(57)【要約】    【目的】膜電極接合体をセパレーターで挟持した単セルを積層して構成されるものにおいて、周端部の電気絶縁性能が優れ、高い発電効率で運転できるものを得る。    【構成】膜電極接合体１を挟んで相対するセパレーター３の周端部に面取り部を備え、一組のセパレーター３の間の電気絶縁距離を増大させる。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
両面に拡散層を配した膜電極接合体と反応ガス流路を備えたセパレーターとからなる単セルを積層して構成される積層形燃料電池において、
前記膜電極接合体を挟んで相対する前記セパレーターが周端部に面取り部を備えたことを特徴とする積層形燃料電池。
【請求項２】
両面に拡散層を配した膜電極接合体と反応ガス流路を備えたセパレーターとからなる単セルを積層して構成される積層形燃料電池において、
前記膜電極接合体を挟んで相対する前記セパレーターが周端部に面取り部を備え、かつ、該面取り部に電気絶縁性部材が充填されていることを特徴とする積層形燃料電池。
【請求項３】
前記膜電極接合体を前記セパレーターの周端部より周端方向に小さく構成し、相対する前記セパレーターの面取り部が連続するように電気絶縁性部材が充填されていることを特徴とする請求項２に記載の積層形燃料電池。
【請求項４】
両面に拡散層を配した膜電極接合体と反応ガス流路を備えたセパレーターとからなる単セルを積層して構成される積層形燃料電池において、
前記膜電極接合体の周端部が、該膜電極接合体を挟んで相対する前記セパレーターの周端部より周端方向に突出するよう形成されていることを特徴とする積層形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、膜電極接合体をセパレーターで挟んで形成される単セルからなる積層形燃料電池の構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池においては、膜電極接合体を反応ガス流路を備えたセパレーターで挟んで単セルが形成されるが、1個の単セルの発電電圧は１Ｖに満たない低い電圧であるため、実用の燃料電池では、単セルを積層して積層形燃料電池とし、所要の電圧、電流を得ている。図５は、この種の積層形燃料電池の単セルの従来の構成例を示す分解斜視図で、図中の１は、発電反応に寄与する膜電極接合体、２は拡散層、３は、各単セルに流れる反応ガス、すなわち燃料ガスと酸化剤ガスの流れをそれぞれ分離するセパレーターである。図５に示された５個の構成要素を順次積層することにより単セルが構成される。すなわち、図中に斜線で示した膜電極接合体１の発電領域の両面に対向して拡散層２を配し、さらに、これらの拡散層２の外面にセパレーター３の反応ガス流路部分を配して、膜電極接合体１を２個のセパレーター３により挟持することにより単セルが構成される。
【０００３】
図５において、膜電極接合体１の周縁部とセパレーター３の周縁部とを連通する６個の孔は、反応ガスとして用いられる燃料ガスと酸化剤ガスの供給用マニホールドと排出用マニホールド、ならびに燃料電池の温度を制御するために用いられる冷却水の供給用マニホールドと排出用マニホールドの役割を果たす連通孔である。すなわち、燃料ガス（図中でＡと表記）は、図中右手前側縁部の手前側に配置された燃料ガス供給用マニホールドから供給され、セパレーター３に設けられた燃料ガス流路を流れたのち、図中左奥側側縁部の奥側に配置された燃料ガス排出用マニホールドから排出され、また、酸化剤ガス（図中でＢと表記）は、図中右手前側縁部の奥側に配置された酸化剤ガス供給用マニホールドから供給され、セパレーター３に設けられた酸化剤ガス流路を流れたのち、図中左奥側側縁部の手前側に配置された酸化剤ガス排出用マニホールドから排出されるよう構成されている。さらに、冷却水（図中でＣと表記）は、図中右奥側側縁部に配置された冷却水供給用マニホールドから供給され、セパレーター３に適宜設けられた冷却水流路を流れたのち、図中左手前側側縁部に配置された冷却水排出用マニホールドから排出されるよう構成されている。
【０００４】
なお、固体高分子電解質膜（ＰＥ膜）の両面に電極を密着した膜電極接合体を用いる固体高分子電解質型燃料電池においては、湿潤状態の変化に伴ってＰＥ膜の寸法が大幅に膨張、あるいは収縮するので、膜電極接合体の構成によっては過度に応力が加わって破損を生じる恐れがある。これに対応するものとして、特許文献１には、方形状のＰＥ膜の両面にこのＰＥ膜より外形寸法の小さい方形状の電極を密着して膜電極接合体を形成するものにおいて、ＰＥ膜に密着させる方形状の電極の角部を円弧状に形成し、あるいは角部に面取りを施して膜電極接合体を形成し、ＰＥ膜に加わる応力の集中を緩和して過度の応力による破損を回避するよう構成した燃料電池が示されている。
【特許文献１】特開平６−３３８３３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図５のごとく構成された積層形燃料電池の単セルでは、膜電極接合体１を挟む一組のセパレーター３のうち一方のセパレーター３のガス流路に燃料ガスを通流させ、もう一方のセパレーター３のガス流路に酸化剤ガスを通流させると、膜電極接合体１で電気化学反応が生じて両電極間に電位差が発生し、これを外部の導電部材に接続することによって外部に電気エネルギーが取り出されることとなる。図６に示した積層方向の部分断面図に見られるように、積層して構成された単セルの周端部は、膜電極接合体１を同一の端面を有する一組のセパレーター３で挟んで構成されており、各電極に電気的に連結された一組のセパレーター３の間を電気絶縁性の膜電極接合体１で電気絶縁している。
したがって、単セルの端部の両電極間は膜電極接合体１の厚さを絶縁距離として電気絶縁されることとなっているが、膜電極接合体１の厚さは 10 ~ 50 ・と非常に薄いので、単セルの端部に水分や塵埃が付着すると電気絶縁が不十分となる危険性がある。このように電気絶縁性能の低下した部分が生じると、この部分に電流が集中的に流れ、外部に取り出される電力が減少して発電効率が下がることとなる。
【０００６】
本発明は、上記のごとき従来技術の問題点を顧慮してなされたもので、本発明の目的は、膜電極接合体を一組のセパレーターで挟持して単セルが形成される積層形燃料電池において、各単セルの周端部のセパレーター間の電気絶縁性が十分に確保され、漏洩電流による特性低下が回避されて高い発電効率で運転できる積層形燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するために、本発明においては、
両面に拡散層を配した膜電極接合体と反応ガス流路を備えたセパレーターとからなる単セルを積層して構成される積層形燃料電池において、
（１）上記の膜電極接合体を挟んで相対する上記のセパレーターの周端部に面取り部を備えることとする。あるいは、
（２）上記の膜電極接合体を挟んで相対する上記のセパレーターの周端部に面取り部を備え、かつ、この面取り部に電気絶縁性部材を充填することとする。あるいは、
（３）上記の膜電極接合体の周端部が、この膜電極接合体を挟んで相対する上記のセパレーターの周端部より周端方向に突出するよう形成することとする。
【発明の効果】
【０００８】
単セルが、両面に拡散層を配した膜電極接合体と反応ガス流路を備えたセパレーターとを積層して構成される積層形燃料電池において、上記の（１）のごとく、膜電極接合体を挟んで相対するセパレーターの周端部に面取り部を備えることとすれば、相対するセパレーター間の絶縁距離は、膜電極接合体の厚さにセパレーターの周端部の面取り部の深さを加えた距離となり、従来の絶縁距離に比べて大幅に長くなるので、絶縁性能が向上し、特性低下の危険性が低減する。また、上記の（２）のごとく、膜電極接合体を挟んで相対するセパレーターの周端部に面取り部を備え、かつ、この面取り部に電気絶縁性部材を充填することとすれば、上記の（１）と同様に相対するセパレーター間の絶縁距離を長くすることができ、かつ、この絶縁距離を容易に確保することができる。また、上記の（３）のごとく、膜電極接合体の周端部がセパレーターの周端部より周端方向に突出するよう形成すれば、相対するセパレーター間の絶縁距離は、従来の絶縁距離に比べて膜電極接合体の突出部に相当する長さ分だけ長くなるので、これに見合って絶縁性能が向上し、特性低下の危険性が低減することとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の最良の実施形態は、単セルが両面に拡散層を配した膜電極接合体と反応ガス流路を備えたセパレーターとを積層して構成される積層形燃料電池において、膜電極接合体を挟んで相対する上記のセパレーターの周端部に面取り部を備えた形態にあり、他の最良の実施形態は、単セルが、両面に拡散層を配した膜電極接合体と反応ガス流路を備えたセパレーターとを積層して構成される積層形燃料電池において、膜電極接合体を挟んで相対する上記のセパレーターの周端部に面取り部を備え、かつ、この面取り部に電気絶縁性部材を充填した形態にある。このほか、単セルが、両面に拡散層を配した膜電極接合体と反応ガス流路を備えたセパレーターとを積層して構成される積層形燃料電池において、膜電極接合体の周端部が、この膜電極接合体を挟んで相対する上記のセパレーターの周端部より周端方向に突出するよう形成された形態としてもよい。
【実施例１】
【００１０】
図１は、本発明の積層形燃料電池の第1の実施例の単セルの周端部の構成を模式的に示す積層方向の部分断面図である。本図は従来例を示した図６に対比して第1の実施例を示したもので、図６と同様に、１は膜電極接合体、３は、膜電極接合体１を挟持するセパレーターである。本実施例の特徴は、膜電極接合体１を挟んで相対するセパレーター３の周端部に面取り部を備えて単セルが構成されている点にある。セパレーター３の厚さは通常 2 ~3 mm であるので、面取りの寸法は 0.5~1 mm 程度とするのが適当である。本構成においては、相対するセパレーター３の間の周端部の絶縁距離が、従来の膜電極接合体１の厚さ相当分（10 ~ 50 ・）に比べて、面取り部の深さ相当分（0.5~1 mmの2倍相当）増大するので、絶縁性能が飛躍的に増大し、漏洩電流の発生による特性低下の危険性が回避されることとなる。
【実施例２】
【００１１】
図２は、本発明の積層形燃料電池の第２の実施例の単セルの周端部の構成を模式的に示す積層方向の部分断面図である。本実施例の第１の特徴は、膜電極接合体１の周端部が、この膜電極接合体１を挟んで相対するセパレーター３の周端部より周端方向に距離δだけ突出するよう形成されている点にあり、第2の特徴は、第1の実施例と同様に、膜電極接合体１を挟んで相対するセパレーター３の周端部に面取り部が備えられている点にある。したがって、本構成では、膜電極接合体１をセパレーター３より周端方向に突出して組み込むことによって絶縁距離が増大し、さらに、セパレーター３の周端部に面取り部を設けることによって絶縁距離が増大するので、漏洩電流による特性低下がより確実に回避されることとなる。なお、第1の実施例のように厚さが2 ~3 mmの通常のセパレーター３の場合には、上記の膜電極接合体１の周端部の周端方向への突出距離δを1~1.5 mm 程度とするのが適当である。また、本実施例では、膜電極接合体１の周端部を突出させ、同時にセパレーター３の周端部に面取り部を設けているが、膜電極接合体１の周端部を突出させるだけでも、絶縁距離が増大するので、漏洩電流による特性低下の回避に有効であることは改めて実施例を挙げるまでもなく明らかである。
【実施例３】
【００１２】
図３は、本発明の積層形燃料電池の第３の実施例の単セルの周端部の構成を模式的に示す積層方向の部分断面図である。本実施例の特徴は、図１に示した第1の実施例のごとく膜電極接合体１を挟んで相対するセパレーター３の周端部に面取り部を備え、さらにその面取り部に絶縁性樹脂４を充填して単セルを構成した点にある。本構成では、第1の実施例と同様に相対するセパレーター３の間の絶縁距離が面取り部の形成によって増大し、絶縁性樹脂４の充填により確保されるので、漏洩電流の発生が特に効果的に防止され、燃料電池の特性低下が回避される。なお、面取り部に充填する絶縁性樹脂４としてシーリング用シリコーン樹脂などのシーリング剤を用いることとすれば施工が容易で、安価に製作できる。また、あらかじめ枠状に成形した、例えばフッ素樹脂等からなる絶縁性樹脂４をはめ込んで用いる構成としても、施工が容易となる。
【実施例４】
【００１３】
図４は、本発明の積層形燃料電池の第４の実施例の単セルの周端部の構成を模式的に示す積層方向の部分断面図である。本実施例の特徴は、第3の実施例と同様に、セパレーターの周端部に面取り部を備え、その面取り部に絶縁性樹脂を充填して絶縁距離を増大させた構成にある。本実施例の第3の実施例との相違点は膜電極接合体１の周端部、ならびに面取り部に充填される絶縁性樹脂の形状にある。すなわち、第3の実施例の構成では膜電極接合体１の周端部がセパレーターの周端部と同一寸法であったのに対して、本実施例の構成では、膜電極接合体１の周端部がセパレーターの周端部より小さく、面取り部分の寸法と同一の寸法に形成されている。また、これに対応して、第3の実施例で膜電極接合体１の両面の周端部に組み込まれていた一組の絶縁性樹脂４に替わって一個の絶縁性樹脂４Ａが組み込まれている。したがって、本構成では、絶縁距離が増大して漏洩電流の発生による燃料電池の特性低下が防止されるとともに、絶縁距離の増大に必要な絶縁部材の所要個数が少なく抑えられるので、製作コストが安価となる。
【産業上の利用可能性】
【００１４】
以上に述べたように、積層形燃料電池を本発明のごとく構成することとすれば、積層形燃料電池を構成する各単セルの周端部のセパレーター間の電気絶縁距離が大幅に増大するので、電気絶縁性が十分に確保され、漏洩電流による特性低下が回避されて高い発電効率での運転が可能となるので、本発明はこの種の積層形燃料電池に広く適用されるものと期待される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第1の実施例の単セルの周端部の構成を模式的に示す積層方向の部分断面図
【図２】本発明の第２の実施例の単セルの周端部の構成を模式的に示す積層方向の部分断面図
【図３】本発明の第３の実施例の単セルの周端部の構成を模式的に示す積層方向の部分断面図
【図４】本発明の第４の実施例の単セルの周端部の構成を模式的に示す積層方向の部分断面図
【図５】この種の積層形燃料電池の単セルの従来の構成例を示す分解斜視図
【図６】図5に示した従来の単セルの周端部の構成を模式的に示す積層方向の部分断面図
【符号の説明】
【００１６】
１    膜電極接合体
２    拡散層
３    セパレーター
４，４Ａ    絶縁性樹脂
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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