(57)【要約】      （修正有）【課題】シール性を向上させた燃料電池を提供する。【解決手段】電解質膜１２と、電解質膜１２を狭持する一対の電極層１３と、さらに、電極層１３を狭持するセパレータ１４と、を備えた単位セル２を複数積層して構成した燃料電池スタック１において、電極層１３の外周を囲むように配置されたガスケット１７を備える。また、セパレータ１４に、ガスケット１７の少なくとも一部を介して狭持され、かつ、積層面方向について電解質膜１２に連続して構成され、かつ、電解質膜１２よりも高い剛性を有する補強部材２１a，２１bを備える。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜と、
前記固体高分子電解質膜を狭持する一対の電極層と、
さらに、前記電極層を狭持するセパレータと、を備えた単位セルを複数積層して構成した燃料電池スタックにおいて、
前記電極層の外周を囲むように配置されたガスケットと、
前記セパレータに前記ガスケットの少なくとも一部を介して狭持され、かつ、積層面方向について前記固体高分子電解質膜に連続して構成され、かつ、前記固体高分子電解質膜よりも高い剛性を有する第一部材を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記第一部材を、前記固体高分子電解質膜の外縁に沿って構成する請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記第一部材を、一方の面が前記セパレータに設けたガス流路溝に対峙し、もう一方の面が前記ガスケットに接する領域に配置する請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記第一部材を、前記固体高分子電解質膜より厚い樹脂フィルムにより構成する請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記第一部材を、前記固体高分子電解質膜と略同一の厚さで、前記固体高分子電解質膜よりも高剛性の材料により構成する請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記第一部材を、厚みが略均一となるように構成する請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質として固体高分子電解質膜を用い、その電解質膜を狭持する電極の外周に沿って反応ガスの漏洩を防止するためのガスケットを備えた単位セルを有する燃料電池スタックにおいて、ガスケットのシール性を向上するための構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池として、固体高分子電解質膜（以下、電解質膜）を一対の電極で狭持し、さらにその外側からセパレータで狭持したものが知られている。アノード側電極には水素を含有する燃料ガスが、カソード側電極には酸素を含有する酸化剤ガスが供給され、電気化学反応を生じることにより起電力を発生する。このとき、アノード側電極に供給された燃料ガスと、カソード側電極に供給された酸化剤ガスと、が漏洩・混合するのを避けるために、各電極の外周に沿ってガスケットが設けられている。
【０００３】
ガスケットとしては、比較的柔らかい発泡性のゴムにより層状に形成された第一部分と、それより弾性率の高い第二部分とを備えたものが提案されている。セパレータに対峙する面を第一部分で構成し、その反対側の電解質膜を狭持する面を第二部分で構成している。これにより、セパレータ表面粗さを吸収するとともに、ガスケット全体の弾性変形を小さくして、燃料電池スタックの積層方向における高い安定性を確保している（例えば、特許文献１、参照。）。
【０００４】
また、電解質膜の面積が電極より大きく形成され、電解質膜とセパレータとの間に介装されて、電極を隙間を保持して額縁状に包囲するガスケットを有する燃料電池において、電解質膜の周縁部分に、一部が電極に重なる額縁状の保護膜を配置したものが提案されている。これにより、電解質膜の、電極とガスケットとの間にできる隙間に面する部分が補強され、安全運転性を向上している。このとき、ガスケットは直接電解質膜には接触せずに、保護膜を介して接触している（例えば、特許文献２、参照。）。
【特許文献１】特開２０００−１８２６３９号公報
【特許文献２】特許第３３６８９０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特開２０００−１８２６３９号公報に記載の燃料電池においては、ガスケットが電解質膜に対峙する構成となっており、特許第３３６８９０７号公報に記載の燃料電池においても、ガスケットは電解質膜の両面にもうけた保護膜に対峙する構成となっている。ガスケットと対峙する電解質膜または電解質膜と保護膜からなる層の剛性は小さく、ガスケットによって発生する反力によって、ガスケットに対峙する面が変形し、シール性が低下してしまうといった問題があった。
【０００６】
そこで本発明は、上記問題を鑑みて、シール性を向上させた燃料電池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】
【０００７】
本発明は、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜を狭持する一対の電極層と、さらに、前記電極層を狭持するセパレータと、を備えた単位セルを複数積層して構成した燃料電池スタックにおいて、前記電極層の外周を囲むように配置されたガスケットと、前記セパレータに、前記ガスケットの少なくとも一部を介して狭持され、かつ、積層面方向について前記固体高分子電解質膜に連続して構成され、かつ、前記固体高分子電解質膜よりも高い剛性を有する第一部材を備える。
【発明の効果】
【０００８】
このように、セパレータにガスケットの少なくとも一部を介して狭持され、かつ、積層面方向について固体高分子電解質膜に連続して構成され、固体高分子電解質膜よりも高い剛性を有する第一部材を備えることで、ガスケットの対峙面の変形を防ぐことができる。その結果、ガスケット部分のシール性を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１を用いて第１の実施形態について説明する。図１（ａ）には燃料電池スタック１の斜視図を、図１（ｂ）には断面図を示す。ここでは、燃料電池スタック１を、自動車等の移動体搭載用のスタックとする。但し、自動車以外に用いることもできる。
【００１０】
燃料電池スタック１は、所定数の単位セル２を積層した積層電池の形態で構成され、積層方向両端には集電板３、エンドプレート４とを備える。単位セル２は、それぞれ固体高分子型燃料電池として形成されており、１Ｖ程度の起電力を生じる。集電板３は、緻密カーボンや銅板などガス不透過な導電性部材により構成される。エンドプレート４には、アノードガス、カソードガス、冷却水それぞれの供給部５〜７と排出部８〜１０を備え、各供給部５〜７、排出部８〜１０は燃料電池スタック１内部の単位セル２に設けた各流路（１５ａ、１５ｃ、１６）に接続する。
【００１１】
また、燃料電池スタック１の構成部材の面圧を維持するために、燃料電池スタック１を積層方向に貫通するテンションロッド１８と、燃料電池スタック１の端部に設けられた変動吸収部材１１を備える。変動吸収部材１１は、皿バネ等の弾性体より構成され、燃料電池スタック１の面圧の変動を吸収する。但し、面圧を維持するための構成はこの限りではなく、燃料電池スタック１の外部にテンションロッド１８を設けるなど、様々な構成をとることができる。
【００１２】
次に、図２を参照して、燃料電池スタック１を構成する単位セル２の構成を説明する。
【００１３】
単位セル２は、プロトン伝導性を有する電解質膜１２と、電解質膜１２を狭持するアノード電極層１３ａとカソード電極層１３ｃと、からなる膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane  Electrode  Assembly）１９を備える。電解質膜１２は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示すフッ素系樹脂により構成する。電極層１３を、触媒層、撥水層、ガス拡散層から構成する。触媒層を、白金または白金と他の金属との合金が担持されたカーボンブラックより構成し、撥水層をポリエチレンフルオロエチレンと炭素材を含む層より構成する。また、ガス拡散層を、カーボンクロス、カーボンペーパ、カーボンフェルト等、十分なガス拡散性および導電性を有する部材により構成する。
【００１４】
また、電極層１３に隣接する面にガスケット１７を備えたセパレータ１４を備える。セパレータ１４としては、ガス不透過性のカーボン、または、カーボンと熱硬化性樹脂との混合物を圧縮成形したものを用いる。なお、セパレータ１４は、十分な導電性と強度と耐食性を有する材料により構成されていれば良く、例えば金属等により構成しても良い。
【００１５】
単位セル２のアノード側に配置されたセパレータ１４ａには、アノード電極層１３ａに対峙する面にアノードガス流路１５ａを備え、カソード側に配置されたセパレータ１４ｃには、カソード電極層１３ｃに対峙する面にカソードガス流路１５ｃを備える。また、セパレータ１４ａ、１４ｃの各流路１５ａ、１５ｃを設けた面の裏面には、冷却水を流通する冷却水流路１６を備える。但し、冷却水流路１６は、アノードセパレータ１４ａ、カソードセパレータ１４ｃの一方に設けても良いし、積層された単位セル２のうち複数毎の単位セル２のみに設けても良い。
【００１６】
電解質膜１２、セパレータ１４には、反応領域である電極層１３に重なる領域の外側に、各流路１５ａ、１５ｃ、１６の端部にそれぞれ連通する供給孔１５１ａ、１５１ｃ、１６１、排出孔１５２ａ、１５２ｃ、１６２を備える。単位セル２の積層時には、各単位セル２の供給孔１５１ａ、１５１ｃ、１６１、排出孔１５２ａ、１５２ｃ、１６２は重なり合い、燃料電池スタック１を積層方向に貫通する孔が形成される。さらにその孔は、エンドプレート４に設けた、アノードガス、カソードガス、冷却水の供給部５〜７、排出部８〜１０に連続する。
【００１７】
なお、供給孔１５１ａ、１５１ｃ、１６１と排出孔１５２ａ、１５２ｃ、１６２と、電極層１３に重なる領域に設けられた各流路１５ａ、１５ｃ、１６との間は、セパレータ１４に設けた溝により接続される。本実施形態では、この溝を、ガス流路１５ａ、１５ｃ、１６の一部として記載する。
【００１８】
また、ガスケット１７を、セパレータ１４の主面の電極層１３の外縁に沿って設ける。ガスケット１７を、シリコンゴム、ＥＰＤＭ（ethylene‐propylene terpolymer）、またはフッ素ゴム等のゴム状弾性材料によって構成する。ここでは、ガスケット１７は、電極層１３の外周を囲むとともに、その一部により、供給孔１５１ａ、１５１ｃ、１６１、排出孔１５２ａ、１５２ｃ、１６２の周囲を囲むように構成する。燃料電池スタック１の組み立て時には、ガスケット１７は、セパレータ１４ａ、１４ｃ間で弾性変形して各電極層１３ａ、１３ｃを密閉し、反応ガスの漏洩を防止する。なお、各流路１５ａ、１５ｃ、１６と連結し、アノードガス、カソードガス、冷却水が導入、または排出される箇所にはガスケット１７を設けない。
【００１９】
ここで、従来の単位セル１０２に設けたガスケット１１７の設置部の断面を図３に示す。
【００２０】
ガスケット１１７は、保護膜１２０を介して電解質膜１１２を狭持する。保護膜１２０としては、例えばＰＥＴといったような樹脂フィルムを用いる。このような構成とした場合、ガスケット１１７で狭持される部分は、電解質膜１１２と保護膜１２０といった薄い材料を複数積層した構造となり、剛性が低くなる。その結果、組み立て時に積層方向に圧力が加えられてガスケット１１７が圧縮されることにより反力が生じ、ガスケット１１７に対峙する面、ここでは、電解質膜１１２や保護膜１２０が変形してガスシール性が低下してしまう。
【００２１】
そこで、本実施形態では、ガスケット１７を以下のように構成する。
【００２２】
図４に、電極層１３、電解質膜１２を重ねた状態を示す。図４では、従来の電解質膜１１２に比較して、本実施形態の電解質膜１２で切除される部分を斜線で示す。
【００２３】
通常、電解質膜１２は、セパレータ１４と略同じ面積を有するように構成するが、本実施形態では、電極層１３より一回り大きい程度に構成する。言い換えれば、ガスケット１７により囲まれる領域より面積が小さくなるように、電解質膜１２を構成する。
【００２４】
このようなセパレータ１４、電極層１３、電解質膜１２を図５に示すように組み立て、電極層１３の外周に沿ってガスケット１７を備える。
【００２５】
このとき、ガスケット１７の対峙領域となる電解質膜１２の外縁にそって、補強部材２１を備える。ここでは、補強部材２１を、図４の斜線で示した領域全体に構成する。
【００２６】
補強部材２１を、二つの部材２１ａ、２１ｂから構成し、一部が電解質膜１２を狭持・接続するように構成する。なお、補強部材２１は必ずしも電解質膜１２を狭持している必要はなく、電解質膜１２に連続して構成されればよい。また、補強部材２１を、電解質膜１２より積層方向の厚さが大きく、十分な剛性を示すように構成する。また、補強部材２１の厚さは均一となるように構成する。なお、補強部材２１を構成する材料としては、形成された際に、十分な剛性を示し、絶縁性を有すればよい。ここでは例えば、電解質膜１２より厚い樹脂フィルムにより構成する。
【００２７】
補強部材２１とセパレータ１４の間にガスケット１７を設けることで、反応ガスの漏洩を防止する。補強部材２１のガスケット１７が対峙する面は、十分な剛性を示すことができるので、積層方向に圧力をかけることにより生じるガスケット１７の反力で、ガスケット１７との対峙面の変形が生じるのを避けることができる。
【００２８】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【００２９】
電解質膜１２と、電解質膜１２を狭持する一対の電極層１３と、さらに、電極層１３を狭持するセパレータ１４と、を備えた単位セル２を複数積層して構成した燃料電池スタック１において、電極層１３の外周を囲むように配置されたガスケット１７を備える。また、セパレータ１４に、ガスケット１７の少なくとも一部を介して狭持され、かつ、積層面方向について電解質膜１２に連続して構成され、かつ、電解質膜１２よりも高い剛性を有する補強部材２１を備える。これにより、ガスケット１７が対峙する面の剛性を向上することができるので、ガスケット１７の反力による変形を抑えてシール性能の低下を抑制することができる。
【００３０】
ここでは、補強部材２１を、電解質膜１２の外縁に沿って構成する。これにより、ガスケット１７に狭持される部分のシール性能を向上して、反応ガスの漏洩が生じるのを防ぐことができる。
【００３１】
また、補強部材２１を、厚みが均一になるように構成する。これにより、ガスケット１７の弾性変形量を容易に制御することができ、シール性を向上することができる。また、局所的に反力が大きくなるのを防ぐことができ、燃料電池スタック１の機械的強度を大きくすることができる。
【００３２】
さらに、補強部材２１を、電解質膜１２より厚い樹脂フィルムにより構成する。このように、補強部材２１の厚みを大きく設定することで、高い剛性を有するように構成することができる。
【００３３】
次に、第２の実施形態について説明する。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に図６、図７を用いて説明する。なお、図６では、第１の実施形態と同様に、従来の電解質膜１１２に比較して、本実施形態の電解質膜１２で切除される部分を斜線で示す。
【００３４】
ここでは、補強部材２１を、単位セル２を構成するセパレータ１４のうち一方のセパレータ１４にガス流路１５が構成され、もう一方にはガス流路１５が構成されない領域に配置する。つまり、補強部材２１を、アノードガス流路１５ａとカソードガス流路１５ｃが重ねて形成されない領域に設ける。
【００３５】
この領域は、図６に示すように、供給孔１５１ａと電極層１３に対峙する領域とを接続する領域３１、排出孔１５２ａと電極層１３に対峙する領域とを接続する領域３２であり、これらの領域３１、３２は、アノードガス流路１５ａのみに対峙する。また、供給孔１５１ｃと電極層１３に対峙する領域とを接続する領域３３、排出孔１５２ｃと電極層１３に対峙する領域とを接続する領域３４であり、これらの領域３３、３４はカソードガス流路１５ｃのみに対峙する。
【００３６】
なお、領域３１〜３２に対峙するガス流路１５は、前述した供給孔１５１、排出孔１５２と電極層１３との間を接続する、セパレータ１４に設けられた溝に相当する。
【００３７】
このような領域３１〜３４に補強部材２１を設け、図７に示すように、ガス流路１５に対峙しない側にガスケット１７を設ける。補強部材２１を設けることにより、積層方向に圧力が加えられた際にガスケット１７の反力によりガス流路１５側への変形が生じるのを防ぐことができ、シール性を向上することができる。
【００３８】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００３９】
補強部材２１を、一方の面がセパレータ１４に設けたガス流路１５の溝に対峙し、もう一方の面がガスケット１７に接する領域３１〜３４に配置する。これにより、全体を電解質膜１２で構成した場合に比較して、ガスケット１７の反力によりガス流路１５側への変形が生じ易い領域３１〜３４について、その変形を低減することができる。このように、変形によるシール性の劣化が生じ易い領域３１〜３４に補強部材２１を配置することで、燃料電池スタック１全体のシール性を効率良く向上することができる。
【００４０】
次に、第３の実施形態について説明する。ガスケット１７の設置位置の断面図を図８に示す。以下、第２の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００４１】
一方のセパレータ１４のみにガス流路１５が形成された領域に、高剛性部材２３を備える。高剛性部材２３は、電解質膜１２と同じ厚さとする。高剛性部材２３を、例えばステンレス鋼のような、耐食性の優れた材料により構成する。
【００４２】
また、電解質膜１２の一部と、高剛性部材２３を狭持する保護膜２０を備える。ここでは、保護膜２０で狭持することにより、電解質膜１２と高剛性部材２３を連続して構成する。さらに、ガス流路１５が形成されていないセパレータ１４と保護膜２０との間にガスケット１７を備え、反応ガスの漏洩を抑制する。
【００４３】
このように、高剛性部材２３を、一方の面にはガス流路１５が、他方の面にはガスケット１７が形成される位置に配置することで、ガスケット１７からの反力によるガス流路１５側への変形を生じることなく、適切に反応ガスのシール性を維持することができる。また、高剛性部材２３と保護膜２０により構成される、ガスケット１７に狭持される部分を、均一な厚みにすることにより、ガス拡散層１３およびガスケット１７の潰れ代を容易に均一化することが可能となる。
【００４４】
なお、ここでは、第２の実施形態に用いた補強部材２１と同じ位置に高剛性部材２３を用いたが、第１の実施形態に用いた補強部材２１と同じ位置に高剛性部材２３を用いることもできる。
【００４５】
また、保護膜２０を用いずに、高剛性部材２３に直接ガスケット１７が接触するように構成してもよい。但し、この場合にも、電解質膜１２と高剛性部材２３とが連続するように構成する必要がある。
【００４６】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第２の実施形態と効果のみを説明する。
【００４７】
高剛性部材２３を、電解質膜１２と略同一の厚さで、電解質膜１２よりも高剛性の材料により構成する。これにより、ガスケット１７が対峙する面の変形を抑制し、シール性能を向上することができる。
【００４８】
なお、第１〜３の実施形態において、ガスケット１７を、セパレータ１４や補強部材２１、保護膜２０といった材料と一体化して構成してもよい。これにより、ガスケット１７の位置決めを簡単に行うことができる。
【００４９】
このように、本発明は、上記発明を実施するための最良の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で、様々な変更を為し得ることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、電解質膜を用いた単位セルを複数積層した燃料電池スタックに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】第１の実施形態に用いる燃料電池スタックの概略図である。（ａ）は燃料電池スタックの斜視図である。（ｂ）は燃料電池スタックの断面図である。
【図２】第１の実施形態に用いる単位セルの構成部材の概略図である。
【図３】従来の単位セルにおけるガスケット設置部分の断面図である。
【図４】第１の実施形態に用いる電解質膜、電極層、セパレータの形状を説明する図である。
【図５】第１の実施形態に用いるガスケットの設置部分の断面図である。
【図６】第２の実施形態に用いる電解質膜、電極層、セパレータの形状を説明する図である。
【図７】第２の実施形態に用いるガスケット設置部分の断面図である。
【図８】第３の実施形態に用いるガスケット設置部分の断面図である。
【符号の説明】
【００５２】
１    燃料電池スタック
２    単位セル
１２  電解質膜
１４  セパレータ
１５  ガス流路
１７  ガスケット
２１  補強部材（第一部材）
２３  高剛性部材（第一部材）
３１〜３４  領域
【図１】
2006185613.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図７】
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【図５】
2006185613.tif 000008
【図６】
2006185613.tif 000009
【図８】
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