、燃料電池１０において複数のセル１５が積層されている方向を「積層方向Ｄｓ」といい、積層方向Ｄｓに直交するセル１５の面に沿った方向を「面方向Ｄｐ」という。本実施形態の説明では、面方向Ｄｐのうち、セル１５の中心に向かう方向を「面方向Ｄｐに沿った内側」といい、その逆方向を「面方向Ｄｐに沿った外側」という。
【００２４】
燃料電池１０のセル１５は、膜電極接合体（ＭＥＡ）２０と、アノードセパレータ６１０と、カソードセパレータ６２０とを備える。セル１５において、ＭＥＡ２０は、アノードセパレータ６１０とカソードセパレータ６２０との間に挟持されている。
【００２５】
セル１５のアノードセパレータ６１０およびカソードセパレータ６２０は、ＭＥＡ２０で発生する電気の集電に十分な導電性を有すると共に、ＭＥＡ２０に対する反応ガスの供給に十分な耐久性、耐熱性およびガス不透過性を有する材料で形成されている。本実施形態では、アノードセパレータ６１０およびカソードセパレータ６２０の材料は、カーボン樹脂であるが、他の実施形態では、例えば、ステンレス、チタン、チタン合金、導電性セラミックスであっても良い。
【００２６】
本実施形態では、アノードセパレータ６１０およびカソードセパレータ６２０は、それぞれ別々に構成されている。他の実施形態において、隣接する２つのセル１５において、一方のセル１５のアノードセパレータ６１０と、他方のセル１５のカソードセパレータ６２０とを一体的に構成しても良い。
【００２７】
本実施形態では、アノードセパレータ６１０はＭＥＡ２０に当接しているが、他の実施形態では、アノード拡散層４３０とアノードセパレータ６１０との間に燃料ガスを流す流路を形成しても良い。
【００２８】
本実施形態では、カソードセパレータ６２０はＭＥＡ２０に当接しているが、他の実施形態では、カソード拡散層５３０とカソードセパレータ６２０との間に酸化ガスを流す流路を形成しても良い。
【００２９】
図２は、第１実施形態におけるＭＥＡ２０の全体構成を示す説明図である。図２に示すＭＥＡ２０は、アノードセパレータ６１０とカソードセパレータ６２０との間に挟持する前の状態である。図２（Ａ）には、側面から見たＭＥＡ２０を図示した。図２（Ｂ）には、カソード側から見たＭＥＡ２０を図示した。ＭＥＡ２０は、電解質膜３０と、アノード電極４０と、カソード電極５０とを備える。
【００３０】
ＭＥＡ２０の電解質膜３０は、プロトン伝導性を有する膜状のプロトン伝導体である。本実施形態では、電解質膜３０は、アイオノマ樹脂を用いたパーフルオロスルホン酸イオン交換膜である。
【００３１】
電解質膜３０は、電解質膜３０における一方の面であるアノード面３１と、電解質膜３０における他方の面であるカソード面３２と、電解質膜３０の周縁である周縁面３８とを有する。電解質膜３０のアノード面３１には、アノード電極４０が接合されている。電解質膜３０のカソード面３２には、カソード電極５０が接合されている。本実施形態では、電解質膜３０は矩形状の膜であり、アノード面３１およびカソード面３２は矩形状であり、周縁面３８はアノード面３１およびカソード面３２の各面における４つの辺を構成する。
【００３２】
ＭＥＡ２０のアノード電極４０は、図１に示すように、アノード触媒層４１０と、アノード拡散層４３０とを含む。電解質膜３０のアノード面３１には、アノード触媒層４１０、アノード拡散層４３０の順に積層してアノード電極４０が形成されている。
【００３３】
ＭＥＡ２０のカソード電極５０は、図１に示すように、カソード触媒層５１０と、カソード拡散層５３０とを含む。電解質膜３０のカソード面３２には、カソード触媒層５１０、カソード拡散層５３０の順に積層してカソード電極５０が形成されている。
【００３４】
アノード触媒層４１０およびカソード触媒層５１０は、ガス透過性および導電性を有する材料で形成されており、その材料には、水素と酸素との電気化学反応を促進させる触媒（例えば、白金、白金合金）が担持されている。本実施形態では、アノード触媒層４１０およびカソード触媒層５１０は、白金系触媒を担持した炭素担体で形成されている。
【００３５】
アノード拡散層４３０およびカソード拡散層５３０は、ガス透過性および導電性を有する材料で形成されている。アノード拡散層４３０およびカソード拡散層５３０の材料には、例えば、カーボン製の多孔体であるカーボンクロスやカーボンペーパを用いることができる。
【００３６】
アノード電極４０は、アノード電極４０における一方の面である電極面４１と、アノード電極４０における他方の面である電極面４２と、アノード電極４０の周縁である周縁面４８とを有する。アノード電極４０の電極面４１は、電解質膜３０のアノード面３１に接合されている。本実施形態では、図２に示すように、アノード電極４０は、電解質膜３０と同じ大きさの矩形状の電極であり、電極面４１，４２は矩形状であり、周縁面４８は電極面４１，４２の各面における４つの辺を構成する。他の実施形態において、アノード電極４０の大きさは、電解質膜３０よりも大きくても良いし、小さくても良い。
【００３７】
カソード電極５０は、カソード電極５０における一方の面である電極面５１と、カソード電極５０における他方の面である電極面５２と、カソード電極５０の周縁である周縁面４８とを有する。カソード電極５０の電極面５１は、電解質膜３０のカソード面３２に接合されている。本実施形態では、図２に示すように、カソード電極５０は、電解質膜３０およびアノード電極４０よりも小さな矩形状の電極であり、電極面５１，５２は矩形状であり、周縁面５８は電極面５１，５２の各面における４つの辺を構成する。
【００３８】
本実施形態では、カソード電極５０は、電解質膜３０の一方の面に接合された第１電極であり、カソード電極５０の周縁面５８は、第１電極の周縁の少なくとも一部である第１周縁部である。本実施形態では、燃料電池１０における面方向Ｄｐは、カソード電極５０の電極面５１，５２に沿った方向でもある。本実施形態では、アノード電極４０は、電解質膜３０の他方の面に接合され、第１電極よりも大きな第２電極である。
【００３９】
本実施形態では、カソード電極５０の面方向Ｄｐに沿った大きさが電解質膜３０およびアノード電極４０よりも小さいことから、図１および図２に示すように、カソード電極５０の周縁面５８は、電解質膜３０の周縁面３８およびアノード電極４０の周縁面４８よりも面方向Ｄｐに沿った内側に配置されている。
【００４０】
図１に示すように、本実施形態では、燃料電池１０のセル１５は、ＭＥＡ２０，アノードセパレータ６１０およびカソードセパレータ６２０の他、板状部材６３０と、弾性部材６４０とを備える。
【００４１】
セル１５の板状部材６３０は、シーリングプレートやシーリングシートとも呼ばれる金属（例えば、アルミニウム、ステンレスなど）製の板である。板状部材６３０は、カソード電極５０の周縁面５８よりも面方向Ｄｐに沿った外側に、アノード電極４０の電極面４２とアノードセパレータ６１０との間から、弾性部材６４０とアノードセパレータ６１０との間にわたって、積層されている。板状部材６３０は、アノード電極４０とアノードセパレータ６１０との間を密閉すると共に、アノード電極４０の電極面４２側への弾性部材６４０の侵入を防止する。他の実施形態において、アノードセパレータ６１０をアノード電極４０側に突出させることによって、板状部材６３０を別部材として設けることなく、アノード電極４０とアノードセパレータ６１０との間を密閉しても良い。
【００４２】
板状部材６３０は、アノード電極４０の電極面４２を電解質膜３０へと押圧する押圧部材でもある。アノード電極４０が板状部材６３０によって押圧されることによって、電解質膜３０には、カソード電極５０側へと変形した変形部３５が、カソード電極５０の周縁面５８に沿って形成されている。
【００４３】
セル１５の弾性部材６４０は、樹脂材料からなる部材である。弾性部材６４０は、電解質膜３０のカソード電極５０側、かつ、カソード電極５０の周縁面５８よりも面方向Ｄｐに沿った外側に形成されており、電解質膜３０のカソード面３２に圧接されている。本実施形態では、弾性部材６４０は、更に、電解質膜３０の周縁面３８、アノード電極４０の周縁面４８および板状部材６３０にまでわたって形成されている。
【００４４】
本実施形態では、弾性部材６４０は、ＭＥＡ２０に対して樹脂材料を射出成形することによって形成されている。他の実施形態において、弾性部材６４０は、ＭＥＡ２０とは別に形成しても良いし、ＭＥＡ２０を挟んだアノードセパレータ６１０とカソードセパレータ６２０との間に、接着性を有する樹脂材料を注入し固化させることによって形成しても良い。
【００４５】
図３は、第１実施形態における電解質膜３０の横弾性係数Ｇｍと弾性部材６４０の横弾性係数Ｇｅとの関係を示す説明図である。図３には、横軸に電解質膜３０の横弾性係数Ｇｍをとり、縦軸に弾性部材６４０の横弾性係数Ｇｅをとって、両者の関係を図示した。第１実施形態では、弾性部材６４０の横弾性係数Ｇｅは、電解質膜３０の横弾性係数Ｇｍよりも小さい。すなわち、弾性部材６４０の横弾性係数Ｇｅと電解質膜３０の横弾性係数Ｇｍとの関係は、図３にハッチングを施した「Ｇｅ＜Ｇｍ」を満たす範囲内にある。
【００４６】
図１に示すように、電解質膜３０のカソード面３２からカソードセパレータ６２０にわたる弾性部材６４０の端面６４８は、積層方向Ｄｓに沿った圧縮力の増加に伴う電解質膜３０の変形に追従して、圧縮前における端面６４８の初期位置Ｌｒから面方向Ｄｐに沿った内側へと変位する。
【００４７】
以上説明した第１実施形態の燃料電池１０は、電解質膜３０の変形部３５への応力集中を抑制する応力抑制構造の少なくとも一部として、カソード電極５０の周縁面５８よりも面方向Ｄｐに沿った外側における電解質膜３０のカソード面３２に、電解質膜３０よりも横弾性係数が小さい弾性部材６４０を圧接した構造を備える。この第１実施形態の構造によれば、弾性部材６４０が面方向Ｄｐに弾性変形して、面方向Ｄｐに沿った電解質膜３０の移動を許容することによって、電解質膜３０の応力集中を抑制することができる。その結果、燃料電池１０の耐久性を向上させることができる。
【００４８】
Ｂ．第２実施形態：
図４は、第２実施形態における燃料電池１０の断面構成を示す説明図である。第２実施形態の燃料電池１０は、ＭＥＡ２０の特性が異なる点を除き、第１実施形態と同様である。なお、第２実施形態において、弾性部材６４０の横弾性係数Ｇｅは、電解質膜３０の横弾性係数Ｇｍよりも小さい方が好ましいが、同じでも良いし、大きくても良い。
【００４９】
第２実施形態におけるＭＥＡ２０の特性は、電解質膜３０とアノード電極４０との間の接合強度を、カソード電極５０の周縁面５８よりも面方向Ｄｐに沿った内側よりも外側で小さくした点を除き、第１実施形態と同様である。すなわち、カソード電極５０の周縁面５８よりも面方向Ｄｐに沿った外側における電解質膜３０とアノード電極４０との間の接合強度ＳＪｏは、カソード電極５０の周縁面５８よりも面方向Ｄｐに沿った内側における電解質膜３０とアノード電極４０との間の接合強度ＳＪｉよりも小さい。電解質膜３０とアノード電極４０との間の接合強度は、接合材料の量や種類、接合条件（圧力、温度、湿度、処理時間）などを変更することによって変化させることができる。
【００５０】
他の実施形態では、電解質膜３０とアノード電極４０との間は、カソード電極５０の周縁面５８よりも面方向Ｄｐに沿った内側において相互に接合されていると共に、カソード電極５０の周縁面５８よりも面方向Ｄｐに沿った外側において相互に非接合であるとしても良い。これによって、電解質膜３０とアノード電極４０との間の接合強度を、カソード電極５０の周縁面５８よりも面方向Ｄｐに沿った内側よりも外側で小さくした構造を容易に実現することができる。
【００５１】
図５は、第２実施形態における電解質膜３０の引張強度ＳＴと接合強度ＳＪｏとの関係を示す説明図である。図５には、横軸に電解質膜３０の引張強度ＳＴをとり、縦軸に電解質膜３０とアノード電極４０との間の接合強度ＳＪｏをとって、両者の関係を図示した。第２実施形態では、電解質膜３０とアノード電極４０との間の接合強度ＳＪｏは、電解質膜３０の引張強度ＳＴよりも小さいことが好ましい。すなわち、接合強度ＳＪｏと引張強度ＳＴとの関係は、図５にハッチングを施した「ＳＪｏ＜ＳＴ」を満たす範囲内にあることが好ましい。
【００５２】
以上説明した第２実施形態の燃料電池１０は、電解質膜３０の変形部３５への応力集中を抑制する応力抑制構造の少なくとも一部として、カソード電極５０の周縁面５８よりも面方向Ｄｐに沿った外側における電解質膜３０とアノード電極４０との間の接合強度ＳＪｏを、カソード電極５０の周縁面５８よりも面方向Ｄｐに沿った内側における電解質膜３０とアノード電極４０との間の接合強度ＳＪｉより小さくした構造を備える。この第２実施形態の構造によれば、カソード電極５０の周縁面５８よりも面方向Ｄｐに沿った外側において、電解質膜３０とアノード電極４０とが相対的にずれることによって、電解質膜３０の応力集中を抑制することができる。その結果、燃料電池１０の耐久性を向上させることができる。
【００５３】
Ｃ．第３実施形態：
図６は、第３実施形態における燃料電池１０の断面構造を示す説明図である。第３実施形態の燃料電池１０は、カソード電極５０の周縁面５８が磁性を有する点、カソード電極５０の周縁面５８との間に斥力Ｆｒｐを発生させる磁性体をアノード電極４０の電極面４２側に配置した点、カソード電極５０の周縁面５８とカソードセパレータ６２０との間に空間が設けられている点を除き、第１実施形態と同様である。なお、第３実施形態において、弾性部材６４０の横弾性係数Ｇｅは、電解質膜３０の横弾性係数Ｇｍよりも小さい方が好ましいが、同じでも良いし、大きくても良い。
【００５４】
第３実施形態では、カソード電極５０の周縁面５８は磁性を有する。本実施形態では、カソード電極５０のカソード拡散層５３０の全域に磁性を付与することによって、カソード電極５０の周縁面５８に磁性を持たせている。他の実施形態において、周縁面５８周辺におけるカソード拡散層５３０の一部分に磁性を付与することによって、カソード電極５０の周縁面５８に磁性を持たせても良い。
【００５５】
本実施形態では、カソード電極５０の周縁面５８との間に斥力Ｆｒｐを発生させる磁性体は、アノード電極４０の電極面４２側に積層されている板状部材６３０である。本実施形態では、板状部材６３０における面方向Ｄｐに沿った内側に、カソード電極５０とは異なる極性の磁性を付与することによって、板状部材６３０に磁性を持たせている。
【００５６】
他の実施形態において、板状部材６３０の全域にカソード電極５０とは異なる極性の磁性を付与することによって、板状部材６３０に磁性を持たせても良い。他の実施形態において、板状部材６３０に磁性を持たせるのではなく、アノードセパレータ６１０に磁性を持たせても良いし、板状部材６３０やアノードセパレータ６１０とは別に、斥力Ｆｒｐを発生させる磁性体を、アノード電極４０の電極面４２側に配置しても良い。
【００５７】
本実施形態では、カソード電極５０とカソードセパレータ６２０との間には、酸化ガスを流す流路を形成するガス流路部材６５０が設けられている。ガス流路部材６５０の大きさは、カソード電極５０よりも小さいため、カソード電極５０の周縁面５８とカソードセパレータ６２０との間には空間が形成されている。本実施形態では、ガス流路部材６５０は、導電性を有する発泡金属による多孔体であるが、他の実施形態において、カーボン焼結体による多孔体であっても良いし、エキスパンドメタルやパンチングメタルであっても良い。
【００５８】
以上説明した第３実施形態の燃料電池１０は、電解質膜３０の変形部３５への応力集中を抑制する応力抑制構造の少なくとも一部として、カソード電極５０の周縁面５８が磁性を有すると共に、カソード電極５０の周縁面５８との間に斥力Ｆｒｐを発生させる磁性体である板状部材６３０を、アノード電極４０の電極面４２側に配置した構造を備える。この第３実施形態の構造によれば、斥力Ｆｒｐによってカソード電極５０の周縁面５８から電解質膜３０が受ける押圧力が緩和されることによって、電解質膜３０の応力集中を抑制することができる。その結果、燃料電池１０の耐久性を向上させることができる。
【００５９】
Ｄ．第４実施形態：
図７は、第４実施形態における燃料電池１０の断面構造を示す説明図である。第４実施形態の燃料電池１０は、カソード電極５０の周縁面５８との間に引力Ｆａｔを発生させる磁性体をカソード電極５０の電極面５２側に配置した点を除き、第３実施形態と同様である。なお、第４実施形態において、カソード電極５０の周縁面５８との間に斥力Ｆｒｐを発生させる磁性体をアノード電極４０の電極面４２側に配置することが好ましいが、このような斥力Ｆｒｐを発生させる磁性体を設けなくても良い。
【００６０】
本実施形態では、カソード電極５０の周縁面５８との間に引力Ｆａｔを発生させる磁性体は、カソード電極５０の電極面５２側に配置されているカソードセパレータ６２０である。本実施形態では、カソード電極５０の電極面５２に対向するカソードセパレータ６２０の一部分に、カソード電極５０とは同じ極性の磁性を付与することによって、カソードセパレータ６２０に磁性を持たせている。
【００６１】
他の実施形態において、カソードセパレータ６２０の全域に、カソード電極５０とは同じ極性の磁性を付与することによって、カソードセパレータ６２０に磁性を持たせても良い。他の実施形態において、カソードセパレータ６２０に磁性を持たせるのではなく、カソードセパレータ６２０とは別に、斥力Ｆｒｐを発生させる磁性体を、カソード電極５０の電極面５２側に配置しても良い。
【００６２】
以上説明した第４実施形態の燃料電池１０は、電解質膜３０の変形部３５への応力集中を抑制する応力抑制構造の少なくとも一部として、カソード電極５０の周縁面５８が磁性を有すると共に、カソード電極５０の周縁面５８との間に引力Ｆａｔを発生させる磁性体であるカソードセパレータ６２０をカソード電極５０の電極面５２側に配置した構造を備える。この第４実施形態の構造によれば、引力Ｆａｔによってカソード電極５０の周縁面５８から電解質膜３０が受ける押圧力が緩和されることによって、電解質膜３０の応力集中を抑制することができる。その結果、燃料電池１０の耐久性を向上させることができる。
【００６３】
Ｅ．第５実施形態：
図８は、第５実施形態におけるＭＥＡ２０の断面構成を示す説明図である。第５実施形態の燃料電池１０は、ＭＥＡ２０の構成が異なる点を除き、第１実施形態と同様である。なお、第５実施形態において、弾性部材６４０の横弾性係数Ｇｅは、電解質膜３０の横弾性係数Ｇｍよりも小さい方が好ましいが、同じでも良いし、大きくても良い。
【００６４】
第５実施形態のＭＥＡ２０では、電解質膜３０およびアノード電極４０が、カソード電極５０の周縁面５８の形状に合わせてカソード電極５０側へと予め折り曲げられている。すなわち、第５実施形態では、ＭＥＡ２０をアノードセパレータ６１０とカソードセパレータ６２０との間に挟持する前に、ＭＥＡ２０には変形部３５が形成されている。
【００６５】
以上説明した第５実施形態の燃料電池１０は、電解質膜３０の変形部３５への応力集中を抑制する応力抑制構造の少なくとも一部として、カソード電極５０の周縁面５８の形状に合わせて、電解質膜３０およびアノード電極４０をカソード電極５０側へと予め折り曲げた構造を備える。この第５実施形態の構造によれば、電解質膜３０に対してアノード電極４０およびカソード電極５０を押し付ける前後における電解質膜３０の変形が緩和されることによって、電解質膜３０の応力集中を抑制することができる。その結果、燃料電池１０の耐久性を向上させることができる。
【００６６】
Ｆ．第６実施形態：
図９は、第６実施形態におけるＭＥＡ２０の断面構成を示す説明図である。第６実施形態の燃料電池１０は、ＭＥＡ２０の構成が異なる点を除き、第１実施形態と同様である。なお、第６実施形態において、弾性部材６４０の横弾性係数Ｇｅは、電解質膜３０の横弾性係数Ｇｍよりも小さい方が好ましいが、同じでも良いし、大きくても良い。
【００６７】
第６実施形態のＭＥＡ２０では、アノード電極４０の電極面４２は、アノード電極４０の電極面４１よりも軟らかい。本実施形態では、アノード拡散層４３０における電極面４２側の縦弾性係数Ｅｓｆｔを、アノード拡散層４３０における電極面４１側の縦弾性係数Ｅｈｒｄよりも小さくすることによって、電極面４１よりも電極面４２の方が軟らかいアノード電極４０が形成されている。アノード拡散層４３０の硬さは、構成材料の種類、密度などを変更することによって変化させることができる。
【００６８】
本実施形態では、アノード拡散層４３０は、縦弾性係数Ｅｓｆｔの層と、縦弾性係数Ｅｈｒｄの層との２層構造を有する。他の実施形態において、アノード拡散層４３０は、３種類以上の異なる縦弾性係数の層からなる構造を有しても良いし、電極面４１側から電極面４２に向けて徐々に軟らかくなる構造を有していても良い。
【００６９】
以上説明した第６実施形態の燃料電池１０は、電解質膜３０の変形部３５への応力集中を抑制する応力抑制構造の少なくとも一部として、アノード電極４０の電極面４２を電極面４１よりも軟らかくした構造を備える。この第６実施形態の構造によれば、アノード電極４０において電極面４１よりも電極面４２が比較的に大きく変形して、電解質膜３０の変形が緩和されることによって、電解質膜３０の応力集中を抑制することができる。その結果、燃料電池１０の耐久性を向上させることができる。
【００７０】
Ｇ．第７実施形態：
図１０は、第７実施形態におけるＭＥＡ２０の断面構成を示す説明図である。第７実施形態の燃料電池１０は、ＭＥＡ２０の構成が異なる点を除き、第１実施形態と同様である。なお、第７実施形態において、弾性部材６４０の横弾性係数Ｇｅは、電解質膜３０の横弾性係数Ｇｍよりも小さい方が好ましいが、同じでも良いし、大きくても良い。
【００７１】
第７実施形態のＭＥＡ２０では、アノード電極４０を電解質膜３０へと押圧する押圧部材である板状部材６３０に合わせた形状で、アノード電極４０の電極面４２を掘り下げた掘り下げ部４９が、アノード電極４０に予め成形されている。すなわち、第７実施形態では、ＭＥＡ２０をアノードセパレータ６１０とカソードセパレータ６２０との間に挟持する前に、ＭＥＡ２０には掘り下げ部４９が形成されている。本実施形態では、アノード電極４０の電極面４２を切削することによって掘り下げ部４９が形成されている。
【００７２】
以上説明した第７実施形態の燃料電池１０は、電解質膜３０の変形部３５への応力集中を抑制する応力抑制構造の少なくとも一部として、押圧部材である板状部材６３０に合わせた形状で電極面４２を掘り下げた掘り下げ部４９をアノード電極４０に予め成形した構造を備える。この第７実施形態の構造によれば、板状部材６３０によるアノード電極４０を介した電解質膜３０の変形が緩和されることによって、電解質膜３０の応力集中を抑制することができる。その結果、燃料電池１０の耐久性を向上させることができる。
【００７３】
Ｈ．第８実施形態：
図１１は、第８実施形態における燃料電池１０の断面構成を示す説明図である。第８実施形態の燃料電池１０は、アノード電極４０の剛性よりもカソード電極５０の剛性を小さくした点を除き、第１実施形態と同様である。なお、第８実施形態において、弾性部材６４０の横弾性係数Ｇｅは、電解質膜３０の横弾性係数Ｇｍよりも小さい方が好ましいが、同じでも良いし、大きくても良い。
【００７４】
第８実施形態では、アノード拡散層４３０の剛性率Ｇａよりもカソード拡散層５３０の剛性率Ｇｃを小さくすることによって、アノード電極４０の剛性よりもカソード電極５０の剛性を小さくしている。アノード拡散層４３０およびカソード拡散層５３０の剛性率は、構成材料の種類、密度などを変更することによって変化させることができる。第８実施形態では、アノード電極４０の剛性よりもカソード電極５０の剛性が小さいため、図１１に示すように、アノード電極４０よりもカソード電極５０が大きく積層方向Ｄｓに圧縮される。
【００７５】
以上説明した第８実施形態の燃料電池１０は、電解質膜３０の変形部３５への応力集中を抑制する応力抑制構造の少なくとも一部として、アノード拡散層４３０の剛性率Ｇａよりもカソード拡散層５３０の剛性率Ｇｃを小さくした構造を備える。この第８実施形態の構造によれば、アノード電極４０よりもカソード電極５０が大きく変形して電解質膜３０の変形が緩和されることによって、電解質膜３０の応力集中を抑制することができる。その結果、燃料電池１０の耐久性を向上させることができる。
【００７６】
Ｉ．第９実施形態：
図１２は、第９実施形態における燃料電池１０の断面構成を示す説明図である。第９実施形態の燃料電池１０は、アノード電極４０の剛性をカソード電極５０の剛性よりも小さくした点を除き、第１実施形態と同様である。なお、第９実施形態において、弾性部材６４０の横弾性係数Ｇｅは、電解質膜３０の横弾性係数Ｇｍよりも小さい方が好ましいが、同じでも良いし、大きくても良い。
【００７７】
第９実施形態では、アノード拡散層４３０の剛性率Ｇａをカソード拡散層５３０の剛性率Ｇｃよりも小さくすることによって、アノード電極４０の剛性をカソード電極５０の剛性よりも小さくしている。アノード拡散層４３０およびカソード拡散層５３０の剛性率は、構成材料の種類、密度などを変更することによって変化させることができる。第９実施形態では、アノード電極４０の剛性がカソード電極５０の剛性よりも小さいため、図１２に示すように、アノード電極４０がカソード電極５０よりも大きく積層方向Ｄｓに圧縮される。
【００７８】
以上説明した第９実施形態の燃料電池１０は、電解質膜３０の変形部３５への応力集中を抑制する応力抑制構造の少なくとも一部として、アノード拡散層４３０の剛性率Ｇａをカソード拡散層５３０の剛性率Ｇｃよりも小さくした構造を備える。この第９実施形態の構造によれば、アノード電極４０がカソード電極５０よりも大きく変形して電解質膜３０の変形が緩和されることによって、電解質膜３０の応力集中を抑制することができる。その結果、燃料電池１０の耐久性を向上させることができる。
【００７９】
Ｊ．他の実施形態：
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。
【００８０】
例えば、上述した実施形態では、アノード電極４０よりもカソード電極５０の方が小さい燃料電池について説明したが、他の実施形態において、アノード電極４０の方がカソード電極５０よりも小さい燃料電池に本発明を適用しても良い。
【００８１】
また、カソード電極５０の周縁面５８が、電解質膜３０の周縁面３８およびアノード電極４０の周縁面４８よりも、面方向Ｄｐに沿った内側に配置されている部位の全域に、上述した実施形態の応力抑制構造を設ける必要はなく、少なくとも一部の領域に、各実施形態の応力抑制構造を設けても良い。
【００８２】
また、上述した実施形態における２種類以上の応力抑制構造を適宜組み合わせても良い。
【符号の説明】
【００８３】
１０…燃料電池
１５…セル
２０…ＭＥＡ
３０…電解質膜
３１…アノード面
３２…カソード面
３５…変形部
３８…周縁面
４０…アノード電極
４１…電極面
４２…電極面
４８…周縁面
４９…掘り下げ部
５０…カソード電極
５１…電極面
５２…電極面
５８…周縁面
４１０…アノード触媒層
４３０…アノード拡散層
５１０…カソード触媒層
５３０…カソード拡散層
６１０…アノードセパレータ
６２０…カソードセパレータ
６３０…板状部材
６４０…弾性部材
６４８…端面
６５０…ガス流路部材
【図１】
2013084256.tif 000003
【図２】
2013084256.tif 000004
【図３】
2013084256.tif 000005
【図４】
2013084256.tif 000006
【図５】
2013084256.tif 000007
【図６】
2013084256.tif 000008
【図７】
2013084256.tif 000009
【図８】
2013084256.tif 000010
【図９】
2013084256.tif 000011
【図１０】
2013084256.tif 000012
【図１１】
2013084256.tif 000013
【図１２】
2013084256.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成26年12月1日(2014.12.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面に接合された第１電極と、
前記電解質膜における前記一方の面とは異なる他方の面に接合された第２電極と
を備え、
前記第１電極の周縁の少なくとも一部である第１周縁部は、前記電解質膜および前記第２電極の各周縁よりも、前記第１電極の面方向に沿った内側に配置されており、
前記電解質膜の周縁は、前記第２電極の周縁によって押圧されることによって、前記第１電極の側へと変位した状態で保持されており、
更に、前記電解質膜に対して接触又は非接触状態で配置される応力抑制構造であって、前記電解質膜の周縁が前記第１電極の側へと変形することで発生する前記電解質膜における前記第１周縁部に沿った部位への応力集中を抑制する応力抑制構造を備える燃料電池。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
本発明の一形態は、燃料電池である。この燃料電池は、電解質膜と；前記電解質膜の一方の面に接合された第１電極と；前記電解質膜における前記一方の面とは異なる他方の面に接合された第２電極とを備え、前記第１電極の周縁の少なくとも一部である第１周縁部は、前記電解質膜および前記第２電極の各周縁よりも、前記第１電極の面方向に沿った内側に配置されており、前記電解質膜の周縁は、前記第２電極の周縁によって押圧されることによって、前記第１電極の側へと変位した状態で保持されており、更に、前記電解質膜に対して接触又は非接触状態で配置される応力抑制構造であって、前記電解質膜の周縁が前記第１電極の側へと変形することで発生する前記電解質膜における前記第１周縁部に沿った部位への応力集中を抑制する応力抑制構造を備える。この形態によれば、電解質膜における応力集中を抑制できる。その結果、燃料電池の耐久性を向上させることができる。
【国際調査報告】
2013084256.tif 000015
2013084256.tif 000016
2013084256.tif 000017
2013084256.tif 000018
2013084256.tif 000019
2013084256.tif 000020
2013084256.tif 000021
2013084256.tif 000022